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Pas de vis à billes de 5 mm ou de 10 mm ? La question que je pose toujours en premier
Premièrement, cessez de considérer le plomb comme un régulateur de vitesse
Oui, le pas correspond à la distance linéaire parcourue par l'écrou par tour. Un pas de 5 mm signifie 5 mm par tour, et un pas de 10 mm signifie 10 mm par tour. Ainsi, pour un même régime moteur, la vis de 10 mm déplace l'axe deux fois plus.
Mais la vis ne tourne pas d'elle-même. Le moteur doit pousser la charge à travers ce câble. Et plus le câble est gros, moins l'avantage mécanique est important.
Imaginez les vitesses d'un vélo. Un grand braquet vous permet d'aller plus vite à la même cadence de pédalage, mais il est plus difficile de pédaler en montée. Un petit braquet vous donne plus de force, mais vous oblige à pédaler plus fort pour maintenir la même vitesse.
Le fonctionnement d'une vis à billes est identique. Le pas de 5 mm correspond à la plus petite roue dentée, et celui de 10 mm à la plus grande.
Avant de vous demander « lequel est le plus rapide », demandez-vous plutôt « qu'est-ce que je pousse réellement ? »
C’est au niveau du couple que la plupart des gens sont surpris.
Voici une façon simple de voir les choses : si le couple moteur reste constant, doubler la longueur du câble, de 5 mm à 10 mm, divise approximativement par deux la force axiale obtenue.
Cela signifie que la vis de 10 mm nécessite un moteur plus puissant pour déplacer la même charge. Ou bien, elle accélère la même charge plus lentement. Ou encore, elle peine sur un axe vertical où la gravité exerce une force constante.
J'ai vu des constructeurs installer un pas de 10 mm sur un axe Z avec une broche de 2,2 kW, puis s'étonner que l'axe perde des pas ou se bloque lors des déplacements rapides. Le moteur n'avait tout simplement pas assez de couple pour supporter et déplacer le poids à cause de ce pas plus important.
Sur un axe horizontal léger, un pas de 10 mm est idéal : la charge est faible, la vitesse est utile et le couple requis reste gérable. Mais sur une table lourde ou une tête verticale, un pas de 5 mm paraît soudainement beaucoup plus pratique.
La première chose que je vérifie, c'est la poussée requise, et non la vitesse requise.
Commencez par la vitesse dont vous avez réellement besoin.
De nombreuses machines n'ont pas besoin de se déplacer aussi vite que le constructeur le pense. Si votre portique ne mesure que 400 mm de long, est-ce vraiment important de le déplacer rapidement à 10 m/min plutôt qu'à 6 m/min ? L'axe atteint son extrémité en une fraction de seconde dans les deux cas.
Mais sur une grande table de défonceuse, la vitesse est primordiale. Si vous découpez des panneaux de contreplaqué entiers et que l'axe doit parcourir 2 500 mm entre chaque passe, doubler la vitesse peut vous faire gagner un temps précieux sur une journée de travail de huit heures.
Avant de choisir un fournisseur de leads, je demande au client de me donner une vitesse de livraison rapide réaliste. Pas « aussi rapide que possible », mais une vitesse qu'il puisse réellement utiliser.
Ensuite, je calcule la vitesse de rotation de la vis pour les deux pistes.
À 10 m/min :
Câble de 5 mm : 10 000 / 5 = 2 000 tr/min
Câble de 10 mm : 10 000 / 10 = 1 000 tr/min
À 15 m/min :
Câble de 5 mm : 3 000 tr/min
Piste de 10 mm : 1 500 tr/min
À 20 m/min :
Plomb de 5 mm : 4 000 tr/min
Câble de 10 mm : 2 000 tr/min
Le nombre de tours par minute (tr/min) a plus d'importance qu'on ne le pense, surtout pour les vis longues. Une vis de 1 500 mm tournant à 4 000 tr/min va vibrer et vibrer fortement si elle n'est pas très bien fixée. C'est un vrai casse-tête mécanique.
Si vous avez besoin d'une vitesse de 20 m/min sur un axe long, un pas de 10 mm pourrait être la seule option pratique, non pas parce qu'il est « meilleur », mais parce qu'il limite la vitesse de la vis à une plage que la machine peut gérer.
La longueur de la vis est le facteur caché
Les vis courtes sont tolérantes. Une vis-mère de 300 mm avec un pas de 5 mm peut tourner rapidement sans problème majeur. La vitesse critique est élevée et le fouettement est quasiment négligeable.
Mais les vis longues, c'est une autre histoire. Au-delà de 800 mm environ, la vitesse critique de la vis chute rapidement. Le support, l'usinage des extrémités, le diamètre et le pas sont essentiels, car ils déterminent la vitesse de rotation nécessaire pour atteindre une vitesse linéaire donnée.
J'ai déjà conçu des systèmes où un pas de 5 mm était idéal pour la poussée, mais le régime requis plaçait la vis à sa limite de vitesse critique. En passant à un pas de 10 mm, on obtenait la même vitesse linéaire à la moitié du régime, ce qui stabilisait davantage l'axe.
Ce n'est pas un compromis. C'est une conception de qualité. Parfois, on choisit un pas plus long non pas pour gagner en vitesse, mais pour obtenir la même vitesse à un régime de vis plus facile à gérer.
Qu'en est-il de la résolution de positionnement ?
C'est là que je constate le plus de confusion.
On suppose souvent qu'un pas de 5 mm offre une meilleure résolution car l'écrou se déplace deux fois moins par tour. En simplifiant à l'extrême, c'est vrai. Avec un moteur pas à pas de 200 pas par tour et sans micropas, un pas de 5 mm correspond à 0,025 mm par pas complet, tandis qu'un pas de 10 mm correspond à 0,05 mm.
Cependant, la plupart des systèmes modernes utilisent des moteurs pas à pas ou des servomoteurs avec des codeurs haute résolution. L'erreur de positionnement réelle provient de nombreux facteurs : précision des pas, jeu, jeu des roulements, alignement des guides, dilatation thermique et réglage du servomoteur. La longueur des pas n'est qu'un élément parmi d'autres.
J'ai vu des constructeurs insister sur un pas de 5 mm « pour plus de précision » et l'installer ensuite sur une machine dont le bâti était tordu et l'accouplement desserré. Ce pas de 5 mm ne leur a servi à rien. La machine coupait toujours hors tolérance à cause de la déformation de la structure.
Si la précision vous préoccupe, commencez par définir la tolérance requise. Si elle est de ±0,02 mm, nous pourrons discuter de l'importance du pas. Si elle est de ±0,1 mm, le pas n'est probablement pas votre principal problème.
Les axes Z constituent un cas particulier
C’est sur un axe vertical que le pas de 5 mm se révèle particulièrement avantageux. Le moteur doit supporter le poids de la tête, de la broche et de l’outil, non seulement pendant la coupe, mais aussi lorsque l’axe est à l’arrêt.
Si le câble est trop gros, le moteur doit fournir plus d'efforts pour maintenir sa position. Lors de l'accélération vers le haut, le couple maximal peut être très élevé. Un câble de 10 mm peut encore convenir si le moteur est surdimensionné, mais un câble de 5 mm offre une plus grande marge de manœuvre pour un même moteur.
C'est pourquoi on observe souvent un avance de 5 mm sur l'axe Z et de 10 mm sur les axes X et Y. Les axes X et Y se déplacent horizontalement, où la gravité ne s'oppose pas constamment au mouvement. L'axe Z nécessite un avantage mécanique plus important.
Mais là encore, tout dépend de la machine. Une imprimante 3D légère ou une graveuse laser peuvent utiliser 10 mm sur l'axe Z sans problème, car la masse en mouvement est minime. La règle n'est pas « toujours utiliser 5 mm sur l'axe Z », mais plutôt « vérifiez la charge et le couple avant de prendre une décision ».
L'accélération, c'est la partie que les gens oublient.
Tout le monde parle de vitesse de pointe. Mais une machine qui met cinq secondes pour atteindre cette vitesse n'est pas vraiment rapide.
L'accélération nécessite du couple. Le moteur doit entraîner la vis, l'accouplement, le rotor et la charge mobile. Si l'avance est importante, l'inertie induite se modifie et le couple requis peut augmenter de façon inattendue.
J'ai vu des axes capables d'atteindre 15 m/min, mais dont l'accélération était insuffisante pour rendre cette vitesse exploitable sur de courts déplacements. La machine passait le plus clair de son temps à accélérer et à ralentir. Dans ce cas, une avance plus faible aurait pu donner l'impression d'une vitesse supérieure, car l'axe aurait pu atteindre sa vitesse de croisière plus rapidement.
Ainsi, lorsque je compare 5 mm et 10 mm, je ne me contente pas d'examiner la vitesse maximale. J'analyse le profil de mouvement : quelle est la durée du déplacement ? À quelle fréquence l'axe démarre-t-il et s'arrête-t-il ? Quelle accélération est nécessaire ?
Un exemple rapide
Supposons que vous construisiez un axe horizontal de 600 mm. La masse mobile est de 30 kg. Vous souhaitez une vitesse de déplacement rapide de 15 m/min. Le moteur est un servomoteur de 750 W avec une vitesse nominale de 3 000 tr/min.
Avec un câble de 5 mm, il faut 3 000 tr/min pour atteindre 15 m/min. C'est exactement la vitesse nominale du moteur. Ça pourrait fonctionner, mais il n'y a aucune marge de manœuvre.
Avec un câble de 10 mm, 1500 tr/min suffisent. La marge de vitesse est donc confortable. Cependant, le moteur doit désormais fournir deux fois plus de couple pour une même poussée. Si la charge est légère et l'accélération modérée, cela ne pose pas de problème. En revanche, si la charge est importante ou les forces de coupe élevées, le moteur risque de peiner.
La réponse n'est donc pas évidente tant qu'on n'a pas vérifié les valeurs de poussée et d'accélération. C'est tout l'intérêt.
Que faut-il envoyer à votre fournisseur ?
Quand je reçois une demande de devis pour une vis à billes, ce n'est pas le numéro de modèle qui m'impressionne, mais une simple liste d'exigences.
Les meilleures demandes ressemblent à ceci :
Axe : axe X
Débattement : 600 mm
Masse en mouvement : 30 kg
Vitesse maximale : 15 m/min
Accélération : 0,5 G
Orientation : horizontale
Moteur : servo 750 W, 3 000 tr/min
Précision requise : ±0,02 mm
Cycle de service : 8 heures/jour
Cela me permet de vérifier le câble, le diamètre, le support et la capacité du moteur à supporter la charge. Si les dimensions ne conviennent pas, je peux vous expliquer pourquoi et vous proposer une solution alternative.
Si vous dites simplement « J'ai besoin d'une vis à billes 1605 », je ne peux pas vous aider beaucoup. Vous avez déjà pris votre décision sans savoir si c'est la bonne.
Le choix ne porte pas sur la qualité du meilleur plombier.
Au final, les câbles de 5 mm et de 10 mm sont tous deux utiles. Ce sont simplement des outils différents pour des situations différentes.
Un pas de 5 mm offre une poussée accrue et une résolution mécanique plus fine. Il est idéal pour les axes verticaux, les tables lourdes et les machines nécessitant une forte poussée à des vitesses modérées.
Un pas de 10 mm permet d'obtenir une vitesse linéaire supérieure pour une même vitesse de rotation de la vis. C'est idéal pour les axes horizontaux longs, légers et rapides, où le moteur peut supporter un rapport de démultiplication réduit.
L'erreur est de choisir une valeur simplement parce qu'elle « sonne bien ». 5 mm semble précis. 10 mm semble rapide. Mais le son n'est pas de l'ingénierie.
Effectuez les calculs de base :
Vitesse requise → tr/min de la vis
Poussée requise → couple moteur
Accélération → couple maximal
Longueur de la vis → vitesse critique
Ces quatre chiffres vous en diront plus que n'importe quelle comparaison de catalogues.
Et si vous avez encore des doutes, transmettez ces chiffres à votre fournisseur. Un bon fournisseur vous aidera à trouver un compromis au lieu de simplement prendre votre commande.
Voilà ce qui distingue un choix judicieux de vis à billes d'un choix au hasard.