Usinage Conventionnel et sur Commande Numérique — CN (Bac STM)

Objectifs d'apprentissage

Distinguer les procédés d'usinage conventionnel : tournage (pièce en rotation) et fraisage (outil en rotation)
Identifier les paramètres de coupe : vitesse de coupe Vc, fréquence de rotation N, avance f, profondeur de passe ap
Exploiter la relation entre vitesse de coupe, diamètre et fréquence de rotation : Vc = π×D×N
Calculer un temps d'usinage à partir de la longueur à usiner, de l'avance et de la fréquence de rotation
Décrire le principe de la commande numérique (CN) : programme, axes pilotés, code ISO (fonctions G et M)
Comparer usinage conventionnel et usinage sur CN selon la précision, la répétabilité et la complexité des trajectoires

Formules et résultats clés

Tournage et fraisage

En tournage, la pièce est entraînée en rotation par la broche et l'outil, fixe en rotation, se déplace pour enlever la matière — adapté aux pièces de révolution. En fraisage, c'est l'outil (la fraise) qui tourne, la pièce se déplaçant sur la table selon les axes pilotés — adapté aux surfaces planes, rainures et formes prismatiques.

Vitesse de coupe

V_c = \pi \times D \times N

La vitesse de coupe Vc (en m/min) est la vitesse linéaire au contact outil/matière ; elle dépend du diamètre D de la pièce ou de l'outil (en m) et de la fréquence de rotation N (en tr/min). Chaque couple outil/matière a une plage de vitesse de coupe recommandée, à respecter pour limiter l'usure de l'outil et obtenir un bon état de surface.

Temps d'usinage

t_u = \dfrac{L}{f \times N}

Le temps d'usinage tu (en min) dépend de la longueur L à usiner, de l'avance f (déplacement de l'outil par tour, en mm/tr) et de la fréquence de rotation N. Une avance plus grande réduit le temps d'usinage mais dégrade l'état de surface.

Commande numérique (CN)

Une machine-outil à commande numérique est pilotée par un programme (code ISO : fonctions préparatoires G pour les déplacements et types de trajectoire, fonctions auxiliaires M pour les actions machine) qui contrôle automatiquement les axes et la broche. Par rapport à l'usinage conventionnel (piloté manuellement), la CN apporte précision, répétabilité pièce à pièce et capacité à réaliser des trajectoires complexes.

Compléments du programme

Gamme d'usinage et contrat de phase

La gamme d'usinage est la suite ordonnée des phases nécessaires pour obtenir une pièce ; une phase regroupe les opérations réalisées sur un même poste de travail sans démontage de la pièce. Le contrat de phase est le document remis à l'opérateur pour une phase : il précise la machine, les surfaces à usiner et leurs cotes, la mise en position et le maintien de la pièce (symboles normalisés), les outils et les conditions de coupe (vitesse de coupe, avance, profondeur de passe) pour chaque opération.

Les montages d'usinage

Un montage d'usinage assure la mise en position et le maintien d'une pièce sur la machine. Les montages rigides (dédiés) sont conçus pour une seule pièce : précis et rapides, ils conviennent aux grandes séries. Les montages modulaires sont assemblés à partir d'éléments standards (plaque de base, appuis, butées, brides) : réutilisables, ils conviennent aux petites séries. Concevoir un montage modulaire : analyser la pièce et le contrat de phase, choisir les appuis pour respecter la mise en position, placer les éléments de maintien, puis vérifier l'accessibilité des outils.

Mise en position et isostatisme

Une pièce libre possède six degrés de liberté (trois translations, trois rotations). La mise en position les supprime à l'aide de normales de repérage, représentées par des symboles normalisés (symboles de 1re norme : normales seules ; de 2e norme : nature technologique de l'appui). Une mise en position est isostatique quand chaque degré de liberté est supprimé une seule fois : par exemple un appui plan (3 normales), un appui linéaire (2 normales) et un appui ponctuel ou une butée (1 normale), soit la mise en position 3-2-1. Supprimer deux fois le même degré de liberté rend la mise en position hyperstatique.

Durée de vie de l'outil et puissance de coupe

La loi de Taylor relie la durée de vie

T

d'un outil à la vitesse de coupe

V_c

V_c \cdot T^n = C

(

n

C

dépendent du couple outil-matière). Augmenter la vitesse de coupe réduit fortement la durée de vie. L'effort de coupe vaut

F_c = K_c \cdot a \cdot f

, où

K_c

est la pression spécifique de coupe (en N/mm²),

a

la profondeur de passe et

f

l'avance par tour ; la puissance de coupe est

P_c = F_c \cdot V_c

. Exemple :

K_c = 2\,000

N/mm²,

a = 2

mm,

f = 0{,}2

mm/tr donnent

F_c = 800

N ; à

V_c = 120

m/min

= 2

m/s,

P_c = 1\,600

La fabrication assistée par ordinateur

La FAO (fabrication assistée par ordinateur) génère le programme d'une machine-outil à commande numérique à partir de la géométrie de la pièce. Avec un logiciel comme FeatureCam ou GCFAO, on importe ou on dessine la pièce (fichier de CAO), on reconnaît automatiquement ses formes usinables (features : poches, perçages, contours), on choisit les outils et les conditions de coupe, puis on simule l'usinage pour vérifier les trajectoires et les collisions. Le post-processeur traduit le résultat en code ISO (codes G et M), transféré à la machine (par exemple un tour ou une fraiseuse Charly Robot).

La géométrie de l'outil de coupe

On définit la géométrie d'un outil dans des plans de référence : le plan de référence

P_r

, le plan d'arête

P_s

, le plan de travail

P_f

, le plan vers l'arrière

P_p

, le plan orthogonal

P_o

et le plan normal

P_n

. Angles d'arête : l'angle de direction d'arête

\kappa_r

(dans

P_r

) et l'angle d'inclinaison d'arête

\lambda_s

(dans

P_s

). Angles de face, mesurés dans

P_o

: l'angle de dépouille

\alpha_o

, l'angle de taillant

\beta_o

et l'angle de coupe

\gamma_o

, avec

\alpha_o + \beta_o + \gamma_o = 90°

. Un angle de coupe positif facilite la coupe des matériaux tendres ; un taillant plus important renforce l'outil pour les matériaux durs.

Erreurs fréquentes

Confondre vitesse de coupe Vc (vitesse linéaire au contact outil/matière, en m/min) et fréquence de rotation N (vitesse angulaire de la broche, en tr/min) — elles sont liées par le diamètre via Vc = π×D×N, ce ne sont pas des synonymes.

Oublier de convertir les unités avant d'appliquer Vc = π×D×N : le diamètre doit être en mètres si Vc est en m/min, sinon le résultat de N est faux d'un facteur 1000.

Croire qu'en tournage c'est l'outil qui tourne : c'est la pièce qui est entraînée en rotation par la broche, l'outil restant fixe en rotation et se déplaçant en translation.

Croire qu'en fraisage c'est la pièce qui tourne : c'est l'outil (la fraise) qui tourne, la pièce se déplaçant sur la table selon les axes pilotés.

Penser que la commande numérique élimine tout risque d'erreur : une erreur dans le programme (code ISO) ou un mauvais réglage des origines (origine pièce, origine machine) peut produire une pièce non conforme tout aussi sûrement qu'une erreur manuelle en conventionnel.

Exemple corrigé — Réglage d'un tournage

Énoncé

Un arbre de diamètre $D = 25\ \text{mm}$ doit être tourné avec une vitesse de coupe recommandée $V_c = 75\ \text{m/min}$ pour l'outil et le matériau utilisés. Quelle fréquence de rotation faut-il régler sur le tour ?

Correction

$V_c = \pi \times D \times N \Rightarrow N = \dfrac{V_c}{\pi \times D}$ .

$N = \dfrac{75}{\pi \times 0{,}025} \approx 955\ \text{tr/min}$ .

En pratique, on règle la machine sur la fréquence de rotation normalisée disponible la plus proche de cette valeur calculée (par exemple 950 ou 1000 tr/min selon la gamme du tour).

3 exercices pour t'entraîner

Exercice 1

Facile

Un arbre de diamètre $D = 40\ \text{mm}$ est tourné à une fréquence de rotation $N = 800\ \text{tr/min}$ . Calculer la vitesse de coupe $V_c$ en m/min.

Voir la correction

$V_c = \pi \times D \times N = \pi \times 0{,}04 \times 800 \approx 100{,}5\ \text{m/min}$ .

Exercice 2

Moyen

Pour usiner un acier donné, la vitesse de coupe recommandée est $V_c = 90\ \text{m/min}$ . Le diamètre de la pièce est $D = 30\ \text{mm}$ . Calculer la fréquence de rotation $N$ à régler sur la machine.

Voir la correction

$V_c = \pi \times D \times N \Rightarrow N = \dfrac{V_c}{\pi \times D} = \dfrac{90}{\pi \times 0{,}03} \approx 955\ \text{tr/min}$ .

Exercice 3

Difficile

Un chariotage (usinage en tournage sur la longueur) doit enlever une longueur $L = 150\ \text{mm}$ de matière, avec une avance $f = 0{,}2\ \text{mm/tr}$ et une fréquence de rotation $N = 600\ \text{tr/min}$ . Calculer le temps d'usinage $t_u$ (en s), sachant que $t_u = \dfrac{L}{f \times N}$ (en minutes).

Voir la correction

$t_u = \dfrac{L}{f \times N} = \dfrac{150}{0{,}2 \times 600} = \dfrac{150}{120} = 1{,}25\ \text{min} = 75\ \text{s}$ .

3 exercices, c'est un début.

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Questions fréquentes

Quelle est la différence entre tournage et fraisage ?

En tournage, c'est la pièce qui tourne (montée sur la broche) tandis que l'outil, fixe en rotation, se déplace pour enlever la matière — procédé adapté aux pièces de révolution (arbres, axes, pièces cylindriques). En fraisage, c'est l'outil (la fraise) qui tourne, tandis que la pièce, fixée sur la table, se déplace selon les axes — procédé adapté aux surfaces planes, aux rainures, aux formes prismatiques et aux surfaces complexes en 3 axes ou plus.

Pourquoi la vitesse de coupe et la fréquence de rotation ne sont-elles pas la même chose ?

La vitesse de coupe Vc (en m/min) est la vitesse linéaire du point de l'outil (ou de la pièce, selon le procédé) qui est en train de couper la matière — elle dépend du couple outil/matière et doit rester dans une plage optimale pour ne pas user prématurément l'outil ni produire un mauvais état de surface. La fréquence de rotation N (en tr/min) est la vitesse angulaire de la broche. Le lien entre les deux passe par le diamètre D de la pièce ou de l'outil : Vc = π×D×N. Pour une même vitesse de coupe recommandée, un diamètre plus petit exige donc une fréquence de rotation plus élevée.

Quel est l'intérêt de la commande numérique par rapport à l'usinage conventionnel ?

Sur une machine conventionnelle, les déplacements des axes sont pilotés manuellement par l'opérateur (manivelles, vernier), ce qui limite la précision et la répétabilité, surtout sur des trajectoires complexes. Sur une machine à commande numérique (CN), un programme (code ISO, suite d'instructions G et M) pilote automatiquement les déplacements des axes et la rotation de la broche : la précision, la répétabilité d'une pièce à l'autre et la capacité à réaliser des trajectoires complexes (profils courbes, usinage 3D) sont très supérieures, au prix d'un investissement machine plus élevé et d'une phase de programmation préalable.