CHAPITRE 1 : ETAT DE L’ART
3.2 Fonctions et composants associés
De nombreuse fonctions sont présentes au sein d’une broche UGV, ce qui en fait un système mécanique complexe et délicat à mettre en œuvre.
• La fonction guidage en rotation.
Cette fonction est assurée par les paliers de la broche. Ils sont souvent au nombre de deux : le palier avant et le palier arrière. Ils sont constitués de roulements hybrides montés en configuration « précharge à effort constant ». Les qualités d’un guidage sont liés au coefficient de frottement entre les élémentss mobiles et aux caractéristiques de raideur statique et dynamique. Ces critères ont conduit les constructeurs de broche à
utiliser la technologie des roulements à billes hybrides (Figure 1-6) composés de bagues en acier et de billes en céramique.
Figure 1-6 : Roulements hybrides (source SNFA)
Le mode de défaillance du nitrure de silicium qui compose la céramique est très similaire à celui de l’acier à roulements. En effet, l’endommagement se manifeste par un écaillage consécutif à des phénomènes de fatigue dûe aux contraintes de cisaillement en sous-couche. Cependant la résistance à la fatigue de la céramique est beaucoup plus grande que celle de l’acier.
La dilatation thermique de l’arbre de broche doit être absorbée et ne pas influencer les réglages initiaux de précharge afin d’assurer la stabilité thermique du guidage. La solution la plus courante est le montage du palier arrière dans un boîtier guidé en translation par une douille lisse ou à billes et préchargé par des ressorts.
• La fonction transmission de puissance.
Une électrobroche UGV est équipée d’un moteur intégré à l’arbre de broche éliminant, de ce fait, les dispositifs conventionnels de transmission de puissance externes tels que les engrenages ou courroies. Les moteurs sont le plus souvent de type asynchrone à commande vectorielle. Cette solution constructive permet de réduire les vibrations, d’assurer un équilibrage de précision et une meilleure gestion des asservissements par un contrôle précis des accélérations et décélérations angulaires de broche.
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En revanche, l’intégration du moteur a amené des contraintes liées au transfert important de chaleur dégagée lors du fonctionnement et à l’augmentation des masses en rotation conduisant à mettre en place une régulation de température, une lubrification pointue et un équilibrage précis. Des dispositifs de refroidissement, de lubrification et d’équilibrage sont donc présents sur ces broches.
• La fonction lubrification de la zone de coupe.
Indépendamment de la nature du lubrifiant, il existe plusieurs modes de lubrification :
débit important sous faible ou moyenne pression ;
micropulvérisation sous forte pression ;
lubrification externe ou par le centre ;
simple soufflage pour évacuation des copeaux, etc.
Figure 1-7 : Système de lubrification OTT
En UGV l’évacuation des copeaux doit impérativement être assurée, hors du champ de coupe pour éviter leur recyclage et hors de la pièce pour ne pas lui transmettre les calories évacuées dans les copeaux. La tendance actuelle est de se tourner vers la micropulvérisation ou l’usinage à sec afin de répondre aux normes environnementales ISO 14000. Le débit de lubrifiant est fonction de la vitesse mais la consommation est considérée comme « négligeable ». Les recherches autour de l’usinage à sec orientent les études relatives aux choix de la géométrie des outils et aux choix du matériau de coupe qui doit conserver sa dureté aux températures de coupe.
Le composant technologique principal de la broche associé à cette fonctionnalité est le joint tournant placé à l’arrière de la broche (Figure 1-7).
• La fonction entraînement et changement d’outil.
L’entraînement de l’outil à une haute vitesse de rotation, en toute sécurité, impose une qualité d’attachement irréprochable. Cet entraînement doit assurer :
un serrage efficace pour transmettre un couple élevé ;
un centrage parfait, très haute précision, sans balourd ;
une rigidité maximale en statique comme en dynamique ;
une stabilité identique quelle que soit la vitesse de broche.
En fraisage, la liaison broche/porte-outil la plus courante est la solution dite cône-face, remplaçant la liaison classique cône mâle/femelle (ISO ou BT). Une telle solution répond aux exigences spécifiées, tout en évitant l’effet de fretting-corrosion dûe à la différence de dilatation de la partie conique (dilatation proportionnelle aux diamètres). La solution de type HSK normalisée en Allemagne (DIN 69-893-1) tend à se généraliser. Elle se traduit par l’adjonction d’un cône court de faible conicité et d’un plan d’appui dont la distance par rapport au plan de jauge est très précise (Figure 1-8).
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Figure 1-8 : Norme HSK. Définition
Figure 1-9 : Attachement HSK
Le serrage est assuré par tirage à l’aide d’une noix de serrage expansible (Figure 1-9) : celui-ci, contrairement au serrage cône-cône, multiplie la capacité de serrage pour une même force de traction. Le changement d’outil est réalisé par action du vérin hydraulique « pot de serrage » fixé à l’arrière de la broche. Ce vérin comprime un empilement de rondelles ressorts et permet à la tige du serreur d’outil de se déplacer pour desserrer la noix de serrage et lâcher le porte-outil (Figure 1-10).
Figure 1-10 : Système de serrage (source OTT)
Le montage de l’outil dans le porte-outil se fait soit:
- par frettage : cette solution assure une excellente précision mais son emploi est limité au montage des outils carbures sur attachement acier (la différence de dilatation est une condition nécessaire au défrettage). De plus il faut disposer d’un banc de frettage.
- par mandrin.
La norme ISO 1940 définit l’excentration résiduelle permise en fonction de la vitesse de rotation pour limiter le déséquilibrage (Figure 1-11).
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Figure 1-11 : Niveau de qualité de l’équilibrage (ISO 1940)