Les tours sont des machines-outils qui utilisent principalement des outils de tournage pour usiner des pièces en rotation. Des forets, des alésoirs, des tarauds, des filières et des outils de moletage peuvent également être utilisés pour l'usinage correspondant. Les tours sont principalement utilisés pour usiner des arbres, des disques, des manchons et d'autres pièces à surfaces rotatives. Ce sont les machines-outils les plus utilisées dans les usines de fabrication et de réparation de machines.
Dès l'Égypte ancienne, l'homme avait inventé la technique du tournage du bois à l'aide d'outils, le faisant tourner autour de son axe central. Au début, on utilisait deux arbres verticaux comme supports pour soutenir le bois à tourner, on utilisait la force élastique des branches pour enrouler la corde sur le bois, et on tirait la corde à la main ou au pied pour faire tourner le bois, puis on le coupait avec l'outil.
Cette méthode ancienne a progressivement évolué pour devenir une méthode consistant à enrouler deux ou trois tours de corde sur une poulie. La corde était placée sur une tige élastique courbée en arc, et l'arc était poussé et tiré d'avant en arrière pour faire tourner l'objet à usiner. C'est ce qu'on appelle le « tour à archet ».
Au Moyen Âge, un « tour à pédales » fut conçu. Ce tour utilisait des pédales pour faire tourner le vilebrequin et entraîner le volant d'inertie, puis transmettait cette force à l'arbre principal pour le faire tourner. Au milieu du XVIe siècle, un ingénieur français du nom de Besson conçut un tour pour visser, utilisant une tige filetée pour faire coulisser l'outil. Malheureusement, ce tour ne fut ni commercialisé ni utilisé.
Au 18e siècle, quelqu'un a conçu un tour qui utilisait des pédales et des bielles pour faire tourner le vilebrequin, qui pouvait stocker l'énergie cinétique de rotation sur le volant, et est passé de la rotation directe de la pièce à la rotation de la poupée, qui est un mandrin pour serrer la pièce.
Ce tour est doté d'une vis mère de précision et d'engrenages interchangeables.
Maudsley est né en 1771. À 18 ans, il était le bras droit de l'inventeur Bramer. On raconte que Bramer travaillait dans la ferme. À 16 ans, il dut se reconvertir dans la menuiserie, à mobilité réduite, suite à un accident qui lui causa une invalidité de la cheville droite. Sa première invention fut la chasse d'eau en 1778. Maudsley commença à aider Bramer à concevoir des presses hydrauliques et d'autres machines jusqu'à son départ de Bramer à 26 ans, car ce dernier rejeta brutalement la demande de Moritz d'augmenter son salaire à plus de 30 shillings par semaine.
L'année même où Maudsley quitta Bramer, il fabriqua le premier tour à fileter, un tour tout métal doté d'un porte-outil et d'une contre-pointe se déplaçant le long de deux rails de guidage parallèles. La surface de guidage de ce rail est triangulaire et, lorsque la broche tourne, la vis-mère entraîne le porte-outil à se déplacer horizontalement. C'est le mécanisme principal des tours modernes, et ce tour permet de tourner des vis métalliques de précision de tout pas.
Trois ans plus tard, Maudsley construisit un tour plus complet dans son propre atelier, équipé d'engrenages interchangeables pour modifier la vitesse d'avance et le pas du filetage. En 1817, un autre Anglais, Roberts, adopta un mécanisme à quatre étages avec poulie et roue arrière pour modifier la vitesse de la broche. Bientôt, des tours plus grands apparurent, contribuant grandement à l'invention des machines à vapeur et d'autres machines.
Afin d'améliorer le degré de mécanisation et d'automatisation, l'Américain Fitch inventa en 1845 le tour à tourelle ; en 1848, le tour à roue de retour fit son apparition aux États-Unis ; en 1873, l'Américain Spencer construisit un tour automatique à un axe, puis un tour automatique à trois axes ; au début du XXe siècle, un tour à transmission par engrenages entraîné par un seul moteur apparut. Grâce à l'invention de l'acier rapide et à l'utilisation de moteurs électriques, les tours n'ont cessé de s'améliorer et ont finalement atteint le niveau moderne de vitesse et de précision.
Après la Première Guerre mondiale, pour répondre aux besoins des industries de l'armement, de l'automobile et d'autres machines, divers tours automatiques à haut rendement et tours spécialisés se sont rapidement développés. Afin d'améliorer la productivité des petites séries de pièces, des tours équipés de dispositifs de profilage hydrauliques ont été promus à la fin des années 1940, et des tours multi-outils ont également été développés à la même époque. Au milieu des années 1950, des tours à commande numérique avec cartes perforées, plaques de verrouillage et cadrans ont été développés. La technologie CNC a commencé à être utilisée dans les tours dans les années 1960 et a connu un développement rapide après les années 1970.
Les tours classiques offrent une large gamme d'objets à usiner, une large plage de réglage de la vitesse de broche et de l'avance, et peuvent usiner les surfaces intérieures et extérieures, les faces frontales et les filetages intérieurs et extérieurs des pièces. Ce type de tour est principalement utilisé manuellement, avec une faible productivité, et convient à la production de pièces uniques en petites séries et aux ateliers de réparation. Les tours à tourelle et les tours rotatifs sont équipés de porte-outils à tourelle ou de porte-outils à roue de retour pouvant accueillir plusieurs outils. Les opérateurs peuvent utiliser différents outils successivement pour réaliser plusieurs opérations en un seul serrage de la pièce, ce qui est idéal pour la production en série.
Les tours automatiques peuvent effectuer automatiquement le traitement multi-processus de pièces de petite et moyenne taille selon une certaine procédure, peuvent charger et décharger automatiquement des matériaux et traiter à plusieurs reprises un lot des mêmes pièces, ce qui convient à la production à grande échelle et en série.
Les tours semi-automatiques multi-outils sont divisés en types mono-axe, multi-axes, horizontaux et verticaux. La configuration du tour horizontal mono-axe est similaire à celle d'un tour ordinaire, mais les deux jeux de porte-outils sont installés devant et derrière la broche, ou au-dessus et en dessous, et servent à usiner des disques, des bagues et des arbres. Sa productivité est 3 à 5 fois supérieure à celle d'un tour ordinaire.
Le tour à copier peut automatiquement effectuer le cycle d'usinage de la pièce selon la forme et la taille du gabarit ou de l'échantillon. Il est adapté à la production en petites séries et en lots de pièces aux formes plus complexes. Sa productivité est 10 à 15 fois supérieure à celle d'un tour classique. Il est disponible avec plusieurs porte-outils, plusieurs axes, des mandrins, des modèles verticaux et bien d'autres options.
La broche du tour vertical est perpendiculaire au plan horizontal, la pièce est fixée sur une table rotative horizontale et le porte-outil se déplace sur une poutre ou une colonne. Ce type de tour est adapté à l'usinage de pièces volumineuses et lourdes, difficiles à installer sur des tours classiques. Il est généralement divisé en deux catégories : mono-colonne et bi-colonne.
Lors du tournage, le porte-outil du tour à dégagement de dents effectue périodiquement un mouvement de va-et-vient radial, ce qui est utilisé pour former la surface des dents de la fraise du chariot élévateur, de la fraise mère, etc. Il est généralement équipé d'un accessoire de meulage de dégagement et la surface des dents est soulagée par une petite meule entraînée par un moteur séparé.
Les tours spéciaux sont des tours utilisés pour traiter des surfaces spécifiques de certains types de pièces, tels que les tours à vilebrequin, les tours à arbre à cames, les tours à roues, les tours à essieux, les tours à rouleaux et les tours à lingots.
Les tours combinés sont principalement utilisés pour le tournage, mais avec l'ajout de pièces et d'accessoires spécifiques, ils peuvent également être utilisés pour l'alésage, le fraisage, le perçage, l'insertion, la rectification et d'autres usinages. Ils offrent les caractéristiques d'une « machine multifonction » et conviennent parfaitement aux travaux de réparation sur les véhicules de construction, les navires ou les stations de réparation mobiles.
Bien que l'artisanat industriel soit relativement arriéré, de nombreux techniciens y ont été formés. Bien qu'ils ne soient pas experts en fabrication de machines, ils peuvent fabriquer divers outils manuels, tels que des couteaux, des scies, des aiguilles, des forets, des cônes, des meuleuses, des arbres, des manchons, des engrenages, des cadres de lit, etc. En réalité, les machines sont assemblées à partir de ces pièces.
En parlant d'aléseuses, il faut d'abord parler de Léonard de Vinci. Ce personnage légendaire est peut-être le concepteur de la première aléseuse utilisée pour le travail des métaux. L'aléseuse qu'il a conçue est actionnée par des pédales hydrauliques ou à pied. L'outil d'alésage tourne au plus près de la pièce, laquelle est fixée sur une table mobile actionnée par une grue. En 1540, un autre peintre a peint un tableau « Pyrotechnie », qui représentait également une aléseuse. À cette époque, l'aléseuse était principalement utilisée pour la finition des pièces moulées creuses.
Au XVIIe siècle, en raison des besoins militaires, l'industrie de fabrication de canons s'est développée rapidement et la fabrication de canons est devenue un problème majeur que les gens devaient résoudre de toute urgence.
La première véritable aléseuse au monde fut inventée par Wilkinson en 1775. Plus précisément, l'aléseuse de Wilkinson est une perceuse capable de percer des canons avec précision. Il s'agit d'une barre d'alésage cylindrique creuse dont les deux extrémités sont montées sur roulements.
Wilkinson est né aux États-Unis en 1728. À 20 ans, il s'installa dans le Staffordshire et construisit le premier haut fourneau à Bilston. C'est pourquoi il fut surnommé « le maître forgeron du Staffordshire ». En 1775, après des efforts constants dans l'usine de son père, Wilkinson, alors âgé de 47 ans, créa enfin cette nouvelle machine capable de percer les canons avec une précision rare. Il est intéressant de noter qu'après sa mort en 1808, Wilkinson fut enterré dans un cercueil en fonte conçu par ses soins.
Sans les machines à vapeur, la première vague de la révolution industrielle n'aurait pas eu lieu à cette époque. Outre les opportunités sociales nécessaires, le développement et l'application de la machine à vapeur elle-même requièrent des prérequis techniques incontournables, car la fabrication de pièces de machine à vapeur est loin d'être aussi simple que la découpe du bois par un menuisier. La transformation du métal en formes spéciales, avec une précision d'usinage élevée, est impossible sans l'équipement technique adéquat. Par exemple, pour la fabrication du cylindre et du piston d'une machine à vapeur, la précision du diamètre extérieur requise pour la fabrication du piston peut être mesurée depuis l'extérieur lors de la découpe, mais pour répondre aux exigences de précision du diamètre intérieur du cylindre, il est difficile d'utiliser des méthodes d'usinage standard.
Smithon était le meilleur mécanicien du XVIIIe siècle. Il a conçu pas moins de 43 roues hydrauliques et moulins à vent. Lors de la fabrication des machines à vapeur, Smithon estimait que l'usinage du cylindre était la partie la plus difficile. Il est très difficile d'usiner le cercle intérieur d'un grand cylindre. C'est pourquoi Smeaton a fabriqué une machine-outil spéciale pour l'usinage du cercle intérieur du cylindre à l'usine sidérurgique Karen. Cette aléseuse, entraînée par une roue hydraulique, est équipée d'un outil installé à l'extrémité avant de son long arbre. Cet outil peut tourner dans le cylindre pour usiner son cercle intérieur. Comme l'outil est installé à l'extrémité avant de l'arbre, des problèmes tels que la déflexion de l'arbre peuvent survenir, rendant l'usinage d'un cylindre parfaitement rond très difficile. Smeaton a donc dû modifier la position du cylindre à plusieurs reprises pour l'usinage.
Pour résoudre ce problème, l'aléseuse inventée par Wilkinson en 1774 a joué un rôle essentiel. Cette aléseuse utilise une roue hydraulique pour faire tourner le cylindre de matériau et l'aligner avec l'outil fixé au centre. Grâce au mouvement relatif entre l'outil et le matériau, celui-ci est alésé dans un trou cylindrique avec une grande précision. À cette époque, l'aléseuse produisait un cylindre d'un diamètre de 72 pouces, avec une erreur ne dépassant pas l'épaisseur d'une pièce de six pence. C'est une erreur importante mesurée par la technologie moderne, mais dans les conditions de l'époque, il était difficile d'atteindre un tel niveau.
Cependant, l'invention de Wilkinson n'a pas été brevetée, et des personnes l'ont copiée et installée. En 1802, Watt a également évoqué l'invention de Wilkinson dans son livre et l'a copiée dans ses Soho Iron Works. Plus tard, Watt a également utilisé la machine magique de Wilkinson pour fabriquer le cylindre et le piston de la machine à vapeur. Il s'est avéré que pour le piston, la taille peut être mesurée à l'extérieur lors de la coupe, mais que pour le cylindre, ce n'est pas aussi simple, et une aléseuse doit être utilisée. À cette époque, Watt utilisait une roue hydraulique pour faire tourner le cylindre métallique et laissait l'outil fixé au centre avancer pour couper l'intérieur du cylindre. De ce fait, l'erreur du cylindre de 75 pouces de diamètre était inférieure à l'épaisseur d'une pièce de monnaie, une technique très avancée à l'époque.
L'aléseuse de Wilkinson a été grandement améliorée. En 1885, l'Anglais Hutton a fabriqué une aléseuse à table élévatrice, devenue le prototype de l'aléseuse moderne. aléseuse.
Au XIXe siècle, les Britanniques inventèrent des aléseuses et des raboteuses pour répondre aux besoins de la révolution industrielle, notamment les machines à vapeur. Les Américains, quant à eux, se concentrèrent sur l'invention des fraiseuses afin de produire un grand nombre d'armes. Une fraiseuse est une machine équipée de fraises de formes variées, permettant de découper des pièces de formes particulières, telles que des rainures en spirale, des engrenages, etc. Dès 1664, le scientifique britannique Hooke mit au point une machine à découper par fraises circulaires rotatives, considérée comme une fraiseuse primitive, mais elle ne connut pas un enthousiasme général à l'époque. Dans les années 1840, Pratt conçut la fraiseuse dite Lincoln. C'est bien sûr l'Américain Whitney qui établit véritablement la place des fraiseuses dans la fabrication mécanique.
Whitney a fabriqué la première fraiseuse ordinaire au monde en 1818, mais le brevet de la fraiseuse a été obtenu par le Britannique Bodmer (l'inventeur de la raboteuse à portique avec un dispositif d'alimentation d'outils) en 1839. Comme la fraiseuse était trop chère, peu de gens s'y intéressaient à cette époque.
Après une période de silence, la fraiseuse a retrouvé son usage aux États-Unis. En revanche, Whitney et Pratt ont seulement contribué à l'invention et à l'application de la technologie. fraiseusesLe véritable mérite de l’invention d’une fraiseuse pouvant être appliquée à diverses opérations d’usine revient à l’ingénieur américain Joseph Brown.
En 1862, l'Américain Brown fabriqua la première fraiseuse universelle au monde. Cette innovation révolutionnaire était son plateau d'indexation universel et sa fraise complète. Son établi pouvait pivoter horizontalement et était équipé d'accessoires tels qu'une tête de fraisage verticale. Sa « fraiseuse universelle » remporta un vif succès lors de son exposition à l'Exposition universelle de Paris en 1867. Parallèlement, Brown conçut une fraise de formage indéformable après rectification, puis fabriqua une rectifieuse pour rectifier les fraises, propulsant ainsi les fraiseuses au niveau actuel.
Dans le processus d'invention, de nombreux éléments sont souvent complémentaires et interdépendants : la fabrication des machines à vapeur nécessite des aléseuses ; après l'invention des machines à vapeur, les raboteuses sont devenues nécessaires pour répondre aux exigences du procédé. On peut dire que c'est l'invention des machines à vapeur qui a conduit à la conception et au développement des « machines-outils », des aléseuses et tours aux raboteuses. En fait, une raboteuse est un « rabot » destiné à raboter le métal.
1. Raboteuse pour le traitement des grands rabots (1839)
L'usinage des sièges de soupapes des machines à vapeur ayant dû débuter dès le début du XIXe siècle, de nombreux techniciens ont entrepris des recherches dans ce domaine, notamment Richard Robert, Richard Pratt, James Fox et Joseph Clement, qui ont fabriqué des raboteuses de manière indépendante pendant 25 ans à partir de 1814. Cette raboteuse à portique fixe la pièce sur une plateforme à mouvement alternatif et coupe un côté de la pièce. Cependant, cette raboteuse ne possède pas de dispositif d'alimentation d'outils et est en cours de transformation du statut d'« outil » en celui de « machine ». En 1839, un Britannique du nom de Bodmer a finalement conçu une raboteuse équipée d'un dispositif d'alimentation de couteaux.
2. Façonneuse pour l'usinage de petits plans
Un autre Britannique, Nesmith, a inventé et fabriqué une raboteuse pour l'usinage de petits rabots en 1831, soit 40 ans plus tard. Elle permet de fixer la pièce à usiner sur le banc et de faire des mouvements de va-et-vient avec l'outil. Depuis, grâce au perfectionnement des outils et à l'avènement des moteurs électriques, la raboteuse a évolué vers la coupe à grande vitesse et la haute précision, d'une part, et vers la production à grande échelle, d'autre part.
Le meulage est une technique ancestrale connue de l'humanité depuis l'Antiquité. Au Paléolithique, cette technologie était utilisée pour meuler les outils en pierre. Plus tard, l'utilisation d'outils en métal a favorisé le développement de la technologie du meulage. Cependant, la conception d'une véritable machine à meuler reste moderne. Même au début du XIXe siècle, on meulait encore en faisant tourner des meules naturelles et en les mettant en contact avec les objets travaillés.
En 1864, les États-Unis fabriquèrent la première rectifieuse au monde. Il s'agissait d'un dispositif permettant d'installer une meule sur le porte-outil coulissant d'un tour et d'en assurer la transmission automatique. Douze ans plus tard, Brown, aux États-Unis, inventa une rectifieuse universelle proche des rectifieuses modernes.
La demande de meules artificielles a également émergé. Comment développer une meule plus résistante à l'usure que les meules naturelles ? En 1892, l'américain Acheson a testé avec succès du carbure de silicium à base de coke et de sable, une meule artificielle appelée « abrasif C » ; deux ans plus tard, un abrasif A contenant de l'oxyde d'aluminium comme composant principal a été testé avec succès, ce qui a permis de généraliser l'utilisation des rectifieuses.
Plus tard, en raison des améliorations apportées aux roulements et aux rails de guidage, la précision des rectifieuses est devenue de plus en plus élevée et elles se sont développées dans le sens de la spécialisation, et des rectifieuses intérieures, des rectifieuses de surface, des rectifieuses à rouleaux, des rectifieuses à engrenages et des rectifieuses universelles sont apparues.
Les archéologues ont découvert que l'homme avait inventé un appareil pour percer des trous en 4000 av. J.-C. Les anciens installaient une poutre sur deux piliers, puis y suspendaient un cône rotatif. Une corde d'arc actionnait ensuite le cône en rotation, permettant ainsi de percer des trous dans le bois et la pierre. Bientôt, l'homme conçut également un outil de forage appelé « guindeau », qui utilisait lui aussi des cordes d'arc élastiques pour faire tourner le cône.
Vers 1850, l'Allemand Martinoni fabriqua pour la première fois un foret hélicoïdal pour le perçage des métaux ; à l'Exposition internationale de Londres, en Angleterre, en 1862, le Britannique Whitworth présenta une perceuse à armoire en fonte à entraînement électrique, qui devint le prototype de la perceuse moderne.
Plus tard, diverses machines de forage sont apparues les unes après les autres, notamment les machines de forage radiales, machines de forage avec des mécanismes d'alimentation automatique, des perceuses multi-axes pouvant percer plusieurs trous en même temps, etc. Grâce à l'amélioration des matériaux des outils et des forets, et à l'utilisation de moteurs électriques, des perceuses à grande échelle et à hautes performances ont finalement été fabriquées.
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