Analyse : Utilisation de dents à pas asymétrique pour éliminer le broutage

Le broutage est un problème coûteux et persistant en fraisage. L'effet des vibrations de broutage peut être suffisamment important pour endommager l'outil, provoquer la mise au rebut de la pièce et même endommager la machine-outil. Pire encore, en raison du risque de broutage, les opérateurs de machines-outils peuvent être trop conservateurs dans la sélection des paramètres de traitement, ce qui rend les capacités de la machine incapables d'en tirer le meilleur parti. Habituellement, la capacité de traitement de la machine-outil n’est utilisée que pour la moitié ou une fraction de celle-ci.

Le flottement est une sorte de vibration auto-excitée, ce qui signifie que l'énergie d'entrée stable du moteur de broche est convertie en vibration via un certain mécanisme. Le principal mécanisme de vibration des machines-outils est l’amplification par rétroaction positive de l’onde vibratoire. Essentiellement, la rigidité dynamique du système d'usinage (y compris l'outil et la pièce) est insuffisante. Lorsque la dent de coupe coupe la pièce, cela provoque des vibrations et la dent de coupe vibrante forme des ondulations sur la surface de la pièce. Lorsque la dent suivante est en contact avec la surface ondulée, l'ondulation de la surface entraînera une modification de l'épaisseur des copeaux, la modification de l'épaisseur des copeaux entraînera une modification de la force de coupe et la modification de la force de coupe provoquera des vibrations.

Une façon d'éliminer le mécanisme de broutage consiste à tester les caractéristiques dynamiques du système d'usinage, à utiliser ces résultats de test pour calculer une carte de zone de coupe stable et à sélectionner les conditions de coupe dans la plage stable. Cette stratégie de plage de pré-contrôle repose sur l'ajustement de la vibration de l'outil pour qu'elle coïncide avec la surface ondulée. Lorsque les ondulations avant et arrière coïncident, l'épaisseur des copeaux ne change plus et la vibration s'arrête. Lorsque le nombre d'ondes de vibration entre les dents adjacentes est exactement de 1, 2 ou de n'importe quel nombre entier, un intervalle stable apparaît sur le graphique de la courbe sinusoïdale de stabilité. Ce type de stratégie de traitement doit connaître la vitesse stable, maintenir une vitesse stable dans la plage de vitesse de broche autorisée, avoir des dents de coupe uniformément réparties et contrôler avec précision la vitesse de broche.

Une stratégie alternative consiste à supprimer le mécanisme d’amplification par rétroaction positive des ondes vibratoires en modifiant l’espacement des dents. Si les dents de coupe ont un pas asymétrique (inégal), la surface ondulée laissée par la dent de coupe précédente coupée par chaque dent de coupe a une forme d'onde différente, supprimant ainsi les vibrations. Par rapport aux outils avec des dents équidistantes, les outils avec un espacement inégal des dents peuvent généralement atteindre une profondeur de coupe axiale plus stable.

Cependant, pour obtenir de tels résultats, une estimation minutieuse est nécessaire. L'avance étant constante, le changement du pas de dent entraînera une différence d'avance par dent. Cela signifie généralement qu'une seule dent peut résister à la charge totale de copeaux, tandis que le reste des dents ne peut pas couper à pleine charge. Pour cette raison, l'avance effective par tour de l'outil doit être réduite, et la réduction de l'avance doit être compensée en augmentant la profondeur axiale de coupe jusqu'à ce que les dents soient juste équilibrées.

Par exemple, considérons une fraise à 4 dents avec des dents uniformément réparties et la profondeur de coupe axiale la plus stable (10 mm). Les dents sont uniformément réparties à 90° et les directions de disposition sont respectivement 0°, 90°, 180° et 270°. Si la charge de copeaux autorisée (avance par dent) est de 0,2 mm, l'avance par tour sera de 0,8 mm/tour. Si l'orientation d'une seule dent change de 10°, l'orientation de ces dents sera de 0°, 100°, 190° et 280°. L’espacement des dents est donc de 100° (espacement maximum), 90°, 90° et 80° (espacement minimum).

Afin d'empêcher l'avance par dent à l'espacement maximum de dépasser la valeur limite autorisée, l'espacement maximum est utilisé comme espacement de contrôle. Il est nécessaire de réduire la quantité d'avance en fonction du rapport entre l'espacement égal et l'espacement maximum (90°/100° dans cet exemple) sur la base de l'avance des dents de coupe également espacées. De cette manière, les charges de copeaux correspondant à chaque intervalle entre les dents sont respectivement de 0,2 mm, 0,18 mm, 0,18 mm et 0,16 mm. L'avance par tour est de 0,72 mm/tour. Pour cet outil, l'augmentation admissible de la profondeur de coupe axiale stable doit être supérieure au rapport 100/90, ce qui signifie que 11,1 mm n'est que la valeur critique du taux d'enlèvement de métal. D'une manière générale, lors de l'utilisation de cette méthode pour supprimer l'amplification par rétroaction positive de l'onde de vibration, afin de donner à l'outil à espacement inégal une valeur d'application, il est nécessaire de permettre à la profondeur axiale de coupe de doubler le rapport espacement maximum/espacement égal.

De même, la modification de la vitesse de la broche peut également supprimer l'amplification par rétroaction positive de l'onde de vibration, mais lorsque la broche effectue plus d'un tour, l'espacement des dents de l'outil peut également être modifié efficacement. Cependant, puisque l'alimentation est fixe, la distance maximale peut toujours contrôler l'alimentation. Avant qu'une augmentation du taux d'enlèvement de matière puisse être obtenue, le changement de vitesse de broche doit permettre à la profondeur de coupe axiale stable de doubler le rapport pas maximum/pas égal.