Comment eviter les vibrations pendant le processus d’usinage?

Les outils de coupe d’Iscar luttent contre ces vibrations

Les vibrations lors du processus d’usinage sont inévitablement liées à l’usinage par enlèvement de matière. Les mouvements de coupe durant ce processus vont naturellement de pair avec différentes forces physiques. Les vibrations de machine sont aussi parfois appelées chatter. Même lorsqu’un processus d’usinage est qualifié de stable, cela ne signifie pas qu’il n’y a pas de vibrations. Dans ce cas, les vibrations restent toutefois à un niveau tel que l’usinage donne les résultats exigés et nous parlons dès lors d’un usinage no vibration.

Vibrations

Les vibrations lors du processus d’usinage sont en fait un facteur néfaste altérant les performances de l’outil. C’est pourquoi les fabricants mettent tout en œuvre pour réduire ces vibrations indésirables et les ramener idéalement à un niveau tel qu’elles n’influencent pas la qualité finale. Le chatter fait l’objet de plusieurs études ayant déjà incité les fabricants à procéder à la modélisation des vibrations complexes dans le processus d’usinage, ce qui s’est directement avéré être une méthode efficace pour également les réduire. La modélisation prend cependant du temps et exige différentes données d’entrée impliquant parfois des mesures supplémentaires. En général, lorsque des entreprises d’usinage sont confrontées à des vibrations pendant l’usinage, elles n’ont qu’un nombre limité de possibilités pour réagir en temps réel et diminuer les vibrations. La pratique la plus courante consiste à modifier la vitesse de coupe et l’avance. Autrement dit, toute nouvelle méthode efficace pour réduire les vibrations n’ayant pas d’influence négative sur la productivité de l’usinage comportera directement des avantages pour les entreprises d’usinage.

Afin de réduire les vibrations pendant le processus d’usinage, une unité de production doit être considérée comme un système composé de quelques éléments liés entre eux: la machine, la pièce, le serrage et l’outil de coupe. Bien que l’influence de chacun de ces éléments sur la réduction des vibrations totales soit différente, l’amélioration d’une caractéristique d’un élément peut déjà avoir un impact considérable sur le comportement dynamique global du système.

Geometrie de coupe

La géométrie appropriée de l’outil favorise la fluidité et la stabilité du processus. La géométrie a, en effet, une importante influence sur les fluctuations au niveau de la force de coupe, l’évacuation des copeaux et d’autres facteurs directement liés aux vibrations de machine. Les ingénieurs en outillage du fabricant d’outils Iscar pensent que cette géométrie de coupe peut renforcer énormément l’amortissement des vibrations d’un outil et ont développé pour cela quelques solutions intéressantes.

Les différentes plaquettes indexables, les têtes de coupe interchangeables et les outils en carbure monobloc d’Iscar sont ainsi dotés de brise-copeaux sur l’arête. Grâce à ces brise-copeaux, un copeau plus large est divisé en copeaux plus petits, ce qui génère des performances de l’outil plus dynamiques pendant l’usinage et la stabilisation des vibrations.

Lors d’usinage d’ébauche, les fraises hérissons éliminent de grandes quantités de matière dans des conditions lourdes. Ces forces de coupe cycliques énormes provoquent ainsi des problèmes de vibrations. L’utilisation de plaquettes indexables avec des brise-copeaux permet d’éviter ces problèmes. Les fraises à plaquettes rondes, véritables bourreaux de travail pour l’usinage de cavités, surtout dans la construction de matrices, sont souvent utilisées avec un grand porte-à-faux, ce qui influence la rigidité et la résistance aux vibrations de l’outil. Des problèmes en matière de stabilité de l’outil de coupe surviennent lorsque le porte-à-faux équivaut à plus de trois fois le diamètre de l’outil. En utilisant des plaquettes rondes segmentées avec un effet brise-copeaux, le problème est toutefois résolu, ce qui se traduit par une amélioration substantielle de la coupe.

Une répartition bien étudiée des arêtes sur le pourtour est efficace pour améliorer le comportement dynamique d’un outil de coupe. La famille d’outils chatterfree d’Iscar, composée de fraises en bout en carbure monobloc (SCEM), a été conçue sur la base d’un contrôle du pas. Les outils disposent d’une denture variable en combinaison avec un autre angle d’hélice. Ce concept garantit un fraisage sans vibrations dans toute une palette d’applications.

Les fraises en bout en carbure monobloc finishred ont une géométrie à effet brise-copeaux en combinaison avec des arêtes à pas variable garantissant une qualité de surface finie lors de l’usinage selon des paramètres d’ébauche.

Les principes de la géométrie de coupe anti-vibrations, ayant déjà prouvé leur efficacité dans le cas des fraises en bout en carbure monobloc, ont également été appliqués à la conception des têtes de fraisage multi-dents interchangeables dans la famille d’outils Multi-Master.

Perçage sans vibrations

Les vibrations durant le perçage donnent lieu à une finition médiocre et à une précision moindre. Les forets Sumocham à têtes en carbure monobloc interchangeables d’Iscar ont grâce aux têtes QCP/IPC-2M dotées d’une conception à double listel une meilleure stabilité dynamique.

Les vibrations lors de la pénétration peuvent causer de graves dommages et même la cassure de l’outil. La famille d’outils Sumocham-IQ d’Iscar est dès lors dotée de propriétés d’auto-centrage. La clé réside dans un profil concave atypique de l’arête, comparable à la forme d’une pagode. Cette géométrie de coupe permet de percer dans un matériau massif des trous de grande qualité profonds jusqu’à bien douze fois le diamètre, sans devoir pré-percer.

Materiau de l’outil

Un outil de coupe assemblé est composé d’un outil de base avec des éléments de coupe montés comme des plaquettes indexables ou des têtes de coupe interchangeables.

Le choix du bon matériau pour l’outil de base offre des possibilités supplémentaires pour obtenir un outil sans vibrations. La plupart des outils de base sont fabriqués en nuances d’acier de qualité, même si des ingénieurs ont entre-temps aussi conçu des outils pouvant servir d’alternative pour améliorer la résistance aux vibrations.

La famille d’outils Multi-Master d’Iscar se compose d’outils rotatifs à têtes interchangeables. Elle englobe une large palette d’outils de base, en acier, carbure de tungstène ou métaux lourds, chacun avec leurs propres avantages et inconvénients.

Un alliage composé d’environ 90% de tungstène présente par exemple des propriétés d’amortissement des vibrations claires et est le plus opportun pour les usinages de coupe légers à moyennement lourds dans des conditions instables.

Outils anti-vibrations

Un outil typique pour les tournages ou alésages internes consiste en une tige avec une plaquette montée ou un adaptateur accueillant une plaquette.

La tige est le facteur déterminant pour les propriétés dynamiques de l’outil. Un grand ratio entre porte-à-faux et diamètre peut être une cause de fléchissement de l’outil et de vibrations, nuisant à la précision et à la finition de la surface.

C’est pourquoi Iscar a développé trois types d’outils d’alésage pour un large éventail d’applications; deux outils intégraux (en acier et en carbure métallique massif) et un outil assemblé, avec un système amortissant les vibrations à l’intérieur. Nous pensons à l’Isoturn Whisperline, doté de têtes de perçage interchangeables pour des plaquettes indexables de différentes géométries avec une capacité d’amenée de fluide de refroidissement interne.

Cette famille d’outils est caractérisée par le mécanisme anti-vibrations intégré en vue de corrections en temps réel pendant l’usinage. Cela permet d’aléser avec un porte-à-faux de sept à quatorze fois le diamètre.

Les fabricants d’outils d’usinage disposent d’un choix limité de moyens pour réduire les vibrations, avec uniquement la géométrie de l’outil, le matériau de l’outil de base et éventuellement un outil de coupe à amortissement de vibrations intégré. Fabriquer un outil sans vibrations avec ces moyens limités exige une solide dose d’habilité et d’ingéniosité. Mais compliqué n’est pas impossible. En témoignent les solutions citées dans cet article.