Maîtriser les vibrations d'usinage : causes, prévention et optimisation

Les vibrations d'usinage surviennent dans presque tous les processus de fabrication. Les machines lourdes utilisées dans l'industrie génèrent d'importantes vibrations, entraînant une mauvaise finition de surface et une perte de précision dimensionnelle.

Les machinistes doivent faire face à ces vibrations indésirables dans différents processus comme le tournage CNC, le fraisage ou le perçage. Toutefois, comprendre les vibrations d'usinage, leurs causes et savoir comment les éviter permet de prévenir les temps d'arrêt, préjudiciables pour les entreprises.

Cet article aborde la définition des vibrations, leurs types, leurs conséquences et les moyens de les éviter.

Qu'est-ce que les vibrations d'usinage ?

Les vibrations d'usinage sont des oscillations indésirables qui se produisent lors de la coupe ou du perçage de pièces. Elles résultent d'un déséquilibre vibratoire entre la pièce et l'outil qui se déplacent de manière répétée l'un par rapport à l'autre. La vibration survient lorsque la pièce usinée et l'outil de coupe se déplacent dans des directions opposées, provoquant une charge de coupe variable par rotation de l'outil.

Cela peut être dû à une conception inadaptée à la fabrication ou à un outillage insuffisant. Les vibrations produisent généralement des bruits forts et une ondulation visible sur la surface des composants usinés. On distingue deux formes de vibrations d'usinage :

• Vibration de résonance
• Vibration non-résonnante

La vibration non-résonnante résulte de l'utilisation d'outils inégalement usés sur les pièces. Cette vibration est souvent constante tout au long du cycle d'usinage et due à des causes mécaniques faciles à examiner.

En revanche, la vibration de résonance se produit à des étapes spécifiques du parcours d'outil, comme lors de l'usinage de coins concaves.

Types de vibrations en usinage

Il existe deux types majeurs de vibrations que l'on peut rencontrer en usinage CNC :

Vibrations d'outil

Généralement, les fraises CNC vibrent pendant les opérations de coupe. Elles commencent à ébarber tout en transmettant la vibration à la pièce sur laquelle elles ajoutent diverses caractéristiques. Par conséquent, l'outil et la pièce commencent à glisser l'un contre l'autre, augmentant considérablement les vibrations.

Vibrations de pièce

Parfois, lorsque la pièce est mal fixée sur la table de la fraiseuse, cela peut entraîner des décalages et des vibrations. Par conséquent, la paroi mince de la pièce peut commencer à vibrer en la transmettant à l'outil de coupe.

Il est important de noter que certaines vibrations sont souvent inévitables. Si la vibration pendant l'usinage dépasse 100 µm, la pièce peut présenter des rayures en surface. Toutefois, il convient de traiter les vibrations d'outil et de pièce pour garantir la qualité du produit. Nous verrons comment éviter les vibrations ci-dessous.

Quelles sont les conséquences des vibrations en usinage ?

Si elles ne sont pas maîtrisées, les vibrations d'usinage peuvent entraîner divers effets néfastes, comme une baisse de l'efficacité d'usinage. En voici quelques-uns :

Réduction de la durée de vie de l'outil

Les outils de coupe ne supportent pas les impacts vibratoires des vibrations contre les pièces. Ces effets de choc peuvent ébrécher et émousser l'outil de coupe, dégradant la qualité de surface des pièces usinées. Cela réduit également la durée de vie et l'efficacité de coupe de l'outil, et son remplacement est coûteux.

Réduction de la durée de vie de la machine

La machine-outil utilisée dans différents composants d'usinage comprend diverses pièces qui, en cas de vibration, vibrent à la même fréquence. La broche et les autres éléments essentiels produisant les différents axes de mouvement peuvent s'user plus rapidement que prévu. Par conséquent, les vibrations de la machine soumettent ses composants à un stress excessif et, si elles ne sont pas contrôlées, peuvent réduire l'efficacité d'usinage et provoquer des arrêts.

Mauvaise finition de surface

Les vibrations en usinage affectent les propriétés esthétiques de la pièce et peuvent diminuer ses tolérances dans les cas extrêmes. L'une des conséquences les plus visibles est une rugosité de surface médiocre. Les vibrations causent une ondulation visible en surface, compromettant la qualité et la durabilité de la pièce.

Réduction de la précision dimensionnelle

Lorsqu'un outil de coupe vibre pendant l'usinage CNC, il s'écarte de sa trajectoire initiée par le FAO. Cette déviation peut rendre les pièces mal ajustées : trop serrées, trop longues, trop courtes ou trop lâches en raison de dimensions inexactes.

Les entreprises de fabrication emploient différentes méthodes pour minimiser les vibrations lors des opérations d'usinage et garantir que les pièces et les outils de coupe sont en bon état. Voici quelques étapes pour réduire les vibrations lors de l'usinage CNC :

Optimiser la stratégie d'usinage

Le degré d'engagement de la fraise sur la pièce varie avec le fraisage conventionnel. Une force excessive est régulièrement exercée sur la fraise lorsqu'elle suit le parcours. La meilleure façon de réduire les vibrations est d'obtenir un parcours d'outil à engagement régulier. On peut également réduire la profondeur de passe.

Il faut aussi reconsidérer la configuration de la broche. Par exemple, si la vibration de résonance en est la cause, augmenter ou réduire le régime de la machine de 5 % minimisera les vibrations de résonance. Notez que certains logiciels FAO permettent de varier les vitesses de broche de manière constante. La plupart des fabricants adoptent cette fonction pour sa polyvalence.

Adopter le bon maintien de pièce

Les machines-outils équilibrées offrent un meilleur réglage. Plusieurs facteurs, comme les positions et fixations incorrectes, sont les principales causes de vibrations en usinage CNC. Cependant, le porte-outil avec contact face et cône assure une rigidité maximale pendant l'usinage. Ainsi, la qualité de surface des composants n'est pas compromise au régime le plus bas.

Il faut également vérifier si l'étau du machiniste, la table à vide, le mandrin ou tout autre dispositif de maintien exerce une pression adéquate pour maintenir la pièce ferme et stationnaire.

Lorsqu'on envisage d'utiliser des gabarits et fixations pour exercer la pression de serrage requise, il ne faut pas serrer seulement une extrémité d'une pièce allongée et mince. Il est en effet difficile pour les pièces à parois minces d'absorber les chocs. Des matériaux de remplissage augmentent leur rigidité globale et réduisent les vibrations. Une contre-pointe ou un support stable similaire est idéal pour de tels composants.

Utiliser le bon outil de coupe

Le bon outil de coupe aide à éviter les vibrations d'usinage. Certains outils génèrent plus de vibrations que d'autres. Il n'est pas facile d'éliminer les vibrations d'outil comme celles de la pièce. Il faut donc considérer les facteurs suivants pour tout outil choisi :

• Revêtement de l'outil
• Géométrie de substrat correcte
• Rapport d'aspect de l'outil

Les machinistes et ingénieurs utilisent souvent le plus grand outil qui convient s'il répond aux spécifications techniques. Plus une fraise est massive, moins elle vibre. Les outils longs ou minces se déforment facilement. Il faut donc privilégier des outils plus courts avec le plus grand diamètre possible.

Cependant, combiner divers outils avec des formes de goujures variables est le moyen le plus efficace de minimiser les vibrations. De plus, réduire le porte-à-faux des outils et les fixer solidement diminue la probabilité de vibrations.

Assurez-vous que vos fraises ont des lames affûtées qui minimisent la force de coupe des fraiseuses CNC. Il faut toujours considérer la stabilité de l'environnement de traitement et l'entretien rapide de la fraise. De même, appliquer une pression d'outil appropriée et constante garantit une charge de copeau régulière.

Déterminer le parcours d'outil idéal

Les opérations de fraisage CNC sont de deux types : le fraisage en montée et le fraisage en descente. Si l'on exerce la force de coupe dans la même direction que le serrage, cela peut réduire les vibrations des pièces déformées. C'est souvent un aspect essentiel de la coupe à considérer.

Généralement, les fraiseuses CNC ont des vis à billes préinstallées qui améliorent l'efficacité et la précision de la technologie CNC. On peut donc employer un centre d'usinage vertical pour prévenir les vibrations pendant la coupe.

Réglage et maintenance de la machine

Comme prévu, votre machine CNC doit être installée sur un sol en béton sans fissures, déformations ou discontinuités. L'agencement de votre machine joue un rôle crucial dans la minimisation des vibrations pendant l'usinage.

En effet, un sol élastique, mou ou endommagé peut augmenter les tremblements d'une machine CNC. Il faut donc envisager d'utiliser des ancrages et des pieds de réglage pour maintenir l'unité CNC ferme et stable afin de minimiser les vibrations.

WayKen fournit des solutions d'usinage efficaces

Il est toujours difficile d'éviter les petits problèmes en usinage, comme les vibrations, qui peuvent affecter le résultat final. C'est là qu'un expert en usinage CNC est nécessaire pour y faire face.

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Conclusion

Les vibrations sont un effet d'usinage qui cause une baisse substantielle de la productivité. Elles affectent la performance de la machine, la qualité de la pièce, la durée de vie de l'outil de coupe et de la machine-outil. Divers facteurs y contribuent, de l'installation de la machine au parcours d'outil.

Cependant, en cas de vibrations sévères, inspectez soigneusement la situation. Assurez-vous que l'outil et la pièce sont correctement maintenus et que les options d'usinage configurées sont correctes pour atténuer efficacement ces vibrations.

FAQ

Qu'est-ce que les marques de vibration en usinage ?

Les marques de vibration sont des défauts de surface irréguliers laissés par une meule décentrée en rectification ou des marques régulières formées lors du tournage d'une pièce longue sur un tour en raison des vibrations d'usinage.

Quelles sont les causes des vibrations en opérations d'usinage ?

Les forces de coupe créées pendant la coupe augmenteront considérablement si votre machine-outil a une usure excessive. L'augmentation de la force de coupe entraîne généralement des vibrations lors de la coupe de substrats rigides.

Quelles sont les causes des vibrations dans les équipements rotatifs ?

Les causes les plus courantes de vibrations dans les équipements rotatifs incluent le désalignement, le déséquilibre, l'usure et le jeu. Le déséquilibre d'une zone lourde dans un composant rotatif provoquera des vibrations lorsque le poids déséquilibré tourne autour de l'axe de la machine, générant une force centripète.

Comment identifier les vibrations en usinage ?

Les vibrations de machine CNC sont généralement audibles. Un opérateur expérimenté peut donc identifier les vibrations grâce à leur son distinctif. De plus, les vibrations laissent des marques d'ondulation visibles sur la surface de la pièce.