Jeu mécanique CNC : pourquoi la vis à billes n’est souvent pas le véritable problème

Que fait réellement le préchargement ?

À l'intérieur d'une vis à billes, les billes se déplacent entre la bague de la vis et la bague de l'écrou.

S'il existe un jeu entre ces surfaces de contact, une inversion de charge peut engendrer un léger mouvement libre avant que l'axe ne réagisse. C'est ce que l'on appelle souvent le jeu mécanique.

La précharge crée une force interne contrôlée qui maintient les billes en contact avec les chemins de roulement.

En pratique, le préchargement peut fournir :

• Moins de jeu interne

• Rigidité axiale plus élevée

• Mouvement plus régulier lors des changements de direction

• Meilleure résistance aux petites variations de charge

Cela semble être une amélioration simple.

Mais ce n'est pas gratuit.

La précharge augmente également la force de contact entre les billes et les chemins de roulement. Il peut en résulter un frottement accru, un couple de rotation plus élevé et une chaleur plus importante. Il ne faut pas choisir un écrou à billes avec la précharge maximale possible simplement parce que la machine nécessite un faible jeu.

La question pertinente est plutôt : quelle quantité de préchargement cette application peut-elle réellement utiliser ?

La précision du plomb et le jeu ne sont pas la même chose.

Ce point est souvent négligé lors du choix d'une vis à billes.

La précision du pas décrit la correspondance entre le déplacement réel de la vis et le déplacement commandé sur une distance donnée.

Le jeu mécanique désigne un mouvement indésirable qui se produit lorsque la direction de la charge s'inverse.

Les deux affectent le positionnement, mais ce sont des erreurs différentes.

Une vis à billes C5 peut tout de même présenter un problème de jeu.

Une vis à billes C7 avec un écrou correctement préchargé peut avoir un jeu interne très faible.

Ainsi, lorsque quelqu'un dit : « Ma machine a du jeu, j'ai donc besoin d'une vis C5 », la première question à poser devrait être : comment ce jeu a-t-il été mesuré et d'où provient-il ?

Si le véritable problème est un support de palier desserré ou un accouplement qui glisse sur l'arbre, un degré de précision supérieur ne le résoudra pas.

Où se cachent les mouvements perdus

C’est là que le dépannage devient plus utile que la lecture d’un catalogue.

Imaginez que la machine inverse son sens de rotation et que la table se déplace de 0,05 mm avant que l'indicateur ne commence à bouger. Ce décalage de 0,05 mm peut provenir de plusieurs endroits.

Écrou à billes

L'écrou peut présenter un jeu interne excessif, une précharge incorrecte ou être usé. C'est souvent le premier point que l'on vérifie, mais il n'est pas toujours en cause.

Support de roulement

Si la vis peut se déplacer axialement à l'intérieur du palier, ce déplacement se répercutera sur l'axe. Même une bonne vis à billes, associée à un support mal conçu, engendrera des problèmes de positionnement.

Couplage

Vérifiez le raccord avant de commander une nouvelle vis. Un collier desserré, un alésage incorrect, un élément flexible endommagé ou un mauvais engagement de l'arbre peuvent engendrer un jeu mesurable.

logement d'écrou

L'écrou lui-même peut être en bon état, mais le carter peut bouger par rapport à la machine. Ce problème est facile à négliger sur les machines dont la structure est boulonnée ou fabriquée.

guidages linéaires et structure de la machine

Si le portique ou la table se déforme sous l'effet des variations des forces de coupe, l'indicateur affichera un mouvement même lorsque la vis à billes présente très peu de jeu interne.

La machine ignore l'origine de l'erreur. Elle constate seulement que l'axe a bougé.

Un moyen simple de vérifier une plainte pour retour de bâton

Si quelqu'un m'annonce qu'un axe a un jeu de 0,05 mm, je veux savoir comment ce chiffre a été obtenu.

Un test utile est simple.

Montez un comparateur à cadran contre l'axe mobile. Déplacez l'axe dans un sens et définissez une référence. Puis, inversez légèrement le sens de déplacement.

Si le moteur tourne mais que la machine ne réagit pas immédiatement, il y a un jeu mécanique quelque part dans la transmission.

Il vous faudra alors le trouver.

Vérifiez le couplage.

Vérifiez le support de roulement.

Vérifiez le serrage de l'écrou.

Vérifiez l'écrou à billes.

Consultez le système de guidage.

Ne présumez pas que le premier suspect est automatiquement la cause du problème.

Observez également si le jeu mécanique varie le long de la course. S'il diffère selon les positions, c'est un indice précieux. S'il est relativement constant, la source du problème se situe probablement ailleurs dans la transmission.

Le préchargement implique toujours un compromis.

Une précharge plus importante peut accroître la rigidité et réduire le jeu interne.

Mais une précharge plus importante signifie également plus de friction.

Cela peut entraîner :

• Couple moteur plus élevé

• température de fonctionnement plus élevée

• Plus de chaleur dans la noix

• Usure plus rapide

• fonctionnement à grande vitesse plus difficile

Pour un centre d'usinage de précision, cette rigidité supplémentaire peut s'avérer utile.

Pour une fraiseuse CNC légère, ce n'est peut-être pas le cas.

Considérons deux machines.

La première est une petite fraiseuse CNC pour la découpe du bois et du plastique. La masse mobile est faible, les forces de coupe sont modérées et un positionnement au micron près n'est pas nécessaire.

La seconde est un centre d'usinage de précision où la précision d'inversion et la rigidité structurelle sont essentielles.

Il est peu judicieux de spécifier la même précharge simplement parce que les deux machines utilisent une vis à billes de 20 mm.

Le diamètre de la vis peut être identique.

L'application ne l'est pas.

N’utilisez pas la précharge pour corriger les problèmes d’alignement.

C'est une erreur courante.

Supposons que la vis et le rail de guidage ne soient pas correctement alignés.

L'écrou à billes peut sembler serré à une extrémité de sa course et beaucoup plus libre à l'autre.

Augmenter la précharge ne corrigera pas ce problème.

Cela risque d'empirer les choses.

Le désalignement peut augmenter :

• Couple de fonctionnement

• Friction

• Chaleur

• Usure des écrous

• Charge du moteur

Si l'axe semble présenter une sensation différente selon sa position, vérifiez l'alignement avant de modifier la précharge.

Actionnez l'axe lentement.

Repérez les passages étroits.

Vérifiez les surfaces de montage.

Vérifiez la relation entre la vis et les guides linéaires.

Une vis à billes doit être correctement supportée et alignée avant que des réglages fins de précharge ne soient nécessaires.

La précharge modifie également la charge du moteur.

Cela a plus d'importance que beaucoup de gens ne le pensent.

Un écrou précontraint n'offre pas la même résistance qu'un écrou légèrement chargé ou non précontraint.

Le couple de fonctionnement réel dépend de plusieurs facteurs :

• Fil à vis

• Diamètre de la vis

• Préchargement

• Charge externe

• Lubrification

• Vitesse

• Conception d'écrou

Si vous remplacez un écrou à faible précharge par un écrou à forte précharge, la machine peut conserver la même course et la même vitesse théoriques, mais le moteur aura désormais une marge de couple réduite.

Cela peut poser problème sur une petite machine CNC à moteur pas à pas.

Cela peut également avoir une importance sur un axe vertical Z, où le moteur fonctionne déjà contre la gravité.

Lors de la modification de la précharge, vérifiez la marge de couple moteur, et non seulement le jeu.

Écrou simple ou double écrou ?

On utilise souvent une vis à billes à double écrou lorsqu'une rigidité élevée et un jeu très faible sont requis.

Les deux écrous peuvent être ajustés l'un par rapport à l'autre pour créer la précharge requise.

Cela permet d'obtenir un assemblage très rigide, mais cela augmente également les coûts, la longueur et les besoins de réglage.

Un double écrou n'est pas automatiquement la solution idéale pour toutes les machines CNC.

Pour de nombreuses applications générales, un écrou simple préchargé correctement sélectionné suffit.

Le choix dépend de la rigidité requise, de la charge externe, des performances de positionnement et des conditions de fonctionnement.

Ne confondez pas le jeu avec la répétabilité

Voici un exemple simple.

Supposons que vous commandiez l'axe à 100,000 mm à plusieurs reprises, et qu'il s'arrête systématiquement autour de 100,020 mm.

L'axe n'est pas très précis, mais il peut être assez répétable.

Approchez-vous maintenant de la même position par des directions opposées et obtenez :

• 100,020 mm

• 99,980 mm

Cette différence vous renseigne sur le comportement en cas d'inversion.

Mais même dans ce cas, n'appelez pas automatiquement toute la différence « jeu de la vis à billes ».

Le réglage du servomoteur, le frottement, les effets thermiques, la précharge du guide et les mouvements structurels peuvent tous influencer le résultat.

Pour établir un diagnostic utile, il faut savoir si l'erreur est :

• Dépendance de la position

• Dépendant de la direction

• Dépendant de la température

• Dépendant de la charge

Cette information est plus précieuse qu'une simple valeur de retour de flamme.

Qu'en est-il de la différence entre la C5 et la C7 ?

C'est là que la précharge et le niveau de précision sont souvent confondus.

C5 et C7 décrivent le degré de précision de la vis à billes. La précharge décrit l'état de charge interne de l'écrou.

Ce sont des spécifications différentes.

Par exemple, vous pouvez avoir une vis à billes C5 avec un écrou préchargé.

Vous pouvez également avoir une vis à billes C7 avec un écrou préchargé.

Si la machine présente du jeu, le passage de C7 à C5 ne résout pas automatiquement le problème.

Si le problème concerne la précision du guidage, alors la décision C5/C7 est importante.

Si le problème vient du jeu interne, la précharge et la configuration de l'écrou sont plus importantes.

Si le problème vient d'un support de roulement desserré, ni C5 ni C7 ne pourront le résoudre.

Cette distinction peut permettre de réaliser d'importantes économies lors du choix d'une vis de remplacement.

L'usure modifie le diagnostic

Il ne faut pas juger de la même manière une vis à billes nouvellement installée présentant un jeu excessif et une vis à billes qui développe du jeu après des années de fonctionnement.

Si la machine était initialement stable et a progressivement développé un mouvement de va-et-vient plus important, l'usure devient une possibilité beaucoup plus forte.

Les chemins de roulement de l'écrou à billes et de la vis fonctionnent sous charge à chaque déplacement de l'axe. La lubrification, la contamination, la charge, la vitesse, l'alignement et le cycle de service influent tous sur leur durée de vie.

Voici quelques signes à vérifier :

• Erreur d'inversion croissante

• Augmentation du bruit de fonctionnement

• Charge moteur plus élevée

• Mouvement inégal

• Rigidité réduite

• Réaction négative qui évolue avec le temps

Si la machine fonctionne depuis des années, ne présumez pas qu'un réglage permettra de remettre l'ensemble dans son état d'origine.

Parfois, l'écrou a tout simplement atteint la fin de sa durée de vie utile.

La dilatation thermique peut ressembler à un problème mécanique

Il y a un autre problème qui se mêle souvent à cette même discussion.

Une machine peut être précise à froid et se dérégler progressivement après plusieurs heures.

Il ne s'agit pas d'une réaction négative conventionnelle.

La vis à billes, les roulements, la structure de la machine et les composants environnants subissent tous des variations de température pendant leur fonctionnement.

Une longue vis à billes en acier peut se dilater suffisamment pour créer une erreur de positionnement mesurable.

Si l'erreur change significativement entre une machine froide et une machine complètement chaude, étudiez le comportement thermique avant de modifier la précharge.

Ceci est particulièrement important sur :

• Axes CNC à grande course

• Machines à grande vitesse

• équipement d'usinage de précision

• Automatisation à cycle de service élevé

Parfois, la machine a besoin d'une compensation thermique ou d'une stratégie de rétroaction différente plutôt que d'un écrou à billes plus serré.

Alors, de quel niveau de précharge avez-vous besoin ?

Il n'y a pas de réponse unique.

Pour une fraiseuse CNC à usage général, une précharge excessive peut ajouter de la friction et de la chaleur sans apporter d'amélioration significative des performances.

Pour un système d'usinage de précision, une rigidité plus élevée et une faible erreur d'inversion peuvent justifier une configuration avec une précharge plus importante.

Une façon utile d'y réfléchir est la suivante :

Précharge faible

Idéal lorsque la faible friction, la vitesse élevée et la faible charge du moteur sont importantes.

Préchargement modéré

Un choix judicieux pour de nombreuses applications CNC et d'automatisation où la rigidité et l'efficacité de fonctionnement sont toutes deux importantes.

Précharge plus élevée

Plus approprié lorsque la rigidité et les performances en inversion sont suffisamment importantes pour justifier la friction et la chaleur supplémentaires.

La valeur réelle de la précharge doit provenir des spécifications du fabricant de la vis à billes, et non d'une règle générique.

Si votre CNC présente du jeu, vérifiez les points suivants avant de remplacer la vis

Si j'étais à côté de la machine, voici à peu près l'ordre que je suivrais :

1. Mesurez-le d'abord.
   Ne diagnostiquez pas le jeu au toucher.

2. Vérifiez le couplage.
   Assurez-vous que le moteur et la vis sont bien verrouillés ensemble.

3. Vérifiez le support de roulement.
   Recherchez un mouvement axial.

4. Vérifiez le serrage de l'écrou.
   Le logement de l'écrou ne doit pas bouger par rapport à la machine.

5. Vérifiez l'alignement.
   Recherchez les passages étroits ou les variations de résistance le long du parcours.

6. Vérifiez les spécifications de précharge.
   Vérifiez que l'écrou installé correspond bien à la configuration requise par la machine.

7. Vérifiez ensuite l'usure de la vis à billes.
   Surtout si la machine a accumulé un nombre important d'heures de fonctionnement.

Cette approche est généralement plus utile que de commander immédiatement une vis à billes de rechange.

Quelles informations devez-vous fournir à un fournisseur de vis à billes ?

Si vous commandez une nouvelle vis, n'envoyez pas simplement :

« SFU2005, 800 mm, veuillez me faire parvenir un devis. »

Cela donne au fournisseur les dimensions, mais pas grand-chose sur l'application.

Une demande plus utile consisterait à inclure :

• Diamètre de la vis : 20 mm

• Plomb : 5 mm

• Course : 800 mm

• Charge utile : 40 kg

• Vitesse maximale : 10 m/min

• Installation : horizontale

• Précision de positionnement requise : ±0,02 mm

• Moteur : servo 750 W

• Cycle de service : 8 heures/jour

• Jeu ou inversion de performance requis

S'il s'agit d'un remplacement, ajoutez les informations provenant de la machine existante :

• Réaction actuelle

• Horaires d'ouverture

• Préchargement existant

• température de fonctionnement

• Bruit ou vibrations

• Que l'erreur évolue au cours du voyage

Le fournisseur peut désormais aider à diagnostiquer le problème au lieu de simplement proposer une autre vis.

Le but n'est pas de serrer la vis à billes au maximum.

La précharge est utile car elle réduit le jeu interne et augmente la rigidité.

Une précharge insuffisante peut entraîner des mouvements indésirables dans la machine.

Une précharge excessive peut engendrer des frottements, de la chaleur, une surcharge du moteur et une usure inutile.

Et si le jeu provient en réalité d'un accouplement, d'un support de roulement ou de la structure de la machine, le changement de l'écrou à billes ne résoudra pas le problème.

Ainsi, lorsqu'un axe CNC présente du jeu, ne commencez pas par :

« Quelle vis à billes dois-je acheter ? »

Commencez par :

« D’où vient réellement ce mouvement ? »

Une fois que vous savez cela, la solution est généralement beaucoup plus claire.

Parfois, il s'agit d'un écrou à bille.

Parfois, il s'agit d'un roulement.

Parfois, il s'agit d'un accouplement qui nécessite cinq minutes avec une clé hexagonale.

Et parfois, la vis à billes n'était même pas le problème au départ.