Nous nous pencherons sur le sujet des vibrations lors du tournage et de l’alésage d’un composant mécanique, en analysant leurs causes et leurs effets.
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Nous allons nous pencher sur le sujet des les vibrations lors du tournage et de l’alésage d’une pièce mécaniquel’analyse de ses causes et de ses effets. Nous passerons ensuite à la définition de solutions utiles pour endiguer ce phénomène.
Le terme vibration désigne une oscillation mécanique autour d’un point d’équilibre. Les vibrations sont un phénomène indésirable en mécanique ; elles entraînent une perte d’énergie et créent des sons et des bruits indésirables. Les vibrations peuvent également endommager l’outil utilisé, la machine et la pièce à usiner.
La production de bruit et de vibrations est déterminée par trois aspects principaux :
L’approche de base du contrôle des vibrations dans l’usinage consiste à augmenter la rigidité des éléments du système. Afin de limiter les mouvements indésirables, la machine-outil doit être construite avec des éléments structurels rigides et lourds, renforcés par du béton ou un autre matériau absorbant les vibrations, tel que la fonte. Les roulements et les bagues de la machine doivent avoir des tolérances étroites et être robustes.
Pour maximiser la rigidité, une barre d’alésage ou de tournage doit être aussi courte que possible, mais suffisamment longue pour accéder à la profondeur du trou ou du composant. Le diamètre de la barre d’alésage doit être aussi grand que le permet le diamètre du trou, tout en permettant une évacuation efficace des copeaux.
Au fur et à mesure que les copeaux se forment et se brisent, les forces de coupe augmentent et diminuent. Ces variations deviennent une source de vibrations qui, à leur tour, peuvent créer une résonance sur la fréquence propre du porte-outil ou de la machine, s’auto-alimentant ainsi ou même augmentant. D’autres sources de vibrations sont les outils usés ou les outils qui n’effectuent pas une passe assez profonde. Ils provoquent une instabilité du processus ou une résonance à la même fréquence naturelle que la broche ou l’outil, ce qui génère des vibrations indésirables.
Une longue barre d’alésage ou un grand porte-à-faux de la barre de tournage peut provoquer des vibrations sur la machine. L’approche de base du contrôle des vibrations implique l’utilisation d’outils courts et rigides. Plus le rapport entre la longueur de la barre et son diamètre est important, plus le risque de vibrations est élevé.
Les différents matériaux utilisés pour les barres ont des comportements différents. Les barres en acier sont généralement résistantes aux vibrations jusqu’à un rapport de 4:1 (longueur:diamètre). Les barres en métal lourd, fabriquées à partir d’alliages de tungstène, sont plus denses que l’acier et peuvent supporter des rapports L:D allant jusqu’à 6:1. Les barres en carbure massif offrent une plus grande rigidité et permettent des rapports L:D allant jusqu’à 8:1. Ce dernier type de barres présente toutefois l’inconvénient d’un coût élevé, en particulier pour les grandes barres.
Une autre façon de résoudre le problème des vibrations consiste à utiliser une barre d’amortissement réglable. Cet outil est doté d’un amortisseur interne à masse résonante, conçu pour entrer en résonance de manière déphasée avec les vibrations indésirables, absorber l’énergie et minimiser l’amplitude des vibrations. Le STMD ® de MAQ AB, par exemple, comporte un amortisseur de vibrations autoréglable constitué d’une masse de matériau de haute densité suspendue à l’intérieur de la barre porte-outil au moyen d’éléments d’amortissement axiaux. L’amortisseur de masse absorbe immédiatement les vibrations lorsqu’elles sont transmises de l’outil de coupe au corps de la barre.
Le contrôle actif des vibrations, plus complexe et plus coûteux, peut être représenté par des dispositifs électroniques capables de détecter les vibrations et par des actionneurs secondaires, également électroniques, pour produire un mouvement vibratoire dans le porte-outil afin d’annuler les vibrations indésirables induites par l’usinage.
Les pièces à usiner doivent être positionnées avec précision et solidement serrées dans la machine-outil. Les éléments de serrage doivent être conçus dans un souci de simplicité et de rigidité et doivent être positionnés le plus près possible des opérations de coupe. Du point de vue de la pièce, les zones à parois minces, les zones soudées ou non soutenues sont soumises à des vibrations lors de l’usinage. Ces parois doivent être redessinées pour améliorer la rigidité.
Un certain nombre de stratégies de traitement peuvent être adoptées pour minimiser les tendances aux vibrations :
Une force radiale plus faible entraîne moins de déviation radiale et moins de problèmes de vibration. Pour de meilleurs résultats, il est préférable d’utiliser une profondeur de coupe radiale supérieure au rayon de la pointe lorsque l’on utilise un angle d’enregistrement de 90° (angle d’attaque de 0°). Si la profondeur de coupe radiale est plus faible, un angle d’enregistrement de 45° offre les mêmes résultats.
La réorientation des forces peut réduire la flexion :
Un angle de réglage aussi proche que possible de 90° (angle d’attaque de 0°) maximise la part de la force d’avance revenant de la pièce dans la direction axiale. Une force dans la direction axiale génère moins de déviation de l’outil que des forces égales dans la direction radiale.
Pour le virage interne, l’angle d’enregistrement ne doit jamais être inférieur à 75° (angle d’attaque de 15°).
Plus l’angle de coupe est positif, plus les forces de cisaillement nécessaires pour usiner le composant sont faibles. Des forces de cisaillement plus faibles signifient moins de flexion.
Une force moindre dans la direction radiale génère une déflexion radiale moindre.
L’alésage profond diffère des autres opérations d’usinage en ce sens que l’arête de coupe opère dans le trou à une distance élevée de la connexion de la machine. Le tournage intérieur profond présente des conditions similaires et ces deux opérations, alésage et tournage, peuvent avoir à usiner des trous avec des coupes interrompues, comme les boîtiers de pompes ou de compresseurs. La saillie de l’outil est dictée par la profondeur du trou et peut entraîner une déviation de la barre d’alésage ou de l’outil de tournage sur une longueur importante.
Le pliage augmente les forces variables du processus de coupe et peut provoquer des vibrations et des broutages qui dégradent la qualité de la surface de la pièce, usent ou cassent rapidement les outils et endommagent les composants de la machine-outil tels que les broches. Les forces variables résultent de déséquilibres dans les composants de la machine, d’un manque de rigidité du système ou de vibrations induites des éléments du système. Les pressions de coupe changent également lorsque l’outil subit des cycles de chargement et de déchargement, tandis que des copeaux se forment et se brisent. Les effets négatifs des vibrations comprennent un mauvais état de surface, des dimensions de trou imprécises, une usure rapide de l’outil, des taux d’enlèvement réduits, des coûts de production accrus et des dommages aux porte-outils et aux machines-outils.
Technologie de l’absorbeur d’harmoniques à réglage automatique (STMD de l’anglais) Déverseur de masse autoréglable) est la meilleure technologie actuellement disponible sur le marché. Le concept de base de l' »amortisseur de masse » est connu depuis des années et appliqué dans de nombreux secteurs : gratte-ciel, ponts, outils, machines, etc.
L’innovation technologique mise sur le marché par la société suédoise MAQ-AB, détentrice des brevets internationaux, réside dans la capacité du système à s’adapter à la fréquence de vibration naturelle de l’ensemble machine-outil. Cette fréquence est en effet dictée par de nombreux facteurs (le type de sol, l’ancrage de la machine-outil, l’état d’usure des roulements de la broche, les tolérances d’accouplement du système porte-outil, etc.) ; deux machines identiques, montant le même outil à la même saillie, auront certainement des fréquences vibratoires différentes. Cette capacité d’adaptation à la fréquence de vibration permet aux outils MAQ-AB d’atteindre des performances optimales quelle que soit l’exposition de l’outil. En d’autres termes, l’utilisateur n’a pas besoin de procéder à un étalonnage et l’outil fonctionne toujours de manière optimale, quel que soit le rapport entre la longueur exposée et le diamètre de la barre.
Gaspari Utensili est le distributeur officiel des barres antivibratoires MAQ-AB pour l’Italie. Vous trouverez le catalogue des barres standard dans la section téléchargement du site. Nous pouvons également produire des barres spéciales sur demande, même de grandes dimensions (jusqu’à ø500 mm et longueur 10Xd), développées selon des conceptions spéciales.