Rus
MACHINE MODERNE, JUILLET 1973 — 55.
Les operations d'alesage profond
Ali R. Alev
Le probleme du broutage d'outil dans les operations d'alesage profond a
toujours ete le souci majeur des ingenieurs de production et des fabricants d'outils. Ce
probleme est particulierement critique lorsque les pieces doivent etre usinees sur machines
automatiques ou a C.N., car les avances et vitesses de coupe pour un broutage minimal doivent
etre determinees avant la mise en place de la piece sur la machine. Les experiences et theories
sur le phenomene du broutage indiquent que la seule facon efficace d'eliminer celui-ci est
d'accroitre la rigidite dynamique. Au cours de l'usinage avec une barre d'alesage, certaines
conditions peuvent apparaitre et donner naissance a une vibration entre la piece et la pointe
de l'outil. Cette vibration peut prendre differentes formes: libre ou transitoire forcee ou
auto-excitee. On dit qu'il y a broutage lorsqu'une de ces formes est violente et nuisible a la
coupe.
Les deux premieres formes ne presentent pas de serieux problemes en coupe des metaux.
Cependant, la forme auto-excitee a une nature toute differente. Les forces qui developpent et
maintien¬nent cette vibration sont generees par la coupe et non par les forces periodiques
externes. L'energie necessaire a l'entretien de la vibration provient de l'operation de coupe
et de l'entrainement de l'outil.
Le mecanisme et les causes physiques du broutage sont tres complexes. Ils sont d'ailleurs
souvent incompatibles car il y a beaucoup de variables impliquees dans le processus meme de la
coupe. Le broutage ne se produit que si plusieurs conditions se presentent simultanement. Mais
une barre d'alesage avec son long porte-a-faux est toujours plus vulnerable au broutage que
n'importe quel au.re outil. Si on neglige l'influence secondaire de la machine sur la pointe de
l'outil, alors la vibration dans un processus de coupe se reduit a celle existant dans la barre
d'alesage. La barre peut etre consideree comme un systeme vibratoire simple possedant une masse,
une elasticite, et un amortissement propre. Une part relativement importante de l'amortissement
provient d'ailleurs du montage de la barre dans sa broche.
RIGIDITE DYNAMIQUE DES BARRES D'ALESAGE
Les etudes recentes des constructeurs de machines-outils sur le phenomene du broutage
auto-excite prouvent que le critere de stabilite reside dans la rigidite dynamique plutot que
dans la frequence naturelle du materiau. La rigidite dynamique est definie par le rapport entre
la force excitante et l'amplitude a la resonance.
ou
Kd - rigidite dynamique de la barre d'alesage,
Po - amplitude de la force periodique,
Xn - amplitude du deplacement a la resonance,
d - rapport d'amortissement,
K - rigidite statique.
Cette equation montre que la rigidite dynamique (Kd) est directement proportionnelle a la
rigidite statique (K) d'une part et au rapport d'amortissement (d) d'autre part. Cela signifie
que si deux barres d'alesage ont la meme rigidite statique, celle qui possede le plus grand
facteur d'amortissement pourra pretendre atteindre des performances de coupe sans broutage. De
meme, si deux barres d'alesage ont le meme facteur d'amortissement, celle qui possede la plus
grande rigidite statique offrira une resistance plus elevee au broutage. La figure 1 montre la
difference entre les rigidites dynamiques de barres d'alesage en acier et en carbure. Les
courbes A et B montrent que:
- le rapport des rigidites dynamiques de l'acier et du carbure, sans systeme
d'amortissement, est presque egal au rapport des modules d'elasticite;
- le faible avantage de l'amortissement structural de l'acier est negligeable. Ces memes
remarques sont valables pour les barres d'alesage equipees d'un systeme d'amortissement
(figure 2.).
Bien que l'amortissement structural de l'acier soit deux a trois fois plus grand que celui
du carbure, il ne represente toutefois qu'un faible pourcentage de l'amortissement total
implique dans la vibration d'une barre d'alesage. Les experiences prouvent que l'amortissement
obtenu par l'impact de pieces contre une face lisse est bien plus efficace que celui obtenu par
l'amortissement structural. (L'amortissement structural d'un materiau n'est autre que
l'amortissement provoque par la friction moleculaire interne). La meilleure barre d'alesage est
celle qui combine les avantages d'une haute rigidite statique et dynamique. Tel est le cas de la
barre d'alesage en carbure plein equipee d'un appareil efficace d'amortissement. Il est
important de savoir que la precision dimensionnelle d'une piece depend de la rigidite statique
de la barre d'alesage. Lorsque le porte a faux est grand, la barre d'alesage en carbure de
tungstene presente un double avantage sur celle en acier : le haut module d'elasticite du
carbure (63000kgs/mm2) confere a la barre une rigidite trois fois superieure a celle de
l'acier; sous l'action des forces de coupe, la barre en carbure pliera donc trois fois moins
que celle en acier.
Le diametre, le porte-a-faux, et le module d'elasticite de la tige, determinent la rigidite
statique d'une barre d'alesage. Le diametre et le porte-a-faux sont generalement predetermines
par les dimensions de la piece a usiner. La rigidite dynamique optimale ne sera obtenue que si
l'on emploie un materiau approprie en conjonction avec un appareil d'amortissement valable.