1.

Présentation

machines-outils, machines fixes actionnées par un moteur, servant à façonner les matières solides, et particulièrement les métaux. Le façonnage est réalisé par retrait de matière d'une pièce ou par mise en forme de cette pièce par pressage. Les machines-outils sont à la base de l'industrie moderne ; elles sont utilisées directement ou indirectement dans la fabrication des machines et des pièces d'outillage.

Les machines-outils peuvent être classées en trois catégories principales : les machines-outils conventionnelles, les presses et les machines-outils non conventionnelles. Les machines-outils conventionnelles façonnent la pièce par retrait des portions indésirables sous forme de copeaux. Les presses utilisent de nombreux procédés de formage, dont le cisaillage, l'emboutissage ou l'étirage. Les machines-outils non conventionnelles recourent aux énergies lumineuse, électrique, chimique, ou acoustique ; aux gaz surchauffés et aux faisceaux de particules à haute énergie pour façonner les matières les plus diverses et les alliages développés pour les besoins de la technologie moderne.

2.

Historique

Les machines-outils modernes sont apparues vers 1775, quand l'inventeur anglais John Wilkinson construisit une foreuse horizontale pour l'usinage des surfaces cylindriques internes. Vers 1794, Henry Maudslay mit au point le premier tour à moteur. Plus tard, Joseph Whitworth contribua à accroître l'utilisation des machines-outils de Wilkinson et de Maudslay en développant, en 1830, des instruments de mesure d'une précision inégalée jusqu'alors. Ses travaux furent du plus grand intérêt, car les méthodes précises de mesure étaient nécessaires au développement de la production massive des articles aux pièces interchangeables.

Les premiers essais de production de pièces interchangeables eurent lieu presque simultanément en Europe et aux États-Unis. Ces tentatives reposaient sur l'utilisation de limes spéciales, avec lesquelles les pièces pouvaient être limées manuellement, à des cotes sensiblement identiques. Le premier véritable système de production en série fut créé par l'inventeur américain Eli Whitney qui, en 1798, obtint un contrat du gouvernement pour fournir à l'armée 10 000 fusils, tous pourvus de pièces interchangeables.

Au cours du XIX^e siècle, les machines-outils standard telles que les tours, les étaux-limeurs, les raboteuses, les meuleuses, les scies mécaniques, les fraiseuses, les perceuses et les foreuses atteignirent un très haut degré de précision et leur emploi se développa parmi les nations en cours d'industrialisation. Au début du XX^e siècle, la gamme des machines-outils s'élargit et elles devinrent de plus en plus précises. Après 1920, elles se spécialisèrent de plus en plus. Entre 1930 et 1950 environ, des machines-outils plus puissantes et plus efficaces furent construites qui faisaient usage des outils de coupe beaucoup plus performants alors disponibles. Ces machines-outils spécialisées rendirent possible la fabrication de produits standardisés à faible coût par le recours à une main d'œuvre peu qualifiée. Les machines manquaient, cependant, de souplesse et elles n'étaient pas adaptables à toute une gamme de productions ou aux modifications des standards de production. Aussi, durant ces trente dernières années, les ingénieurs se sont appliqués à développer des machines-outils très précises et polyvalentes, commandées par ordinateur, et rendant possible la production, à moindre coût, de produits de conception complexe. De tels outils sont maintenant couramment utilisés.

3.

Machines-outils conventionnelles

Parmi les machines-outils de base, on trouve le tour, l'étau-limeur, la raboteuse et la fraiseuse. Parmi les machines auxiliaires, on peut citer la perceuse et l'aléseuse, la meuleuse, les scies et diverses machines de formage des métaux.

1.

Machines de base

1.1.

Tour

Un tour, la plus ancienne et la plus répandue des machines rotatives, bloque en position et fait tourner la pièce métallique ou en bois, tandis qu'un outil de coupe usine le matériau. L'outil peut se déplacer parallèlement ou perpendiculairement à l'axe de rotation pour usiner des pièces de forme cylindrique ou conique, ou pour façonner un filet. Avec des accessoires spéciaux, on peut aussi utiliser le tour comme fraiseuse pour usiner des surfaces planes ou pour percer ou aléser des trous dans les pièces.

1.2.

Étau-limeur

L'étau-limeur a pour mission première la production de surfaces planes. L'outil attaque la pièce fixe en faisant une passe de coupe, revient à sa position initiale et, après un léger déplacement latéral, attaque une nouvelle passe. En général, l'étau-limeur peut façonner n'importe quelle surface, pour autant que celle-ci se décompose en sous-ensembles rectilignes. Il utilise un outil pourvu d'une seule arête tranchante et il est relativement lent, car il est animé d'un mouvement alternatif de va-et-vient. Pour cette raison, l'étau-limeur est rarement utilisé sur une unité de production. Il trouve, cependant son utilité dans les ateliers où la souplesse d'emploi est essentielle et la lenteur relative sans importance car on n'y fait pas de production en série.

1.3.

Raboteuse

La raboteuse est la plus grande des machines-outils à mouvement alternatif. À la différence de l'étau-limeur, qui déplace un outil sur une pièce fixe, la raboteuse déplace la pièce devant un outil fixe. Après chaque va-et-vient, la pièce est déplacée latéralement pour offrir une nouvelle section au travail de l'outil. Comme l'étau-limeur, la raboteuse effectue des découpes verticales, horizontales ou diagonales. On a aussi la possibilité de monter plusieurs outils simultanément sur un seul des porte-outils d'une raboteuse ou sur leur ensemble pour réaliser plusieurs coupes simultanément.

1.4.

Fraiseuse

Sur une fraiseuse, la pièce est présentée devant un outil circulaire portant une série d'arêtes tranchantes sur sa circonférence. La pièce est maintenue sur une table qui l'entraîne vers l'outil de coupe. La table, habituellement, peut se déplacer dans trois directions : longitudinalement, horizontalement et verticalement ; dans certains cas, elle peut aussi pivoter. Les fraiseuses sont les machines-outils les plus souples d'emploi. Elles permettent l'usinage très précis des surfaces planes ou courbes et assurent un état de surface excellent. On peut façonner différents outils de coupe en recourant aux angles, évidements, dents d'engrenage et rainures.

2.

Machines auxiliaires

2.1.

Perceuses et aléseuses

Ces machines-outils servent à percer des trous là où il n'en existait pas ; à modifier les spécifications d'un trou (par alésage pour l'élargir ou par taraudage pour le filetage d'une vis) ; ou à procéder au rodage ou au pierrage d'un trou de manière à lui donner des dimensions précises ou à en améliorer la finition.

Il existe des machines de perçage de taille et de fonction diverses, des perceuses portatives aux perceuses radiales, aux unités multibroches, aux machines automatiques de production et aux engins de forage profond.

L'alésage est un procédé permettant d'élargir des trous déjà forés, habituellement par rotation d'un outil de coupe à une seule arête tranchante monté sur la barre d'alésage et alimenté vers la pièce fixe. Les machines à aléser vont des aléseuses de précision aux aléseuses industrielles verticales ou horizontales.

2.2.

Meuleuses

Le meulage consiste à ôter du métal par la rotation d'une roue abrasive ; l'action est identique à celle d'une fraise. La roue est composée d'une multitude de petits grains abrasifs unis par un liant, chaque grain agissant comme un outil de coupe miniature. Ce procédé assure une finition extrêmement lisse et précise. Une très faible quantité de matière est enlevée à chaque passage de la meule car les meulages demandent un réglage très fin. La pression de la meule sur la pièce peut être très faible , ce qui permet de poncer des matériaux fragiles auxquels ne peuvent être appliqués les procédés habituels.

2.3.

Scies

Les scies mécaniques utilisées couramment sont réparties dans trois catégories, selon la nature du mouvement créant l'action de coupe : scies à mouvement alternatif, scies circulaires et scies à ruban. Elles comprennent, généralement, un bâti ou monture, un étau pour bloquer la pièce, un mécanisme d'alimentation et une lame de scie.

2.4.

Outils de coupe et fluides de coupe

Comme le processus de coupe induit de fortes contraintes locales, des frottements et un dégagement considérable de chaleur, les outils de coupe doivent combiner solidité, robustesse, dureté, et résistance à l'usure aux températures élevées. Ces exigences sont satisfaites à des degrés divers par des matériaux tels que les aciers au carbone (aciers contenant de 1 à 1,2 p. 100 de carbone), les aciers rapides (alliages de fer et de tungstène, de chrome, de vanadium et de carbone), le carbure de tungstène et le diamant, et par des matériaux récemment mis au point tels que la céramique, le carbure de céramique, et l'oxyde d'aluminium.

Pour de nombreuses opérations de coupe, des liquides sont utilisés pour refroidir et lubrifier. Le refroidissement accroît la longévité des outils et facilite l'obtention de cotes conformes sur les pièces finies. La lubrification réduit les frottements, ce qui diminue la chaleur dégagée et la puissance nécessaire pour une coupe donnée. Ces huiles de coupe sont des solutions aqueuses, des huiles chimiquement inactives ou des liquides de synthèse.

2.5.

Presses

Les presses façonnent les pièces sans action de coupe sur le matériau, c'est-à-dire sans retrancher de copeaux. Une presse se compose d'un bâti portant une table fixe, d'un coulisseau, d'une source d'énergie et d'un mécanisme qui permet de déplacer le coulisseau dans l'axe ou perpendiculairement à la table. Les presses sont équipées de matrices et de poinçons conçus pour des opérations telles que le formage, le poinçonnage et le cisaillage. Les presses assurent une production rapide, car le temps d'exécution n'excède pas la durée d'un aller-retour du coulisseau.

4.

Machines-outils non conventionnelles

Les machines-outils non conventionnelles comprennent les procédés par jet de plasma, et par faisceau laser, l'électroérosion, l'électrochimie et l'usinage par ultrasons ou par faisceau d'électrons. Ces machines-outils furent, tout d'abord, développées pour usiner les alliages ultradurs employés dans l'industrie lourde et les applications aérospatiales, et pour façonner et graver les matériaux ultraminces utilisés dans certains appareils électroniques tels que les microprocesseurs.

1.

Jet de plasma

Il s'agit d'un jet de gaz ionisé produit par un arc électrique dont on utilise la grande vitesse et la haute température pour fondre les matériaux situés dans le champ du jet. On découpe, par ce procédé, les matériaux qu'il est difficile de découper par d'autres moyens, comme les aciers inoxydables et les alliages d'aluminium.

2.

Laser

Par le procédé photonique du faisceau laser, on dirige avec précision un rayon de lumière cohérente pour vaporiser les matériaux indésirables. Les lasers sont particulièrement appropriés pour percer des trous selon des cotes extrêmement précises. Les lasers peuvent percer les métaux réfractaires, les céramiques et les matériaux très fins sans gauchir les pièces. Des fils extrêmement fins peuvent aussi être soudés par ce procédé.

3.

Électroérosion

L'électroérosion met en œuvre l'énergie électrique pour enlever du métal de la surface d'une pièce, sans établir de contact avec cette pièce. Un courant électrique de haute fréquence est appliqué entre l'électrode de l'outil et la pièce, créant des étincelles qui franchissent l'intervalle et vaporisent de petites zones de la pièce. Comme aucun effort de coupe n'est développé, il est possible, par ce procédé, d'exécuter des opérations très délicates sur des pièces minces. L'électroérosion permet de produire des formes irréalisables par les procédés mécaniques usuels.

4.

Électrochimie

L'électrochimie recourt également à l'énergie électrique pour les retraits de matière. Une cuve électrolytique est créée dans un électrolyte, la pièce faisant office d'anode et l'outil étant la cathode. Un courant de basse tension et de forte intensité est utilisé pour dissoudre le métal et l'enlever de la pièce, qui doit être un matériau conducteur d'électricité. Toute une gamme d'opérations sont possibles par électrolyse ; ces opérations comprennent la gravure, le perçage de trous et le fraisage.

5.

Ultrasons

Les ultrasons sont des vibrations de haute fréquence et de faible amplitude que l'on utilise pour forer trous et autres cavités. Un outil relativement tendre, de la forme requise, est mis en vibration contre la pièce tandis qu'un mélange d'eau et de fines particules abrasives coule entre les deux. La friction des particules abrasives ronge graduellement la pièce. Des matériaux tels que les aciers trempés, les carbures, les rubis, le quartz, le diamant et le verre sont facilement usinés par ce procédé.

6.

Faisceau d'électrons

Dans les machines à faisceau d'électrons, les électrons sont accélérés à une vitesse proche des trois quarts de celle de la lumière. Ce procédé est mis en œuvre dans une chambre à vide pour éviter l'éparpillement des électrons par les molécules de gaz de l'air. Le flux d'électrons est dirigé sur une zone précise de la pièce ; à l'impact, l'énergie cinétique des électrons est convertie en énergie thermique qui fond et vaporise le matériau que l'on veut retrancher pour percer un trou ou procéder à une découpe. Les machines à jet d'électrons sont couramment employées dans l'industrie électronique pour la gravure des circuits des microprocesseurs.