Présentation : processus, types et considérations

Le brochage est un procédé dérivé du rabotage traditionnel qui permet d'obtenir une grande précision et un état de surface lisse en une seule opération. Cet article se veut un guide complet pour les ingénieurs souhaitant comprendre ce procédé.

Qu'est-ce que l'usinage par brochage ?

Le brochage peut être considéré comme une évolution du rabotage. Il utilise un outil de coupe à plusieurs dents, appelé broche, pour enlever successivement de fines couches de métal de la surface de la pièce, chaque dent permettant d'obtenir une grande précision et un excellent état de surface. Si la force de coupe appliquée à l'outil est une compression plutôt qu'une traction, on parle de brochage par poussée, et l'outil est une broche de poussée. La machine-outil utilisée pour le brochage par traction est appelée brocheuse, tandis que le brochage par poussée est souvent réalisé sur une presse hydraulique. Pour le brochage de grandes surfaces, une broche progressive peut être utilisée afin de réduire la force de brochage totale.

Processus d'usinage par brochage

Une préparation minutieuse est indispensable avant l'opération de brochage. Un dispositif de fixation sur la brocheuse maintient fermement la pièce en position. Un alignement précis est essentiel pour garantir la précision du produit final.

Le choix de la broche appropriée est essentiel. Les broches varient considérablement en forme et en taille, et le choix adéquat dépend des caractéristiques géométriques requises et du matériau de la pièce. La broche est ensuite guidée avec précision à travers ou en travers de la pièce, enlevant de la matière à chaque passage. Cette opération est réalisée en une seule passe. Le mouvement de coupe peut être linéaire ou rotatif, selon la machine à brocher et le type de broche utilisé.

Après l'usinage par brochage, la pièce est minutieusement inspectée afin de vérifier le respect de toutes les exigences et tolérances dimensionnelles. Les modifications nécessaires sont alors effectuées.

Types d'usinage par brochage

Le brochage est une opération d'usinage où la broche sert d'outil de coupe. Lors du déplacement linéaire de la broche par rapport à la pièce, la surépaisseur est progressivement enlevée par les dents de coupe de taille croissante. L'obtention de la forme souhaitée se faisant généralement en une seule passe, le brochage est une méthode de finition très efficace. Cependant, en raison de la complexité de la structure, du coût de fabrication élevé et de la spécificité de la broche, ce procédé est principalement utilisé pour la production en série.

Le brochage est classé en fonction de la caractéristique de surface usinée : brochage interne et brochage externe.

Discussions internes

Ce procédé permet d'usiner des trous traversants et des formes internes de sections variées, tels que des trous ronds, carrés, polygonaux et cannelés, des rainures de clavette et des engrenages internes. Un avant-trou est nécessaire pour l'insertion de la broche. Le diamètre des trous se situe généralement entre 8 et 125 mm, la profondeur n'excédant généralement pas cinq fois le diamètre. Dans certains cas particuliers, le diamètre peut aller de 3 à 300 mm, avec des profondeurs allant jusqu'à 10 mm.

Approvisionnement externe

Cette machine est utilisée pour l'usinage de surfaces non fermées, telles que les surfaces planes, les surfaces profilées, les rainures, les queues d'aronde, les profils d'embase d'aubes de turbine et les engrenages externes. Elle est particulièrement adaptée à la production en grande série de grandes surfaces planes et de surfaces profilées complexes. Les surfaces brochées peuvent atteindre une précision dimensionnelle de classe IT8 à IT6 et une rugosité de surface de 2.5 à 0.04 µm.

Les types de surépaisseur d'usinage par rapport à la pièce comprennent :

Formage. Ce procédé permet d'obtenir une grande précision et une faible rugosité de surface, mais son rendement est moindre. Il nécessite une broche plus longue et est principalement utilisé pour les trous ronds de petite et moyenne taille ainsi que pour les surfaces profilées de haute précision.

Usinage par cisaillement progressif. Convient à l'ébauche de formes complexes telles que des trous carrés, polygonaux et cannelés. Les broches sont plus faciles à fabriquer, mais la qualité de surface obtenue est inférieure.

La technique de coupe annulaire avec recouvrement offre une efficacité de coupe élevée, réduisant ainsi la longueur de la broche, mais au détriment de la qualité de surface. Elle est principalement utilisée pour les alésages de grand diamètre avec des tolérances d'usinage importantes et des exigences de précision moindres.

Anneau intégré. Utilise la méthode de découpe de contour pour l'ébauche et la méthode de découpe de forme pour la finition, combinant ainsi les avantages des deux. Il est largement utilisé pour le brochage de trous ronds.

Avantages de l'usinage par brochage

Productivité élevée. Bien que la vitesse de coupe en brochage soit généralement faible, la denture multiple de la broche assure l'engagement simultané de nombreuses dents et d'une longue arête de coupe. De plus, l'ensemble des opérations (ébauche, semi-finition et finition) est réalisé en une seule passe, ce qui réduit considérablement le temps de cycle et les temps auxiliaires.

Haute précision et finition de surface impeccable. La broche comprend une section de calibrage qui ajuste les dimensions et lisse la surface. Les dents de calibrage exercent une force de coupe minimale, n'enlevant que l'élasticité du matériau. La vitesse de coupe faible et stable contribue également à prévenir la formation d'arêtes rapportées.

Structure et fonctionnement simples de la machine. Le brochage implique un seul mouvement principal : le déplacement linéaire de la broche. L’avance est intégrée à l’outil par la différence de hauteur incrémentale entre deux dents adjacentes, appelée hauteur de dent.

Inconvénients de l'usinage par brochage

Le coût de fabrication des broches est élevé. En raison de leur structure complexe, de leur forme et des exigences élevées en matière de précision et de qualité de surface, les broches présentent un coût de production important. Cependant, la faible vitesse de coupe permet une usure réduite et une longue durée de vie de l'outil. Une même broche peut être réaffûtée plusieurs fois et traiter des milliers de pièces par affûtage. Le volume de production élevé permet ainsi de réduire le coût unitaire de l'outil.

Impossible de corriger les erreurs de positionnement. Le brochage ne permet pas de corriger les erreurs de positionnement, telles que le défaut d'alignement de l'axe du trou pré-usiné.

Limitation de la production en petites séries. Le coût élevé et le long délai de fabrication des broches rendent le processus non rentable pour production en petite série, ce qui nécessite une analyse approfondie des coûts et des délais de livraison.

Limitation de l'usinage des trous borgnes : la taille croissante des dents de la broche impose une longueur minimale pour obtenir la forme finale, et l'outil doit traverser entièrement la pièce. Par conséquent, cette technique n'est pas adaptée à l'usinage des trous borgnes. On utilise généralement des fraises à rainurer ou des broches à pousser pour ce type d'usinage.

Applications de l'usinage de brochage

Bien qu'un outil de brochage intérieur soit un outil de taille fixe dédié à une dimension et une forme de surface interne spécifiques, différents outils de brochage intérieur permettent d'usiner diverses géométries de trous traversants, notamment ronds, carrés, polygonaux et cannelés, ainsi que des engrenages internes. Ils sont également utilisés pour diverses formes de rainures, telles que les rainures de clavette, les rainures en T, les rainures en queue d'aronde et les rainures en sapin sur les disques de turbine. Le brochage extérieur permet d'usiner des surfaces planes, des surfaces profilées, des engrenages externes et des profils d'embase de pale.

Le trou pré-usiné ne requiert pas une finition précise et la pièce ne nécessite pas de bridage complexe ; elle est supportée uniquement par sa face d'extrémité. Ceci impose une perpendicularité entre l'axe du trou initial et la face d'extrémité. Si l'axe du trou n'est pas perpendiculaire à la face d'extrémité, cette dernière doit reposer sur une rondelle sphérique. Sous l'effet de la force de brochage, la pièce et la rondelle peuvent légèrement pivoter, ajustant automatiquement l'axe du trou pour qu'il s'aligne avec l'axe de la broche.

Le brochage s'applique principalement à production par lots et en masseElle est particulièrement adaptée à l'usinage en grande série de profils complexes de grande taille, tels que les blocs-cylindres de moteurs. Cependant, elle est également utilisée pour la production de pièces uniques ou en petites séries afin d'obtenir des surfaces de haute précision et de formes spécifiques, difficiles à usiner par d'autres méthodes.

Considérations relatives à l'usinage par brochage

Dureté du matériau

La dureté du matériau appropriée pour le brochage se situe généralement entre 170 et 240 HB. Les matériaux plus durs offrent généralement une meilleure qualité de surface que les matériaux plus tendres, car ces derniers ont tendance à s'encrasser sur les arêtes de coupe de la broche, provoquant des rayures. À l'inverse, des matériaux trop durs entraînent une usure rapide de la broche et une durée de vie réduite.

Trou pilote

La taille et la qualité du trou pilote pour une broche ronde ont un impact significatif sur la qualité de la surface usinée, la durée de vie de l'outil et la précision. Par conséquent, le trou pilote doit être usiné correctement.

Perpendicularité : Le trou de guidage doit être perpendiculaire à la face de référence de montage. Un défaut de perpendicularité peut entraîner une déformation de la broche et une impossibilité d’obtenir une précision et une qualité de surface élevées.

Dimensionnement : Si le trou de guidage est trop petit ou déformé, le pilote avant de la broche ne pourra pas s’insérer. Si le trou est trop grand, la broche risque de faire contact de manière excentrée d’un côté.

Contaminants : La présence de résidus accumulés ou d'autres matières étrangères dures dans le trou pilote est un facteur qui réduit la durée de vie de la broche.

Vitesse de coupe

La vitesse de coupe influe sur la qualité de la surface usinée, la précision d'usinage et la durée de vie de la broche. Il est essentiel de choisir cette vitesse en fonction de l'usinabilité du matériau. La vitesse de brochage se situe généralement entre 2 et 8 m/min.

Epaisseur

L'épaisseur de paroi de la pièce influe légèrement sur la précision d'usinage du diamètre et de la circularité du trou. Lors du brochage, la pièce est soumise à une force radiale, provoquant une expansion due à une déformation élastique et plastique. Après la coupe, le retour élastique permet de retrouver en grande partie la forme initiale. Si la déformation lors de l'usinage est excessive, une certaine déformation plastique subsiste, ce qui signifie que le retour élastique varie considérablement en fonction de l'épaisseur de paroi de la pièce.

À propos de Getzshape

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