Les bases de l'équilibrage des outils

Sep 10, 2023

Les outils déséquilibrés sont un problème. Ils génèrent des vibrations, ce qui peut entraîner des bris d'outils, une durée de vie plus courte de la broche et une plus grande rugosité de la pièce.

La mise en œuvre de protocoles d'équilibrage pour un processus d'usinage permet de protéger une machine-outil. Des outils équilibrés réduisent les vibrations et sont nécessaires pour couper à 44 000 ou 3 000 tr/min.

Comme beaucoup de choses, l'équilibrage des outils mérite une analyse coûts-avantages. Bien que les nouvelles technologies puissent affecter la manière dont l'équilibrage est effectué et justifié, le besoin d'analyse reste inchangé.

Cause du déséquilibre

Le déséquilibre de l'outil est causé lorsque le centre de gravité d'une masse en rotation n'est pas aligné avec son axe de rotation.

"Ainsi, le déséquilibre est une distance qui crée une excentricité", a déclaré le directeur Francesco D'Alessandro de Balance Systems Corp. à Wixom, Michigan. "Cette excentricité crée des vibrations."

L'équilibreuse Tool Dynamic TD Comfort (ci-dessus) est équipée d'un PC, d'un clavier, d'une souris et d'un moniteur. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Haimer USA

Définie comme la distance entre le centre de rotation d'un outil et son véritable centre de masse, l'excentricité mesure la mesure dans laquelle le poids de l'outil est décentré. Si l'excentricité est mesurée en microns et la masse de l'outil est mesurée en kilogrammes, ces unités produisent un déséquilibre en grammes-millimètres, une unité courante.

Le président Thomas Hoenig de GTI Spindle Technology Inc. à Manchester, New Hampshire, convient que l'équilibrage des outils est extrêmement important. Un déséquilibre endommage les roulements de la broche et d'autres composants de la broche. Le déséquilibre provoque également des broutages sur les pièces usinées et rectifiées. Et les outils déséquilibrés provoquent une usure prématurée de l'outillage en raison de l'endommagement du cône de l'interface de l'outillage.

"L'équilibrage de l'outillage doit être fait presque toujours", a-t-il déclaré. "La seule fois où cela ne s'applique pas, c'est lors d'opérations d'usinage à très faible régime, telles que le taraudage de trous ou certaines coupes au tour lentes. Toute opération d'usinage à plus de 3 000 tr/min, l'équilibre est essentiel."

Cependant, le président Brendt Holden de Haimer USA LLC à Villa Park, Illinois, a déclaré que dans de nombreux cas, certains des avantages les plus spectaculaires de l'équilibrage des ensembles d'outillage peuvent être trouvés à bas régime pour des choses comme les têtes d'alésage ou les assemblages d'arbres de surfaçage.

"Notre conseil est de toujours regarder les applications qui présentent des défis que personne ne peut comprendre comment résoudre", a-t-il déclaré. "Peut-être qu'ils ont examiné les fixations ou l'état de la machine ou les outils de coupe, mais ils n'obtiennent toujours pas les performances qu'ils souhaitaient. Ont-ils envisagé l'équilibrage ? Sinon, ce serait le moment d'enquêter sur l'équilibrage."

Holden a déclaré que les gens veulent aujourd'hui réduire le temps de cycle, ce qui peut signifier réduire le nombre de changements d'outils. Si un atelier utilisait auparavant des outils d'ébauche, de semi-finition et de finition pour terminer une pièce mais préfère maintenant n'utiliser qu'un seul outil pour le travail, cela peut entraîner des problèmes d'équilibre. En outre, un outil spécial peut être conçu pour percer, contre-aléser et chanfreiner. Avec des poches dans différentes positions, une plus grande attention doit être accordée à l'équilibrage pour atteindre les spécifications de qualité.

Équilibrage nécessaire

"Théoriquement parlant, l'équilibrage est toujours nécessaire", a déclaré D'Alessandro. "Bien qu'en cas de tr/min de broche très bas (moins de 3 000 tr/min) et d'objectifs de finition de pièce médiocres, l'équilibrage des outils peut être ignoré."

Cela dit, les machines-outils modernes ont tendance à avoir des vitesses de broche élevées pour atteindre des volumes de coupe plus importants ou atteindre des exigences de vitesse de coupe élevées - par exemple, lors de l'usinage d'Inconel.

"Les augmentations de ces valeurs ont également augmenté les demandes pour de meilleurs outils et supports, qui nécessitent alors d'équilibrer l'outil plus fréquemment qu'auparavant et à un déséquilibre résiduel plus faible", a déclaré D'Alessandro. "Afin de surveiller ce phénomène, il peut être utile d'installer sur la machine un système de surveillance permanent de la broche, tel que le capteur B-Safe, qui est capable de fournir des aides visuelles et des alertes à l'opérateur lorsque la vibration est trop élevée."

Le Best Balance 1000 est un appareil portable pour mesurer et corriger les vibrations des composants rotatifs dues au déséquilibre. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Balance Systems

Des sources ont déclaré que les entreprises gagnaient en moyenne de 15 à 25 % en productivité et en durée de vie lorsqu'elles commençaient à équilibrer les ensembles d'outillage, avec des gains encore meilleurs si elles commençaient avec des situations d'équilibrage médiocres. Bien que l'équilibrage ne résolve pas tous les problèmes d'un processus de coupe, on estime que l'équilibrage peut résoudre au moins un tiers des problèmes d'usinage, en particulier ceux qui semblent ne jamais disparaître.

D'Alessandro a déclaré que les problèmes les plus courants rencontrés par les utilisateurs finaux avant d'appeler Balance Systems sont le bris d'outil et le broutage de la pièce. L'analyse révèle souvent que ces difficultés sont dues aux vibrations, qui sont principalement générées par le déséquilibre de l'outil.

"Le déséquilibre est sournois car il ne se voit pas et ne se ressent que lorsqu'il est trop tard", a-t-il déclaré. "Pour cette raison, j'aime l'appeler le tueur silencieux des machines-outils."

Holden a déclaré que ses questions les plus fréquentes de la part des clients ne concernaient pas l'équilibrage, du moins au début.

"Cependant, au cours de nos discussions, le sujet de l'équilibrage est apparu comme un besoin clair en ce qui concerne la résolution de leurs problèmes", a-t-il déclaré. "Par exemple, notre client peut appeler pour des problèmes d'état de surface ou de durée de vie de l'outil. Ensuite, après examen, nous déterminons qu'il a un problème de faux-rond. Bien que ce faux-rond puisse ne pas être visible via une vérification statique sur un dispositif de préréglage d'outil ou lors d'une rotation manuelle lente de la broche de la machine, une fois que l'outil tourne dynamiquement au régime de la machine, le faux-rond augmente si l'assemblage du porte-outil est déséquilibré. Ensuite, nous effectuons un test pour équilibrer l'ensemble et constatons qu'une fois équilibré, le faux-rond disparaît et le client est satisfait."

Holden a déclaré que les clients se plaignent également de ne pas pouvoir fonctionner aux vitesses et avances souhaitées lors de l'usinage d'une pièce.

"En plongeant dans les choses, nous réalisons que certains des assemblages de porte-outils utilisés dans le processus de production présentaient un déséquilibre", a-t-il déclaré. "Ensuite, ils équilibrent les assemblages, et les clients sont alors en mesure d'usiner leurs pièces aux avances et vitesses appropriées comme ils l'avaient initialement prévu."

Hoenig a déclaré que les problèmes d'installation de la broche, tels que l'équilibrage, le désalignement et les défauts d'encodeur, sont ce dont il entend le plus parler des clients.

"Lorsqu'une broche est envoyée pour réparation par le client", a-t-il déclaré, "souvent, elle est envoyée sans tous les composants rotatifs".

Les poulies, les joints tournants, les moyeux, les barres d'attelage et d'autres éléments sont oubliés pour diverses raisons. Lorsque ces composants sont ensuite montés sur un axe nouvellement reconstruit/équilibré, il peut être déséquilibré et désaligné.

"Il est donc très important que toutes les pièces soient envoyées ensemble pour être équilibrées", a déclaré Hoenig.

La plupart des techniciens de service et des utilisateurs finaux ne disposent malheureusement pas de l'équipement d'équilibrage pour effectuer les corrections nécessaires sur le terrain. GTI Spindle Technology doit généralement effectuer un appel de service lorsque cela se produit.

La BVK3-10 est une machine d'équilibrage verticale polyvalente pour les pièces en forme de disque. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Balance Systems

Comment équilibrer

Le processus d'équilibrage d'un outil est assez simple. Presque tous les outils du marché ont une note d'équilibrage indiquée par un G suivi d'un chiffre, conformément aux normes ISO. Il s'agit d'une référence déclarée par un fabricant d'outils. Si un utilisateur saisit les informations dans le logiciel d'un équilibreur, ainsi que le poids et le régime de l'outil, il obtient le déséquilibre résiduel cible qui doit être atteint lors de l'équilibrage. La machine indique alors les corrections mécaniques en fonction des dimensions de l'outil sélectionné et du mode d'équilibrage : A) par « poids coulissants », B) par « ajout de vis », C) par rotation de « bagues excentriques » ou D) par « équilibrage libre ».

Lors du fraisage, si les vibrations sont trop élevées, le problème n° 1 avec une pièce est le broutage.

Hoenig a déclaré que des précautions doivent être prises avec des métaux particuliers lors de l'équilibrage. Certains outils en carbure nécessitent des meules spéciales pour enlever le poids pour l'équilibrage. Le retrait du poids est toujours recommandé pour les outils à grande vitesse, car un poids supplémentaire pourrait s'envoler et causer des dommages ou des blessures.

Il a dit que la meilleure façon de comprendre comment équilibrer un outil est d'utiliser un analyseur/équilibreur de vibrations. GTI Spindle Technology produit une version sans fil qui fonctionne sur l'iPad d'Apple.

Holden a déclaré qu'un atelier avait besoin d'une machine d'équilibrage interne pour vérifier l'état des assemblages d'outillage.

"Même si vous commandez des outils de formulaire spéciaux pour vous parvenir équilibrés, comment savez-vous s'ils arrivent vraiment équilibrés dans votre établissement ?" il a dit. "Nous avons des clients plus importants qui utilisent simplement la machine d'équilibrage comme une jauge go/no afin de confirmer que leurs assemblages sont équilibrés à chaque fois."

Holden a déclaré qu'une machine à équilibrer indique comment supprimer ou déplacer du poids ou ajouter du poids à un ensemble d'outillage pour l'équilibrer. Pour déterminer l'équilibrage, il est important d'examiner la composition d'un ensemble d'outillage. Le matériau peut-il être retiré de toutes les zones du support sans l'endommager ? Par exemple, des matériaux seraient-ils retirés des orifices de refroidissement ou des chambres hydrauliques ? Ou si le poids est déplacé via des bagues d'équilibrage, y aura-t-il des interférences avec la pièce ?

"Toutes ces choses doivent être prises en compte", a-t-il déclaré. "Mais dans presque tous les cas, il existe une bonne méthode pour amener un outil dans l'équilibrage en utilisant l'une de ces méthodes (enlever, ajouter ou déplacer du poids)."

La machine d'équilibrage la plus populaire de Haimer USA est la Tool Dynamic TD Comfort, que Holden recommande en raison de sa facilité d'utilisation et de sa précision.

"Nous utilisons une broche qui serre l'ensemble d'outillage comme s'il était maintenu dans la broche de la machine-outil, et la machine elle-même a une broche à roulement dur qui utilise des capteurs de force centrifuge pour mesurer le déséquilibre de l'ensemble d'outillage", a-t-il déclaré. "La facilité d'utilisation vient du logiciel qui guide l'utilisateur à travers un processus de modification facile."

Les offres de Balance Systems sont destinées aux ateliers d'usinage, à la maintenance sur le terrain des machines-outils et à la fabrication d'outils et de supports.

"Pour les utilisateurs finaux de machines-outils", a déclaré D'Alessandro, "à l'heure actuelle, la machine la plus populaire pour cette application est notre BVK3-10."

Il a expliqué qu'un opérateur place un outil dans le BVK3-10, charge le programme de pièce correspondant et ferme le protecteur. La machine commence à mesurer le balourd initial puis indique à l'opérateur la correction à appliquer à la pièce.

Pour l'entretien sur le terrain, D'Aless-andro recommande un équipement d'équilibrage portable, tel que le Best Balance 1000. Le principal avantage de ce modèle est qu'un utilisateur n'a pas besoin de retirer un outil d'une broche et de mettre l'outil sur l'équilibreuse. Le processus d'équilibrage peut être effectué directement sur une machine-outil. Le même équipement peut également être utilisé pour équilibrer d'autres types de broches, y compris celles des rectifieuses.

"Pour les fabricants d'outils et de porte-outils, nous avons également développé une machine d'équilibrage automatique spécifique : la BVK4", précise-t-il. "Nous avons une vaste expérience dans l'automatisation des machines et pouvons équilibrer ces pièces automatiquement. Ce modèle dispose d'un système de détection tactile propriétaire qui enlève le matériau - c'est-à-dire, équilibre - très précisément. BVK4 est utilisé dans des contextes de production à volume moyen/élevé."

BalancePro for Field Balancing de GTI Spindle Technology est une application iPad/iOS pour l'équilibrage de machines rotatives à un et deux plans. En se connectant au système de mesure d'accélération et au tachymètre de GTI Spindle Technology, l'application utilise l'amplitude des vibrations et le signal de phase pour calculer automatiquement les poids d'équilibrage correctifs et leurs positions angulaires. Les travaux d'équilibrage peuvent être stockés et chargés pour une utilisation ultérieure.

L'équilibrage des outils n'est pas toujours nécessaire, mais c'est généralement une bonne idée.

"Pour faciliter la compréhension", a déclaré Holden, "considéreriez-vous jamais qu'il y a un moment où il est bon de conduire votre voiture avec des roues déséquilibrées? Probablement pas."

Arbre utilisé pour le support rotatif dans les applications d'usinage. En meulage, la broche pour le montage de la meule ; dans le fraisage et autres opérations de coupe, l'arbre pour le montage de la fraise.

Agrandissement d'un trou déjà percé ou carotté. Généralement, il s'agit d'une opération de dressage du trou préalablement percé avec un outil monopoint type tour. L'alésage est essentiellement un tournage intérieur, dans la mesure où généralement un outil de coupe à une seule pointe forme la forme intérieure. Certains outils sont disponibles avec deux arêtes de coupe pour équilibrer les forces de coupe.

Condition de vibration impliquant la machine, la pièce et l'outil de coupe. Une fois que cette condition survient, elle est souvent auto-entretenue jusqu'à ce que le problème soit corrigé. Le broutage peut être identifié lorsque des lignes ou des rainures apparaissent à intervalles réguliers dans la pièce. Ces lignes ou rainures sont causées par les dents de la fraise lorsqu'elles entrent et sortent de la pièce à usiner et leur espacement dépend de la fréquence des vibrations.

Fluide qui réduit l'accumulation de température à l'interface outil/pièce pendant l'usinage. Prend normalement la forme d'un liquide tel que des mélanges solubles ou chimiques (semi-synthétiques, synthétiques) mais peut être de l'air sous pression ou un autre gaz. En raison de la capacité de l'eau à absorber de grandes quantités de chaleur, elle est largement utilisée comme liquide de refroidissement et véhicule pour divers composés de coupe, le rapport eau-composé variant selon la tâche d'usinage. Voir liquide de coupe ; fluide de coupe semi-synthétique; fluide de coupe à base d'huile soluble; liquide de coupe synthétique.

Outil, guidé par un pilote, qui élargit un trou à une certaine profondeur.

Vitesse tangentielle à la surface de l'outil ou de la pièce à l'interface de coupe. La formule pour la vitesse de coupe (sfm) est le diamètre de l'outil 5 0,26 5 la vitesse de la broche (tr/min). La formule pour l'avance par dent (fpt) est l'avance de la table (ipm)/nombre de cannelures/vitesse de broche (tr/min). La formule pour la vitesse de broche (tr/min) est la vitesse de coupe (sfm) 5 3,82/diamètre d'outil. La formule pour l'avance de la table (ipm) est l'avance par dent (ftp) 5 nombre de cannelures d'outil 5 vitesse de broche (tr/min).

Fraise pour couper des surfaces planes.

Usinage avec plusieurs fraises montées sur un même arbre, généralement pour coupe simultanée.

Opération d'usinage dans laquelle la matière est enlevée de la pièce par une meule abrasive motorisée, une pierre, une bande, une pâte, une feuille, un composé, une boue, etc. Prend diverses formes : meulage de surface (crée des surfaces planes et/ou carrées) ; meulage cylindrique (pour les formes cylindriques et coniques externes, les filets, les contre-dépouilles, etc.); meulage sans centre; chanfreinage; meulage de filets et de formes; meulage d'outils et de fraises; broyage désinvolte; rodage et polissage (meulage avec des grains extrêmement fins pour créer des surfaces ultra lisses); honing; et meulage de disque.

Machine de tournage capable de scier, fraiser, meuler, tailler des engrenages, percer, aléser, aléser, fileter, dresser, chanfreiner, rainurer, moleter, filer, tronçonner, rétreinte, coupe conique, coupe à came et excentrique, ainsi que tournage pas à pas et droit. Se présente sous une variété de formes, allant du manuel au semi-automatique en passant par l'entièrement automatique, les principaux types étant les tours à moteur, les tours de tournage et de contournage, les tours à tourelle et les tours à commande numérique. Le tour à moteur se compose d'une poupée et d'une broche, d'une poupée mobile, d'un banc, d'un chariot (avec tablier) et de glissières transversales. Les caractéristiques comprennent des leviers de sélection de vitesse (vitesse) et d'alimentation, un porte-outil, un support composé, une vis mère et une vis mère d'inversion, un cadran de filetage et un levier de déplacement rapide. Les types de tours spéciaux comprennent les machines à broche traversante, à arbre à cames et à vilebrequin, à tambour et rotor de frein, à filer et à canon de fusil. Les tours d'outillage et d'établi sont utilisés pour les travaux de précision; le premier pour les travaux d'outillage et de matrices et tâches similaires, le second pour les petites pièces (instruments, montres), normalement sans alimentation électrique. Les modèles sont généralement désignés en fonction de leur "oscillation" ou de la pièce de plus grand diamètre pouvant être tournée ; la longueur du lit ou la distance entre les centres ; et la puissance générée. Voir machine à tourner.

Opération d'usinage au cours de laquelle du métal ou un autre matériau est enlevé en appliquant de la puissance à une fraise rotative. En fraisage vertical, l'outil de coupe est monté verticalement sur la broche. En fraisage horizontal, l'outil de coupe est monté horizontalement, soit directement sur la broche, soit sur un arbre. Le fraisage horizontal est en outre décomposé en fraisage conventionnel, où la fraise tourne dans le sens opposé à la direction d'alimentation, ou "vers le haut" dans la pièce à usiner; et le fraisage en montée, où la fraise tourne dans le sens de l'avance, ou "vers le bas" dans la pièce. Les opérations de fraisage comprennent le fraisage plan ou surfacique, le fraisage en bout, le surfaçage, le fraisage d'angle, le fraisage de forme et le profilage.

Opération d'usinage dans laquelle un taraud, muni de dents sur sa périphérie, découpe des filets intérieurs dans un trou pré-percé de diamètre inférieur au diamètre du taraud. Les filets sont formés par un mouvement combiné rotatif et axial relatif entre le taraud et la pièce à usiner. Voir robinet.

Sécurise un outil de coupe lors d'une opération d'usinage. Les types de base incluent le bloc, la cartouche, le mandrin, le collet, le fixe, le modulaire, le changement rapide et le rotatif.

Yesenia Duran est une journaliste indépendante basée à Chicago qui couvre les outils de coupe et la technologie. Elle peut être contactée à [email protected].

Balance Systems Corp.248-308-3636www.balancesystems.com

Technologie de broche GTI Inc.888-473-9675www.gtispindle.com

Haimer USA LLC630-833-1500www.haimer-usa.com