Soudage acier vs Base machine en fonte minérale pour l'atténuation des vibrations

PFT, Shenzhen

Abstrait

La conception de la base de la machine joue un rôle crucial dans la stabilisation de la précision d'usinage en contrôlant les vibrations. Cette étude compare les bases en soudure d'acier et en fonte minérale en termes d'efficacité d'amortissement des vibrations. Des modèles éléments finis ont été développés et des tests modaux ont été réalisés afin d'évaluer la fréquence naturelle, le ratio d'amortissement et la réponse en déplacement sous des charges d'usinage simulées. Les résultats indiquent que les bases en fonte minérale présentent une capacité d'amortissement 18 à 25 % supérieure à celle des bases en soudure d'acier, particulièrement dans la plage de fréquence de 200 à 500 Hz. Toutefois, les soudures en acier présentent des avantages en termes de rigidité structurelle et de coût initial plus faible. Ces résultats fournissent une preuve quantitative pour la sélection des matériaux constitutifs des bases de machines en fonction des priorités de performance.

1 Introduction

Les bases d'outils machines sont fondamentales pour assurer la stabilité globale du système. Les vibrations générées pendant l'usinage à grande vitesse affectent directement la précision dimensionnelle, l'usure de l'outil et la qualité de surface. Le choix du matériau pour la structure de la base détermine à la fois sa rigidité et sa capacité d'amortissement. Bien que les soudages acier soient largement utilisés en raison de leur facilité de fabrication, les bases en fonte minérale attirent de plus en plus l'attention grâce à leurs performances d'amortissement supérieures. Cet article examine les différences quantitatives entre ces deux matériaux dans des conditions expérimentales contrôlées.

2 Méthode de recherche

2.1 Approche de conception

Deux bases prototypes ayant une géométrie identique ont été construites : l'une en tôles d'acier soudées, l'autre en composite minéral. Les deux conceptions respectent les dimensions standard des bases d'outils machines (1,2 m × 0,8 m × 0,6 m).

2.2 Sources de données

• Les propriétés des matériaux proviennent des fiches techniques des fournisseurs et ont été vérifiées par des essais de traction et de résistance à la compression.

• Des données d'essai de vibration ont été recueillies à partir d'expériences internes menées entre mai et juillet 2025.

2.3 Outils et modèles expérimentaux

• Analyse par éléments finis (FEA) : ANSYS 2024 a été utilisé pour modéliser les fréquences modales et les distributions de contrainte.

• Essais modaux : Un marteau instrumenté et des accéléromètres (PCB Piezotronics, modèle 352C) ont enregistré la réponse dynamique.

• Traitement du signal: Les fonctions de réponse en fréquence ont été analysées avec MATLAB R2024b afin d'extraire les rapports d'amortissement.

Toutes les procédures ont été répétées trois fois pour garantir la reproductibilité.

3 Résultats et Analyse

3.1 Fréquence naturelle

Le tableau 1 résume les trois premières fréquences naturelles. Le soudage en acier a présenté des valeurs légèrement plus élevées dues à une rigidité accrue.

Tableau 1 Fréquences naturelles des bases en acier par rapport aux bases en fonte minérale

3.2 Rapport d'amortissement

La figure 1 illustre la comparaison du rapport d'amortissement. La fonte minérale a atteint jusqu'à 0,042, tandis que l'acier est resté en dessous de 0,034.

Figure 1 Rapports d'amortissement pour les bases en acier et en fonte minérale (mesurés entre 200 et 500 Hz)

3.3 Réponse en déplacement

Sous une force d'excitation équivalente (300 N), les bases en fonte minérale ont réduit l'amplitude maximale du déplacement de 21 % en moyenne.

3.4 Analyse comparative

Des études existantes [1–2] ont signalé des améliorations de 15 à 20 % en matière d'amortissement pour les matériaux en fonte minérale. Les résultats actuels confirment et étendent ces observations à l'aide de prototypes structuraux directs, mettant en évidence des avantages constants en termes de performance dans les plages de fréquences moyennes.

4 Discussion

Le comportement de freinage supérieur du béton minéral est principalement attribué à sa microstructure composite, où les agrégats liés par un polymère dissipent l'énergie vibratoire par friction interne. Les soudages acier, bien que moins efficaces en termes d'amortissement, offrent une rigidité structurelle plus élevée, ce qui bénéficie aux applications à charge lourde.

Limitations :

• Les effets thermiques n'ont pas été inclus dans cette étude, bien qu'ils puissent influencer la stabilité à long terme.

• Une seule configuration géométrique a été testée, limitant ainsi la généralisation à d'autres conceptions de machines.

Implications pratiques :

• Le béton minéral est recommandé pour les centres d'usinage à grande vitesse où l'amortissement des vibrations améliore directement la durée de vie de l'outil et la qualité de surface.

• Les soudages acier restent adaptés aux applications sensibles au coût avec des charges de coupe importantes.

5 Conclusion

Les essais quantitatifs ont démontré que les bases en fonte minérale offrent une atténuation des vibrations de 18 à 25 % supérieure à celle des structures soudées en acier, en particulier dans la plage de 200 à 500 Hz. Les structures soudées en acier conservent des avantages en termes de rigidité et de coûts de production plus faibles. Les recherches futures devraient inclure des tests de cyclage thermique ainsi que des structures de bases hybrides afin de combiner les avantages des deux matériaux.