Temps rapides pour les broches de machines

Dec 21, 2023

Les broches entraînées sont le cœur technique d'une machine-outil, fournissant la puissance nécessaire pour faire tourner les outils de coupe qui façonnent nos produits et notre monde. En attacher un à un mouvement à cinq axes crée une machine CNC avancée. Fixer une broche à un robot à bras articulé crée une perceuse de précision. Attachez-en une améliorée à une machine existante et de nouvelles applications prennent vie. Dans tout le spectre des utilisations, les clients veulent des broches avec plus de durabilité, de vitesse et d'intelligence pour exécuter des opérations sans éclairage.

Les possibilités d'utilisation créative des broches ne sont limitées que par la rapidité, la durabilité et l'intelligence des broches d'aujourd'hui.

Les exigences des clients commencent par une vitesse et une précision améliorées, selon Greg Nottoli, chef de produit senior chez NSK America Corp., Hoffman Estates, Illinois. L'une des spécialités de NSK est la fourniture de broches électriques et pneumatiques pour les micro-outils. Les micro-outils sont des outils ronds de fraisage ou de forage d'un diamètre de 1/8" (3,18 mm) ou moins jusqu'à un diamètre aussi petit que 0,001" (0,025 mm). "Un outil de petit diamètre est essentiellement une nouille humide, très facile à casser. Lorsque vous tournez une perceuse ou une fraise, plus le diamètre de l'outil est petit, plus il doit tourner rapidement pour être efficace", a déclaré Nottoli, tout en conservant la rigidité pour la précision. De nombreuses machines CNC ne font que tourner avec précision des outils standard à 8 000 à 15 000 tr/min. Les micro-outils doivent souvent monter jusqu'à 42 000 tr/min, selon Nottoli. "L'utilisation d'un micro-outil avec une broche à 8 000 tr/min n'est pas optimale, car vous n'évacuez pas correctement les copeaux, n'obtenez pas la bonne surface et cassez simplement les outils. C'est là que nous comblons le vide sur ce marché spécialisé", a-t-il déclaré.

Selon Nottoli, les broches disponibles auprès de NSK peuvent post-adapter n'importe quelle machine avec un porte-outil existant, tel que CAT 40, 50 ou BT. "Cela permet à l'utilisateur final d'obtenir ces vitesses plus élevées", a-t-il déclaré, ajoutant qu'il s'agit de véritables broches, et non de dispositifs multiplicateurs de vitesse qui convertissent la vitesse d'une broche existante en un régime plus élevé. Un multiplicateur de vitesse est "une boîte avec des engrenages", a-t-il déclaré. Bien qu'il puisse fournir la vitesse et la précision nécessaires avec une perte de puissance minimale pour les outils standard, il introduit également des vibrations et de la chaleur. Ce sont des problèmes pour le micro-usinage où la précision est spécifiée en sous-microns.

"Nous avons des broches pour les centres de tournage et les rectifieuses ou des machines robotisées spécialement construites", a déclaré Nottoli. "S'il s'agit d'un centre d'usinage, notre broche monte dans [l'espace] de la broche de la machine et assure sa propre rotation." Le centre d'usinage assure le positionnement des axes, la broche NSK la puissance.

Alors que le pneumatique et l'électrique ont chacun leurs applications, Nottoli a également noté les avantages de l'électrique. "Le meilleur rapport qualité-prix sera avec l'électricité. Nos moteurs électriques sont à courant continu sans balais dans un contrôleur en boucle fermée. Avec notre contrôleur, une fois que la vitesse est réglée à mille tr/min, il maintient la broche à cette vitesse une fois que l'outil de coupe s'engage. Ce n'est pas le cas avec une broche d'accessoire pneumatique, car une fois qu'elle engage une pièce, les tr/min chutent généralement", a-t-il expliqué. "Nous pouvons essayer de le contrôler avec un régulateur. Mais il n'y a vraiment aucune rétroaction active pour le contrôler."

La nouvelle électrobroche de NSK, l'iSpeed5, offre des vitesses allant jusqu'à 80 000 tr/min avec une puissance de sortie maximale de 350 W. Il s'agit d'un système entièrement interchangeable d'outils composé d'une électrobroche, d'un bloc d'arrêt, d'un pressostat d'air et d'une unité de commande. Des signaux d'alimentation, d'air de refroidissement et de commande sont fournis à la broche lorsqu'elle est engagée sur le bloc d'arrêt électromécanique qui se fixe à une broche de machine-outil. Les roulements en céramique permettent ces régimes élevés.

William Gillcrist, chef de produit national et responsable des applications pour MC Machinery Systems, Inc., Elk Grove Illinois, a convenu que plus de vitesse et de puissance sont importantes dans les nouvelles broches et a également mis l'accent sur la précision. "Dans les applications de haute précision, vous devez vous assurer que l'outil tourne parfaitement droit, les technologies de roulements sont donc importantes", a-t-il déclaré. "Le faux-rond et la minimisation de la croissance de la broche à l'aide de roulements de haute technologie sont essentiels", a-t-il déclaré. Cela signifie des roulements en céramique ou à air lorsque les tr/min atteignent plus de 20 000. La durée de vie de la broche est tout aussi importante. Une broche peut être le composant le plus cher d'une machine-outil et le traiter comme un consommable a un impact sur le résultat net.

Mais toutes les nouvelles technologies de broche n'offrent pas des vitesses élevées, un faible faux-rond et de faibles vibrations avec des roulements plus petits et une longue durée de vie. Des broches sont toujours nécessaires qui fournissent un couple élevé et des taux d'enlèvement de copeaux élevés, à des régimes inférieurs. Cela met des contraintes importantes sur les roulements et les composants. Idéalement, une seule broche fournirait à la fois un couple élevé/un régime bas et un couple faible/un régime élevé. "Ce que nous avons vu, ce sont de meilleures broches qui ont plus de couple et de vitesse, fournissant un couple à des vitesses inférieures tout en étant capables d'atteindre des régimes plus élevés bien au-dessus de 30 000. Un couple élevé associé à la vitesse la plus élevée dans une broche à longue durée de vie est ce que la plupart des gens veulent ", a déclaré Gillcrist. Il propose également un conseil pratique : c'est le couple élevé qui limite la durée de vie de la broche.

Un autre facteur important à compenser est la dilatation induite par la chaleur. Le contrôle du faux-rond radial est important, mais la croissance de la broche dans le sens axial l'est tout autant. "L'une des principales choses que nous voyons dans les machines que nous vendons est la capacité de contrôler ou de s'adapter à toute croissance de broche", a expliqué Gillcrist. "Si j'essaie de maintenir une profondeur Z très serrée sur un moule, je ne peux pas faire fluctuer ma broche." Sa réponse consiste à collecter des données et à effectuer des compensations via les commandes de la machine.

Les deux méthodes les plus courantes pour ajuster la croissance du fuseau sont la méthode algorithmique, qui déduit mathématiquement la croissance du fuseau à partir de la température et du temps par rapport aux courbes recueillies en laboratoire, et la méthode de détection directe des écarts, selon Gillcrist.

La méthode directe devient plus pratique en raison des améliorations apportées aux capteurs. "Nous avons une détection d'écart en temps réel sur certaines des machines qui peuvent ajuster [la position] en temps réel s'il y a une croissance ou un changement, si l'outil s'use ou lorsque l'outil n'est pas engagé du tout. Le style d'algorithme ne semble pas être aussi favorable [aujourd'hui]. Mais nous avons également un fabricant qui utilise les deux, dans un environnement à cinq axes, afin qu'il puisse tout capturer en ce qui concerne les prévisions thermiques/temporelles et l'écart réel", a déclaré Gillcrist.

Il existe plusieurs raisons pour lesquelles les données deviennent si importantes, des processus d'usinage en boucle fermée à l'alimentation des données dans un pool de données d'usine intelligente. Mais, pour qu'elle soit utile, les données doivent être transférées. « La connectivité est importante dans l'avancement de la technologie des broches », a déclaré Max Paulet, responsable du développement commercial, Amérique du Nord, pour PCI-SCEMM, qui est basé à Saint-Etienne, France et Mason, Ohio et partenaire d'Absolute Machine Tools, Lorain, Ohio. "Je pense que tout le monde essaie de rendre la machine plus intelligente, plus autonome en collectant des données très proches de l'outil de coupe et de la pièce qu'il coupe."

PCI-SCEMM propose désormais son électro-broche, ou e-SPINDLE, pour donner ces options aux constructeurs de machines. Il est disponible en Amérique du Nord auprès d'Absolute Machine Tools. Selon Paulet, le système e-SPINDLE intègre des capteurs sur les outils de coupe ou les porte-outils, et non plus en amont sur la broche. "Les capteurs sont ainsi proches de la zone de coupe ou de la zone de mesure désignée, garantissant une collecte et un traitement des données de haute qualité", a-t-il déclaré. Il y a de la flexibilité, si des outils standard sont utilisés, la broche agira comme une broche standard non connectée. Presque tout type de capteur, tel qu'un accéléromètre, une jauge d'effort, un thermocouple ou des dispositifs de génération de mouvement, tels qu'un actionneur piézoélectrique, un entraînement électrique ou un entraînement thermique peut être utilisé.

Quels types de capteurs sont les plus utiles aux utilisateurs finaux ? Selon Paulet, les vibrations, le couple et, lors du perçage ou du fraisage de trous, des capteurs qui mesurent le diamètre du trou. "Nous avons commencé par mesurer les vibrations, et c'est très puissant. Il existe de nombreux effets que vous pouvez mesurer et contrôler avec les vibrations", a-t-il déclaré. En mesurant le modèle de vibration de base avec un processus sous contrôle, toute variation par rapport à cette cible de vibration signifie des problèmes. Si le contact entre la pièce et l'outil est incorrect, si l'outil est cassé, déséquilibré ou broutant, le modèle de vibration alertera le contrôleur pour qu'il ajuste ou, dans le pire des cas, arrête le processus et alerte un opérateur.

"Le deuxième capteur le plus courant est le couple", a déclaré Paulet. Les variations de couple fournissent à nouveau des informations utiles sur les processus qui tournent mal. Des changements brusques dans son motif peuvent détecter un broutement ou un outil cassé, ainsi que des changements attendus dans le matériau. "En combinant également le couple avec les vibrations, on obtient une compréhension plus riche en temps réel du processus", a-t-il déclaré. Il a noté que cela est utile pour percer des trous pour assembler des matériaux dissemblables, comme l'aluminium et les plastiques renforcés de fibres de carbone (CFRP) courants dans l'aérospatiale. La commande est suffisamment intelligente pour ajuster la perceuse lorsqu'elle coupe de l'aluminium au CFRP à l'aluminium dans un matériau empilé.

Le troisième capteur le plus courant, a noté Paulet, mesure les diamètres en cours de fabrication. L'entreprise utilise une jauge laser, mesurant en continu lorsque les outils de coupe se trouvent à l'intérieur d'un alésage de cylindre, envoyant des données au contrôleur indiquant le diamètre réel à cet instant. "En mesurant un diamètre en cours de processus, vous pouvez ajuster ce processus et savoir soit la quantité de matière à enlever, soit la quantité de matière à compenser pour la broche", a expliqué Paulet. "Cela permet un perçage et un fraisage précis au micron près."

Wade Anderson, responsable des ventes spécialiste des produits pour Okuma Americas Corp., Charlotte, Caroline du Nord, a également noté une demande pour des performances, une fiabilité et une disponibilité des machines encore meilleures. Okuma construit non seulement des machines-outils, mais fabrique également les broches qui les composent. "Avec la tendance des performances [améliorées], je vois augmenter les régimes et la puissance, ce qui signifie également un couple plus élevé", a déclaré Anderson. « Il n'y a pas si longtemps, j'utilisais des machines équipées de moteurs de broche de 10 ch (7,46 kW). Aujourd'hui, nous avons des machines équipées de moteurs de broche de 30, 40, 60, voire 75 ch. Cela se traduit par une plage de 22 à 56 kW. Ce n'est pas seulement le cas des broches qui s'améliorent. Ces améliorations s'accompagnent d'améliorations de la technologie des machines et de l'outillage. Ensemble, cela permet aux fabricants de couper avec précision des matériaux toujours plus difficiles.

Plus de puissance de la broche est bonne. La chaleur qu'il génère est mauvaise. "L'un des plus gros générateurs de chaleur de toute machine est le moteur de broche. C'est généralement l'un des plus gros moteurs de la machine-outil", a expliqué Anderson.

Comment Okuma contrôle-t-il cette chaleur ? "Nous consacrons beaucoup de temps et d'attention à la dynamique thermique de la machine et aux mesures en direct et en temps réel", a-t-il déclaré. « Nous mesurons les températures des broches et, grâce à la cartographie thermique, nous pouvons compenser la cinématique de la machine selon les besoins. Nous appelons ce système TAS (stabilisateur thermoactif) et, associé à nos technologies exclusives de refroidissement des broches, il nous donne les outils nécessaires pour [créer] l'une des plates-formes de machines les plus stables thermiquement disponibles. »

Qu'en est-il de la fiabilité et de la disponibilité des machines ? Anderson a averti que s'il est bon de calculer le temps de cycle pour une opération nominale, il faut se concentrer sur l'efficacité de l'ensemble du processus, en particulier pour identifier et éliminer les temps d'arrêt imprévus. "Si je peux fabriquer une pièce extrêmement rapidement, je risque de battre la machine et de déchirer la broche prématurément", a-t-il déclaré. N'oubliez pas que les applications à couple élevé peuvent créer des situations susceptibles d'affecter la durée de vie de la broche. "Si tout d'un coup la machine tombe en panne parce qu'elle ou la broche est endommagée, cela me coûte beaucoup plus qu'un temps de cycle plus lent."

Cependant, un cycle trop lent coûtera également de l'argent. Comment optimiser au mieux le temps de cycle ? Cela nécessite des données, des connaissances et du jugement. Okuma offre la possibilité d'optimiser un processus de découpe de métal avec des données dérivées de capteurs combinées aux connaissances et au jugement de l'intelligence artificielle (IA). Définir un processus pour une nouvelle machine en termes de mesures fondamentales telles que les vibrations, la puissance et le couple (créer une empreinte digitale) est une bonne idée, selon Anderson. Sur la base de l'empreinte digitale, le contrôleur peut détecter quand le processus s'écarte de la ligne de base.

En conséquence, les machinistes peuvent exécuter un cycle rapide avec plus d'assurance que la machine enverra une alarme lorsqu'elle atteint une ligne rouge et interviendra automatiquement pour éviter les temps d'arrêt catastrophiques. Les processus sont optimisés et les coûts sont contenus. "Prévoir une défaillance avant qu'elle ne se produise élève la barre de votre processus de fabrication", a-t-il déclaré.

Cela peut sembler contre-intuitif, mais la capacité de tourner un outil peut être importante dans les opérations de tournage. Les tours, par définition, tournent la pièce et utilisent un outil statique pour couper des éléments cylindriques dans la pièce. Cependant, pour percer des trous ou couper des plats dans un tour simple, un machiniste doit retirer la pièce du tour et la réinitialiser sur une fraiseuse CNC.

"L'outillage en direct utilise l'entraînement de la tourelle de la machine", a déclaré Preben Hansen, président de Platinum Tooling, Prospect Heights, Illinois. Dans les machines équipées d'outils motorisés, la pièce est arrêtée, un outil de coupe qui tourne est engagé et des trous sont percés ou fraisés à plat. "Ils sont entraînés par la tourelle de la machine, que vous pouvez appeler une broche. Considérez ce que nous fournissons comme une transmission, un ensemble d'engrenages qui utilise le moteur de la tourelle du tour pour faire tourner l'outil motorisé." Ces outils dynamiques peuvent régler le rapport de démultiplication, vers le haut ou vers le bas, selon que l'application a besoin de vitesse par rapport au couple. Platinum Tooling propose des outils en direct de Heimatec.

Que demandent les clients ? "La vitesse est la caractéristique la plus critique. Ils veulent faire tourner leurs outils plus rapidement", a déclaré Hansen. La vitesse signifie de l'argent, donc c'est logique, mais ce n'est pas tout ce qu'ils veulent. "Ce qui devient tout aussi important, c'est l'outillage en direct avec des capteurs afin qu'ils puissent utiliser les données pour la surveillance. C'est un énorme problème à résoudre en ce moment." Il existe un besoin de broches pour les outils motorisés qui surveillent le temps de fonctionnement, les vitesses, l'humidité et les températures. "La chaleur est mauvaise pour les roulements, donc surveiller et contrôler les températures signifie que les roulements et les broches dureront plus longtemps", a déclaré Hansen. "L'humidité est également mauvaise pour l'appareil. Un capteur d'humidité peut déclencher une alarme pour l'arrêter immédiatement et éviter toute panne catastrophique."

Quel est le but ultime de ces systèmes basés sur des capteurs ? "Un fonctionnement plus rapide, une surveillance en temps réel des opérations de coupe et, en fin de compte, des opérations d'extinction", a-t-il déclaré.

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