Fraiseuse

Une fraiseuse taille le métal avec un outil rotatif à plusieurs dents, la fraise, pendant que la pièce, bridée sur une table, passe devant elle le long de glissières guidées. Elle fait des faces planes, des rainures, des gorges et des dents d'engrenage. Janello Torriani, horloger de Charles Quint, construisit une machine à lime rotative pour tailler les dents des roues d'horloge, que le chroniqueur Ambrosio de Morales décrivit en 1575. Des fraiseuses de mécanique générale travaillaient dans les manufactures d'armes américaines dès 1818, et la fraiseuse universelle de Brown & Sharpe, en 1862, a ajouté la console qui porte encore la table de bien des machines.

Ce que c’est

Une fraiseuse enlève le métal avec une fraise qui tourne sur un axe fixe, pendant que la pièce se déplace devant elle. C’est l’inverse du tour, où la pièce tourne et l’outil reste immobile. Comme la pièce peut avancer en ligne droite dans trois directions, la fraiseuse fait des faces planes, des épaulements, des rainures, des logements de clavette et les dents des engrenages, et elle peut tailler les goujures en spirale d’un foret.

Une forme courante dans les ateliers depuis la fin du XIXe siècle est la fraiseuse horizontale à console et colonne. La fraise est montée sur un axe horizontal, l’arbre porte-fraise, entraîné par la broche logée en haut d’une lourde colonne. La pièce est bridée sur une table qui repose sur un chariot, et le chariot sur une console qui monte et descend le long de la face avant de la colonne. Sur une fraiseuse verticale, la broche pointe vers le bas et porte une fraise en bout, qui a des dents à son extrémité et sur ses flancs.

Comment ça marche

Chaque dent de la fraise enlève un petit copeau en traversant la pièce, puis sort de la coupe et a le temps de refroidir avant de revenir. Avec beaucoup de dents, la fraise enlève vite le métal et laisse une face assez lisse. La table fait avancer lentement la pièce sous la fraise ; la distance parcourue à chaque tour de fraise fixe la taille des copeaux et l’état de la surface.

Une fraise cylindrique, une fraise disque à trois tailles et une fraise en bout.

La forme de la fraise donne la forme de la coupe. Une fraise cylindrique à dents en spirale dresse une surface plane ; une fraise disque à dents sur le pourtour et sur les deux faces taille rainures et épaulements ; une fraise dont les dents ont le profil d’un creux d’engrenage taille un creux de dent à la fois. Sur une machine horizontale, l’arbre est tenu à ses deux bouts, dans la broche et dans un support pendant fixé au bras supérieur, pour qu’il ne fléchisse pas sous l’effort.

Trois glissières placent la pièce contre la fraise. La table se déplace en long, le chariot en travers et la console en hauteur, chacun sur sa propre vis, tournée par un volant à tambour gradué ; sur les grandes machines, une transmission à engrenages fait avancer la table toute seule. Pour tailler des dents régulièrement espacées sur le tour d’une roue, on monte la pièce sur un diviseur, qui la fait tourner d’une fraction de tour donnée entre deux passes. Sur la fraiseuse universelle de Brown & Sharpe, en 1862, le diviseur pouvait aussi être relié à la table par des engrenages : la pièce tournait pendant qu’elle avançait, et la fraise laissait une rainure en spirale.

La coupe est brutale pour la machine. La fraise accroche la pièce et, sur une machine horizontale, elle peut entraîner la table quand la pièce avance dans le même sens que les dents. On serre la pièce dans un étau ou on la boulonne sur la table, et on bloque les glissières qui ne doivent pas bouger.

Comment faire

Cette démonstration montre à la main le principe du fraisage, dans de la cire de bougie. L’outil tourne sur un axe fixe et la pièce passe devant lui sur une table guidée. Il faut être deux. Prévoyez une chignole, un étau d’établi, une mèche à bois de 8 mm ou une petite râpe rotative, un bloc de cire de bougie ou de paraffine d’environ 3 cm d’épaisseur, une planchette lisse d’environ 30 cm, une règle de bois droite, deux serre-joints et un morceau de bois pour pousser.

La chignole reste en place et la cire passe devant la mèche qui tourne, guidée par la règle.

Serrez doucement l’étau sur le bâti de la chignole, pour qu’elle soit couchée à l’horizontale, la mèche pointée de côté au-dessus de l’établi et la manivelle libre de tourner. Bridez la règle sur l’établi, perpendiculaire à la mèche, comme guide. Collez le bloc de cire près du bord avant de la planchette avec quelques gouttes de cire fondue. Posez la planchette contre la règle et glissez dessous de minces cartons jusqu’à ce que la mèche arrive à mi-hauteur de la cire.

L’un tourne la manivelle régulièrement. L’autre garde la planchette contre la règle et la pousse lentement avec le morceau de bois, de sorte que le flanc de la cire rencontre la mèche qui tourne et défile devant elle. La mèche taille une rainure le long du bloc. En poussant lentement, la rainure sort nette ; en poussant vite, la mèche arrache des morceaux de cire. Ajoutez un carton sous la planchette pour tailler une seconde rainure plus bas, comme la console soulève la pièce sur une vraie machine.

Histoire et évolution

Les horlogers avaient besoin de nombreuses roues aux dents régulièrement espacées, et les tailler une à une à la lime était long. La réponse fut la machine à tailler les roues, où une petite fraise rotative creusait les intervalles des dents d’une ébauche de laiton pendant qu’un plateau placé sous l’ébauche divisait le tour en pas égaux.

Une petite fraise rotative taillait les creux des dents d’une roue l’un après l’autre, là où l’on se servait auparavant de la lime.

La plus ancienne machine connue de ce genre fut construite par Janello Torriani, horloger de Charles Quint et de Philippe II ; le chroniqueur Ambrosio de Morales la décrivit en 1575, et l’historien Cristiano Zanetti identifie son outil comme une lime rotative. Le Science Museum de Londres en conserve un exemplaire anglais plus tardif, attribué à Humphrey Marsh, de Highworth, d’après une signature sous son plateau. L’ébauche est posée sur un axe porté par un plateau, et la fraise tourne dans un cadre monté sur paliers, entraînée par une manivelle au moyen d’engrenages, si bien qu’on peut la faire basculer dans l’ébauche à mesure que la coupe s’approfondit. Ces machines se répandent au XVIIIe siècle : le Winterthur Museum en conserve une, faite dans les années 1770 par Nathaniel Dominy IV, à manivelle, pour tailler des roues d’horloge en laiton ; le musée souligne qu’elle divisait exactement les dents et épargnait à l’horloger de les tailler une à une à la lime.

La fraiseuse de mécanique générale est née dans les manufactures d’armes américaines, où l’État voulait des pièces de fusil montables sur n’importe quelle arme du même modèle. En 1813, Simeon North, de Middletown dans le Connecticut, signe un contrat pour 20 000 pistolets à pièces interchangeables, et l’American Precision Museum lui attribue la première fraiseuse connue, en service en 1818. Elle façonnait des pièces jusque-là limées à la main. Une machine longtemps attribuée à Eli Whitney et datée d’environ 1818 a en fait été construite après sa mort en 1825, selon l’historien Edwin Battison. En Angleterre, Richard Roberts présente en 1834 une « perceuse à rainurer » qui fraisait les rainures des coussinets de locomotives, une des premières fraiseuses verticales.

En 1862, Joseph R. Brown, de Brown & Sharpe à Providence, livre sa fraiseuse universelle à la Providence Tool Company, où Frederick Howe devait tailler les goujures en spirale des forets hélicoïdaux, jusque-là faites à la lime. Sa table était portée par une console et pouvait être orientée en biais, et un diviseur à engrenages l’accompagnait. En 1952, le Servomechanisms Laboratory du Massachusetts Institute of Technology équipe une fraiseuse Cincinnati Hydrotel de moteurs sur ses trois glissières, commandés par des ordres perforés sur une bande de papier : c’est la première machine-outil à commande numérique, ancêtre des centres d’usinage pilotés par ordinateur d’aujourd’hui.