Comment spécifier le diamètre du mandrin par rapport à la vitesse de rotation maximale de la broche sur un tour CNC ?

Une brochure de tour peut indiquer 5000 tr/min. Un grand mandrin ne peut souvent pas atteindre une telle vitesse. Le diamètre du mandrin et la vitesse de rotation de la broche doivent être spécifiés conjointement, avec une marge de sécurité.

Le diamètre du mandrin sur un tour CNC est spécifié par rapport à la valeur la plus basse entre la vitesse de rotation nominale de la broche et la vitesse de sécurité nominale du mandrin. La limite du mandrin doit être supérieure au maximum de la broche, avec une marge. La taille est ensuite déterminée par la pièce à usiner, et non par le corps le plus grand du catalogue.

Une plaque signalétique peut indiquer 5000 tr/min et ne pas correspondre à la vitesse à laquelle le travail peut être effectué. Le mandrin a sa propre limite. La force centrifuge exercée sur les mors réduit la force de serrage à mesure que la vitesse de rotation augmente.¹. L'atelier utilise alors la plus faible des deux références. Cette distinction se fait entre la vitesse nominale de la broche et la vitesse de sécurité nominale du mandrin.

Quelle est la différence entre la vitesse nominale de la broche et la vitesse de sécurité nominale du mandrin ?

Les ateliers utilisent la vitesse maximale de la broche comme limite pour le mandrin. Le mandrin peut déjà être dangereux à cette vitesse. Les deux plaques signalétiques doivent être comparées.

La vitesse nominale de la broche correspond à la vitesse à laquelle la broche ou le moteur peut tourner. La vitesse de sécurité nominale du mandrin correspond à la vitesse à laquelle le mandrin peut tourner tout en conservant une prise sûre. Les deux limites ne sont pas identiques. La valeur la plus basse constitue la limite de l'atelier.

Ce qu'indique la plaque signalétique de la broche

La vitesse nominale de la broche est la vitesse autorisée par la conception de la broche. Elle est déterminée par les roulements, la lubrification, la puissance du moteur et la structure de la machine.². La plaque indique généralement une vitesse nominale et une vitesse maximale. La vitesse nominale est le point de fonctionnement stable. La vitesse maximale est la limite de conception. Dépasser cette valeur endommage la broche. Ce chiffre concerne le moteur et les roulements. Il ne concerne pas la capacité de serrage.

Ce qu'indique la vitesse de sécurité nominale du mandrin

Le fabricant du mandrin fixe une vitesse maximale admissible en fonction de la structure, de la force de serrage et de la force centrifuge. Au-delà de cette vitesse, les mors sont éjectés vers l'extérieur et la force de préhension diminue. La pièce peut être éjectée du mandrin. Le diamètre, le poids des mors, la force de serrage et l'équilibrage déterminent cette limite. Une gamme Kitagawa indique 7000, 6000, 4500 et 3600 tr/min selon les tailles.³. La courbe vitesse/force de serrage fournie par le fabricant sert de référence. La limite du mandrin doit être supérieure au maximum de la broche, avec une marge.

Pourquoi les deux références ne sont pas interchangeables

La broche peut tourner plus vite que la capacité de maintien d'une pièce par le mandrin. Le mandrin peut également être classé au-delà des capacités modestes d'une broche. L'utilisation quotidienne suit toujours la limite la plus basse. Mélanger les deux valeurs sur un devis masque la capacité réelle. Un atelier qui ne se concentre que sur le régime de la broche risque de retrouver le plateau du mandrin au sol.

Limite	Ce qu'elle mesure	Ce qui la définit	Ce qui se passe au-delà
Vitesse de rotation nominale de la broche	La vitesse maximale de rotation de la broche	Roulements, lubrification, moteur, structure	Dommages à la broche
Vitesse de sécurité nominale du mandrin	La vitesse maximale de rotation du mandrin avec une prise sécurisée	Diamètre, mors, force, équilibrage	Perte de serrage, risque d'éjection de la pièce
Limite de l'atelier	La plus faible des deux valeurs	Les deux plaques signalétiques, plus une marge	Le travail ne doit pas dépasser cette limite

Pourquoi un mandrin plus grand réduit-il la vitesse de rotation utilisable même si la broche peut tourner plus vite ?

Un corps plus grand laisse présager une meilleure prise. À haute vitesse, il déplace davantage de masse vers l'extérieur, donc le régime utilisable diminue même si la broche peut tourner plus vite.

Un mandrin plus grand réduit le régime utilisable car la vitesse périphérique et la force centrifuge des mors augmentent avec le diamètre. La force de serrage diminue, les vibrations s'intensifient et la limite de sécurité se situe en dessous de la vitesse maximale de la broche. Plus grand n'est pas systématiquement synonyme de mieux.

Vitesse linéaire et projection

À régime identique, un mandrin de plus grande taille présente une vitesse périphérique plus élevée.⁴. Le corps du mandrin et les mors subissent alors une augmentation brutale de la force centrifuge. Le serrage peut se relâcher. La pièce peut être éjectée des mors. À mesure que le régime augmente, les mors sont projetés vers l'extérieur et la force de serrage diminue. Un mandrin plus grand et des mors plus lourds accentuent ce phénomène. La pièce peut se déplacer lors de l'usinage. L'usinage intensif nécessite donc une force de serrage résiduelle à la vitesse maximale, et pas seulement la force statique indiquée dans le catalogue.

Rigidité et équilibrage

Un grand mandrin représente une masse importante. La broche et la bride doivent pouvoir le supporter. Un support inadéquat à haute vitesse provoque des vibrations et des marques sur la surface. L'équilibrage dynamique est également plus complexe sur un corps de grande dimension.⁵. Le balourd à haute vitesse augmente le bruit et les secousses.⁶. Le régime utilisable diminue alors pour maintenir le silence de fonctionnement. Le moteur de broche peut encore disposer d'une vitesse inutilisée.

Adapter le corps à la pièce

Le diamètre nominal du mandrin correspond à la gamme de pièces et au nez de broche. Plus grand n'est pas forcément le choix par défaut. Le serrage externe maximal doit dépasser le diamètre extérieur de la pièce avec une marge de sécurité. Les mors utilisés sur la dernière dent perdent en force. Le serrage interne nécessite une course de mors suffisante. La bride doit correspondre au nez de broche, sinon le mandrin ne pourra pas être monté. Les tours CNC horizontaux utilisent souvent des corps de 100 à 500 mm. Les tailles courantes incluent 160, 260, 400 et 500 mm.⁷. Les tours verticaux peuvent dépasser 500 mm⁸. Les grands disques nécessitent une faible vitesse et un couple élevé. Les petits arbres nécessitent une plage de vitesse élevée et stable.

Entraîneur	Ce qu'un mandrin plus grand implique	Effet sur le régime utilisable
Vitesse périphérique	Plus élevée au même nombre de tr/min	Baisse de la limite de sécurité
Projection des mors	Plus de masse projetée vers l'extérieur	La force de serrage diminue plus rapidement
Masse sur le nez de broche	Exigence accrue sur la broche et la bride	Vibration à vitesse élevée
Équilibrage	Plus difficile à maintenir uniforme	Le bruit et les secousses augmentent
Adaptation à la pièce	Nécessaire uniquement lorsque le diamètre extérieur l'exige	Le diamètre supplémentaire est un risque inutile

Comment la masse des mors et les contrepoids doivent-ils être pris en compte dans l'évaluation de la vitesse du mandrin ?

Un tableau de vitesses qui ignore la masse des mors est une limite théorique. Des mors lourds et une prise large absorbent la force indiquée sur la plaque signalétique.

La masse des mors prise en compte dans l'indice de vitesse du mandrin inclut le mors de base, le mors rapporté et la visserie. Des mors plus lourds et un rayon de centre de gravité plus grand augmentent la force centrifuge proportionnellement au carré de la vitesse de rotation (tr/min). Des contrepoids peuvent compenser ce phénomène.

Compter la masse mobile

La vérification fondamentale consiste à déterminer comment la force centrifuge des mors neutralise la force de serrage. La force augmente proportionnellement au carré de la vitesse⁹. La force de serrage effective diminue alors. Une pièce peut être éjectée ou un mors peut rompre. Des mors plus lourds augmentent la force centrifuge à une même vitesse de rotation, aggravant ainsi la perte de serrage. La masse comptabilisée correspond à un mors complet : mors de base, mors rapporté et pièces de connexion. Une structure à vis de renfort doit prendre en compte toute la masse mobile.

Contrepoids et centre de gravité

Certains mandrins intègrent une compensation centrifuge. Un mécanisme inversé neutralise la force centrifuge et maintient le serrage à des vitesses élevées. Cette option fait partie de l'indice de vitesse et ne peut être ajoutée en atelier après coup. Le rayon du centre de gravité du mors est également crucial. Un mors positionné plus vers l'extérieur augmente la force centrifuge. Le travail sur des pièces de grand diamètre déplace ce rayon vers l'extérieur, réduisant ainsi la vitesse nominale. Une prise large sur un disque de grand diamètre nécessite donc un régime de rotation plus faible, même sur un même corps de mandrin.

Comment les fabricants déterminent la valeur

Les fabricants de mandrins fixent souvent la vitesse maximale au point où la force centrifuge atteint les deux tiers de la force de serrage maximale¹⁰. Les points faibles doivent toujours faire l'objet d'un contrôle de résistance à cette vitesse. Les clavettes de logement de mors, les boulons et les vis sont soumis au cisaillement et à la torsion. Des clavettes fines, un nombre insuffisant de boulons ou une classe de boulon trop faible sont les premiers éléments à céder. Le poids de la pièce, son centre de gravité, l'utilisation d'une contre-pointe ou d'une lunette, ainsi que les forces de coupe modifient la vitesse de sécurité réelle. Un facteur de sécurité doit être appliqué à la valeur d'atelier. La plaque signalétique du mandrin ne constitue pas la référence ultime.

Élément à comptabiliser	Pourquoi cela modifie l'indice nominal
Mors de base + mors rapporté + visserie	La masse mobile détermine la force centrifuge
Pièces mobiles de la vis de renfort	La masse supplémentaire est toujours projetée vers l'extérieur
Rayon du centre de gravité	Une prise plus large augmente la force à une même vitesse de rotation
Contrepoids / compensation	Les déports sont projetés et peuvent maintenir une adhérence à une vitesse plus élevée
Règle des 2/3 de la force de serrage	Définition courante de la vitesse maximale par le fabricant
Clés, boulons, vis	Seuil de résistance à cette vitesse
Poids de la pièce, repos, force de coupe	Coefficient de sécurité d'atelier en plus de la plaque

Pourquoi une brochure mentionnant une “ broche à 5000 tr/min ” peut-elle être limitée à une vitesse de mandrin beaucoup plus faible ?

Dans une brochure, 5000 tr/min correspond au plafond de la broche elle-même. La plaque de mandrin sur le corps est souvent bien inférieure, et c'est cette plaque qui impose la limite.

Une broche donnée pour 5000 tr/min dans une brochure reste limitée à une vitesse de mandrin inférieure, car le mandrin et le montage définissent une nouvelle limite. La plaque signalétique du mandrin, le type de mors, l'équilibrage, le G50 et le couple disponible se situent tous en dessous de ces 5000 tr/min indiqués.

Le chiffre de la brochure correspond à la broche

Les 5000 tr/min indiqués sur la brochure d'un tour CNC correspondent à la limite propre de la broche. En cours d'utilisation, le mandrin et le montage deviennent la nouvelle limite. Ces deux indications ne sont pas équivalentes. Une limite de 5000 tr/min ne signifie pas qu'une pièce fixée dans le mandrin puisse tourner à 5000 tr/min. Le corps du mandrin et la porte de protection avant indiquent la vitesse et la pression de serrage admissibles. Il s'agit des seuils de sécurité du fabricant fondés sur la résistance, le type de mors et l'équilibrage. La broche ne doit pas les dépasser.

Qu'est-ce qui réduit encore cette limite ?

Les mors spéciaux et les mors en acier doux non standard offrent une efficacité de serrage moindre et présentent un balourd plus important ; la vitesse autorisée est donc à nouveau réduite. Un écrou dépassant du bord du mandrin constitue une limitation supplémentaire. Une pièce non équilibrée à haute vitesse fait vibrer la machine et diminue la force de maintien. Travailler près de la limite du mandrin nécessite une pièce équilibrée et une pression de serrage réglée au maximum autorisé.

G96 vitesse de coupe constante¹¹ est une limite de programme stricte. À mesure que le diamètre diminue, la vitesse de rotation théorique augmente en flèche. G50 doit définir une vitesse de rotation maximale de la broche pour que la machine et le montage restent dans les limites de résistance.¹². G50 S2000 en est une telle limite. La vitesse ne doit alors pas dépasser 2000 tr/min.

Une vitesse élevée (tr/min) ne signifie pas non plus que la coupe peut être effectuée. Un manque de couple ou de puissance dans la plage utilisée laisse la broche tourner sans faire avancer l'outil. Une vitesse de broche plus élevée n'est pas toujours préférable pour cette coupe. La vitesse doit alors être volontairement réduite. Le type d'entraînement, les roulements et la lubrification définissent déjà le maximum de la broche. Les valeurs de la brochure sont souvent le résultat d'un test idéal. La charge réelle en atelier nécessite une réduction.

Lisez les plaques signalétiques avant la brochure

La plaque du mandrin et la porte de protection sont les premiers éléments à vérifier. Le poids de la pièce, son équilibrage et la méthode de coupe déterminent ensuite une vitesse de travail sûre. La valeur de la brochure ne constitue pas la base opérationnelle.

Limite	Source typique	Effet sur les 5000 tr/min
Brochure de la broche	Test idéal de la broche	Indique 5000
Plaque signalétique du mandrin	Corps et porte de protection	Nouveau plafond, souvent plus bas
Mors spéciaux / mors doux	Lancer supplémentaire, serrage plus faible	Le capuchon tombe à nouveau
Pièce déséquilibrée	Vibration à vitesse élevée	Le capuchon doit tomber
G96 sans G50	Le régime moteur augmente à mesure que le diamètre diminue	Le programme doit verrouiller un maximum
Couple insuffisant dans la bande	Le moteur ne peut pas entraîner la coupe	La vitesse doit diminuer volontairement

Conclusion

Spécifiez le diamètre du mandrin uniquement après que la limite de vitesse du mandrin dépasse le maximum de la broche avec une marge. La taille suit alors la pièce. Le régime indiqué dans la brochure n'est pas la limite de l'atelier.

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