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[Avis d'expert] Optimiser l'installation des roulements pour une meilleure productivité de l'usinage

[Avis d'expert] Optimiser l'installation des roulements pour une meilleure productivité de l'usinage

Eric Faust, Ingénieur en application spécialisé chez The Timken Company, nous expose dans cet avis d'expert les huit points à ne pas négliger pour configurer les roulements de broches d'usinage. A la clé : une amélioration des performances et une réduction des coûts.

Lorsqu’il s’agit d’usinage, la meilleure façon de rester productif pour toute opération d’enlèvement de métal est de réduire la durée du cycle et d’éliminer tout temps d’arrêt non planifié. Cependant, une mauvaise installation des roulements ou des roulements inappropriés peuvent allonger la durée du cycle, voire entraîner une panne, une situation contraignante pour l’automatisation et l’usinage en continu. Pour répondre à cette problématique, il convient de connaitre les facteurs critiques et de les maitriser.

Facteur n° 1 : Le cycle de service

Face aux exigences de l’application finale, le choix du roulement reste primordial et doit commencer par l’établissement du cycle de service de la machine à commande numérique en production. Le cycle de service comprend entre autres les opérations de fraisage, perçage, taraudage, alésage et sa durée correspond au temps nécessaire pour effectuer ces opérations. Même si un centre d’usinage est équipé de roulements de broche optimisés pour un certain cycle de service au moment de l’achat, il n’est pas garanti que ces roulements seront optimisés pour des cycles de service ultérieurs. De nombreuses usines choisissent de remplacer leurs chaînes de fabrication par des centres d’usinage à commande numérique flexible en raison de la possibilité de volumes plus faibles et de changements de produits plus fréquents.

Facteur n° 2 : Les efforts induits par les outils et les vitesses

Il est important d’estimer les efforts induits par les outils et les vitesses de rotation, ceux-ci variant selon l’opération effectuée, le matériau de la pièce usiné (acier, aluminium, titane, nickel, …) et sa dureté. Pour déterminer ces valeurs, l’interprétation de données du processus constitue la méthode la plus fiable. Si la puissance réelle du moteur, la vitesse de rotation de la broche et le diamètre de l’outil sont connus, les efforts de coupe seront calculés en réglant la puissance de coupe au même niveau que la puissance du moteur et en déterminant la puissance de l’outil.
En l’absence de données, les efforts de coupe peuvent être estimés avec la capacité statique du roulement. Les efforts de coupe se situant entre 5 % (finition) et 25 % (ébauche) de la capacité statique du roulement et les vitesses variant entre 10 % (ébauche) et 90 % (finition) de la vitesse nominale maximale de la broche, les valeurs peuvent être combinées et adaptées selon l’opération de coupe. Les estimations restant approximatives, elles ne doivent être utilisées que pour une sélection initiale des roulements.

Facteur n° 3 : La conception et la configuration des roulements

Chaque conception de roulement a un diamètre, un nombre de billes et un rayon de courbure de piste qui déterminent la capacité, la vitesse limite et la rigidité du roulement. Cette conception est déterminée en fonction du type d’opération prévue – nature de l’usinage, ébauche, finition ou polyvalence. La configuration du roulement, basée sur le cycle de service, est ensuite définie en fonction du matériau choisi (acier/céramique), de l’angle de contact (15° ou 25°) et du niveau de précharge (extra légère, légère, moyenne ou lourde) permettant d’ajuster la capacité, la limite de vitesse et la rigidité.
La meilleure façon d’optimiser la configuration consiste à modéliser la broche de manière analytique. Des techniciens disposant de logiciels peuvent déterminer avec précision l’ensemble roulement/arbre en fonction des charges, des vitesses et des conditions environnementales pour fournir la contrainte de contact entre les billes et les pistes, ainsi que la précharge, les charges externes et la force centrifuge des billes causée par la vitesse orbitale. En modulant des paramètres de configuration et plus particulièrement la précharge, la chaleur générée dans l’application peut être minimisée.

Facteur n° 4 : Le montage correct

Une fois la conception et la configuration des roulements déterminées, un montage correct est nécessaire pour obtenir les performances souhaitées. Les dimensions et formes géométriques de l’arbre et de l’alésage du logement sont cruciales. La précharge pouvant changer radicalement si les diamètres recommandés sortent des limites acceptables, il est primordial d’effectuer des ajustements appropriés pour que la précharge soit correctement appliquée.

Facteur n° 5 : L’ajustement de l’arbre et du logement

Les ajustements sur l’arbre des roulements de broche sont conçus pour fonctionner à des vitesses inférieures ou égales à 750.000 dN (dN = alésage en mm x vitesse en tr/min) et nécessitent un ajustement de transition (légèrement libre ou légèrement serré, proche de zéro pour la valeur nominale). Les roulements de broches conçus pour fonctionner au-dessus de 750.000 dN requièrent un ajustement serré, la force centrifuge provoquant la croissance élastique de la bague intérieure et de l’arbre dans le sens radial. Si un roulement fonctionnant à ces vitesses est installé avec un ajustement de transition, le montage se desserrera à la vitesse nominale, ce qui risque de créer un battement supplémentaire et de faire tourner la bague intérieure sur l’arbre.  Pour une installation rigoureuse, il est recommandé de faire appel à un technicien qui calculera le serrage à réaliser en tenant compte de la vitesse et du calibrage des entretoises.

Facteur n° 6 : Le micro-codage

Le micro-codage permet d’appairer des roulements simples en ensembles de deux ou plus. Idéalement, les opérateurs cherchent un ensemble avec les mêmes micro-codages d’alésage et de diamètre extérieur. En raison des difficultés de fabrication, une légère tolérance est admise pour les ensembles. Les tolérances d’appairage dépendent de la dimension de l’alésage et du diamètre extérieur. Plus l’alésage ou le diamètre extérieur est grand, plus la plage de micro-codage permettant de construire l’ensemble est étendue
Lorsque le micro-codage indiquant la valeur en microns (µm) en dessous de la dimension nominale d’alésage et du diamètre extérieur d’un roulement, sont fournis sur les roulements, il est aisé pour le technicien de déterminer l’alésage et le diamètre extérieur exacts à ±1 µm et d’effectuer une rectification finale de la portée de roulement pour obtenir un ajustement ciblé au micron près.

Facteur n° 7 : Le dimensionnement et le tolérancement géométriques

Une conception et un usinage adaptés sont essentiels. Si le contrôle des ajustements de roulements représente une étape primordiale, il ne faut pas oublier de veiller à inspecter avec précision la forme géométrique de l’arbre et du logement. En fonction de la dimension de l’alésage et du diamètre extérieur, cette tolérance est comprise entre 1 et 8 µm (généralement entre 2 et 4 µm). Cette géométrie va au-delà de la portée du roulement puisqu’elle s’applique à tous les composants adjacents aux roulements, tels que les écrous de blocage, les entretoises ou les obturateurs.

Facteur n° 8 : Valeur de précharge avant montage et en fonctionnement

La précharge du roulement est réglée en usine mais peut changer lorsque l’ensemble de roulement est monté sur l’arbre avec un ajustement incertain. Lorsque la bague intérieure est fixée sur l’arbre, le diamètre de piste augmente, entraînant un accroissement de la précharge, provoquant un effet de télescopage. De plus, lorsque les roulements sont en service et qu’il existe une différence de température entre les bagues intérieure et extérieure, la précharge peut augmenter davantage.
Pour qu’une broche atteigne des performances optimales en fonctionnement, la précharge montée doit prendre en compte les températures de fonctionnement. Enfin, la conception des roulements doit être choisie selon les opérations de fraisage prévues, tandis que la configuration sera optimisée grâce à la modélisation des roulements en cycle de service pour réduire l’échauffement dû au glissement et au patinage.

Le respect de ces pratiques permet de s’assurer que les roulements de broches fonctionneront de manière optimale et d’aider les opérateurs de machines-outils à maintenir leurs centres d’usinage à commande numérique en exploitation normale. C’est une garantie pour les exploitants de parcs machines de répondre aux exigences de fabrication moderne et de haute vitesse, ainsi qu’aux besoins de fabriquer plus de produits à un coût unitaire moindre et d’augmenter leur résultat net.

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