Les machines-outils modernes se caractérisent essentiellement par la fabrication ou l’élaboration de pièces usinées à l’aide d’outils. En tant que machines de travail, ce sont elles – et non l’humain – qui, lorsqu’elles sont en service, déterminent le guidage mutuel de la pièce usinée et de l’outil. Aux côtés des appareils de mesure, de contrôle, des dispositifs et des outils plus simples, les machines-outils font partie des moyens de production et peuvent, en raison de leur diversité, être classées de différentes manières.
En raison des progrès techniques, les machines-outils sont de plus en plus considérés comme des dispositifs de fabrication mécanisés et éventuellement automatisés. Ce dernier point dénote des progrès techniques et des efforts actuels de l’industrie : l’automatisation et l’interconnexion des machines avec des systèmes intelligents exercent une grande influence sur la nature et le rôle des machines-outils dans le secteur industriel.
Des machines-outils composées de sous-ensembles
Bien que les machines-outils soient très diverses – tout comme la quantité des domaines d’utilisations et des applications – elles se composent en général toutes plus ou moins de la même manière. Elles sont, en effet, habituellement constituées de sous-ensembles modulaires, qui, seulement une fois associés, forment une machine totalement opérationnelle. À la manière de briques de construction, l’architecture modulaire permet non seulement une mise en service simple, mais elle offre également la possibilité de s’adapter aux exigences des différentes applications. En outre, les composants du système peuvent aussi être remplacés ultérieurement.
Le sous-ensemble essentiel à la base de toute machine-outil est le bâti de machine. C’est lui qui donne à la machine sa forme et qui contient les composants restants et les relie entre eux. Le bâti d’une machine-outil est d’autant plus important que les appareils sont vastes et complexes et qu’ils sont soumis à de grandes charges. Contrairement aux petites machines pour lesquelles souvent une table modifiée fait office de bâti, les bâtis de plus grandes machines doivent eux faire montre d’une grande résistance aux déformations élastiques. Pour le choix du matériau du bâti, les propriétés comme la compacité, l’amortissement et la conductivité thermique sont des aspects primordiaux. Certaines machines-outils nécessitent par ailleurs un socle bétonné pour garantir une rigidité élevée.
Pour offrir une fonctionnalité durable, les machines-outils nécessitent de plus un sous-ensemble contenant les guidages et les logements de palier. Celui-ci détermine les axes sur lesquels les composants de la machine peuvent et doivent se déplacer. Les guidages et les logements de palier étant en contact direct avec les autres composants du système, ils sont soumis à une usure, qui peut, par exemple, être réduite grâce à des roulements à billes.
Guidage et entraînement : les précurseurs de l’automatisation
Le moteur et la transmission assurent, en tant qu’unité d’entraînement primaire, le mouvement de travail de la machine-outil. Pour cela, divers entraînements entrent en action, dont les entraînements dits d’avance pour le positionnement de l’outil. Les différents éléments d’entraînement ne permettent pas uniquement d’actionner la machine-outil, ils constituent également un facteur important dans la précision de travail et donc pour la qualité des pièces usinées. Les réducteurs à arbres creux Harmonic Drive® des séries FHA, CHA et CanisDrive® possèdent ces caractéristiques. Grâce à un roulement de sortie renforcé doté d’une résistance au pivotement et d’une précision excellentes, ces réducteurs peuvent supporter rapidement et simplement des charges élevées ; ils garantissent en outre une longue durée de vie et, si nécessaire, des temps de basculement courts.
L’unité de commande sert principalement à l’automatisation d’une machine et assume toutes sortes de tâches qui auparavant étaient effectuées manuellement ou à l’aide d’un mécanisme. Elle commande et contrôle ainsi les étapes de fabrication, enregistre les données relatives à la machine et aux outils et sauvegarde les programmations de fabrication. Pour ce faire, les machines-outils recourent à des systèmes électroniques tels que des dispositifs semi-conducteurs et des relais, mais surtout à des commandes numériques. Ces dernières offrent une flexibilité nettement plus grande que beaucoup d’autres commandes séquentielles.
Parmi les autres sous-ensembles de machines-outils modernes, l’on trouve les magasins d’outils, les changeurs d’outils, les changeurs de pièces, les logements d’outils et dispositifs d’alimentation et d’élimination. À cela s’ajoutent les dispositifs de sécurité et les systèmes de mesure (pour le positionnement des outils par exemple).
Les sous-ensembles caractéristiques d’une machine-outil en bref :
La répartition des machines-outils selon les procédés de fabrication
Les machines-outils offrent de nombreuses possibilités de classification : par le nombre d’axes, la cinématique, la précision ou encore le degré d’automatisation. Parmi les classifications les plus courantes, l’on trouve en particulier la répartition selon le procédé de fabrication classique. Les tours et les fraiseuses, mais aussi les foreuses, les scies mécaniques, les affûteuses et les autres dispositifs similaires appartiennent à la catégorie des machines d’usinage par enlèvement de copeaux, alors que les cintreuses, les laminoirs et les presses font partie des machines-outils sans enlèvement de copeaux. Les cisailles-guillotines et les presses d’estampage relèvent des machines de fractionnement. Les machines de découpe au laser et au jet d’eau notamment appartiennent à la catégorie des machines d’usinage par enlèvement. Les machines dédiées au soudage, au brasage et à l’encollage se rapportent à la catégorie du jointoyage.
Les machines-outils au fil du temps
La production de masse des biens d’usage et de consommation du 21e siècle découle dans une large mesure de l’évolution constante des machines-outils. Aujourd’hui, les machines performantes, presque entièrement automatisées, font partie de l’équipement de base des usines de fabrication du secteur industriel. Toutefois, l’histoire des machines-outils ne remonte pas au siècle dernier ; il y a de nombreux siècles, voire des millénaires, les précurseurs des machines-outils actuelles voyaient déjà le jour. L’invention de la première machine-outil, un dispositif primitif de perçage, daterait d’environ 6000 ans. Même si ces appareils et les suivants, parmi lesquels l’on trouve des tours et des affûteuses, n’ont que peu de choses en commun avec les modèles d’aujourd’hui, ils remplissaient certains critères de la définition actuelle des machines-outils.
À la suite de la révolution industrielle et en raison de la transformation de la société, le besoin en machines-outils plus performantes et plus sophistiquées a augmenté. L’intervention manuelle de l’homme n’a cessé de décroître, puisque des innovations pouvaient augmenter nettement la rentabilité et la quantité produite. L’augmentation rapide de la demande a non seulement engendré une grande popularité des machines, mais a aussi stimulé sans cesse les progrès techniques en la matière. Ce n’est qu’avec le développement de tours et de foreuses spécifiques au 18e et au 19e siècle par exemple que le métal s’est démocratisé dans l’industrie. Au 20e siècle, la CNC ou machine-outil à commande numérique constitue une étape majeure supplémentaire. La commande numérique des machines-outils est ici assurée par un ordinateur, lequel est adapté à chaque application et dispose en général d’un système d’exploitation qui lui est propre avec une interface utilisateur.