Extrait du livre :

FABRICATION ET MÉTHODES INDUSTRIELLES DE POINTE,

par Christian Mascle et Waléry Wygowski

Procédés d’usinage non conventionnels, UNC

Les procédés UNC complètent le potentiel d’usinage traditionnel par l’outil coupant ou
par abrasif. Les UNC exigent des mouvements relatifs outil – pièce moins nombreux par
rapport à l’usinage traditionnel. Ayant un seul mouvement de pénétration, ils sont très
économiques pour réaliser des formes tridimensionnelles typiques aux moules ou aux
empreintes de matrices. Les UNC permettent aussi de façonner des matériaux de grande

eté ou des matériaux fragiles.

Usinage électrochimique (électrolytique)

L’usinage électrochimique se base sur la loi de Faradey. Dans une cellule électrolytique,
les diverses réactions permettent d’expliquer l’enlèvement de métal à l’anode (fig. 14.1a).
On crée une différence de potentiel entre deux électrodes. L’enlèvement de matière se
produit atome par atome suivant la loi de Faradey. Ce dernier stipule que :
- la quantité de matière enlevée ou déposée est proportionnelle à la quantité de courant;
- les quantités des différentes substances enlevées ou déposées pour une même quantité
- de courant, sont proportionnelles à leur valence – gramme.

@ Ch.Mascle et W.Wygowski, 2009 -1-

Figure 1 a) cellule électrolytique; b) usinage électrochimique d’une aube de turbine: 1 =
électrolyte, 2 = outil (cathode); 3 = aube de turbine.
La figure 1 présente schématiquement la mise en forme des aubes de turbine dans un
processus électrochimique. La pièce anode et les deux cathodes opposées à profil adéquat
sont reliées aux bornes d’un redresseur du courant. Les deux cathodes sont rapprochées
progressivement lors de l’usinage. Le meulage d’une aube à partir d’une ébauche forgée
dure 1 à 2 heures, par le procédé électrochimique – de 5 à 10 min avec une tolérance 0,07
mm.

Avantages.
- Usinage des métaux très durs difficilement usinés par les procédés conventionnels.
- Aucune pression outil – pièce, donc intéressant dans l’usinage de pièces de faible
épaisseur.
- Processus auto – régulateur, un seul mouvement relatif outil – pièce assure l’usinage
de toute forme 3D.
- Surface usinée est très nette (Ra = 1,5 à 2,5 mm).
- Pas d’usure de l’outil, bien qu’il soit cher.

@ Ch.Mascle et W.Wygowski, 2009 -2-

Inconvénients.
- Grande consommation d’énergie (rendement énergétique K = 8 à 10 W min / mm3,
tandis que pour la coupe classique tel que le tournage, le fraisage ou le perçage K =
0,1 W min / mm3).
- La productivité est faible (le débit de matière P = 104 mm3 / min, tandis que pour le
fraisage P = 105 mm3 / min).
- L’installation est onéreuse : difficultés de transport de l’hydrogène (explosive)
produite pendant l’usinage (Hassan, 2007), problèmes de corrosion, de transport
d’électrolyte et de fortes intensités mises en jeu, manipulations supplémentaires pour
diminuer le phénomène de surcoupe.
- Réservé aux matériaux conducteurs.
- Impossible d’usiner des arrêtes extérieures.

L’électroérosion

Une grande densité de courant circulant dans un faible intervalle (électrode – pièce) au
moment de l’établissement de l’arc, provoque une rupture des forces d’attraction
moléculaire à la surface du métal; il y a l’enlèvement de ces molécules, donc usinage. La
pièce à usiner est reliée au pôle positif d’une source à courant continu et l’outil électrode
est relié au pôle négatif (fig. 2a).

@ Ch.Mascle et W.Wygowski, 2009 -3-

 1

5
-
+

3
4 6 3
3

Mf
1
2

Lmax

Figure 2. Usinage par électroérosion : a) schéma d’usinage par électroérosion; b)

copiage par électroérosion; 1 = outil (cathode); 2 = pièce (anode); 3 =
cratères (ils sont indiqués conventionnel au milieu et aux extrémités);
4 = vapeur; 5 = usure de l’outil; 6 = métal fondu; Mf = mouvement
d’avance de l’outil.

Avantages.
- Plus de contact physique entre outil et pièce.
- Usinage de toute forme géométrique par un seul mouvement relatif outil – pièce.
- Pièce pouvant être trempée.
- Géométrie d’outil simple.

@ Ch.Mascle et W.Wygowski, 2009 -4-

 Usinage par ultrasons

Parmi plusieurs applications des ultrasons telles que le soudage, le contrôle non
destructif, nous nous intéressons à l’usinage.
En outre, on peut non seulement percer par ultrasons, mais scier, rectifier ou graver en
fonction de la section d’outil prévu. Ce procédé n’est pas remplaçable par d’autres dans
l’usinage des matériaux fragiles de pièces de réacteurs nucléaires, tels que l’Al2O3 et le
BeO.
Le processus d’usinage par ultrasons comporte deux étapes :
- implantation par choc des abrasifs qui provoque un biseautage des particules d’une
pièce usinée (martelage des abrasifs),
- circulation du milieu liquide avec évacuation de ces particules et abrasifs usés en
suspension ainsi que de l’alimentation d’abrasifs neufs.
L’usinage par ultrasons est d’autant plus rapide que le matériau est plus fragile.
En outre, il est possible de réaliser des opérations d’assemblage – de rivetage (fig. 3).

Avantages.
- Possibilité d’usiner non seulement des matériaux fragiles (préférable), mais aussi
d’autres matériaux conducteurs ou non.
- Nécessite un seul mouvement d’avance.
- Bonne qualité des surfaces usinées : précision dimensionnelle = 5, rugosité Ra = 0,1.

Inconvénients.
- Ne convient pas pour les matériaux ductiles.
- Conception délicate de la sonotrode.
- Productivité insuffisante en opération de finition à cause de faibles vitesses
d’enlèvement de matière.

@ Ch.Mascle et W.Wygowski, 2009 -5-

1 Amplitude

Etagé Conique

2
Exponentiel

I 6

5 I
Augmenté

1200
9

11

Figure 3. Usinage et rivetage par ultrasons : a) principe du procédé par ultrasons; b)

amplitude provoquée par amplificateur exponentiel; c) et d) amplitude

@ Ch.Mascle et W.Wygowski, 2009 -6-

 conformément à d’autres formes d’amplificateurs; e) étapes du
rivetage par ultrasons; 1 = transducteur; 2 = amplificateur; 3 = tige
support d’outil; 4 = outil soudé avec tige (outil peut être effectué plein
avec tige support); 5 = pièce (dans ce cas, nous avons montré le
rivetage par ultrasons); 6 = alimentation de liquide;7 et 8 = outils; 9 et
10 = avant rivetage; 11 = après rivetage.

Usinage par laser

Cet usinage utilise les principes de fonctionnement de laser reposant sur celui de
l’émission d’un rayonnement par des atomes en état d’excitation. Soit un ensemble
d’atomes de même espèce possédant deux niveaux d’énergie E1 et E2 à un instant donné t,
il y a N1 atomes dans E1 et N2 dans l’état E2 (fig. 14.4a). Ces atomes sont enfermés dans
une cavité de volume V contenant n photons à l’instant t, d’énergie E en eV :
E = E2 – E1 = h n = hc / l (14.9)
où H = constante de Planck, h = 6,626 ´ 10-34 Js
n = fréquence des photons, Hz
c = vitesse de la lumière, c = 3,00 ´ 108 m/s
l = longueur d’onde des photons en m; par exemple, l = 1 240 nm = 1 240 ´ 10-9 m

@ Ch.Mascle et W.Wygowski, 2009 -7-

 2
1
E

E13

E3
4 3
Transmission non 5
radiative
E2 6
5
Pompage
h ´c Emission laser
( E3 - E1 ) < < ( E¢3 - E1 ) 7
l E1
h´ c
= ( E 2- E1)
l 10 8
9

E2

Photon incident Photon émis

Effet
d’amplification
Photon émis
Niveau fondamental E
1

E2

Photon émis

E1

Figure 4. Usinage par laser : a), b) et c) principe de fonctionnement du laser; d) schéma

d’installation d’usinage par laser; 1 = source; 2 = laser; 3 = système de
focalisation; 4 = lunette d’observation; 5 = miroirs escamotables; 6 =

@ Ch.Mascle et W.Wygowski, 2009 -8-

 éclairage; 7 = objectif de concentration; 8 = pièce à usiner; 9 =
commande numérique de la table; 10 = table.

Ces photons sont donc en résonance avec les atomes précédents en formant une densité
d’énergie électromagnétique.
Il existe trois mécanismes pouvant coexister lors du passage d’un état à l’autre :
- l’absorption : les atomes de niveau E1 qui «montent» au niveau E2 en absorbant un
photon, est proportionnelle à N1;
- l’émission stimulée (fig. 14.4b) : un photon incident stimule l’émission d’un nouveau
quantum situé à l’état de fréquence dû à la désexcitation d’un électron E2;
- l’émission spontanée (fig. 14.4c) : en absence d’un rayonnement, un électron de
niveau E2 «tombe» au niveau E1, en émettant un photon, est proportionnelle à N2.

Pour le bon fonctionnement d’un laser, il convient de s’assurer de la technologie de

l’inversion de population. Elle s’opère avec :
- un pompage optique qui assure au système atomique la présence de plus de deux
niveaux dont un sera métastable et qui conduira à une inversion de population;
- une décharge électrique dans les gaz (laser à gaz) se produit par application d’une
tension entre deux électrodes immergées dans le mélange des gaz CO2, N2 et He;
argon krypton ionisé;
- une action d’un rayon lumineux sur des paires d’électrons – trou (certains matériaux
dans le laser à semi-conducteur) dont les recombinaisons s’accompagnent d’émission
de photons.
N’importe quel type de source laser possède trois composantes nécessaires :
- un milieu actif ( un gaz, un liquide ou un solide avec au mois trois niveaux
énergétiques);
- une cavité résonante avec deux miroirs disposés parallèlement à une grande précision.
En utilisant l’interférence entre les ondes, les deux miroirs permettent de stocker de
l’énergie électromagnétique;
- un système d’excitation apporte l’énergie nécessaire afin de parvenir à l’inversion de
population.

@ Ch.Mascle et W.Wygowski, 2009 -9-

Faire le découpage par laser c’est chauffer, liquéfier et éliminer la matière fondue.

Les lasers CO2 (continus), P = 50 à 400 W sont utilisés pour la découpe de matériaux non
métalliques et P = 500 à 3 000 W – pour les métaux. Par exemple, le laser au CO2 (1 500
W ) assure la découpe de Ti d’une épaisseur de 2 mm, V = 3 m / min (Oberg, E., et al.
2000, p.1417). Les lasers Nd :YAG (P = 150 à 1 000 W) conviennent au perçage ou à la
découpe. Par exemple,le laser Nd : YAG (P = 250 W) assure la découpe de W d’une
épaisseur de 0,08 mm, V = 0,03 m / min.
En général, les conditions de découpe peuvent donner deux types morphologiques de
rainures ou de trous : avec bavures (fig. 5b) ou sans bavure (fig. 5a). Si les bavures sont
inadmissibles, il faut réaliser une opération d’ébavurage. La distorsion géométrique des
trous percés par laser est fonction non seulement des conditions de travail, mais elle
dépend aussi du matériau à usiner (fig. 5c). Selon Marty (1999), pour l’aluminium le
diamètre d’entrée du trou est commensurable avec le diamètre de sortie (0,1 à 0,2 mm).

Æ 0.01
2
0.08

1
Æ 0.005

Figure 5. Défauts géométriques de trous découpés par laser, adapté de Marty, 1999 : a)
micro géométrie acceptable si la tolérance géométrique de forme est
englobée par la tolérance dimensionnelle; b) pièce qui a besoin
d’ébavurage (élimination de la bavure) et d’un alésage; c) pièce en
acier inoxydable, Æ0.01 est situé sur la face d’attaque; 1 = bavure; 2 =
défaut géométrique.

@ Ch.Mascle et W.Wygowski, 2009 - 10 -

Résumé. Le technologue a une question préalable à se poser : «Quel procédé
d’usinage est-il le plus pratique pour le matériau examiné?»
La figure 6 permet de bien répondre à cette question. Le degré d’application de tel ou tel
procédé se base sur l’influence du rendement énergétiqueh, de l’IT dimensionnelle, de la
rugosité Ra et du coût d’usinage.

Fraisage classique Électrochimique Électroérosion Ultrason Laser

Alliage réfractaire et céramique

Acier, superalliage, titane
et alliage réfractaire
Acier, superalliage
Aluminium, acier

Céramique

superalliage et titane
Aluminium, titane,

Aluminium, acier,
alliage réfractaire

Acier et titane
Aluminium

Alliage réfractaire
alliage réfractaire
Titane

Aluminiumet
superalliage
Superalliage,
Bonne application

Application possible

Degré d’application Þ h Énergetique ,

IT dimensionnelle, Ra et coût d’usinage

Application
difficile

Figure 6. Degré d’application des matériaux pour l’usinage non conventionnel en

comparaison au fraisage classique.

@ Ch.Mascle et W.Wygowski, 2009 - 11 -