Nom des élèves : Valentin D. Classe de 5^ème B
Henry H.

Raphaël H.

Martin L.

Dossier de technologie 2003-2004

DU TOUR DU POTIER AU TOUR NUMERIQUE…

L’EVOLUTION DES MACHINES-OUTILS

Selon le nouveau Larousse illustré de 1904 : « la machine outil est une machine dont l’effet final est un outil mis en mouvement, et qui a pour but de remplacer la main de l’homme lors du façonnage des matières ». Suivant cette définition, l’évolution des machines-outils commence il y a plus de cinq mille ans avec les premiers tours à potier. En effet, comme l’artisan utilise rotation et friction produite par le tour, il a les mains libres pour modeler la poterie puis, à partir du Moyen Âge, sculpter le bois.

A travers l’évolution des machines-outils, du tour du potier au tour numérique, apparaissent en filigrane de nombreuses tendances qui ont déterminé l’histoire de l’humanité.

D’abord, l’histoire des techniques qui a été influencée par la succession des types d’énergie utilisée : la force de l’homme (le pied sur la pédale), celle du vent ou de l’eau (au XVIe siècle, grâce à la mécanisation du système d'entraînement, le tour fut couplé à des moulins et autres roues à aubes), la combustion du charbon (la machine à vapeur), l’électricité (mais aussi l’énergie lumineuse, chimique , acoustique jusqu‘au faisceau à particule) puis le développement de l’informatique.

Ensuite l’histoire des objets qui a suivi l’évolution des matériaux utilisés, la terre, le bois, le métal puis les matières les plus diverses et les alliages développés pour les besoins de la technologie moderne.

Enfin, l’histoire des machines outils soulève des questions de société comme la condition du travailleur ( de l’ouvrier à la chaîne, esclave de la machine outil, jusqu’au technicien responsable des tours numériques sans oublier les travailleurs peu qualifiés confrontés au chômage…) et la condition de l’homme moderne. La production standardisée et les gains de productivité permis par les machines outils ont en effet pu lui offrir la consommation de masse et le temps libre.

DU TOUR DU POTIER AU TOUR NUMERIQUE …

De simples boules d’argile sont transformées en vase par les tours des potiers 3 500 ans avant Jésus-Christ, ce sont les premières machines-outils. Des rondins deviennent des quilles et des boules sur le tour à bois. Les objets uniques que les artisans fabriquent au tour à pédale ou à manivelle font place aux milliers de pièces identiques réalisées par des machines-outils de plus en plus perfectionnées. Précises et rapides, les nouvelles machines numériques sont pilotées par ordinateur et remplacent le savoir-faire de l’ouvrier.

L’EVOLUTION DES MACHINES-OUTILS

LES PREMIERES MACHINES-OUTILS

En 3500 avant J.C, l'homme a déjà inventé quelques machines, par exemple le tour du potier. Plus tard, le tour à bois transforme des rondins en quilles et en boules. Jusqu'à la Renaissance, les tours ont été actionnés à la main, par des artisans, avec un arc en bois ou au pied avec une pédale. Au 16^e siècle, Léonard de Vinci perfectionne les tours à bois de son temps et il étudie des projets de machines capables de fabriquer des objets sans l'homme.

LES PREMIERES MACHINES-OUTILS MOTORISEES

Les premières machines-outils sont inventées vers 1760. Verbruggen construit une machine à aléser*, c'est-à-dire à calibrer* les canons et Vaucanson conçoit le premier tour à charioter* et une perceuse dont les divers dispositifs devinrent les organes essentiels de la machine-outil.

Construit par Watt en 1775, le moteur à vapeur révolutionne l'industrie. Dans les vastes usines, la force motrice* de la machine à vapeur est transmise aux machines-outils par des poulies et des courroies. Des blocs de métal sont creusés par des fraiseuses* ou découpés par des étaux limeurs* pour obtenir des pièces plus complexes. Les machines-outils guidées par des ouvriers commencent à réaliser des pièces en série.

LA REVOLUTION INDUSTRIELLE

La plupart des machines-outils avaient été inventées à la fin du XVIIIe siècle, mais c'est au cours du XIXe siècle, et particulièrement après 1830, qu'elles vont se répandre et se transformer en machines industrielles.

Grâce à la machine-outil, l'industrie progresse au XIXe siècle. La machine-outil transforme le fer : elle le taille, le lime, le perce pour fabriquer avec précision toutes sortes de pièces: vis, roues dentées, tiges ou cylindres.

Au début du XIXe siècle, les ingénieurs anglais prennent beaucoup d'avance. Leurs machines-outils, tours à fileter* les vis et les boulons, tours à mortaiser* ou les machines à encocher*, fabriquent en série. La marine britannique installe, en 1803 à Portsmouth, la première chaîne de montage : 45 machines spécialisées fabriquent 130 000 poulies par an pour les navires à voile. A la même époque, l'Américain Whitney invente un outillage capable de produire des pièces de fusils identiques.

Ces nouvelles méthodes de production améliorent le travail des ouvriers. Travaillant dans des usines, ils effectuent des tâches qui ne demandent plus beaucoup

de qualification.

Machines-outils dans un atelier d'usine du XIXe siècle

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LE MOTEUR ELECTRIQUE

A la fin du XIXe siècle, dans les usines, un seul moteur à vapeur fait fonctionner l’ensemble des machines-outils reliées entre elles grâce à un système d’arbres, de poulies et de courroies. L’invention de l’électricité permet de remplacer le moteur à vapeur par le moteur électrique. Puis on donne à chaque machine son propre moteur. Ceci diminue le nombre d’accidents, réduit la consommation d’énergie et améliore les conditions de travail. En 1927, les outils en carbure de tungstène* perfectionnent encore les machines-outils.

LE TRAVAIL A LA CHAINE

Le travail à la chaîne a bouleversé la vie des ouvriers. Il a été inventé au début du XXe siècle aux Etats-Unis, par Taylor. En 1913, Henry Ford reprend cette idée, et fait installer dans son usine une chaîne de montage pour accélérer la fabrication de la voiture appelée « la Ford T » De nombreuses usines copient cette façon de travailler, comme dans cette usine de locomotives.

Usine de montage de locomotives (Canadien Pacifique Limitée)

Le temps de fabrication diminue donc très vite, et les produits coûtent moins chers car un ouvrier en fabrique plus pour le même salaire. C'est la mécanisation qui va permettre de fabriquer un plus grand nombre d'objets en beaucoup moins de temps. Ainsi, il ne sera pas nécessaire pour les employeurs de devoir embaucher un ouvrier spécialisé; il suffira de recourir aux services d'un ouvrier non qualifié dont le travail consistera ni plus ni moins qu'à opérer une machine qui exécutera les tâches à sa place.

Exemple : Renault**

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LA MACHINE NUMERIQUE

Dans les années 1970, l’utilisation de l’informatique dans la machine-outil a donné naissance aux machines à commande numérique et a entraîné un profond bouleversement. Une machine-outil à commande numérique est capable de se commander elle-même et de mesurer avec une très grande précision les déplacements de ses pièces, porte-pièces* ou porte-outils* grâce à un système informatique gardant en mémoire la description précise des différentes opérations à effectuer. La description du programme informatique sous la forme d’instructions codées utilisables par la machine à commande numérique est inscrite sur une bande magnétique, la machine doit alors comporter un lecteur de bande, ou est conservée en mémoire dans le micro-ordinateur qui commande directement la machine. Le technicien n’intervient plus que pour programmer la machine et surveiller le bon fonctionnement.

LES NOUVELLES CHAINES ROBOTISEES

La nouvelle chaîne est constituée de machines appelées centres d’usinage**, qui permettent d’exécuter des travaux variés. Par exemple, un centre de tournage**, c’est-à-dire une machine essentiellement conçue pour le tournage, réalise, sans démontage de la pièce, des opérations de fraisage ou de perçage. Un tel centre possède généralement deux tourelles* indépendantes de tournage pouvant travailler simultanément l’usinage* extérieur de la pièce pendant que l’autre assure celui de l’intérieur. Les centres d’usinage sont au contraire des centres de «fraisage» **, c’est-à-dire des machines destinées d’abord aux travaux de fraisage et d’alésage, auxquels peuvent s’ajouter des opérations de perçage, taraudage*, etc.

Des chariots filoguidés* transportent les pièces d’un centre à un autre. De même, le chargement et le déchargement des pièces sont assurés soit par des dispositifs incorporés dans les centres eux-mêmes, soit par des robots, qui sont des bras articulés dotés d’un programme de commande.

Les centres sont commandés par des micro-ordinateurs reliés à un ordinateur central chargé de la gestion de l’ensemble de la chaîne. Cet ordinateur doit être capable de reconnaître les pièces, puisque la chaîne est destinée à l’usinage de pièces différentes, conserver en mémoire les programmes correspondants et, en fonction de la pièce reconnue, adresser le programme convenable au centre concerné. Si les pièces sont prélevées à partir d’un stock en vrac ou semi-ordonné, le robot qui les saisit doit comporter des capteurs* permettant de les distinguer en comparant certaines de leurs dimensions.

L’«ATELIER SANS HOMME»

L’expression «atelier sans homme» correspond au stade final de l’évolution des machines-outils à commande numérique et de la réalisation des chaînes robotisées. Cette évolution se traduit en effet par une réduction progressive de l’intervention humaine, les opérateurs* devenant moins nombreux et ayant surtout un rôle de surveillance.

L’étape suivante consiste donc à rendre cette surveillance inutile, au moins pendant un certain temps, pour permettre par exemple à une chaîne de fonctionner seule pendant la nuit, en préparant à l’avance un stock suffisant de pièces à usiner. Parmi les problèmes à résoudre, on doit encore régler celui du changement des outils. Une solution simple consiste à définir la durée de vie de chaque outil, afin que, lorsque cette durée est atteinte, l’ordinateur adresse l’ordre de remplacement au centre qui possède déjà les moyens permettant de réaliser automatiquement le démontage de l’outil usé et le remontage de l’outil neuf.

Toutefois, sans surveillance humaine, un incident mineur et localisé peut provoquer soit un accident plus grave, soit une immobilisation générale de l’installation.

*voir le lexique

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CONCLUSION

Aujourd’hui, l’outil informatisé, appelé commande numérique, remplace de plus en plus l’équipement manuel et permet de programmer à l’avance les opérations à réaliser. Les pièces sont parfois fabriquées jusqu’au millième de millimètre et peuvent valoir plusieurs milliers d’euros !

Mais, si la machine-outil remplace l’homme pour l’exécution de certaines tâches, celui-ci sera toujours indispensable pour la programmer et assurer la maintenance. C'est le technicien en usinage qui assurera la fabrication des pièces que l’on retrouvera dans l’automobile (moteur), l’industrie métallique, l’aviation (train d’atterrissage), le médical (broche pour relier les os) ou encore le spatial. C'est lui qui concevra des éléments qui peuvent être de quelques millimètres ou de plusieurs mètres.

Les métiers de l’usinage sont associés aux machines utilisées : on distingue par exemple le tourneur, le fraiseur, le rectifieur…

Le technicien en usinage est précis, observateur, capable de se représenter mentalement les pièces en 3 dimensions à partir d’un plan. En effet, imaginer un élément en 3D sur la base de croquis ou de plans, le voir évoluer dans l’espace et créer un prototype de production sont pour lui ses principales activités.

Aujourd’hui, le technicien est indispensable pour le bon fonctionnement des toutes les machines. Mais l’avenir est peut-être aux « ateliers sans hommes » et on peut se poser la question :

« La machine remplacera-t-elle un jour définitivement l’homme ? »

Des machines qui fabriquent… des machines !

DOCUMENTS ANNEXES

DIFFERENTES MACHINES-OUTILS NUMERIQUES

Suivant la norme E60-001, les machines-outils sont classées en six catégories :

1° Machines travaillant par enlèvement de métal (tours, machines à fileter, à tarauder, à raboter, à percer, à fraiser…) 2° Machines travaillant par déformation du métal (machines non hydrauliques ou hydrauliques à déformer les métaux).

3° Machines de soudage et oxycoupage (machines à souder classées dans les normes CNS}.

4° Machines à bois (scies à ruban, scies circulaires, machines à raboter, à profiler, tours à bois, etc. ).

5° Machines-outils électriques portatives ( à percer, tarauder, meuler, scier, etc.).

6° Machines-outils pneumatiques (marteaux, fouloirs, machines à visser, à perforer, etc.).

EXEMPLES DE MACHINES-OUTILS

LA FRAISEUSE EXECUTE TOUTES SORTES DE TRAVAUX SUR UNE PIECE METALLIQUE A L’AIDE D’UNE FRAISE : DEFONCAGE, RAINURAGE, SCIAGE, TAILLAGE D’ENGRENAGE…

LE TOUR : POUR USINER UNE PIECE, ANIMEE D’UN MOUVEMENT DE ROTATION AUTOUR D’UN AXE, PAR ENLEVEMENT DE MATIERE.

Il y a des tours horizontaux, verticaux, en l’air ou fron- taux, automatiques, parallè-

les de décolletage (pour l’usinage direct de pièces à la suite les unes des autres dans une barre de métal tronçonnée au fur et à mesure de leur fabrication). Le tournage (action d’usiner une pièce sur un tour) est une des opérations les plus courantes dans l’usinage des pièces.

CENTRE D’USINAGE

POUR PERMETTRE L’USINAGE INDUSTRIEL AUTOMATISE (OU LE TOURNAGE) D’UN OUTIL PROGRAMME, A L’AIDE D’UNE FRAISEUSE (OU D’UN TOUR) A COMMANDE NUMERIQUE

DIFFERENTES OPERATIONS REALISEES PAR LES MACHINES-OUTILS

OPERATIONS DE PERCAGE

OPERATIONS REALISEES PAR UNE MORTAISEUSE

DECOMPOSITION DES OPERATIONS D’USINAGE D’UNE PIECE SUR UN TOUR

LE TRAVAIL A LA CHAINE

Ateliers de montage de châssis à Billancourt en 1907

Sur cette photo nous pouvons voir des ouvriers en plein travail.

Les châssis sont alignés rigoureusement. Apparemment il y a un ouvrier pour chaque véhicule.

Le travail à la chaîne n'existe pas encore.

Entre 1898 et 1905, la productivité chez Renault est stable. A partir de 1905, cette productivité augmente. Le nombre de voitures produites devient deux fois supérieur au nombre d'ouvriers. Ainsi, le rapport « ouvriers-production » double de 1905 à 1913, ce qui s'explique par l'introduction du taylorisme à partir de 1908.

Aspects négatifs : Le travail à la chaîne a été immortalisé par Charlie Chaplin en 1936. Charlot est ouvrier dans une gigantesque usine. Il resserre quotidiennement des boulons. Mais les machines et le travail à la chaîne le rendent malade, il abandonne son poste, recueille une orpheline et vit d'expédients. Le vagabond et la jeune fille vont s'allier pour affronter ensemble les difficultés de la vie... Ce film relate les cotés négatifs du travail à la chaîne, notamment l’asservissement de l’ouvrier à sa machine.

Le travail à la chaîne consiste à faire toujours les mêmes gestes à un poste de travail occupé par un ouvrier.

BIBLIOGRAPHIE

Comment c’est fait ? de Denys Prache Editions Larousse

Des machines et des robots Les racines du savoir Sciences Gallimard Jeunesse

Histoire du Fer Bibliothèque de Travail n° 918

La commande des machines-outils de A. Fouillé Dunod

LOGICIELS

Comment ça marche ? David Macaulay

Encyclopédie Encarta 2003

Encyclopédie Larousse Multimédia

Encyclopaedia Universalis version 7

SITES INTERNET

technopass.be

LEXIQUE

Aléser Alésage : Usinage très précis de la surface intérieure d'une pièce de révolution, amenant celle-ci à la cote prévue.

Broche : Technique Arbre d'une machine-outil qui reçoit et transmet le mouvement de rotation à la pièce usinée.

Calibrer calibrage : Armement Diamètre intérieur de l'âme d'une bouche à feu. Technique : Instrument servant de comparaison pour le contrôle des fabrications mécaniques.

Came : Pièce non circulaire à saillie ou encoche, servant à transformer un mouvement de rotation en un mouvement de translation : Arbre à cames.

Capteur : Dispositif qui délivre, à partir d'une grandeur physique, une autre grandeur, souvent électrique, fonction de la première et directement utilisable pour la mesure ou la commande.

Carbure de tungstène : Métal de couleur gris-noir, utilisé pour fabriquer des filaments pour lampes à incandescence, des résistances chauffantes et, en alliage avec l'acier, des outils.

Etaux limeurs : Machine à raboter dans laquelle le mouvement de coupe est obtenu par la translation rectiligne de l'outil.

Filoguidés : Se dit d'un engin relié à son poste par un fil qui sert à transmettre les ordres à son système de guidage.

Fraisage : Action d’usiner à l’aide d’un outil rotatif de coupe, comportant plusieurs arêtes tranchantes, régulièrement disposées autour d'un axe.

Machine à encocher : Machine pour exécuter des entailles.

Opérateur : Personne qui fait fonctionner un appareil 

Porte-outil : Organe d'une machine-outil qui reçoit l'outil.

Taraudage : Exécuter le filetage d'un trou à l'aide d'un taraud.( Outil à main ou à machine servant à

effectuer des filetages à l'intérieur des trous de faible diamètre destinés à recevoir des vis.)

Tour à charioter : Machine servant à usiner une pièce extérieurement

.

Tour à fileter : Pratiquer le filetage (opération consistant à creuser une rainure hélicoïdale le long d'une surface cylindrique) d'une vis, d'un écrou, etc.

Tour à mortaiser : Machine utilisée pour creuse une cavité de section rectangulaire dans une pièce de bois ou de métal pour recevoir le tenon (extrémité d'une pièce qu'on a façonnée pour la faire entrer dans un trou, la mortaise, pratiqué dans une pièce destinée à être assemblée à la première)'une autre pièce.

Tourelle de machine-outil : support d'outils de coupe comportant plusieurs outils différents, régulièrement disposés autour de l'axe de révolution de ce support.

Tournage : Action d'usiner au tour.