MÉCANIQUES (FABRICATIONS)


MÉCANIQUES (FABRICATIONS)
MÉCANIQUES (FABRICATIONS)

On entend par fabrications mécaniques la mise en œuvre de tous procédés ou moyens propres à la production industrielle d’éléments ou d’ensembles réalisant soit des fonctions purement mécaniques (transmissions: engrenages par exemple), soit des fonctions complexes faisant appel à d’autres techniques (électricité, électronique, pneumatique, hydraulique, ultrasons).

On a longtemps assimilé les fabrications mécaniques (le terme construction mécanique est plus restrictif) à l’industrie du travail des métaux. Cette notion est à réviser pour tenir compte de l’utilisation croissante qui y est faite de matériaux non métalliques (plastiques, composites, caoutchouc, etc.).

Les équipements ou objets produits par les fabrications mécaniques sont utilisés dans toutes les branches de l’activité humaine: production et transport d’énergie, transports et manutentions, machines de toutes sortes, construction électrique, équipements agricoles, appareils de mesure, équipement ménager, matériel de bureau, de travaux publics, etc.

En définitive, les fabrications mécaniques constituent le dénominateur commun de toutes les industries. Leur rôle est capital dans la création et la production des équipements de plus en plus nombreux et perfectionnés nécessaires à une population mondiale sans cesse croissante et souvent dramatiquement dépourvue.

Pour donner une idée de leur importance relative, disons que, dans un pays fortement industrialisé, elles représentent 20 p. 100 environ du produit national brut, 30 p. 100 si on leur ajoute la métallurgie proprement dite. Ces pourcentages seraient évidemment beaucoup plus élevés si on les calculait par rapport à la seule activité industrielle.

Les procédés utilisés se rattachent aux méthodes thermiques (fonderie, forgeage à chaud, soudure, traitement des métaux), mécaniques (usinage par enlèvement de matière, formage et forgeage à froid, extrusion, assemblage plus ou moins automatique), électriques (usinage par électro-érosion ou étincelage), chimiques (attaque à l’acide, électrolyse) et électroniques (faisceau électronique, laser). Plusieurs de ces méthodes peuvent être utilisées simultanément: frittage, usinage à chaud, meulage électrolytique, etc.

Les techniques électroniques et informatiques se développent en vue de réaliser la commande automatique des séquences opératoires: commande numérique des machines avec programmation manuelle ou automatique ou commande directe par ordinateur central, optimisation des conditions de travail (commande «adaptative»), contrôle quantitatif et qualitatif de la production, vérification, réglage et échange automatiques des outils, chargement, déchargement et transfert automatiques des pièces, etc.

Cette évolution technologique doit également permettre de détecter automatiquement les anomalies de fonctionnement, soit pour les corriger, soit pour commander l’arrêt de l’installation si cette correction automatique est impossible. On arrivera ainsi progressivement à l’«usine sans homme» ou, plus exactement, à l’«usine sans opérateur», les interventions humaines consistant à surveiller, modifier, réparer, surmonter les difficultés imprévues. Cette évolution technologique devra donc être accompagnée d’une évolution radicale des structures et, surtout, d’une nouvelle organisation du monde du travail.

1. Évolution technologique générale

Allégement des opérations de finition

Aux procédés employés pour obtenir les dimensions et spécifications finales des pièces et qui consistent à enlever la matière surabondante se substituent de plus en plus des méthodes ayant pour but de mettre la matière qu’il faut à l’endroit où elle est nécessaire. Cette tendance a pour conséquence d’exiger une bien plus grande précision des produits semi-finis, afin que les opérations de finition entraînent peu de déchets (chutes et copeaux). Cette réduction des déchets présente de nombreux avantages: économies de matière, d’énergie, de machines, d’outils, d’entretien, de main-d’œuvre directe et indirecte; sécurité améliorée; simplification de l’évacuation et du traitement des déchets, etc.

De plus, les opérations ultérieures de finition agissant par enlèvement léger de matière ne provoquent pas sur les pièces des tensions internes plus ou moins profondes qui peuvent entraîner par la suite des déformations, soit au cours du traitement thermique, soit au moment de leur assemblage.

On peut donc dire qu’une part importante de la responsabilité du prix de revient et de la qualité se déplace vers l’«amont», c’est-à-dire vers la fabrication des produits semi-finis (forgeage, fonderie, etc.).

Sur le plan de la qualité des produits finis, on constate une exigence croissante de précision, afin que ces produits soient non seulement parfaitement ajustables et interchangeables, mais également capables de performances sans cesse améliorées (puissance, vitesse, résistance à l’usure, etc.). Les méthodes de parachèvement ne doivent donc pas produire des élévations de température nuisibles à la précision des machines et des pièces; elles sont de plus en plus fréquemment réalisées à l’intérieur de locaux dont la température est maintenue rigoureusement constante.

Évolution des matériaux de base

Un autre moyen de réduire le prix de revient final est d’avoir recours à des matériaux pouvant répondre à de nouvelles conditions d’emploi: résistance à la fatigue, à la corrosion, aux températures élevées, recherche d’un poids minimal. Citons, par exemple, le titane (dans l’industrie aérospatiale), les métaux dits «exotiques» ou réfractaires, les matières non métalliques telles que plastiques et fibres diverses. Cela se traduit par une vive concurrence, d’une part entre les métaux ferreux et les non-ferreux (en particulier l’aluminium et, dans certains cas, le titane), d’autre part entre les métaux ou alliages légers (aluminium, magnésium, titane), les alliages à base de zinc et de plomb, les plastiques et les matériaux composites.

L’automatisation

L’automatisation s’est d’abord développée pour les opérations sur machines quand on s’est aperçu que les progrès considérables accomplis dans les procédés de travail, les outils, les vitesses de coupe et d’avance laissaient subsister le problème important du service de la machine elle-même, c’est-à-dire les opérations manuelles de mise en place des pièces, de leur fixation sur la machine, de la manœuvre de celle-ci. L’automatisation s’applique non seulement aux machines-outils, mais au forgeage, à la fonderie, au travail de la tôle (presses, soudure, etc.), aux traitements thermiques, ainsi qu’à la vérification des pièces.

L’automatisation s’est ensuite appliquée aux opérations d’assemblage, son but étant d’obtenir une plus grande fiabilité des organes montés.

Grâce au développement rapide des machines à commande numérique [cf. MACHINES-OUTILS] et aux progrès technologiques, les automatismes sont devenus progressivement «flexibles», c’est-à-dire capables de s’adapter à des fabrications variables et diversifiées.

2. Matériaux de base

La consommation des métaux ferreux augmente, mais ceux-ci sont fortement concurrencés par les métaux légers, en particulier l’aluminium. Il faut noter un mouvement très marqué vers une amélioration de leur qualité, surtout pour les usages difficiles où la fatigue et la sécurité jouent un rôle prépondérant. Il s’agit, notamment, d’augmenter la pureté du métal et d’éliminer toutes les microsolutions de continuité, constituées par exemple par des retassures ou des inclusions. Aussi utilise-t-on de plus en plus les procédés de dégazage et de désoxydation et la coulée continue. Pour faire face à la concurrence des métaux légers, les sidérurgistes ont développé les aciers maraging à forte proportion de nickel (de 18 à 25 p. 100) renfermant également du cobalt, du molybdène et même du titane, se travaillant normalement après recuit à 800 0C, et subissant une opération de durcissement à basse température (480 0C) qui ne crée pas de déformation (maraging ). On voit également progresser et se perfectionner les aciers inoxydables (stainless steels ).

Parmi les métaux légers, la progression de l’aluminium est spectaculaire et ses utilisations se sont considérablement étendues. En particulier, certains alliages d’aluminium à teneur élevée en silicium (16 p. 100) peuvent avoir des propriétés physiques comparables à celles de la fonte.

L’évolution actuelle concerne surtout l’utilisation de métaux légers, le titane notamment, qui possède une haute résistance aux températures élevées et dont l’emploi a été exigé par l’industrie aérospatiale. La mise en service d’avions se déplaçant à des vitesses supérieures à Mach 2,5 élimine l’emploi de l’aluminium, qui fond à 650 0C. Le titane, plus lourd (densité 4,5), fond à 1 735 0C, mais son utilisation pose d’énormes problèmes de métallurgie (approvisionnement en minerai, mise en forme et usinage du métal). De nouvelles méthodes sont mises en œuvres pour la fonderie et le forgeage de pièces en titane de plus en plus importantes et précises. Les problèmes d’usinage sont difficiles à résoudre en raison de la faible conductibilité thermique du métal qui, de plus, a une tendance à constituer un alliage extrêmement dur avec l’oxygène dès que la température due au travail des outils dépasse 500 0C à 600 0C.

Les métaux réfractaires, ou «exotiques» (cf. tableau), ont, en général, de faibles coefficients de dilatation et une grande conductibilité thermique; aussi permettent-ils la fabrication de moules pour la coulée sous pression des métaux ferreux. Seuls ou combinés par deux (tantale-niobium, zirconium-hafnium, etc.), ils peuvent résister aux hautes températures de fusion des aciers. L’utilisation de ces métaux très difficiles à usiner et à souder a obligé les techniciens à employer de nouvelles méthodes telles que l’attaque chimique, l’électro-érosion, l’usinage électrochimique et les procédés par focalisation d’énergie comme le faisceau électronique et le laser qui, depuis, sont utilisés parfois pour des métaux courants à l’état trempé.

3. Produits semi-finis

Fonderie

Fonderie classique (au sable)

Les nouveaux procédés dits «en carapace» ou «en boîte chaude» s’accommodent de faibles dépouilles de démoulage, ce qui permet de réduire les surépaisseurs d’usinage et, par conséquent, les déchets.

L’emploi de la fonte à graphite sphéroïdal (fonte nodulaire ou ductile-iron ) améliore considérablement la coulabilité et l’usinabilité, les possibilités de durcissement superficiel ainsi que la résistance mécanique finale.

Grâce au perfectionnement de ce procédé, il est possible d’obtenir directement – sans traitement thermique ultérieur – des pièces brutes malléables et usinables (pour des épaisseurs supérieures à 5 mm). Le prix de revient, la précision et la gamme de nuances possibles sont très améliorés par rapport à la fonte malléable classique (perlitique ou ferritique), plus facile à obtenir, mais nécessitant un traitement thermique générateur d’inévitables déformations.

L’automatisation s’applique également au domaine de la fonderie: composition et manutention des charges, contrôle de la fusion avec analyse continue du métal et des paramètres tels que la température de l’air soufflé, la teneur en eau, le taux de coke, la température du métal au bec de coulée, etc.

La stabilisation du métal liquide est ensuite obtenue dans des fours de maintien chauffés par induction, de grande capacité et de préférence du type à anneau ouvert. On emploie des méthodes de contrôle non destructives (ultrasons, etc.).

Fonderie sous pression

La fonderie sous pression, appliquée surtout aux métaux légers et aux plastiques, constitue un des moyens les plus efficaces pour parvenir à une plus grande précision des pièces et obtenir des formes définitives qui permettent d’éliminer certaines opérations (en particulier le perçage et le fraisage).

Dans ce domaine, un nouveau pas a été réalisé par la méthode dite acurad . Celle-ci consiste à introduire le métal dans le moule par de larges orifices, à des vitesses et à des pressions relativement faibles afin d’éviter l’émulsion. On augmente la pression en fin de course par l’action d’un piston auxiliaire. Par la suite, le cycle de refroidissement du moule est rigoureusement contrôlé. Les pièces ainsi obtenues sont dépourvues de soufflures ou d’inclusions.

De très importants progrès ont également été réalisés dans le transport du métal liquide du four de fusion au moule. On contrôle la quantité exacte du métal à injecter en évitant toute oxydation ou détérioration de celui-ci.

Le piercing , qui s’apparente à la coulée sous pression, est applicable à des pièces creuses d’assez faibles dimensions. Le métal est d’abord coulé dans un moule simple ou démontable, puis un poinçon est introduit pour former la partie intérieure. La matière est ainsi «tassée» contre les parois du moule. On obtient des pièces de grande précision, de haute résistance, très homogènes et avec d’excellents états de surface. Ce procédé a d’abord été employé pour le bronze, mais son application à l’aluminium s’étend.

Soufflage de métal liquide

Le procédé de soufflage de métal liquide s’inspire du soufflage du verre. On introduit, au moyen d’un tuyau, un gaz neutre dans un bain de métal liquide; la bulle ainsi formée est dirigée vers un moule dont l’orifice est tourné vers le bas à l’intérieur du métal fondu; elle tapisse la partie intérieure du moule et se fige. On obtient ainsi des pièces de formes même compliquées dont les épaisseurs varient de 0,1 à 3 millimètres et sont assurées à 2 p. 100 près. Ce procédé d’abord employé pour de petites pièces en aluminium (étuis ou containers), a vu ses possibilités étendues et rendues plus intéressantes par l’emploi de machines multipostes à tourelle (culots d’ampoules électriques). Il concurrence les procédés par emboutissage utilisant la tôle et permet également d’obtenir, par dépôts successifs, des «sandwiches» de matières différentes.

Fonderie par cire ou modèle perdu investment )

Le procédé de fonderie par cire, connu depuis la plus haute antiquité, a de nombreuses applications. Son avantage essentiel réside dans le fait qu’il supprime toute difficulté de démoulage. On obtient des pièces de formes quelconques pesant jusqu’à 1 kilogramme et dont la précision peut atteindre 梁 0,07 mm avec de bons états de surface. Un perfectionnement consiste à remplacer les modèles fusibles par des modèles solubles (urée), ce qui évite les déformations résultant du chauffage.

Les moulages au sable (P.M.P., V-process ) se substituent dans certains cas à cette technique [cf. FONDERIE].

Forgeage

Forgeage classique à chaud

Le procédé de forgeage à chaud est fortement concurrencé par la fonderie, qui donne plus de «liberté» au dessin de la pièce, augmente sa précision et réduit les déchets de parachèvement et d’usinage; par la tôle emboutie et éventuellement soudée, brasée ou collée, qui réduit le poids et le prix; par le frittage, qui permet une meilleure précision et de meilleurs états de surface; par le forgeage à froid (extrusion, filage) ou à demi chaud, qui augmente la précision et réduit les déchets; par le formage à l’état de «superplasticité».

Le forgeage classique se perfectionne cependant dans le sens d’une plus grande automatisation, grâce en particulier au chauffage par induction et aux presses rapides à postes multiples.

Certains procédés tels que l’impacter permettent des précisions plus grandes (forgeage avec deux masses se déplaçant horizontalement l’une contre l’autre, de part et d’autre de la pièce à forger).

Les méthodes désignées d’une manière générale sous la dénomination de haute énergie instantanée (H.E.R.F., high energy rate forging ) s’appliquent au forgeage par l’emploi de presses dont les vitesses d’impact sont beaucoup plus grandes – jusqu’à 300 mètres par seconde – que celles des presses ordinaires. Ces vitesses permettent l’obtention de pièces plus précises, de meilleure structure, à des cadences très supérieures à celles de la forge classique.

Le forgeage à demi chaud produit des pièces précises non oxydées et non décarburées, en chauffant en dessous des points critiques de transformation. Cette méthode, particulièrement intéressante pour les aciers durs, est également utilisée sur les machines de boulonnerie, le chauffage se faisant par résistance ou par induction.

Le procédé ausforging ou ausforming qui consiste à forger les aciers à une température voisine de la limite inférieure du domaine de l’austénite permet de réduire les déformations et d’améliorer la résistance à la fatigue.

Forgeage à froid. Extrusion

Le forgeage à froid et l’extrusion connaissent un grand succès en raison des énormes avantages qu’ils présentent pour l’économie de métal, pour la précision et l’amélioration des conditions d’utilisation. Leur domaine empiète de plus en plus sur celui du décolletage. Dans les machines à postes multiples travaillant dans la barre ou le fil (machines dites «progressives»), on obtient des pièces de formes compliquées, même dissymétriques, à des cadences très élevées.

Dans un domaine différent, on réalise par roulage ou martelage à froid certaines dentures d’engrenages. Des pièces telles que les croisillons de cardans, par exemple, peuvent être produites à des cadences extrêmement élevées en soudant deux éléments extrudés à froid. On pratique également l’extrusion à froid hydrostatique, c’est-à-dire dans un milieu hydraulique à très haute pression, celle-ci pouvant atteindre 170 et même 300 hectobars. On peut ainsi obtenir des formes compliquées sans risque de formation de criques.

Frittage

Le frittage, ou métallurgie des poudres, permet d’obtenir des pièces de compositions très diverses avec une grande précision géométrique, éliminant souvent toute opération d’usinage.

On obtient des pièces pesant plusieurs kilogrammes (tambours de freins) et pouvant résister à des efforts mécaniques importants. On devrait rapidement aboutir à la production d’engrenages de transmission frittés.

Une amélioration importante a été réalisée par l’utilisation de presses «isostatiques» comportant une chambre flexible permettant une répartition homogène du métal et une densité constante.

On peut également fabriquer des pièces plus importantes par forgeage d’ébauches frittées, ce qui permet d’associer les avantages des deux procédés et d’obtenir des pièces à structure fibrée.

Travail de la tôle (découpage, emboutissage)

De nombreuses pièces, autrefois obtenues par forgeage ou moulage, sont maintenant remplacées par des éléments en tôle emboutie, parfois soudés, brasés ou collés pour constituer des corps creux, plus légers et meilleur marché à égalité de résistance mécanique.

Les opérations d’emboutissage s’exécutent de plus en plus sur des presses «transferts» dans lesquelles les opérations sont effectuées, successivement et automatiquement, comme sur les machines-transferts d’usinage.

Sur les grosses presses d’emboutissage de l’industrie automobile, un gain de temps fort appréciable a été obtenu par l’utilisation de plateaux porte-matrices mobiles (bolsters ), accélérant les opérations de changement d’outillage (qui deviennent de plus en plus fréquentes en raison de la diversification croissante des modèles).

Une nouvelle méthode de découpage de précision utilisant des presses spéciales et des outils compound permet, en évitant la pénétration du poinçon dans la matrice, d’obtenir des pièces plus précises, à bords francs et sans bavure. On évite ainsi les opérations de reprise: calibrage, alésage, ébavurage, planage.

Les méthodes d’emboutissage par expansion sont en progrès. Le procédé Wallace consiste à travailler sur des viroles, en équilibrant radialement les efforts d’emboutissage pour produire deux ou quatre pièces par cycle. Ce système, qui économise la matière, a été perfectionné grâce au remplacement des expanseurs mécaniques intérieurs par des vessies gonflables qui permettent un meilleur équilibrage des efforts. Il est utilisé pour les corps ronds d’appareils ménagers (machines à laver en particulier).

Les procédés par haute énergie instantanée (H.E.R.F.) ou inturgescence sont utilisés pour emboutir, forger, rétreindre, extruder, calibrer des pièces en tôle ou des tubes. Ils emploient, soit un explosif qui peut être lent ou rapide (une ou plusieurs explosions successives), soit un gaz à haute pression, soit une décharge électrique ou magnétique. La grande quantité d’énergie développée de façon presque instantanée (de l’ordre de la milli- ou de la microseconde) est transmise à une très grande vitesse (de l’ordre de 5 000 m/s), soit directement par l’air, l’eau ou un gaz, soit indirectement par un coulisseau mécanique.

Pour l’emboutissage, ces procédés ont en outre l’avantage de ne nécessiter qu’une matrice (et non une matrice et un poinçon). Les pièces obtenues peuvent être de formes quelconques (éléments de prothèse). Les qualités mécaniques du métal ne sont pas changées si on ne dépasse pas une certaine vitesse de déformation.

Le procédé stretch-forming consiste à tirer horizontalement la tôle au-delà de la limite élastique (de 4 à 6 p. 100), au moyen de presse-flans hydrauliques mobiles, et à l’appliquer verticalement de haut en bas sur une forme. La partie supérieure de la presse descend alors pour compléter la mise en forme (parties contre-embouties).

La méthode de fluo-tournage permet de constituer des corps de révolution creux, d’épaisseur variable, en partant de flans ou de tubes plus ou moins épais. L’opération qui utilise le principe du fluage de l’acier se pratique à froid sur un tour spécial muni de mollettes actionnées hydrauliquement. Les applications sont nombreuses dans l’industrie aérospatiale.

Mise en forme à l’état de superplasticité

La mise en forme de matériaux à l’état de superplasticité permet l’obtention de pièces de grande précision; elle peut s’appliquer à certains métaux ou à leurs alliages (aluminium, cuivre, magnésium, titane, aciers au carbone et stainless) ainsi qu’aux métaux frittés et aux céramiques.

En ce qui concerne les métaux, ils doivent, par des additions d’éléments ou des traitements thermiques appropriés, être amenés à une structure à grains très fins, stable dans un assez faible intervalle de températures voisines de la moitié de la température de fusion. À l’intérieur de cet intervalle, ils sont superplastiques et peuvent être mis en forme sous de très faibles pressions, ce qui permet l’emploi d’outillages légers et peu coûteux. Le métal épouse exactement les moindres aspérités du moule et reprend ensuite toutes ses propriétés.

La difficulté principale est de donner cet état de superplasticité à toutes les parties de la pièce, et cela entre des limites de température assez étroites, situées dans les zones de température convenant pour le forgeage à demi chaud et le forgeage par ausforging , qui ne sont séparées que par 100 à 150 0C.

Ce procédé concerne quelques applications pratiques: formage de pièces compliquées en alliage zinc-aluminium ou en aluminium en partant de métal en feuille; fabrication d’engrenages en alliage d’aluminium.

Procédés de soudure et de liaison

La soudure à l’arc «bord à bord» permet souvent d’obtenir des liaisons plus légères et plus économiques que la soudure par points avec recouvrement. Dans les carrosseries d’automobiles, le fractionnement des divers éléments s’en trouve simplifié pour une rigidité finale accrue et un prix réduit.

Les procédés T.I.G. (tungsten inert gas ), M.I.G. (metal inert gas ) et ceux qui utilisent un plasma ont été perfectionnées. Les vitesses de soudure ont été augmentées et les opérations automatisées, y compris la vérification par ultrasons à mesure que l’opération s’effectue (cas des tubes soudés).

La soudure par friction (ou par inertie), c’est-à-dire par pression d’une pièce fixe sur une autre pièce en rotation, est appliquée dans l’industrie automobile, pour la fabrication des soupapes, par exemple. On soude également le nylon par ce procédé. Cette méthode permet de relier des pièces de nature différente adaptées aux besoins locaux, ce qui peut réduire sensiblement le prix et parfois le poids de l’ensemble.

Née de la conquête spatiale, la soudure par bombardement électronique (ou faisceau électronique, E.B.M.) est maintenant d’une utilisation courante. Les capacités des appareils varient du petit appareil portatif aux énormes appareils pour la soudure de grands éléments. À l’origine, ce procédé était utilisé uniquement dans une enceinte (ou sas) sous vide presque absolu. On travaille maintenant sous vide partiel dans le cas de pièces en série (industrie automobile), en raison d’une plus grande facilité de mise en place et de manutention des pièces. Pour les grands ensembles, on opère à l’air libre, ce qui nécessite certaines précautions pour le personnel en raison de la présence de rayons X.

Parmi les procédés de liaison, il faut citer les possibilités de collage au moyen d’adhésifs qui peuvent résister à un certain échauffement, à l’attaque d’agents corrosifs et à l’action du temps. Des structures métalliques complexes (sandwiches «composites» ou «stratifiés») peuvent être obtenues par collage. Elles sont utilisées pour des éléments soumis à des vibrations, à des variations de température ou à des courants parasites. On utilise aussi le collage pour freiner ou arrêter des pièces de liaison, telles que boulons, vis ou écrous. On dispose sous la tête du boulon ou de l’écrou une petite capsule en plastique qui, en s’écrasant sous la pression du blocage, libère un adhésif assurant un freinage efficace et durable (Loctite).

Le collage se substituant aux liaisons classiques par vis, boulons et écrous permet une meilleure répartition des efforts, une moindre déformation des surfaces en contact et une meilleure résistance à la corrosion par la suppression des trous percés ou poinçonnés. Il y a cependant un risque de pollution dû à l’emploi de certains solvants dans les colles.

4. Procédés de finition

Malgré les améliorations considérables dans la production de pièces semi-finies plus précises, les opérations de finition sont encore et seront longtemps nécessaires pour l’obtention de pièces de précision ou lorsqu’il s’agit de petites séries (pièces de rechange, outillage, pièces de machines, entretien, mécanique générale).

Outils de coupe

La grande révolution dans la technique de coupe des métaux a été l’apparition d’outils nouveaux qui ont permis des vitesses de coupe de plus en plus élevées.

Des perfectionnements ont été apportés aux aciers rapides (aciers rapides frittés ou coulés en cire perdue). Il en est de même des carbures métalliques obtenus par frittage (carbure de titane) et des céramiques. Des études systématiques ont été réalisées en vue d’améliorer les caractéristiques des outils et de définir les formes (profils d’attaque et de dépouille) favorisant la fragmentation et l’évacuation des copeaux. Les travaux effectués dans le domaine du perçage, par exemple, ont permis d’augmenter les avances et de doubler la durée des forets; signalons également le développement des forets-alésoirs du type demi-rond (gun-boring ), capables de réaliser en une seule passe, surtout dans les métaux coulés (aluminium ou fonte), des alésages de grande précision et de bon état de surface.

Le développement de l’automatisation a conduit à concevoir de nouveaux systèmes, programmeurs ou micro-ordinateurs, permettant de déterminer avec précision les données optimales de coupe (vitesse, avance, nombre et profondeur des passes) suivant certains critères et en tenant compte des caractéristiques des outils, de la capacité des machines et de l’usinabilité des matériaux. Ces données sont ensuite transmises automatiquement par la commande numérique aux moteurs contrôlant la rotation et les déplacements des différents organes des machines.

Outils procédant par abrasion

Dans le domaine des procédés par abrasion, de plus en plus utilisés, une évolution considérable est à noter dans la qualité des meules. On a mis au point des meules de rectification vitrifiées permettant des vitesses linéaires de 60 et même 80 mètres par seconde, travaillant dans des conditions de sécurité analogues à celles des meules employées auparavant, qui ne permettaient guère de dépasser 40 mètres par seconde.

On a également créé des meules d’ébarbage pleines (sans alésage et sans arbre), centrées et entraînées par quatre boulons. Ces meules sont plus résistantes et plus économiques que les meules classiques.

Les meules diamantées, employées pour certains usages spéciaux (affûtage des carbures), ont été améliorées par une opération d’enrobage préalable des grains de diamants (nickelage électrolytique).

On emploie de plus en plus pour l’ébarbage et même pour la rectification des bandes abrasives animées par des machines spéciales.

Machines-outils classiques

Évolution technologique

Les machines-outils ont été perfectionnées de telle manière que celles qui datent d’une quinzaine d’années sont souvent considérées comme dépassées, ce qui justifie l’achat de matériel moderne (surtout lorsqu’il s’agit de machines de production ou de grande précision).

Les traits généraux des nouvelles machines-outils travaillant par enlèvement de matière peuvent être résumés ainsi:

– Emploi de plus grandes vitesses et de plus grandes avances en vue d’obtenir de plus grandes productions; bâtis plus rigides, parfois plus légers mais mieux étudiés; meilleure qualité des paliers, des broches et des glissières afin de faire face aux puissances engagées et aux variations de charge en cours de travail (paliers hydrostatiques et aérostatiques, glissières hydrostatiques ou à galets ou billes préchargés).

– Développement des systèmes de chargement, déchargement et transfert automatiques des pièces et des systèmes de changement automatique des outils.

– Emploi de systèmes intégrés de mesure intervenant pendant le cycle de travail par contact direct avec la pièce, avec commande mécanique, pneumatique, hydraulique, électronique ou «fluidique» et dispositifs animés par ces appareils de mesure pour corriger automatiquement la position de l’outil ou des outils en cours de cycle (feed back control ).

– Développement de la construction par éléments ou «construction modulaire» (building block concept ).

– Enfin, développement de l’automatisation, partielle ou totale, grâce à l’emploi de commandes numériques plus ou moins complexes [cf. AUTOMATISATION].

Une forme particulière d’automatisation est le «contrôle adaptatif», qui consiste à mesurer avec un ou plusieurs capteurs certaines caractéristiques variables en cours d’opération (température ou flexion de l’outil, couple de torsion de la broche, poussée sur la table portant la pièce ou sur le porte-outil, puissance absorbée, vibrations) et à transmettre les résultats – sous une certaine forme – à un micro-ordinateur qui, contrôlant des moteurs à vitesse variable, peut modifier la valeur des vitesses de coupe et d’avance.

Dans le cas du fraisage par exemple, on peut ainsi travailler dans des conditions optimales, en tenant compte des variations de contact entre la pièce et la fraise (interruptions ou variations de surépaisseurs), des variations de dureté à l’intérieur d’une même pièce, de la précision ou de l’état de surface recherchés, de la puissance maximale de la machine.

L’évolution des machines-outils est importante et rapide dans tous les domaines, qu’il s’agisse de fabrications en petites, moyennes ou grandes séries, en vue de l’exécution de travaux variés ou de pièces identiques.

Fabrications en petites séries (ou unitaires)

Ce domaine correspond aux machines dites universelles ou d’outillage conçues pour exécuter des travaux variés, la qualité obtenue dépendant en partie de l’habileté de l’opérateur.

L’évolution consiste alors non pas à éliminer l’intervention humaine, mais à faciliter le travail manuel en vue d’obtenir une meilleure précision et de diminuer le temps d’exécution en réduisant les risques d’erreurs. Dans ce but, les machines peuvent être équipées de commandes numériques «simplifiées» dans lesquelles les données sont introduites manuellement; un pupitre muni d’un clavier permet à l’opérateur, en appuyant sur les touches convenables, de déterminer l’amplitude des déplacements que l’élément mobile (porte-pièce ou porte-outil) doit effectuer pour réaliser avec précision les travaux demandés.

Ces commandes simplifiées comportent des mémoires permettant, dans le cas de l’usinage successif de plusieurs pièces identiques et après exécution manuelle de la première pièce, d’usiner automatiquement les pièces suivantes, sans autre intervention de l’opérateur.

Fabrications en moyennes et grandes séries

Dans ce domaine, les études orientées vers l’amélioration de la rentabilité en éliminant au maximum les pertes de temps ont conduit à créer des machines multifonctionnelles équipées de commandes numériques multiaxes.

C’est ainsi que les tours sont devenus des centres de tournage capables de réaliser, en plus des travaux de tournage, des opérations complémentaires de perçage, fraisage ou alésage. Les outils sont disposés sur le plateau d’une tourelle fixée sur le chariot de la machine, la rotation de la tourelle permettant d’amener successivement les différents outils en position de travail; il s’agit d’outils fixes pour le tournage, d’outils tournants pour le perçage et le fraisage. Par ailleurs, ces centres de tournage peuvent comporter plusieurs chariots indépendants équipés chacun d’une tourelle, de sorte que ces tourelles, grâce aux commandes numériques multiaxes, peuvent travailler simultanément.

De même, les perceuses, fraiseuses et aléseuses sont remplacées par des centres d’usinage qui exécutent l’ensemble des opérations réalisées sur les machines précédentes, ces centres comportant obligatoirement des changeurs automatiques d’outils permettant d’introduire dans la broche, avant chaque opération, l’outil approprié. De plus, les pièces sont fixées sur des palettes interchangeables, l’opérateur réalisant, pendant l’usinage d’une pièce, le démontage de la pièce précédente fixée sur une autre palette, ainsi que le montage de la pièce suivante sur une troisième palette.

On conçoit que, si de tels centres doivent travailler un certain temps sans intervention humaine (c’est, par exemple, le cas des machines qui tournent jour et nuit, alors que les opérateurs ne sont présents que pendant le jour), il est nécessaire de prévoir la possibilité de stocker une quantité suffisante de pièces à usiner, en amont, et de pièces terminées, en aval. On est ainsi conduit à augmenter le nombre de palettes permettant ce stockage.

Dans le cas du tournage, le transfert des pièces entre les palettes et les machines est assuré par des dispositifs automatiques de chargement et de déchargement. Ces dispositifs sont équipés de moyens de serrage, tels que des pinces, qui viennent saisir les pièces avant et après usinage. Sur les centres d’usinage, ce sont les palettes elles-mêmes qui se déplacent pour venir à tour de rôle se présenter en position de travail sur la table de la machine. L’autonomie du centre d’usinage dépend par conséquent du nombre de ses palettes et du temps d’usinage des pièces fixées sur chaque palette. De tels équipements constituent des pool-palettes .

Installations flexibles

Les fabrications de pièces identiques en grandes séries ne se trouvent que dans un petit nombre d’industries, telles que l’industrie automobile par exemple. Même dans ce domaine, les contraintes de la concurrence obligent les constructeurs à multiplier le nombre de leurs modèles et à les renouveler fréquemment, de sorte que l’amortissement de machines spécialement conçues pour l’exécution d’un seul type de pièces devient aléatoire, sinon impossible.

La nécessité de concilier les avantages de l’automatisation et de la souplesse a conduit à la notion de «flexibilité», qui s’applique aussi bien à des machines isolées qu’à des ensembles de machines.

Ce développement a été rendu possible par l’emploi généralisé de la commande numérique, qui s’applique aux machines proprement dites et à leur environnement, à la condition que cet environnement soit lui-même flexible. Si, par exemple, un centre de tournage est affecté à l’usinage de différents types de pièces appartenant à une même famille et dont les diamètres sont voisins les uns des autres, les caractéristiques des pinces utilisées pour le chargement ainsi que celles des mors du mandrin utilisé pour l’entraînement peuvent admettre ces faibles variations de diamètre. Au contraire, si ces variations sont plus importantes, elles peuvent exiger le remplacement des pinces, des mors et, à la limite, du mandrin lui-même; s’il en est ainsi, ces éléments doivent être automatiquement interchangeables.

Un centre ainsi équipé constitue le maillon élémentaire d’une «cellule flexible». Ce terme désigne, conformément à la définition généralement admise (à la suite des travaux de la commission technique du Syndicat de la machine-outil, de l’assemblage et de la productique associée), un groupe de machines à commande numérique, servi par des moyens de manutention automatiques, le processus de transfert d’une machine à l’autre étant entièrement déterminé par le type de pièce à usiner.

Selon la même terminologie, une «ligne transfert flexible» est également constituée par un ensemble de machines flexibles, c’est-à-dire dont les opérations peuvent être rapidement modifiées en fonction du modèle de pièces à réaliser. Toutefois, sur une ligne transfert, le cheminement des pièces reste le même quels que soient les modèles de pièces à produire.

Enfin, le terme «atelier flexible» désigne un ensemble de machines et/ou de cellules flexibles dont les tâches sont définies en temps réel, en fonction de la demande, par un ordinateur central.

Ces différents types d’installations sont capables d’assurer un certain nombre de fonctions, que l’on retrouve dans tous les cas, telles que:

– le chargement à partir d’un stock de bruts, la manutention automatique à l’intérieur de l’installation, le déchargement, l’évacuation et la remise en stock des pièces finies;

– l’usinage, éventuellement complété par des opérations d’assemblage (soudage ou sertissage), de traitement (laser) ou de lavage;

– le contrôle géométrique des pièces;

– la surveillance des outils et la rétroaction des opérations de contrôle sur les corrections de cotes et la gestion des outils;

– les liaisons, s’il y a lieu, avec un réseau général de convoyage des pièces et des outils;

– l’évacuation des copeaux et la gestion des fluides de coupe.

Par ailleurs, l’atelier flexible, grâce au réseau de transmissions de données dont il est pourvu, peut remonter en amont dans la gestion de la production, en assurant:

– l’approvisionnement et la gestion générale des pièces, des outils et des montages;

– les convoyages en temps réel;

– le suivi de la disponibilité des cellules et des équipements de l’atelier;

– la gestion des facteurs de qualité des pièces, ainsi que l’édition de tableaux de bord de production;

– le fonctionnement éventuel en mode dégradé...

Le coût d’un atelier flexible est donc très supérieur à celui d’une cellule ou d’une ligne transfert, non seulement en raison du nombre plus important de machines, mais aussi par suite de l’investissement correspondant à l’environnement (ordinateur central, automatismes programmables pour le contrôle des différents postes, la surveillance et la maintenance, en vue d’obtenir un fonctionnement prolongé sans aucune assistance humaine directe, etc.).

Pour cette raison de coût, on constate actuellement, et l’on prévoit pour l’avenir à court terme, un développement très limité des ateliers flexibles, tandis que, dès maintenant, les machines doivent être conçues pour pouvoir s’intégrer dans des cellules ou des lignes transfert.

Cette évolution impose aux constructeurs de machines des contraintes supplémentaires. D’une part, pour pouvoir vendre non plus des machines isolées, mais des unités de production complètes comportant des équipements et éventuellement des machines provenant de différents fournisseurs, ils devront être capables d’exercer des activités d’ensemblier au niveau de la conception (ingénierie) et de l’assemblage, le client souhaitant généralement que la responsabilité globale soit assumée par un seul maître d’œuvre. D’autre part, compte tenu du prix de ces installations, un arrêt prolongé pourrait entraîner une réelle catastrophe financière; la fiabilité est ainsi devenue un impératif de plus en plus rigoureux pour l’ensemble de leurs composants (mécaniques, électriques, électroniques, commande numérique).

Machines-outils non classiques

Machines à usiner par formage à froid

Dans la grande série, les machines à rouler les filets et les cannelures se sont généralisées, concurrençant les machines travaillant par enlèvement de matière. En dehors du gain de métal, les pièces obtenues ont une meilleure résistance du fait de l’écrouissage; la précision et les états de surface sont améliorés.

Dans certains cas, on peut obtenir simultanément la formation d’un filet et d’une partie cannelée concentrique sur la même pièce (arbres de roues).

Les machines travaillant au moyen de crémaillères ont l’avantage de mieux se prêter à l’automatisation complète que les machines à molettes.

Machines travaillant par érosion

Les procédés par érosion ont d’abord été utilisés pour la fabrication d’outillages (matrices de forge, d’emboutissage, moules métalliques, affûtage des outils de coupe, etc.). Ils sont également applicables à certaines productions de série; par exemple, lorsque des pièces obtenues par extrusion, fonderie de précision, frittage, etc., ne peuvent présenter la précision ou la qualité de surface recherchées (soit par imprécision de ces méthodes, soit par suite des déformations au traitement thermique), les corrections sont possibles par une opération d’érosion enlevant, sans créer de tensions, de faibles quantités de métal.

L’érosion est surtout rentable lorsqu’il s’agit d’obtenir des formes compliquées ou d’opérer sur des métaux trempés ou difficiles à travailler.

L’ébavurage en série est devenu une application courante. Il s’agit principalement d’électro-érosion (étincelage) ou d’électrolyse, ce dernier procédé convenant mieux aux fabrications en série. Citons aussi la rectification électrolytique, qui combine l’action d’une meule à celle d’un électrolyte.

Usinage par concentration ou focalisation d’énergie

Les deux procédés d’usinage par concentration ou focalisation d’énergie sont le bombardement électronique [cf. SOUDAGE] et l’usinage par laser. Cette dernière méthode, qui procède généralement par impulsions, met en jeu des quantités d’énergie croissantes. Elle est utilisée pour de petits usinages de haute précision: fabrication de petites matrices d’emboutissage avec système de reproduction à partir d’une maquette ou par commande numérique, perçage de petits trous dans de faibles épaisseurs, équilibrage dynamique par enlèvement de métal sur de petites turbines.

Toutefois, une des applications les plus importantes des lasers est leur utilisation pour les opérations de contrôle de haute précision: vérifications géométriques de machines, d’éléments de machines, de pièces et surfaces gauches (procédé japonais d’exploration avec palpeur sans contact).

Procédés utilisant les vibrations

Les ultrasons sont utilisés pour de petits usinages, en particulier: perçage des matières non magnétiques, fractionnement de copeaux sur les machines, taraudage (titane), rectification, découpage (effet Fitzgerald). De nombreuses opérations de vérification non destructives sont effectuées au moyen des ultrasons ainsi que des opérations de nettoyage et de soudure.

Les vibrations soniques (ou à basse fréquence) réduisent les frottements, engendrent de la chaleur et transforment les forces statiques en énergie dynamique. Pour les obtenir, on emploie soit des systèmes mécaniques (masses excentrées) pouvant engendrer jusqu’à 150 vibrations par seconde (système Bodine ou Sonico Inc.), soit des moteurs «soniques» électriques, pneumatiques ou hydrauliques, dans lesquels les pulsations sont provoquées par des cristaux piézo-électriques et qui peuvent développer des vibrations de fréquence allant de 200 à 10 000 hertz.

Les applications sont multiples et en plein développement. On peut citer le dégazage des métaux liquides par la création de phénomènes de cavitation qui «brisent» les bulles; l’ébavurage ou amélioration des surfaces par tonnelage sous vibrations (avec particules de plastique), qui agit aussi bien sur les parties intérieures que sur les parties extérieures et permet de supprimer l’ébavurage à la main des pièces coulées sous pression (avant revêtement électrolytique), des lames de fraise, le dessablage des pièces coulées, la réduction des frottements dans le forgeage, le découpage, l’extrusion, le tréfilage, la suppression des tensions internes dans les bâtis coulés ou soudés, l’examen préventif de l’état des machines décelant les défaillances mécaniques, etc.

5. Évolution du concept de prix de revient

Les considérations précédentes aboutissent à la certitude d’une évolution technique continue et prolongée et à une concurrence telle (cas de l’industrie automobile) que pour l’obtention d’une qualité quasi totale, la connaissance des prix de revient devient primordiale.

Il est donc nécessaire que l’organisation des usines, leur système de gestion et de comptabilité industrielle permettent de connaître ces prix de revient avec une précision suffisante, non seulement ceux des ensembles mais ceux de chaque pièce et des différentes étapes de sa fabrication (matière, pièce brute, opérations d’usinage, traitements thermiques ou autres).

L’«analyse de la valeur» (value analysis ) regroupe l’ensemble des recherches relatives à la connaissance et à la réduction des prix de revient. Dans les usines modernes convenablement structurées (cas de l’industrie automobile), cette fonction capitale est tout naturellement exercée par les services de méthodes travaillant en liaison étroite avec les bureaux d’études, le service de la qualité, la comptabilité industrielle, les services de fabrication et les approvisionnements.

Une nouvelle notion du prix fait son apparition: celle de prix global d’utilisation des objets ou des équipements, qui se substitue au prix d’achat actuel parfois accompagné de certaines garanties. Ce prix global comprend toutes les dépenses (pièces de rechange, entretien, remplacement ou immobilisation) qui peuvent intervenir pendant toute la période d’utilisation de l’objet ou de l’équipement et, éventuellement, la valeur résiduelle de l’équipement au moment de sa mise hors service.

L’apparition de ce système montre l’importance de la fiabilité des objets produits. Il vaut mieux dépenser davantage d’argent à la fabrication pour éviter d’avoir à faire face par la suite à des dépenses de garantie, sans compter les risques d’accidents, le mécontentement des clients. D’où l’importance des méthodes de mesure et de vérification qui se justifient d’autant plus que l’assemblage automatique se développe dans le but – difficile à atteindre – non pas tellement d’économiser une main-d’œuvre qualifiée de plus en plus rare et coûteuse, mais d’éviter les défauts inhérents à toute intervention humaine: erreurs, défaillances, négligences, et même sabotages. L’assemblage automatique ne peut, en effet, s’accommoder de l’introduction d’éléments défectueux, de l’oubli de certaines pièces ou d’un montage incorrect.

Les exigences de qualité: resserrement des tolérances métallurgiques, dimensionnelles, géométriques, d’états de surface, etc., nécessitées par de nouvelles normes de fonctionnement, de fiabilité, de sécurité et de nocivité (pollution), sont en augmentation constante. Le contrôle de la qualité s’effectue le plus souvent pendant le cycle opératoire sur la machine même, afin d’obtenir la précision «à la source» et d’éviter les défauts qui pourraient entraîner par la suite des rejets ou des retouches.

Tous les appareils de vérification et de mesure doivent être conçus pour résister aux «environnements» perturbants ou «agressifs», car la fiabilité d’une pièce ou d’un ensemble ne peut être vérifiée que par des instruments eux-mêmes supérieurement fiables. Leur nature est très variable: ils peuvent être mécaniques, électromécaniques, électroniques, pneumatiques, «fluidiques», ultrasoniques. Pour les très grandes précisions, on généralise l’utilisation des lasers et des interféromètres.

6. Une industrie en mutation

Dans un domaine aussi compétitif que celui des fabrications mécaniques, il semble que le cheminement le plus logique devrait être l’amélioration continue de la qualité (zéro défaut, garantie totale, etc.), la réduction constante des prix de revient, la recherche de conditions de travail permettant le meilleur emploi des moyens humains et matériels dont l’industrie peut disposer.

Les deux premières étapes exigent la mise en œuvre de moyens de production modernes bénéficiant des progrès technologiques les plus récents. Mais de tels moyens représentent des investissements de plus en plus coûteux qui ne sont possibles que si les entreprises disposent de ressources financières suffisantes. Si cette condition n’est pas satisfaite (faible niveau des capitaux propres, faibles marges ne permettant pas l’autofinancement, taux élevé du crédit entraînant, en cas d’emprunts, des frais financiers insupportables), on est conduit à conserver un matériel vétuste, non performant, qui compromet de plus en plus les chances de redressement.

L’amélioration des conditions de travail entraîne une promotion des tâches correspondant aux interventions humaines. L’opérateur, déchargé progressivement des travaux pénibles et fastidieux, doit désormais assumer des fonctions plus nobles: supervision de la production, initiatives à prendre en cas d’incidents, de pannes, d’imprévus, souci de veiller à l’obtention de la qualité, au respect des délais et des cadences de production, etc. Cette promotion est d’ailleurs indispensable pour justifier les salaires pratiqués dans certains pays d’Europe, et particulièrement en France: la main-d’œuvre étant plus chère que dans d’autres pays, comme le Japon, ou les États-Unis (les plus faibles sont la Grèce et le Portugal), tandis que notre productivité est plus faible, l’accroissement des compétences et des responsabilités individuelles peut seul permettre le maintien ou l’amélioration du niveau de vie de chacun.

Cette troisième étape suppose par conséquent un important effort de formation, afin que les nouvelles générations possèdent les connaissances nécessaires (techniques, économiques, informatiques, en organisation du travail) pour pouvoir évoluer et progresser au même rythme que les machines.

La réussite de cet effort dépend beaucoup de facteurs psychologiques, qui peuvent être favorables ou non. Pour qu’ils le soient, il est capital que soit reconnue la réelle importance de l’industrie mécanique, qui a recours aux procédés les plus évolués et fait appel aux derniers progrès scientifiques, aussi bien que d’autres techniques considérées, sans raison véritable, comme plus nobles ou plus riches d’avenir.

Encyclopédie Universelle. 2012.

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