Maîtriser l'analyse des vibrations : Une stratégie pilotée par les données pour éliminer le chatter d'usinage

La vibration est un sous-produit des outils rotatifs courants en fraisage. Mais une vibration excessive mène au chatter, qui cause l'usure des outils et des machines — et pire, peut résulter en pièces de mauvaise qualité et temps de cycle excessifs. Voici un aperçu des éléments impliqués dans l'analyse des vibrations pour éliminer le chatter.

Si vous travaillez dans la fabrication, vous connaissez la vibration — principalement que la vibration excessive n'est pas bonne pour les fraiseuses sur le plancher d'atelier ou les pièces produites. En fait, les machinistes passent beaucoup de temps à tenter d'éliminer le chatter causé par la vibration.

« Le chatter peut causer une usure rapide des outils et une mauvaise qualité de surface des pièces à haute vitesse de coupe, et il se produira sur différents paramètres de processus », note une recherche publiée dans The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.

Typiquement, les machinistes se tournent vers des tactiques d'essai-erreur, passant de la moitié à un quart de travail entier pour déterminer la configuration idéale pour un travail sur une fraiseuse CNC.

Pour atteindre la configuration optimale et éliminer le chatter — ce grincement de plus en plus fort qui indique une coupe irrégulière — les machinistes pourraient réduire la vitesse, ajuster les avances, essayer des profondeurs de coupe axiales et radiales variables, et même remplacer les outils.

Pourquoi ? Pour déterminer comment produire une pièce au niveau de fonctionnement optimal car cela non seulement prolonge la durée de vie de l'outil, mais permet finalement à une entreprise de produire plus de pièces de haute qualité plus rapidement.

Quand la configuration d'outil sur une machine CNC fonctionne de manière stable, c'est comme faire passer un couteau chaud dans du beurre : rapide, silencieux et propre.

Dans des cas limités pour l'instant, les équipes d'usinage essaient de mesurer et d'analyser la fréquence de vibration entre la pièce et l'outil de coupe, et de suivre les données à travers les configurations et les machines. Les gains de temps peuvent être significatifs, mais contrairement à l'utilisation de l'analyse des vibrations pour la planification de la maintenance préventive et prédictive des machines industrielles, c'est assez rare dans l'usinage et, plus spécifiquement, le fraisage.

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Qu'est-ce que l'analyse des vibrations, et pourquoi est-ce important en atelier ?

Clairement, éliminer la vibration peut mener à des opérations de fraisage plus efficaces et efficientes. Cela signifie que les machinistes d'une entreprise peuvent produire plus de bonnes pièces, réduire les taux de rebut et augmenter la rentabilité.

C'est là qu'intervient l'analyse des vibrations. L'analyse des vibrations est essentiellement la collecte d'informations sur la vibration qui peut permettre l'identification de vitesses et avances optimales et stables lors de l'usinage de pièces.

« L'analyse des vibrations peut être nos oreilles pour déchiffrer le langage des machines, et peut nous aider à déterminer où concentrer les ressources », selon un article sur Manufacturing.net.

C'est plutôt comme mesurer la santé de votre assemblage de fraisage, qui est la réponse unique de la broche de la machine, du porte-outil et de la fraise. Plus la vibration et le chatter sont grands, plus votre assemblage de fraisage est « malade » et plus le besoin d'ajustement de la vitesse et de l'avance est urgent pour perfectionner vos pièces et protéger votre configuration de l'échec.

Il y a quelques façons dont la vibration peut faire augmenter les coûts pour une entreprise. Premièrement, il y a le potentiel de défaillance de la broche. La réparation des broches peut coûter de quelques centaines à plusieurs milliers de dollars, et leur remplacement peut aller dans les dizaines de milliers. Dans de nombreux cas, cela peut pâlir en comparaison du coût d'une machine qui ne produit pas de pièces. De plus, ultimement, les machines fonctionnant de manière sous-optimale s'usent plus rapidement que celles qui fonctionnent sans chatter.

« Surveiller l'état des outils de coupe dans toute opération d'usinage est très important pour éviter les problèmes d'usinage inattendus et améliorer la précision d'usinage », note une recherche dans International Journal of Production Research.

Pensez-y comme vous le feriez pour une machine à laver surchargée : si votre laveuse fonctionne constamment hors d'équilibre, ses pièces commenceront à s'user et la machine tombera en panne plus rapidement qu'elle ne le ferait autrement. Ajuster la charge de lavage pour atteindre la stabilité augmenterait l'opportunité d'une vitesse optimale pour finir un cycle, et permettrait à la machine de durer bien plus longtemps.

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Les quatre principes de l'analyse des vibrations

Essentiellement, la vibration (données recueillies à l'aide de capteurs et d'accéléromètres) est convertie en charge électrique et mesurée comme un signal. L'analyse des vibrations compare et fournit des informations basées sur les mesures de la fréquence de vibration, du déplacement, de la vitesse et de l'accélération.

Ensuite, quatre principes permettent de représenter et de comparer les données de signal recueillies à partir de votre configuration d'usinage. Ces quatre principes sont le domaine temporel, le domaine fréquentiel, le domaine conjoint et l'analyse modale.

« Chaque domaine fournit des informations spécifiques sur les conditions de fonctionnement et les caractéristiques de la partie vibrante », explique ScienceDirect.

Qu'est-ce que le domaine temporel ?

Un signal voyage comme une onde. Le domaine temporel est simplement comment cette onde change avec le temps — son amplitude.

« Bien que la plupart des problèmes de vibration de machine soient détectés en utilisant l'analyse spectrale, certains types sont plus facilement vus dans la forme d'onde », explique un article dans le magazine Reliable Plant.

Mais il peut être difficile d'utiliser l'information du domaine temporel pour identifier où les amplitudes se produisent et ainsi isoler et calibrer votre machine de manière appropriée.

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Qu'est-ce que le domaine fréquentiel ?

En contraste avec le domaine temporel, le domaine fréquentiel regarde spécifiquement les ondes à des points définis — et comment l'amplitude de l'onde change à ces points distincts, ou fréquences.

« Quand les amplitudes de déplacement, vitesse et accélération sont exprimées dans le domaine fréquentiel — c'est-à-dire amplitude versus fréquence — les anomalies, sous forme d'amplitudes élevées à certaines fréquences, deviennent visibles », explique l'ingénieure Danielle Collins dans un article pour Motion Control Tips. « Et parce que de nombreux problèmes liés à la vibration se produisent à des fréquences spécifiques, la cause et l'emplacement de la vibration peuvent être réduits ou identifiés basés sur les variations d'amplitude à certaines fréquences. »

Qu'est-ce que le domaine conjoint ?

Le domaine conjoint est exactement ce à quoi cela ressemble : il associe les domaines temporel et fréquentiel pour adresser le fait que l'analyse des vibrations implique l'étude d'éléments non stationnaires.

Qu'est-ce que l'analyse modale ?

L'analyse modale définit les fréquences naturelles de vibration basées sur les matériaux structuraux de la configuration, la machine et la pièce. Elle crée la ligne de base contre laquelle l'analyse des vibrations peut identifier quand et dans quelle mesure une configuration d'outil et une machine sont en dehors du calibrage souhaité pour le travail spécifique.

Finalement, le but de ces analyses est d'identifier la vitesse stable pour un projet spécifique en utilisant une configuration spécifique sur une machine spécifique.

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Comment vos machinistes gèrent-ils le chatter ? Quelles approches avez-vous trouvées les plus réussies ? Partagez vos réflexions dans les commentaires ci-dessous.