notes de cours tch040 - h2011

Éléments d’usinage et métrologie dimensionnelle / TEC 040 Hiver 2009

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1 Procédés d’usinage par enlèvement de copeaux ................................................... 1-1 1.1 Historique de l’usinage par enlèvement de copeaux ......................................... 1-1 1.2 Les outils de coupe............................................................................................ 1-4 1.3 Usinabilité des matériaux .................................................................................. 1-5 1.4 Fluides de coupe ............................................................................................... 1-6 1.5 Procédés conventionnels d’usinage par enlèvement de copeaux ..................... 1-7

1.5.1 Sciage .......................................................................................................1-7 1.5.2 Perçage .....................................................................................................1-8 1.5.3 Tournage .................................................................................................1-11 1.5.4 Fraisage ..................................................................................................1-13 1.5.5 Rectification.............................................................................................1-17 1.5.6 Brochage .................................................................................................1-19

1.6 Règles de sécurité........................................................................................... 1-21 2 Machines-outils à commande numérique ............................................................... 2-1 2.1 Historique .......................................................................................................... 2-1 2.2 Aspect économique ........................................................................................... 2-4 2.3 Comparaison avec les machines-outils conventionnelles.................................. 2-4 2.4 Comment fonctionne une machine-outil CNC?.................................................. 2-5 2.5 Système de coordonnées des machines CNC .................................................. 2-6

2.5.1 Axes d’une fraiseuse .................................................................................2-6 2.5.2 Axes d’un tour ...........................................................................................2-7 2.5.3 Mouvements d’usinage combinés .............................................................2-7

2.6 Types de Machines ........................................................................................... 2-7 2.7 Code G .............................................................................................................. 2-8 2.8 Décalage des outils ......................................................................................... 2-11

2.8.1 Le décalage d’outil sur un tour ................................................................2-11 2.8.2 Le décalage d’outil sur la fraiseuse .........................................................2-11

3 Introduction à l’usinage selon les spécifications du dessin ..................................... 3-1 3.1 Le dessin technique........................................................................................... 3-1 3.2 Définitions.......................................................................................................... 3-3 3.3 Principes de base du dessin technique ............................................................. 3-5

3.3.1 La cotation.................................................................................................3-5 3.3.2 Les projections ..........................................................................................3-7

3.4 Introduction aux gammes de fabrication............................................................ 3-9


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3.4.1 Outils en fonction de l’opération ..............................................................3-10 3.4.2 Paramètres d’usinage..............................................................................3-10

4 Le phénomène de variation dans le cycle de vie du produit (conception,

fabrication, assemblage et inspection).................................................................... 4-1 4.1 La norme ASME Y 14.5M-1994......................................................................... 4-2 4.2 Pourquoi une tolérance? ................................................................................... 4-2 4.3 Quelques principes de base du tolérancement.................................................. 4-3 4.4 Tolérances dimensionnelles .............................................................................. 4-4 4.5 Les Datums ....................................................................................................... 4-6

4.5.1 Les six (6) degrés de liberté ......................................................................4-6 4.5.2 Système 1 : Plan – Plan - Plan..................................................................4-6 4.5.3 Système 2 : Plan – Axe – plan central.......................................................4-7 4.5.4 Référentiel double .....................................................................................4-9 4.5.5 Référentiel ciblé (Datum Targets)............................................................4-10

4.6 Les tolérances géométriques........................................................................... 4-12 4.6.1 Planéité ...................................................................................................4-13 4.6.2 Circularité ................................................................................................4-13 4.6.3 Rectitude .................................................................................................4-14 4.6.4 Cylindricité...............................................................................................4-14 4.6.5 Profil d’une ligne......................................................................................4-15 4.6.6 Profil de surface.......................................................................................4-15 4.6.7 Localisation (position)..............................................................................4-16 4.6.8 Coaxialité.................................................................................................4-17 4.6.9 Concentricité ...........................................................................................4-17 4.6.10 Symétrie ..................................................................................................4-18 4.6.11 Angularité ................................................................................................4-18 4.6.12 Parallélisme.............................................................................................4-19 4.6.13 Perpendicularité.......................................................................................4-19 4.6.14 Alignement simple ...................................................................................4-20 4.6.15 Alignement total.......................................................................................4-20

4.7 Cumul des tolérances...................................................................................... 4-21 5 Analyse des variations dans un assemblage mécanique........................................ 5-1 5.1 Étapes pour la chaînes de cotes ....................................................................... 5-1

5.1.1 Identifier le requis fonctionnel....................................................................5-2 5.1.2 Identifier les composantes impliquées.......................................................5-2 5.1.3 Choisir l’origine et la direction....................................................................5-2 5.1.4 Construire la chaîne de cotes....................................................................5-3 5.1.5 Analyse des composantes.........................................................................5-3

5.2 Transfert de cotes.............................................................................................. 5-4 5.3 Ajustements fonctionnels normalisés ................................................................ 5-6 5.4 Exercices........................................................................................................... 5-7

6 Introduction à la métrologie..................................................................................... 6-1 6.1 Principes de base .............................................................................................. 6-1


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6.1.1 L’inspection manuelle................................................................................6-1 6.1.2 L’inspection automatisée ...........................................................................6-2 6.1.3 Les erreurs de mesure ..............................................................................6-2

6.2 Appareils de mesure.......................................................................................... 6-3 6.3 Étalonnage (Calibration) – Confirmation métrologique ...................................... 6-5

6.3.1 Terminologie..............................................................................................6-5 6.3.2 Les étalons dimensionnels industriels (cales étalons) ...............................6-7 6.3.3 Utilisation des cales étalons ......................................................................6-8 6.3.4 Précision des cales étalons dimensionnels ...............................................6-8 6.3.5 Principes d'utilisation .................................................................................6-9 6.3.6 Soins des cales étalons...........................................................................6-10

7 Références bibliographiques .................................................................................. 7-1


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1 Procédés d’usinage par enlèvement de copeaux Parmi les procédés de mise en forme des matériaux métalliques, l’usinage par enlèvement de copeaux est un des plus performants et précis. Nous allons donc effectuer une revue des différents procédés associés à ce mode de mise en forme et des outils de coupe associés. Le principe de l'usinage est d'enlever de la matière de manière à donner à la pièce brute la forme voulue, à l'aide d'une machine-outil. Ainsi, les pièces obtenues sont d'une grande précision et il est possible de les fabriquer en grand nombre. Lors de l'usinage d'une pièce, l'enlèvement de matière est réalisé par la conjonction de deux mouvements relatifs entre la pièce et l'outil : le mouvement de coupe (vitesse de coupe) et le mouvement d'avance (vitesse d'avance). Il existe deux manières de générer la surface recherchée : - travail de forme: c'est la forme de l'outil qui conditionne la surface finalement obtenue; - travail d'enveloppe: c'est la trace de l'arête de l'outil qui travaille (le point générateur) qui donne la surface finale.

1.1 Historique de l’usinage par enlèvement de copeaux Les développements principaux associés à ce mode de mise en forme sont relativement récents, ayant évolué de paire avec la révolution industrielle du 18ème et du 19ème siècle, pour connaître une accélération importante durant le 20ème siècle. Durant les débuts de ce procédé de fabrication, la principale limitation était causée par l’absence d’une source énergie essentielle au fonctionnement des machines. Ainsi, l’usinage était réalisé de manière manuelle par les forgerons, ce qui en faisait un procédé lent et peu efficace, les outils de coupe étaient alors tenus à la main, comme le montre la figure 1-1. De plus, tel que le démontre la figure 1-2, la principale source de puissance était humaine. On peut en effet apercevoir la manivelle utilisée pour entraîner en rotation le tour et la poignée utilisée pour déplacer l’outil de l’étau limeur.

1 Tiré et adapté des notes du cours MEC722


1-2

Puis, l’apparition et l’exploitation de sources de puissance comme la vapeur et l’énergie hydraulique a permis un pas de géant des capacités des machines-outils. La puissance était alors acheminée par des arbres de transmission et des courroies plates jusqu’aux machines, tel qu’illustré à la figure 1-3. Maintenant qu’on disposait d’une puissance adéquate pour les machines, il fallait développer des matériaux pour les outils de coupe capable de résister aux efforts et aux températures générés par l’usinage. En effet, avec l’apport de puissance adéquate, la limitation des procédés d’usinage était maintenant associée aux outils de coupe. Le premier matériel utilisé pour la fabrication d’outils de coupe était l’acier au carbone, qui était mis en forme par un forgeron, sur une enclume, pour ensuite être trempé. Toutefois, pour que l’outil conserve sa trempe, il fallait limiter la température que devait supporter l’outil durant l’usinage, ce qui exigeait des vitesses de coupe lente et prohibait l’usinage de tout matériau dur.

Figure 1-1: Outils retenus à la main

Figure 1-2: Source de puissance manuelle


1-3

Figure 1-3: Machine alimentée par courroies

La découverte de l’acier Mushet, de manière accidentelle, a permis de hausser les vitesses de coupe jusqu'à 30 pieds à la minute (sfm, surface feet per minute) et d’usiner des métaux plus dur. En effet, des expérimentations sur le manganèse a conduit aux aciers trempables à l’air et à la découverte de tungstène dans l’acier, ce qui a permis de doubler la productivité en tournage grâce à ce nouvel alliage. Puis Frederick Taylor est venu révolutionner le mode de l’usinage durant l’exposition universelle de Paris en 1900. Il a usiné de l’acier à une vitesse de coupe incroyable à l’époque, soit 120sfm, et générait ce qui n’avait jamais été vu alors, des copeaux bleus, à cause de la vitesse de coupe atteinte. Ces démonstrations ont amené une destruction complète du tour qu’il utilisait en moins de 1 mois, les machines de l’époque n’étant pas conçues pour résister aux efforts et aux vitesses associées à ce type d’usinage. On venait donc d’assister à la première utilisation de l’acier rapide (HSS, High Speed Steel) pour les outils de coupe. Puis en 1915 est apparu le « cast alloy » comme matériau pour les outils de coupe, un alliage à base de tungstène, de cobalt et de chrome. Cet alliage pouvait supporter jusqu’à 800oC sans perte appréciable de dureté, ce qui en faisait un outil de coupe très performant à l’époque. Grâce aux nouvelles possibilités offertes par ces nouveaux outils de coupe, les fabricants de machines outils on conçu des machines de plus grande capacité, plus précises et puissante, tel qu’illustré à la figure 1-4. Puis sont apparus, durant les années 30, les carbures cémentés, augmentant encore les performances des procédés d’usinage. A titre d’exemple, une pièce typique qui prenait 100 minutes à usiner avec des outils en acier au carbone n’en prenait que 26 avec des outils en HSS, avec des outils en « cast alloy » et 6 minutes avec les carbures cémentés.


1-4

Figure 1-4: Fraiseuse de grande dimension – années 30

1.2 Les outils de coupe C’est principalement l’évolution des outils de coupe qui a permis l’évolution des procédés d’usinage. Au début du 20e siècle, les outils en acier au carbone étaient les plus populaires. Ensuite le HSS (High Speed Steel) est apparu et, de nos jours, le substrat des outils de coupe avec plaquettes est toujours en carbure, mais les améliorations se font au niveau du revêtement des plaquettes (tungstène, manganèse céramiques, etc.), permettant d’augmenter les vitesses de coupe par les capacités réfractaires et lubrifiantes de ces revêtements.

Figure 1-5: Outils au carbure


1-5

Figure 1-6: Effet de l'évolution des outils sur la capacité de production

Le choix de l’outil de coupe a une très grande influence sur l’usinage des pièces. Voici les principaux facteurs à tenir compte lors du choix d’un outil :

• L’opération : ébauche vs finition, tolérance, etc. • La forme de la pièce et son matériel : géométrie, dureté, usinabilité vs outil utilisé • La machine-outil : puissance disponible, dimensions, plages de vitesse, outils

disponible, moyens de fixation, etc. • Les paramètres de coupe : Vitesse d’usinage, vitesse d’avance, profondeur de

passe • Le fini de surface requis • La stabilité générale du procédé (vibrations, répétabilité, etc.) • Les coûts d’usinage

1.3 Usinabilité des matériaux L’usinabilité est l’aptitude d’un matériau solide à se faire usiner2. Plusieurs caractéristiques des matériaux l’influencent, et ce, de plusieurs façons :

• Dureté • Propriétés mécaniques • Composition chimique • Microstructure • Rigidité de la pièce • Susceptibilité à l’écrouissage • Degré de travail à froid • Forme et dimension de la partie usinée

2 Référence : Le Petit Larousse 2003


1-6

Elle est évaluée sur 3 critères généraux :

• La durée de vie des outils • Les forces impliquées (sur l’outil, la machine, et la consommation d’énergie) • La qualité du fini de surface

Elle se calcule en faisant le rapport des vitesses de coupe pour une période de 60 min entre 2 matériaux, dont un est la référence, l’acier au carbone B-1112.

Usinabilité:

réf

VM

V=

1.4 Fluides de coupe Un fluide de coupe est un liquide introduit dans le procédé d’usinage qui a pour but principal de réduire la friction causée par le frottement de l’outil sur la pièce. IL sert aussi à baiser la température d’usinage, à évacuer les copeaux et protège la pièce contre la corrosion au moment de l’enlèvement de matière. Il existe deux grandes familles de fluides de coupe :

• À base d’huiles minérales (fin des années 1800) • Synthétiques et semi-synthétiques qui sont à base d’eau (≈1930)

Le choix du type de fluide de coupe employé dépend directement de l’influence qu’il aura sur l’usinage à effectuer. Voici donc une liste des principaux critères de sélection des fluides de coupe :

• Performance du procédé : o Transfert de chaleur o Performance de la lubrification o Évacuation des copeaux o Viscosité

� Facilité à se faire projeter � Capacité de drainage à travers les copeaux

o Protection contre la corrosion o Stabilité chimique

• Coûts • Impact environnemental • Impact sur la santé


1-7

1.5 Procédés conventionnels d’usinage par enlèvement de copeaux Nous allons maintenant décrire les procédés d’usinage de base et les recommandations de design de pièce permettant de minimiser les coûts lors de la réalisation de ces opérations.

1.5.1 Sciage L’un des procédés de base, pouvant être associé au dégrossissage, est le sciage. Ce procédé permet de découper rapidement des bruts afin d’effectuer la mise en forme de précision sur d’autres machines. Lors du sciage, le copeau généré est retenu prisonnier entre la dent qui le génère et la dent suivante. L’espace compris entre les deux dents doit donc être suffisant pour contenir tout le copeau qui sera généré entre le moment ou la dent entre en contact avec la pièce et le moment ou elle la quitte. On mesure le pas des lames en spécifiant le nombre de dents par pouce que possède la lame. En règle générale, le pas de la lame doit être choisi de manière à ce qu’un minimum de 3 dents simultanées soient en contact avec la pièce, l’épaisseur de la pièce à scier ou de ses parois permet donc d’effectuer le choix du pas de la lame. Si moins que 3 dents sont en contact avec la pièce, des dents de la lame seront cassées. Le sciage a connu, comme les autres procédés, des évolutions importantes concernant les outils de coupe et les machines. On retrouve donc maintenant des lames avec des dents en carbure de tungstène pour couper les matériaux composites et les aciers durs ou trempés. De plus, des scies à commande numériques sont maintenant disponibles. Ces dernières vont elles mêmes positionner le brut pour la coupe et contrôler de manière précise la vitesse de coupe et d’avance afin d’optimiser le procédé. La figure 1-6 montre une scie à ruban utilisée dans la plupart des ateliers d’usinage.

Figure 1-7: Scie à ruban


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1.5.2 Perçage Le perçage est aussi un procédé de base permettant la réalisation d’alésages. On inclut dans le perçage les procédés connexes, tel l’alésage, le taraudage, le chanfreinage et le lamage. Ces différents procédés sont illustrés à la figure 1-7.

Figure 1-8: Procédés de perçage

La figure 1-8 donnes la nomenclature d’un foret selon la norme ANSI. On remarque que la partie effectuant la coupe, la lèvre (lip), ne se rend pas jusqu’à l’axe de rotation du foret. Ainsi, l’âme du foret (web) doit effectuer une partie de l’enlèvement de matière. Puisque cette zone n’est pas coupante, elle refoule le métal devant elle, augmentant ainsi considérablement l’effort d’avance axial nécessaire pour faire progresser le foret dans la matière, de même que le couple nécessaire pour faire tourner le foret. Les forets de ce type sont habituellement en HSS. Toutefois, les forêts sont également disponibles en carbure, plus performant, mais aussi plus fragiles, ce qui exige que le matériel usiné soit absent de défauts, uniforme et que la face d’attaque pour le perçage soit perpendiculaire à l’axe du foret.

Figure 1-9: Nomenclature ANSI d’un foret


1-9

Il existe aussi des forêts avec plaquettes en carbure, illustré à la figure 1-9, mais le diamètre minimal de perçage est limité, car on doit conserver de l’espace pour le corps du foret. Les trois types de forets sont disponibles avec des orifices qui permettent d’acheminer de l’huile de coupe juste à l’avant des lèvres, ce qui améliore l’évacuation des copeaux et le refroidissent de l’arête de coupe.

Figure 1-10: Foret à plaquettes

Dans le cas du « core drilling », le centre du foret n’est pas coupant, ce qui exige qu’un avant-trou soit pratiqué avec un foret régulier. Puisque la pointe du foret n’est pas centrée dans l’alésage par l’âme, ces forets possèdent trois ou quatre lèvres de manière à ce que la localisation dans l’alésage de départ soit effectuée par les points de contact entre les lèvres et l’alésage. On utilise ce type de forets pour les alésages de grand diamètre. Pour ce qui est de l’alésage, on doit aussi effectuer un avant trou. Ce type de procédé est réservé pour la finition de précision des alésages, la quantité de matière à enlever est donc faible. En règle générale, pour les trous de moins de 0.500, l’avant-trou doit être 1/32” plus petit que le diamètre nominal de l’alésoir, et pour les trous de plus de 0.500”, l’avant-trou doit être 1/16” plus petit que l’alésoir. Finalement, au niveau du taraudage, un type d’outil particulier gagne en popularité depuis quelques années, il s’agit du « forming tap », présenté à la Figure 1-10. Ce taraud ne présente aucune arrête coupante, le filet est créé en déformant plastiquement le métal à l’intérieur de l’avant-trou. Ce procédé est avantageux car la déformation plastique entraîne un durcissement du métal constituant le filet, ce qui résulte en des filets plus résistant.

Figure 1-11: Taraud (forming tap)

Afin d’assurer un coût minimal des opérations de réalisation de trous, on doit tenter autant que possible d’obtenir les alésages lors des opérations de moulage du brut ou par découpage à la presse. Si ces procédés ne sont pas applicables à l’alésage voulu


1-10

ou si la précision requise ne pourrait être obtenue, on doit réaliser l’alésage par usinage, on recommande alors de suivre les règles suivantes lors du design de manière à réduire les coûts de l’opération : 1. Les surfaces d’entrée et de sortie de l’outil doivent être perpendiculaire à l’axe de perçage afin d’éviter des problèmes de positionnement du trou.

Figure 1-12: Surfaces d’entré et de sortie de l’alésage

2. Utiliser des trous de dimension standard afin d’éviter des coûts supplémentaires pour des outils spéciaux. Aussi minimiser le nombre de trous de diamètres différents afin de minimiser le nombre de changement d’outil lors de l’usinage. 3. Un trou débouchant est préférable à un trou fermé, car il facilite l’évacuation des copeaux et offre une clairance si un alésoir est nécessaire. 4. Lorsqu’un trou fermé est nécessaire, il ne devrait pas avoir un fond plat. Normalement, un foret standard laisse la trace de sa pointe, mais un trou à fond plat nécessitera des opérations secondaires au perçage de base.

Figure 1-13: Finition du fond des trous

5. Si le diamètre du trou final est très grand, il est suggéré de faire un pré-perçage avec un foret, ou d’avoir une pièce moulée ayant un trou de plus petit diamètre, ce qui permet de sauver de la matière.

Difficile


1-11

6. Éviter d’avoir des configurations de trous impossibles ou de profondeur excessive pour éviter l’erreur due au fléchissement du foret ou de l’alésoir.

Figure 1-14: Configurations de trous

7. Rappelez-vous que l’alésage est beaucoup plus dispendieux qu’un simple perçage, alors vos trous ont-ils besoin d’être si précis?

1.5.3 Tournage Cette opération d’usinage est l’une des plus ancienne qui existe car la géométrie des outils est simple et que la machine utilisée est elle aussi relativement simple. Cette opération est l’une des seules ou l’outil est fixe et la pièce se déplace. Une partie des outils de coupe utilisés en tournage ainsi que les opérations associées sont représentées à la Figure 1-14.

Figure 1-15: Opérations de tournage et outils associés

La pièce usinée est retenue différemment selon sa géométrie. Pour les pièces circulaires, on utilise un montage entre-pointes, un mandrin 3 ou 4 mords. Pour les géométries irrégulières, on utilise le mandrin 4 mords ou encore des plaques de montage sur lesquelles des brides retiendrons la pièce à usiner. Les pièces réalisées à l’aide de ce procédé possèdent une caractéristique commune, la section des zones usinées est circulaire car la pièce est entraînée d’un mouvement de rotation. Ce procédé d’usinage est l’un des plus efficaces car l’outil est en contact permanent avec la pièce et il n’y a pas de zone morte comme dans le cas du perçage.


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Figure 1-16: Tour conventionnel

Un tour conventionnel est illustré à la Figure 1-15 ci-contre. On retrouve également des tours verticaux, ou l’axe de la pièce est orienté verticalement pour les pièces de grand diamètre. De plus, en production, les tours à commande numérique sont largement utilisés à cause de leur précision et de leur vitesse d’opération. Ils permettent de plus de réaliser l’usinage de profils complexes. On retrouve habituellement sur ces machines un dispositif qui permet l’alimentation automatique en brut, ce qui vient encore augmenter l’efficacité du procédé. Encore une fois, afin de diminuer le coût de réalisation des opérations de tournage, on suggère de suivre les règles suivantes lors du design de la pièce : 1. Essayer d’avoir des géométries de dimensions standards afin de minimiser le coût des outils spéciaux. 2. Faire les pièces les plus courtes possible et sans petits diamètres non-supportés pour réduire la déflection due à l’effort de coupe. Les longues pièces et les petits diamètres non-supportés rendre la pièce moins rigide et nécessite un appui auxiliaire comme une contre-pointe par exemple.

Figure 1-17: Rigidité des pièces tournées

6. S’assurer de briser les arêtes vives après l’usinage d’une pièce. Cela évitera le mauvais assemblage de la pièce et même des blessures. 7. Utiliser des surfaces d’appui propres et régulières qui permettent d’avoir une bonne prise sur la pièce avec le mandrin.

non-suggéré suggéré


1-13

Figure 1-18: Montage des pièces

1.5.4 Fraisage L’opération de fraisage est sans aucun doute l’une des plus polyvalentes, permettant l’obtention de surfaces planes précises et aussi, dans le cas des fraiseuses à commande numérique, de profils complexes et de surfaces 3D. Dans ce type de mise en forme, l’outil est entraîné en rotation par la broche de la machine, et un déplacement relatif est effectué entre la pièce et l’outil de coupe afin de produire sur la pièce la forme désirée. Les opérations de fraisage peuvent être divisées en deux classes principales, soit celle qui enlèvent la matière en utilisant le flanc de l’outil (side milling) et celles qui utilisent l’extrémité inférieure de l’outil (end milling). La Figure 1-18 ci-dessous illustre différentes opérations de fraisage et les outils associés.

Figure 1-19: Opérations de fraisage

Il existe deux types principaux de fraiseuse, soit horizontales et verticales, en référence à l’orientation de l’axe de l’outil. Dans le cas des fraiseuses verticales, l’outil est monté à la broche par l’entremise d’un porte-outil, alors que pour les fraiseuses horizontales, on utilise soit un porte-outil (boring mill) ou un arbre sur lequel est montée la fraise. Le

incorrect correct

Surfaces d’appui

Éclaboussures ou ligne de moulage


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choix du type de machine dépend principalement de la géométrie à réaliser et du nombre de faces de la pièce qui doivent être fraisées. Les fraiseuses horizontales avec porte-outil peuvent généralement permettre l’usinage sur les faces latérales de la pièce par une rotation d’un axe situé sous la table de la machine. La Figure 1-19 illustre une fraiseuse horizontale (à gauche) où l’outil de coupe est monté sur un arbre soutenu à ses deux extrémités et une fraiseuse verticale (à droite).

Figure 1-20: Fraiseuses horizontale (gauche) et verticale (droite)

De plus, on distingue deux types d’usinage applicables en fraisage, soit le fraisage en avalant et le fraisage conventionnel, illustrés à la figure 1-20.

Figure 1-21: Fraisage en avalant (gauche) et conventionnel (droite)

Pour le fraisage en avalant, il tend à tirer la pièce dans la zone de coupe, ainsi, entre le passage de deux dents, la vis de déplacement de la table va s’appuyer sur une face des filets, et lorsque la dent suivante de la fraise entre en contact avec la pièce, l’effort de coupe va appuyer les filets sur l’autre flanc, générant ainsi des variations de la vitesse d’avance. Ainsi, si le jeu de la vis est quelque peu trop élevé, il y a risque de bris de la fraise car l’avance par dent sera trop élevée. On réserve ainsi ce type de fraisage aux machines avec un mécanisme de reprise de jeu sur les vis d’axes ou aux MOCN, qui ne présentent pas de jeu sur les vis d’axes, car ce sont des vis à bille.


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Figure 1-22: Vis à bille

Le fraisage conventionnel, la force de coupe tend à repousser la pièce hors de la zone de coupe, ce qui permet d’assurer que le jeu des vis de déplacement de l’axe d’usinage est annulé, les filets étant toujours appuyé sur le même coté. D’une manière générale, on calcule la vitesse d’avance pour le fraisage en avance par dent, en spécifiant de combien on déplace la pièce ou l’outil pour chaque dent de la fraise. On utilise des unités de millièmes de pouce / dent ou mm / dent. Toutefois, les machines conventionnelles utilisent des avances en pouces / minute ou m / minute, il faut donc convertir l’avance par dent en avance par minute à l’aide de la vitesse de rotation de l’outil et le nombre de dents de la fraise. Par exemple, une avance de 0.005”/dent, pour une fraise de 0.500” de diamètre comportant 4 dents et tournant à 2000 RPM donneras une avance de 0.005 X 4 X 2000 = 40 IPM (inch per minute). Les recommandations suivantes sont à suivre lors du design d’une pièce comportant des opérations de fraisage de manière à assurer la minimisation des coûts : 1. Essayer d’avoir des géométries de dimensions standards afin de minimiser le coût des outils spéciaux.

largeur non-standard largeur standard

courbe spéciale Ligne droite

Figure 1-23: Utiliser des fraises standards


1-16

2. Le design de la pièce devrait être en fonction de la géométrie des outils utilisés si possible. Par exemple, les rayons dans la pièce doivent être égaux ou plus grand que celui de la fraise. Un rayon plus grand permettra d’éviter que la pièce chauffe ou vibre, ce qui assurera un meilleur fini de surface.

Figure 1-24: Rayons sur les pièces

7. Lors de l’usinage d’une rainure ou d’un chemin de clé, le design devrait être fait en fonction de la géométrie de l’outil utilisé. En fait l’outil choisit devrait usiner à la fois la largeur et le rayon de la rainure ou du chemin de clé.

Figure 1-25: Usinage d’une rainure ou d’un chemin de clef


1-17

8. Prévoir un dégagement lorsqu’une surface doit être usinée et que la surface adjacente ne doit pas l’être.

Figure 1-26: Prévoir des dégagements

13. Lors du fraisage en bout, la profondeur de la passe ne devrait pas excéder le diamètre de la fraise.

Figure 1-27: Profondeur d'usinage

1.5.5 Rectification La rectification est bel et bien un procédé d’usinage par enlèvement de copeaux. Une meule constituée de matière abrasive vient arracher à la pièce de minuscules fragments qui sont éjectés, les températures associées à ce procédé sont très élevées dans la zone de coupe, c’est pourquoi les copeaux ont l’apparence d’étincelles. À la différence des autres procédés d’usinage où le nombre de lèvres de l’outil est bien défini et limité, dans le cas de la rectification, l’outil présente à la pièce un nombre très élevé d’arrête de coupe, chaque arrête étant un grain d’abrasif sur la meule. La figure 1-27 illustre d’une manière grossière le procédé d’enlèvement de copeau associé à la rectification. De par son faible taux d’enlèvement de matière, le procédé de rectification est très lent mais produit des pièces d’une haute précision avec un excellent fini de surface. La profondeur de coupe maximale de ce procédé est de l’ordre de 0.003”à 0.005”.


1-18

Figure 1-28: Procédé de rectification

On utilise la rectification pour réaliser les usinages de précision des surfaces après trempe ou afin d’obtenir des IT (intervalles de tolérances) extrêmement serrés. Toutefois, on doit tenter de minimiser l’utilisation de ce procédé car sa faible productivité augmente de manière importante les coûts de production de la pièce associée. Il existe différents types de rectifieuses, parmi ceux-ci, citons les rectifieuses planes (surface grinder) dont une illustration est présentée à la figure 1-28 ci-contre. Sur ce type de machine, la table est magnétique, ce qui permet de retenir la pièce en place. Dans le cas de pièces non magnétique, comme l’aluminium, on place des blocs d’acier sur le contour de la pièce de manière à la retenir.

Figure 1-29: Rectifieuse plane

Lorsque la pièce est fixée, la table effectue des déplacements longitudinaux alors que la meule se déplace transversalement, de manière à couvrir toute la surface de la pièce. Certaines de ces rectifieuses sont à commande numérique, on peut ainsi programmer la surface à rectifier et la profondeur de métal à enlever, le tout est par la suite effectué de manière automatique. Notons également les rectifieuses cylindrique (center grinder), sur lesquelles la pièce est retenue entre deux pointes positionnées dans des alésages coniques en bout de


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pièce. On utilise ce type de rectifieuse pour obtenir des sections circulaires de haute précision, comme par exemple les zones de roulement des vilebrequins de moteurs. Les rectifieuses sans centre (centerless grinder), positionnent la pièce entre 2 meules et un appui, tel qu’illustré à la figure 1-29. On utilise ce type de rectifieuse pour produire des pièces purement cylindrique, comme par exemple des goupilles cylindriques ou de la « drill rod ». L’avancement de la pièce est obtenu par l’inclinaison d’une des deux meules par rapport à l’axe de la pièce.

Figure 1-30: Rectification sans centre

1.5.6 Brochage Le brochage est un procédé de haute précision et qui donnes un excellent fini de surface. Dans ce procédé, un outil de forme conique est poussé ou tiré dans la matière, et chaque dent successive de l’outil enlève un copeau, rapprochant ainsi de plus en plus la géométrie de celle à obtenir. La figure 1-30 indique la nomenclature associée à une broche. On remarque de par le profil de la broche, que pour tout brochage interne, un trou pilot doit exister de manière à pouvoir guider l’outil durant l’usinage.

Il va de soi que par la nature inhérente au procédé, il est impossible d’effectuer le brochage de profils de faible dimension dans des plaques épaisses, et ce, pour deux raisons. La première est que l’espace entre deux dents consécutives doit permettre, comme dans le cas du sciage, d’emmagasiner le copeau généré par le passage de la dent au travers de la pièce. La seconde raison est qu’une broche devant usiner des pièces de forte épaisseur possède plus de dent en contact avec la pièce de manière simultanée que pour des faibles épaisseurs. Il se peut donc que l’effort appliqué à la broche pour vaincre la force de coupe soit supérieure à ce que peux supporter la broche.

Figure 1-31: Nomenclature d’une broche


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Il existe 2 types de broches, soit les broches internes et externes. On utilise les broches internes de manière à mettre en forme l’intérieur d’un alésage. A titre d’exemple, la figure 1-31 illustre une broche utilisée pour la finition intérieure d’alésages cylindriques. On utilise ce type de broches pour réaliser la finition des alésages de chemises (sleeves) de moteurs à explosion. La figure 1-32 présente des broches de forme, qui peuvent être utilisées pour, par exemple, réaliser des chemins de clef dans des alésages de poulies. Les broches externes sont maintenues en contact avec la pièce à l’aide d’un montage spécial, et le déplacement de la broche permet de réaliser l’usinage de la forme voulue. On peut donc utiliser des broches de forme pour effectuer des usinages qui seraient impossible à obtenir par d’autres procédés, ou qui exigerait des temps d’usinage excessif. A titre d’exemple, les broches externes de la figure 1-33 sont utilisées pour usiner les logements des ailettes sur les rotors de moteurs d’avion. Le seul autre moyen de réaliser cette opération serait à l’EDM, ce qui consommerait un temps trop élevé.

Figure 1-32: Broche circulaire intérieure

Figure 1-33: Broches internes de forme

Figure 1-34: Broches externes

Figure 1-35: Blind-Spline Broach

Les deux types de broches présentées jusqu’ici exigent que la broche puisse traverser la pièce de part en part afin de pouvoir être employées. Il existe un autre type de broche externe pour réaliser les usinages borgnes, la « Blind-Spline broach », qui permet d’être employée sur des pièces qui ne permet pas le passage d’une broche externe. La figure 1-34 illustre ce type de broche.


1-21

Finalement, un type de broche permet la mise en forme complète d’une pièce, la broche intégrale, illustrée à la figure 1-35. Ce type de broche entoure complètement la pièce, et cette dernière est alors poussée au travers de la broche refermée. On peut ainsi réaliser en une seule passe des arbres avec cannelures (splines), des cames ou des lobes. Il faut toutefois ouvrir périodiquement la broche de manière à évacuer les copeaux qui restent prisonniers à l’intérieur de celle-ci. Des machines spécialisées sont utilisées de manière à réaliser le brochage.

Figure 1-36: Broche intégrale

1.6 Règles de sécurité Voici quelques consignes de sécurité relatives aux travaux sur les machines dans l’atelier d’usinage: Pendant l’usinage, les machines par leurs mouvements peuvent :

- Projeter des copeaux brûlants ou des liquides corrosifs ou gras - Entraîner vêtements, doigts ou cheveux

Il faut donc :

- Porter des vêtements ajustés (chemise ou chandail à manche longues, pantalon);

- Porter des lunettes de sécurité; - Enlever bagues, bracelets, montres, etc.; - Porter des gants lors de la manipulation des pièces; - Porter des souliers fermés et à cap d’acier de préférence; - Attacher ses cheveux.

Bien sûr protégez-vous, mais protégez aussi les autres :

- Utilisez obligatoirement les protections installées sur les machines (écrans, capots ...);

- Assurez vous que les pièces et l’outillage sont bien positionnés et fixés avant de commencer l’usinage;

- Assurez vous que les personnes situées à proximité sont elles-mêmes protégées;

- Attendez l'arrêt complet de la machine pour toute intervention; - Évacuez tous déchets (copeaux, chutes de métal, outillages inutiles) en vous

protégeant les mains (gants, balais, crochets...)


2-1

3

2 Machines-outils à commande numérique

2.1 Historique Deux joueurs majeurs sont responsables de l’évolution de l’usinage et de l’introduction des principes d’interchangeabilité, assurés en grande partie aujourd’hui par les MOCN dans le cas des pièces usinées. Ces joueurs sont les britanniques et les américains. Du coté des britanniques, durant le 18ème et le 19ème siècle, l’apparition de machines outils plus performantes et précises a assuré la production en série de pièces interchangeables. Du coté de l’Amérique, encore peu peuplée, l’apparition de machines plus performantes à permis d’augmenter la productivité avec des employés ayant peu d’expérience. Du coté des contributions Britanniques, notons que c’est en 1769 que James Watt de Scottland a permis le début de la révolution industrielle. Les cylindres de grandes dimensions de son engin à vapeur exigeaient des dimensions précises afin d’éviter les fuites de vapeur entre le cylindre et le piston. C’est en 1775 que John Wilkinson à inventé une fraiseuse horizontale de précision qui a permis de fabriquer des engins à vapeur efficaces. Jusqu’à ce moment, les engins à vapeurs offraient des performances lamentables par manque de précision de leurs composantes. En 1830, Joseph Whitworth à développé un instrument de mesure précis jusqu’à un millionième de pouce. Les contributions américaines ont débutées en 1798, alors que Eli Whitney (ci-contre) à obtenu un contrat de 134 000$ afin de fabriquer 10 000 mousquets dont toutes les pièces devaient êtres interchangeables. Il a alors développé le concept du système d’uniformité, basé sur l’interchangeabilité des pièces. Les ancêtres des machines à commande numérique, du point de vue du principe, sont en fait des métiers à tisser datant des années 1800, développés par Jacquard. Ils étaient contrôlés par une bande perforée qui contenait les informations nécessaires au tissage. On peut ainsi en déduire que les pianos automatiques sont également des



2-2

ancêtres des machines outils à commande numérique, car ils étaient aussi contrôlés par un ruban perforé qui actionnait les touches afin de produire une mélodie. Mais d’un point de vue de fabrication, les ancêtres des MOCN sont les machines à copier, tours, fraiseuses et rectifieuses. Des systèmes de came et de tiges permettaient à l’outil de suivre le profil du modèle, assurant sa reproduction dans la pièce brute. La principale limitation des machines à copier provient du fait qu’il faut tout d’abord produire un modèle qui sert à contrôler les déplacements pendant l’usinage. Un problème se posait toutefois : que faire si on désire reproduire une pièce, dont les surfaces sont générées par des équations mathématiques? En effet, les modèles utilisés pour les machines à copier étaient fabriqués manuellement par des artisans, on ne pouvait pas produire de géométrie complexe et précise de cette manière. Toutefois, la fabrication de pièces aéronautique exige l’usinage de surfaces complexes définies par des équations mathématique. Les méthodes d’usinage de l’époque ne permettaient pas de reproduire avec assez de précision les géométries théoriques pour maximiser l’efficacité des hélices, des turbines et autres composantes. C’est ainsi qu’en 1949, la US Air Force a accordée au MIT un contrat de recherche afin de développer un système automatisé de contrôle afin d’adapter les machines-outils conventionnelles à la fabrication de pièces comportant des surfaces 3D complexes, qui n’était alors réalisable que manuellement. Les buts poursuivis par cette demande sont clairs, soit la réalisation de pièces complexes avec précision et répétabilité. C’est en 1952 que le MIT a fait la démonstration de ce qui était la première machine-outil à commande numérique (MOCN), illustrée à la Figure 2-1 ci-contre. Les données, programmées quasi-manuellement, étaient introduites dans le contrôleur de la machine via un ensemble de cartes perforées. L’ensemble de la logique de contrôle était alors gérée par un ensemble de tubes à vide, ce qui exigeait un espace impressionnant.

Figure 2-1: Première MOCN au MIT

À partir des possibilités offertes par cette première machine à CN, un intérêt important fut créé en recherche autour de cette technologie. Des développements de grande envergure débutèrent aux États-Unis et en Europe sur le contrôle du positionnement point à point des machines-outils à l’aide d’instructions codées sur des cartes et des rubans perforés.


2-3

C’est au milieu des années 50 que les rubans magnétiques furent utilisés pour la première fois comme support physique des informations d’usinage, et les premiers tours à commande numériques furent présentés au public à l’ITMS de Chicago en 1955. Les contrôleurs des MOCN ont subit d’importants développements depuis les années 50, tel qu’illustré à la Figure 2-2.

Figure 2-2: Évolution des contrôleurs MOCN

Des tubes à vides utilisés dans la machine du MIT, on passa aux transistors vers 1960. A ce stade les machines étaient encore qualifiées de NC (Numerical Control). Puis l’intégration des composantes a débuté vers 1970, grâce aux progrès en électronique. Les premiers processeurs ont ainsi fait leur apparition dans les contrôleurs, qui devinrent alors des CNC (Computer Numerical Control). Puis, depuis 1980, les progrès en intégration ont permis d’accroître la puissance des contrôleurs, d’en simplifier l’utilisation et d’en améliorer les performances. Aujourd’hui, plusieurs logiciels associés à CATIA, Pro-Engineer, Autocad et plusieurs autres, permettent à la fois de modéliser les pièces en 3D en plus d’effectuer les routines d’usinage virtuelles nécessaires pour la fabrication des pièces. Les figures suivantes montrent un exemple de routine effectué avec Vericut et Pro-Engineer.

Figure 2-3: Exemple de routine d’usinage virtuelle


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2.2 Aspect économique Sur une machine-outil conventionnelle, le temps « copeaux » dépasse rarement 15%, alors que sur une machine-outil à commande numérique il peut atteindre 80% (par temps « copeaux » on entend le temps où il y a de l’enlèvement de matière). Par contre, les premières pièces sont beaucoup plus longues à fabriquer à cause du temps de montage, de la programmation, des test-runs, etc. Mais la vitesse à laquelle les pièces sont usinées est beaucoup plus grande donc permet d’augmenter la productivité. De plus, une MOCN fait moins intervenir l’habilité manuelle de l’opérateur, donc la répétabilité est accrue. En résumé, voici les avantages économiques à utiliser une MOCN :

• Paramètres de coupe mieux contrôlés: économie au niveau de l’outillage • Pièces en série: moins coûteuses par MOCN que sur machine automatiques

dédiées • Permet de mieux gérer le temps-machines • Machines plus rigides en général, amortissement supérieur (moins sujette au

broutage) • Permet de réaliser des pièces impossibles sur une M-O conventionnelle: surface

gauche, opérations nombreuses Finalement, voici les inconvénients :

• Investissement initial supérieur • amortissement oblige souvent le travail sur 2 ou 3 équipes • rentabilité à moyen ou long terme seulement • Changement dans les méthodes de travail de préparation et de fabrication • Nécessité de former du personnel en programmation • Équipement informatique annexe • Résistance du personnel au changement MO/MOCN

2.3 Comparaison avec les machines-outils conventionnelles À la base, les coûts d’utilisation d’une machine CNC sont beaucoup plus élevés que ceux associés à une machine conventionnelle. Ceci est dû au coût supérieur de la machine, des outils et de la programmation. Par contre, comparativement aux machines conventionnelles, les machines CNC sont beaucoup plus rentables lorsque le volume de production est élevé. En effet, les vitesses d’usinage possible sont beaucoup plus élevées et leurs mouvements beaucoup plus précis ce qui permet de faire plus de pièces et de meilleure qualité. Le tableau 2-1 compare brièvement les différents coûts reliés à chaque type de machine.


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Tableau 2-1: Comparaison des coûts machine CNC vs Conventionnelle

2.4 Comment fonctionne une machine-outil CNC? Le fonctionnement de la programmation utilisée dans l’usinage à contrôle numérique est complexe et demande une connaissance approfondie de la programmation. La figure 2-4 présente les différentes étapes propres à l’usinage à commande numérique.

Figure 2-4: Étapes du processus d’usinage CNC4

En fait le logiciel de FAO permet tout d’abord de créer les chemins que les outils suivront afin d’usiner la pièce sans toutefois tenir compte des paramètres cinématiques tels la vitesse de rotation, l’avance par tour, etc. Ces « chemins d’outils » ne sont pas une routine « point par point », mais plutôt une liste de points reliés entre-eux par des éléments géométriques (ligne, arcs, paraboles) de dimensions différentes localisés dans l’espace et appelés dans un ordre logique permettant l’exécution du travail demandé. Si l’on se réfère à la figure 2-4, c’est la trajectoire en format neutre. Ensuite, le « Post-processeur » est utilisé pour incorporer ces paramètres dans les routines d’usinage. C’est-à-dire qu’à chaque élément géométrique sont associées une vitesse de rotation et une vitesse d’avance. Finalement un langage standard appelé « code G » est utilisé pour traduire les routines en instructions que la machine sera capable de décoder. 4 Tiré de http://marauder77150.free.fr/accueil.htm


2-6

2.5 Système de coordonnées des machines CNC Le système de coordonnées utilisé pour les déplacements d’une machine CNC est le système cartésien soit trois plans perpendiculaires formés par trois axes perpendiculaires aussi.

X Y

Z

Figure 2-5: Système de coordonnées cartésiennes

Six mouvements sont donc possibles soit trois translations le long de chaque axe (Tx, Ty et Tz) et 3 rotations autour des mêmes axes (Rx, Ry et Rz). Ces trois axes de rotation sont en fait appelés respectivement A, B et C.

Figure 2-6: Représentation des systèmes d’axes

Le système de mesure utilisé en Amérique du nord est principalement le système anglais, soit le « pouce » (inch) et le « pied » (feet) pour une distance linéaires, in/min ou ft/min pour une vitesse, et le hp pour la puissance.

2.5.1 Axes d’une fraiseuse Les déplacements d’une fraiseuse se font selon les axes X, Y et Z conventionnels du système de coordonnées cartésien. La figure 2-7 ci-contre illustre ces déplacements. Ces mouvements consistent en trois translations soit Tx, Ty et Tz. Il y a une seule rotation, celle de l’outil qui se fait autour de l’axe Z.

Figure 2-7: Mouvements d’une fraiseuse


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2.5.2 Axes d’un tour Les déplacements d’un tour sont différents. Seulement deux translations sont permises, soit Tx et Tz. Pour sa part, la pièce usinée ne fait que tourner autour de l’axe C, elle ne se déplace sur aucun axe contrairement à la fraiseuse. La figure 2-8 ci-contre illustre ces déplacements.

Figure 2-8: Mouvements d’un tour

2.5.3 Mouvements d’usinage combinés Bien sûr les machines à commandes numériques sont tout d’abord capables de se déplacer sur les axes un à la fois, mais leur principal avantage est qu’elles peuvent combiner ces mouvements et ainsi être capable d’usiner des formes beaucoup plus complexes qu’une machine conventionnelle. Deux et trois axes simultanés : Sur une fraiseuse, la combinaison de deux axes tel X-Y, Y-Z ou Z-X servent en fait à faire des courbes ou des lignes diagonales dans le plan (fraise en bout) ou dans l’espace (usinage d’une pochette avec une fraise à bout rond). Sur un tour, la combinaison des axes X-Z sert en fait à faire des rayons ou des chanfreins sur la pièce. Quatre et cinq axes simultanés : La combinaison de plus de trois axes (3 translations plus 1 ou 2 rotation) est utilisée principalement pour usiner des surfaces complexes avec une fraiseuse, ou sur un centre d’usinage (tour CNC avec un « live-tool »).

2.6 Types de Machines Il existe 3 types de machines soit les machines dites « point par point », « paraxiales » et « de contournage ». Une machine « point par point » effectue un déplacement et usine une fois déplacée (ex : perceuse à colonne). Une machine dite « paraxiale » usine en effectuant ses déplacement, mais ceux-ci sont limité à des mouvements linéaires sur la plan de travail (ex : fraiseuse conventionnelle). Ici il faut noter qu’il est possible d’usiner des rayons seulement s’ils correspondent à celui de l’outil utilisé. Finalement, une machine dite « de contournage » usine selon une trajectoire composée de lignes et d’arc de cercle sur le plan de travail (ex : fraiseuse CNC). Peut importe le rayon de l’outil, il est possible d’usiner des rayons de plusieurs dimensions.


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Les machines à commandes numériques typiques sont en fait des tours et des fraiseuses conventionnels qui sont actionnées par des moteurs électriques et comme le nom le dit, commandés numériquement et dont la trajectoire est contrôlée par un ordinateur. On peut retrouver comme machine-outil CNC : un tour, centre d’usinage, une fraiseuse, une rectifieuse, machines à identifier les pièces, en fait n’importe quelle machine que l’ont peut programmer.

Figure 2-9: Différentes machines-outils CNC

Elles possèdent toutes un écran numérique sur lequel l’opérateur suit le programme, le corrige lorsqu’il y détecte des erreurs et même le modifie quand les outils commencent à être usés. La figure 2-10 à la page suivante montre un écran typique d’une machine CNC.

Figure 2-10: Différentes machines-outils CNC

Au début, les programmes étaient stockés sur des rubans perforés, comme les anciens pianos automatiques. Rapidement, ils furent remplacés par les rubans magnétiques, les disquettes 5 po ¼. Aujourd’hui, ces machines fonctionnent toutes pour la plupart à partir d’une disquette 3 po ½, d’une « clé USB » ou d’un réseau informatique.

2.7 Code G Le « code G » est le langage informatique ISO utilisé pour la programmation des différentes machines-outils à commandes numériques. Il existe aussi d’autres types de code comme le langage « IPT ». Par contre, dans le cadre de ce cours seulement une brève introduction au « code G » sera faite. Ce code est divisé en fonctions « préparatoires G» et en fonctions « auxiliaires M».


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Fonctions préparatoires G : G00 : Déplacement rapide G01 : Interpolation linéaire G02 : Interpolation circulaire anti-trigonométrique (selon les axes du modèles) G03 : Interpolation circulaire trigonométrique (selon les axes du modèles) G04 : Arrêt du programme (pour nettoyer) G10/G11 : Écriture de données/Effacement de données G17 : Sélection du plan X-Y G18 : Sélection du plan X-Z G19 : Sélection du plan Y-Z G20 : Programmation en pouces G21 : Programmation en mm G28 : Retour à la position d'origine G33 : Filetage à pas constant G34 : Filetage à pas variable G40 : Annulation de la compensation de rayon d'outil G41 : Compensation du rayon d'outil à gauche G42 : Compensation du rayon d'outil à droite G50 : Définition de la vitesse de rotation maximum de la broche G54 : Décalage de l’origine en X G55 : Décalage de l’origine en Y G56 : Décalage de l’origine en Z G64 : Changement de vitesse d’avance G70-G79 : Annulation de la routine, ébauche, finition, perçage, etc. (selon le type de machine) G80-G89 : Annulation du cycle fixe, cycles fixes (selon le type de machine) G90 : programmation absolue G91 : Programmation incrémentale G94/G95 : Déplacement en Pouces par minute/Pouce par tour G96/G97 : Vitesse de coupe constante (vitesse de surface constante)/Vitesse de rotation constante ou annulation de G96 Fonctions auxiliaires M : M00 : Arrêt du programme M01 : Arrêt facultatif M02 : Fin du programme M03 : Mise en rotation de la broche sens horaire M04 : Mise en rotation de la broche sens antihoraire M05 : Arrêt de la broche M06 : Changement de l’outil M07 : Mise en marche de l’arrosage #2 M08 : Mise en marche de l’arrosage #1 M09 : Arrêt de l’arrosage M10 : Serrage de la pièce


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M11 : Desserrage de la pièce M30 : Fin du programme M60 : Changement de pièce Voici un exemple d’un court programme d’usinage sur le tour d’un diamètre de 1po sur 1 po de long : N010 G20G40G99 (déplacements en pouces, annulation des compensations de

rayons, avance en po/tour) N020 G28U0.0W0.0 (initialisation au HOME) N030 G00 X2.0 Z2.0 (Déplacement rapide en dehors de la pièce, pour donner le point

de départ de l'outil) N040 G50 S2000 (Définit la vitesse de rotation maximum de la broche) N050 T03 (Choisit l'outil #3) N060 G96 S1000 M03 M08 (Découpe à vitesse variable, 1000 pieds/min, démarre la

broche en rotation horaires, démarrage de la lubrification) N070 G00 X1.1 Z1.1 T0303 (Déplacement rapide vers un point situé à 0.1 pouce du

bout de la barre et à 0.05 pouce du bord, en utilisant les valeurs de réglage de l'outil #3)

N080 G01 Z1.0 F.05 (Avance horizontalement, en avance de travail) N090 X0.0 (Descend jusqu'à ce que l'outil soit au centre - en face du bout de la barre) N100 G00 Z1.1 (Avance rapide à 0.1 pouce du bout de la barre) N110 X1.0 (Avance rapide jusqu'à la position correspondant au diamètre extérieur fini) N120 G01 Z0.0 (Avance horizontalement, en avance de travail, en coupant la barre à 1

pouce de diamètre jusqu'à la référence) N130 G00X4.0G40M05 (dégagement en vitesse rapide, annulation de la compensation

de l’outil et arrêt de la broche) N140 M09 (arrêt du fluide de coupe) N150 G28U0.0W0.0 (retour au HOME) N160 M30 (fin du programme)

1.000

1.000

Figure 2-11: Exemple de pièce usinée


2-11

2.8 Décalage des outils Généralement, on programme la trajectoire de l’outil à partir de son centre afin de simplifier les calculs et la vérification des coordonnées. Il faut donc incorporer les « décalages » juste avant de faire rouler le programme sur la machine si l’on veut usiner la bonne pièce… Ces décalages tiennent compte des dimensions nominales de l’outil et aussi de son usure. En fait pour un même programme, on peut utiliser deux outils de diamètres différents, ce qui est plutôt utile lorsque le magasin d’outil connaît une pénurie d’outils standards!

2.8.1 Le décalage d’outil sur un tour Sur un tour, le décalage de l’outil consiste à la correction des distances selon X et Z entre le point de référence de la tourelle et le point de contact sur la pastille d’usinage. Cette donnée est généralement fournie par le manufacturier de la pastille et du « holder ». Par contre, l’usure doit être vérifiée à l’interne et le décalage ajusté en conséquence par l’outilleur. Pour se faire, l’outilleur usine d’abord une pièce à une dimension standard (dia. 1po sur 1 po de long) avec un décalage nul. Ensuite il mesure les dimensions, calcul la différence en X et en Z, l’entre dans le programme, et finalement, ré-usine une pièce pour valider la démarche.

Figure 2-12: À gauche, schéma des dimensions, à droite, les étapes de la correction du décalage

sur un tour CNC

2.8.2 Le décalage d’outil sur la fraiseuse Sur une fraiseuse, le décalage de l’outil consiste à la correction de la valeur du rayon de l’outil et à celui de la longueur par rapport au centre de la broche. Tout comme pour le tour, le manufacturier de l’outil fourni une valeur référence, mais au fur et à mesure que l’outil s’use, l’outilleur doit refaire les mêmes étapes de correction que sur le tour afin de corriger le rayon et la longueur de l’outil. Cela qui lui permettra donc d’usiner à l’intérieur des tolérances allouées.


2-12

Figure 2-13: À gauche, schéma des dimensions, à droite, les étapes de la correction du décalage sur une fraiseuse CNC


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5

3 Introduction à l’usinage selon les spécifications du dessin L’usinage d’une pièce est une étape importante dans la fabrication d’un produit, mais les étapes qui le précèdent le encore plus. Avant d’usiner la pièce, il faut d’abord qu’un dessin de détail soit fait par un concepteur. Ensuite, le département de méthodes se doit de « traduire » le dessin de détail en un dessin de fabrication à partir duquel ils élabborent la gamme d’usinage. Cette gamme d’usinage contient toute les étapes nécessaires à l’obtention d’une pièce de qualité.

3.1 Le dessin technique Le dessin technique est un « langage » qui répond à deux besoins essentiels du processus de conception d’une pièce : modéliser les idées pour valider des concepts, et communiquer ces concepts aux gens qui auront à travailler avec ces concepts. La représentation par le dessin ne doit donc pas se limiter à une simple description de formes, mais doit inclure beaucoup d’informations supplémentaires permettant ainsi la bonne compréhension de besoins dès le départ. Bien que beaucoup de progrès ont été faits, la fabrication assistée par ordinateur (FAO) ne peut être utilisée seule. La FAO est indispensable pour modéliser en 2D ou en 3D et ainsi faciliter la visualisation et la fabrication des pièces, mais il reste quand même que certaines informations doivent accompagner ces modèles si l’on veut fabriquer les produits selon les requis. C’est ici que le dessin technique entre en jeu. Types de dessins Il existe plusieurs types de dessins techniques :

− dessin de détails : présente tous les détails dimensionnels, matériaux, concepteurs et autres informations relatives au design de la pièce;

− dessin d’assemblage : présente toutes les composantes nécessaire pour un assemblage ainsi que toutes les informations relatives au design de l’assemblage;

− gamme de fabrication : fait état des étapes pour fabriquer une pièce; − gamme d’assemblage : fait état des étapes pour assembler plusieurs pièces.

5 Tiré et adapté des notes de cours de MEC662 et de MEC722


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Malgré leurs fonctions différentes, ils sont tous semblables et comporte le caractéristiques suivantes :

− un cartouche − une nomenclature − des notes générales − un bloc de révisions − une zone de dessin

De plus, plusieurs formats de papier sont disponible dépendamment de la grandeur de la pièce ou de l’assemblage et du niveau de détail nécessaire. Voici les formats de papier disponible, et ce dans les deux systèmes de mesure, soit impérial et métrique. Il est à noter qu’en Amérique du Nord, le système impérial est le plus utilisé. Formats système impérial :

Formats système métrique :


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3.2 Définitions Tolérance La tolérance est l’écart total admissible dans la grandeur d’une dimension. C’est la différence entre les cotes limites (maximum-minimum). Si la hauteur d’une pièce est indiquée comme 1.125’’ ± .030’’, cela signifie qu’elle peut être, réellement, de 1.1285000’’, de 1.095000’’ ou n’importe quelle valeur entre ces cotes limites. La tolérance est la différence en valeur absolue entre les dimensions limites. Elle représente l’écart total admissible d’une dimension ou le degré d’imprécision permis. Dans l’exemple précédent, la tolérance est de .060000’’. Dimension nominale Dimension théorique de laquelle découlent les limites pour cette dimension, par l’application du jeu fonctionnel et de la tolérance. À ne pas confondre avec la dimension moyenne. Dimensions limites Les dimensions limites sont les deux dimensions extrêmes (dimension minimale et dimension maximale) acceptables d’une dimension nominale donnée. On les appelle aussi les « limites ». Dimension moyenne C’est la moyenne des deux dimensions limites ((max+min)/2). Écarts Les écarts supérieur et inférieur sont la différence (en valeur absolue et en signe) entre les dimensions maximale et minimale et la dimension nominale correspondante. Dimension au maximum de matière (MMC) C’est la limite supérieure dans le cas d’un arbre (voir définition d’arbre) et la limite inférieure dans le cas d’un alésage (voir également la définition d’un alésage). La condition maximale de matière présente le pire cas possible dans l’assemblage des pièces. Dimension au minimale de matière (LMC) C’est la limite inférieure dans le cas d’un arbre (voir définition d’arbre) et la limite supérieure dans le cas d’un alésage (voir également la définition d’un alésage). La condition minimale de matière présente le pire cas possible les pièces brutes soumises à une opération d’usinage ultérieurement. Jeu Le jeu est l’intervalle minimal prévu entre les deux limites de l’assemblage cotées au maximum de matière.


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Arbre (pièce mâle) Par convention, l’arbre est le terme utilisé pour désigner toute dimension extérieure d’une pièce, même non cylindrique (largeur d’une clef, diamètre extérieur d’un tube, etc.). L’arbre normal est l’arbre dont l’écart supérieur est nul. Alésage (pièce femelle) Par convention, l’alésage est le terme utilisé pour désigner toute dimension intérieure d’une pièce, même non cylindrique (largeur d’un chemin de clef, diamètre intérieur d’un tube, etc.). L’alésage normal est l’alésage dont l’écart inférieur est nul. Ajustement L’ajustement est constitué par l’assemblage de deux pièces de même dimension nominale. L’ajustement est un terme général utilisé pour désigner la gamme de jeux ou de serrage pouvant résulter de l’application des tolérances. L’ajustement avec jeu : L’ajustement avec jeu est une forme d’ajustement tel qu’il en résulte toujours un espace vide entre les pièces. À la figure ci-dessous, l’espace vide minimal entre l’arbre et l’alésage est de .002’’ (à la condition maximale de matière); c’est le jeu, et ce dernier est toujours positif dans un ajustement avec jeu.

L’ajustement avec serrage C’est la forme d’ajustement tel qu’il en résulte toujours un serrage entre les pièces. La pièce mâle étant plus grande que la pièce femelle. À la figure ci-dessous, il existe un serrage de 0.007’’entre l’arbre minimal (1.2513’’) et le trou maximal (1.2506’’). Dans le cas de la tolérance à la condition maximale de matière, le serrage est de 0.0019’’. Le serrage est toujours un jeu négatif dans le cas d’un ajustement avec serrage.

L’ajustement incertain C’est la forme d’ajustement pouvant présenter tantôt un jeu, tantôt un serrage. En effet, si on considère 1.2506-1.2503 = .0003’’; c’est positif, donc c’est un jeu. Par contre, si on considère 1.2500-1.2509 = -.0009’’; c’est négatif, donc c’est un serrage.


3-5

3.3 Principes de base du dessin technique

3.3.1 La cotation En plus de fournir la description complète de la forme d’un objet, le dessin technique doit aussi comporter une description de la grandeur de l’objet; autrement dit, il doit être coté. Le dessin doit représenter l’objet dans sa forme définitive et doit contenir tous les renseignements nécessaires à sa réalisation. Ainsi, lors de la cotation d’un dessin, le concepteur et le dessinateur doivent avoir à l’esprit la pièce une fois réalisée, le procédé de fabrication à utiliser et, avant tout, la fonction de la pièce dans le montage. Lorsque c’est possible, les cotes doivent être données, sous forme commode, aux exécutants et aux inspecteurs. Ces cotes doivent être inscrites de façon à ce qu’il ne soit pas nécessaire d’effectuer des calculs, de relever à l’échelle ou de supposer arbitrairement une dimension. Il ne faut pas donner des dimensions à partir des points ou des surfaces inaccessibles. Il ne faut pas répéter les cotes, ni donner des cotes surabondantes. Cotation des dimensions linéaires Avec la cotation en système métrique (mm), la présence du zéro avant le point décimal est obligatoire. Par contre, la cotation en système impérial (pouce) impose l’absence du zéro avant le point décimal (vois figures ci-dessous).


3-6

Cotation des angles On peut écrire les angles sous une forme décimale (ex. 45.52°) ou en utilisant le système degré - minute - seconde (ex. 45° 30’).

Cotation d’un rayon En français, on fait la distinction entre un arrondi et un congé. Pour faire la différence entre les deux, on dit un arrondi si on regarde vers l’extérieur (rayon extérieur) de la pièce à partir du centre du rayon. À l’inverse, c’est un congé. Du point de vue du dimensionnement et du tolérancement, il n’existe aucune différence entre les deux cas. Cotation de profils Dans le cas des formes complexes, on utilise un ensemble de points sur le profil en indiquant le placement spatial de chacun des points par rapport à un système d’axes et une origine.

6

1.5

1

12

5

2

17.5

10

3

24.5

20

4

34.5

50

5

Y

STATION

X

41.5

6

100

1

23

4

56

ORIGINES

6.0

24.534.5

41.5

1.5

5.0

20.0

50.0100.0

ORIGINES

17.5

12.0

10.0

D’autres méthodes peuvent être utilisées pour décrire la courbe ou la surface nominale d’une composante. Une pièce maîtresse (Master) ou encore un fichier numérique ou le modèle mathématique (CAD, IGES, STEP,…) sont tous des possibilités pour définir un profil.


3-7

3.3.2 Les projections Lorsqu’un observateur dessine, en traits continus, ce qu’il voit d’un objet et, en traits interrompus, les détails cachés, il obtient une vue de l’objet. Cette vue est, en fait, une projection de l’objet sur un plan imaginaire appelé plan de projections. On distingue plusieurs types de projections. Sans s’attarder sur l’ensemble au complet, nous allons examiner les projections les plus utilisées: les projections orthogonales. Il existe deux systèmes de projections orthogonales. Projection du premier dièdre Utilisée avec les normes européennes, on place l’objet dans le premier dièdre tel qu’illustré ici.

Face (Front) Gauche (Left)

Dessous (Bottom)

Dessus (Top)

Droite (Right)


3-8

Projection du troisième dièdre Cette projection est utilisée en Amérique du Nord, on place l’objet dans le troisième dièdre tel qu’illustré dans la figure suivante.

Dessus (Top)

Gauche (Left) Face (Front) Droite (Right)

Dessous (Bottom) Il est important de noter que depuis 1992, dessiner par une des deux (2) projections est acceptable par toutes les normes nationales et internationales; plus de projection américaine et projection européenne. La seule restriction est la suivante : le symbole indiquant le système de projections doit apparaître dans la cartouche du dessin.


3-9

3.4 Introduction aux gammes de fabrication Le but principal d’une gamme de fabrication est de décortiquer l’information du dessin de détail d’une pièce en plusieurs étapes simples qui permettront au machiniste de fabriquer la pièce. Normalement, une gamme comporte plusieurs informations/éléments critiques :

- Croquis de la pièce finale (trait fantôme); - Croquis de la pièce brute (trait plein fin); - Identification des surfaces d’appuis (flèche et points numérotés); - Identification des surfaces usinées (trait plein fin); - Cotes & tolérances reliant surfaces usinées et surface d’appuis; - Outils utilisés; - Moyen de fixation; - Paramètres d’usinage; - Machine utilisée; - Informations complémentaires (#opération, # pièce, dessinateur, date, etc.).

Voici les deux premières opérations d’une gamme d’usinage simplifiée pour une pièce fabriqué à partir d’un « casting » (pièce coulé):


3-10

3.4.1 Outils en fonction de l’opération Normalement, chaque type d’opération d’usinage a un outil spécifique associé. Voici les opérations les plus communes pour le tournage et le fraisage ainsi que les outils généralement associés aux opérations.

OPÉRATION OUTILS ASSOCIÉFaçage outil à surfacerÉbauche chariotage outil à charioterFinition chariotage outil à charioterPerçage, alésage taraudage foret à centrer, foret, alésoir, barre à aléser,etc.Rainurage outil à rainurerSaignage outil à saigner

TOURNAGE

OPÉRATION OUTILS ASSOCIÉFaçage outil à surfacerÉbauche contournage fraise standard (2 lèvres)Finition contournage fraise standard (4 lèvres)Usinage de poche, profondeur fraise en bout, fraise à bout sphériquePerçage, alésage taraudage foret à centrer, foret, alésoir, barre à aléser,etc.Chanfreinage fraise à chanfreiner

FRAISAGE

3.4.2 Paramètres d’usinage Les paramètres d’usinage sont généralement établis en fonction du matériau usiné, des dimensions de l’outil, de la quantité de matière à enlever et du type de machine utilisée. Voici les principaux paramètres d’usinage :

o la vitesse de coupe en pouce par minute (sfm) o l'avance par tour f en pouce par tour (po/tr)

o l’avance par dent en pouce par dent (po/dent)

o la vitesse de rotation en tours par minutes (tr/min)

o la profondeur de passe en pouce (po)

o le nombre de passes


3-11

Voici un tableau résumé des paramètres pour le fraisage :

Voici un tableau résumé des paramètres pour le perçage :


3-12

Voici un tableau résumé des paramètres pour le tournage6 :

6 Tiré de l’ASM Hanbook of Materials


4-1

7

4 Le phénomène de variation dans le cycle de vie du produit (conception, fabrication, assemblage et inspection)

Le phénomène des variations dans les différentes étapes de la conception d’un produit est très large et peut s’avérer relativement complexe. Premièrement, il existe plus d’un type de variation. Il y a bien sûr les variations dimensionnelles, mais notamment les variations géométriques et celles de fini de surface. Il serait approprié d’adapter le dicton populaire « personne n’est parfait » à l’industrie, c’est-à-dire : « AUCUNE PIÈCE N’EST PARFAITE! ». Ces variations peuvent provenir de déférentes sources. Un outil usé causera une variation sur la dimension voulue, une machine qui vibre peut causer des variations dans le fini de surface désiré, l’élévation trop grande de la température lors de la coupe peut aussi engendrer des variations de la forme finale de la pièce. En fait les sources de variations sont infinies, et très difficiles à cibler. Depuis les débuts de l’usinage, des moyens ont été développés pour contrôler ces variations dans le but de les minimiser. Malheureusement, chacun avait sa façon de faire et quand venait le temps d’interagir avec plusieurs pièces provenant de divers fournisseurs, cela devenait problématique. Des outils normalisés on donc été développé afin de pouvoir contrer les effets des variations dans la fabrication des produits. Le contrôle statistique des procédés (CSP), la norme ASME Y14.5M et sa jumelle ISO sont tous des moyens développés pour venir en aide aux ingénieurs et concepteurs.



4-2

4.1 La norme ASME Y 14.5M-1994 En fait cette norme appartient à une plus grande famille, la ASME Y14. Cette norme a été établie il y a plusieurs années par l’American Society of Mechanical Engineers dans le but de pouvoir standardiser la communication lors de la fabrication de pièces et assemblages. Elle gère plusieurs aspects de la fabrication de pièces comme la cotation, les tolérances, l’établissement des référentiels et plusieurs autres sujets. Les principaux points abordés ici seront les tolérances dimensionnelles, les référentiels et les tolérances géométriques.

4.2 Pourquoi une tolérance? La fabrication interchangeable permet de produire des pièces dans des endroits très distants les uns des autres et de les réunir dans un assemblage où toutes celles-ci s’ajustent correctement. Ceci est l’élément essentiel de la production en série. L’industrie moderne ne pourrait exister sans la fabrication interchangeable et celle-ci ne pourraient être réalisée sans un contrôle efficace des dimensions par les intervenants. Très souvent, un fabricant accorde non seulement des sous contrats de fabrication de plusieurs pièces de d’autres compagnies, mais il doit prévoir les pièces de rechange. Toutes les pièces d’un même groupe doivent être assez semblables pour que n’importe laquelle d’entre elles convienne. On peut penser que si les dimensions sont données sur le plan, toutes les pièces seront exactement semblables et qu’elles s’ajusteront adéquatement dans la machine. Toutefois, il est malheureusement impossible de fabriquer une pièce à la grandeur exacte. On peut fabriquer des pièces avec beaucoup de précision, mais la précision coûte très chère. Cependant, il n’est pas nécessaire d’obtenir des dimensions exactes; il suffit d’atteindre divers degrés de précision selon les besoins de la fonction. Un jouet pour les enfants avec une précision de .005’’ est une aberration, un moteur à réaction n’aura pas les mêmes erreurs permises qu’une tondeuse à gazon, etc. La réponse à ce problème consiste à indiquer une tolérance à chaque dimension.


4-3

4.3 Quelques principes de base du tolérancement Le principe de l’enveloppe : Par défaut et dans l’absence de toute autre contre-indication, chaque tolérance dimensionnelle doit être interprétée selon trois (3) principes simultanément.

Premier principe: les limites MIN-MAX La cote est appliquée sur toute la longueur de l’élément. Si on regarde l’exemple du cylindre, le diamètre réel doit être à l’intérieur de l’intervalle Min-Max inclusivement à n’importe quelle section. Deuxième principe: l’enveloppe parfait à MMC Il existe deux (2) enveloppes pour chaque élément géométrique ayant une tolérance dimensionnelle : le premier est le MMC et le deuxième est le LMC. La norme ASME Y14.5M-1994 considère que, par défaut, une tolérance dimensionnelle implique le respect d’une forme parfaite à MMC. L’élément tolérancé doit être situé à l’intérieur des deux (2) enveloppes sans jamais dépasser celui du MMC8. Troisième principe Le respect de la tolérance dimensionnelle de l’élément contrôle sa forme et n’a aucun lien sur sa position ou sur son orientation.

8 Il est important à noter que dans plusieurs cas, le principe de l’enveloppe ne sera pas appliqué pour différentes raisons. Par exemple, un tuyau en plastique relativement long, une poutre flexible ou encore un dessin où on peut lire une remarque du genre « PERFECT FORM AT MMC NOT REQD », le principe de l’enveloppe n’est pas appliqué.

Ø15.1(MMC)

Ø15

Signification

Ø15.1(MMC)

Ø15.2 (LMC)

Ø15.1(MMC)

Ø15 (LMC)

Ø15 (LMC)

MMC limite

théorique

Means this

Ø15.2 (LMC)

Ø15.2 (LMC)

Ø15.1(MMC)

MMC limite

théorique

Ø15.0

Ø15.215.1


4-4

4.4 Tolérances dimensionnelles Toute cote d’un dessin doit comporter une indication de l’erreur permise, à l’exception de celle qui est identifiée comme étant une cote de référence ou de repère. Pour indiquer les tolérances dimensionnelles, il existe plusieurs méthodes reconnues et approuvées par la norme Y14.5. Tolérances générales, tolérances non spécifiques Pour les dessins sur lesquels apparaissent des cotes non fonctionnelles, il est recommandé qu’une note générale de tolérance soit inscrite dans la cartouche ou près de celle-ci, afin de spécifier la tolérance ou les tolérances les plus universelles applicables au dessin. Le procédé utilisé impose les valeurs minimales des tolérances générales mais pas nécessairement les valeurs maximales. Plusieurs syntaxes sont possibles pour indiquer une tolérance générale. Allant des tolérances qui fonctionnent avec le nombre des chiffres décimaux, aux tolérances relatives, la norme est très souple à ce regard. Par exemple :

1. Sauf indication contraire, la tolérance est de ±1 mm 2. Tolérances non spécifiques : .XX � ±.030’’, .XXX � ±.010’’ 3. Tolérance générale ±0.5% 4. Pour plus d’information, nous référons le lecteur aux normes ACNOR B87-2-

1973, ISO/R 406-1964, ANSI B4.2 et ASME Y14.3-1992. Dimensions limites Dans cette méthode, les limites maximales et minimales de la dimension sont inscrites comme l’illustre la figure ci-dessous. La limite maximale doit être placée au-dessus de la limite inférieure. Tolérance indiquée en chiffre Les éléments de la cote avec tolérance sont inscrits dans l’ordre suivant: la dimension nominale suivie des valeurs des écarts. L’écart positif devrait toujours être placé au-dessus de l’écart négatif. Si la tolérance est appliquée symétriquement par rapport à la dimension nominale, on n’inscrit qu’une fois la valeur des écarts, en le faisant précéder du signe ±.


4-5

Dimensions limitées dans un sens Cette méthode est employée lorsqu’une seule limite est importante; toute variation dans la direction opposée peut être tolérée, tout en demeurant dans les limites de conception de la pièce. Par exemple, une épaisseur de peinture 0.5 mm MIN., ou encore un rayon R0.200’’ MAX. Tolérance indiquée par les symboles ISO On inscrit, à la suite de la dimension nominale, le symbole de tolérance choisi, tel que 35f7 ou Ø12H6.


4-6

4.5 Les Datums

4.5.1 Les six (6) degrés de liberté C’est un point très important pour comprendre le principe du fonctionnement des référentiels (Datum). Un corps rigide peut bouger de six (6) façons: trois (3) déplacements linéaires (translation) selon les axes x, y et z, et trois (3) rotations autour des axes x, y et z. La figure ci-dessous illustre ce phénomène.

90° 90°

XY

Z

90°

Plans de référence

(origines des prises

de mesures)

Point de référence

Directions des

prises de mesures

La théorie des six (6) degrés de liberté stipule que pour fixer un objet d’une manière répétable et déterministe, il suffit de fixer six (6) points. Pour obtenir l’ensemble des six (6) points, considérons l’exemple suivant. Prenons à titre d’exemple la petite boîte illustrée ci-dessus. En la plaçant sur une table parfaite, la surface du dessous aura un contact avec trois points. Dans ce cas, la table devient la première référence (primaire). En poussant la pièce sur la table jusqu’à un plan parfait et perpendiculaire à la table, on aura un contact avec deux points. Le plan devient la deuxième référence (secondaire). Tout en gardant la pression sur la boîte, on termine la fixation en glissant jusqu’à un nouveau plan parfait et perpendiculaire aux deux premiers. Le contact se fera avec un point. Le plan devient la troisième référence (tertiaire). Si tout le monde (fabricants et inspecteurs) respecte la procédure précédente, tout le monde aura la même position du système de référence (en d’autres mots, le même zéro et les mêmes axes x, y et z). Donc, la possibilité de comparer les dimensions et les mesures entre-elles. Et c’est pour ça qu’on utilise les références.

4.5.2 Système 1 : Plan – Plan - Plan Le système de référentiels obtenu par trois (3) plan probablement le système le plus utilisé dans l’industrie. En examinant la figure ci-dessous, nous constatons que chaque élément géométrique (plan) élimine des degrés de liberté propres à lui.


4-7

Référentiel A C’est le plan parfait sur lequel on appuie la surface réelle A (contrepartie géométrique). Le référentiel A élimine deux rotations et une translation. On dit que le primaire oriente la pièce.

Référentiel B C’est le plan parfait et perpendiculaire au référentiel A, sur lequel

on appuie la surface réelle B (contrepartie géométrique). Le référentiel B élimine une rotation et une translation. On dit que le secondaire aligne la pièce.

Référentiel C C’est le plan parfait et perpendiculaire aux référentiels A et B, sur

lequel on appuie la surface réelle C (contrepartie géométrique). Le référentiel C élimine une translation. On dit que le tertiaire positionne (localise) la pièce.

4.5.3 Système 2 : Plan – Axe – plan central En examinant la figure ci-dessous, nous constatons, encore une fois, que chaque élément géométrique (plan) élimine des degrés de liberté propres à lui.

Référentiel A C’est le plan parfait sur lequel on appuie la surface réelle A (contre-partie géométrique). Le référentiel A élimine deux rotations et une translation. On dit que le primaire oriente la pièce.

Référentiel B C’est l’axe du cylindre parfait (ayant la dimension MMC) et

perpendiculaire au référentiel A, sur lequel on appuie la cylindre réel B (contre-partie géométrique). Le référentiel B élimine deux translations. On dit que le secondaire positionne (localise) la pièce.

Référentiel C C’est l’axe du cylindre parfait (ayant la dimension MMC) et qui se

trouve dans le plan formé par l’intersection du plan A et du cylindre B, sur lequel on appuie la cylindre réel C (contre-partie géométrique). Le référentiel C élimine une rotation. On dit que le tertiaire aligne la pièce.


4-8


4-9

D’autres systèmes peuvent être utilisés pour définir le système d’axes sur une composante mécanique ou un assemblage quelconque. Voici un exemple :

4.5.4 Référentiel double

La norme Y14.5M permet, sous certaines conditions, l’utilisation simultanée de deux référentiels en les considérant comme un seul.

L’exemple ci-dessous illustre le référentiel obtenu par les plans A et B. La notation A-B doit être considérée comme un seul référentiel.

Un autre exemple très courant dans le cas des pièces tournants (ayant un degré de liberté de rotation), il arrive parfois que la fonctionnalité nous impose un axe défini par deux paliers (ex.: les portées des roulements). Dans ces cas, il est important de se référer par rapport à cet axe, pour éliminer le battement (et obtenir le meilleur balancement). La façon d’obtenir cet axe comme référence est d’utiliser un référentiel double.


4-10

4.5.5 Référentiel ciblé (Datum Targets) Dans plusieurs cas, il arrive l’utilisation d’un référentiel classique (un axe, un plan, etc.) ne soit pas évidente; Accès difficile, erreur de forme trop grande, etc. (forme ayant un contour complexe, pièces moulées, … La création du système d’axes dans ces cas est effectuée par l’emploi des référentiels ciblés. Toujours en coordination avec la théorie des six degrés de liberté, les référentiels primaire, secondaire et tertiaire seront crées à partir de point, ligne ou zone de contacte. La location et la nature des ces zones de contact (point, ligne,…) doivent être définies sur le dessin.

Un autre cas fréquent est quand la pièce n’est pas stable et, par conséquent, un montage spécial est nécessaire (voir figure ci-dessous). Dans ces situations, on utilise les référentiels ciblés. L’idée est simple: on pointe un ensemble de points (ou de lignes, ou encore un mélange des deux) qui correspond au référentiel en question (exemple : s’il s’agit du deuxième référentiel, on pointe deux points).


4-11

Guide général pour la sélection des référentiels : Quelques lignes guides sont de mise pour nous aider à comprendre et à mieux utiliser les référentiels. Un référentiel devrait être:

� Accessible pour l’inspection et de préférence pour la fabrication aussi.

� Ayant une bonne répétabilité (par exemple une bonne planéité pour un plan, une bonne circularité pour un trou, etc.). Si le positionnement d’une pièce quelconque sur ses référentiels induit une erreur de répétabilité, cette dernière sera généralisée sur toutes les mesures et les manipulations qui seront effectuées à partir du système référentiel choisi.

� Assez large (pour des raisons pratiques de stabilité).

� Sans ambiguïté et bien identifié (une erreur courant est d’inventer des nouvelles façons pour indiquer les référentiels sur un plan). La norme Y14.5M-1994 doit être suivie rigoureusement dans tous les cas.

� Facilite l’utilisation des calibres, indicateurs et tout l’équipement d’inspection disponible dans une entreprise. N’oubliez pas qu’une tolérance incontrôlable et/ou un référentiel impossible à atteindre sont inutiles.

� Finalement, un référentiel est utilisé exclusivement avec les tolérances géométriques. Pour indiquer une origine pour une cote dimensionnelle, le seul symbole autorisé est le symbole d’origine.


4-12

4.6 Les tolérances géométriques La tolérance géométrique est une tolérance qui concerne l’aspect géométrique d’une pièce. Ce n’est pas une tolérance appliquée directement à une dimension. Voici la liste de toutes les tolérances géométriques contrôlée par la norme Y14.5M-1994 divisées en cinq catégories : Description des catégories : Forme : La tolérance de forme est applicable à des formes simples, ou à un élément d’une forme simple, et n’est jamais relié à aucun datum. Elle ne contrôle pas la localisation de la caractéristique. Profil : La tolérance de profil gère la ligne que projette une surface sur un ou plusieurs plans. La ligne « projetée » peut être une droite, un rayon, ou n’importe quelle autre courbe. Elle peut, ou pas, faire référence à un datum, cela dépend des cas. Localisation : La tolérance de localisation positionne une caractéristique d’une pièce par rapport à un, deux ou trois datums. Elle ne gère pas la forme de cette caractéristique par exemple. Orientation : La tolérance d’orientation contrôle l’orientation d’une caractéristique toujours par rapport à une autre. Elle non plus ne contrôle pas la localisation de la caractéristique. Alignement : La tolérance d’alignement sert à contrôler la relation entre plusieurs caractéristiques d’une pièce par rapport à un axe.

Catégories Tolérance Symbole

Planéité

Circularité

Rectitude

FORME

Cylindricité

profil d’une ligne PROFIL

profil d’une surface

Position

Concentricité

LOCALISATION

Symétrie

Angularité Parallélisme

ORIENTATION

Perpendicularité

Alignement circulaire ALIGNEMENT

Alignement circulaire total


4-13

4.6.1 Planéité La tolérance de planéité assure qu’une surface donnée est située à l’intérieur deux plans imaginaires, parfaits et parallèles, dont la distance qui les sépare correspond à la valeur indiquée. Règle générale, la planéité est utilisée pour garantir la qualité du contact entre deux surfaces planes (référentiel primaire).

25.224.8 24.8

0.05

25.2

Erreur de planéité de 0.05 mm

4.6.2 Circularité La tolérance de circularité s’applique sur n’importe quelle forme générée par la révolution d’une courbe autour d’un axe quelconque. La tolérance de circularité assure que le profil de la pièce, pris à une section normale de l’axe de révolution, soit à l’intérieur de deux (2) cercles parfaits dont la différence des rayons est égale ou plus petite que la valeur indiquée.

0.012

0.012 mm

Ø45 0-0.035


4-14

4.6.3 Rectitude La tolérance de rectitude représente l’erreur maximale de linéarité d’un profil d’une ligne droite dans une direction. Donc, tout profil d’une section doit être compris entre deux (2) lignes parallèles et distantes de la valeur de la tolérance. Cette tolérance peut aussi s’appliquer sur l’axe d’un cylindre.

0.5

0.50.2

0.2

100

18.2017.80

0.4

0.2/25

18.20.2

0.425

0.05

Ø20.05

Ø0.05

Ø20.0019.87

(20h11)

Ø20.0

4.6.4 Cylindricité La tolérance de cylindricité assure que le cylindre en question soit situé à l’intérieur de deux (2) cylindres parfaits, imaginaires et concentriques, dont la différence des rayons est donnée par la valeur de la tolérance.

Ø20.0±0.04

0.015

30.0±0.5

0.15 mm

0.15 mm


4-15

4.6.5 Profil d’une ligne La tolérance de profil d’une ligne s’applique sur un contour (ouvert ou fermé). Le profil réel doit être situé à l’intérieur de deux (2) lignes imaginaires et parfaits, espacés par la valeur indiquée dans la boîte de tolérance. Le profil de ligne théorique peut être défini soit par des dimensions nominales (Basic), soit par référence à un modèle mathématique (Math Data) selon les recommandations de Y14.41.

2X Ø5±0.2

0.5 A

A

CB

1.8 A B C

20

20 20

10

30

10

40

6 X Ø1±0.1

0.8 A B C

4.6.6 Profil de surface La tolérance de profil de surface assure que tous les points d’une surface quelconque doivent être à l’intérieur de deux (2) profils imaginaires et parfaits, espacés l’un de l’autre de la valeur indiquée dans la boîte de tolérance. Le profil de surface idéal peut être défini soit par des dimensions nominales (Basic), soit par référence à un modèle mathématique (Math Data) selon les recommandations de la norme Y14.41.

30.0

45.0

43.0

42.4

41.8

39.5

35.4

D

E

60±0.15

6 X 10

0.30 A B C

25±0.5

A

B

C

D E

E

D

Référentiel #3

Plan C

Référentiel #2

Plan B

Référentiel #1Plan A

90°


4-16

4.6.7 Localisation (position) La tolérance de position impose que l’axe (ou du plan moyen) de la contre partie géométrique en question soit à l’intérieur d’une zone donnée. Le contrôle du positionnement peut s’effectuer en coordonnées cartésiennes ou en coordonnées polaires. La contre partie géométrique signifie le plus grand élément géométrique qui entre à l’intérieure d’un élément femelle ou le plus petit élément géométrique qui englobe un élément mâle.

Axe de la contre partie géométrique

Position fixe (repaire absolu) - - Pattern Locating Tolerance Zone Framework : Appelée aussi position absolue, elle se caractérise par le fait que la localisation de l’agencement des trous sera contrôlée par rapport à système référentiel (XYZ) et une origine. La position des trous dans ce cas ne possède aucun degré de liberté. Position relative entre éléments - Feature Relating Tolerance Zone Framework : Cette tolérance se caractérise par le fait que la localisation contrôle la position d’un ensemble d’entités entre elles. Généralement, cette tolérance est un raffinement de la tolérance de position absolue.

0.75 A B C

0.15 A

30 30Axe du trou actuel

situé dans les deuxzones de tolérances

Zone de tolérance

de l'élément, représentée

par un cylindre

Zone de tolérance de

l'agencement des éléments,

représentée par un cylindre

Ø0.75Ø0.15

Axe du trou actuel à l'intérieur des deux zones et à son inclinaison

maximum par rapport au référentiel ARéférentiel A

90°90°

Parallèlles


4-17

4.6.8 Coaxialité La tolérance de coaxialité est un cas spécial de la tolérance de position. En effet, c’est le cas où le requis de position s’applique sur des éléments ayant le même axe (ou plan central) théorique.

4.6.9 Concentricité La tolérance de concentricité permet d’assurer que l’ensemble des points moyens (médium à chaque section) soit à l’intérieur d’une zone cylindrique axée sur un élément de référence. Le diamètre étant indiqué dans la boîte de tolérance.

A

0.05 A

Ø0.05mm

Ø30±0.2

ACOUPE A-A

Référentiel A

Points du centre

de chaque section


4-18

4.6.10 Symétrie La tolérance de symétrie assure que l’ensemble des points moyens d’une entité (ou un ensemble d’entités) soit à l’intérieur d’une zone de tolérance définie par la valeur indiquée.

1 mm

Référentiel A

(Zone de 1mm au centre

de la longueur de la base)

4.6.11 Angularité La tolérance d’angularité assure que l’élément géométrique (surface plane ou axe de la contrepartie géométrique) soit située à l’intérieur d’une zone constituée de deux plans parfaits (ou un cylindre parfait) imaginaires et orientés par rapport à un plan de référence. La valeur indiquée dans la boîte de tolérance définit la taille de la zone de tolérance en millimètre.

(100) A

(37.5)

1.0 A

6


4-19

4.6.12 Parallélisme La tolérance de parallélisme assure que l’élément géométrique (surface plane ou axe de la contrepartie géométrique) soit située à l’intérieur d’une zone constituée de deux plans parfaits (ou un cylindre parfait) imaginaires et parallèles à un plan de référence.

4.6.13 Perpendicularité La tolérance de perpendicularité assure que l’élément géométrique (surface plane ou axe de la contrepartie géométrique) soit située à l’intérieur d’une zone constituée de deux plans parfaits (ou un cylindre parfait) imaginaires et perpendiculaires à un plan de référence.

A

0.25 A

0.05 A

Zone de tolérance

de 0.25 mm

Référentiel A

Ø

15.024

15.023

...

Ø 0.05

0.058

0.057

...

0.05015.016

15.024

15.016Ø (15F5)

M


4-20

4.6.14 Alignement simple La tolérance de battement contrôle, de façon indépendante le battement maximum d’un ensemble de sections d’un élément tournant autour un axe de référence.

A

0.05 A

0.1 A

Battement permis de

0.05 mm

Battement permis

de 0.1 mm

4.6.15 Alignement total La tolérance alignement total détermine le battement maximum d’un indicateur placé en toute position contenue le long de la pièce. Cette dernière tourne autour d’un axe de référence.

A

0.05 A

0.1 A

Battement total

permis de 0.05 mm

Battement total

permis de 0.1 mm


4-21

4.7 Cumul des tolérances Nous sommes habitués à considérer que les erreurs s’additionnent selon la valeur absolue. C’est une méthode sécuritaire et elle se nomme Worst Case. Prenons comme exemple l’arbre illustré ci-dessous. Avec la cotation de la première méthode, l’erreur permise pour la distance XY sera de ±0.15 (0.05+0.05+0.05), alors qu’avec la cotation de la deuxième méthode, la même distance aura une erreur permise de ±0.1 (0.05+0.05). Notons que ceci n’implique pas qu’il existe une méthode meilleure que l’autre, mais plutôt que le cumul des tolérances est un fardeau dont on ne peut pas souscrire avec les méthodes classiques de cotations. On note que la nouvelle norme Y14.5-1994 introduit d’autres concepts pour tenir compte des probabilités d’erreurs (tolérances statistiques).


5-1

5 Analyse des variations dans un assemblage mécanique L’analyse des variations dans les assemblages mécaniques simples se fait à l’aide d’un outil relativement simple et très efficace : la chaîne de cote.

5.1 Étapes pour la chaînes de cotes Pour calculer les variations permises avec une chaîne de cote, il faut passer à travers 5 étapes :

1. Identifier le requis fonctionnels à respecter 2. Identifier les composantes impliquées 3. Choisir de l’origine et de la direction 4. Construire la chaîne

5. Vérifier les composantes


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5.1.1 Identifier le requis fonctionnel Cette étape est cruciale pour l’analyse des variations parce que c’est à partir de cette valeur que toutes les tolérances des pièces seront établies. En fait un « requis fonctionnels » est une caractéristique primordiale au bon fonctionnement de l’assemblage étudié.

5.1.2 Identifier les composantes impliquées Une fois le requis fonctionnels identifié, il faut maintenant éliminer temporairement de l’assemblage les pièces qui ne sont pas touchées par le requis. Par exemple, sur la figure ci-dessus, la vis, l’écrou, les rondelles et les « bushings » de droite et la membrure du centre n’affectent pas le gap #1.

5.1.3 Choisir l’origine et la direction Lorsque le « ménage » est fait, on doit choisir un point de départ et un point d’arrivée pour la chaîne. Normalement, si seulement les pièces nécessaires sont gardées, le sens de la chaîne n’affectera pas le résultat. On identifie la direction de la chaîne avec une flèche pleine.


5-3

5.1.4 Construire la chaîne de cotes Maintenant, à partir du point de départ, on fait le chemin « inverse » à travers toutes les pièces pour ainsi revenir au point d’arrivée. Comme nous l’avons vu précédemment, les dimensions des pièces ont des tolérances, donc quelles valeurs prendre? La réponse est simple, on commence par analyser l’assemblage au nominal. L’analyse des tolérances vient ensuite.

Le calcul est simple. Toute les flèches qui sont sens contraire au requis (flèche pleine) sont de signe négatif, et celle dans le même sens sont de signe positif. Donc l’équation « générale » pour vérifier si la valeur nominale de ce requis est respectée est:

GAP#1 = -cote A – cote B + cote C

5.1.5 Analyse des composantes Maintenant il faut vérifier si les variations permettent de conserver un assemblage fonctionnel en analysant les tolérances. La façon la plus utilisée, mais pas nécessairement la plus efficace, est la méthode « Worst-Case ». En effet, les méthodes dites statistiques reflètent beaucoup plus la réalité. Comme le dit le nom, on fait l’analyse de l’assemblage dans ses deux pires états, c’est-à-dire au maximum et au minimum de matière. Le tableau suivant résume les deux états pour différents types de pièces.

maximum de matière minimum de matière

pièce "arbre" lorsqu'il est à son plus grand lorsqu'il est à son plus petit

pièce "alésage" lorsqu'il est à son plus petit lorsqu'il est à son plus grand À partir de la formule générale de l’assemblage, on refait le calcul dans les deux états et on peut ainsi vérifier que la fonctionnalité de l’assemblage est respectée.


5-4

5.2 Transfert de cotes Le transfert de cotes consiste à calculer une ou des cotes qui ne sont pas spécifiées sur le dessin de détails, ou pour montrer une « cotes d’usinage » sur une gamme de fabrication. On se sert de la chaîne de cotes comme outil de calcul. La figure suivante montre un exemple. Voici un exemple de transfert de cote.


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En voici un autre :


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5.3 Ajustements fonctionnels normalisés9 Les ajustements fonctionnels normalisés sont des « couples de dimensions standardisées » qui permettent de faciliter le calcul des dimensions selon le type d’ajustement désiré. Ces ajustement peuvent être de types avec serrage (fort et faible), incertain, coulissant (juste et libre). Deux normes principales s’y rattachent soit la norme ISO et la norme ACNOR.

9 Pour plus de détails, se référer au document .pdf fourni par le chargé de cours


5-7

5.4 Exercices Exercice 1 : chaînes de cotes


5-8

Exercice 2 : chaîne de cote


5-9

Exercice 3 : chaîne de cote


5-10

Exercice 4 : transfert de cote


5-11



5-12



5-13

Exercice 7 : ajustement normalisé


6-1

10

6 Introduction à la métrologie Comme l’origine latine du terme le signifie, la métrologie est la « science de la mesure ». Ce chapitre s’attaque donc aux moyens disponibles pour vérifier et valider les différentes dimensions et caractéristiques d’une pièce. Dans ce chapitre, nous verrons les instruments de mesure de base ainsi que leurs fonctions. De plus, nous aborderons les principes fondamentaux de la calibration des instruments.

6.1 Principes de base

6.1.1 L’inspection manuelle

L’inspection manuelle utilise des appareils non motorisés et non programmables. Les opérations de mesure et de calcul sont exécutées manuellement ou à l’aide de simple calculateur. On distingue deux types d'inspection manuelle : l’inspection par attribut (GO NO-GO) et l’inspection par variable.

Opération A Opération BMesurerOpération A Opération BMesurer

Xnom

X1 ,X2 ,X3 ,...

L’inspection par variable L'opération d'inspection consiste à mesurer la caractéristique dimensionnelle ou géométrique à vérifier. C'est une inspection par mesure de variable. Elle nécessite des instruments de mesure (par exemples : ruban, règle, pied à coulisse, trusquin, micromètre, comparateur à cadran, marbre,…).

10 Tiré et adapté de : Inspection des tolérances dimensionnelles et géométriques, Module 4 EXACT, 1ère édition, 1994.


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L’inspection par attribut (GO NO-GO) L'opération d'inspection consiste à comparer la caractéristique dimensionnelle ou géométrique à vérifier par rapport à un étalon. C'est une inspection par contrôle de conformité. Nous avons vu que toute pièce mécanique dont la cote réelle est comprise entre les valeurs limites répondant à la tolérance de fabrication et sa position par rapport à la cote nominale est considérée comme bonne. Par la suite, pour contrôler cette pièce, il suffira de s'assurer que, des deux calibres ayant exactement les cotes limites, l'un s'enfourchera sur la pièce ou passera à l'intérieur et l'autre non.

6.1.2 L’inspection automatisée Utilise des appareils motorisés et souvent programmables. L'opération de mesure est réalisée avec des capteurs. L'acquisition des mesures ainsi que le traitement des données sont effectués par ordinateur. Là également, on distingue deux types d'appareils d'inspection : Appareils de mesure spécialisés:

• Mesure des engrenages • Mesure l'état de surface • Mesure des filets • Systèmes à balayage laser • Machine à mesurer la circularité

Appareil de mesure tridimensionnelle (AMT, CMM) Ces appareils (également appelés CMM : Coordinate Measuring Machine) permettent d'inspecter une grande variété de caractéristiques dimensionnelles et géométriques. Ce sont des machines à mesurer à commande numérique hautement flexible et compatible avec l'inspection en série. Ces appareils nécessitent par contre un effort de programmation.

6.1.3 Les erreurs de mesure L'erreur commise au cours d'une mesure peut être définie par la différence entre la lecture faite par l'opérateur et la valeur réelle exacte de la cote mesurée. Plus l'erreur est faible, plus la mesure est considérée comme précise. Généralement, il est admis que l’erreur de mesure est une combinaison de plusieurs erreurs issues de divers phénomènes aléatoires ou systématiques. Erreur absolue vs Erreur relative Lorsque l'erreur est établie pour une dimension précise, on la désigne sous le nom d'erreur absolue (exemple : si la cote réelle est égale à 50 mm et la cote lue est 50.02, l'erreur absolue commise est égale à 50.02 - 50 = +0.02 mm).


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L'erreur relative est évaluée en fonction de la dimension mesurée (exemple : un instrument juste à 0.1 % près utilisé pour une mesure de dimension nominale de 100 mm induit une erreur de ±0.1 mm, alors que pour une dimension de 20 mm, elle sera de ±0.02 mm. Erreurs propres à la pièce mesurée Ces erreurs sont dues à la définition de la grandeur à mesurer, à l’interaction entre les défauts géométriques, les erreurs dimensionnelles et de l'état de la surface. Également, c’est l’erreur de l’effet de la température sur la dimension réelle de la pièce mesurée. Par exemple, la mesure de l'épaisseur d'une plaque dont les surfaces ne sont pas parallèles ou encore la mesure de l'épaisseur d'une plaque dont les faces sont rugueuses. La graduation, l’index C’est l'ensemble des traits, points ou autres signes permettant d'évaluer la position du dispositif indicateur. L'index est la partie du dispositif indicateur (aiguille, spot lumineux, surface d'un liquide, pointe, etc.) dont la position par rapport à la graduation détermine le résultat de mesurage. L'intervalle de graduation est la longueur entre deux traits de l'échelle graduée. L'unité de graduation est la valeur correspondant à un intervalle de graduation. Le cadran est la surface fixe ou mobile qui porte l'ensemble des graduations. La chaîne de mesurage C’est l'ensemble des éléments d'un instrument ou d’un appareil de mesure se trouvant entre la grandeur à mesurer et le dispositif indicateur. Le capteur C’est l'élément sensible à la grandeur à mesurer et la transforme en un phénomène lisible à l'opérateur. Le plus utilisé est l’indicateur à cadran.

6.2 Appareils de mesure Des dizaines d’appareils de mesures existent, et certains ont des fonctions très précises alors que d’autres peuvent être très polyvalents. Voici une brève description des instruments les plus communs dans l’industrie. Le micromètre Le micromètre standard (d’extérieur) est un outil très polyvalent. Il peut servir à mesurer des dimensions linéaires comme l’épaisseur d’un bloc jusqu’au diamètre d’un cylindre. La plupart des micromètres utilisés dans l’industrie fonctionne avec un affichage numérique, mais il en reste encore plusieurs à indication manuelle. En fait deux autres types de micromètre complètent la famille, le micromètre d’intérieur et celui de profondeur. Il existe aussi de micromètre d’extérieur avec une butée en « V » pour mieux maintenir la pièce cylindrique lors de l’inspection.


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Vernier - pied à coulisse Le vernier (du nom de son inventeur Pierre Vernier) est une réglette graduée apposée sur un pied à coulisse (mesure de longueur) et qui permet d'améliorer la précision de la lecture prise sur une simple règle par exemple. Le vernier peut avoir un indicateur gradué, à cadran ou numérique. Sa grandeur peut varier allant de quelques pouces à plusieurs dizaines de pouces. Il peut servir à mesurer des dimensions extérieures, intérieures et des profondeurs. Vernier de hauteur sur pied à coulisse (height-gage) Le vernier de hauteur est en fait un indicateur (à cadran ou numérique) monté sur un pied à coulisse et qui permet de mesurer des différences de hauteurs. Il est souvent utilisé pour l’inspection des tolérances géométriques comme la planéité, la rectitude, la circularité, les tolérances de positions, et ce avec l’aide de bloc en « V », de la table sinus, d’équerres ou de barres parallèles.

Bloc en « V », équerres et barres parallèles Les blocs en « V », les équerres et les barres parallèles sont des blocs d’aciers souvent magnétiques et rectifiés, c’est-à-dire de dimensions très précises, qui servent à effectuer divers montages d’inspection.


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Barre sinus La table sinus est un instrument servant à construire des montages d’inspection à angle. Son fonctionnement est simple, pour une longueur de table donnée (généralement 5 po ou 10 po), on doit calculer l’épaisseur de cales à y mettre pour obtenir l’angle désiré. Par exemple, pour un angle de 30 degrés sur une table sinus de 5 po, l’épaisseur des calles doit être de : 5*sin(30) = 2,5 po.

6.3 Étalonnage (Calibration) – Confirmation métrologique Les erreurs qui entachent les mesures peuvent, pour chaque cas particulier envisagé, être considérablement réduites par l’adoption d’un correctif approprié. La série d’opérations qui définit, dans des conditions précises, la relation qui existe entre les valeurs de quantités indiquées par un instrument de mesure ou un système de mesure, ou les valeurs représentées par la mesure d’un matériau ou un matériau de référence, et les valeurs correspondantes réalisées par des étalons. Le résultat d’un étalonnage permet d’assigner les valeurs des mesurandes aux indications, ou de déterminer les corrections à apporter aux indications. Un étalonnage peut servir également à déterminer une autre propriété métrologique comme l’effet d’autres quantités. Le résultat peut être noté dans un document, appelé parfois le certificat d’étalonnage ou le rapport d’étalonnage.

6.3.1 Terminologie Laboratoire d’étalonnage Un laboratoire qui effectue des étalonnages. Les laboratoires d’étalonnage peuvent offrir un ou plusieurs des services suivants.

• Type I : Service destiné principalement à l’étalonnage des étalons de mesure.

• Type II : Service destiné principalement à l’étalonnage et au réglage du matériel d’essai, de mesure et de diagnostic utilisé dans des domaines comme les essais, la fabrication et la réparation de produits.

• Type III : Ce service est le même que le type II, sauf que les laboratoires ne possèdent pas les moyens de vérifier directement leurs étalons de mesure à l’aide de matériel redondant. Le laboratoire assure plutôt la qualité des résultats de ses mesures par d’autres méthodes de contrôle de la qualité comme les comparaisons entre les laboratoires, la répétition, les nouveaux essais et les corrélations avec d’autres caractéristiques de mesure. Les étalons de mesure employés pour les services de type II sont robustes et ne présentent ordinairement pas une importante dérive ou changement dans la portée de mesure du laboratoire.


6-6

Un laboratoire mobile peut offrir n’importe quel type de service, à condition qu’il satisfasse les critères appropriés. Certains laboratoires peuvent offrir plus d’un type de service. Étalon de mesure Une mesure de matériau, un instrument de mesure, un matériau de référence ou un système de mesure conçu pour définir, réaliser, conserver ou reproduire une unité, ou une ou plusieurs valeurs d’une quantité, pour servir de référence. Institut national de métrologie (INM) Des installations où l’on réalise, maintient et diffuse les étalons de mesure primaires dans un pays (appelé également les étalons nationaux de mesure). Étalon de mesure primaire Un étalon qui est désigné ou qui est généralement reconnu pour avoir les meilleures qualités métrologiques et dont la valeur est acceptée sans référence à d’autres étalons de la même quantité. Traçabilité La propriété du résultat d’une mesure ou la valeur d’un étalon selon laquelle elle peut être liée à des références précisées, ordinairement des étalons nationaux ou internationaux, par une chaîne continue de comparaisons, toutes ayant des incertitudes précisées. On exige que tous les laboratoires dans la chaîne de traçabilité soient vérifiés (p. ex., accrédités) pour être qualifiés pour effectuer des mesures particulières. Étalon de transfert Un étalon utilisé comme intermédiaire servant à comparer des étalons. On doit utiliser le terme dispositif de transfert lorsque l’intermédiaire n’est pas un étalon; p. ex., un pied à coulisse réglable utilisé pour comparer des étalons de fin. Étalon de mesure mobile Un étalon, parfois de construction spéciale, conçu pour être transporté d’un endroit à l’autre; p. ex., un étalon de fréquence au césium à pile. Étalons de mesure désignés Ces étalons comprennent :

a) Les étalons nationaux conservés ou acceptés. b) Les étalons nationaux d’autres pays dont les résultats de mesure sont corrélés

avec des étalons internationaux par l’entremise du BIPM (Bureau international des poids et mesures).

c) Les valeurs acceptées de constantes physiques naturelles. d) Les techniques d’auto étalonnage du type rapport. e) Les étalons de mesure de consensus. f) Les matériaux de référence certifiés (matériaux étalons).


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1) On doit tenir compte des différences entre les valeurs des unités de mesure adoptées au niveau national et les valeurs canadiennes, s’il y a lieu, lorsque les étalonnages sont tracés à des étalons étrangers. 2) Un étalon de mesure de consensus est un objet ou un procédé servant d’étalon de facto par consentement entre des parties contractantes lorsque aucun étalon de mesure national n’est disponible. 3) Un matériau de référence est un matériau ou une substance dont une ou plusieurs de ses propriétés sont suffisamment uniformes et bien établies pour étalonner un appareil, évaluer une méthode de mesure, ou assigner des valeurs aux matériaux. Un matériau de référence certifié (parfois appelé matériau de référence étalon) est un matériau de référence accompagné d’un certificat, dont une ou plusieurs de ses propriétés sont certifiés au moyen d’une procédure qui établit la traçabilité à une réalisation précise de l’unité dans laquelle les valeurs des propriétés sont exprimées, et pour lequel chaque valeur certifiée est accompagnée d’une incertitude à un niveau de confiance précisé. Réglage au zéro de la graduation L’appareil fermé doit marquer une lecture nulle. Pour compenser les retouches d’usure par exemple, on pourrait rendre mobile la partie graduée ou le vernier, de façon à les régler et ensuite à les bloquer. Il est plus facile cependant, d’agir sur l’une des deux touches de l’appareil rendu réglable ou encore d’adopter des cadrans tournant sur eux-mêmes pour les ramener au zéro. Ces dispositions ne suppriment évidemment pas les autres causes d’erreurs. Étalonnage de l’appareil au voisinage de la longueur à mesurer Puisque l’erreur de l’appareil n’est pas constante, le moyen le plus efficace de l’annuler ou de la réduire considérablement, consistera à la neutraliser dans l’intervalle correspondant aux limites des cotes à mesurer. Il suffira alors de disposer d’un étalon de cote connue, aussi voisine que possible de la cote à mesurer, de le placer dans l’appareil et de régler le vernier, la touche réglable, le cadran mobile ou l’index repère, pour que la lecture soit conforme à la cote de l’étalon. Ainsi, toute mesure opérée avec l’instrument présentera dans un intervalle de cote raisonnable qu’une erreur très fiable.

6.3.2 Les étalons dimensionnels industriels (cales étalons) Mesure matérialisée, appareil de mesure, matériau de référence ou système de mesure destiné à définir, réaliser, conserver ou reproduire une unité ou une ou plusieurs valeurs d’une grandeur pour les transmettre par comparaison à d’autres instruments de mesure. Les étalons industriels sont des blocs en alliage d'acier durci, d'acier spécial au carbure ou fini chrome nickel. Ils se présentent généralement en trois formes : étalons carrés, étalons cylindriques et cales étalons standards. Ils ont une bonne stabilité thermique. On y retrouve des jeux


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de cales étalons en métrique ou en pouces. Les surfaces étalons sont rodées et polies pour atteindre une précision au 0.01 µm. La température de l'étalonnage est établie à 20°C. Ils ont été lancés sur le marché vers 1910. Les jeux de cales étalons à bouts combinables ont fait l’objet d’une certaine normalisation. Ils doivent rencontrer la norme fédérale GCC-G-15D (sauf grade B). Ils doivent porter un numéro de série et sont fournis avec certificat d'étalonnage. Finalement, le coffret doit être traité contre la moisissure.

6.3.3 Utilisation des cales étalons

Les cales étalons remplissent plusieurs fonctions; leurs principales utilisations sont :

1. Vérifier les calibres fixes ou les ajuster;

2. Servir de mesure étalon pour les instruments de mesure à lecture graduée comme le micromètre, le vernier, etc.;

3. Servir de mesure étalon pour les comparateurs mécaniques ou optiques, les indicateurs à cadran, etc.;

4. Exécuter, au moyen de leurs accessoires, du traçage de précision;

5. Contrôler certaines mesures sur des pièces de production en les fixant comme calibre;

6. Régler les barres et tables sinus avec une grande précision pour les montages angulaires.

6.3.4 Précision des cales étalons dimensionnels Il y a les catégories suivantes :

• La série maître "Master Blocks". • La série pour l'étalonnage "Calibration Blocks" pour les travaux de haute

précision, de laboratoire. • La série pour l'inspection "Inspection Blocks" pour vérifier et ajuster les jauges. • "La série pour l'atelier" pour utiliser avec la barre sinus par exemple.

Les grades sont :

grade

0.5 (ancien AAA)

Travaux d'extrême précision. Elles ne sont pas recommandées pour l'usage général.

1 (ancien AA) Étalonnage d'autres cales et pour les travaux de précision.

2 (ancien A+) Inspection et vérification pour comparateur à cadran (.0001").

3 (entre A et B) Étalonnage d'instruments de mesures classiques, montage avec barre sinus, etc.


6-9

Une classification semblable est utilisée pour les cales étalons métriques. Pour donner une idée, voici un tableau des précisions de chaque classe.

Dimension

nominale

Classe 00

µµµµm

Classe 0

µµµµm

Classe 1

µµµµm

Classe 2

µµµµm

Classe 3

µµµµm

de jusqu'à ±0.06 ±0.12 ±0.20 ±0.45 ±0.80

10 ±0.07 ±0.14 ±0.30 ±0.60 ±1.20

10 25 ±0.10 ±0.20 ±0.40 ±0.80 ±1.60

25 50 ±0.12 ±0.25 ±0.50 ±1.00 ±2.00

50 75 ±0.14 ±0.30 ±0.60 ±1.20 ±2.50

75 100 ±0.20 ±0.40 ±0.80 ±1.60 ±3.00

100 150 ±0.25 ±0.50 ±1.00 ±2.00 ±4.00

6.3.5 Principes d'utilisation Le jeu de cales étalons en pouce comprend normalement 81 cales de montages et 2 cales d'usure de .050", soit 83 cales; ce jeu permet au-delà de 120000 combinaisons de mesures différentes, variant de .1000" à plus de 25". Certains jeux de cales peuvent se rendre jusqu'à 115 cales. Exemple : jeu No. E. 81 Accroissement minimum de .0001’’ Champ de mesure normal : .2 à 10’’. Deux cales d'usure de .050".

Champs de mesures (po) Accroissement (po) Nombre de cales

.1001 à .1009 .0001 9

.101 à .149 .001 49

.05 à .95 .05 19

1,2,3 et 4 1 4

Nombre total de cales 81

Les deux cales d'usure, comme leur nom l'indique, sont faites pour être placées aux extrémités des montages de cales afin d'éviter l'usure des autres cales du jeu, et de préserver leur précision.

Pour procéder au montage d'une lecture, par exemple 1.5384", on recommande d'employer la cale qui va permettre d'éliminer le dernier chiffre de droite, etc. Dans un montage, on emploie le minimum de cales possibles. cale .1004 reste 1.4380 cale .138 reste 1.3000 cale .300 reste 1.0000 cale 1.000 reste 0 Soit 4 cales = 1.5384" (sans cales d'usure) Il existe aussi des jeux de cales métriques qui fonctionnent exactement comme les jeux de cales du système impérial.


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6.3.6 Soins des cales étalons

Les cales étalons ayant été entreposées dans un endroit frais et sec peuvent avoir absorbé une sorte de moisissure en surface lorsqu'on les transporte dans une pièce chaude et humide. Pour cette raison, il est mieux de les garder dans leur coffret dans un endroit frais et sec et de seulement sortir les cales nécessaires pour le travail à effectuer. Voici quelques conseils d’utilisation des cales étalons :

• Manier les cales prudemment pour ne pas abîmer leurs surfaces, particulièrement les surfaces de mesure, qui sont les éléments les plus importants d'une cale.

• NE JAMAIS LAISSER TOMBER une cale étalon même sur une surface molle et surtout se méfier d'un plancher dur ou le dessus d'un banc. Ne jamais permettre à ses surfaces de mesure de subir des contacts avec tout objet dur.

• Ne pas manipuler les cales au-dessus de leur coffret de rangement. • Mettre un petit coussin sur le dessus des tables de travail. • Prendre plus d'un bloc à la fois est une très mauvaise habitude. • Nettoyer les cales avant de les « adhérer » ensemble. • Attention à l’augmentation de la température! • Ranger les cales à leur place dans le coffret pour la prochaine personne n’ait pas

besoin de les chercher…


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7 Références bibliographiques [1] ASME Y14.5M-1994, Dimensioning and Tolerancing, ASME Standard. [2] Notes de cours MEC722, Analyse de fabrication, Yan Boutin, automne 2001. [3] Notes de cours MEC662, Analyse fonctionnelle et métrologie en conception et fabrication mécanique, S.-Antoine Tahan, hiver 2006. [4] Inspection des tolérances dimensionnelles et géométriques, Module 4, EXACT, 1er éditions 1994. [5] Tool and Manufacturing Engineers Handbook– vol.1: Machining, Thomas J. Drozda., Charles Wick, 4e edition.

notes de cours tch040 - h2011

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