Procédés de fabrication et usinage

Choix des phases.

Une phase est l'ensemble des opérations réalisées sur un même poste, dans une même mise en position. Le programme demande d'en choisir le nombre et l'ordre, pas d'en écrire le détail. Quelques règles commandent l'ordre :

• la première phase prend appui sur des surfaces brutes et usine les surfaces qui serviront ensuite de références de mise en position ;
• deux surfaces liées par une tolérance serrée s'usinent dans la même mise en position ;
• l'ébauche précède la finition ; une opération qui déforme (traitement thermique, soudage) se place avant les finitions qu'elle détruirait, avec une surépaisseur pour la reprise.

7.3 Mise et maintien en position

Ce sont les relations de mobilité et d'hyperstatisme de la modélisation des mécanismes, appliquées à une pièce liée au montage par $N_s$ liaisons ponctuelles. Six contacts ne suffisent pas : trois normales alignées sur une même droite, par exemple, n'interdisent que deux mouvements (la rotation autour de la droite reste libre), et le montage a alors $r=5$, $m=1$, $h=1$. La règle « 3-2-1 » est le décompte des six degrés de liberté appliqué dans l'ordre : trois normales non alignées sur la plus grande surface (appui plan), deux normales écartées sur une seconde surface (orientation), une dernière normale (butée).

Sur une pièce déjà usinée, on retrouve des montages types : un plan (3 normales), un centreur court dans un alésage (2 normales) et un pion losange dans un second alésage (1 normale, perpendiculaire à la droite qui joint les alésages). Un centreur long (4 normales) avec un plan, ou deux pions cylindriques, rendraient le montage hyperstatique.

7.4 Obtention des bruts : moulage, déformation plastique, découpage, injection, fabrication additive

Aucun de ces procédés n'est meilleur que les autres : chacun règne sur un domaine, qui se définit par la forme de la pièce, son matériau, la taille de la série, la précision visée, le coût et l'impact environnemental. Chacun impose aussi sa géométrie, que traduisent ses règles de conception. Aucun n'atteint les tolérances serrées : les surfaces fonctionnelles passent toutes en reprise d'usinage, quel que soit le procédé d'obtention du brut.

Moulage.

Le métal liquide remplit une empreinte et s'y solidifie. En moule de sable, détruit à chaque pièce, le procédé convient aux pièces unitaires ou de moyenne série, et les formes intérieures s'obtiennent par des noyaux de sable. En coquille (moule métallique permanent), par gravité ou sous basse pression, il convient aux séries moyennes et grandes d'alliages d'aluminium ou de cuivre. Sous pression, le métal est injecté à grande vitesse : parois minces, cadence élevée, très grandes séries, mais des porosités de gaz qui interdisent les traitements thermiques à haute température et les noyaux de sable. Règles de conception : dépouilles (de l'ordre de $1^{\circ }$ à $3^{\circ }$), épaisseurs aussi régulières que possible (une masse isolée se solidifie en dernier et se creuse d'une retassure), raccordements arrondis, surépaisseurs d'usinage sur les surfaces fonctionnelles, et cotes d'empreinte majorées du retrait.

Déformation plastique.

Le forgeage et l'estampage déforment à chaud un lopin entre des outils ou des matrices ; la tôlerie plie et emboutit à froid. L'estampage impose un plan de joint (par la plus grande section, pour que chaque demi-matrice soit dépouillée) et produit une bavure, prix du remplissage : le métal freiné dans le cordon mince remplit les formes avant que l'excédent ne s'échappe. Le forgeage n'apporte pas seulement une forme mais une propriété : les fibres du métal suivent le contour de la pièce au lieu d'être coupées comme dans une pièce usinée dans la masse, ce qui améliore la tenue en fatigue des bielles, vilebrequins et arbres.

Découpage.

Un poinçon cisaille une tôle contre une matrice : l'effort de découpage vaut le produit de la résistance au cisaillement $R_g$ du matériau par la section cisaillée, $F=R_{g}pe$ ($p$ périmètre découpé, $e$ épaisseur). L'ébavurage d'une pièce estampée est un découpage, fait à chaud pour profiter de la faible résistance du métal.

Injection plastique.

Un thermoplastique fondu est injecté sous pression dans un moule régulé, s'y refroidit, puis la pièce est éjectée. Le temps de refroidissement, qui domine le cycle, croît comme le carré de la plus forte épaisseur ; la pression dans l'empreinte (quelques dizaines de mégapascals, bien inférieure à la pression d'injection lue à la buse, qui chute le long de l'écoulement) agit sur la surface projetée de la pièce sur le plan de joint, et la presse doit fournir une force de fermeture au moins égale à leur produit. Règles de conception : épaisseur constante, nervures plus minces que la paroi (de l'ordre de $0,6$ fois), raccordements arrondis, bossages évidés, dépouilles (plus fortes sur une face grainée que sur une face polie), et cotes d'empreinte majorées du retrait (de $0,5\%$ à $2\%$ selon le polymère).

Fabrication additive.

La pièce se construit couche par couche : fusion d'un lit de poudre par un laser pour les métaux, dépôt de fil fondu ou photopolymérisation pour les polymères. Elle ignore la contrainte de démoulage et réalise des formes internes fermées (canaux, treillis d'allègement) ; en contrepartie, les surfaces tournées vers le bas et trop inclinées sur l'horizontale doivent être soutenues par des supports, l'état de surface est grossier, les propriétés dépendent de la direction de construction, et les pièces métalliques gardent des contraintes résiduelles qu'un traitement de détente relâche avant de les séparer du plateau. Le temps de fabrication croît avec la hauteur construite (le nombre de couches) : elle convient au prototype et à la petite série de pièces complexes.

7.5 Traitements thermiques des aciers et assemblage par soudage

Traitements thermiques des aciers : les aspects fonctionnels

Un traitement thermique modifie les caractéristiques mécaniques d'un acier par un cycle de chauffage, de maintien et de refroidissement. Le programme se limite à ses aspects fonctionnels : ce qu'il durcit ou adoucit, sur quelle profondeur, ce qu'il fait au cœur, et ce qu'il fait à la géométrie ; l'étude des phénomènes métallurgiques est exclue.