Positionnement et bridage en usinage

Dans le domaine de l'usinage, la conception des montages est souvent considérée comme une tâche auxiliaire. Pourtant, en usinage de haute précision et à haut rendement, le montage lui-même est un élément crucial de la capacité du processus. Parmi ceux-ci, le dispositif de positionnement et le dispositif de serrage, deux éléments fondamentaux du système de montage, déterminent directement la précision de positionnement de la pièce, la stabilité d'usinage et l'efficacité opérationnelle.

De nombreux problèmes de précision d'usinage ne proviennent pas de la machine-outil ou de l'outil de coupe, mais plutôt d'erreurs implicites dues à des méthodes de positionnement et de bridage inadéquates. Par conséquent, une compréhension approfondie des principes de base des dispositifs de positionnement et de bridage est une compétence essentielle pour les ingénieurs en usinage.

1. Principes de base du positionnement côté pièce

A. Importance technique du principe de positionnement à trois points

Lors du positionnement côté pièce, le principe fondamental est celui des trois points. Ce principe découle du théorème géométrique selon lequel trois points non alignés définissent un plan. En conception de montage, un plan de positionnement de la pièce peut être déterminé de manière stable grâce à trois points de positionnement non colinéaires.

En théorie, disposer quatre points de positionnement rigides de même hauteur sur un même plan permet d'obtenir des contraintes plus fortes. Cependant, en pratique, en raison des défauts de forme, d'usinage ou de bridage de la pièce, il est quasiment impossible que les quatre points soient simultanément en contact total avec celle-ci. Il en résulte souvent que seuls trois points sont en contact avec la pièce, le quatrième restant suspendu, ce qui introduit une incertitude.

B. Considérations pratiques relatives à la configuration du localisateur

Par conséquent, lors de la configuration des dispositifs de positionnement, trois points sont généralement utilisés comme références, et la distance entre ces trois points est maximisée afin d'améliorer la stabilité du plan de positionnement et sa résistance aux forces d'usinage. Parallèlement, la direction de la charge d'usinage, c'est-à-dire la direction d'avance principale de l'outil ou du porte-outil, doit être clairement définie avant la conception. Le positionnement du dispositif à l'extrémité de la direction d'avance permet de limiter efficacement le déplacement de la pièce dû aux forces d'usinage, ce qui influe directement sur la précision d'usinage.

Dans les applications pratiques, on choisit généralement des localisateurs réglables de type boulon pour positionner les surfaces rugueuses afin de compenser les irrégularités de surface ; tandis que pour positionner les surfaces usinées, on utilise souvent des localisateurs fixes rectifiés pour garantir la répétabilité.

2. Principes de base du positionnement à partir des trous de la pièce

A. Logique de base du positionnement des broches

Lorsqu'une pièce a déjà été usinée avec des trous de haute précision lors d'une étape précédente, l'utilisation de ces trous pour le positionnement constitue une méthode très efficace et précise. Dans ce cas, on utilise généralement des goupilles de positionnement avec tolérances. La précision de positionnement requise est obtenue grâce à l'ajustement entre le trou et la goupille.

En combinant judicieusement les tolérances des alésages de la pièce et la précision de fabrication de la goupille, on obtient un positionnement stable et fiable tout en garantissant un assemblage aisé. Cette méthode est particulièrement courante dans l'usinage multi-processus et les opérations de bridage répétées.

B. Application combinée de goupilles droites et de goupilles diamantées

En pratique, la méthode la plus courante consiste à utiliser une goupille droite associée à une goupille diamantée. La goupille droite sert à déterminer la position précise de la pièce, tandis que la goupille diamantée conserve une légère liberté de mouvement dans une direction, évitant ainsi le blocage de la pièce sur la goupille en raison de déformations thermiques ou d'erreurs d'usinage.

Dans cette configuration, l'axe longitudinal de la goupille diamantée est généralement perpendiculaire à la ligne reliant la goupille droite à la goupille diamantée. L'objectif est de limiter la rotation de la pièce et d'obtenir un positionnement angulaire stable. Cette conception améliore considérablement la fiabilité et la facilité d'utilisation du serrage, tout en garantissant la précision.

3. Classification et caractéristiques de base des pinces

A. Classification selon le sens de serrage

Selon la direction de la force de serrage, les dispositifs de serrage se classent généralement en plusieurs catégories : serrage par le haut, par le côté, par le bas et serrage par trous. Différentes méthodes de serrage conviennent à différentes formes de pièces et exigences d’usinage ; un choix approprié est essentiel à la conception du montage.

Parmi ces solutions, le serrage par le haut est généralement privilégié en raison de la déformation minimale et de la meilleure stabilité qu'il offre.

B. Caractéristiques des serre-joints à serrage supérieur

Les systèmes de serrage supérieurs les plus courants sont des structures de serrage mécaniques, comme le système « à lames de pin » composé d'un plateau de pression, de boulons à double extrémité, d'un vérin et d'un écrou. Ce type de système de serrage présente une structure simple, une force de serrage contrôlable et une grande adaptabilité, et est largement utilisé dans divers procédés de fabrication.

En modifiant la forme du plateau de pression, on peut l'adapter à différentes formes de pièces. La relation entre la force de serrage et le couple appliqué peut être calculée à partir de la force de poussée du boulon, ce qui facilite la conception technique et la gestion standardisée.

4. Scénarios d'application du serrage latéral et du serrage par traction

A. Précautions pour le serrage latéral

Lorsque la surface supérieure d'une pièce nécessite un usinage, ou lorsque le bridage par le haut est inadapté, le bridage latéral devient une solution envisageable. Cependant, ce dernier génère souvent une force verticale ascendante sur la pièce. Un mauvais contrôle de cette force peut facilement entraîner un soulèvement ou un défaut de positionnement de la pièce.

Par conséquent, lors de la conception de dispositifs de serrage latéral, on privilégie généralement une structure avec une force s'exerçant vers le bas. Ceci permet à la force de serrage d'agir latéralement tout en exerçant une pression sur la surface de positionnement, empêchant ainsi efficacement le soulèvement de la pièce.

B. Extraction de la pièce par le bas

Pour les pièces en tôle mince, les pressions exercées par le dessus et par les côtés peuvent engendrer des déformations lors de l'usinage de la surface supérieure. Dans ce cas, le serrage par traction par le dessous est la méthode la plus appropriée. Les matériaux ferromagnétiques sont généralement serrés par force magnétique, tandis que les matériaux non ferreux utilisent souvent des mandrins à vide.

Il convient de noter que la force de serrage de ce type de méthode est directement proportionnelle à la surface de contact. Lorsque la pièce est petite mais que la charge d'usinage est importante, son application est limitée. Par ailleurs, la planéité et la régularité de la surface de contact doivent être irréprochables.

5. Méthodes de serrage utilisant le serrage par trou

A. Avantages du bridage des trous dans l'usinage à cinq axes

En usinage cinq axes ou en fabrication de moules, pour éviter les interférences entre le dispositif de fixation et l'outil, on utilise souvent le bridage par les trous de la pièce. Cette méthode applique une force de bridage plus faible, ce qui contribue à réduire les déformations d'usinage et est particulièrement adaptée à l'usinage de surfaces courbes complexes et de surfaces à multiples facettes.

B. Applications typiques du serrage des goujons de déflecteur

En fixant des goujons de serrage sur la pièce et en les combinant au mécanisme de bridage de la machine-outil, on obtient un bridage rapide et une grande répétabilité. Cette méthode est de plus en plus utilisée dans l'usinage automatisé et les centres d'usinage haut de gamme.

6. Le rôle du pré-serrage dans l'amélioration de l'opérabilité

A. La nécessité du pré-serrage

Lors du serrage vertical ou lorsque la pièce est lourde, les opérateurs doivent souvent soutenir la pièce pendant la manipulation du dispositif de serrage, ce qui est non seulement inefficace, mais présente également des risques pour la sécurité.

B. Avantages du pré-serrage à ressort : En installant un dispositif de pré-serrage à ressort dans le dispositif de fixation, la pièce peut être fixée temporairement sans être complètement serrée, permettant à l'opérateur de réaliser facilement le serrage définitif, améliorant considérablement l'efficacité du serrage et la sécurité d'utilisation, et est particulièrement adapté aux scénarios où des pièces lourdes ou multiples sont serrées en même temps.