La vibration est un phénomène physique inévitable dans le fonctionnement des centres d'usinage CNC ATC (Automatic Tool Change). En tant que fournisseur de centres d'usinage CNC ATC, la compréhension des caractéristiques vibratoires et de leur influence est cruciale à la fois pour le développement de produits et pour l'orientation des clients. Dans ce blog, nous approfondirons les caractéristiques vibratoires des centres d'usinage CNC ATC et explorerons leur impact sur le processus d'usinage.
Sources et types de vibrations dans les centres d'usinage CNC ATC
1. Vibrations mécaniques
Les composants mécaniques d'un centre d'usinage CNC ATC sont des sources importantes de vibrations. Par exemple, la rotation de la broche est une cause première. Lorsque la broche tourne à des vitesses élevées, tout déséquilibre de la broche ou de l'outil de coupe peut entraîner des forces centrifuges, qui à leur tour génèrent des vibrations. Les roulements supportant la broche jouent également un rôle. Des roulements usés ou mal installés peuvent provoquer des vibrations irrégulières pendant le fonctionnement de la broche.
Une autre source mécanique est le mouvement des axes. Les guides linéaires et les vis à billes qui entraînent le mouvement de la table et de la tête de l'outil peuvent produire des vibrations. Des imperfections dans la fabrication de ces composants, telles que des pas de vis à billes inégaux ou des guides linéaires mal alignés, peuvent entraîner des vibrations périodiques lorsque les axes se déplacent.
2. Coupe – Vibration induite
Pendant le processus de coupe, l’interaction entre l’outil de coupe et la pièce est une source majeure de vibrations. La formation de copeaux est un processus complexe qui implique le cisaillement et la déformation du matériau de la pièce. Une formation irrégulière de copeaux, telle qu'une rupture de copeau ou une formation d'arêtes accumulées, peut provoquer des changements soudains dans la force de coupe, entraînant des vibrations.
Les paramètres de coupe, tels que la vitesse de coupe, l'avance et la profondeur de coupe, ont également un impact significatif sur les vibrations induites par la coupe. Par exemple, si la vitesse de coupe est trop élevée ou si la vitesse d'avance est trop importante, la force de coupe augmentera, ce qui peut déclencher des vibrations auto-excitées. Les vibrations auto-excitées sont particulièrement gênantes car elles peuvent augmenter en amplitude avec le temps et causer de graves dommages à l'outil de coupe et à la pièce à usiner.
3. Électrique et contrôle – Vibrations liées
Dans les centres d'usinage CNC ATC modernes, les systèmes électriques et de contrôle sont également des sources potentielles de vibrations. Les servomoteurs qui entraînent les axes s'appuient sur des signaux de commande précis pour fonctionner en douceur. Toute interférence électrique ou erreur de contrôle peut provoquer la génération de vibrations par les servomoteurs. Par exemple, des réglages de gain incorrects dans le système de servocommande peuvent entraîner une sur-compensation ou une sous-compensation du mouvement du moteur, entraînant des vibrations.
Caractéristiques vibratoires
1. Caractéristiques de fréquence
Les vibrations dans les centres d’usinage CNC ATC peuvent avoir une large gamme de fréquences. Les vibrations mécaniques ont généralement des fréquences relativement basses, généralement comprises entre quelques hertz et quelques centaines de hertz. Par exemple, la vibration provoquée par la rotation de la broche à une vitesse relativement faible peut avoir une fréquence correspondant à la vitesse de rotation de la broche.
Les vibrations induites par la coupe peuvent avoir des composantes à la fois basse et haute fréquence. Les vibrations de coupe à basse fréquence sont souvent liées au processus de coupe global, comme la périodicité de la formation des copeaux. Les vibrations de coupe à haute fréquence, en revanche, peuvent être provoquées par l'impact à grande vitesse entre l'outil de coupe et la pièce ou par la résonance du système de coupe.
Les vibrations électriques et liées au contrôle peuvent avoir des fréquences liées à la fréquence de la boucle de contrôle du système d'asservissement. Ces fréquences peuvent aller de quelques centaines de hertz à plusieurs kilohertz, selon la conception du système de contrôle.
2. Caractéristiques d'amplitude
L'amplitude des vibrations est une caractéristique importante qui affecte directement la qualité de l'usinage. Les vibrations de petite amplitude peuvent avoir un impact négligeable sur la finition de surface de la pièce, mais les vibrations de grande amplitude peuvent causer des problèmes importants. Par exemple, une amplitude de vibration excessive peut entraîner une mauvaise rugosité de surface, des imprécisions dimensionnelles et même la casse des outils.
L'amplitude des vibrations est influencée par de nombreux facteurs, notamment la rigidité de la structure de la machine, les conditions de coupe et la capacité d'amortissement du système. Une machine dotée d’une structure plus rigide peut généralement supporter des forces de coupe plus importantes sans vibrations excessives. Des matériaux et des structures d'amortissement peuvent être utilisés pour absorber et dissiper l'énergie vibratoire, réduisant ainsi l'amplitude des vibrations.
3. Caractéristiques des phases
La relation de phase entre les différentes sources de vibrations peut également avoir un impact sur le comportement vibratoire global du centre d'usinage CNC ATC. Lorsque plusieurs sources de vibrations sont présentes, leurs phases peuvent s’additionner de manière constructive ou destructrice. Une interférence constructive se produit lorsque les phases de différentes vibrations sont synchronisées, ce qui entraîne une augmentation de l'amplitude globale des vibrations. En revanche, des interférences destructrices se produisent lorsque les phases sont désynchronisées, ce qui peut réduire l’amplitude globale des vibrations.
Influence des vibrations sur les centres d'usinage CNC ATC
1. Impact sur la qualité d'usinage
Les vibrations ont un impact direct et significatif sur la qualité de l’usinage. Comme mentionné précédemment, les vibrations peuvent entraîner une mauvaise rugosité de la surface. Lorsque l'outil de coupe vibre pendant le processus d'usinage, il laisse des marques irrégulières sur la surface de la pièce, ce qui donne une finition rugueuse. Ceci est particulièrement critique dans les applications où des finitions de surface de haute précision sont requises, comme dans la fabrication de composants optiques ou de pièces aérospatiales.
Les imprécisions dimensionnelles sont une autre conséquence des vibrations. Les vibrations peuvent faire dévier l’outil de coupe de sa trajectoire prévue, entraînant des erreurs dans les dimensions de la pièce usinée. Cela peut entraîner des pièces qui ne répondent pas aux spécifications de conception, ce qui entraîne une augmentation des taux de rebut et des coûts de production.
2. Impact sur la durée de vie de l'outil
Les vibrations peuvent réduire considérablement la durée de vie de l’outil de coupe. Les vibrations à haute fréquence et à haute amplitude peuvent provoquer une usure excessive du tranchant de l'outil. Les vibrations peuvent également conduire à l'écaillage et à la rupture de l'outil de coupe, en particulier dans les matériaux fragiles tels que le carbure.
Lorsque l'outil de coupe vibre, la répartition de la force de coupe devient inégale, ce qui peut provoquer des concentrations de contraintes localisées sur l'outil. Au fil du temps, ces concentrations de contraintes peuvent conduire à la formation de fissures et finalement à la défaillance de l'outil. Cela augmente non seulement les coûts d'outillage, mais nécessite également des changements d'outils plus fréquents, ce qui réduit la productivité du processus d'usinage.
3. Impact sur la durée de vie des machines
Les vibrations continues peuvent également avoir un impact négatif sur la durée de vie du centre d'usinage CNC ATC lui-même. Les vibrations peuvent causer des dommages par fatigue à la structure de la machine, en particulier dans les zones où les concentrations de contraintes sont élevées, telles que les joints entre différents composants.
Les roulements, les guides linéaires et les vis à billes sont particulièrement vulnérables aux dommages induits par les vibrations. Les vibrations peuvent accélérer l’usure de ces composants, entraînant une précision réduite et des besoins de maintenance accrus. Dans les cas graves, les vibrations peuvent provoquer la défaillance de ces composants critiques, ce qui peut nécessiter des réparations coûteuses et un arrêt prolongé de la machine.
Atténuation des vibrations dans les centres d'usinage CNC ATC
1. Conception de machines et optimisation de la structure
L’un des moyens fondamentaux d’atténuer les vibrations consiste à concevoir correctement la machine et à optimiser sa structure. L'augmentation de la rigidité de la structure de la machine peut contribuer à réduire l'amplitude des vibrations. Ceci peut être réalisé en utilisant des matériaux plus épais et plus rigides dans la construction du châssis de la machine et de ses composants.
Des matériaux amortisseurs peuvent également être incorporés à la structure de la machine pour absorber et dissiper l’énergie vibratoire. Par exemple, des matériaux amortisseurs viscoélastiques peuvent être utilisés dans les joints entre différents composants pour réduire la transmission des vibrations.
2. Optimisation des paramètres de coupe
L'optimisation des paramètres de coupe est un moyen efficace de réduire les vibrations induites par la coupe. En sélectionnant soigneusement la vitesse de coupe, l'avance et la profondeur de coupe, la force de coupe peut être contrôlée et le risque de vibrations auto-excitées peut être minimisé.
Dans certains cas, l’utilisation de paramètres de coupe variables pendant le processus d’usinage peut également contribuer à supprimer les vibrations. Par exemple, modifier légèrement la vitesse de coupe pendant le processus de coupe peut perturber les conditions de vibrations auto-excitées.
3. Fixation des outils et des pièces
Un bon montage des outils et des pièces à usiner est essentiel pour réduire les vibrations. Un outil et une pièce bien serrés peuvent offrir une meilleure stabilité pendant le processus de coupe. L'utilisation de porte-outils et de fixations de pièces de haute qualité peut contribuer à minimiser les mouvements et les vibrations de l'outil et de la pièce.
Par exemple, les porte-outils hydrauliques peuvent fournir une connexion plus sûre et plus précise entre l'outil et la broche, réduisant ainsi les vibrations causées par le faux-rond de l'outil. De même, l'utilisation de fixations avec des forces de serrage élevées peut empêcher la pièce de vibrer pendant le processus de coupe.
En tant que fournisseur deCentres d'usinage CNC ATC, nous comprenons l'importance du contrôle des vibrations pour garantir les performances de haute qualité de nos machines. NotreCentre d'usinage CNC en boisetRouteur CNC ATCsont conçus avec des technologies avancées de réduction des vibrations pour fournir à nos clients des solutions d'usinage fiables et de haute précision.
Si vous êtes intéressé par nos centres d'usinage CNC ATC et souhaitez discuter de vos besoins spécifiques en matière d'usinage, n'hésitez pas à nous contacter. Nous nous engageons à vous fournir les meilleurs produits et services pour répondre à vos besoins.
Références
- Altintas, Y. (2000). Automatisation de la fabrication : mécanique de coupe des métaux, vibrations des machines-outils et conception CNC. La Presse de l'Universite de Cambridge.
- Shaw, MC (2005). Principes de coupe des métaux. Presse de l'Université d'Oxford.
- Tobias, SA (1965). Vibrations des machines-outils. Blackie & Fils Limitée.
