Analyse et optimisation des facteurs affectant la précision dimensionnelle d'usinage des centres d'usinage
Résumé : Cet article explore en détail les différents facteurs qui influencent la précision dimensionnelle des centres d'usinage et les divise en deux catégories : les facteurs évitables et les facteurs irrésistibles. Pour les facteurs évitables, tels que les procédés d'usinage, les calculs numériques en programmation manuelle et automatique, les éléments de coupe et le réglage des outils, etc., des élaborations détaillées sont effectuées et des mesures d'optimisation correspondantes sont proposées. Pour les facteurs irrésistibles, notamment la déformation due au refroidissement de la pièce et la stabilité de la machine-outil elle-même, les causes et les mécanismes d'influence sont analysés. L'objectif est de fournir des références de connaissances complètes aux techniciens impliqués dans l'exploitation et la gestion des centres d'usinage, afin d'améliorer le niveau de contrôle de la précision dimensionnelle des centres d'usinage et d'améliorer la qualité des produits et l'efficacité de la production.
I. Introduction
En tant qu'équipement clé de l'usinage moderne, la précision dimensionnelle des centres d'usinage est directement liée à la qualité et aux performances des produits. Au cours du processus de production, divers facteurs influencent la précision dimensionnelle de l'usinage. Il est donc crucial d'analyser en profondeur ces facteurs et de rechercher des méthodes de contrôle efficaces.
En tant qu'équipement clé de l'usinage moderne, la précision dimensionnelle des centres d'usinage est directement liée à la qualité et aux performances des produits. Au cours du processus de production, divers facteurs influencent la précision dimensionnelle de l'usinage. Il est donc crucial d'analyser en profondeur ces facteurs et de rechercher des méthodes de contrôle efficaces.
II. Facteurs d'influence évitables
(I) Processus d'usinage
La rationalité du processus d'usinage détermine en grande partie la précision dimensionnelle. Conformément aux principes de base de l'usinage, lors de l'usinage de matériaux tendres tels que les pièces en aluminium, une attention particulière doit être portée à l'influence de la limaille de fer. Par exemple, lors du fraisage de pièces en aluminium, en raison de sa texture tendre, la limaille de fer générée par la coupe est susceptible de rayer la surface usinée, introduisant ainsi des erreurs dimensionnelles. Pour réduire ces erreurs, des mesures telles que l'optimisation du trajet d'évacuation des copeaux et l'amélioration de l'aspiration du dispositif d'évacuation des copeaux peuvent être prises. Parallèlement, lors de l'organisation du processus, la répartition des surépaisseurs entre l'ébauche et la finition doit être judicieusement planifiée. En ébauche, une profondeur de coupe et une avance importantes permettent d'éliminer rapidement une grande quantité de surépaisseur, tandis qu'une surépaisseur de finition appropriée, généralement de 0,3 à 0,5 mm, doit être conservée pour garantir une précision dimensionnelle supérieure. Concernant l'utilisation des dispositifs de fixation, outre la réduction des temps de serrage et l'utilisation de dispositifs modulaires, la précision de positionnement des dispositifs doit également être garantie. Par exemple, en utilisant des broches de positionnement et des surfaces de positionnement de haute précision pour garantir la précision de positionnement de la pièce pendant le processus de serrage, évitant ainsi les erreurs dimensionnelles causées par l'écart de la position de serrage.
La rationalité du processus d'usinage détermine en grande partie la précision dimensionnelle. Conformément aux principes de base de l'usinage, lors de l'usinage de matériaux tendres tels que les pièces en aluminium, une attention particulière doit être portée à l'influence de la limaille de fer. Par exemple, lors du fraisage de pièces en aluminium, en raison de sa texture tendre, la limaille de fer générée par la coupe est susceptible de rayer la surface usinée, introduisant ainsi des erreurs dimensionnelles. Pour réduire ces erreurs, des mesures telles que l'optimisation du trajet d'évacuation des copeaux et l'amélioration de l'aspiration du dispositif d'évacuation des copeaux peuvent être prises. Parallèlement, lors de l'organisation du processus, la répartition des surépaisseurs entre l'ébauche et la finition doit être judicieusement planifiée. En ébauche, une profondeur de coupe et une avance importantes permettent d'éliminer rapidement une grande quantité de surépaisseur, tandis qu'une surépaisseur de finition appropriée, généralement de 0,3 à 0,5 mm, doit être conservée pour garantir une précision dimensionnelle supérieure. Concernant l'utilisation des dispositifs de fixation, outre la réduction des temps de serrage et l'utilisation de dispositifs modulaires, la précision de positionnement des dispositifs doit également être garantie. Par exemple, en utilisant des broches de positionnement et des surfaces de positionnement de haute précision pour garantir la précision de positionnement de la pièce pendant le processus de serrage, évitant ainsi les erreurs dimensionnelles causées par l'écart de la position de serrage.
(II) Calculs numériques dans la programmation manuelle et automatique des centres d'usinage
Qu'il s'agisse de programmation manuelle ou automatique, la précision des calculs numériques est cruciale. Lors de la programmation, elle implique le calcul des trajectoires d'outils, la détermination des points de coordonnées, etc. Par exemple, lors du calcul de la trajectoire d'une interpolation circulaire, une erreur de calcul des coordonnées du centre du cercle ou du rayon entraînera inévitablement des écarts dimensionnels d'usinage. Pour la programmation de pièces de formes complexes, un logiciel de CAO/FAO avancé est nécessaire pour une modélisation et une planification précises des trajectoires d'outils. Lors de l'utilisation du logiciel, l'exactitude des dimensions géométriques du modèle doit être garantie et les trajectoires d'outils générées doivent être soigneusement vérifiées. Par ailleurs, les programmeurs doivent posséder de solides bases mathématiques et une solide expérience en programmation, afin de sélectionner correctement les instructions et les paramètres de programmation en fonction des exigences d'usinage des pièces. Par exemple, lors de la programmation d'opérations de perçage, des paramètres tels que la profondeur de perçage et la distance de retrait doivent être définis avec précision afin d'éviter les erreurs dimensionnelles dues à des erreurs de programmation.
Qu'il s'agisse de programmation manuelle ou automatique, la précision des calculs numériques est cruciale. Lors de la programmation, elle implique le calcul des trajectoires d'outils, la détermination des points de coordonnées, etc. Par exemple, lors du calcul de la trajectoire d'une interpolation circulaire, une erreur de calcul des coordonnées du centre du cercle ou du rayon entraînera inévitablement des écarts dimensionnels d'usinage. Pour la programmation de pièces de formes complexes, un logiciel de CAO/FAO avancé est nécessaire pour une modélisation et une planification précises des trajectoires d'outils. Lors de l'utilisation du logiciel, l'exactitude des dimensions géométriques du modèle doit être garantie et les trajectoires d'outils générées doivent être soigneusement vérifiées. Par ailleurs, les programmeurs doivent posséder de solides bases mathématiques et une solide expérience en programmation, afin de sélectionner correctement les instructions et les paramètres de programmation en fonction des exigences d'usinage des pièces. Par exemple, lors de la programmation d'opérations de perçage, des paramètres tels que la profondeur de perçage et la distance de retrait doivent être définis avec précision afin d'éviter les erreurs dimensionnelles dues à des erreurs de programmation.
(III) Éléments de coupe et compensation d'outil
La vitesse de coupe vc, l'avance f et la profondeur de coupe ap ont un impact significatif sur la précision dimensionnelle de l'usinage. Une vitesse de coupe excessive peut entraîner une usure accrue de l'outil, affectant ainsi la précision de l'usinage ; une avance excessive peut augmenter l'effort de coupe, provoquant une déformation de la pièce ou des vibrations de l'outil, et donc des écarts dimensionnels. Par exemple, lors de l'usinage d'aciers alliés à haute dureté, une vitesse de coupe trop élevée peut entraîner l'usure de l'arête de coupe, réduisant ainsi la taille usinée. Des paramètres de coupe raisonnables doivent être déterminés de manière exhaustive, en tenant compte de divers facteurs tels que le matériau de la pièce, le matériau de l'outil et les performances de la machine-outil. Généralement, ils peuvent être sélectionnés par des essais de coupe ou en consultant les manuels de coupe correspondants. La compensation d'outil est également un moyen important de garantir la précision de l'usinage. Dans les centres d'usinage, la compensation d'usure d'outil permet de corriger en temps réel les variations dimensionnelles dues à l'usure de l'outil. Les opérateurs doivent ajuster la valeur de compensation d'outil en temps réel en fonction de l'usure réelle de l'outil. Par exemple, lors de l'usinage continu d'un lot de pièces, les dimensions d'usinage sont régulièrement mesurées. Lorsqu'il est constaté que les dimensions augmentent ou diminuent progressivement, la valeur de compensation de l'outil est modifiée pour garantir la précision d'usinage des pièces suivantes.
La vitesse de coupe vc, l'avance f et la profondeur de coupe ap ont un impact significatif sur la précision dimensionnelle de l'usinage. Une vitesse de coupe excessive peut entraîner une usure accrue de l'outil, affectant ainsi la précision de l'usinage ; une avance excessive peut augmenter l'effort de coupe, provoquant une déformation de la pièce ou des vibrations de l'outil, et donc des écarts dimensionnels. Par exemple, lors de l'usinage d'aciers alliés à haute dureté, une vitesse de coupe trop élevée peut entraîner l'usure de l'arête de coupe, réduisant ainsi la taille usinée. Des paramètres de coupe raisonnables doivent être déterminés de manière exhaustive, en tenant compte de divers facteurs tels que le matériau de la pièce, le matériau de l'outil et les performances de la machine-outil. Généralement, ils peuvent être sélectionnés par des essais de coupe ou en consultant les manuels de coupe correspondants. La compensation d'outil est également un moyen important de garantir la précision de l'usinage. Dans les centres d'usinage, la compensation d'usure d'outil permet de corriger en temps réel les variations dimensionnelles dues à l'usure de l'outil. Les opérateurs doivent ajuster la valeur de compensation d'outil en temps réel en fonction de l'usure réelle de l'outil. Par exemple, lors de l'usinage continu d'un lot de pièces, les dimensions d'usinage sont régulièrement mesurées. Lorsqu'il est constaté que les dimensions augmentent ou diminuent progressivement, la valeur de compensation de l'outil est modifiée pour garantir la précision d'usinage des pièces suivantes.
(IV) Réglage de l'outil
La précision du réglage de l'outil est directement liée à la précision dimensionnelle de l'usinage. Le réglage de l'outil consiste à déterminer la position relative de l'outil par rapport à la pièce. Un réglage imprécis entraîne inévitablement des erreurs dimensionnelles sur les pièces usinées. Le choix d'un palpeur d'arête de haute précision est essentiel pour améliorer la précision du réglage. Par exemple, un palpeur optique permet de détecter précisément la position de l'outil par rapport à l'arête de la pièce, avec une précision de ± 0,005 mm. Les centres d'usinage équipés d'un palpeur d'outil automatique exploitent pleinement ses fonctions pour un réglage rapide et précis. Lors de l'opération de réglage, il est également important de veiller à la propreté de l'environnement afin d'éviter toute contamination par des débris. Les opérateurs doivent suivre scrupuleusement les procédures de réglage, effectuer plusieurs mesures et calculer la valeur moyenne afin de réduire les erreurs de réglage.
La précision du réglage de l'outil est directement liée à la précision dimensionnelle de l'usinage. Le réglage de l'outil consiste à déterminer la position relative de l'outil par rapport à la pièce. Un réglage imprécis entraîne inévitablement des erreurs dimensionnelles sur les pièces usinées. Le choix d'un palpeur d'arête de haute précision est essentiel pour améliorer la précision du réglage. Par exemple, un palpeur optique permet de détecter précisément la position de l'outil par rapport à l'arête de la pièce, avec une précision de ± 0,005 mm. Les centres d'usinage équipés d'un palpeur d'outil automatique exploitent pleinement ses fonctions pour un réglage rapide et précis. Lors de l'opération de réglage, il est également important de veiller à la propreté de l'environnement afin d'éviter toute contamination par des débris. Les opérateurs doivent suivre scrupuleusement les procédures de réglage, effectuer plusieurs mesures et calculer la valeur moyenne afin de réduire les erreurs de réglage.
III. Facteurs irrésistibles
(I) Déformation par refroidissement des pièces après usinage
Les pièces génèrent de la chaleur pendant l'usinage et se déforment sous l'effet de la dilatation et de la contraction thermiques lors du refroidissement. Ce phénomène est fréquent en usinage des métaux et difficile à éviter complètement. Par exemple, pour certaines grandes pièces structurelles en alliage d'aluminium, la chaleur générée pendant l'usinage est relativement élevée et le retrait dimensionnel est évident après refroidissement. Pour réduire l'impact de la déformation due au refroidissement sur la précision dimensionnelle, l'utilisation d'un liquide de refroidissement est judicieuse. Ce liquide permet non seulement de réduire la température de coupe et l'usure de l'outil, mais aussi d'uniformiser le refroidissement de la pièce et de réduire le degré de déformation thermique. Le choix du liquide de refroidissement doit être basé sur le matériau de la pièce et les exigences du procédé d'usinage. Par exemple, pour l'usinage de pièces en aluminium, un liquide de coupe spécial en alliage d'aluminium, doté d'excellentes propriétés de refroidissement et de lubrification, peut être sélectionné. De plus, lors des mesures in situ, l'influence du temps de refroidissement sur la taille de la pièce doit être pleinement prise en compte. En règle générale, la mesure doit être effectuée après que la pièce a refroidi à température ambiante, ou les changements dimensionnels pendant le processus de refroidissement peuvent être estimés et les résultats de mesure peuvent être corrigés en fonction des données empiriques.
Les pièces génèrent de la chaleur pendant l'usinage et se déforment sous l'effet de la dilatation et de la contraction thermiques lors du refroidissement. Ce phénomène est fréquent en usinage des métaux et difficile à éviter complètement. Par exemple, pour certaines grandes pièces structurelles en alliage d'aluminium, la chaleur générée pendant l'usinage est relativement élevée et le retrait dimensionnel est évident après refroidissement. Pour réduire l'impact de la déformation due au refroidissement sur la précision dimensionnelle, l'utilisation d'un liquide de refroidissement est judicieuse. Ce liquide permet non seulement de réduire la température de coupe et l'usure de l'outil, mais aussi d'uniformiser le refroidissement de la pièce et de réduire le degré de déformation thermique. Le choix du liquide de refroidissement doit être basé sur le matériau de la pièce et les exigences du procédé d'usinage. Par exemple, pour l'usinage de pièces en aluminium, un liquide de coupe spécial en alliage d'aluminium, doté d'excellentes propriétés de refroidissement et de lubrification, peut être sélectionné. De plus, lors des mesures in situ, l'influence du temps de refroidissement sur la taille de la pièce doit être pleinement prise en compte. En règle générale, la mesure doit être effectuée après que la pièce a refroidi à température ambiante, ou les changements dimensionnels pendant le processus de refroidissement peuvent être estimés et les résultats de mesure peuvent être corrigés en fonction des données empiriques.
(II) Stabilité du centre d'usinage lui-même
Aspects mécaniques
Desserrage entre le servomoteur et la vis : Le desserrage de la liaison entre le servomoteur et la vis entraîne une diminution de la précision de la transmission. Lors de la rotation du moteur pendant l'usinage, ce desserrage entraîne un décalage ou une rotation irrégulière de la vis, ce qui entraîne une déviation de la trajectoire de l'outil par rapport à sa position idéale et des erreurs dimensionnelles. Par exemple, lors d'un usinage de contours de haute précision, ce desserrage peut entraîner des déviations de la forme du contour usiné, telles qu'un non-respect des exigences de rectitude et de circularité. La vérification et le serrage réguliers des boulons de liaison entre le servomoteur et la vis sont essentiels pour prévenir de tels problèmes. Des écrous anti-desserrage ou des freins filets peuvent également être utilisés pour améliorer la fiabilité de la liaison.
Desserrage entre le servomoteur et la vis : Le desserrage de la liaison entre le servomoteur et la vis entraîne une diminution de la précision de la transmission. Lors de la rotation du moteur pendant l'usinage, ce desserrage entraîne un décalage ou une rotation irrégulière de la vis, ce qui entraîne une déviation de la trajectoire de l'outil par rapport à sa position idéale et des erreurs dimensionnelles. Par exemple, lors d'un usinage de contours de haute précision, ce desserrage peut entraîner des déviations de la forme du contour usiné, telles qu'un non-respect des exigences de rectitude et de circularité. La vérification et le serrage réguliers des boulons de liaison entre le servomoteur et la vis sont essentiels pour prévenir de tels problèmes. Des écrous anti-desserrage ou des freins filets peuvent également être utilisés pour améliorer la fiabilité de la liaison.
Usure des roulements ou écrous de vis à billes : La vis à billes est un composant essentiel à la précision des mouvements du centre d'usinage. L'usure de ses roulements ou écrous affecte la précision de transmission. À mesure que l'usure s'intensifie, le jeu de la vis augmente progressivement, entraînant des mouvements irréguliers de l'outil. Par exemple, lors de la coupe axiale, l'usure de l'écrou de la vis fausse le positionnement de l'outil dans le sens axial, ce qui entraîne des erreurs dimensionnelles sur la longueur de la pièce usinée. Pour réduire cette usure, il est important d'assurer une bonne lubrification de la vis et de remplacer régulièrement la graisse lubrifiante. Parallèlement, une détection précise de la vis à billes doit être effectuée régulièrement et, lorsque l'usure dépasse la plage admissible, les roulements ou écrous doivent être remplacés rapidement.
Lubrification insuffisante entre la vis et l'écrou : Une lubrification insuffisante augmente la friction entre la vis et l'écrou, ce qui non seulement accélère l'usure des composants, mais entraîne également une résistance inégale au mouvement et affecte la précision de l'usinage. Pendant l'usinage, un phénomène de glissement peut se produire, c'est-à-dire que l'outil présente des pauses et des sauts intermittents lors des déplacements à faible vitesse, ce qui dégrade la qualité de la surface usinée et rend la précision dimensionnelle difficile à garantir. Conformément au manuel d'utilisation de la machine-outil, la graisse ou l'huile lubrifiante doit être régulièrement vérifiée et complétée afin de garantir une bonne lubrification de la vis et de l'écrou. Parallèlement, des lubrifiants haute performance peuvent être sélectionnés pour améliorer l'efficacité de la lubrification et réduire les frottements.
Aspects électriques
Panne du servomoteur : Une panne du servomoteur affecte directement le contrôle du mouvement de l'outil. Par exemple, un court-circuit ou un circuit ouvert du bobinage du moteur peut entraîner un dysfonctionnement du moteur ou un couple de sortie instable, empêchant l'outil de se déplacer selon la trajectoire prédéterminée et entraînant des erreurs dimensionnelles. De plus, une panne du codeur du moteur affecte la précision du signal de retour de position, empêchant le système de contrôle de la machine-outil de contrôler précisément la position de l'outil. Un entretien régulier du servomoteur doit être effectué, notamment la vérification des paramètres électriques du moteur, le nettoyage du ventilateur de refroidissement du moteur et la détection de l'état de fonctionnement du codeur, afin de détecter et d'éliminer rapidement les risques de panne.
Panne du servomoteur : Une panne du servomoteur affecte directement le contrôle du mouvement de l'outil. Par exemple, un court-circuit ou un circuit ouvert du bobinage du moteur peut entraîner un dysfonctionnement du moteur ou un couple de sortie instable, empêchant l'outil de se déplacer selon la trajectoire prédéterminée et entraînant des erreurs dimensionnelles. De plus, une panne du codeur du moteur affecte la précision du signal de retour de position, empêchant le système de contrôle de la machine-outil de contrôler précisément la position de l'outil. Un entretien régulier du servomoteur doit être effectué, notamment la vérification des paramètres électriques du moteur, le nettoyage du ventilateur de refroidissement du moteur et la détection de l'état de fonctionnement du codeur, afin de détecter et d'éliminer rapidement les risques de panne.
Impuretés à l'intérieur de la règle de réseau : La règle de réseau est un capteur important utilisé dans le centre d'usinage pour mesurer la position et le déplacement de l'outil. La présence d'impuretés à l'intérieur de la règle de réseau affecte la précision de ses lectures, ce qui entraîne des informations de position erronées pour le système de contrôle de la machine-outil et des écarts dimensionnels d'usinage. Par exemple, lors de l'usinage de systèmes de perçage de haute précision, l'erreur de la règle de réseau peut entraîner un dépassement de la tolérance de positionnement des trous. Un nettoyage et un entretien réguliers de la règle de réseau doivent être effectués à l'aide d'outils et de produits de nettoyage spéciaux et en suivant les procédures d'utilisation appropriées afin de ne pas l'endommager.
Panne du servoamplificateur : Le servoamplificateur a pour fonction d'amplifier le signal de commande émis par le système de contrôle, puis de piloter le servomoteur. Une panne du servoamplificateur, par exemple en cas de tube de puissance endommagé ou de facteur d'amplification anormal, peut entraîner un fonctionnement instable du servomoteur, affectant la précision d'usinage. Par exemple, la vitesse du moteur peut fluctuer, ce qui peut rendre l'avance de l'outil irrégulière pendant la coupe, augmenter la rugosité de la pièce usinée et diminuer la précision dimensionnelle. Un système performant de détection et de réparation des défauts électriques de la machine-outil doit être mis en place, et un personnel de réparation électrique professionnel doit être formé pour diagnostiquer et réparer rapidement les défauts des composants électriques tels que le servoamplificateur.
IV. Conclusion
De nombreux facteurs influencent la précision dimensionnelle des centres d'usinage. Les facteurs évitables, tels que les procédés d'usinage, les calculs numériques de programmation, les éléments de coupe et le réglage des outils, peuvent être efficacement maîtrisés grâce à l'optimisation des schémas de processus, à l'amélioration des niveaux de programmation, à une sélection judicieuse des paramètres de coupe et au réglage précis des outils. Bien que difficiles à éliminer complètement, les facteurs irréversibles, tels que la déformation due au refroidissement de la pièce et la stabilité de la machine-outil, peuvent être atténués par des mesures de processus judicieuses telles que l'utilisation de liquide de refroidissement, un entretien régulier, la détection et la réparation des défauts de la machine-outil. Dans le processus de production, les opérateurs et les responsables techniques des centres d'usinage doivent parfaitement comprendre ces facteurs et prendre des mesures ciblées de prévention et de contrôle afin d'améliorer continuellement la précision dimensionnelle des centres d'usinage, de garantir la qualité des produits et de renforcer la compétitivité des entreprises.
De nombreux facteurs influencent la précision dimensionnelle des centres d'usinage. Les facteurs évitables, tels que les procédés d'usinage, les calculs numériques de programmation, les éléments de coupe et le réglage des outils, peuvent être efficacement maîtrisés grâce à l'optimisation des schémas de processus, à l'amélioration des niveaux de programmation, à une sélection judicieuse des paramètres de coupe et au réglage précis des outils. Bien que difficiles à éliminer complètement, les facteurs irréversibles, tels que la déformation due au refroidissement de la pièce et la stabilité de la machine-outil, peuvent être atténués par des mesures de processus judicieuses telles que l'utilisation de liquide de refroidissement, un entretien régulier, la détection et la réparation des défauts de la machine-outil. Dans le processus de production, les opérateurs et les responsables techniques des centres d'usinage doivent parfaitement comprendre ces facteurs et prendre des mesures ciblées de prévention et de contrôle afin d'améliorer continuellement la précision dimensionnelle des centres d'usinage, de garantir la qualité des produits et de renforcer la compétitivité des entreprises.