Une technologie insuffisamment exploitée permet, pour la finition poussée d’alésages de grande précision, d’effectuer l’opération en une seule passe n’impliquant le déplacement du rodoir qu’en deux mouvements simultanés, une avance verticale selon l’axe de la broche et une rotation. Par exemple, dans une pièce en acier dur, le fini peut atteindre 0,10 µm Ra.

- Exemple d’une machine, dite Micro, destinée aux opérations d’alésage de grande précision en une seule passe en faisant appel à des rodoirs en superabrasif conservant longtemps leurs qualités et permettant, dans un environnement de fabrication, de s’assurer d’une grande fiabilité du processus à des prix de revient très avantageux par pièce finie. Cette machine à broches de 19,05 mm de diamètre et colonne servocommandée offre une course de 250 mm. La CNC est de conception Mitsubishi. Les coulisseaux lubrifiés à vie sont à vis à billes et la productivité atteint deux pièces par cycle. Elle dispose d’une table indexable de 400 mm de diamètre.


Au cours de la dernière décennie, tous les fabricants de pièces comportant des alésages de précision se sont trouvés confrontés à des exigences de qualité et de finition dépassant les possibilités d’un travail réalisable économiquement avec des alésoirs courants et selon les techniques habituelles. Pour cette raison, un fabricant spécialisé dans les rodoirs et les machines associées, la firme ENGIS, a mis au point un type de rodoir original permettant de passer de ce que l’on appelle le “honing” à un rodage plus compétitif faisant appel à un outil original en superabrasif ne requérant qu’une seule passe et susceptible d’atteindre un niveau de finition exceptionnel.


Avantages du rodage d’alésages avec un outil superabrasif
Les avantages à souligner d’emblée résultant de la technologie du rodoir superabrasif peuvent être résumés en huit points: 1) Maîtrise de la cote en production au micron près, 2) géométrie de l’alésage en production de l’ordre 0,5 µm, 3) finis de surface dépassant les 0,1 µmRa dans la majorité des matières, 4) Temps de cycles plus courts, 5) Qualité des alésages sans recours à des opérateurs qualifiés, 6) Résultats prévisibles et réguliers ouvrant la voie à un contrôle statistique de qualité, 7) Tenue d’outil très prolongée, 8) Coût global par pièce finie nettement réduit. Une grande part de ces progrès sont le résultat des travaux de recherches et de développement de la firme ENGIS qui ont abouti au concept exclusif du rodoir diamant, au montage sur roulements conçu pour permettre à la pièce de flotter afin de s’aligner parfaitement au moindre effort, aux fonctions de la machine à roder dont l’avance en va-et-vient vertical permet au rodoir de se déplacer d’une profondeur contrôlée dans l’alésage avant de se retirer et de répéter ce cycle sur toute la pièce, au positionnement précis du coulisseau dans les alésages borgnes, au positionnement précis de la table pour assurer à la fois concentricité et garantie du diamètre imposé de l’alésage, à un outillage à ressort pour limiter les efforts et les accidents, aux broches optidirectionnelles renversant le sens de chaque cycle pour prolonger le tenue d’outil et améliorer la géométrie de l’alésage, à une diversité de liquides à base d’eau pour remplacer les huiles de honing et à d’autres produits de finition de diamètre extérieur. En tirant parti de ces développements, les fabricants sont en mesure de finir l’alésage de pratiquement n’importe quel trou. Le procédé monopasse permet de produire des alésages aux spécifications exactes dans des matières tendres et adhérentes comme l’aluminium et le bronze, dans celles abrasives comme le carbone et les céramiques, dans celles faciles à usiner comme la fonte et les métaux frittés et dans les alliages réfractaires et les aciers trempés pour roulements.


Mécanisme du procédé
Le procédé monopasse est en vérité très simple. Le travail est typiquement effectué par un outil pré-réglé, en forme de tonneau et revêtu de particules de diamant ou de nitrure de bore cubique (CBN). La partie avant de cet outil monopasse est prévue avec un bandeau conique approprié pour lui permettre de pénétrer dans l’alésage à roder. Dès que l’outil a pénétré, un volume spécifique de matière est enlevé par la totalité de sa longueur restante. L’utilisateur le fait donc simplement traverser l’alésage tandis qu’il est mis en rotation, que c’est la pièce qui tourne ou encore les deux simultanément. Cela contraste, en fait, par rapport à du honing usuel où, simultanément, la broche fait tourner l’outil, le déplace verticalement en une course de va-et-vient, à moins que ce ne soit la pièce qui monte et baisse, tandis qu’un abrasif est introduit radialement (fig. 1). Avec la technique monopasse, ce sont des milliers de particules fixées tout autour de la périphérie de l’outil qui enlèvent la matière.  Et, les efforts de coupe étant si largement distribués l’échauffement et les tensions se trouvent toujours maintenus à une valeur minimale. Ceci, combiné au flottement qui assure que l’outil suit exactement l’axe de l’alésage existant, assure une excellente maîtrise de la qualité géométrique de l’alésage. On se situe ainsi en contraste avec le honing usuel qui utilise aussi un flottement pour suivre l’axe du trou existant mais la nécessité d’élargir et de contracter les surfaces de coupe à chaque cycle et le mouvement continuel réciproque à travers le trou a un effet négatif sur la maîtrise de la taille et de la géométrie générale de l’alésage.

Fig. 1 - Avec un outil usuel de honing, celui-ci doit maintenir la dimension de l’alésage tout en se déplaçant simultanément dans plusieurs directions (a), alors que l’outil monopasse aboutit à des résultats identiques simplement en tournant et en plongeant une seule fois à l’intérieur de l’alésage (b).


Un outil monopasse maîtrise mieux la cote de l’alésage que le honing du fait que ses surfaces de coupe n’ont pas besoin de s’écarter et de se rétracter durant chaque cycle et que le superabrasif s’use bien plus lentement. En fait, l’usure d’outil est si faible que l’utilisateur peut procéder à la finition des alésages de plusieurs milliers de pièces sans générer une différence quelconque de la cote des alésages. Cependant, pour tirer tout le potentiel du procédé superabrasif monopasse, l’équipement à mettre en œuvre doit faire l’objet d’une sélection très soignée. Les futurs utilisateurs doivent prendre l’avis du fournisseur des outils avant de se lancer. Ils doivent ensemble examiner sérieusement l’application envisagée, le choix de la machine-outil qui convient, de la fixation des pièces, de l’arrosage, de l’automatisation et de la filtration. Sans compter que l’outil à utiliser et son abrasif, son cône d’entrée, sa longueur et le mandrin devront faire l’objet d’une étude et d’une fabrication appropriées.


Enlèvement de matière et fini de surface
Le volume de métal qu’un outil monopasse superabrasif est capable d’enlever et le fini de surface qu’il peut produire sont directement fonction du grain du superabrasif. Par exemple, un grain 100 peut généralement retirer jusqu’à 0,075 mm dans une pièce en fonte grise avec un fini de surface de 1,5 µm Ra. Un outil de grain 400 dans la même matière peut produire un fini nettement plus poussé mais il ne sera capable d’enlever, au mieux, que 0,025 mm de matière. Le même principe s’applique pour la finition des autres matières comme cela est mis en évidence sur les tableaux 1 et 2. Par exemple, pour les aciers trempés un grain 100 on peut parvenir à enlever 0,02 mm de matière avec un fini de 0,6 µm Ra tandis qu’un outil de grain 400 dans la même matière peut produire un fini aussi poussé que 0,15 µm Ra mais avec un enlèvement de matière beaucoup plus faible. Du fait que des applications nombreuses demandent à la fois un taux élevé d’enlèvement de matière et un fini de surface poussé, l’utilisateur final finit ses alésages au moyen d’une série d’outils monopasse pré-réglés, ce que l’on désigne sous le nom d’opération multi-outils.


Tableau 1 - Voici le volume approximatif de matière pouvant être enlevé en monopasse avec des outils de grosseurs de grain différentes. Ces valeurs ne sont fournies que pour référence car pouvant varier en fonction de la forme et du diamètre de la pièce. Des grosseurs de grain supérieures existent pour de plus forts enlèvements.


Tableau 2 - On donne ici le fini de surface approximatif pouvant être obtenu avec des outils monopasse de différents grains. Ces données ne sont que des références car toutes dépendant de la matière de la pièce et de ses spécifications. D’autres grosseurs de grains existent, bien sûr, pour répondre à d’autres besoins de finis.


Opérations spécifiques multi-outils
Pour procéder à une opération multi-outils, l’utilisateur régle chacun d’eux pour enlever sa fraction du volume total de matière prévu. Comme la pièce passe d’un outil à l’autre, la matière est retirée de l’alésage en un volume toujours plus faible pour atteindre la cote désirée. Pour ce faire, la pièce est d’abord usinée avec des outils à grains assurant l’enlèvement maximal de matière puis à grains permettant d’obtenir le fini désiré. Les applications ne requérant qu’un faible enlèvement de matière ou une précision moins poussée n’ont besoin que d’un outil monopasse. Pratiquement, toute machine d’outillage peut servir à entraîner l’outil, y compris une machine de honing, une perçeuse, une fraiseuse, un tour ou un centre d’usinage. Mais, l’utilisateur doit avoir à l’esprit que, quelle que soit la machine utilisée, l’outil ou la pièce doivent être montés de manière à permettre un flottement. Pour les opérations multi-outils, il existe des systèmes spécifiques de finition des alésages conçus pour tirer avantage de l’intérêt du procédé monopasse. Ces systèmes (fig. de tête et fig. 3) sont généralement équipés d’une table indexable afin que la manutention des pièces et les opérations d’ébauche et de finition puissent se dérouler simultanément. Ces systèmes peuvent être équipés d’un nombre déterminé de broches tout comme de moteurs de puissance différente, de commandes numériques, de divers équipements d’automatisation et de montage, de postes auxiliaires et de colonnes.


Exemples pratiques de réussites
L’utilisation de la technique de finition des alésages avec un outil monopasse superabrasif s’étant répandue un peu partout, de nombreux ateliers ont découvert qu’elle répondait à une grande diversité d’applications.

✔ Finition avec un montage multi-outils - Un travail type est la finition d’alésages dans des pièces en acier trempé avec des montages multi-outils. Ainsi, un atelier a-t-il utilisé la finition monopasse avec outil superabrasif pour des valves en acier S300Pb. La tolérance étant relativement ouverte et le volume de matière à enlever peu important, ce travail a pu être réalisé à une cadence très élevée. Avec une machine à quatre broches et outils montés en mandrins flottants, on a retiré un maximum de 0,012 mm de matière dans des alésages de 25 mm de diamètre. La tolérance devait atteindre 6,350/6,356 mm, la rondeur 3 µm, la rectitude 3 µm et le fini 0,4 µm Ra, or on est parvenu à respecter 6,352/6,354 mm pour l’alésage,une rondeur de 1,5 µm, une rectitude de 1 µm et un fini de 0,25 µm Ra. Le montage adopté a permis de finir mille six-cents pièces à l’heure et par machine, chaque outil assurant la finition de cinquante mille pièces avant de détecter toute usure.

✔ Tolérances extrêmement serrées - De plus en plus, la concurrence internationale et la demande du marché contraignent les ateliers à fabriquer leurs pièces à des tolérances extrêmement serrées. Les fabrications de série doivent ainsi respecter les 0,5 µm et seule la finition avec outil monopasse apporte une solution efficace et rentable. Par exemple, un atelier est parvenu à finir soixante barillets d’injecteurs de carburant à l’heure à des tolérances meilleures que celles spécifiées. Les alésages de 39 mm de diamètre étaient en acier trempé à une dureté de 62 Rc. En se servant d’une machine à huit broches équipée d’une fixation flottante des pièces, l’enlèvement de matière à été 0,1 mm dans les alésages avec une précision de 11,005/11,007 mm, meilleure que celle spécifiée de 11,000/11,015 mm. La tolérance en rondeur spécifiée à 0,5 µm a pu atteindre 0,3 µm (fig. 2). Quant à la rectitude spécifiée de 0,6 µm, elle a été divisée par trois pour atteindre 0,2 µm, le fini de 0,4 µm représentant les deux tiers de celui exigé. La durée de vie d’outil a été estimée entre vingt mille et cinquante mille pièces.



Fig. 2 - Comme le montre ce diagramme de mesure d’un alésage venant d’être fini, la technique monopasse peut répondre à des exigences de tolérances extrêmement serrées.


✔ Finition de trous borgnes - La technique monopasse convient aussi pour la finition des trous borgnes. On doit considérer comme trous borgnes tous ceux ne permettant pas le passage complet de l’outil à travers l’alésage. Néanmoins, dans certains cas il est possible de finir sans ennui des alésages jusqu’à une distance de 2,5 mm de la partie la plus profonde à atteindre sans restriction de diamètre. Pour réussir la finition de trous borgnes avec outil superabrasif monopasse il est indispensable de le sélectionner avec soin, de même que le type de fixation et la conception de la machine. Un atelier est, ainsi, parvenu à finir dans des turbos des alésages de 100 mm de diamètre avec une restriction de 2,5 mm par la technique monopasse. Avec une machine à huit broches utilisant des mandrins porte-pièces flottants, un maximum de 0,127 mm de matière était enlevé dans chacun des alésages avec une dimension, une rondeur, une rectitude et un fini meilleurs que spécifiés, la productivité atteignant cent quatre-vingts pièces à l’heure par machine pour une tenue d’outil de quatre-vingts mille pièces.

✔ Usage de montages spéciaux - En faisant appel à des montages spéciaux permettant aux opérateurs de sortir une famille de pièces sans passer par des changements, un autre atelier a pu finir des alésages de 40 mm d’un diamètre ayant une restriction de 8 mmdans des corps de pompe en fonte. La machine à six broches du fabricant usinait jusqu’à 0,05 mm de matière dans cent cinquante sept pièces à l’heure et chaque outil était capable de finir cent mille pièces avant usure. Là encore, la cote, la rondeur, la rectitude et le fini étaient nettement meilleurs que spécifié.

✔ Dans certains cas, un unique outil peut retirer suffisamment de matière pour atteindre le fini exigé. Par exemple, un atelier a pu finir des alésages coniques dans de la fonte avec un outil utilisé sur un système transfert. Il avait à retirer 0,075 mm d’alésages de 44 mm de diamètre. La finition atteignait 1,5 µm Ra, soit 0,5 µm de mieux que le fini requis. La cote, la rondeur et la rectitude étaient aussi meilleures que spécifié.

Fig. 3 - Exemple type d’une coordination de deux machines à roder à outils superabrasifs avec utilisation de robots de chargement et de transfert. Afin de mieux se rendre compte de l’implantation de la première machine, on a préféré insérer une vue rapprochée de son poste de travail en présentant en grisé le raccordement avec la seconde.




Faire face à de nouveaux besoins
Dès qu’un atelier a découvert une technique satisfaisante, il entreprend des expérience pour voir dans quelle mesure il peut l’adapter à d’autres tâches.

✔ Création d’un réseau de hachures croisées - Récemment, divers ateliers se sont lancés dans la technique monopasse pour créer un réseau de hachures croisées dans des alésages déjà finis. Les ingénieurs de l’automobile expliquent que de tels réseaux retiennent l’huile dans les alésages des blocs cylindres. Les fabricants produisent ces réseaux en faisant passer un outil superabrasif monopasse spécialement conçu dans les alésages avec une avance plus forte que la normale. Ils n’enlèvent ainsi qu’une partie de la matière de la pièce. L’outil est alors entraîné un nombre de fois déterminé en un mouvement alternatif à vitesse de broche et avance calculées pour produire les hachures croisées à l’angle désiré. Un va-et-vient contrôlé ajouté au processus conduit à un réseau de courbes sinusoïdales. Ainsi, les fabricants sont en mesure de produire le réseau désiré sur la surface des alésages tout en bénéficiant de la technique monopasse. Et, ils peuvent finir de profonds alésages ininterrompus même dans des matières collantes en brisant le copeau en sortie et en facilitant la pénétration du fluide de coupe dans la zone de travail. Cette méthode permet aussi de produire de tels réseaux même dans des situations comme la finition de composants à paroi mince dans lesquels il importe de limiter au mieux les tensions développées pendant la coupe.

✔ Fluides de coupe à base d’eau - Toujours dans l’industrie automobile, les fabricants cherchent à exploiter les outils abrasifs monopasse en utilisant des fluides de refroidissement à base d’eau dans un souci d’éliminer ceux à base d’huile. C’est ainsi qu’un constructeur utilisant des outils super-abrasifs avec un fluide à base d’eau a pu finir des bielles en bronze à mieux que 0,5 µm Ra à haute cadence. Avec un système transfert à deux broches et un montage flottant pour la pièce, l’enlèvement de matière était de 0,037 mm dans des alésages de 25 mm de diamètre. La production se montait à trois cent soixante pièces à l’heure et par machine en respectant la cote imposée, la rectitude et la circularité à des niveaux meilleurs que spécifié. La tenue d’outil était de un million de pièces.

✔ Rodages en s’écartant de l’axe de l’alésage - Un atelier a adapté la technique monopasse pour déplacer l’axe existant de l’alésage tout en obtenant la cote voulue. Un outil diamant spécialement élaboré, une machine-outil d’extrême précision et des montages rotatifs spéciaux permettent à la technique de placer l’axe concentrique à une donnée ou à un détail de la pièce. Dans ces conditions et avec une machine de finition à quatre broches, l’atelier a déplacé l’axe et fini des alésages de 25 mm de diamètre de chemises de roulements en carbone en améliorant les spécifications en matière de cote, de rondeur, de rectitude et de fini. Qui plus est, il est parvenu à tenir un Cpk 2 et à passer la concentricité de 0,1 à <0,05 mm.

✔ Finition de sièges angulaires - Comme on finit couramment un grand nombre de valves hydrauliques par la technique monopasse, les fabricants ont développé un processus similaire pour en finir les sièges angulaires. Il consiste à utiliser un ou de plusieurs outils diamant pour sièges poussés par des ressorts pour prendre une passe contrôlée et “glisser” sur la surface de la pièce en s’auto-centrant. De la sorte, le fini est atteint, la rondeur est de 1 µm et les pièces assurent une bonne étanchéité. La matière est un acier traité thermiquement, la machine à quatre broches retire du siège de valve à 90° 0,012 mm, la productivité est de six cents vingt-six pièces à l’heure et la tenue d’outil de quinze mille pièces par outil.

✔ Perspectives - Le développement de la technique de finition des alésages par outil super-abrasif monopasse a déjà franchi un long chemin depuis son apparition. Des applications jugées jusque-là impossibles sont pratique courante, les programmes de recherche et de développement ne feront que continuer à élargir les possibilités de la technique. De ce fait, on peut être assuré qu’au cours des ans elle renforcera sa popularité pour la fabrication de pièces et de produits à un niveau de qualité toujours plus élevé pour des prix globaux unitaires plus qu’avantageux.