Opérations d'usinage conventionnelles (tournage, fraisage, perçage)

Introduction

Ce chapitre couvre les opérations d'usinage conventionnelles essentielles pour l'examen Sceau rouge du métier de machiniste. Vous devez maîtriser les principes fondamentaux, les paramètres de coupe, les calculs de vitesse et d'avance, ainsi que les procédures sécuritaires pour le tournage, le fraisage et le perçage. Ces compétences représentent une part importante des tâches évaluées et sont essentielles à la pratique quotidienne du métier.

Principes fondamentaux de l'usinage

Le mouvement de coupe et les trois mouvements de base

Toute opération d'usinage par enlèvement de matière repose sur trois mouvements distincts :

Le mouvement de coupe : mouvement principal qui permet la formation du copeau. Il est généralement rotatif (tour, fraiseuse) ou linéaire (raboteuse, étau-limeur).

Le mouvement d'avance : mouvement continu qui amène de nouvelles portions de matière sous l'outil. Il peut être longitudinal, transversal ou vertical selon l'opération.

Le mouvement de pénétration : mouvement qui détermine la profondeur de coupe, généralement appliqué perpendiculairement à la surface usinée.

Paramètres de coupe essentiels

Les trois paramètres fondamentaux que vous devez calculer et ajuster pour toute opération sont :

Paramètre	Symbole	Unité	Définition
Vitesse de coupe	Vc	m/min	Vitesse relative entre l'outil et la pièce
Avance	f	mm/tour ou mm/dent	Déplacement de l'outil par tour ou par dent
Profondeur de coupe	ap	mm	Épaisseur de matière enlevée en une passe

La vitesse de coupe dépend du matériau usiné, du matériau de l'outil, du type d'opération et de la rigidité du montage. Elle est exprimée en mètres par minute (m/min).

L'avance est exprimée en millimètres par tour (mm/tr) pour le tournage et le perçage, et en millimètres par dent (mm/dent) pour le fraisage.

La profondeur de coupe est l'épaisseur du copeau mesurée perpendiculairement à la surface usinée.

Tournage conventionnel

Définition et principes

Le tournage est un procédé d'usinage où la pièce tourne autour de son axe pendant que l'outil de coupe, fixé sur un chariot, se déplace pour enlever de la matière. Le tour parallèle est la machine-outil la plus polyvalente de l'atelier.

Calcul de la vitesse de rotation

La vitesse de rotation du mandrin se calcule à partir de la vitesse de coupe et du diamètre de la pièce :

N = (Vc × 1000) / (π × D)

Où :

N = vitesse de rotation en tours par minute (tr/min)

Vc = vitesse de coupe en m/min

D = diamètre de la pièce en mm

π ≈ 3,1416

Exemple : Pour usiner une pièce en acier AISI 1020 de 50 mm de diamètre avec une vitesse de coupe de 120 m/min :

N = (120 × 1000) / (3,1416 × 50) = 120 000 / 157,08 ≈ 764 tr/min

Opérations de tournage courantes

Le surfaçage

Le surfaçage consiste à dresser l'extrémité de la pièce pour créer une surface plane perpendiculaire à l'axe. L'outil se déplace radialement de l'extérieur vers le centre ou inversement. La vitesse de coupe varie constamment car le diamètre de contact change ; il faut donc ajuster la vitesse si nécessaire.

Le chariotage

Le chariotage est l'opération qui réduit le diamètre de la pièce sur une longueur donnée. L'outil se déplace parallèlement à l'axe de rotation. Le diamètre final est obtenu en soustrayant deux fois la profondeur de coupe du diamètre initial :

Dfinal = Dinitial − 2 × ap

Le tronçonnage

Le tronçonnage sépare une pièce finie de la barre. L'outil à tronçonner pénètre radialement dans la pièce. Cette opération exige une vitesse de rotation réduite (environ 50 % de la vitesse normale) et une avance constante pour éviter la vibration.

Le filetage

Le filetage au tour nécessite une synchronisation précise entre la rotation de la broche et l'avance de l'outil. Le pas du filet est déterminé par la relation :

Pas = Avance / Tour

Le tableau de filetage du tour permet de sélectionner les engrenages ou les rapports appropriés. Pour un filetage métrique, le pas est exprimé en millimètres ; pour un filetage impérial, en filets par pouce (f/p).

Angles de l'outil de tour

Les angles de l'outil de coupe sont critiques pour un usinage efficace :

Angle	Fonction	Valeur typique (acier)
Angle de coupe	Facilite la formation du copeau	8° à 15°
Angle de dépouille	Évite le frottement de l'outil sur la pièce	6° à 10°
Angle de direction	Contrôle la direction du copeau	45° à 90°
Angle de pointe	Renforce la pointe de l'outil	60° à 80°

Pièges spécifiques au tournage

Le faux rond : si la pièce n'est pas centrée correctement, le diamètre usiné sera ovale. Vérifiez toujours le centrage avec un comparateur.

La vibration (broutage) : causée par un porte-à-faux excessif, une vitesse inappropriée ou un outil émoussé. Réduisez le porte-à-faux de l'outil à un minimum.

L'échauffement : une vitesse trop élevée ou une avance insuffisante génère de la chaleur excessive qui déforme la pièce et détériore l'outil.

Fraisage conventionnel

Définition et principes

Le fraisage est un procédé d'usinage où l'outil rotatif (fraise) enlève de la matière d'une pièce fixe. La fraise possède plusieurs arêtes de coupe (dents) disposées autour de sa circonférence ou sur sa face.

Types de fraisage

Fraisage en opposition (conventionnel)

La fraise tourne dans le sens opposé à l'avance de la pièce. L'épaisseur du copeau est nulle au début et maximale à la fin. Ce mode est plus sûr car la fraise ne tire pas la pièce, mais il génère plus de frottement et de chaleur.

Fraisage en avalant

La fraise tourne dans le même sens que l'avance de la pièce. L'épaisseur du copeau est maximale au début et nulle à la fin. Ce mode produit une meilleure finition de surface et une durée de vie d'outil accrue, mais il exige un montage rigide et un jeu minimal de la vis mère.

Calcul de la vitesse de rotation et de l'avance

Pour le fraisage, la vitesse de rotation se calcule avec la même formule que le tournage, mais en utilisant le diamètre de la fraise :

N = (Vc × 1000) / (π × Dfraise)

L'avance de table se calcule comme suit :

Vf = N × fz × Z

Où :

Vf = vitesse d'avance de la table en mm/min

N = vitesse de rotation en tr/min

fz = avance par dent en mm/dent

Z = nombre de dents de la fraise

Exemple : Fraise de 80 mm de diamètre, 6 dents, vitesse de coupe de 100 m/min, avance par dent de 0,15 mm/dent :

N = (100 × 1000) / (3,1416 × 80) = 100 000 / 251,33 ≈ 398 tr/min

Vf = 398 × 0,15 × 6 = 358,2 mm/min

Opérations de fraisage courantes

Le surfaçage

Le surfaçage produit une surface plane à l'aide d'une fraise à surfacer. La fraise doit être positionnée légèrement décentrée par rapport à la pièce pour assurer une répartition uniforme des efforts.

Le fraisage de contours

Le fraisage de contours suit un profil prédéfini à l'aide d'une fraise à bout hémisphérique ou à bout plat. Cette opération exige un contrôle précis de la profondeur et de l'avance.

Le rainurage

Le rainurage crée des rainures de différentes formes (droites, en T, en queue d'aronde) à l'aide de fraises spéciales. La profondeur de coupe est limitée à la longueur des arêtes de coupe de la fraise.

Choix de la fraise

Type de fraise	Application	Caractéristiques
Fraise à surfacer	Surfaces planes	Dents sur la face et la périphérie
Fraise à rainer	Rainures droites	Dents sur la périphérie uniquement
Fraise à bout hémisphérique	Contours 3D	Forme sphérique à l'extrémité
Fraise à disque	Rainures profondes	Dents sur la périphérie, rapport diamètre/largeur élevé
Fraise à queue d'aronde	Rainures en queue d'aronde	Angle de 45° ou 60°

Pièges spécifiques au fraisage

La flexion de la fraise : un porte-à-faux excessif de la fraise provoque une déviation qui produit des surfaces non planes. Utilisez le porte-à-faux le plus court possible.

Le broutage en fraisage en avalant : si la machine a du jeu dans la vis mère, la fraise peut entraîner la table de façon irrégulière. Utilisez le fraisage en opposition sur les machines à jeu excessif.

La surchauffe des dents : une avance trop faible par dent fait frotter la dent au lieu de couper, générant de la chaleur et un écrouissage de la surface.

Perçage conventionnel

Définition et principes

Le perçage est l'opération qui crée des trous cylindriques à l'aide d'un foret hélicoïdal. C'est l'opération d'usinage la plus courante en atelier.

Géométrie du foret hélicoïdal

Le foret hélicoïdal possède plusieurs caractéristiques géométriques essentielles :

Angle de pointe : généralement 118° pour les matériaux standard, 135° pour les aciers durs

Angle d'hélice : 25° à 35° pour les forets standard, augmente pour les matériaux tendres

Angle de dépouille : 8° à 12° sur les lèvres de coupe

Âme : partie centrale du foret, son épaisseur augmente vers la queue

Calcul de la vitesse de rotation pour le perçage

La formule est identique au tournage, en utilisant le diamètre du foret :

N = (Vc × 1000) / (π × Dforet)

Exemple : Foret de 10 mm dans de l'acier, vitesse de coupe de 25 m/min :

N = (25 × 1000) / (3,1416 × 10) = 25 000 / 31,416 ≈ 796 tr/min

Calcul de l'avance pour le perçage

L'avance en perçage est exprimée en millimètres par tour. Les valeurs typiques sont :

Diamètre du foret	Avance (mm/tr)
1 à 5 mm	0,02 à 0,08
5 à 10 mm	0,08 à 0,15
10 à 20 mm	0,15 à 0,30
20 à 30 mm	0,30 à 0,50

Opérations de perçage courantes

Le perçage à pleine profondeur

Le perçage à pleine profondeur consiste à percer un trou en une seule passe. Pour les trous profonds (plus de 3 fois le diamètre), il faut retirer périodiquement le foret pour évacuer les copeaux et appliquer du lubrifiant.

L'alésage

L'alésage est l'opération qui agrandit et finit un trou existant à l'aide d'un alésoir. L'alésoir enlève très peu de matière (0,1 à 0,3 mm) et produit un trou précis avec une excellente finition de surface.

Le lamage

Le lamage crée un évidement cylindrique concentrique à un trou existant pour loger la tête d'une vis ou d'un boulon. La profondeur du lamage est généralement égale à la hauteur de la tête de la vis.

Le taraudage

Le taraudage crée un filetage intérieur à l'aide d'un taraud. La vitesse de rotation doit être réduite (environ 30 % de la vitesse de perçage) et l'avance doit correspondre exactement au pas du filet.

Pièges spécifiques au perçage

Le foret qui dérive : un foret mal affûté ou une vitesse trop élevée provoque une déviation du trou. Utilisez un pointeau pour centrer le départ du foret.

La casse du foret : causée par une avance excessive, un foret émoussé ou une évacuation insuffisante des copeaux. Retirez le foret régulièrement pour évacuer les copeaux.

Le broutage du foret : un foret trop long pour son diamètre vibre et produit un trou ovale. Utilisez le foret le plus court possible.

Normes et codes canadiens applicables

Code canadien de l'électricité, Chapitre V

Le Code canadien de l'électricité, Chapitre V (norme CSA C22.1) s'applique à l'installation électrique des machines-outils. Les règles pertinentes pour le machiniste incluent :

Règle 8-200 : Exigences générales pour les circuits de machines-outils

Règle 28-600 : Exigences pour les machines-outils et les équipements de production

Ces règles concernent la protection des circuits, la mise à la terre et les dispositifs de verrouillage de sécurité.

CSA B149.1 — Code sur le gaz naturel et le propane

Le CSA B149.1 — Code sur le gaz naturel et le propane s'applique si vous utilisez des équipements au gaz dans votre atelier (par exemple, des fours de traitement thermique). Les règles pertinentes concernent la ventilation et les dispositifs de sécurité.

CSA B167 — Ponts roulants et grues

Le CSA B167 — Ponts roulants et grues s'applique à l'utilisation sécuritaire des équipements de levage dans l'atelier. Les machinistes doivent connaître les limites de charge et les procédures d'élingage.

Normes de sécurité générales

CSA Z432 : Définition et classification des dangers pour la machinerie

CSA Z460 : Contrôle des énergies dangereuses (cadenassage)

CSA Z1000 : Systèmes de gestion de la santé et de la sécurité au travail

Procédures sécuritaires et bonnes pratiques

Avant toute opération

129.Vérifiez que la pièce est solidement fixée dans le mandrin ou l'étau

130.Assurez-vous que l'outil est correctement affûté et monté

131.Vérifiez que les protections de la machine sont en place

132.Portez les équipements de protection individuelle (lunettes de sécurité, chaussures de sécurité)

133.Retirez les bagues, montres et vêtements amples

Pendant l'opération

135.Ne jamais mesurer une pièce en rotation

136.Ne jamais retirer les copeaux à la main — utiliser une brosse

137.Arrêter la machine avant de changer l'outil ou la pièce

138.Surveiller l'échauffement et appliquer du lubrifiant si nécessaire

Après l'opération

140.Arrêter complètement la machine avant de retirer la pièce

141.Nettoyer la machine et la zone de travail

142.Vérifier les dimensions de la pièce avec les instruments de mesure appropriés

143.Signaler toute anomalie ou usure anormale de l'outil

Calculs avancés et applications pratiques

Calcul du temps d'usinage

Le temps d'usinage pour un chariotage se calcule comme suit :

T = L / (N × f)

Où :

T = temps en minutes

L = longueur de coupe en mm (incluant la course d'approche)

N = vitesse de rotation en tr/min

f = avance en mm/tr

Exemple : Chariotage d'une longueur de 100 mm, vitesse de 500 tr/min, avance de 0,2 mm/tr :

T = 100 / (500 × 0,2) = 100 / 100 = 1 minute

Calcul de la puissance de coupe

La puissance de coupe approximative se calcule comme suit :

P = (Vc × ap × f × Kc) / 60 000

Où :

P = puissance en kW

Vc = vitesse de coupe en m/min

ap = profondeur de coupe en mm

f = avance en mm/tr

Kc = pression spécifique de coupe en N/mm² (environ 2500 pour l'acier doux, 3500 pour l'acier inoxydable)

Conversion entre unités métriques et impériales

Le Canada utilise le système métrique, mais vous rencontrerez parfois des pièces en unités impériales :

Conversion	Facteur
1 pouce = 25,4 mm	Multiplier par 25,4
1 mm = 0,03937 pouce	Multiplier par 0,03937
1 tr/min (métrique) = 1 tr/min (impérial)	Identique
1 m/min = 3,281 pi/min	Multiplier par 3,281

Pièges à éviter

168.Confondre vitesse de coupe et vitesse de rotation : la vitesse de coupe est en m/min et dépend du matériau ; la vitesse de rotation est en tr/min et dépend du diamètre. Ne les confondez jamais dans vos calculs.

169.Oublier de diviser par 1000 dans la formule de vitesse : la formule N = (Vc × 1000) / (π × D) exige le facteur 1000 pour convertir les mètres en millimètres. Un oubli de ce facteur donne une vitesse 1000 fois trop faible.

170.Utiliser le diamètre de la pièce au lieu du diamètre de la fraise en fraisage : en fraisage, la vitesse de rotation se calcule avec le diamètre de la fraise, pas celui de la pièce.

171.Négliger le facteur 2 dans le calcul du diamètre final en tournage : le diamètre diminue de deux fois la profondeur de coupe, car l'outil enlève de la matière des deux côtés de la pièce.

172.Ignorer les vibrations : les vibrations endommagent la pièce, l'outil et la machine. Corrigez la cause (porte-à-faux, vitesse, affûtage) avant de continuer.

173.Ne pas retirer les copeaux pendant le perçage profond : les copeaux s'accumulent et peuvent casser le foret. Retirez le foret régulièrement.

174.Utiliser une vitesse trop élevée pour le taraudage : le taraudage exige une vitesse réduite (environ 30 % de la vitesse de perçage) pour éviter la casse du taraud.

175.Oublier les protections de la machine : les protections doivent être en place avant de démarrer toute opération. Ne les retirez jamais pendant le fonctionnement.

176.Mesurer une pièce en rotation : c'est extrêmement dangereux et peut causer des blessures graves. Arrêtez toujours la machine avant de mesurer.

177.Confondre fraisage en opposition et fraisage en avalant : en opposition, la fraise tourne contre l'avance ; en avalant, elle tourne avec l'avance. Le choix dépend de la rigidité de la machine et du jeu de la vis mère.

Résumé

Les trois mouvements de base de l'usinage sont le mouvement de coupe, le mouvement d'avance et le mouvement de pénétration.

La vitesse de rotation se calcule avec la formule N = (Vc × 1000) / (π × D), où D est le diamètre de la pièce (tournage) ou de la fraise (fraisage).

L'avance en tournage est en mm/tr ; en fraisage, elle se calcule avec Vf = N × fz × Z ; en perçage, elle est en mm/tr selon le diamètre du foret.

Le tournage comprend le surfaçage, le chariotage, le tronçonnage et le filetage. Le diamètre final est Dfinal = Dinitial − 2 × ap.

Le fraisage peut être en opposition ou en avalant. Le fraisage en avalant produit une meilleure finition mais exige une machine rigide.

Le perçage utilise un foret hélicoïdal avec un angle de pointe de 118° standard. L'alésage, le lamage et le taraudage sont des opérations complémentaires.

Les normes canadiennes applicables incluent le Code canadien de l'électricité, Chapitre V (CSA C22.1), CSA B149.1, CSA B167, CSA Z432, CSA Z460 et CSA Z1000.

Les calculs de temps d'usinage et de puissance de coupe sont essentiels pour planifier le travail et choisir la machine appropriée.

La sécurité est primordiale : protections en place, équipements de protection individuelle, arrêt de la machine avant toute intervention.

La maîtrise de ces concepts vous permettra d'aborder avec confiance les questions de l'examen Sceau rouge relatives aux opérations d'usinage conventionnelles. Entraînez-vous à effectuer les calculs rapidement et avec précision, car ils constituent une part importante des questions évaluées.

Opérations d'usinage conventionnelles (tournage, fraisage, perçage)