Comment les arbres de roue affectent les performances de la meuleuse

Jan 27, 2024

Les opérations de rectification de précision couvrent toutes les applications qui nécessitent des dimensions avec des tolérances serrées et des exigences de finition de surface à faible Ra, y compris la rectification extérieure cylindrique (OD), la rectification intérieure (ID), la rectification plane et la rectification lente. Les meules pour ces opérations sont généralement des meules conventionnelles en oxyde d'aluminium ou en céramique de différentes formes et tailles, mais des meules superabrasives en diamant et en cBN peuvent également être utilisées, en fonction de l'application.

Un fourreau de meulage ou un arbre de roue peut également être nécessaire dans ces applications, en tant qu'extension de la broche. Les arbres de roue permettent une plus grande flexibilité dans la configuration de la machine, augmentant souvent la capacité des roues à atteindre différentes caractéristiques sur la pièce. Ils sont hautement personnalisables et présentent des tolérances serrées, de sorte que les arbres de roue bien conçus doivent être rigides et bien équilibrés. Les arbres sont l'un des composants les plus élémentaires de la configuration des rectifieuses de précision et, lorsqu'ils sont conçus correctement, ils peuvent s'avérer être une solution rentable pour améliorer les performances de meulage de précision.

Alors que la plupart des ingénieurs comprennent leur importance, peu sont conscients de l'impact qu'un arbre de meule peut avoir sur l'optimisation du processus de meulage. Lorsqu'ils essaient de corriger un processus de meulage erroné ou cherchent simplement à améliorer les résultats, la plupart des ingénieurs réévalueront les vitesses, le débit, les meules et les matériaux. Dans de nombreuses applications plus récentes, l'arbre de roue est une source de vibration souvent négligée qui pourrait contribuer à la mauvaise qualité de la pièce. Cet article illustre comment les arbres de roue peuvent affecter les performances d'une meuleuse de précision et quelles mesures peuvent être prises pour apporter des améliorations.

Dans les applications de meulage de précision, la rigidité de la machine est essentielle pour des performances et des résultats optimaux. Une rigidité insuffisante peut entraîner des marques de broutage sur la surface des matériaux à meuler. Une machine plus rigide permet des vitesses d'alimentation plus élevées, ce qui réduit les temps de cycle et améliore la stabilité dans la zone de broyage. Cela peut conduire à une durée de vie, une précision et une productivité accrues de la roue.

Il existe deux types de rigidité pour un composant de machine. La rigidité statique est calculée en N/mm et décrit la rigidité du composant sous des charges quasi statiques. La rigidité dynamique, également calculée en N/mm, relie la rigidité aux effets de l'amortissement et de la masse, et est généralement minimale à la fréquence naturelle ou au mode de vibration le plus faible. Ce résultat est typiquement ¼-½ de la rigidité statique.

Les principaux composants déterminant la rigidité du système de meulage sont la machine, la pièce, le montage et la meule. Mais le système est seulement aussi rigide que son composant le plus faible, et comme dans certains processus de meulage, l'arbre de meule doit être plus long pour atteindre les caractéristiques de la pièce, il a tendance à être le maillon le plus faible. Il existe trois principaux facteurs de performance de l'arbre de roue : le matériau, le diamètre et la longueur.

Les arbres de roue ont tendance à être fabriqués à partir de l'un des trois matériaux, selon l'application :

Souvent, les arbres de roue longs sont associés au meulage ID, mais certains processus de meulage OD et fluage ont commencé à utiliser des arbres étendus pour résoudre les problèmes de dégagement. Le meulage ID nécessite généralement le rapport longueur/diamètre le plus long. En fonction des dégagements des pièces, l'utilisation de meules superabrasives de plus petit diamètre permet l'utilisation d'arbres de plus grand diamètre. Et parce que les taux d'usure et la durée de vie des meules superabrasives ont tendance à dépasser ceux des abrasifs conventionnels, la durée de vie globale de la meule par pièce peut rester similaire. Si l'application de liquide de refroidissement limite la longueur optimisée de l'arbre et/ou le diamètre extérieur, la distribution de liquide de refroidissement à travers la broche ou le montage de pièce peut aider.

Les opérateurs expérimentés et les ingénieurs de fabrication savent que plus l'arbre est court, meilleure est la mouture, mais ils pourraient être surpris d'apprendre à quel point c'est mieux. Alors que l'on pourrait penser qu'un arbre de 50 mm de long est deux fois plus rigide qu'un arbre de 100 mm, en fait, la rigidité de l'arbre de roue change de façon exponentielle avec la longueur ou le diamètre extérieur. Augmenter le diamètre extérieur de l'arbre de 10 % augmentera la rigidité statique de 46 % et réduire la longueur de 10 % augmentera la rigidité statique de 37 %. Un arbre en acier avec un arbre de 25 mm de diamètre et de 100 mm de long a une rigidité statique de 12 000 N/mm, un arbre de 50 mm de long = 96 000 N/mm, ce qui signifie que l'arbre le plus court est huit fois plus rigide.

Il existe trois options pour réduire les problèmes de rigidité de l'arbre de roue et le broutage associé. L'option la plus simple et la plus rentable consiste à essayer de raccourcir les arbres de roue. Une solution de contournement peut être possible, et parfois il y a des cas où l'utilisation d'un arbre existant est fait pour plus de commodité alors que les plus courts seraient plus optimaux. Le calcul de la rigidité et des longueurs d'arbre requises peut aider à garantir que des arbres de la bonne taille sont utilisés.

Le rapport longueur/diamètre maximum recommandé pour une tonnelle est de 5:1 ; un rapport supérieur à celui-ci risque de heurter la fréquence naturelle de l'arbre avant d'atteindre les vitesses de fonctionnement des roues. La rigidité accrue d'un arbre plus court réduit le risque que la fréquence naturelle de la machine se rapproche de la vitesse de la broche, ce qui la rend moins susceptible de produire une vibration de fréquence naturelle, qui se manifeste par un broutage sur la pièce.

La réduction du poids de l'arbre modifiera également la fréquence de la rigidité dynamique, mais cela peut être plus problématique. Si l'objectif est de modifier la fréquence naturelle sans modifier la taille extérieure, percer un trou au centre de l'arbre qui représente 50 % du diamètre extérieur peut augmenter la rigidité dynamique. Ceci est réalisé en réduisant le poids de 25%, ce qui ne réduira la rigidité statique que de 10%.

En dernier recours, changer le matériau de l'arbre peut améliorer la rigidité, mais cela peut être coûteux et ne pas atteindre les résultats requis. Par exemple, le passage des arbres de roue de l'acier au carbure augmente la rigidité statique jusqu'à trois fois ; cependant, le poids accru et les caractéristiques d'amortissement réduites du carbure peuvent diminuer la rigidité dynamique au point de peu de gain net sur l'arbre en acier. Un nouveau matériau plus léger tel que la fibre de carbone/acier pourrait être une meilleure option, car il augmentera à la fois la rigidité statique et dynamique, mais cette solution a un coût plus élevé. Au fur et à mesure que la longueur de l'arbre augmente jusqu'au rapport maximal recommandé de 5: 1, la rigidité accrue du matériau exotique diminue.

L'optimisation du rapport longueur/diamètre de l'arbre de meulage est l'une des rares modifications qu'un utilisateur final peut apporter à une meuleuse qui augmente la rigidité statique et dynamique et améliore les performances de meulage à un coût relativement faible.

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