La technologie de contrôle passif/dynamique des vibrations améliore la productivité des opérations d'usinage
Des vibrations incontrôlées peuvent créer une multitude de problèmes lors des opérations d'usinage. L'application de forces variables pendant le processus de coupe entraîne des vibrations qui dégradent la qualité de surface des pièces, usent ou abîment rapidement les outils coupants et endommagent les composants des machines-outils. Dans la conception des produits, pièces deviennent de plus en plus complexes : pour améliorer la résistance des produits et réduire les coûts d'assemblage, les fabricants se tournent de plus en plus souvent vers des pièces monoblocs. L'usinage de l'interieur de ces pièces nécessite alors des outils pouvant atteindre des cavités profondes et leur longueur ne fait qu'aggraver les vibrations. Tenter de limiter les vibrations en réduisant les paramètres de coupe fait chuter la productivité et augmente les coûts de fabrication.
Les ateliers ont donc tendance à s’orienter vers des solutions antivibratoires. Parmi les différentes méthodes de contrôle des vibrations, les systèmes passifs/dynamiques faisant appel à des amortisseurs à masse accordée (ou amortisseurs harmoniques) sont les plus en vogue. Ils permettent d'absorber les vibrations avant qu'elles ne se propagent et ne viennent perturber le processus d'usinage.
Les vibrations constituent un problème courant
Tous les secteurs de l'industrie s'accordent à dire que les vibrations excessives sont destructrices. Un fonctionnement répétitif et/ou des forces externes génèrent une vibration naturelle qui peut amener une machine, un bâtiment ou un pont à entrer en résonance, parfois dans des proportions dangeureuses. Pour résoudre ce problème, les constructeurs et les fabricants font généralement appel à des amortisseurs à masse accordée. Il s'agit de composants suspendus dans une machine ou une structure, conçus pour résonner de manière déphasée avec les vibrations indésirables, absorber leur énergie et réduire le mouvement vibratoire.
Les vibrations dans les opérations d'usinage
Au cours d’opérations d'usinage, les vibrations sont générées par les efforts de coupe. Lors du processus de formation et de rupture du copeau, les forces appliquées à l’outil vont fluctuer, notamment en fraisage où plusieurs dents sont sollicitées et où l’épaisseur du copeau varie, mais aussi en tournage, en particulier dans le cas de coupes interrompues ou de porte-à-faux élevés.
Une approche passive du contrôle des vibrations dans les opérations d'usinage consiste à optimiser la rigidité des éléments du système d'usinage. Afin de limiter les mouvements indésirables, une machine-outil peut être dotée d'éléments structurels rigides, plus grands et plus lourds, remplis de matière à haute densité ou de tout autre matériau absorbant les vibrations. En matière de pièces à usiner, les pièces à paroi fine et les pièces à sections non maintenues sont sujettes aux vibrations lors de l'usinage. Dans une certaine mesure, les pièces peuvent être modifiées pour améliorer leur rigidité, mais ces modifications de conception peuvent ajouter du poids et compromettre les performances du produit.
Pour les outils coupants, une approche passive du contrôle des vibrations consiste à utiliser des outils courts et rigides, et à remplacer les porte-outils en acier par des porte-outils en carbure de tungstène rigide.
L’ajout d’une approche dynamique du contrôle des vibrations peut se faire par l'application du concept d'amortisseur à masse accordée. Le système Steadyline de Seco est équipé d'un amortisseur de vibrations pré-réglé, composé d'une masse conçue dans un matériau haute densité (pour minimiser ses dimensions globales) et suspendue à l'intérieur de la barre du porte-outil via des éléments radiaux absorbants. Cet amortisseur de vibrations absorbe immédiatement les vibrations transmises par l'outil coupant au corps de la barre.
Le système Steadyline permet de réaliser des opérations classiques nécessitant un long porte-à-faux au moins deux fois plus vite qu'avec des outils non amortis, tout en améliorant l’état de surface, en prolongeant la durée de vie de l'outil et en réduisant les contraintes sur la machine-outil. La technologie d'amortissement passif/dynamique des vibrations permet de réaliser certaines opérations qui seraient impossibles autrement, même avec des paramètres d'usinage réglés au minimum, telle l'utilisation de longueurs d'outil jusqu'à 10 fois supérieures au diamètre de la barre.
Principes de fonctionnement du système passif/dynamique
Les Figures 1 et 2 illustrent les principes de fonctionnement du système de contrôle passif/dynamique des vibrations Steadyline. Dans la Figure 1, un porte-outil monobloc classique : les propriétés liées aux vibrations sont sa masse (M1), sa rigidité (K1) et ses caractéristiques d'amortissement inhérentes (K’1). Ces propriétés constituent un système MKK’. Pendant l’usinage, l’effort de coupe Fe induit un mouvement (des vibrations) dans le porte-outil.
La mise en œuvre d'un système Steadyline (Figure 2) permet d'ajouter les propriétés d'un deuxième système MKK’, de masse M2, rigidité K12 et densité K’12. Le système MKK’ S2 est conçu avec une fréquence naturelle identique à celle du système MKK’ d'origine, pour résonner de manière déphasée avec les vibrations indésirables, absorbant ainsi leur énergie et amortissant le mouvement vibratoire.
Dans le système Steadyline, l’amortisseur de vibrations est placé à l'avant de la barre, où la flexion est la plus importante et où la masse peut amortir immédiatement les vibrations transmises de l'arête de coupe au corps de la barre. En tournage, les barres Steadyline sont équipés de la connexion à changement rapide GL. Cette connexion extra-courte positionne l’arête de coupe au plus près de l’amortisseur pour optimiser l'effet d'absorption des vibrations. Le système peut être adapté à une large gamme d'applications et est particulièrement utile dans les opérations de fraisage (contournage, usinage de poches et rainurage), de tournage et d'alésage ébauche ou finition.
Comparaison des applications
L'opération d'alésage difficile suivante illustre bien l'efficacité du système Steadyline : un alésage cylindrique de 105,8 mm dans de l'acier 42CrMo4 devait être élargi en un alésage conique de 129 mm en cinq passes d'ébauche, à une profondeur de passe de 3 mm diminuant progressivement à 0 mm. Avec une barre de 80 mm de diamètre, la longueur de coupe initiale était de 600 mm, ce qui représente un rapport longueur/diamètre d'outil total de 7,5. L'ébauche a été réalisée avec une avance de 0,3 mm/tour et une vitesse de coupe de 157 m/min. La pré-finition au diamètre final de 130 mm a été effectuée à une profondeur de coupe de 0,5 mm, avec une avance de 0,2 mm/tour et une vitesse de coupe de 200 m/min. Bien que la taille de la pièce à usiner n'ait pas permis l'utilisation de la barre Steadyline à sa vitesse de rotation maximale, la durée de l'usinage a été réduite de 12 à 2 heures (plus de 80 %) grâce au système de contrôle passif/dynamique des vibrations Steadyline.
Afin de démontrer les avantages du système Steadyline dans le cadre d'une opération de contournage, un porte-fraise Combimaster sans contrôle passif/dynamique des vibrations a été utilisé avec une fraise de 20 mm de diamètre à 312 m/min, avec une avance de 0,3 mm/dent et à une profondeur de coupe de 0,9 mm dans de l'acier 1.1206 CK50. Lorsqu'une version du même outil équipée du système Steadyline a été utilisée à une même avance et vitesse de coupe que la version non amortie, il a été possible d'accroître la profondeur de coupe à 2,2 mm (une augmentation de 2,3 fois) sans vibrations indésirables.
Conclusion
Les producteurs d'équipements destinés aux secteurs de la pétrochimie, l'énergie et l'aéronautique sont des candidats de choix pour les systèmes de contrôle passif/dynamique des vibrations, dans la mesure où ces segments ont souvent à traiter des pièces complexes de grande taille, dont les caractéristiques nécessitent l'utilisation d'outils longs. De plus, ces pièces sont généralement conçues dans des alliages difficiles à usiner, engendrant des efforts de coupe importants, générateurs de vibrations. Toutefois, il est manifeste que pratiquement tous les fabricants sont confrontés à des applications dans lesquelles les propriétés d'absorption des vibrations de l'outillage Steadyline permettent d'étendre leurs capacités, d'améliorer leur productivité et de réduire les coûts d'usinage.
Système Steadyline : outils, montage et application
Informations relatives aux outils
Le système de contrôle passif/dynamique des vibrations Steadyline comprend une gamme complète d'outils destinés aux applications de fraisage, de tournage et d'alésage, qui peuvent être mis en oeuvre pour répondre à un large éventail d'exigences de production.
La gamme de barres de tournage Steadyline comprend 7 diamètres d'attachement, parmi lesquels le 32 mm, 40 mm, 50 mm, 60 mm et 80 mm, ainsi que les dimensions 2,5" et 3,0". Trois longueurs d'outil (6xD, 8xD et 10xD) sont disponibles pour chaque diamètre, avec un grand choix de raccords côté machine, parmi lesquels des mandrins cylindriques pour les dimensions métriques de 32 mm à 80 mm et impériales 1,25" à 3", ainsi que les options Seco-Capto et HSK-T/A. Ces barres d’alésage, lorsqu’elles sont équipées d’une connexion machine HSK-T/A ou Seco-Capto, sont conçues pour pouvoir réaliser à la fois des opérations statiques de tournage et des opérations rotatives d’alésage.
Les barres de tournage d’un diamètre 32 à 50 mm sont équipées de la connexion à changement rapide « GL ». Le serrage par écrou exterieur permet le changement simple et rapide de tête de tournage ou d’alésage, tandis que le centrage polylobé garantis un positionnement extrêment précis de la tête de tournage et une répétabilité optimale et permet un positionnement des têtes à 0˚ et 180°.
Les barres d'un diamètre de 60 mm ou plus sont équipées d’adapteurs BA-vers-GL verrouillés par quatre vis Graflex et permettent également un indexage des têtes à 180°. Ces barres de plus grandes tailles sont utilisées pour le tournage avec des adaptateurs BA-vers-GL et des têtes GL50 compactes, ainsi que pour l'alésage avec des têtes d'alésage BA disponibles en solutions clés en main.
Des têtes GL sont disponibles pour les applications d'alésage ébauche et finition, ainsi que pour les applications de tournage avec des versions à coupe à gauche et à droite. Des plaquettes négatives sont proposées pour l'ébauche et des plaquettes positives pour la finition, ainsi que des plaquettes pour le filetage, le rainurage et le tronçonnage.
En plus d'une large sélection d'outils standards, Seco propose également des solutions personnalisées, telles que des barres à arêtes de coupe multiples et des barres extra-longues (plus de deux mètres) pour les applications spéciales.
Pour le fraisage, le système Steadyline est disponible avec une connexion Combimaster pour monter des fraises Combimaster à tête remplaçable, du diamètre 20 à 40 mm, ainsi que sous la forme de porte-fraises pour les fraises de 40 à 160 mm de diamètre. Ces solutions de fraisage sont adaptées aux opérations de surfaçage-dressage, de copiage, de fraisage en bout, de surfaçage, de tréflage et de fraisage à disque grâce à de nombreux types de plaquettes, ainsi qu'au contournage et à la plongée par interpolation hélicoïdale. Deux variantes sont disponibles, avec des corps cylindriques ou renforcés coniques. La forme renforcée conique du corps des outils permet d'obtenir une stabilité statique et dynamique encore supérieure pour les applications de fraisage intensif. Ces solutions de fraisage sont disponibles pour des broches machines Seco-Capto, HSK-A, BT, CAT et DIN (y compris en version cône-face).
Sont aussi disponibles, pour des solutions sur mesure, des mandrins à fretter Steadyline ou des mandrins à pinces Steadyline.
Recommandation pour le montage des outils
Les outils Steadyline sont livrés prêts à l'emploi : le système d'amortissement intégré peut être utilisé sans réglage préalable. Pour obtenir les meilleurs résultats, les barres doivent être montées directement sur la broche de la machine, sans extension ou réduction intermédiaire. En tournage, la connexion Seco-Capto est à privilégier en raison de son double contact cône-face et de sa résistance élevée à la torsion, qui optimisent le positionnement de l'arête de coupe. Lorsqu’une connexion Seco-Capto n'est pas envisageable, les barres cylindriques doivent être fixées dans un porte-outil de tournage adapté et insérées à la profondeur 4xD, indiquée par la deuxième gorge sur la barre.
Conseils d'application
Certains paramètres spécifiques doivent être pris en considération pour l'outillage Steadyline. Lors du remplacement direct d'une barre classique par une unité passive/dynamique Steadyline, il peut être nécessaire d'augmenter les conditions de coupe afin de générer des efforts de coupe suffisants pour déclencher une réponse d'amortissement de la part du système. A défaut, l’amortisseur de vibration sera inefficace et, du fait de son long porte-faux, c’est la structure même de la barre qui risquerait d’absorber les efforts de coupe. La barre pourrait alors se plier, résultant en un diamètre inférieur à celui recherché. Diviser l'opération en trois coupes plus légères élimine ce risque de torsion et permet d'obtenir le diamètre programmé. Il est indispensable de noter que le diamètre d'usinage minimum doit être suffisamment grand par rapport au diamètre de la barre pour permettre une bonne évacuation des copeaux. La prise en compte de l'évacuation des copeaux est cruciale, particulièrement pour des trous étroits et profonds. L'utilisation d'arrosage est recommandée pour faciliter l'évacuation des copeaux et minimiser le transfert de chaleur à la barre, qui est sensible à la température.
