L’exactitude de l’usinage désigne le degré de conformité entre les paramètres géométriques réels (dimensions, forme et position) d’une pièce usinée et ses paramètres géométriques idéaux. Dans l’usinage mécanique, les erreurs sont inévitables, mais elles doivent être maintenues dans des limites admissibles. Grâce à l’analyse des erreurs, il est possible de saisir les tendances fondamentales de la variation des erreurs et ainsi de prendre des mesures appropriées pour réduire les erreurs d’usinage et améliorer l’exactitude de l’usinage.
I. Principales causes des erreurs en usinage mécanique
(i) Erreurs de rotation de la broche
L’erreur de rotation de la broche correspond à la variation entre l’axe de rotation instantané réel de la broche et son axe de rotation moyen. Les principales causes des erreurs radiales de rotation de la broche incluent : les écarts de coaxialité des portées de la broche, diverses erreurs propres aux roulements, les écarts de coaxialité entre les roulements, la déflexion de la broche, etc. L’amélioration appropriée de la précision de fabrication de la broche et de son logement, le choix de roulements de haute précision, l’optimisation de la précision d’assemblage des composants de la broche, l’équilibrage des composants de la broche à grande vitesse ainsi que le préchargement des roulements à billes peuvent tous contribuer à améliorer la précision de rotation de la broche de la machine-outil.
(ii) Erreurs de guidage
Les guides de guidage servent de référence pour déterminer les relations de position relative entre les différents composants de la machine-outil et constituent également la norme de référence pour le mouvement de la machine-outil. Les exigences d’exactitude concernant les guides de guidage d’un tour portent principalement sur trois aspects : la rectitude dans le plan horizontal ; la rectitude dans le plan vertical ; ainsi que le parallélisme (torsion) des guides avant et arrière. Outre les erreurs de fabrication propres aux guides eux-mêmes, une usure inégale et la qualité de l’installation des guides constituent également des facteurs importants à l’origine des erreurs de guidage.
(iii) Erreurs de la chaîne de transmission
Les erreurs de transmission dans une chaîne de transmission correspondent aux erreurs de mouvement relatif entre le premier et le dernier élément de transmission dans une chaîne de transmission à liaison interne. Ces erreurs de transmission sont causées par des défauts de fabrication et d’assemblage des différents composants de la chaîne de transmission, ainsi que par l’usure durant l’utilisation.
(iv) Erreurs géométriques de l’outil
Tout outil subit inévitablement une usure au cours du processus de coupe, ce qui entraîne à son tour des modifications des dimensions et de la forme de la pièce usinée. Le choix correct des matériaux d’outil, l’adoption de nouveaux matériaux d’outil résistants à l’usure, la sélection raisonnable des paramètres géométriques et des paramètres de coupe de l’outil, ainsi que l’utilisation appropriée du liquide de refroidissement permettent tous de minimiser l’usure dimensionnelle de l’outil. En cas de besoin, des dispositifs de compensation peuvent également être utilisés pour compenser automatiquement l’usure dimensionnelle de l’outil.
(v) Erreurs de positionnement
a) Erreur de non-coïncidence des références : Sur le dessin d’une pièce, la référence utilisée pour déterminer les dimensions et la position d’une surface est appelée référence de conception. Sur la fiche de procédé, la référence utilisée pour déterminer les dimensions et la position de la surface usinée après traitement est appelée référence de procédé. Lors de l’usinage d’une pièce sur une machine-outil, certaines caractéristiques géométriques de la pièce doivent être choisies comme références de positionnement. Si la référence de positionnement sélectionnée ne coïncide pas avec la référence de conception, une erreur de non-coïncidence des références se produit.
b) Erreur de fabrication imprécise des paires d’éléments de positionnement : Les éléments de positionnement d’un dispositif de serrage ne peuvent pas être fabriqués avec une précision absolue selon les dimensions nominales ; leurs dimensions réelles (ou positions) sont autorisées à varier dans des plages de tolérance spécifiées. La surface de positionnement de la pièce et les éléments de positionnement du dispositif de serrage forment ensemble une paire d’éléments de positionnement. La variation maximale de la position de la pièce due à une fabrication imprécise de cette paire d’éléments de positionnement et à l’ajustement de jeu entre eux est appelée erreur de fabrication imprécise de la paire d’éléments de positionnement.
(vi) Erreurs causées par la déformation du système technologique sous l’action des forces
a) Rigidité de la pièce : Dans le système technologique, si la rigidité de la pièce est relativement faible par rapport à celle de la machine-outil, de l’outil et du dispositif de serrage, la déformation de la pièce due à une rigidité insuffisante sous l’action des forces de coupe aura un impact relativement important sur l’exactitude de l’usinage.
b) Rigidité de l’outil : Un outil de tournage externe présente une grande rigidité dans la direction normale (y) à la surface usinée, et sa déformation peut être négligée. Lors de l’alésage d’un trou intérieur de petit diamètre, la barre d’alésage a une rigidité très faible, et sa déformation sous charge affecte de manière significative la précision de l’usinage du trou.
c) Rigidité des composants de la machine-outil : Les composants de la machine-outil sont constitués de nombreuses pièces. À ce jour, il n’existe pas de méthode de calcul simple et adaptée pour la rigidité des composants de la machine-outil ; actuellement, on recourt principalement à des méthodes expérimentales pour mesurer cette rigidité. La déformation n’est pas linéairement liée à la charge ; la courbe de chargement et la courbe de déchargement ne coïncident pas, la courbe de déchargement accusant un retard par rapport à la courbe de chargement. La surface comprise entre ces deux courbes représente l’énergie dissipée au cours du cycle de chargement-déchargement, consommée par le travail de frottement et le travail de déformation de contact. Après le premier déchargement, la déformation ne revient pas au point de départ du premier chargement, ce qui indique la présence d’une déformation résiduelle. Après plusieurs cycles de chargement-déchargement, le point de départ de la courbe de chargement coïncide avec le point final de la courbe de déchargement, et la déformation résiduelle diminue progressivement jusqu’à zéro.
(vii) Erreurs causées par la déformation thermique du système technologique
La déformation thermique du système technologique a un impact relativement important sur la précision de l’usinage. En particulier dans l’usinage de précision et l’usinage de grandes pièces, les erreurs d’usinage dues à la déformation thermique peuvent parfois représenter 50% de l’erreur totale de la pièce. Les machines-outils, les outils et les pièces sont soumis à diverses sources de chaleur, ce qui fait augmenter progressivement leur température. Parallèlement, ils dissiperont la chaleur vers les matériaux environnants et l’espace grâce à divers modes de transfert thermique.
(viii) Erreurs d’ajustement
À chaque étape de l’usinage mécanique, il est nécessaire d’effectuer une certaine opération de réglage sur le système technologique. Puisque le réglage ne peut jamais être absolument précis, des erreurs de réglage se produisent. Dans le système technologique, la précision relative de position entre la pièce et l’outil sur la machine-outil est assurée par le réglage de la machine-outil, de l’outil, du dispositif de serrage ou de la pièce elle-même. Lorsque les précisions initiales de la machine-outil, de l’outil, du dispositif de serrage et de la pièce brute répondent toutes aux exigences du processus et que les facteurs dynamiques ne sont pas pris en compte, l’influence des erreurs de réglage joue un rôle décisif sur la précision de l’usinage.
(ix) Erreurs de mesure
Lorsqu’on mesure les pièces pendant ou après l’usinage, la méthode de mesure, la précision de l’outil de mesure, les conditions de la pièce ainsi que les facteurs subjectifs et objectifs influencent directement la précision de la mesure.
II. Mesures visant à améliorer la précision de l’usinage mécanique
(i) Réduction des erreurs d’origine
Réduire directement les erreurs d’origine consiste à améliorer la précision géométrique des machines-outils utilisées pour l’usinage des pièces, à renforcer la précision des dispositifs de serrage, des outils de mesure et des outils de coupe eux-mêmes, ainsi qu’à maîtriser la déformation du système technologique sous l’effet de la charge et de la chaleur, l’usure des outils, la déformation due aux contraintes internes et les erreurs de mesure. Pour améliorer la précision de l’usinage, il est nécessaire d’analyser les différentes erreurs d’origine qui provoquent des erreurs d’usinage et de prendre des mesures spécifiques pour traiter les principales erreurs d’origine selon les différentes situations. Pour l’usinage de pièces de précision, il convient d’améliorer autant que possible la précision géométrique, la rigidité et la maîtrise de la déformation thermique des machines-outils de précision utilisées. Pour l’usinage de pièces à surfaces formées, l’accent principal doit être mis sur la réduction de l’erreur de forme de l’outil de formage et de l’erreur d’installation de l’outil.
(ii) Méthode de compensation des erreurs
Pour certaines erreurs d’origine dans le système technologique, on peut recourir à des méthodes de compensation des erreurs afin de limiter leur influence sur les erreurs d’usinage des pièces.
a) Méthode de compensation des erreurs : Cette méthode consiste à créer artificiellement une nouvelle erreur d’origine afin de compenser ou d’annuler les erreurs d’origine inhérentes au système technologique initial, réduisant ainsi les erreurs d’usinage et améliorant la précision de l’usinage.
b) Méthode d’annulation des erreurs : Cette méthode utilise un type d’erreur d’origine pour annuler partiellement ou totalement une autre erreur d’origine ou un autre type d’erreur d’origine.
(iii) Différenciation ou égalisation des erreurs d’origine
Pour améliorer la précision d’usinage d’un lot de pièces, on peut recourir à des méthodes visant à différencier certaines erreurs d’origine. Pour les surfaces de pièces nécessitant une grande précision d’usinage, il est également possible d’adopter la méthode consistant à égaliser progressivement les erreurs d’origine au moyen de procédés successifs d’usinage d’essai.
a) Méthode de différenciation (regroupement) des erreurs d’origine : Sur la base de la loi de réflexion des erreurs, on mesure les dimensions des ébauches ou des pièces issues de l’opération précédente et on les répartit en n groupes selon leur taille, réduisant ainsi la plage dimensionnelle de chaque groupe à 1/n de la plage initiale. Ensuite, en fonction de la plage d’erreur propre à chaque groupe, on ajuste séparément la position exacte de l’outil par rapport à la pièce, de sorte que le centre de la dispersion dimensionnelle de chaque groupe de pièces soit pratiquement identique, ce qui réduit considérablement la dispersion dimensionnelle globale de l’ensemble du lot de pièces.
b) Méthode d’égalisation des erreurs d’origine : Ce procédé consiste à réduire et à moyenniser continuellement les erreurs d’origine présentes sur la surface usinée au cours de l’usinage. Le principe de l’égalisation repose sur l’identification des différences entre des surfaces de pièces ou d’outils étroitement liées, par comparaison et inspection mutuelles, suivie d’un usinage de correction réciproque ou d’un usinage de référence.
(iv) Transfert des erreurs d’origine
L’essence de cette méthode consiste à transférer les erreurs d’origine de la direction sensible aux erreurs vers la direction non sensible aux erreurs. Le degré de répercussion des différentes erreurs d’origine sur les erreurs d’usinage des pièces est directement lié à leur position dans la direction sensible aux erreurs. Si, pendant l’usinage, on prend des mesures pour les déplacer vers la direction non sensible aux erreurs, la précision d’usinage peut être grandement améliorée. Il s’agit donc de transférer les erreurs d’origine vers d’autres aspects qui n’affectent pas la précision d’usinage.
III. Conclusion
En usinage mécanique, les erreurs sont inévitables. Seule une analyse détaillée des causes des erreurs permet de mettre en place des mesures préventives appropriées afin de réduire les erreurs d’usinage et d’améliorer la précision de l’usinage mécanique.
