Qu'est-ce qu'une vibration en usinage et comment la réduire ?
Lorsque des oscillations se produisent autour d'un point d'équilibre, elles produisent le phénomène mécanique appelé vibration. Dans l'industrie de l'usinage, les vibrations, généralement dues aux efforts de coupe ou à la machine-outil elle-même, entraînent des résultats indésirables. Pour obtenir un avantage concurrentiel conséquent, vous devez comprendre les raisons des vibrations et savoir comment les maîtriser.La vibration est un phénomène mécanique dans lequel des oscillations se produisent autour d'un point d'équilibre. Ces oscillations peuvent être périodiques, comme les mouvement d'un pendule, ou aléatoires, comme celui d'un pneu sur une route de gravier.
Les vibrations sont parfois souhaitables. Par exemple, un téléphone portable fonctionne correctement avec le son qui consiste en la vibration de l'air. Cependant, les vibrations gaspillent plus souvent de l'énergie, tandis qu'elles créent des déformations et du bruit indésirables. Par exemple, la plupart des mouvements vibratoires des moteurs classiques, électriques et autres dispositifs mécaniques en fonctionnement sont indésirables. Les pièces en rotation déséquilibrées, les frottements inégaux, l'engrènement des dents d'un engrenage et d'autres éléments peuvent provoquer des vibrations, ce que des conceptions prudentes minimisent généralement.
Figure 1 Vibrations dans les outils coupants
Les machines-outils, les pièces à usiner et les outils ne sont pas complètement rigides et les efforts de coupe peuvent les faire vibrer. Les caractéristiques dynamiques de la machine, de la pièce et de l'outil coupant peuvent limiter les performances d'usinage. Une rigidité insuffisante, ainsi qu'un amortissement insuffisant des vibrations, peuvent entraîner des problèmes de vibrations auto-excitées ou de « broutage ». Avec une connaissance des fondamentaux du phénomène, les vibrations deviennent prévisibles, ce qui permet d'améliorer les performances d'usinage.
Les vibrations pendant l'usinage ont de nombreuses conséquences négatives, dont les plus importantes sont les suivantes :
- Usure excessive des arêtes de coupe et des modèles d'usure incontrôlables et imprévisibles (ex. : arêtes de coupe écaillées ou fissurées) qui compromettent la fiabilité de l'usinage.
- Dégradation des états de surface et augmentation de la mise au rebut ou de la reprise des pièces. Ainsi, les vibrations peuvent compromettre certains types d'usinage et entraîner des problèmes de délai et de sécurité de livraison.
- Les deux effets de vibration précédents ont également un impact négatif sur le coût de l'usinage. Les vibrations coûtent de l'argent.
- Les vibrations nécessitant de l'énergie, elles en gaspillent également et défient le savoir-faire des opérateurs.
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Figure 2 Les vibrations libres
La vibration libre se produit lorsqu'une intervention initiale déclenche une vibration dans un système mécanique, qui vibre alors librement. Ce phénomène est comparable à celui qui se produit lorsque vous tirez sur la balançoire d'un enfant et que vous la relâchez. Le système mécanique vibre alors à une ou plusieurs de ses « fréquences naturelles », puis diminue pour revenir jusqu'à zéro.
Les vibrations forcées se produisent lorsqu'une perturbation variable dans le temps (charge, déplacement ou vitesse) s'applique à un système mécanique. Les vibrations peuvent être aléatoires, lors de l'entrée dans la matière ou durant l'usinage. Les secousses d'une machine à laver déséquilibrée ou les vibrations d'un bâtiment lors d'un tremblement de terre sont des exemples de vibrations forcées.
Figure 3 Les vibrations forcées (f = fréquence et A = amplitude)
La réponse fréquentielle du système présente l'une des caractéristiques les plus importantes des vibrations forcées. Dans un phénomène appelé résonance, l'amplitude de la vibration peut devenir extrêmement élevée lorsque la fréquence engendrée approche de la fréquence naturelle d'un système légèrement amorti. La fréquence naturelle d'un système est appelée fréquence de résonance. Lorsque vous poussez un enfant sur une balançoire, vous devez pousser au bon moment pour que la balançoire monte de plus en plus haut, et un grand mouvement ne nécessite pas l'application d'une grande force. L'impulsion n'est là que pour continuer à ajouter de l'énergie dans le mécanisme. Dans les systèmes de roulement de rotor, toute vitesse de rotation qui provoque une fréquence de résonance est appelée une vitesse critique.
La résonance dans un système mécanique peut entraîner une défaillance systémique. Par conséquent, l'analyse des vibrations doit permette de prédire quand ce type de résonance peut se produire et déterminer des étapes préventives. Un amortissement supplémentaire peut réduire considérablement l'amplitude des vibrations, tout comme une modification de la rigidité ou de la masse du système pour s'écarter de la fréquence naturelle de la fréquence de forçage. Si le système ne peut pas changer, la fréquence de forçage peut éventuellement être modifiée (par exemple, en jouant sur la vitesse de la machine qui génère la force).
Figure 4 Les vibrations par résonance.
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Les mêmes forces qui permettent de couper du métal agissent également sur l'outil coupant. Ces forces déforment et tordent l'outil coupant et peuvent entraîner des vibrations.
Figure 5 Les efforts de coupe et le manque de résistance de l'outil provoquent des vibrations lors de l'usinage.
La nature dynamique des efforts de coupe peut entraîner des vibrations par résonance. Le risque d'une telle situation augmente avec des outils coupants ou des pièces minces, des efforts de coupe trop élevées, des matériaux d'outils ou de pièces à usiner manquant de capacité d'amortissement, des méthodes de coupe ou une géométrie d'outil incorrecte.
La figure 6 montre un porte-outil en acier (diamètre 100 mm et longueur de porte-à-faux 500 mm).
Figure 6 Dans certaines situations, les efforts de coupe dynamiques peuvent entraîner des vibrations par résonance
Avec un effort de coupe statique de 500 N, cet outil subit une déflexion de 25 µm. Si les efforts de coupe varient selon un modèle sinusoïdal à 142 Hz, une déflexion variable se produit, avec une amplitude 20 fois supérieure à la déflexion statique. Cela entraînerait des vibrations par résonance.
La vibration de résonance peut se produire lorsque la fréquence avec laquelle les efforts de coupe ont un impact sur l'arête de coupe est égale à la fréquence propre (fréquence de résonance) de l'outil coupant. Des changements dans les conditions de coupe (fraisage), une forte fragmentation intermittente des copeaux ou même une irrégularité dans la structure du matériau peuvent engendrer cette situation (voir la figure 7).
Les opérateurs font également référence aux vibrations par résonance en parlant de "broutage". En soi, le "broutage" n'est pas vraiment un problème, mais dans certaines situations, il peut compromettre la qualité du processus par une usure incontrôlable de l'arête de coupe ou un état de surface imparfait. Dans ces cas, il faut supprimer le broutage, ce qui est plus facile à réaliser en modifiant les conditions de coupe ou, dans un deuxième temps, en modifiant le choix des outils.
Figure 7 Une irrégularité dans la structure du matériau peut provoquer des vibrations
Dans l'exemple ci-dessus, la phase 1 représente une situation dans laquelle une irrégularité du matériau crée une composante dynamique dans l'effort de coupe. Dans la phase 2, cette irrégularité du matériau usiné entraîne une variation de l'épaisseur du copeau. Avec cet effort de coupe dynamique en continue et lorsque cette fréquence approche la fréquence propre de l'outil, des vibrations par résonance peuvent se produire.
Toute analyse des vibrations et de leurs risques pendant l'usinage doit tenir compte de la stabilité de la machine-outil. Une machine-outil ne peut pas offrir une stabilité illimitée et, en général, lorsque la vitesse de rotation de sa broche augmente, la stabilité de l'outil diminue (voir figure 8).
Figure 8 Les lobes de stabilité (Tlusty et Tobias) pour une machine-outil.
En général, plus la vitesse de rotation (tours par minute) d'une machine-outil est élevée, plus le risque de vibrations est important. À certaines vitesses, cependant, la stabilité augmente. La vitesse de rotation sélectionnée pour un outil coupant spécifique peut se situer dans une plage de faible stabilité, déclenchant des vibrations et la nécessité de ralentir la machine pour les éliminer. Inversement, le régime sélectionné peut se situer dans une zone de grande stabilité, permettant de maintenir des conditions de coupe élevées. Pour éviter les vibrations, en particulier lors d'un usinage à haut régime, sélectionnez soigneusement les vitesses.
En mécanique générale, le modèle illustré ci-dessous (Figure 9) détermine la flexion d'une queue d'outil cylindrique fixée d'un côté (par exemple, un porte-outil de tournage interne, une fraise, une perceuse, etc.). En termes plus simples et généraux, plus la flexion ou la déflexion est importante, plus le risque de vibrations préjudiciables, y compris les vibrations par résonance, et moins la flexion ou la déflexion de l'outil réduit le risque de vibrations.
Figure 9 La relation entre la flexion, la force et les dimensions principales d'une queue d'outil cylindrique fixée d'un côté.
Vu sous cet angle, la réduction du risque de vibration exige une réduction de la déviation ou de la flexion de l'outil.
Cela peut être obtenu de plusieurs manières.
- Réduisez les efforts de coupe ou modifiez le sens dans lequel ils interfèrent sur le process.
- Rendez l'outil plus rigide, avec une résistance plus élevée contre la flexion. La formule de la figure 10 montre que doubler la longueur du porte-à-faux augmente la déflexion d'un facteur de 8, alors que doubler le diamètre réduit la déflexion d'un facteur de 16. Par conséquent, les outils plus courts ou plus gros présentent moins de risques de vibrations. Ainsi, le rapport de porte-à-faux (L/D = longueur non prise en charge, ou porte-à-faux, divisé par le diamètre) fournit souvent une mesure pour une analyse rapide du risque de vibration. Quelques conseils basés sur le porte-à-faux :
- Les vibrations ne se produisent généralement pas si le rapport de porte-à-faux est inférieur à 3.
- Le risque de vibration apparaît si le rapport de porte-à-faux est inférieur à 6.
- Des vibrations sont susceptibles de se produire si le rapport de porte-à-faux est inférieur à 9.
- si le rapport de porte-à-faux est supérieur à 9, les vibrations sont une certitude et l'outillage classique ne peut souvent pas résoudre le problème.
- Utilisez un matériau d'outil plus rigide. Le module d'élasticité (E) est un élément primordial. Remplacez une queue d'outil en acier par du carbure, par exemple, et la déflexion diminue jusqu'à 50 %. Cette approche peut être combinée à l'utilisation d'outils coniques.
Lorsque vous utilisez le rapport de porte-à-faux pour aider à prévoir le risque de vibration, faites-le de manière très réfléchie. Une analyse plus poussée de la formule de la figure 9 conduit à la formule de la figure 10, qui est très révélatrice lorsqu'elle est écrite sous cette forme et appliquée à deux exemples. Tout d'abord, un outil avec une longueur de porte-à-faux de 200 et un diamètre de 50 mm aurait un rapport de porte-à-faux de 4. Ensuite, un autre outil d'une longueur de 100 mm et d'un diamètre de 25 mm aurait également un rapport de porte-à-faux de 4. Ces deux outils présentent-ils le même risque de vibrations ? Appliquez ces valeurs pour les deux outils dans la formule de la figure 10, et vous découvrez que le deuxième outil présente deux fois plus de flexions et donc deux fois plus de risques de vibrations.
Lorsque les risques de vibrations sont élevés, le diamètre de l'outil est le plus important.
Figure 10 La flexion en fonction de la longueur et du diamètre du porte-à-faux.
Certaines étapes pratiques peuvent minimiser ou éviter le risque de vibrations. Utiliser toutes ces étapes pour modifier l'amplitude ou le sens dans lequel les efforts de coupe agissent sur l'outil coupant.
- Utiliser un angle d'arête de coupe proche de 90°.
- Utiliser un rayon plus petit et/ou une arête plus vive.
- Réduisez la profondeur de coupe et augmentez l'avance.
- Modifier la vitesse de coupe.
- Utilisez un meilleur système de serrage d'outil (par exemple : Seco-Capto et Seco Steadyline®).
Appliquer le premier conseil – utiliser un angle d'arête de coupe proche de 90° – différemment dans une application de fraisage. Comme dans le cas du tournage, les efforts de coupe résultant agissent à peu près perpendiculairement aux arêtes de coupe (Figure 12). En tenant compte de la fraise fixée sur la broche de la machine et en évaluant le risque de flexion (Figure 13), déterminez le risque de vibration en fonction de l'effort de coupe multiplié par la distance de l'extrémité de l'outil (dans le sens de l'effort de coupe) et la face d'appui au niveau de la broche. Chaque broche d'une machine-outil comporte un point de référence fixe autour duquel la broche peut osciller.
Figure 11 Un meilleur serrage de l'outil réduit le risque de vibrations.
Lorsque vous comparez une fraise de surfaçage-dressage (angle d'arête de coupe de 90°) avec une fraise grande avance (angle d'arête de coupe de seulement quelques degrés), la distance entre l'extrémité de l'outil (dans le sens des efforts de coupe) et le point de référence est plus petite, d'où un moindre risque de vibrations (avec les mêmes efforts de coupe).
Figure 12 Taille et sens des effort de coupe d'une fraise (approximativement perpendiculaire à l'arête de coupe).
La figure 13 (F x l) détermine le risque de vibrations lors du fraisage.
Pour résoudre les problèmes de vibration lors du fraisage, sélectionner les outils et les conditions de coupe appropriés pour modifier la taille et la direction des efforts de coupe.
- Choisissez des fraises à pas larges et fixez-les avec le plus petit porte-à-faux possible.
- Sélectionnez des arêtes de coupe avec des géométries positives.
- Sélectionnez une fraise de plus petit diamètre, en particulier avec des outils Steadyline®.
- Sélectionnez un petit rayon d'arête de coupe.
- Sélectionner les nuances carbure avec un revêtement plus fin.
- Utilisez de grandes avances à la dent. Réduire la vitesse de rotation et maintenir l'avance de table pour des avances plus importantes à la dent. Ne pas réduire l'avance à la dent en cas de vibrations.
- Réduire les profondeurs de coupe axiale et radiale.
- Utiliser des systèmes de serrage de fraise stables. Avec les systèmes de porte-outils modulaires, utilisez la plus grande taille de connexion possible. Utiliser un porte-outil conique.
- Positionner la fraise au centre de la pièce. Appliquer des techniques de fraisage.
Commencez avec des avances et vitesses de coupe standard. En cas de vibrations, effectuez progressivement les modifications suivantes :
- Augmentez l’avance/tour,
- Augmentez la vitesse de coupe.
- Diminuer la vitesse de rotation.
- Réduisez l'avance jusqu'à ce que les vibrations disparaissent ou du moins soient minimisées.
Les étapes suivantes affectent les résultats du tournage. Utilisez-les comme une liste de contrôle des incidents/remèdes aux vibrations.
- Sélectionnez votre outillage le plus court possible pour une stabilité et une rigidité maximales. Serrez les outils avec le porte-à-faux le plus court possible. Cela produit une fréquence naturelle de l'outil plus élevée et réduit la déflexion, ce qui permet d'éviter plus facilement les vibrations ou de les amortir si elles se produisent.
- Choisissez soigneusement le type et la taille de plaquette et son rayon. Choisissez le rayon le plus petit possible, et si possible inférieur à la profondeur de coupe pour réduire les efforts de coupe. Limiter la profondeur de coupe pour minimiser la déflexion de l'outil et garantir des tolérances d'usinage correctes de la pièce. Lorsque des vibrations sont probables, choisissez une plaquette avec un angle de pointe faible (60° ou 55°) pour combiner une coupe légère avec une bonne résistance de l'arête.
- Sélectionnez une plaquette avec une géométrie de coupe et d'arête vive pour faciliter la coupe et réduire la déflexion de l'outil. Notez que les bords vifs sont plus fragiles et nécessitent un brise-copeaux approprié.
- Choisissez une plaquette avec une nuance carbure plus dure et des géométries plus vives, bien que cela produise des arêtes de coupe moins résistantes qui pourraient s'écailler ou casser prématurément. Pour augmenter la fiabilité et la durée de vie de l'outil, compensez la géométrie plus faible avec un matériau de coupe plus robuste.
- Sélectionner soigneusement les conditions de coupe pour minimiser les profondeurs de passe. En cas de risque de vibrations important, choisissez une avance qui représente au moins plus de 25 % du rayon de plaquette. Évaluez la vitesse de coupe pour éviter de travailler dans une zone où le régime est moins stable pour la machine-outil.
Les étapes suivantes ont une incidence sur les résultats de l'alésage. Utilisez-les comme une liste de contrôle des incidents/remèdes aux vibrations.
- Vérifiez le rapport de porte-à-faux et adaptez l'outil si nécessaire. Pouvez-vous utiliser un outil de plus grand diamètre ? Un outil de type conique ? Un outil de type modulaire avec un diamètre différent ?
- Utilisez le meilleur serrage possible des outils (Seco-Capto).
- Placez l'arête de coupe à hauteur du centre.
- Sélectionnez des arêtes de coupe à géométrie positive et à petit rayon. Sélectionner les nuances carbure avec un revêtement plus fin.
- Choisissez soigneusement le type et la taille de plaquette et son rayon. Choisissez le rayon le plus petit possible, et si possible inférieur à la profondeur de coupe pour réduire les efforts de coupe passifs. Limiter la profondeur de coupe pour minimiser la déflexion de l'outil et garantir des tolérances d'usinage correctes de la pièce. Lorsque des vibrations sont probables, choisissez une plaquette avec un angle de pointe faible (60° ou 55°) pour combiner une coupe légère avec une bonne résistance de l'arête.
- Sélectionnez une plaquette avec une géométrie de coupe et d'arête vive pour faciliter la coupe et réduire la déflexion de l'outil. Notez que les bords vifs sont plus fragiles et nécessitent un brise-copeaux approprié.
- Choisissez une plaquette avec une nuance carbure plus dure et des géométries plus vives, bien que cela produise des arêtes de coupe moins résistantes qui pourraient s'écailler ou casser prématurément. Pour augmenter la fiabilité et la durée de vie de l'outil, compensez la géométrie plus faible avec un matériau de coupe plus robuste.
- Sélectionner soigneusement les conditions de coupe pour minimiser les profondeurs de passe. En cas de risque de vibrations important, choisissez une avance qui représente au moins plus de 25 % du rayon de plaquette. Évaluez la vitesse de coupe pour éviter de travailler dans une zone où le régime est moins stable pour la machine-outil.
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