FABRICATIONS
MÉCANIQUES
On
entend par fabrications mécaniques la mise en œuvre de tous procédés ou
moyens propres à la production industrielle d’éléments ou d’ensembles réalisant
soit des fonctions purement mécaniques (transmissions: engrenages par exemple),
soit des fonctions complexes faisant appel à d’autres techniques (électricité,
électronique, pneumatique, hydraulique, ultrasons).
On
a longtemps assimilé les fabrications mécaniques (le terme construction mécanique
est plus restrictif) à l’industrie du travail des métaux. Cette notion est
à réviser pour tenir compte de l’utilisation croissante qui y est faite de
matériaux non métalliques (plastiques, composites, caoutchouc, etc.).
Les
équipements ou objets produits par les fabrications mécaniques sont utilisés
dans toutes les branches de l’activité humaine: production et transport d’énergie,
transports et manutentions, machines de toutes sortes, construction électrique,
équipements agricoles, appareils de mesure, équipement ménager, matériel de
bureau, de travaux publics, etc.
En
définitive, les fabrications mécaniques constituent le dénominateur commun de
toutes les industries. Leur rôle est capital dans la création et la production
des équipements de plus en plus nombreux et perfectionnés nécessaires à une
population mondiale sans cesse croissante et souvent dramatiquement dépourvue.
Pour
donner une idée de leur importance relative, disons que, dans un pays fortement
industrialisé, elles représentent 20 p. 100 environ du produit national brut,
30 p. 100 si on leur ajoute la métallurgie proprement dite. Ces pourcentages
seraient évidemment beaucoup plus élevés si on les calculait par rapport à
la seule activité industrielle.
Les
procédés utilisés se rattachent aux méthodes thermiques (fonderie, forgeage
à chaud, soudure, traitement des métaux), mécaniques (usinage par enlèvement
de matière, formage et forgeage à froid, extrusion, assemblage plus ou moins
automatique), électriques (usinage par électro-érosion ou étincelage),
chimiques (attaque à l’acide, électrolyse) et électroniques (faisceau électronique,
laser). Plusieurs de ces méthodes peuvent être utilisées simultanément:
frittage, usinage à chaud, meulage électrolytique, etc.
Les
techniques électroniques et informatiques se développent en vue de réaliser
la commande automatique des séquences opératoires: commande numérique des
machines avec programmation manuelle ou automatique ou commande directe par
ordinateur central, optimisation des conditions de travail (commande «adaptative»),
contrôle quantitatif et qualitatif de la production, vérification, réglage et
échange automatiques des outils, chargement, déchargement et transfert
automatiques des pièces, etc.
Cette
évolution technologique doit également permettre de détecter automatiquement
les anomalies de fonctionnement, soit pour les corriger, soit pour commander
l’arrêt de l’installation si cette correction automatique est impossible.
On arrivera ainsi progressivement à l’«usine sans homme» ou, plus
exactement, à l’«usine sans opérateur», les interventions humaines
consistant à surveiller, modifier, réparer, surmonter les difficultés imprévues.
Cette évolution technologique devra donc être accompagnée d’une évolution
radicale des structures et, surtout, d’une nouvelle organisation du monde du
travail.
1. Évolution technologique générale
Allégement des opérations de finition
Aux
procédés employés pour obtenir les dimensions et spécifications finales des
pièces et qui consistent à enlever la matière surabondante se substituent de
plus en plus des méthodes ayant pour but de mettre la matière qu’il faut à
l’endroit où elle est nécessaire. Cette tendance a pour conséquence
d’exiger une bien plus grande précision des produits semi-finis, afin que les
opérations de finition entraînent peu de déchets (chutes et copeaux). Cette réduction
des déchets présente de nombreux avantages: économies de matière, d’énergie,
de machines, d’outils, d’entretien, de main-d’œuvre directe et indirecte;
sécurité améliorée; simplification de l’évacuation et du traitement des déchets,
etc.
De
plus, les opérations ultérieures de finition agissant par enlèvement léger
de matière ne provoquent pas sur les pièces des tensions internes plus ou
moins profondes qui peuvent entraîner par la suite des déformations, soit au
cours du traitement thermique, soit au moment de leur assemblage.
On
peut donc dire qu’une part importante de la responsabilité du prix de revient
et de la qualité se déplace vers l’«amont», c’est-à-dire vers la
fabrication des produits semi-finis (forgeage, fonderie, etc.).
Sur
le plan de la qualité des produits finis, on constate une exigence croissante
de précision, afin que ces produits soient non seulement parfaitement
ajustables et interchangeables, mais également capables de performances sans
cesse améliorées (puissance, vitesse, résistance à l’usure, etc.). Les méthodes
de parachèvement ne doivent donc pas produire des élévations de température
nuisibles à la précision des machines et des pièces; elles sont de plus en
plus fréquemment réalisées à l’intérieur de locaux dont la température
est maintenue rigoureusement constante.
Évolution des matériaux de base
Un
autre moyen de réduire le prix de revient final est d’avoir recours à des
matériaux pouvant répondre à de nouvelles conditions d’emploi: résistance
à la fatigue, à la corrosion, aux températures élevées, recherche d’un
poids minimal. Citons, par exemple, le titane (dans l’industrie aérospatiale),
les métaux dits «exotiques» ou réfractaires, les matières non métalliques
telles que plastiques et fibres diverses. Cela se traduit par une vive
concurrence, d’une part entre les métaux ferreux et les non-ferreux (en
particulier l’aluminium et, dans certains cas, le titane), d’autre part
entre les métaux ou alliages légers (aluminium, magnésium, titane), les
alliages à base de zinc et de plomb, les plastiques et les matériaux
composites.
L’automatisation
L’automatisation
s’est d’abord développée pour les opérations sur machines quand on
s’est aperçu que les progrès considérables accomplis dans les procédés de
travail, les outils, les vitesses de coupe et d’avance laissaient subsister le
problème important du service de la machine elle-même, c’est-à-dire les opérations
manuelles de mise en place des pièces, de leur fixation sur la machine, de la
manœuvre de celle-ci. L’automatisation s’applique non seulement aux
machines-outils, mais au forgeage, à la fonderie, au travail de la tôle
(presses, soudure, etc.), aux traitements thermiques, ainsi qu’à la vérification
des pièces.
L’automatisation
s’est ensuite appliquée aux opérations d’assemblage, son but étant
d’obtenir une plus grande fiabilité des organes montés.
Grâce
au développement rapide des machines à commande numérique [cf. MACHINES-OUTILS] et aux progrès
technologiques, les automatismes sont devenus progressivement «flexibles»,
c’est-à-dire capables de s’adapter à des fabrications variables et
diversifiées.
2. Matériaux de base
La
consommation des métaux ferreux augmente, mais ceux-ci sont fortement
concurrencés par les métaux légers, en particulier l’aluminium. Il faut
noter un mouvement très marqué vers une amélioration de leur qualité,
surtout pour les usages difficiles où la fatigue et la sécurité jouent un rôle
prépondérant. Il s’agit, notamment, d’augmenter la pureté du métal et
d’éliminer toutes les microsolutions de continuité, constituées par exemple
par des retassures ou des inclusions. Aussi utilise-t-on de plus en plus les
procédés de dégazage et de désoxydation et la coulée continue. Pour faire
face à la concurrence des métaux légers, les sidérurgistes ont développé
les aciers maraging à forte proportion de nickel (de 18 à 25 p.
100) renfermant également du cobalt, du molybdène et même du titane, se
travaillant normalement après recuit à 800 0C, et subissant une
opération de durcissement à basse température (480 0C)
qui ne crée pas de déformation (maraging ).
On voit également progresser et se perfectionner les aciers inoxydables (stainless
steels ).
Parmi
les métaux légers, la progression de l’aluminium est spectaculaire et ses
utilisations se sont considérablement étendues. En particulier, certains
alliages d’aluminium à teneur élevée en silicium (16 p. 100)
peuvent avoir des propriétés physiques comparables à celles de la fonte.
L’évolution
actuelle concerne surtout l’utilisation de métaux légers, le titane
notamment, qui possède une haute résistance aux températures élevées et
dont l’emploi a été exigé par l’industrie aérospatiale. La mise en
service d’avions se déplaçant à des vitesses supérieures à Mach 2,5 élimine
l’emploi de l’aluminium, qui fond à 650 0C. Le titane, plus
lourd (densité 4,5), fond à 1 735 0C, mais son
utilisation pose d’énormes problèmes de métallurgie (approvisionnement en
minerai, mise en forme et usinage du métal). De nouvelles méthodes sont mises
en œuvres pour la fonderie et le forgeage de pièces en titane de plus en plus
importantes et précises. Les problèmes d’usinage sont difficiles à résoudre
en raison de la faible conductibilité thermique du métal qui, de plus, a une
tendance à constituer un alliage extrêmement dur avec l’oxygène dès que la
température due au travail des outils dépasse 500 0C
à 600 0C.
Les
métaux réfractaires, ou «exotiques» (cf. tableau), ont, en général,
de faibles coefficients de dilatation et une grande conductibilité thermique;
aussi permettent-ils la fabrication de moules pour la coulée sous pression des
métaux ferreux. Seuls ou combinés par deux (tantale-niobium,
zirconium-hafnium, etc.), ils peuvent résister aux hautes températures de
fusion des aciers. L’utilisation de ces métaux très difficiles à usiner et
à souder a obligé les techniciens à employer de nouvelles méthodes telles
que l’attaque chimique, l’électro-érosion, l’usinage électrochimique et
les procédés par focalisation d’énergie comme le faisceau électronique et
le laser qui, depuis, sont utilisés parfois pour des métaux courants à l’état
trempé.
3. Produits semi-finis
Fonderie
Fonderie classique (au sable)
Les
nouveaux procédés dits «en carapace» ou «en boîte chaude» s’accommodent
de faibles dépouilles de démoulage, ce qui permet de réduire les surépaisseurs
d’usinage et, par conséquent, les déchets.
L’emploi
de la fonte à graphite sphéroïdal (fonte nodulaire ou ductile-iron ) améliore considérablement la coulabilité
et l’usinabilité, les possibilités de durcissement superficiel ainsi que la
résistance mécanique finale.
Grâce
au perfectionnement de ce procédé, il est possible d’obtenir directement – sans
traitement thermique ultérieur – des pièces brutes malléables et
usinables (pour des épaisseurs supérieures à 5 mm). Le prix de revient, la précision et la
gamme de nuances possibles sont très améliorés par rapport à la fonte malléable
classique (perlitique ou ferritique), plus facile à obtenir, mais nécessitant
un traitement thermique générateur d’inévitables déformations.
L’automatisation
s’applique également au domaine de la fonderie: composition et manutention
des charges, contrôle de la fusion avec analyse continue du métal et des paramètres
tels que la température de l’air soufflé, la teneur en eau, le taux de coke,
la température du métal au bec de coulée, etc.
La
stabilisation du métal liquide est ensuite obtenue dans des fours de maintien
chauffés par induction, de grande capacité et de préférence du type à
anneau ouvert. On emploie des méthodes de contrôle non destructives
(ultrasons, etc.).
Fonderie sous pression
La
fonderie sous pression, appliquée surtout aux métaux légers et aux
plastiques, constitue un des moyens les plus efficaces pour parvenir à une plus
grande précision des pièces et obtenir des formes définitives qui permettent
d’éliminer certaines opérations (en particulier le perçage et le fraisage).
Dans
ce domaine, un nouveau pas a été réalisé par la méthode dite acurad .
Celle-ci consiste à introduire le métal dans le moule par de larges orifices,
à des vitesses et à des pressions relativement faibles afin d’éviter l’émulsion.
On augmente la pression en fin de course par l’action d’un piston
auxiliaire. Par la suite, le cycle de refroidissement du moule est
rigoureusement contrôlé. Les pièces ainsi obtenues sont dépourvues de
soufflures ou d’inclusions.
De
très importants progrès ont également été réalisés dans le transport du métal
liquide du four de fusion au moule. On contrôle la quantité exacte du métal
à injecter en évitant toute oxydation ou détérioration de celui-ci.
Le
piercing ,
qui s’apparente à la coulée sous pression, est applicable à des pièces
creuses d’assez faibles dimensions. Le métal est d’abord coulé dans un
moule simple ou démontable, puis un poinçon est introduit pour former la
partie intérieure. La matière est ainsi «tassée» contre les parois du
moule. On obtient des pièces de grande précision, de haute résistance, très
homogènes et avec d’excellents états de surface. Ce procédé a d’abord été
employé pour le bronze, mais son application à l’aluminium s’étend.
Soufflage de métal liquide
Le
procédé de soufflage de métal liquide s’inspire du soufflage du verre. On
introduit, au moyen d’un tuyau, un gaz neutre dans un bain de métal liquide;
la bulle ainsi formée est dirigée vers un moule dont l’orifice est tourné
vers le bas à l’intérieur du métal fondu; elle tapisse la partie intérieure
du moule et se fige. On obtient ainsi des pièces de formes même compliquées
dont les épaisseurs varient de 0,1 à 3 millimètres et sont assurées à 2 p. 100
près. Ce procédé d’abord employé pour de petites pièces en aluminium (étuis
ou containers), a vu ses possibilités étendues et rendues plus intéressantes
par l’emploi de machines multipostes à tourelle (culots d’ampoules électriques).
Il concurrence les procédés par emboutissage utilisant la tôle et permet également
d’obtenir, par dépôts successifs, des «sandwiches» de matières différentes.
Fonderie par cire ou modèle perdu inversement )
Le
procédé de fonderie par cire, connu depuis la plus haute antiquité, a de
nombreuses applications. Son avantage essentiel réside dans le fait qu’il
supprime toute difficulté de démoulage. On obtient des pièces de formes
quelconques pesant jusqu’à 1 kilogramme et dont la précision peut
atteindre A 0,07 mm
avec de bons états de surface. Un perfectionnement consiste à remplacer les
modèles fusibles par des modèles solubles (urée), ce qui évite les déformations
résultant du chauffage.
Les
moulages au sable (P.M.P., V-process )
se substituent dans certains cas à cette technique [cf. FONDERIE].
Forgeage
Forgeage classique à chaud
Le
procédé de forgeage à chaud est fortement concurrencé par la fonderie, qui
donne plus de «liberté» au dessin de la pièce, augmente sa précision et réduit
les déchets de parachèvement et d’usinage; par la tôle emboutie et éventuellement
soudée, brasée ou collée, qui réduit le poids et le prix; par le frittage,
qui permet une meilleure précision et de meilleurs états de surface; par le
forgeage à froid (extrusion, filage) ou à demi chaud, qui augmente la précision
et réduit les déchets; par le formage à l’état de «superplasticité».
Le
forgeage classique se perfectionne cependant dans le sens d’une plus grande
automatisation, grâce en particulier au chauffage par induction et aux presses
rapides à postes multiples.
Certains
procédés tels que l’impacter
permettent
des précisions plus grandes (forgeage avec deux masses se déplaçant
horizontalement l’une contre l’autre, de part et d’autre de la pièce à
forger).
Les
méthodes désignées d’une manière générale sous la dénomination de haute
énergie instantanée (H.E.R.F., high
energy rate forging ) s’appliquent au forgeage par l’emploi de
presses dont les vitesses d’impact sont beaucoup plus grandes – jusqu’à
300 mètres
par seconde – que celles des presses ordinaires. Ces
vitesses permettent l’obtention de pièces plus précises, de meilleure
structure, à des cadences très supérieures à celles de la forge classique.
Le
forgeage à demi chaud produit des pièces précises non oxydées et non décarburées,
en chauffant en dessous des points critiques de transformation. Cette méthode,
particulièrement intéressante pour les aciers durs, est également utilisée
sur les machines de boulonnerie, le chauffage se faisant par résistance ou par
induction.
Le
procédé ausforging
ou
ausforming qui
consiste à forger les aciers à une température voisine de la limite inférieure
du domaine de l’austénite permet de réduire les déformations et d’améliorer
la résistance à la fatigue.
Forgeage à froid. Extrusion
Le
forgeage à froid et l’extrusion connaissent un grand succès en raison des énormes
avantages qu’ils présentent pour l’économie de métal, pour la précision
et l’amélioration des conditions d’utilisation. Leur domaine empiète de
plus en plus sur celui du décolletage. Dans les machines à postes multiples
travaillant dans la barre ou le fil (machines dites «progressives»), on
obtient des pièces de formes compliquées, même dissymétriques, à des
cadences très élevées.
Dans
un domaine différent, on réalise par roulage ou martelage à froid certaines
dentures d’engrenages. Des pièces telles que les croisillons de cardans, par
exemple, peuvent être produites à des cadences extrêmement élevées en
soudant deux éléments extrudés à froid. On pratique également l’extrusion
à froid hydrostatique, c’est-à-dire dans un milieu hydraulique à très
haute pression, celle-ci pouvant atteindre 170 et même 300 hectobars. On peut
ainsi obtenir des formes compliquées sans risque de formation de criques.
Frittage
Le
frittage, ou métallurgie des poudres, permet d’obtenir des pièces de
compositions très diverses avec une grande précision géométrique, éliminant
souvent toute opération d’usinage.
On
obtient des pièces pesant plusieurs kilogrammes (tambours de freins) et pouvant
résister à des efforts mécaniques importants. On devrait rapidement aboutir
à la production d’engrenages de transmission frittés.
Une
amélioration importante a été réalisée par l’utilisation de presses «isostatiques»
comportant une chambre flexible permettant une répartition homogène du métal
et une densité constante.
On
peut également fabriquer des pièces plus importantes par forgeage d’ébauches
frittées, ce qui permet d’associer les avantages des deux procédés et
d’obtenir des pièces à structure fibrée.
Travail de la tôle (découpage, emboutissage)
De
nombreuses pièces, autrefois obtenues par forgeage ou moulage, sont maintenant
remplacées par des éléments en tôle emboutie, parfois soudés, brasés ou
collés pour constituer des corps creux, plus légers et meilleur marché à égalité
de résistance mécanique.
Les
opérations d’emboutissage s’exécutent de plus en plus sur des presses «transferts»
dans lesquelles les opérations sont effectuées, successivement et
automatiquement, comme sur les machines-transferts d’usinage.
Sur
les grosses presses d’emboutissage de l’industrie automobile, un gain de
temps fort appréciable a été obtenu par l’utilisation de plateaux
porte-matrices mobiles (bolsters ),
accélérant les opérations de changement d’outillage (qui deviennent de plus
en plus fréquentes en raison de la diversification croissante des modèles).
Une
nouvelle méthode de découpage de précision utilisant des presses spéciales
et des outils compound
permet,
en évitant la pénétration du poinçon dans la matrice, d’obtenir des pièces
plus précises, à bords francs et sans bavure. On évite ainsi les opérations
de reprise: calibrage, alésage, ébavurage, planage.
Les
méthodes d’emboutissage par expansion sont en progrès. Le procédé Wallace
consiste à travailler sur des viroles, en équilibrant radialement les efforts
d’emboutissage pour produire deux ou quatre pièces par cycle. Ce système,
qui économise la matière, a été perfectionné grâce au remplacement des
expanseurs mécaniques intérieurs par des vessies gonflables qui permettent un
meilleur équilibrage des efforts. Il est utilisé pour les corps ronds
d’appareils ménagers (machines à laver en particulier).
Les
procédés par haute énergie instantanée (H.E.R.F.) ou inturgescence sont utilisés pour emboutir, forger, rétreindre,
extruder, calibrer des pièces en tôle ou des tubes. Ils emploient, soit un
explosif qui peut être lent ou rapide (une ou plusieurs explosions
successives), soit un gaz à haute pression, soit une décharge électrique ou
magnétique. La grande quantité d’énergie développée de façon presque
instantanée (de l’ordre de la milli- ou de la microseconde) est transmise à une très
grande vitesse (de l’ordre de 5 000 m/s), soit directement par l’air, l’eau ou
un gaz, soit indirectement par un coulisseau mécanique.
Pour
l’emboutissage, ces procédés ont en outre l’avantage de ne nécessiter
qu’une matrice (et non une matrice et un poinçon). Les pièces obtenues
peuvent être de formes quelconques (éléments de prothèse). Les qualités mécaniques
du métal ne sont pas changées si on ne dépasse pas une certaine vitesse de déformation.
Le
procédé stretch-forming
consiste
à tirer horizontalement la tôle au-delà de la limite élastique (de 4 à 6 p.
100), au moyen de presse-flans hydrauliques mobiles, et à l’appliquer
verticalement de haut en bas sur une forme. La partie supérieure de la presse
descend alors pour compléter la mise en forme (parties contre-embouties).
La
méthode de fluo-tournage permet de constituer des corps de révolution creux,
d’épaisseur variable, en partant de flans ou de tubes plus ou moins épais.
L’opération qui utilise le principe du fluage de l’acier se pratique à
froid sur un tour spécial muni de mollettes actionnées hydrauliquement. Les
applications sont nombreuses dans l’industrie aérospatiale.
Mise en forme à l’état de superplasticité
La
mise en forme de matériaux à l’état de superplasticité permet
l’obtention de pièces de grande précision; elle peut s’appliquer à
certains métaux ou à leurs alliages (aluminium, cuivre, magnésium, titane,
aciers au carbone et stainless) ainsi qu’aux métaux frittés et aux céramiques.
En
ce qui concerne les métaux, ils doivent, par des additions d’éléments ou
des traitements thermiques appropriés, être amenés à une structure à grains
très fins, stable dans un assez faible intervalle de températures voisines de
la moitié de la température de fusion. À l’intérieur de cet intervalle,
ils sont superplastiques et peuvent être mis en forme sous de très faibles
pressions, ce qui permet l’emploi d’outillages légers et peu coûteux. Le métal
épouse exactement les moindres aspérités du moule et reprend ensuite toutes
ses propriétés.
La
difficulté principale est de donner cet état de superplasticité à toutes les
parties de la pièce, et cela entre des limites de température assez étroites,
situées dans les zones de température convenant pour le forgeage à demi chaud
et le forgeage par ausforging ,
qui ne sont séparées que par 100 à 150 0C.
Ce
procédé concerne quelques applications pratiques: formage de pièces compliquées
en alliage zinc-aluminium ou en aluminium en partant de métal en feuille;
fabrication d’engrenages en alliage d’aluminium.
Procédés de soudure et de liaison
La
soudure à l’arc «bord à bord» permet souvent d’obtenir des liaisons plus
légères et plus économiques que la soudure par points avec recouvrement. Dans
les carrosseries d’automobiles, le fractionnement des divers éléments s’en
trouve simplifié pour une rigidité finale accrue et un prix réduit.
Les
procédés T.I.G. (tungsten inert gas ),
M.I.G. (metal inert gas )
et ceux qui utilisent un plasma ont été perfectionnées. Les vitesses de
soudure ont été augmentées et les opérations automatisées, y compris la vérification
par ultrasons à mesure que l’opération s’effectue (cas des tubes soudés).
La
soudure par friction (ou par inertie), c’est-à-dire par pression d’une pièce
fixe sur une autre pièce en rotation, est appliquée dans l’industrie
automobile, pour la fabrication des soupapes, par exemple. On soude également
le nylon par ce procédé. Cette méthode permet de relier des pièces de nature
différente adaptées aux besoins locaux, ce qui peut réduire sensiblement le
prix et parfois le poids de l’ensemble.
Née
de la conquête spatiale, la soudure par bombardement électronique (ou faisceau
électronique, E.B.M.) est maintenant d’une utilisation courante. Les capacités
des appareils varient du petit appareil portatif aux énormes appareils pour la
soudure de grands éléments. À l’origine, ce procédé était utilisé
uniquement dans une enceinte (ou sas) sous vide presque absolu. On travaille
maintenant sous vide partiel dans le cas de pièces en série (industrie
automobile), en raison d’une plus grande facilité de mise en place et de
manutention des pièces. Pour les grands ensembles, on opère à l’air libre,
ce qui nécessite certaines précautions pour le personnel en raison de la présence
de rayons X.
Parmi
les procédés de liaison, il faut citer les possibilités de collage au moyen
d’adhésifs qui peuvent résister à un certain échauffement, à l’attaque
d’agents corrosifs et à l’action du temps. Des structures métalliques
complexes (sandwiches «composites» ou «stratifiés») peuvent être obtenues
par collage. Elles sont utilisées pour des éléments soumis à des vibrations,
à des variations de température ou à des courants parasites. On utilise aussi
le collage pour freiner ou arrêter des pièces de liaison, telles que boulons,
vis ou écrous. On dispose sous la tête du boulon ou de l’écrou une petite
capsule en plastique qui, en s’écrasant sous la pression du blocage, libère
un adhésif assurant un freinage efficace et durable (Loctite).
Le
collage se substituant aux liaisons classiques par vis, boulons et écrous
permet une meilleure répartition des efforts, une moindre déformation des
surfaces en contact et une meilleure résistance à la corrosion par la
suppression des trous percés ou poinçonnés. Il y a cependant un risque de
pollution dû à l’emploi de certains solvants dans les colles.
4. Procédés de finition
Malgré
les améliorations considérables dans la production de pièces semi-finies plus
précises, les opérations de finition sont encore et seront longtemps nécessaires
pour l’obtention de pièces de précision ou lorsqu’il s’agit de petites séries
(pièces de rechange, outillage, pièces de machines, entretien, mécanique générale).
Outils de coupe
La
grande révolution dans la technique de coupe des métaux a été l’apparition
d’outils nouveaux qui ont permis des vitesses de coupe de plus en plus élevées.
Des
perfectionnements ont été apportés aux aciers rapides (aciers rapides frittés
ou coulés en cire perdue). Il en est de même des carbures métalliques obtenus
par frittage (carbure de titane) et des céramiques. Des études systématiques
ont été réalisées en vue d’améliorer les caractéristiques des outils et
de définir les formes (profils d’attaque et de dépouille) favorisant la
fragmentation et l’évacuation des copeaux. Les travaux effectués dans le
domaine du perçage, par exemple, ont permis d’augmenter les avances et de
doubler la durée des forets; signalons également le développement des
forets-alésoirs du type demi-rond (gun-boring ),
capables de réaliser en une seule passe, surtout dans les métaux coulés
(aluminium ou fonte), des alésages de grande précision et de bon état de
surface.
Le
développement de l’automatisation a conduit à concevoir de nouveaux systèmes,
programmeurs ou micro-ordinateurs, permettant de déterminer avec précision les
données optimales de coupe (vitesse, avance, nombre et profondeur des passes)
suivant certains critères et en tenant compte des caractéristiques des outils,
de la capacité des machines et de l’usinabilité des matériaux. Ces données
sont ensuite transmises automatiquement par la commande numérique aux moteurs
contrôlant la rotation et les déplacements des différents organes des
machines.
Outils procédant par abrasion
Dans
le domaine des procédés par abrasion, de plus en plus utilisés, une évolution
considérable est à noter dans la qualité des meules. On a mis au point des
meules de rectification vitrifiées permettant des vitesses linéaires de 60 et
même 80 mètres par seconde, travaillant dans des
conditions de sécurité analogues à celles des meules employées auparavant,
qui ne permettaient guère de dépasser 40 mètres par seconde.
On
a également créé des meules d’ébarbage pleines (sans alésage et sans
arbre), centrées et entraînées par quatre boulons. Ces meules sont plus résistantes
et plus économiques que les meules classiques.
Les
meules diamantées, employées pour certains usages spéciaux (affûtage des
carbures), ont été améliorées par une opération d’enrobage préalable des
grains de diamants (nickelage électrolytique).
On
emploie de plus en plus pour l’ébarbage et même pour la rectification des
bandes abrasives animées par des machines spéciales.
Machines-outils classiques
Évolution technologique
Les
machines-outils ont été perfectionnées de telle manière que celles qui
datent d’une quinzaine d’années sont souvent considérées comme dépassées,
ce qui justifie l’achat de matériel moderne (surtout lorsqu’il s’agit de
machines de production ou de grande précision).
Les
traits généraux des nouvelles machines-outils travaillant par enlèvement de
matière peuvent être résumés ainsi:
– Emploi
de plus grandes vitesses et de plus grandes avances en vue d’obtenir de plus
grandes productions; bâtis plus rigides, parfois plus légers mais mieux étudiés;
meilleure qualité des paliers, des broches et des glissières afin de faire
face aux puissances engagées et aux variations de charge en cours de travail
(paliers hydrostatiques et aérostatiques, glissières hydrostatiques ou à
galets ou billes préchargés).
– Développement
des systèmes de chargement, déchargement et transfert automatiques des pièces
et des systèmes de changement automatique des outils.
– Emploi
de systèmes intégrés de mesure intervenant pendant le cycle de travail par
contact direct avec la pièce, avec commande mécanique, pneumatique,
hydraulique, électronique ou «fluidique» et dispositifs animés par ces
appareils de mesure pour corriger automatiquement la position de l’outil ou
des outils en cours de cycle (feed back
control ).
– Développement
de la construction par éléments ou «construction modulaire» (building
block concept ).
– Enfin,
développement de l’automatisation, partielle ou totale, grâce à l’emploi
de commandes numériques plus ou moins complexes [cf. AUTOMATISATION].
Une
forme particulière d’automatisation est le «contrôle adaptatif», qui
consiste à mesurer avec un ou plusieurs capteurs certaines caractéristiques
variables en cours d’opération (température ou flexion de l’outil, couple
de torsion de la broche, poussée sur la table portant la pièce ou sur le
porte-outil, puissance absorbée, vibrations) et à transmettre les résultats
– sous
une certaine forme – à un micro-ordinateur qui, contrôlant
des moteurs à vitesse variable, peut modifier la valeur des vitesses de coupe
et d’avance.
Dans
le cas du fraisage par exemple, on peut ainsi travailler dans des conditions
optimales, en tenant compte des variations de contact entre la pièce et la
fraise (interruptions ou variations de surépaisseurs), des variations de dureté
à l’intérieur d’une même pièce, de la précision ou de l’état de
surface recherchés, de la puissance maximale de la machine.
L’évolution
des machines-outils est importante et rapide dans tous les domaines, qu’il
s’agisse de fabrications en petites, moyennes ou grandes séries, en vue de
l’exécution de travaux variés ou de pièces identiques.
Fabrications en petites séries (ou unitaires)
Ce
domaine correspond aux machines dites universelles ou d’outillage conçues
pour exécuter des travaux variés, la qualité obtenue dépendant en partie de
l’habileté de l’opérateur.
L’évolution
consiste alors non pas à éliminer l’intervention humaine, mais à faciliter
le travail manuel en vue d’obtenir une meilleure précision et de diminuer le
temps d’exécution en réduisant les risques d’erreurs. Dans ce but, les
machines peuvent être équipées de commandes numériques «simplifiées» dans
lesquelles les données sont introduites manuellement; un pupitre muni d’un
clavier permet à l’opérateur, en appuyant sur les touches convenables, de déterminer
l’amplitude des déplacements que l’élément mobile (porte-pièce ou
porte-outil) doit effectuer pour réaliser avec précision les travaux demandés.
Ces
commandes simplifiées comportent des mémoires permettant, dans le cas de
l’usinage successif de plusieurs pièces identiques et après exécution
manuelle de la première pièce, d’usiner automatiquement les pièces
suivantes, sans autre intervention de l’opérateur.
Fabrications en moyennes et grandes séries
Dans
ce domaine, les études orientées vers l’amélioration de la rentabilité en
éliminant au maximum les pertes de temps ont conduit à créer des machines
multifonctionnelles équipées de commandes numériques multiaxes.
C’est
ainsi que les tours sont devenus des centres
de tournage capables de réaliser, en plus des travaux de
tournage, des opérations complémentaires de perçage, fraisage ou alésage.
Les outils sont disposés sur le plateau d’une tourelle fixée sur le chariot
de la machine, la rotation de la tourelle permettant d’amener successivement
les différents outils en position de travail; il s’agit d’outils fixes pour
le tournage, d’outils tournants pour le perçage et le fraisage. Par ailleurs,
ces centres de tournage peuvent comporter plusieurs chariots indépendants équipés
chacun d’une tourelle, de sorte que ces tourelles, grâce aux commandes numériques
multiaxes, peuvent travailler simultanément.
De
même, les perceuses, fraiseuses et aléseuses sont remplacées par des centres
d’usinage
qui
exécutent l’ensemble des opérations réalisées sur les machines précédentes,
ces centres comportant obligatoirement des changeurs automatiques d’outils
permettant d’introduire dans la broche, avant chaque opération, l’outil
approprié. De plus, les pièces sont fixées sur des palettes interchangeables,
l’opérateur réalisant, pendant l’usinage d’une pièce, le démontage de
la pièce précédente fixée sur une autre palette, ainsi que le montage de la
pièce suivante sur une troisième palette.
On
conçoit que, si de tels centres doivent travailler un certain temps sans
intervention humaine (c’est, par exemple, le cas des machines qui tournent
jour et nuit, alors que les opérateurs ne sont présents que pendant le jour),
il est nécessaire de prévoir la possibilité de stocker une quantité
suffisante de pièces à usiner, en amont, et de pièces terminées, en aval. On
est ainsi conduit à augmenter le nombre de palettes permettant ce stockage.
Dans
le cas du tournage, le transfert des pièces entre les palettes et les machines
est assuré par des dispositifs automatiques de chargement et de déchargement.
Ces dispositifs sont équipés de moyens de serrage, tels que des pinces, qui
viennent saisir les pièces avant et après usinage. Sur les centres
d’usinage, ce sont les palettes elles-mêmes qui se déplacent pour venir à
tour de rôle se présenter en position de travail sur la table de la machine.
L’autonomie du centre d’usinage dépend par conséquent du nombre de ses
palettes et du temps d’usinage des pièces fixées sur chaque palette. De tels
équipements constituent des pool-palettes .
Installations flexibles
Les
fabrications de pièces identiques en grandes séries ne se trouvent que dans un
petit nombre d’industries, telles que l’industrie automobile par exemple. Même
dans ce domaine, les contraintes de la concurrence obligent les constructeurs à
multiplier le nombre de leurs modèles et à les renouveler fréquemment, de
sorte que l’amortissement de machines spécialement conçues pour l’exécution
d’un seul type de pièces devient aléatoire, sinon impossible.
La
nécessité de concilier les avantages de l’automatisation et de la souplesse
a conduit à la notion de «flexibilité», qui s’applique aussi bien à des
machines isolées qu’à des ensembles de machines.
Ce
développement a été rendu possible par l’emploi généralisé de la
commande numérique, qui s’applique aux machines proprement dites et à leur
environnement, à la condition que cet environnement soit lui-même flexible.
Si, par exemple, un centre de tournage est affecté à l’usinage de différents
types de pièces appartenant à une même famille et dont les diamètres sont
voisins les uns des autres, les caractéristiques des pinces utilisées pour le
chargement ainsi que celles des mors du mandrin utilisé pour l’entraînement
peuvent admettre ces faibles variations de diamètre. Au contraire, si ces
variations sont plus importantes, elles peuvent exiger le remplacement des
pinces, des mors et, à la limite, du mandrin lui-même; s’il en est ainsi,
ces éléments doivent être automatiquement interchangeables.
Un
centre ainsi équipé constitue le maillon élémentaire d’une «cellule
flexible». Ce terme désigne, conformément à la définition généralement
admise (à la suite des travaux de la commission technique du Syndicat de la
machine-outil, de l’assemblage et de la productique associée), un groupe de
machines à commande numérique, servi par des moyens de manutention
automatiques, le processus de transfert d’une machine à l’autre étant entièrement
déterminé par le type de pièce à usiner.
Selon
la même terminologie, une «ligne transfert flexible» est également constituée
par un ensemble de machines flexibles, c’est-à-dire dont les opérations
peuvent être rapidement modifiées en fonction du modèle de pièces à réaliser.
Toutefois, sur une ligne transfert, le cheminement des pièces reste le même
quels que soient les modèles de pièces à produire.
Enfin,
le terme «atelier flexible» désigne un ensemble de machines et/ou de cellules
flexibles dont les tâches sont définies en temps réel, en fonction de la
demande, par un ordinateur central.
Ces
différents types d’installations sont capables d’assurer un certain nombre
de fonctions, que l’on retrouve dans tous les cas, telles que:
– le
chargement à partir d’un stock de bruts, la manutention automatique à
l’intérieur de l’installation, le déchargement, l’évacuation et la
remise en stock des pièces finies;
– l’usinage,
éventuellement complété par des opérations d’assemblage (soudage ou
sertissage), de traitement (laser) ou de lavage;
– le
contrôle géométrique des pièces;
– la
surveillance des outils et la rétroaction des opérations de contrôle sur les
corrections de cotes et la gestion des outils;
– les
liaisons, s’il y a lieu, avec un réseau général de convoyage des pièces et
des outils;
– l’évacuation
des copeaux et la gestion des fluides de coupe.
Par
ailleurs, l’atelier flexible, grâce au réseau de transmissions de données
dont il est pourvu, peut remonter en amont dans la gestion de la production, en
assurant:
– l’approvisionnement
et la gestion générale des pièces, des outils et des montages;
– les
convoyages en temps réel;
– le
suivi de la disponibilité des cellules et des équipements de l’atelier;
– la
gestion des facteurs de qualité des pièces, ainsi que l’édition de tableaux
de bord de production;
– le
fonctionnement éventuel en mode dégradé...
Le
coût d’un atelier flexible est donc très supérieur à celui d’une cellule
ou d’une ligne transfert, non seulement en raison du nombre plus important de
machines, mais aussi par suite de l’investissement correspondant à
l’environnement (ordinateur central, automatismes programmables pour le contrôle
des différents postes, la surveillance et la maintenance, en vue d’obtenir un
fonctionnement prolongé sans aucune assistance humaine directe, etc.).
Pour
cette raison de coût, on constate actuellement, et l’on prévoit pour
l’avenir à court terme, un développement très limité des ateliers
flexibles, tandis que, dès maintenant, les machines doivent être conçues pour
pouvoir s’intégrer dans des cellules ou des lignes transfert.
Cette
évolution impose aux constructeurs de machines des contraintes supplémentaires.
D’une part, pour pouvoir vendre non plus des machines isolées, mais des unités
de production complètes comportant des équipements et éventuellement des
machines provenant de différents fournisseurs, ils devront être capables
d’exercer des activités d’ensemblier au niveau de la conception (ingénierie)
et de l’assemblage, le client souhaitant généralement que la responsabilité
globale soit assumée par un seul maître d’œuvre. D’autre part, compte
tenu du prix de ces installations, un arrêt prolongé pourrait entraîner une réelle
catastrophe financière; la fiabilité est ainsi devenue un impératif de plus
en plus rigoureux pour l’ensemble de leurs composants (mécaniques, électriques,
électroniques, commande numérique).
Machines-outils non classiques
Machines à usiner par formage à froid
Dans
la grande série, les machines à rouler les filets et les cannelures se sont généralisées,
concurrençant les machines travaillant par enlèvement de matière. En dehors
du gain de métal, les pièces obtenues ont une meilleure résistance du fait de
l’écrouissage; la précision et les états de surface sont améliorés.
Dans
certains cas, on peut obtenir simultanément la formation d’un filet et
d’une partie cannelée concentrique sur la même pièce (arbres de roues).
Les
machines travaillant au moyen de crémaillères ont l’avantage de mieux se prêter
à l’automatisation complète que les machines à molettes.
Machines travaillant par érosion
Les
procédés par érosion ont d’abord été utilisés pour la fabrication
d’outillages (matrices de forge, d’emboutissage, moules métalliques, affûtage
des outils de coupe, etc.). Ils sont également applicables à certaines
productions de série; par exemple, lorsque des pièces obtenues par extrusion,
fonderie de précision, frittage, etc., ne peuvent présenter la précision ou
la qualité de surface recherchées (soit par imprécision de ces méthodes,
soit par suite des déformations au traitement thermique), les corrections sont
possibles par une opération d’érosion enlevant, sans créer de tensions, de
faibles quantités de métal.
L’érosion
est surtout rentable lorsqu’il s’agit d’obtenir des formes compliquées ou
d’opérer sur des métaux trempés ou difficiles à travailler.
L’ébavurage
en série est devenu une application courante. Il s’agit principalement d’électro-érosion
(étincelage) ou d’électrolyse, ce dernier procédé convenant mieux aux
fabrications en série. Citons aussi la rectification électrolytique, qui
combine l’action d’une meule à celle d’un électrolyte.
Usinage par concentration ou focalisation d’énergie
Les
deux procédés d’usinage par concentration ou focalisation d’énergie sont
le bombardement électronique [cf.
SOUDAGE]
et l’usinage par laser. Cette dernière méthode, qui procède généralement
par impulsions, met en jeu des quantités d’énergie croissantes. Elle est
utilisée pour de petits usinages de haute précision: fabrication de petites
matrices d’emboutissage avec système de reproduction à partir d’une
maquette ou par commande numérique, perçage de petits trous dans de faibles épaisseurs,
équilibrage dynamique par enlèvement de métal sur de petites turbines.
Toutefois,
une des applications les plus importantes des lasers est leur utilisation pour
les opérations de contrôle de haute précision: vérifications géométriques
de machines, d’éléments de machines, de pièces et surfaces gauches (procédé
japonais d’exploration avec palpeur sans contact).
Procédés utilisant les vibrations
Les
ultrasons sont utilisés pour de petits usinages, en particulier: perçage des
matières non magnétiques, fractionnement de copeaux sur les machines,
taraudage (titane), rectification, découpage (effet Fitzgerald). De nombreuses
opérations de vérification non destructives sont effectuées au moyen des
ultrasons ainsi que des opérations de nettoyage et de soudure.
Les
vibrations soniques (ou à basse fréquence) réduisent les frottements,
engendrent de la chaleur et transforment les forces statiques en énergie
dynamique. Pour les obtenir, on emploie soit des systèmes mécaniques (masses
excentrées) pouvant engendrer jusqu’à 150 vibrations par seconde (système
Bodine ou Sonico Inc.), soit des moteurs «soniques» électriques, pneumatiques
ou hydrauliques, dans lesquels les pulsations sont provoquées par des cristaux
piézo-électriques et qui peuvent développer des vibrations de fréquence
allant de 200 à 10 000 hertz.
Les
applications sont multiples et en plein développement. On peut citer le dégazage
des métaux liquides par la création de phénomènes de cavitation qui «brisent»
les bulles; l’ébavurage ou amélioration des surfaces par tonnelage sous
vibrations (avec particules de plastique), qui agit aussi bien sur les parties
intérieures que sur les parties extérieures et permet de supprimer l’ébavurage
à la main des pièces coulées sous pression (avant revêtement électrolytique),
des lames de fraise, le dessablage des pièces coulées, la réduction des
frottements dans le forgeage, le découpage, l’extrusion, le tréfilage, la
suppression des tensions internes dans les bâtis coulés ou soudés, l’examen
préventif de l’état des machines décelant les défaillances mécaniques,
etc.
5. Évolution du concept de prix de revient
Les
considérations précédentes aboutissent à la certitude d’une évolution
technique continue et prolongée et à une concurrence telle (cas de
l’industrie automobile) que pour l’obtention d’une qualité quasi totale,
la connaissance des prix de revient devient primordiale.
Il
est donc nécessaire que l’organisation des usines, leur système de gestion
et de comptabilité industrielle permettent de connaître ces prix de revient
avec une précision suffisante, non seulement ceux des ensembles mais ceux de
chaque pièce et des différentes étapes de sa fabrication (matière, pièce
brute, opérations d’usinage, traitements thermiques ou autres).
L’«analyse
de la valeur» (value analysis )
regroupe l’ensemble des recherches relatives à la connaissance et à la réduction
des prix de revient. Dans les usines modernes convenablement structurées (cas
de l’industrie automobile), cette fonction capitale est tout naturellement
exercée par les services de méthodes travaillant en liaison étroite avec les
bureaux d’études, le service de la qualité, la comptabilité industrielle,
les services de fabrication et les approvisionnements.
Une
nouvelle notion du prix fait son apparition: celle de prix global
d’utilisation des objets ou des équipements, qui se substitue au prix
d’achat actuel parfois accompagné de certaines garanties. Ce prix global
comprend toutes les dépenses (pièces de rechange, entretien, remplacement ou
immobilisation) qui peuvent intervenir pendant toute la période d’utilisation
de l’objet ou de l’équipement et, éventuellement, la valeur résiduelle de
l’équipement au moment de sa mise hors service.
L’apparition
de ce système montre l’importance de la fiabilité des objets produits. Il
vaut mieux dépenser davantage d’argent à la fabrication pour éviter
d’avoir à faire face par la suite à des dépenses de garantie, sans compter
les risques d’accidents, le mécontentement des clients. D’où
l’importance des méthodes de mesure et de vérification qui se justifient
d’autant plus que l’assemblage automatique se développe dans le but – difficile à
atteindre – non
pas tellement d’économiser une main-d’œuvre qualifiée de plus en plus
rare et coûteuse, mais d’éviter les défauts inhérents à toute
intervention humaine: erreurs, défaillances, négligences, et même sabotages.
L’assemblage automatique ne peut, en effet, s’accommoder de l’introduction
d’éléments défectueux, de l’oubli de certaines pièces ou d’un montage
incorrect.
Les
exigences de qualité: resserrement des tolérances métallurgiques,
dimensionnelles, géométriques, d’états de surface, etc., nécessitées par
de nouvelles normes de fonctionnement, de fiabilité, de sécurité et de
nocivité (pollution), sont en augmentation constante. Le contrôle de la qualité
s’effectue le plus souvent pendant le cycle opératoire sur la machine même,
afin d’obtenir la précision «à la source» et d’éviter les défauts qui
pourraient entraîner par la suite des rejets ou des retouches.
Tous
les appareils de vérification et de mesure doivent être conçus pour résister
aux «environnements» perturbants ou «agressifs», car la fiabilité d’une
pièce ou d’un ensemble ne peut être vérifiée que par des instruments eux-mêmes
supérieurement fiables. Leur nature est très variable: ils peuvent être mécaniques,
électromécaniques, électroniques, pneumatiques, «fluidiques»,
ultrasoniques. Pour les très grandes précisions, on généralise
l’utilisation des lasers et des interféromètres.
6. Une industrie en mutation
Dans
un domaine aussi compétitif que celui des fabrications mécaniques, il semble
que le cheminement le plus logique devrait être l’amélioration continue de
la qualité (zéro défaut, garantie totale, etc.), la réduction constante des
prix de revient, la recherche de conditions de travail permettant le meilleur
emploi des moyens humains et matériels dont l’industrie peut disposer.
Les
deux premières étapes exigent la mise en œuvre de moyens de production
modernes bénéficiant des progrès technologiques les plus récents. Mais de
tels moyens représentent des investissements de plus en plus coûteux qui ne
sont possibles que si les entreprises disposent de ressources financières
suffisantes. Si cette condition n’est pas satisfaite (faible niveau des
capitaux propres, faibles marges ne permettant pas l’autofinancement, taux élevé
du crédit entraînant, en cas d’emprunts, des frais financiers
insupportables), on est conduit à conserver un matériel vétuste, non
performant, qui compromet de plus en plus les chances de redressement.
L’amélioration
des conditions de travail entraîne une promotion des tâches correspondant aux
interventions humaines. L’opérateur, déchargé progressivement des travaux pénibles
et fastidieux, doit désormais assumer des fonctions plus nobles: supervision de
la production, initiatives à prendre en cas d’incidents, de pannes, d’imprévus,
souci de veiller à l’obtention de la qualité, au respect des délais et des
cadences de production, etc. Cette promotion est d’ailleurs indispensable pour
justifier les salaires pratiqués dans certains pays d’Europe, et particulièrement
en France: la main-d’œuvre étant plus chère que dans d’autres pays, comme
le Japon, ou les États-Unis (les plus faibles sont la Grèce et le Portugal),
tandis que notre productivité est plus faible, l’accroissement des compétences
et des responsabilités individuelles peut seul permettre le maintien ou l’amélioration
du niveau de vie de chacun.
Cette
troisième étape suppose par conséquent un important effort de formation, afin
que les nouvelles générations possèdent les connaissances nécessaires
(techniques, économiques, informatiques, en organisation du travail) pour
pouvoir évoluer et progresser au même rythme que les machines.
La
réussite de cet effort dépend beaucoup de facteurs psychologiques, qui peuvent
être favorables ou non. Pour qu’ils le soient, il est capital que soit
reconnue la réelle importance de l’industrie mécanique, qui a recours aux
procédés les plus évolués et fait appel aux derniers progrès scientifiques,
aussi bien que d’autres techniques considérées, sans raison véritable,
comme plus nobles ou plus riches d’avenir.
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Dernière modification : 05 février 2001