Différentes façons d'éviter les vibrations

Les vibrations des outils sont désastreuses pour les résultats finaux du processus d'usinage. Pour certaines applications, des systèmes mécatroniques avancés permettent de contrer les vibrations. Pour d'autres types de vibrations, d'autres solutions sont nécessaires. Et c'est là que l'industrie 4.0 fait son entrée. En résumé, plusieurs solutions s'offrent à vous pour lutter contre les vibrations.

Les vibrations peuvent avoir différentes causes. En d'autres termes, il existe différentes formes de vibrations qui ont un impact négatif sur le résultat de la coupe et la durée de vie de l'outil. Le bavardage est l'une des formes les plus connues. La vibration provient de la fréquence propre de la machine; l'outil se met à vibrer de lui-même et cette vibration est continuellement amplifiée. La cause peut être l'usure de l'outil, qui augmente les forces de coupe. Une vitesse de coupe trop élevée ou une vitesse d'avance trop faible peuvent également entraîner un broutage. La solution consiste souvent à ajuster la vitesse. Il n'est pas nécessaire que ce soit toujours vers le bas, d'où des conditions d'usinage plus faibles. Si l'on choisit une stratégie de contrôle actif du broutage, on peut choisir les limites du diagramme de stabilité pour une certaine opération de manière à obtenir une productivité plus élevée sans broutage.

Vibrations forcées

Une deuxième variante est la vibration qui se produit lorsque des forces sont appliquées à la machine à une certaine fréquence, appelée vibration forcée. Celles-ci peuvent se produire, par exemple, lorsqu'une fraise à plusieurs tranchants n'est pas correctement équilibrée. Si la fréquence correspond aux fréquences naturelles de la structure de la machine, celle-ci peut éventuellement entrer en résonance. Une troisième forme de vibration peut se produire lorsque des impulsions sont transmises à la structure par les fondations. Cela entraîne non seulement des nuisances sonores, mais surtout une détérioration des arêtes de coupe de l'outil et donc une qualité de surface inférieure. Dans tous les cas, les vibrations entraînent directement des nuisances sonores dans l'environnement et, surtout, une mauvaise qualité de surface et donc des rejets plus fréquents de produits.

Amortissement passif

Pour contrer les vibrations autres que le broutage, des systèmes actifs et passifs peuvent être utilisés. Avec l'amortissement passif, la solution se trouve dans les matériaux à haut module d'élasticité pour le porte-outil. Des paquets de masses d'appui et de ressorts en acier sont également utilisés pour minimiser la déviation de l'outil. L'élément amortisseur de roulement élastique axialement et radialement est intégré dans la tige du support. L'amplitude des vibrations est ainsi réduite jusqu'à 1.000 fois, même pour les outils présentant un porte-à-faux relativement important. À l'origine, on l'observait surtout dans les forets pour les alésages jusqu'à 10xD; avec les forets renforcés au carbure de tungstène, cela va jusqu'à 14xD. En principe, l'amortissement passif est réalisé au moyen d'un élément amortisseur élastique avec des paliers, qui est installé et réglé en usine. En faisant vibrer la masse à une fréquence prédéfinie, les vibrations de l'ensemble du système sont supprimées.

En faisant vibrer la masse à une fréquence prédéfinie, on supprime le développement des vibrations sur l'ensemble du système

L'un des avantages de cette approche est qu'elle ne nécessite pas de maintenance ni d'action supplémentaire de la part de l'opérateur: elle fonctionne dès que le support équipé est utilisé. Parallèlement, ces porte-outils sont également utilisés pour les opérations de tournage et de fraisage, sans qu'il soit nécessaire de disposer d'une grande longueur de coupe. La raison en est qu'en amortissant les vibrations, il est possible d'augmenter le volume d'écaillage et d'améliorer la qualité de la surface de la pièce. Dans les opérations de fraisage où la profondeur de la pièce est requise, cette solution réduit le risque de vibrations. Dans tous les cas, l'augmentation de la productivité est la principale raison d'investir dans ce domaine.

En conséquence, le nouveau système permet des vitesses de coupe plus élevées, un taux d'enlèvement de matière nettement supérieur et des surfaces nettement meilleures. L'usinage de l'acier trempé est un exemple du résultat que l'on peut obtenir avec cette méthode. Sans le mécanisme d'amortissement, une valeur Rz de 7,8 µm peut être obtenue avec une fraise de 50 mm et une profondeur de coupe de 33. Avec l'amortissement intégré, le Rz est de 3,9 mm, soit la moitié de la rugosité.

Amortissement actif

L'amortissement actif des vibrations est essentiellement un système mécatronique dans lequel des capteurs détectent une vibration et commandent un actionneur qui génère une contre-vibration. Un tel système diffère fondamentalement des systèmes qui tentent de tuer une vibration dans l'œuf en se basant sur des données relatives à la machine, comme la consommation d'énergie. Ces derniers systèmes doivent passer par une certaine courbe d'apprentissage. Un système d'amortissement actif n'a pas à le faire et offre l'avantage d'être actif immédiatement après avoir été activé. La certitude d'éviter les vibrations grâce à une contre-vibration permet d'augmenter la productivité car les conditions de coupe peuvent être considérablement plus élevées.

Une variante de l'amortissement actif consiste à faire passer le contrôle des vibrations par le système de commande de la machine, comme l'a développé l'un des plus petits fabricants de commandes. Un accéléromètre amélioré, qui prend un échantillon toutes les 100 millisecondes, est placé à cet effet sur la tête de fraisage et envoie les signaux au contrôleur CNC ou à un PLC dans la machine. Même de petits changements dans l'accélération sont mesurés. Les constructeurs de machines peuvent utiliser les signaux ainsi collectés pour régler directement les moteurs de la machine CNC. Cette solution dépend du fabricant de la commande de la machine.

Système adaptatif

Des scientifiques indiens ont mis au point un système adaptatif pour une fraiseuse. Ils cherchaient en particulier une solution aux vibrations causées par l'usure de l'outil de coupe. Il s'avère que la vitesse de rotation de la broche et les signaux de vibration changent avec l'usure de la fraise. Ce contrôleur adaptatif contrôle les paramètres du processus de fraisage en temps réel et maintient les vibrations en dessous d'un seuil de sécurité prédéfini.

L'applicabilité de la méthode a été testée sur une fraiseuse CNC à 3 axes. Les résultats ont montré que la stratégie de contrôle adaptatif est efficace pour éviter les vibrations. Il s'agit encore de recherches universitaires qui n'ont pas encore été traduites en une application commerciale.

Industrie 4.0

Une évolution assez récente consiste à mesurer les conditions de coupe et les vibrations aussi près que possible de l'arête de coupe et à les transmettre à la commande de la machine ou à une unité de commande séparée. Les capteurs de l'outil surveillent la charge, les vibrations, la déviation et la température pendant le tournage. Ces données sont transmises à l'unité de commande de la machine. Elle a été initialement développée pour le tournage interne, car l'opérateur ne peut pas voir ce qui se passe dans la zone de coupe.

Un moniteur externe permet à l'opérateur de garder un œil sur ce qui se passe dans le processus. Cependant, grâce au lien avec le système de contrôle, on peut penser à automatiser le suivi du processus. Certaines règles peuvent être définies pour que la commande de la machine intervienne automatiquement lorsque les données lues dépassent certaines valeurs limites. Ces valeurs limites sont choisies de manière à éviter les vibrations. Cela rend les porte-plaquettes à amortissement passif plus intelligents. Dans un processus de production sans personnel, il est donc possible d'augmenter encore la fiabilité du processus.

Même un petit changement de la vitesse de la broche peut causer des problèmes

Un exemple de système actif pour réduire les vibrations est fourni par Bimatec Soraluce avec son système DAS (Dynamic Active Stabiliser). Les actionneurs du vérin de la machine génèrent une contre-vibration dès qu'une vibration est détectée. Cela annule la vibration initiale (EMO 2015).

Sandvik Coromant a récemment franchi une nouvelle étape avec le Silent Tools. Les données de coupe que l'outil mesure pendant le processus peuvent désormais être transmises directement aux commandes de la machine-outil grâce à CoroPlus Connect. Cela permet d'automatiser les actions à entreprendre lorsque certaines limites sont dépassées.

Mapal est l'un des fabricants d'outils à intégrer des mécanismes d'amortissement passif dans le porte-plaque de changement, ce qui améliore considérablement la qualité de la surface.

Le système Accure-tec de Walter est essentiellement un système d'outils à amortissement passif. Dans la variante de fraisage, on peut travailler avec des conditions de coupe trois fois plus élevées par rapport à un outil sans cet amortissement.

Sandvik Coromant a adapté le porte-plaquette CoroMill 390 à l'impression 3D. Cela a permis de réduire le poids et de rendre le support plus compact qu'une version standard. Selon le fabricant, cela réduit les vibrations lors du fraisage avec des longueurs de projection plus importantes. L'outil peut être combiné avec un adaptateur d'outil silencieux.

Causes multiples

Les vibrations peuvent avoir des causes multiples, comme l'usure des roulements de la broche. Le serrage de la pièce est également important, en particulier lorsque des produits à paroi mince sont usinés. Une installation faible peut provoquer des vibrations dans certaines situations. Différents paramètres de coupe peuvent alors aider. Le porte-outil peut également être en cause, par exemple si un outil n'est plus correctement équilibré. Plus la vitesse de la broche est élevée, plus il est important d'équilibrer le système d'outils. En fait, les vitesses de broche de 15.000 à 20.000 tr/min l'exigent. N'oubliez pas non plus que chaque broche possède une zone stable et une zone dans laquelle le risque de vibration augmente. La frontière est étroite: une petite variation de la vitesse peut déjà poser des problèmes.