Fabrication des gabarits et montages d'usinage (partie 2/2)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - concevoir un montage d’usinage adapté à une pièce donnée en respectant les contraintes géométriques, de rigidité et de sécurité ; - fabriquer les éléments constitutifs du montage (platine, cales, serre-joints, butées) à l’aide des machines-outils de l’atelier ; - mettre en place le montage sur une machine-outil (tour, fraiseuse, perceuse) et réaliser des usinages complexes (alésage, taraudage, fraisage de poches, profilés) ; - contrôler la conformité des pièces usinées à l’aide d’instruments de métrologie (pied à coulisse, micromètre, comparateur) et ajuster le montage si nécessaire ; - appliquer les règles de sécurité et d’hygiène spécifiques aux opérations d’usinage. **Prérequis** : L’élève doit maîtriser : - la lecture de plans mécaniques (cotes, tolérances, symboles de rugosité) ; - les principes de base de l’usinage (vitesse de coupe, avance, profondeur de passe) ; - l’utilisation des outils de coupe (forets, fraises, alésoirs, alésoirs) et des dispositifs de fixation (serre-joints, mandrins) ; - les consignes de sécurité en atelier (port des EPI, arrêt d’urgence, consignes de verrouillage). ## Introduction contextualisée Dans les entreprises camerounaises de mécanique générale, de construction métallique ou de maintenance industrielle, la production de pièces unitaires ou en petite série repose souvent sur des montages d’usinage spécifiques. Contrairement aux opérations standards réalisées sur des dispositifs fixes (mandrins, plateaux), les montages permettent d’usiner des formes complexes, des alésages excentrés, des poches ou des profils qui ne seraient pas accessibles autrement. La conception et la fabrication de ces montages exigent une bonne lecture de plan, une connaissance des propriétés des matériaux (acier, fonte, aluminium) et une rigueur dans le respect des tolérances. Ce chapitre présente, en deux leçons, la démarche complète : de la conception du montage à sa mise en œuvre pour réaliser des usinages complexes, en intégrant les normes de sécurité et les bonnes pratiques observées dans les ateliers du secondaire technique et professionnel du Cameroun. ## I. Leçon 8 : Conception et fabrication des montages d’usinage ### A. Définition et rôle des montages d’usinage Un montage d’usinage est un dispositif provisoire destiné à maintenir, positionner et guider une pièce pendant l’opération d’usinage sur une machine-outil. Il assure : - la **fixation** de la pièce afin d’éviter tout déplacement sous l’effort de coupe ; - le **positionnement précis** par rapport aux axes de la machine (origine, références) ; - la **rigidité** nécessaire pour limiter les vibrations et garantir la qualité de surface ; - la **répétabilité** lorsqu’une même opération doit être réalisée sur plusieurs pièces. > **> Un montage bien conçu réduit les temps de réglage et améliore la productivité de l’atelier.** ### B. Étapes de conception 1. **Analyse du plan de pièce** : identifier les surfaces à usiner, les tolérances dimensionnelles et géométriques, les références de montage (plans, axes, points). 2. **Choix du type de montage** : - *Montage sur platine* (platine fixe ou réglable) pour les pièces prismatiques ; - *Montage en étau* avec cales d’ajustement pour les pièces cylindriques ou de forme irrégulière ; - *Montage à l’aide de broches ou de mandrins spéciaux* pour les alésages profonds. 3. **Détermination des points de contact** : définir les surfaces d’appui (plans, cylindres, cônes) qui supporteront les efforts de coupe. 4. **Calcul des forces de maintien** : estimer la force de coupe (Fc) à l’aide de la formule empirique : \[ Fc = Kc \cdot A \cdot \sin(\phi) \] où Kc est le coefficient de résistance spécifique du matériau, A la section de coupe non déformée, φ l’angle d’attaque. Cette force sert à dimensionner les serre-joints ou les vérins de maintien. 5. **Sélection des matériaux et des éléments normalisés** : utiliser de l’acier doux (S235) pour les platines, de l’acier allié (30CrNiMo8) pour les vis de réglage, des cales en laiton ou en bronze pour éviter l’usure. 6. **Réalisation du schéma de montage** : dessiner en vue éclatée les pièces constitutives (platine, cales, butées, vis de serrage, repères) avec leurs cotes de fabrication. ### C. Fabrication des éléments de montage | Étape | Opération | Machine-outil utilisée | Précision visée | |-------|-----------|------------------------|-----------------| | 1 | Découpe de la platine à la dimension souhaitée | Scie à ruban ou tronçonneuse | ±0,5 mm | | 2 | Usinage des surfaces d’appui (planage, fraisage) | Fraiseuse à commande numérique ou conventionnelle | ±0,02 mm | | 3 | Perçage des trous de fixation et de réglage | Perceuse à colonne | ±0,1 mm | | 4 | Filetage des vis de réglage | Tour ou machine à fileter | ISO metric 6g | | 5 | Fabrication des cales d’ajustement (épaisseur variable) | Fraiseuse ou rectifieuse | ±0,01 mm | | 6 | Assemblage et contrôle du jeu | Pied à coulisse, jeu de cales | Jeu < 0,02 mm | Lors de la fabrication, il convient de respecter les **règles de sécurité** suivantes : porter des lunettes de protection, des gants anti‑coupure lors du maniement des copeaux métalliques, vérifier l’arrêt d’urgence de la machine avant chaque réglage, et maintenir le poste de travail dégagé des huiles et des copeaux pour éviter les glissades. ### D. Normes et bonnes pratiques - **NF E60-001** (sécurité des machines-outils) : arrêt d’urgence, protection des zones dangereuses. - **ISO 2768** (tolérances générales) : appliquer les tolérances moyennes sauf indication contraire sur le plan. - **PRÉVENTION** : vérifier l’état des serre-joints (pas de fissures, filets propres) avant chaque utilisation. ## II. Leçon 9 : Exécution des usinages complexes au moyen des montages d’usinage ### A. Préparation du poste de travail 1. **Nettoyage** : éliminer les copeaux, huiles et résidus de la machine et du montage. 2. **Vérification de la géométrie** : utiliser un comparateur à cadran pour s’assurer que la platine est parallèle à l’axe de la machine (erreur < 0,01 mm). 3. **Installation des outils de coupe** : monter la fraise, l’alésoir ou le foret selon l’opération prévue, régler la hauteur d’outil avec un pied à coulisse. 4. **Régler les paramètres de coupe** : consulter les tableaux de coupe (Vc, f, ap) en fonction du matériau de la pièce et de l’outil. Exemple pour l’acier C45 avec une fraise carbure de diamètre 12 mm : Vc = 120 m/min, f = 0,1 mm/tr, ap = 2 mm. ### B. Mise en place du montage > **> Le montage doit être serré de façon uniforme afin d’éviter les déformations élastiques de la pièce.** 1. Positionner la pièce sur la platine en utilisant les cales d’ajustement pour atteindre la cote de référence indiquée sur le plan. 2. Serrage progressif des vis de réglage en croix (comme pour un boulon de roue) afin de répartir la charge. 3. Vérifier le jeu avec un jeu de cales : aucune cale de 0,02 mm ne doit pouvoir glisser entre la pièce et la surface d’appui. 4. Effectuer un point zéro (touch‑off) sur l’axe X, Y et Z de la machine en utilisant un probe ou un indicateur de cadran. ### C. Réalisation des usinages complexes **Exemple d’usinage** : fraisage d’une poche rectangulaire de 50 mm × 30 mm × 10 mm sur une pièce en aluminium 6061, avec un rayon d’angle de 2 mm. | Étape | Action | Paramètres de coupe | Résultat attendu | |-------|--------|---------------------|------------------| | 1 | Fraisage de contour (débauchage) | Fraise Ø10 mm, Vc = 250 m/min, f = 0,12 mm/tr, ap = 3 mm | Ébauche de la poche, reste de 0,5 mm | | 2 | Fraisage de finition (contour) | Fraise Ø10 mm, Vc = 300 m/min, f = 0,08 mm/tr, ap = 0,5 mm | Finition des parois, rugosité Ra ≤ 1,6 µm | | 3 | Fraisage de fond | Fraise Ø6 mm, Vc = 200 m/min, f = 0,06 mm/tr, ap = 2 mm (2 passes) | Fond de poche à cote Z = ‑10 mm ±0,02 mm | | 4 | Chanfreinage des angles | Fraise boule Ø4 mm, Vc = 180 m/min, f = 0,04 mm/tr, ap = 0,5 mm | Rayon de 2 mm obtenu | Lors de chaque passe, il faut **surveiller l’effort de coupe** grâce au dynamomètre de la machine (si disponible) ou à l’écoute du bruit de coupe ; un bruit irrégulier signale un éventuel décrochage ou une usure de l’outil. ### D. Contrôle et ajustement - **Contrôle dimensionnel** : mesurer les longueurs et largeurs de la poche avec un pied à coulisse (précision ±0,01 mm) ; vérifier la profondeur avec un micromètre à tige. - **Contrôle de forme** : utiliser un profilomètre ou un comparateur à cadran pour contrôler le rayon d’angle (tolérance ±0,02 mm). - **Ajustement** : si une cote est hors tolérance, desserrer légèrement le montage, repositionner la pièce à l’aide des cales d’ajustement, puis resserrer en suivant le même schéma de serrage croisé. - **Rapport de contrôle** : consigner les mesures relevées, les écarts par rapport à la cote nominale et les actions correctives dans la fiche de suivi d’atelier. > **> Un contrôle rigoureux en cours d’usinage permet de limiter les rebuts et d’assurer la conformité des pièces aux exigences du client.** ## III. Synthèse du chapitre - Le montage d’usinage assure fixation, positionnement, rigidité et répétabilité de la pièce pendant l’opération. - Sa conception repose sur l’analyse du plan, le choix du type de montage, le calcul des forces de maintien et le dessin détaillé des éléments. - La fabrication des éléments (platine, cales, vis, butées) se fait sur les machines-outils de l’atelier avec des tolérances de l’ordre de quelques hundredièmes de millimètre. - Le respect des normes de sécurité (EPI, arrêt d’urgence, vérification des serre-joints) est obligatoire à chaque étape. - La mise en place du montage nécessite un serrage uniforme, un contrôle du jeu et un point zéro précis sur la machine. - Les usinages complexes (poches, alésages, profils) sont réalisés en séquence d’ébauche, de finition et de contrôle, en adaptant les paramètres de coupe au matériau et à l’outil. - Le contrôle dimensionnel et de forme, effectué avec des instruments de métrologie, permet d’ajuster le montage en cours de production et de garantir la conformité des pièces. ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Montage d’usinage | Dispositif provisoire qui maintient et positionne une pièce pendant l’opération d’usinage sur une machine-outil. | | Platine | Élément de base du montage, généralement en acier, sur lequel sont fixées les cales, butées et la pièce à usiner. | | Cale d’ajustement | Pièce mince (souvent en laiton ou en bronze) utilisée pour obtenir une cote de positionnement précise. | | Serre-joint | Dispositif de maintien qui exerce une force de serrage sur la pièce afin d’éviter tout déplacement sous l’effort de coupe. | | Point zéro | Référence coordonnée (X, Y, Z) établie sur la machine-outil à partir de laquelle toutes les cotes de programmation sont mesurées. | | Effort de coupe (Fc) | Force résultante générée par l’interaction de l’outil avec la matière pendant l’usinage. | | Tolérance | Intervalle autorisé autour d’une cote nominale dans lequel la dimension réelle doit se situer. | | Rugosité (Ra) | Paramètre mesurant la finesse de la surface usinée ; valeur inférieure indique une surface plus lisse. | | Alésage | Opération d’usinage visant à élargir et à finir un trou préexistant à l’aide d’un alésoir. | | Fraisage | Opération d’usinage par enlèvement de matière utilisant une fraise rotative sur plusieurs axes. | ## Exercices d’application corrigés ### Exercice 1 – Conception d’un montage pour un alésage excentré **Consigne** : Une pièce en acier C45 présente un alésage de diamètre 20 mm, axe situé à 15 mm du bord extérieur de la pièce (épaisseur 30 mm). Concevoir un montage permettant de réaliser cet alésage sur une fraiseuse à commande numérique. Décrire les étapes de conception, lister les éléments nécessaires et donner le schéma de principe (en texte). **Corrigé** : 1. Analyse du plan : l’alésage est excentré ; il faut donc créer un déport de 15 mm par rapport à un bord de référence. 2. Choix du montage : montage sur platine avec deux cales d’ajustement latérales pour obtenir le déport. 3. Éléments nécessaires : - Platine en acier S235, dimensions 120 mm × 80 mm × 20 mm. - Deux cales en laiton, épaisseur 15 mm ±0,02 mm, longueur 80 mm. - Quatre vis M6 de réglage avec écrous freinés. - Deux butées en acier pour empêcher le déplacement longitudinal de la pièce. 4. Schéma de principe (description) : - La platine est fixée sur la table de la fraiseuse à l’aide de deux vis M8. - La pièce est posée sur la platine, son bord de référence en contact avec une butée fixe. - Une première cale de 15 mm est glissée entre la pièce et la platine du côté opposé à la butée, assurant le déport de 15 mm. - Une deuxième cale de même épaisseur est placée de l’autre côté de la pièce pour prévenir tout basculement. - Les quatre vis de réglage serrent la pièce contre les cales et la butée, en suivant un serrage croisé. - Le point zéro est établi sur le bord de référence de la pièce (butée) et sur la face supérieure de la platine. 5. Vérification : après serrage, mesurer l’écart entre l’axe de l’alésage et le bord de référence avec un comparateur ; il doit être de 15,00 mm ±0,02 mm. ### Exercice 2 – Réalisation d’une poche rectangulaire avec contrôle **Consigne** : Sur une pièce en aluminium 6061 de dimensions 100 mm × 80 mm × 20 mm, usiner une poche de 60 mm × 40 mm × 8 mm, centrée sur la face supérieure. Utiliser un montage type étau avec cales d’ajustement. Déroulez le procédé de mise en place, les paramètres de coupe pour une fraise carbure Ø10 mm, et indiquez les contrôles à effectuer après chaque passe. **Corrigé** : 1. Préparation du poste : nettoyer la table de la fraiseuse, vérifier l’état de l’étau (pas de jeu, mâchoires propres). 2. Mise en place du montage : - Placer la pièce dans l’étau, face supérieure vers le haut. - Insérer deux cales d’acier de épaisseur 0,10 mm de chaque côté de la pièce pour obtenir un léger pré‑serrage et éviter le déplacement latéral. - Serrage de l’étau en croix (vis de gauche puis droite) jusqu’à atteindre un couple de 20 Nm (vérifié avec une clé dynamométrique). - Vérifier le jeu avec un jeu de cales : aucune cale de 0,02 mm ne doit pouvoir glisser entre la pièce et les mâchoires. - Effectuer le point zéro sur le coin inférieur gauche de la pièce (en utilisant un probe) et sur la face supérieure de la table. 3. Paramètres de coupe (fraise carbure Ø10 mm, aluminium 6061) : - Vitesse de coupe Vc = 300 m/min → vitesse de rotation N = (1000·Vc)/(π·D) ≈ 9550 tr/min. - Avance par dent fz = 0,04 mm → avance f = fz·z·N (z = 2 dents) ≈ 764 mm/min. - Profondeur de passe ap = 2 mm (première passe d’ébauche), puis ap = 0,5 mm pour la finition. 4. Déroulement de l’usinage : - **Ébauche** : fraiser le contour de la poche en suivant un trajet périphérique, ap = 2 mm, f = 764 mm/min. Contrôler après chaque tour : mesure de la largeur et de la longueur avec un pied à coulisse (tol ±0,1 mm). - **Finition du contour** : réduire ap à 0,5 mm, garder même vitesse et avance. Contrôler la rugosité (Ra) avec un rugosimètre objectif ≤ 1,6 µm. - **Fraisage de fond** : changer pour une fraise Ø6 mm, Vc = 200 m/min (N≈10600 tr/min), fz = 0,03 mm → f≈636 mm/min, ap = 2 mm (2 passes). Après chaque passe, mesurer la profondeur avec un micromètre à tige (tol ±0,02 mm). - **Vérification finale** : mesurer les six côtés de la poche (longueur, largeur, profondeur) et comparer aux cotes nominales (60 mm, 40 mm, 8 mm). Tous les écarts doivent être ≤ 0,05 mm. 5. Rapport de contrôle : consigner les valeurs mesurées, les écarts, les actions correctives (si un écart > 0,05 mm, resserrer légèrement l’étau et refaire la passe de finition). ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / action corrective | |----|------------------|-------------|----------------------------------------| | 1 | Serrage excessif des vis de réglage | Déformation élastique de la pièce, perte de tolérance, risque de fissure | Utiliser une clé dynamométrique et respecter le couple préconisé (ex. 15 Nm pour du M6 en acier 8.8). | | 2 | Oubli du nettoyage des copeaux avant le serrage | Copes coincés entre pièce et platine → jeu imprévisible, vibrations | Nettoyer systématiquement la zone de contact avec une brosse métallique et de l’air comprimé avant chaque montage. | | 3 | Mauvaise identification du point zéro | Décalage systématique de toutes les cotes usinées → pièce hors tolérance | Effectuer le point zéro à l’aide d’un probe ou d’un indicateur de cadran, puis vérifier en mesurant une cote connue sur la pièce. | | 4 | Utilisation d’un outil émoussé | Augmentation de l’effort de coupe, mauvaise finition, risque de rupture de l’outil | Contrôler l’état de l’outil avant chaque série (inspection visuelle, mesure du diamètre) et le remplacer dès les premiers signes d’usure. | | 5 | Négligence du port des lunettes de protection | Projection de copeaux pouvant causer des lésions oculaires | Le port des lunettes de protection est obligatoire dès l’entrée dans la zone de coupe ; vérifier leur état avant chaque poste. | | 6 | Serrage de l’étau en séquence linéaire (une vis puis l’autre) | Application d’une charge non uniforme → basculement de la pièce, usinage conique | Toujours serrer en croix ou en suivant un schéma préétabli qui répartit la charge de façon symétrique. | --- *Fin du cours.*