Éliminer les vibrations : Stratégies éprouvées pour optimiser les réglages machine pour une production plus rapide et plus propre

Les vibrations ralentissent-elles la productivité de votre atelier ? Nous avons interrogé des experts sur une nouvelle approche pour minimiser les vibrations dans la fabrication de pièces usinées, ce qui permet d'envoyer plus de pièces sur le marché plus vite et avec moins de rebuts.

Les vibrations d'usinage excessives, aussi appelées chatter, sont l'ennemie de toutes les opérations de travail des métaux efficaces.

Ce tremblement indésirable — qui correspond au mouvement relatif entre la pièce et l'outil de coupe — use prématurément vos outils et machines, et augmente le risque qu'un processus d'usinage produise une pièce hors spécifications, explique Tony Schmitz, professeur de génie mécanique, aérospatial et biomédical à l'Université du Tennessee, Knoxville.

Depuis deux ans, Schmitz et son collègue Dave Barton, vétéran de l'industrie manufacturière, travaillent avec une équipe d'ingénieurs au Oak Ridge National Laboratory pour introduire un outil qui aide les ateliers à mieux optimiser les vibrations machine.

« En fraisage, vous avez une fraise rotative qui enlève les copeaux », explique Schmitz, qui est aussi membre du corps professoral conjoint à l'ORNL. L'effort de coupe croît et décroît à chaque engagement de dent, ajoute-t-il. « Imaginez un battement de cœur — avec la dent qui entre et sort de contact. C'est cette force qui monte et descend qui cause la vibration. »

Trouver un moyen de réduire intelligemment le chatter et de maintenir un « battement de cœur » d'usinage régulier n'est pas qu'une question de contrôle de vitesse, c'est aussi une question d'optimisation de la machine en comprenant la vibration qui se produit à la pointe de l'outil par rapport au matériau usiné, et le réglage spécifique sur chaque machine, explique Barton.

Le défi vient du fait que chaque configuration machine-outil a son propre ensemble de fréquences de vibration uniques. Cela rend le test de chaque configuration porte-outil-broche-machine pour un produit critique, et souvent un travail chronophage pour les ateliers. Pourtant, cette information est requise pour trouver les paramètres d'usinage optimaux sans essais-erreurs coûteux.

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Comment les ateliers minimisent généralement le chatter

Pour la plupart des tourneurs et ateliers, gérer le chatter est un processus d'essais-erreurs — c'est, plus ou moins, du tâtonnement, dit Barton.

Il est assez courant que les tourneurs s'appuient sur les réglages recommandés fournis par les fabricants d'outillage pour réduire le chatter, ou sur des tableaux denses de vitesses et avances, dit Schmitz. Ensuite, les tourneurs ajustent les réglages selon les besoins : « Le défi, c'est que ces vitesses et avances trouvées dans un livre ou en ligne ne tiennent pas compte de la dynamique de votre machine et de votre configuration. »

Généralement, les fabricants de machines et d'outils publient des paramètres à vitesses élevée, moyenne et faible pour la vitesse de coupe et l'avance, dit Jamie Goettler, directeur de l'innovation métallurgie chez MSC.

Sur la base de ces informations, la plupart des tourneurs « vont droit au milieu », dit Goettler. « S'il y a des problèmes ou du chatter, ils réduisent jusqu'à trouver un régime stable. »

Avec cette approche, les ateliers effectuent généralement un essai pour chaque nouveau matériau ou pièce, ajoute-t-il. Un tourneur commence en faisant tourner l'outil à la vitesse, l'avance et les profondeurs de passe recommandées par le fabricant, puis doit ajuster intuitivement chacun de ces paramètres sur plusieurs passes d'essai.

Voici comment fonctionne MSC MillMax :

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Il n'est pas rare qu'un atelier passe la meilleure partie d'un quart de travail entier à tenter d'optimiser sa configuration avant de commencer la production de pièces, dit Goettler. On comprend pourquoi les entreprises prennent ce temps : elles cherchent à atteindre la productivité maximale, contrôler les rebuts et prolonger la durée de vie des outils et machines.

Certains ateliers peuvent tenir des journaux et tableaux détaillés pour différentes combinaisons de configurations d'outillage pour des pièces spécifiques, pour découvrir que la prochaine fois qu'ils utilisent cette combinaison, elle peut vibrer car leurs conclusions initiales n'étaient pas robustes ou répétables. D'autres ateliers luttent contre le chatter chaque jour en utilisant des sobres manuels ou en essayant différents outils.

Une nouvelle technologie d'outillage pour réduire le chatter

Barton et Schmitz affirment que MSC MillMax, l'outil de sélection de paramètres de fraisage qu'ils ont développé, peut rendre l'optimisation plus rapide.

La plus grande préoccupation est la façon dont l'outil coupe à sa pointe, explique Schmitz. Mesurer le « comportement vibratoire spécifique à la pointe de l'outil » fournit les données vitales dont les ateliers ont besoin pour perfectionner chaque combinaison de configuration, ajoute-t-il. « Vous pouvez considérer chaque combinaison porte-outil-broche-machine comme ayant une empreinte dynamique unique. MillMax vous permet de mesurer cette empreinte et d'en faire le meilleur usage. »

MillMax est un petit kit qui utilise un capteur pour recueillir les données de fréquence de vibration et les présenter en temps quasi réel sur un tableau de bord numérique. Armé de ces informations, un atelier peut construire une configuration qui permettra à ses tourneurs de produire des pièces à la vitesse la plus rapide possible et de maximiser l'enlèvement de matière, dit Barton.

« Nous fixons un petit capteur sur la pointe de l'outil, puis nous tapons l'outil avec un marteau instrumenté pour obtenir les données de vibration », explique-t-il. Il y a « des milliards de combinaisons potentielles de systèmes de fraisage dans le système MillMax. »

Une fois que vous avez la configuration pour une pièce spécifique sur une machine spécifique, il n'y a pas besoin de re-taper, ajoute Schmitz. Vous ne re-tapez que si vous changez la longueur de l'outil ou la machine que vous prévoyez d'utiliser.

« Nous n'essayons pas de vendre un outil spécifique, mais de les aider à trouver le bon outil », dit Barton. Essentiellement, « nous sommes le détecteur de vérité » qui peut montrer à un atelier des données réelles sur ce qui se passe avec la fréquence de vibration sur leurs configurations uniques ou pour comparer plusieurs configurations. « Et nous pouvons le faire en quelques minutes », ajoute-t-il.

Utilisez-vous la bonne fraise en bout pour le travail ? Lisez notre article « Quand mettre à niveau vos fraises en bout » pour le savoir.