Le tournage par étapes en usinage CNC : explication des opérations de tournage

L'usinage CNC est un procédé d'usinage qui comprend de nombreuses techniques spécifiques, dont le tournage par étapes. Cette opération de coupe consiste à enlever de la matière d'une pièce sur toute sa longueur. C'est une opération d'usinage fondamentale utilisée pour créer des pièces usinées. pièces de précision avec des diamètres variables dans une même configuration. Dans cet article, nous aborderons les principes de base du tournage étagé afin de vous permettre de mieux comprendre cette technique d'usinage.

Définition, caractéristiques et applications de la méthode de tournage par étapes

Le tournage étagé est une opération d'usinage qui enlève de la matière dans des zones axiales distinctes, parallèles à l'axe d'une pièce en rotation, produisant ainsi plusieurs segments cylindriques de diamètres différents. Chaque changement de diamètre forme un “ épaulement ” qui doit être à la fois dimensionnellement précis et visuellement net, sauf indication contraire.

Lors du tournage étagé, la machine établit un diamètre à la fois, en déplaçant l'outil le long de l'axe pour créer une série de segments. On obtient ainsi un profil étagé : des surfaces cylindriques planes séparées par des transitions abruptes. Sur les tours à commande numérique, les coordonnées sont programmées pour un indexage précis jusqu'à la station suivante, garantissant ainsi la répétabilité des longueurs et des épaulements sur l'ensemble des pièces.

Terminologie typique

Où le virage par étapes est utilisé

Le tournage par paliers est omniprésent dans les systèmes mécaniques : arbres et essieux automobiles, corps de fixation de diamètres multiples, tiges de soupape, bagues, composants de pompe et poulies étagées. Le tournage par étapes a pour but de produire des pièces répondant à des exigences de conception spécifiques, avec des surfaces de montage et des épaulements pour un ajustement fiable, afin qu'elles puissent s'interfacer en douceur avec différents composants d'accouplement, roulements, engrenages, accouplements et entretoises.

Machines, outils et éléments essentiels à l'installation

Le tournage par étapes peut être réalisé à la fois par fonctionnement manuel sur un tour et par... Usinage CNC. Les exigences fondamentales sont globalement similaires : un maintien sûr de la pièce, un alignement axial précis, un montage d’outil rigide et un plan clair pour l’ordre des passes. Dans cette partie, nous nous concentrerons sur la réalisation du tournage par étapes en usinage CNC.

Maintien et centrage des pièces

• Maintien de la pièceLe serrage de la pièce s'effectue à l'aide de mandrins à trois mors, de pinces ou de mors doux. Les pinces offrent une concentricité supérieure sur les barres rectifiées, tandis que les mors doux sont idéaux pour les diamètres sur mesure et les surfaces délicates.
• SoutienLes pièces longues et fines bénéficient d'une contre-pointe ou d'une lunette fixe pour éviter les déformations et les vibrations lors des coupes d'épaulement.
• Alignement axialCela est principalement garanti par la précision intrinsèque de la machine CNC, de la broche et du système de fixation (mandrin ou pince). Pour les exigences de précision les plus élevées, le réglage du diamètre extérieur ou l'utilisation d'un gabarit rectifié peuvent être effectués lors de la mise en place afin de vérifier et d'affiner l'alignement.

Outils de coupe, plaquettes et géométrie

• Type d'outilUn outil de tournage à plaquettes indexables ou à un seul point est utilisé pour la majeure partie du tournage étagé. Un nez d'outil robuste, capable de supporter des charges interrompues à l'entrée de l'épaulement, est préférable. Un outil de tronçonnage peut être utilisé pour des dégagements ou des rainures spécifiques.
• GéométrieUn angle de coupe positif avec un dégagement adéquat réduit le frottement : un petit rayon de courbure du nez d’outil contribue à obtenir un angle d’épaulement plus net. Cependant, un rayon plus grand améliore la durée de vie de l’outil et finition de surface mais cela créera un petit filet à l'épaule.
• Outils spécialisésDes outils de rainurage ou de profilage peuvent être utilisés pour nettoyer les épaulements ou générer efficacement des dégagements et des chanfreins.

Vitesses, avances, liquide de refroidissement et mesures

• Vitesses/avancesAdaptez les paramètres au matériau et à l'outillage. Les alliages durs nécessitent une vitesse de coupe modérée et des plaquettes plus robustes. Par exemple, l'aluminium, métal relativement tendre, permet des vitesses plus élevées et des avances importantes. Commencez par suivre les recommandations du fabricant et ajustez-les en fonction de la formation des copeaux et de l'usure de l'outil.
• liquide de refroidissementUtile pour l'évacuation des copeaux et le contrôle de la température, notamment pour les aciers et les inox. Pour les matériaux à usinage facile, la coupe à sec ou par brumisation peut convenir si les copeaux se fragmentent bien.
• MesuresAprès l'usinage CNC, un pied à coulisse est souvent utilisé pour mesurer les variations de diamètre et les longueurs de pas lors de la configuration et du contrôle.

Comment fonctionne le processus de tournage par étapes

Le tournage étagé permet de réaliser des formes cylindriques précises de diamètres différents sur une même pièce. Pour y parvenir, il est essentiel de respecter trois principes clés : une planification rigoureuse, le maintien de la rigidité lors de l’ébauche et l’exécution de passes de finition précises et contrôlées.

Planification à partir du dessin

Pour les tours à commande numérique, la planification s'effectue dans le programme, où l'on définit les coordonnées de la trajectoire de l'outil et où l'on inclut des mouvements de vérification pour garantir la précision de chaque passe. Une stratégie clé pour optimiser l'efficacité consiste à séquencer les opérations afin de réaliser un maximum de caractéristiques avec un seul outil avant d'en changer, ce qui minimise les changements d'outils et réduit l'erreur cumulative.

Découpe grossière et séquençage pour la rigidité

L'ébauche a pour but d'enlever efficacement de la matière sans compromettre la stabilité. Il faut toujours travailler des pièces les plus rigides aux plus souples. Une stratégie courante et efficace consiste à ébaucher d'abord les plus grands diamètres. Conservez une petite surépaisseur uniforme à chaque étape.

La rigidité est un facteur déterminant. Réduisez au minimum le porte-à-faux de l'outil et de la pièce. Pour les arbres minces, utilisez une contre-pointe ou une lunette mobile pour compenser la flexion et limiter les vibrations. Pour une bonne maîtrise des copeaux, choisissez une avance et une profondeur de passe appropriées afin de favoriser leur fragmentation.

Finition des épaules, chanfreins et raccords

Les passes de finition exigent une plus grande délicatesse et un meilleur contrôle de la surface de la pièce. Effectuez des passes légères et régulières pour obtenir la dimension finale et l'état de surface souhaité. À l'approche d'un épaulement, maintenez une avance stable et continue afin d'éviter les marques d'arrêt.

Pour obtenir une épaule carrée de haute qualité, enduisez légèrement l'épaule. après Tournez le diamètre adjacent. Si le dessin le permet, un léger chanfrein ou une gorge au niveau du raccord facilite l'assemblage et protège les arêtes. Prévoyez une stratégie d'ébavurage : éliminez toutes les arêtes vives des angles non liés à la référence. Si une arête vive est fonctionnellement nécessaire, elle doit être masquée pendant l'ébavurage et soigneusement vérifiée ensuite, éventuellement à la loupe.

Ébavurage et inspection

Lors de l'usinage CNC, l'ébavurage consiste souvent à éliminer les bavures des arêtes et des épaulements à l'aide d'outils spécifiques. Enfin, effectuez un contrôle minutieux pour vérifier la précision de tous les diamètres.

Tolérances, état de surface et contrôle de la qualité

Le tournage étagé de précision permet d'équilibrer le contrôle du diamètre, la géométrie de l'épaulement et la finition de surface.

Contrôle dimensionnel et perpendicularité

• Tolérances : De nombreux arbres étagés exigent une tolérance de ±0,001 pouce de diamètre, voire plus faible. La longueur des épaulements peut être similaire selon la fonction. Les épaulements sont souvent référencés à une référence et peuvent inclure des limites de perpendicularité ou de faux-rond.
• Équerrage : Vérifiez l’équerrage des faces d’épaulement par rapport à l’axe de référence à l’aide d’un comparateur ou en assemblant les composants lors des contrôles du premier article. Tout défaut de conicité ou de déviation d’outil se traduira par un épaulement non perpendiculaire.

Rugosité de surface et ruptures d'arêtes

• Objectifs de finition : Les surfaces fonctionnelles des roulements et des joints d’étanchéité requièrent généralement des états de surface plus lisses que les surfaces non critiques. Pour atteindre la rugosité Ra cible, utilisez un rayon de nez approprié, des passes de finition et, si nécessaire, un polissage léger, en veillant à l’absence de dérive dimensionnelle.
• Arêtes vives : sauf indication contraire, un chanfrein contrôlé ou un petit rayon protège les arêtes, facilite le montage et réduit le risque de formation de bavures en cours d'utilisation.

Défauts et solutions en opération de tournage

Lors du tournage par étapes, les moindres problèmes de réglage se manifestent rapidement par des erreurs de dimensionnement, des vibrations ou des défauts d'épaulement. Un guide de procédures concis est indispensable pour les résoudre.

Marches surdimensionnées/sous-dimensionnées

Les erreurs dimensionnelles sont généralement dues à des décalages d'outils incorrects, à la dilatation thermique, à une force de mesure irrégulière ou à des passes de finition insuffisantes. Pour y remédier, effectuez un nouveau réglage des outils, laissez la pièce et l'outil atteindre l'équilibre thermique et utilisez une technique de micromètre constante. Prévoyez toujours une surépaisseur de finition prévisible et vérifiez la quantité de copeaux usinée afin d'éviter les passes à vide improductives.“

Vibrations, conicité et usure des outils

Le broutage se résout en réduisant le porte-à-faux de l'outil et de la pièce, en ajoutant un support avec une contre-pointe ou une lunette fixe, et en augmentant légèrement l'avance ou en réduisant la vitesse pour sortir de la zone de résonance. L'utilisation d'une plaquette plus affûtée avec un angle de coupe positif est également bénéfique. Le contrôle de la conicité nécessite de vérifier l'alignement de la contre-pointe, le faux-rond de la broche ou du mandrin, et de s'assurer que l'outil est parfaitement centré. Sur les machines CNC, il convient de vérifier les valeurs de compensation et les corrections thermiques. L'usure de l'outil est critique, car les profils étagés sollicitent fortement les outils émoussés à l'entrée de l'épaulement. Il est important de surveiller la durée de vie de l'outil, de remplacer rapidement les plaquettes et d'inspecter le tranchant pour détecter tout micro-écaillage qui arrondit les épaulements.

Bavures et finition d'épaule médiocre

Ces défauts sont généralement dus à des outils émoussés, à un rayon de bec excessif pour la zone à usiner, ou à un frottement causé par une avance trop faible près de l'épaulement. Pour y remédier, il faut utiliser un rayon de bec plus petit pour les épaulements vifs, maintenir une avance de finition régulière sur l'épaulement et effectuer une passe de finition légère.

Sécurité et contrôle des puces

Maintenez toujours les protections en place, portez des lunettes de protection et utilisez un crochet ou une brosse à copeaux (jamais les mains) pour l'évacuation des copeaux. Les coupes d'épaulement peuvent projeter des copeaux chauds et enroulés vers l'opérateur ; appliquez donc du liquide de refroidissement ou ajustez la géométrie du brise-copeaux pour contrôler leur flux. Faites toujours une pause pour dégager les copeaux avant de mesurer près des épaulements.

Comparaison entre le retournement par étapes et les opérations connexes

Le tournage en escalier est souvent abordé en même temps que quelques opérations connexes. Comprendre ces distinctions permet d'éviter les erreurs de modélisation ou de programmation.

Tournage droit, rainurage et dressage

• Virage droitCela consiste à créer un diamètre unique et constant sur toute la longueur d'une pièce. Le tournage étagé peut être vu comme une succession d'opérations de tournage droit effectuées à différentes positions axiales pour créer des diamètres étagés.
• RainurageCe procédé produit des creux ou des reliefs étroits, et non des variations de diamètre importantes. Des rainures peuvent accompagner le tournage en gradins pour créer des reliefs à la base des épaulements ou pour retenir les anneaux.
• Parement: Permet d'équarrir l'extrémité de la pièce ou la face d'épaulement. Complémentaire au tournage en escalier, il permet de finaliser les longueurs de marche et la finition de l'épaulement.

Tournage conique et tournage de forme

• Le tournage conique permet une transition progressive et conique plutôt qu'un épaulement abrupt. Utilisez le tournage conique pour les ajustements serrés ou les éléments d'alignement où une transition en escalier serait trop brutale.
• Tournage de formes : utilise des outils spéciaux ou des profils CNC pour générer des contours complexes. Il peut inclure des décalages au sein d’une forme plus complexe, mais l’objectif est une géométrie non linéaire plutôt que des surfaces planes discrètes.

Considérations relatives aux commandes numériques par rapport aux commandes manuelles

• Tours CNC : offrent une excellente répétabilité, un enchaînement aisé des opérations, des cycles prédéfinis et une précision optimale du positionnement des épaulements, même en série. Idéaux pour les arbres de diamètres variés nécessitant des tolérances serrées et une documentation détaillée.
• Tours manuels : Idéaux pour les prototypes ou les petites séries, lorsqu’un opérateur expérimenté peut tracer les transitions, régler les butées et effectuer des mesures fréquentes. La réussite repose sur un marquage précis, une technique constante et des contrôles rigoureux en cours de production.

Conclusion

Le tournage étagé est une technique d'usinage fondamentale permettant de réaliser des pièces de diamètres multiples et aux épaulements précis en une seule opération. Son principal avantage réside dans la précision dimensionnelle et des rapports entre les éléments, condition essentielle pour les pièces devant s'emboîter parfaitement avec d'autres composants.

La maîtrise de ce procédé exige la compréhension de l'ensemble du flux de travail d'usinage, de la planification à la vérification. Compétence polyvalente et essentielle, la maîtrise du tournage étagé constitue la base de tâches d'usinage plus complexes et est cruciale pour la fabrication des pièces étagées présentes dans la plupart des assemblages mécaniques.

Questions fréquemment posées