Pourquoi votre vis à billes vibre à grande vitesse (et pourquoi ce n'est généralement pas la vis elle-même)

La vis ne représente que la moitié de l'assemblage.

Lorsque vous achetez une vis à billes, vous n'achetez pas un système d'entraînement complet. Vous achetez un seul composant. Il lui faut encore :

• Usinage des extrémités pour adapter les paliers de support

• Un support à extrémité fixe capable de supporter la charge axiale

• Un support à extrémité flottante capable de supporter la vitesse

• Une surface de montage qui maintient tout aligné

• Un accouplement qui n'induit pas de faux-rond

Si l'un de ces éléments est défectueux, la vis vous le fera savoir. Généralement à grande vitesse, et généralement d'une manière qui laisse penser que la vis est en cause.

Mais une vis à billes est un élément mécanique relativement simple. Si elle est droite et que ses extrémités sont correctement usinées, elle fonctionnera sans problème, à condition que les supports et la fixation soient adaptés.

C'est au niveau des supports et de la fixation que les problèmes surviennent.

Extrémité fixe vs extrémité flottante : deux métiers différents

Je pense que cette appellation prête à confusion. « Fixe » et « flottant » peuvent sembler synonymes. Or, ce n'est pas le cas. Leurs fonctions sont totalement différentes.

L'extrémité fixe supporte la charge axiale. Lorsque l'écrou pousse la table, la force est transmise par la vis aux paliers de l'extrémité fixe. Ces paliers doivent supporter la poussée axiale totale, dans les deux sens, ainsi que la précharge prévue.

L'extrémité flottante ne contribue quasiment pas à la résistance à la charge. Elle sert uniquement à maintenir l'extrémité libre de la vis en position afin d'éviter qu'elle ne s'affaisse ou ne se déforme. Elle permet à la vis de glisser axialement lors de son échauffement, évitant ainsi sa déformation par dilatation thermique.

Alors, quand quelqu'un me dit que sa vis vibre beaucoup, je ne regarde pas d'abord l'extrémité fixe. Je regarde l'extrémité mobile. C'est elle qui contrôle les vibrations, et c'est celle qu'on a tendance à sous-dimensionner.

Un palier flottant bon marché présentant un jeu interne excessif permettra à la vis de bouger. À basse vitesse, cela passera inaperçu. À haute vitesse, cela deviendra une source de vibrations.

La vitesse critique n'est pas une suggestion.

Chaque vis à billes possède une vitesse de rotation au-delà de laquelle elle devient instable. En dessous de cette vitesse, son fonctionnement est régulier. Au-dessus, elle vibre.

Cette vitesse dépend de :

• Le diamètre de la vis

• La longueur non supportée entre les supports

• L'accord de soutien

• Si la vis est précontrainte

• La rigidité des supports d'extrémité

Une vis de 16 mm avec un entraxe de 500 mm peut convenir à 3 000 tr/min. La même vis, avec un entraxe de 1 200 mm, risque de vibrer à 1 500 tr/min.

C'est pourquoi je demande toujours la longueur sans support, et non la longueur totale. La longueur totale inclut l'usinage des extrémités et tout ce qui dépasse des supports. Seule la longueur sans support importe réellement pour la vitesse critique.

Si le régime moteur requis dépasse environ 80 % de la vitesse critique calculée, vous vous trouvez en zone à risque. Vous avez alors plusieurs options :

• Utilisez une vis de plus grand diamètre.

• Utilisez une avance plus importante pour réduire le régime moteur nécessaire à une même vitesse linéaire.

• Réduisez la longueur non soutenue en rapprochant les supports.

• Utiliser un système encastré-encastré avec précontrainte

• Réduisez votre vitesse cible

Ignorer ce calcul, c'est comme ça qu'on se retrouve avec une vis qui fonctionne parfaitement sur l'établi mais qui se désagrège dans la machine.

Usinage des extrémités : La pièce qui doit correspondre

Voici un détail qui surprend souvent : l’extrémité d’une vis à billes n’a pas une forme standard. Elle est usinée pour s’adapter à un palier de support spécifique. Cet usinage comprend :

• Le diamètre du tourillon où repose le palier

• L'épaulement contre lequel repose le palier

• La partie filetée pour le contre-écrou

• Parfois une rainure de clavette ou un méplat

• La longueur totale de la section usinée

Si vous commandez une vis usinée pour un bloc BK12 et que vous essayez de la monter sur un bloc BK15, elle ne conviendra pas. Le diamètre du tourillon sera incorrect, l'épaulement ne s'emboîtera pas correctement et le contre-écrou ne pourra pas être vissé.

Il m'est arrivé que des clients commandent des vis et des supports auprès de différents fournisseurs, en supposant que les dimensions standard seraient compatibles. Parfois c'est le cas, parfois non. Et quand ce n'est pas le cas, le client se retrouve avec une vis inutilisable sans modification.

La solution est simple : vérifiez toujours le plan d’usinage final par rapport au plan du bloc de support avant la mise en production de la vis. Si vous remplacez une vis existante, mesurez l’ancienne et communiquez ses dimensions. Ne vous fiez pas uniquement à la référence.

Les problèmes d'alignement ressemblent à des problèmes de vis.

J'en ai déjà parlé, mais cela vaut la peine de le répéter car le sujet revient très souvent.

Si la vis à billes n'est pas parallèle aux guides linéaires, l'écrou est poussé latéralement lors de son déplacement, ce qui crée une résistance irrégulière. L'intensité du courant moteur augmente, et la vis et l'écrou s'usent plus rapidement. À haute vitesse, cela peut également provoquer des vibrations.

Beaucoup de gens incriminent la vis lorsque cela se produit. Ils en commandent une nouvelle, l'installent, et le problème réapparaît. Car ce n'était pas la vis qui était en cause, mais l'alignement.

Voici une méthode simple pour vérifier l'alignement. Montez la vis et les rails, puis faites glisser un comparateur le long de la vis tout en déplaçant le chariot d'une extrémité à l'autre. Si l'aiguille se déplace de plus de quelques centièmes de millimètre, la vis n'est pas parallèle aux guides.

Cela est d'autant plus important lors du remplacement d'une vis sur une machine existante. L'ancienne vis était alignée sur les rails existants. Une nouvelle vis, même de dimensions identiques, risque de ne pas s'emboîter exactement de la même manière. Il est donc impératif de toujours revérifier l'alignement après l'installation.

L'extrémité flottante doit effectivement flotter.

C'est un détail qui passe constamment inaperçu.

L'extrémité flottante est conçue pour permettre à la vis de glisser axialement lorsqu'elle chauffe. C'est ainsi qu'elle empêche la vis de se courber lorsqu'elle se dilate.

Mais si le roulement est trop serré dans son logement, ou si des débris obstruent le passage, il ne coulissera pas. La vis se comporte alors comme si elle était bloquée aux deux extrémités. En chauffant, elle se déforme. La précharge change. Le frottement augmente. Les vibrations apparaissent.

Lors de l'installation d'un support flottant, vérifiez que le roulement peut coulisser librement, sans jeu excessif. Un peu de graisse sur la surface de glissement facilite le montage. Si le roulement est difficile à installer, ne forcez pas. Avant de fixer le tout, identifiez la cause de cette difficulté.

J'ai déjà vu ce problème sur des machines assemblées en salle blanche puis transférées en atelier. L'écart de température était suffisant pour provoquer la dilatation de la vis, et comme l'extrémité libre était bloquée, la vis s'est déformée. Le client a passé deux jours à diagnostiquer le problème du servomoteur avant de se rendre compte de la panne mécanique.

La dilatation thermique n'est pas une théorie

Beaucoup considèrent la dilatation thermique comme un phénomène qui n'a d'importance que dans les laboratoires de haute précision. C'est faux. Elle a une incidence sur toute machine fonctionnant pendant des heures.

L'acier se dilate d'environ 11 à 13 micromètres par mètre et par degré Celsius. Sur une vis de 1000 mm, une élévation de température de 5 °C entraîne un allongement d'environ 0,06 mm. Cela suffit à modifier la précharge, à déplacer la position de la table et à provoquer une déformation de la vis si celle-ci est contrainte à ses deux extrémités.

Sur une machine CNC de précision, c'est problématique. Sur une fraiseuse standard, c'est peut-être acceptable. Mais sur toute machine où la position a une incidence sur le temps, la dilatation thermique doit être prise en compte dès la conception.

C'est pourquoi l'extrémité flottante existe : elle permet à la vis de se dilater sans contrainte. C'est aussi pourquoi il ne faut pas simplement la boulonner et l'oublier.

Que vérifier avant de commander

Si vous commandez une vis à billes avec usinage d'extrémité et blocs de support, voici ce que je transmettrais au fournisseur :

• Diamètre et pas de la vis

• Longueur totale

• Longueur non supportée entre les supports

• agencement à extrémité fixe et à extrémité flottante

• Modèle ou dessin de bloc de support

• dessin d'usinage d'extrémité

• Détails du couplage

• Orientation de montage

• vitesse de fonctionnement maximale

• Accélération

• Force de charge et de coupe

• cycle de service

Cela donne au fournisseur suffisamment d'informations pour vérifier la vitesse critique, confirmer l'usinage final et s'assurer que les blocs de support sont adaptés à l'application.

Si le fournisseur se contente de prendre votre commande et de vous envoyer un prix sans vous poser de questions, vous achetez une pièce détachée, pas une solution. Et si quelque chose ne s'adapte pas ou ne fonctionne pas correctement, c'est à vous de trouver la solution.

Liste de vérification rapide avant l'installation

Avant de tout fixer définitivement, vérifiez ceci :

• Vérifiez que l'usinage final correspond au bloc de support

• Vérifiez que les paliers fixes sont correctement préchargés.

• Vérifiez que le palier flottant peut coulisser axialement.

• Vérifiez que la vis est parallèle aux rails de guidage.

• Vérifiez le faux-rond et l'alignement de l'accouplement.

• Vérifiez que le contre-écrou est bien serré et que le roulement est correctement positionné.

• Tournez la vis à la main et vérifiez s'il y a des points de blocage.

• Commencez par faire tourner le moteur à faible vitesse et soyez attentif aux bruits inhabituels.

Si vous ressentez un problème à basse vitesse, il ne s'améliorera pas à haute vitesse. Arrêtez-vous et identifiez-le avant de mettre la machine en marche.

Dernière réflexion

Une vis à billes qui vibre à grande vitesse n'est presque jamais défectueuse. Il s'agit généralement d'un problème de support, d'alignement ou de vitesse critique.

La vis elle-même est une pièce relativement simple. Droite, elle possède un pas et ses extrémités sont usinées pour s'adapter à des roulements spécifiques. Si ces roulements sont appropriés, si l'alignement est correct et si la vitesse se situe dans la plage de vitesse critique de la vis, celle-ci fonctionnera sans problème.

Mais si l'un de ces éléments est défectueux, c'est la vis qui est mise en cause. Et commander une nouvelle vis ne résoudra pas le problème.

Avant de remplacer la vis, vérifiez les supports, l'alignement, la vitesse critique et assurez-vous que l'extrémité flottante flotte bien.

Ce sont ces éléments qui déterminent si la vis tourne sans problème ou si elle se désagrège.

En cas de doute, transmettez les détails de l'application à votre fournisseur. Quelques minutes de vérification avant la commande coûtent bien moins cher que de découvrir un problème après l'assemblage de la machine.