TECHNOLOGIE MÉCANIQUE AVANCÉE, 3 ÈME ANNEE, OPTION MECANIQUE GENERALE

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC.

Préliminaires

Objectifs Pédagogiques du Cours 🎯

Ce cours a pour objectif de faire évoluer l’élève d’une connaissance des opérations de base vers la maîtrise des techniques d’usinage complexes et des procédés de finition. Au terme de cette année, l’apprenant doit comprendre la mise en œuvre des montages complexes, les méthodes de réalisation de formes hélicoïdales et de dentures d’engrenages, ainsi que les principes des machines spécialisées et des procédés de rectification. Cette compétence vise à développer chez le technicien une vision globale des capacités de l’atelier de fabrication, lui permettant de participer à l’élaboration de gammes d’usinage pour des pièces plus élaborées.

Approche Didactique et Méthodologique ⚙️

L’enseignement prolonge l’approche pratique de l’année précédente en se focalisant sur des opérations qui demandent une plus grande dextérité intellectuelle et méthodologique. Chaque technique complexe (division différentielle, fraisage hélicoïdal, rectification) est introduite par l’analyse du problème technologique à résoudre, suivie de la description de la cinématique machine et des calculs préparatoires. L’étude des machines spécialisées, souvent non disponibles dans les ateliers scolaires, s’appuiera sur une documentation technique riche (vidéos, schémas, catalogues) pour en garantir une compréhension fonctionnelle approfondie.

Contexte Industriel et Précision 🔩

Ce cours introduit l’élève aux exigences de la mécanique de précision. Les techniques étudiées sont directement liées à la fabrication de composants à haute valeur ajoutée, comme les engrenages pour les réducteurs des industries sucrières de Kwilu, les pièces de rechange pour les équipements de cimenterie du Kongo Central, ou les outils de coupe pour les ateliers de maintenance de la GECAMINES. La maîtrise de ces procédés est un enjeu stratégique pour l’autonomie et la compétitivité de l’industrie locale.

Partie I : Maîtrise Avancée des Montages d’Usinage

Cette première partie est consacrée à la résolution de problèmes de mise en position et de fixation de pièces dont la géométrie complexe interdit l’utilisation des moyens de serrage standards. La maîtrise de ces montages est une compétence distinctive du technicien qualifié.

Chapitre 1 : Les Montages Complexes en Tournage

Ce chapitre explore les techniques permettant de fixer et d’usiner sur un tour des pièces qui ne sont pas de simples cylindres ou qui nécessitent des usinages excentrés.

1.1. Le Bridage sur Plateau : Pièces non Cylindriques

L’utilisation du plateau à 4 mors indépendants et du plateau à trous est détaillée pour le montage de pièces cubiques ou de formes irrégulières. Les techniques de centrage à l’aide d’un comparateur sont rigoureusement enseignées.

1.2. Le Montage sur Équerre pour Usinages Excentrés

La méthode de montage d’une pièce sur une équerre fixée sur le plateau est présentée. Cette technique permet de réaliser des alésages ou des tourillons dont l’axe est parallèle mais décalé par rapport à l’axe principal de la broche, comme pour un vilebrequin simple.

1.3. L’Utilisation des Mors Doux pour la Reprise de Pièces

L’usinage de mors doux (non trempés) directement sur le mandrin est expliqué. Cette technique permet de créer une prise de pièce parfaitement concentrique et adaptée à la forme d’une pièce déjà ébauchée, garantissant une finition de haute précision.

1.4. Principes de Réglage et de Contrôle de la Mise en Position

Cette section synthétise les méthodes de contrôle de la mise en position avant usinage : contrôle de la concentricité, du parallélisme et du voile à l’aide d’un comparateur, assurant que la pièce est positionnée conformément aux exigences du plan.

Chapitre 2 : Les Montages Complexes en Fraisage

Ce chapitre aborde la fixation de pièces sur fraiseuse pour des opérations qui vont au-delà du simple surfaçage en étau, en utilisant des accessoires spécifiques.

2.1. Le Bridage sur Table : Principes et Précautions

Les règles de l’art pour le bridage direct sur la table à rainures en T sont explicitées. L’importance du positionnement des points d’appui et des points de serrage est soulignée pour éviter toute déformation de la pièce lors du bridage.

2.2. Les Montages Spécifiques pour la Production en Série

La notion de montage d’usinage (ou outillage de fabrication) est introduite. Des exemples simples de montages dédiés, permettant de positionner et de brider rapidement et répétitivement des pièces pour la production en série, sont étudiés.

2.3. Le Montage sur Appareil Diviseur pour Usinages Angulaires

L’utilisation du diviseur avec son mandrin ou son montage entre pointes est approfondie. Le réglage de l’inclinaison de l’axe du diviseur est expliqué pour permettre le fraisage de surfaces coniques ou de chanfreins angulaires précis.

2.4. Le Montage de Pièces Complexes sur Plateau Circulaire

L’utilisation du plateau circulaire diviseur est détaillée pour la réalisation de rainures circulaires (en T ou non), d’arcs de cercle, ou pour le positionnement angulaire de perçages sur une bride, une opération courante dans la chaudronnerie à Matadi.

Partie II : Techniques d’Usinage Complexes sur Machines Conventionnelles

Cette partie se concentre sur la mise en œuvre d’opérations qui requièrent une compréhension fine de la cinématique de la machine-outil et des calculs préparatoires, notamment pour la génération de formes hélicoïdales et de dentures.

Chapitre 3 : Le Filetage de Précision et à Entrées Multiples

Ce chapitre approfondit les techniques de filetage au tour, au-delà des opérations de base, pour réaliser des filetages spéciaux.

3.1. Révision des Calculs de Lyre et Utilisation de la Boîte de Vitesses

La maîtrise du réglage de la chaîne cinématique de filetage est consolidée, en s’assurant que l’élève peut calculer le train d’engrenages pour n’importe quel pas métrique ou non métrique.

3.2. L’Utilisation de l’Indicateur de Filetage pour la Reprise

Le fonctionnement de l’indicateur de filetage (ou « poupée ») est expliqué. Cet accessoire permet de ré-engager l’outil dans le sillon du filet après une passe, sans avoir à arrêter la rotation de la broche, optimisant ainsi le temps de production.

3.3. Méthodologie de Réalisation des Filets à Plusieurs Entrées

La technique pour réaliser un filet à deux ou plusieurs entrées, comme sur une vis de commande rapide, est détaillée. Elle repose sur une division angulaire précise de la pièce entre le taillage de chaque filet.

3.4. Notions sur le Filetage au Pas Module pour Vis sans Fin

L’usinage d’une vis sans fin est présenté comme un cas particulier de filetage, où l’outil a un profil trapézoïdal correspondant au module de la roue avec laquelle elle s’engrène.

Chapitre 4 : La Division et le Fraisage Hélicoïdal

Ce chapitre est consacré à deux des compétences les plus avancées sur une fraiseuse universelle, combinant les mouvements de la table et de l’appareil diviseur.

4.1. Révision de la Division Simple et Applications

La méthode de la division simple est rapidement revue à travers des exercices pratiques comme l’usinage d’une tête de vis à 6 pans ou d’un carré d’entraînement.

4.2. La Division Différentielle : Principe et Calculs

La division différentielle est introduite comme la méthode permettant de réaliser un nombre de divisions qui n’est pas possible en division simple. Le principe du train d’engrenages reliant le plateau à la broche du diviseur est expliqué.

4.3. Le Fraisage Hélicoïdal : Cinématique et Calculs

Le principe de génération d’une hélice par la combinaison de la rotation de la pièce (via le diviseur) et de l’avance longitudinale de la table est analysé. Le calcul du train d’engrenages reliant la vis de la table au diviseur est détaillé.

4.4. Application : Réalisation de Rainures Hélicoïdales sur un Arbre

Un exercice complet de fraisage d’une rainure hélicoïdale, comme celle d’une queue de foret ou d’un arbre cannelé hélicoïdal, permet de synthétiser l’ensemble de la démarche, des calculs à la mise en œuvre.

Chapitre 5 : Le Taillage d’Engrenages sur Fraiseuse Universelle

Ce chapitre décrit la méthode la plus accessible pour un atelier conventionnel de produire des engrenages droits, une compétence essentielle pour la réparation de machines.

5.1. Le Taillage par Fraise-Module (Méthode par Forme)

Le principe du taillage par génération de profil est expliqué : on utilise une fraise de forme (la fraise-module) dont le profil correspond exactement au creux entre deux dents de l’engrenage à réaliser.

5.2. Choix de la Fraise-Module en Fonction du Nombre de Dents

Il est expliqué que le profil d’une dent d’engrenage varie légèrement avec son nombre de dents. L’utilisation de jeux de fraises-modules (généralement 8 ou 15 fraises par module) et la méthode pour choisir le bon numéro de fraise sont enseignées.

5.3. Procédure Complète de Taillage d’un Engrenage Droit

La gamme opératoire complète est détaillée : du calcul des caractéristiques de l’engrenage (diamètres, profondeur de dent) au montage sur diviseur, au centrage de la fraise, au réglage de la profondeur et à la réalisation successive de chaque dent.

5.4. Le Taillage des Crémaillères et des Roues de Vis sans Fin

Les adaptations de la méthode pour le taillage d’une crémaillère (qui est un engrenage de rayon infini) et pour le taillage d’une roue de vis sans fin (qui nécessite l’inclinaison de la table) sont présentées.

Partie III : Technologies des Machines-Outils Spécialisées

Cette partie ouvre une fenêtre sur le monde des machines-outils qui, par leur conception, sont optimisées pour des tâches spécifiques, offrant une productivité ou une précision supérieure aux machines universelles.

Chapitre 6 : Les Tours à Production Améliorée

Ce chapitre présente des évolutions du tour parallèle visant à réduire les temps morts et à augmenter les cadences de production.

6.1. Accessoires pour Tour Parallèle : Tourelles Multiples et Appareils à Copier

Des accessoires qui améliorent la productivité d’un tour standard sont décrits : les tourelles revolver ou carrées qui permettent de pré-régler plusieurs outils, et les dispositifs de copiage hydrauliques ou mécaniques pour la reproduction de profils.

6.2. Le Tour à Revolver : Principe et Cinématique

Le tour à revolver est présenté comme une machine conçue pour la production en série de pièces à partir de barres. Sa caractéristique principale, la tourelle hexagonale à axe horizontal, et ses chariots multiples sont décrits.

6.3. Étude d’une Gamme d’Usinage sur Tour Revolver

Une gamme type pour la fabrication d’une pièce simple (axe épaulé, vis spéciale) est analysée, montrant comment les différentes opérations (tournage, perçage, filetage, tronçonnage) sont réparties sur les différents postes de la tourelle et des chariots.

6.4. Notions sur les Tours Automatiques (à Cames, à CN) et Verticaux

Une brève introduction aux tours entièrement automatiques est faite, en distinguant les tours traditionnels commandés par des cames des tours modernes à commande numérique (CN). Le tour vertical, adapté aux pièces lourdes et de grand diamètre, est également mentionné.

Chapitre 7 : Les Machines Dédiées à l’Alésage de Précision

Ce chapitre se concentre sur l’aléseuse, une machine-outil dont la fonction principale est de réaliser des alésages de grande précision en termes de diamètre, de géométrie et de positionnement.

7.1. L’Aléseuse : Rôle et Structure

Le rôle de l’aléseuse dans la production de carters de réducteurs, de blocs-moteurs ou de corps de machines est expliqué. La structure de l’aléseuse-pointeuse, avec sa broche horizontale mobile et sa table de grande précision, est décrite.

7.2. Les Outils d’Alésage : Barres, Têtes à Aléser

Les outils spécifiques à l’alésage sont présentés : les barres d’alésage longues pour les trous profonds, et les têtes à aléser micrométriques qui permettent un réglage très fin du diamètre d’usinage.

7.3. Les Montages de Pièces sur Aléseuse

La criticité du positionnement de la pièce sur la table de l’aléseuse est mise en avant. L’utilisation de dispositifs de centrage optiques ou mécaniques (lunette de visée, centreur) pour garantir la localisation précise des alésages est expliquée.

7.4. Précision et Champs d’Application

Le niveau de précision très élevé (géométrique et dimensionnel) atteignable sur une aléseuse est souligné. Ses applications sont principalement dans la fabrication de pièces où l’alignement et la distance entre plusieurs alésages sont des contraintes fonctionnelles critiques.

Chapitre 8 : Les Machines de Taillage d’Engrenages

Ce chapitre, enrichi par rapport au programme de base, présente les machines spécialisées qui permettent une production d’engrenages beaucoup plus rapide et précise que sur une fraiseuse universelle.

8.1. Limites du Taillage sur Fraiseuse Universelle

Les inconvénients de la méthode de taillage par fraise-module sont rappelés : profil de dent approché et faible productivité, ce qui la réserve à la fabrication unitaire ou à la réparation.

8.2. Le Taillage par Fraise-Mère (Méthode par Génération)

Le principe du taillage par génération avec une fraise-mère (qui est comme une vis sans fin taillante) est expliqué. Cette méthode, la plus répandue, génère un profil en développante de cercle théoriquement parfait par un mouvement continu.

8.3. Le Taillage par Couteau-Pignon (Machine Fellows)

La méthode de taillage par couteau-pignon est décrite. Elle est particulièrement adaptée pour le taillage de dentures intérieures ou d’engrenages proches d’un épaulement, là où une fraise-mère ne pourrait pas passer.

8.4. Productivité et Précision des Machines Spécialisées

Une comparaison est faite en termes de temps de cycle et de classe de qualité des engrenages obtenus, démontrant la supériorité des machines spécialisées pour toute production en série, comme celles nécessaires pour les industries de transport de Goma ou d’ailleurs.

Partie IV : Procédés de Finition et de Superfinition

Cette partie est consacrée à la rectification, le principal procédé d’usinage qui permet d’atteindre les plus hautes précisions dimensionnelles et géométriques, ainsi que les meilleurs états de surface.

Chapitre 9 : Principes et Technologies de la Rectification

Ce chapitre introduit le principe de l’usinage par abrasion à l’aide d’une meule et décrit les principales machines de rectification.

9.1. Objectifs de la Rectification : Précision et État de Surface

La rectification est présentée comme une opération de finition, généralement effectuée après un traitement thermique de durcissement. Ses objectifs sont d’éliminer les déformations dues au traitement et d’obtenir des tolérances très serrées.

9.2. La Rectifieuse Plane : Principe et Applications

Le fonctionnement de la rectifieuse plane (à broche horizontale ou verticale) est décrit. Elle est utilisée pour la finition de surfaces planes de haute qualité, comme les glissières de machines ou les faces de matrices.

9.3. La Rectifieuse Cylindrique (Extérieure et Intérieure)

Le principe de la rectification cylindrique est expliqué, avec la mise en rotation de la pièce et de la meule. Les méthodes de travail (en plongée, en enfilade) et les machines de rectification intérieure sont présentées.

9.4. Fluides de Coupe et Sécurité en Rectification

L’importance de l’arrosage abondant en rectification (pour refroidir la pièce et évacuer les copeaux) est soulignée. Les risques spécifiques liés à la grande vitesse de rotation des meules (éclatement) et les dispositifs de protection sont détaillés.

Chapitre 10 : Les Meules – Constitution et Sélection

Ce chapitre se concentre sur l’outil de la rectification, la meule, dont le choix judicieux est la condition première de la réussite de l’opération.

10.1. Constitution d’une Meule : Abrasif, Liant et Porosité

Les trois composants d’une meule sont décrits : les grains abrasifs (naturels ou synthétiques), le liant qui agglomère les grains, et la porosité. La combinaison de ces trois éléments détermine le comportement de la meule.

10.2. Caractéristiques Normalisées d’une Meule

La désignation normalisée d’une meule, qui code sa nature, sa granulométrie, sa dureté (grade), sa structure et son liant, est expliquée. L’élève apprend à déchiffrer cette « carte d’identité » pour choisir l’outil approprié.

10.3. Vitesse de Coupe et Vitesse de Rotation

La vitesse de coupe très élevée en rectification (typiquement 30 m/s et plus) est mise en avant. Le calcul de la fréquence de rotation maximale admissible en fonction du diamètre de la meule est une vérification de sécurité impérative.

10.4. Montage, Équilibrage et Taillage des Meules

Les procédures correctes pour le montage d’une meule sur sa flasque, son équilibrage statique pour éviter les vibrations, et son taillage (dressage) à l’aide d’un diamant pour lui redonner son profil et son pouvoir de coupe sont décrites.

Partie V : Technologie et Maintenance des Outils de Coupe

Cette dernière partie est consacrée à l’affûtage, l’opération qui consiste à restaurer la géométrie de coupe d’un outil usé. C’est une compétence essentielle pour garantir la qualité de l’usinage et maîtriser les coûts de production.

Chapitre 11 : L’Affûtage des Outils à Tranchant Unique

Ce chapitre traite de l’affûtage des outils les plus simples, comme ceux utilisés en tournage ou en rabotage, une opération souvent réalisée manuellement.

11.1. Importance de l’Affûtage pour la Qualité de l’Usinage

Les conséquences d’un outil mal affûté ou usé sont analysées : mauvais état de surface, imprécision dimensionnelle, augmentation des efforts de coupe et risque de bris d’outil.

11.2. Géométrie des Outils de Tour et de Raboteuse

La géométrie de coupe (angles de dépouille, de coupe) est rappelée, car l’affûtage consiste précisément à restaurer ces angles à leurs valeurs nominales.

11.3. Procédure d’Affûtage Manuel sur Touret

La méthode d’affûtage manuel sur un touret à meuler est détaillée, en insistant sur les gestes corrects, le contrôle visuel des angles à l’aide de gabarits, et les règles de sécurité.

11.4. L’Affûteuse Universelle pour Outils de Forme

Pour les outils de forme plus complexes, l’utilisation d’une affûteuse universelle, qui permet un guidage précis de l’outil par rapport à la meule, est présentée comme la solution pour un affûtage de qualité.

Chapitre 12 : L’Affûtage des Fraises

Ce chapitre aborde l’affûtage des outils à dents multiples, une opération plus complexe qui nécessite généralement une machine spécialisée.

12.1. Complexité de l’Affûtage des Outils à Dents Multiples

La difficulté de l’affûtage des fraises est soulignée : il faut non seulement restaurer la géométrie de chaque dent, mais aussi s’assurer que toutes les dents sont rigoureusement identiques pour que l’outil coupe correctement.

12.2. Affûtage des Dents en Dépouille sur Fraiseuse Universelle

Une méthode d’affûtage de la face en dépouille des dents d’une fraise, en utilisant une meule de forme sur une fraiseuse ou une affûteuse universelle et un « doigt d’appui », est décrite.

12.3. Affûtage des Faces de Coupe

L’affûtage de la face de coupe est présenté comme une alternative pour certains types de fraises, notamment les fraises en bout.

12.4. Le Contrôle de la Géométrie après Affûtage

Les méthodes de contrôle après affûtage sont expliquées : vérification des angles à l’aide d’un projecteur de profil ou de gabarits, et contrôle du « saut » (différence de hauteur entre les dents) à l’aide d’un comparateur.

Annexes

Les annexes sont des outils de référence qui synthétisent les informations techniques et les données nécessaires à la mise en œuvre des procédés étudiés.

Guide de Dépannage en Usinage 🛠️

Un tableau pratique présente les défauts d’usinage les plus courants (mauvais état de surface, vibrations, cotes incorrectes), leurs causes probables (outil usé, mauvais paramètres de coupe, montage non rigide) et les remèdes à apporter.

Aide-Mémoire sur la Division ➗

Cette annexe fournit les formules et les tableaux nécessaires au calcul de la division simple et différentielle, ainsi que des exemples de calculs pour des nombres de divisions courants.

Tableaux de Sélection des Meules 💎

Des tableaux synthétiques guident le choix de la spécification d’une meule (nature de l’abrasif, grain, dureté) en fonction du matériau à rectifier (acier trempé, acier doux, carbure) et du type d’opération (ébauche, finition).