Équilibrage des outils : quand et pourquoi

Aug 07, 2023

Bien que la mise en place et le fonctionnement rapides des travaux soient essentiels à la rentabilité, passer quelques minutes à l'avance pour bien équilibrer ses outils peut rapporter gros.

Les machines-outils ne sont pas bon marché à utiliser. Par conséquent, les utiliser efficacement en équilibrant les outils de coupe utilisés pour optimiser les performances et éviter l'usure prématurée des outils devrait être un choix facile. Ce n'est pas nécessairement le cas, selon les experts de l'industrie. De plus en plus d'équilibreurs d'outils se retrouvent en effet dans les ateliers de travail et les équipementiers, mais leur utilisation généralisée est toujours à la traîne. Et cela peut être une erreur coûteuse, obligeant les ateliers à faire fonctionner les machines plus lentement ou à les arrêter complètement pour corriger les problèmes résultant d'outils de coupe et de porte-outils déséquilibrés.

Et pour être clair, l'achat d'ensembles d'outils pré-équilibrés ne garantit pas que vous utiliserez un outil équilibré ; les machines d'équilibrage utilisées comme outils d'assurance qualité ont souvent découvert des déséquilibres dans les assemblages pré-construits. Le coût initial d'une machine d'équilibrage est facilement compensé par une longévité améliorée des outils et des broches, des taux d'enlèvement de matière accrus et de meilleures pièces, selon les fabricants d'équilibreurs d'outils. Pourtant, l'adoption par les petites et moyennes entreprises reste assez faible, notent certains initiés de l'industrie.

Pour un investissement d'environ 25 000 $ à 35 000 $ pour des machines d'équilibrage d'outils d'entrée de gamme, les avantages quotidiens de l'équilibrage d'outils peuvent être amortis assez rapidement, disent-ils.

En fin de compte, les ateliers qui veulent que leurs machines, broches et outils de coupe durent plus longtemps, et qui veulent pousser leurs machines plus fort, obtenir de meilleures finitions de surface et fabriquer plus de pièces par heure, peuvent utiliser des machines d'équilibrage d'outils faciles à utiliser pour les aider à réaliser un grand potentiel inexploité.

L'équilibrage des outils peut être réalisé de l'une des trois manières suivantes :

--Ajouter du poids en insérant des vis dans des endroits pré-percés du porte-outil.

--Anneaux d'équilibrage, qui sont des anneaux lestés qui sont placés sur le porte-outil pour corriger le déséquilibre.

--Moyens destructifs, qui impliquent le fraisage ou le perçage de petites quantités de matériau hors du porte-outil.

Les machines d'équilibrage d'outils d'aujourd'hui offrent des options aux opérateurs, et il ne faut qu'environ une minute pour mesurer un outil sur un équilibreur et encore deux à trois minutes pour corriger le balourd.

"Notre machine vous donne la flexibilité d'utiliser n'importe laquelle de ces méthodes", a expliqué Michael Colyer, responsable des comptes clés pour Zoller Inc., Ann Arbor, Michigan. "Vous placez votre ensemble d'outils dans la machine, serrez-le, appuyez sur go, et il fera tourner cet outil à une vitesse simulée et vous donnera une ligne marquée au laser indiquant exactement où et quel est votre déséquilibre. Il vous indiquera que vous devez ajouter ou supprimer, par exemple, 2,5 grammes à un certain endroit."

Haimer USA LLC, Villa Park, Illinois, qui produit des machines d'équilibrage depuis plus de 20 ans, met également l'accent sur la facilité d'utilisation de son interface opérateur lors de l'ajout de matière, de l'enlèvement de matière ou de l'utilisation d'anneaux d'équilibrage. Mais Haimer ajoute autre chose à l'équation en fournissant des porte-outils équilibrés vérifiés.

"L'équilibre devient plus important parce que les machines-outils deviennent plus précises", a affirmé Steven Baier, vice-président des ventes de Haimer. "De nombreux utilisateurs finaux paient malheureusement le prix fort pour les meilleures machines-outils possibles, capables des taux d'enlèvement de copeaux les plus élevés, et installent ensuite les porte-outils les moins chers qu'ils peuvent trouver dans la broche."

Cela invite les assemblages déséquilibrés, le couple de serrage, le faux-rond et d'autres problèmes. "Cela oblige les ingénieurs ou les opérateurs à ralentir la machine-outil pour fabriquer une bonne pièce. Et lorsque vous commencez à ralentir cette machine-outil, vous la faites fonctionner comme une machine des années 1980 plutôt que comme une machine des années 2020. Ainsi, tous les gains de productivité que les utilisateurs finaux investissent dans la technologie la plus récente sont perdus à cause de leurs choix d'outillage."

Si les fabricants fondent leurs espoirs sur les porte-outils prééquilibrés, ils doivent être conscients qu'ils ne sont pas tous créés égaux, a poursuivi Baier. "Les porte-outils Haimer, prêts à l'emploi, sont équilibrés à G2.5 à 25 000 tr/min. C'est ce à quoi nos porte-outils frettés sont équilibrés lorsqu'ils sortent de l'usine. Non seulement ils sont équilibrés, mais ils sont vérifiés ; nous inspectons à 100 % tous nos porte-outils pour les équilibrer à G2.5 à 25 000 tr/min." Pourtant, a-t-il averti, "cela ne garantit pas que lorsque vous assemblez un porte-outil, votre assemblage est équilibré".

Pour les outils plus longs, l'équilibrage dans deux plans est essentiel, a ajouté Colyer de Zoller. « Plus l'outil est lourd et long, plus il est important de l'équilibrer dans plusieurs plans », a-t-il expliqué, notant que les machines Zoller peuvent équilibrer des outils jusqu'à 700 mm de long. "Si vous avez un outil de 500 mm et que vous êtes déséquilibré au bas de cet outil, disons de 4 grammes, il y aura 20 grammes au sommet de cet outil. Au fur et à mesure que vos outils s'allongent, vous augmentez la quantité d'équilibre de façon exponentielle."

L'utilisation d'équilibreurs d'outils pour surveiller le déséquilibre de l'outil "est un moyen efficace de trouver un déséquilibre angulaire constant qui pourrait être réduit en amont du processus de fabrication afin de réduire le temps d'équilibrage et d'améliorer les pièces pour l'utilisateur final", a noté Dawn Hines, PDG de Hines Industries Inc., Ann Arbor, Michigan.

"En général, tous les équilibreurs Hines fonctionnent de la même manière", a-t-elle déclaré. "La pièce à équilibrer est placée sur la machine. Il existe souvent des outils pour y parvenir. La force du balourd est mesurée de manière statique ou dynamique et est affichée sur l'ordinateur. À ce stade, l'équilibre peut être corrigé en ajoutant ou en supprimant du poids. Les porte-outils sont généralement corrigés en perçant ou en ajoutant des vis de réglage."

Les machines d'équilibrage d'outils sont disponibles dans de nombreuses saveurs, du niveau d'entrée au niveau avancé. Le fonctionnement est amélioré par des interfaces et des invites faciles à utiliser. En règle générale, les utilisateurs sont invités à entrer la note G, la vitesse de fonctionnement, le poids de l'assemblage et la méthode d'équilibrage préférée (c'est-à-dire, insérer des vis ou retirer du matériau). Pour un fonctionnement sur table, Haimer propose son TD 1002 pour des porte-outils simples, des perceuses et des fraises en bout "si vous utilisez CAT 40 ou CAT 50 et que la plupart de vos assemblages ont une longueur de jauge inférieure à 6" [152,4 mm].

Alors que le TD 1002 s'équilibre dans un seul plan, le plus populaire Tool Dynamic Comfort s'équilibre dans les méthodes d'outils et utilise plusieurs méthodes de correction. Le Comfort est doté d'un logiciel propriétaire basé sur PC et d'un bras monté sur le côté. Le TD 800 est conçu pour équilibrer les meules.

"Notre application numéro un est l'équilibrage des assemblages de porte-outils par les utilisateurs finaux", a noté Baier. "Notre application numéro deux est l'équilibrage par les fabricants d'outils de coupe de leurs packs de meules."

Haimer a lancé des visites virtuelles Application Center 360 en février afin que les utilisateurs puissent voir ces équilibreurs en action avec des visites autoguidées ou guidées par des experts du centre technique de 25 000 pieds carrés (2 322,6 m2) de l'entreprise à son siège social à Igenhausen, en Allemagne. Pendant ce temps, le centre technique américain de Haimer à Villa Park fait la démonstration d'environ 30 machines motorisées.

De même, Zoller propose une machine d'entrée de gamme, la Tool Balancer Economic, avec un ordinateur intégré. Alors que cette machine est souvent utilisée pour vérifier les outils pré-équilibrés, a noté Colyer, le Tool Balancer Comfort de niveau supérieur est destiné aux fabricants qui équilibrent leurs propres outils. Le Comfort indique plus de points de déséquilibre et peut s'équilibrer sur deux plans ; il fournit également des rapports d'inspection sur chaque outil qui peuvent être joints aux fiches de processus d'un atelier.

Chez Hines Manufacturing, "Notre machine la plus populaire est la Hines HVR", a déclaré Chelsea Gibbons, spécialiste du marketing et des ventes. La machine d'équilibrage verticale Hines est une machine d'équilibrage dynamique qui peut être utilisée pour l'équilibrage à un ou deux plans. "La majorité de nos clients ont besoin de solutions sur mesure, et pour nos clients du secteur automobile, nous fournissons des niveaux élevés d'automatisation." Elle a noté que le programme d'amélioration continue de l'entreprise a permis d'améliorer les temps de cycle, la sensibilité des mesures de déséquilibre, les tolérances, l'automatisation, les vitesses de correction et l'intégration des robots.

Hines recommande l'inspection, l'étalonnage et l'entretien préventif de ses machines une fois par an pour assurer la longévité et la répétabilité et pour réduire les temps d'arrêt, a ajouté Gibbons. "Lors de la conception d'une machine, nos ingénieurs d'application examineront toutes les spécifications des pièces et les exigences uniques pour construire une machine d'équilibrage qui répond à tous les critères. Les techniciens de service Hines examinent toutes les procédures d'exploitation et recommandent des processus opérationnels quotidiens."

Les constructeurs automobiles en particulier ont démontré la valeur des machines d'équilibrage d'outils. Par exemple, Baier de Haimer a noté que l'un des "3 grands" constructeurs automobiles américains faisait fonctionner 14 machines-outils 24 heures sur 24. "Nous avons découvert que 57 % du temps, l'une de ces machines s'arrêtait de manière imprévue", a-t-il déclaré. "L'outil de coupe n'a pas duré aussi longtemps qu'ils l'avaient prévu. Pour une raison quelconque, l'une des machines a été arrêtée et un opérateur a remplacé un ensemble d'outillage à un moment inattendu."

Le constructeur automobile, qui commandait des assemblages pré-construits et équilibrés, a investi dans une machine d'équilibrage Haimer pour le contrôle de la qualité afin de tester ces assemblages pour le déséquilibre à mesure qu'ils arrivaient du fournisseur et a renvoyé les assemblages déséquilibrés pour le rééquilibrage. La mesure a non seulement permis au constructeur automobile d'économiser environ 200 000 $ en six mois, mais les arrêts inattendus ont plongé de 57 % à 7 %.

Zoller's Colyer rappelle également qu'une grande entreprise automobile a acheté un équilibreur il y a trois ans pour simplement vérifier l'équilibre des ensembles d'outils complets qu'elle a achetés auprès d'un intégrateur. "Ils ont découvert que 70 % de leurs outils n'étaient pas conformes aux spécifications", ce qui les a aidés à diagnostiquer plusieurs problèmes de processus.

"J'ai un autre client qui s'est lancé dans l'usinage à grande vitesse", a ajouté Colyer, "et en même temps que sa machine, il a acheté une équilibreuse. En gros, il fait fonctionner cette machine 24h/24 et 7j/7 depuis deux ans et demi." Ce client a testé la broche il y a quelques mois et elle "est toujours presque parfaite". Si les clients potentiels font le calcul pour remplacer une broche qui a perdu 40 % de sa durée de vie opérationnelle — « disons qu'ils utilisent 20 de ces machines — un équilibreur de 40 000 $ est logique ».

L'équilibrage des outils s'est avéré bénéfique dans de nombreuses industries, a noté Gibbons de Hines, et l'équipement d'équilibrage Hines est utilisé dans les principales usines automobiles et dans de nombreuses autres industries. "Nous avons constaté une augmentation de la demande de machines pour équilibrer les fraises et les porte-outils diamantés dans les industries de la défense et de l'agriculture", a-t-elle déclaré. "Grâce au développement d'un nouveau logiciel, nous avons considérablement réduit les temps de mesure du déséquilibre des pièces, ce qui améliore le temps de cycle."

Au cours de ses 18 années chez Iscar USA, Arlington, Texas, le directeur technique Thomas Raun a constaté de première main l'augmentation de la complexité des outils de coupe, associée à des machines plus rapides, mais d'après ses observations, seuls 20 % des ateliers qui utilisent généralement des machines au-delà de 8 000 tr/min sont des outils d'équilibrage.

Tout en notant que les ateliers pourraient considérer le coût des outils d'équilibrage comme quelque peu prohibitif, "si vous utilisez des broches CAT 40 et HSK 63 qui ont des capacités de plus de 10 000 tr/min, je suppose que cela ne prendrait pas trop de temps pour atteindre le seuil de rentabilité de cet investissement".

Alors que les machines-outils continuent d'ajouter des capacités à grande vitesse, « elles sont peut-être moins robustes en termes de rigidité de l'ensemble de la machine », a-t-il ajouté. « Les broches semblent devenir de plus en plus rapides, de sorte que l'approche d'usinage, en particulier du point de vue du fraisage, semble passer des profondeurs de coupe et des largeurs de coupe élevées pour les opérations de phase d'ébauche à un fonctionnement de la broche très rapide et à une largeur de coupe plus légère.

En ce qui concerne une fraise en bout, "dans le passé, vous pouviez prendre une fraise en bout d'un demi-pouce, aller à une profondeur d'un demi-pouce et peut-être aller à 3/8 de pouce ou même jusqu'à la fente complète sur cette fraise en bout d'un demi-pouce. Maintenant, l'idée serait de prendre la fraise en bout d'un demi-pouce, de la passer d'une conception à quatre cannelures à une conception à sept cannelures et d'augmenter le régime pour prendre des coupes légères et aller plus vite. " Alors que l'approche "à l'ancienne" de l'ébauche pourrait être plus productive en termes de taux d'enlèvement de matière, l'usinage à grande vitesse "semble être la mode en ce moment : les gens voient la machine tourner rapidement et l'avance se déplacer rapidement, et ils aiment ça".

Cela dit, a poursuivi Raun, "la règle de base de la vieille école que les fabricants de machines-outils m'ont toujours dit était que si vous commencez à monter à plus de 8 000 tr/min, vous devriez penser à avoir des ensembles de porte-outils équilibrés. Plus récemment, j'ai vu des informations d'autres sociétés qui vantent les mérites des machines d'équilibrage selon lesquelles vous devriez équilibrer à un régime beaucoup plus bas que cela et qu'il y a de la valeur à faire cela."

Et pourtant, ce sont généralement les clients Iscar "de haut niveau" dans les environnements de production élevée qui équilibrent les assemblages d'outils de fraisage, a-t-il déclaré. "Un exemple serait dans l'aérospatiale, en utilisant une machine Makino Mag ou un autre type de centre d'usinage à très grande vitesse à plus de 30 000 tr/min. Ils sont préoccupés par l'équilibre. Je vois beaucoup de clients qui utilisent la broche de fraiseuse CAT 40 traditionnelle à 15 000 tr/min et ils mettent des assemblages d'outils dans ces broches et ils ne se soucient pas de les équilibrer. Je les équilibrerais si c'était moi."

Dans ces applications à grande vitesse, en particulier dans l'aérospatiale et le médical, Iscar fournit des directives pour préserver la durée de vie de l'outil et optimiser l'enlèvement de matière, "en particulier pour les outils conçus spécifiquement pour ces types d'applications, comme les applications en aluminium par exemple, dont nous savons qu'elles fonctionneront à des vitesses de surface très élevées. fournissent des porte-outils ou des outils intégrés, c'est-à-dire un ensemble d'outils de coupe monobloc, et ils sont équilibrés selon une spécification particulière, généralement G2.5 à 33 000 tr/min. »

Pour les ateliers à la recherche d'un avantage concurrentiel, Raun a conclu que « sans le savoir, ils bénéficient d'un outil équilibré ; ils ne savent peut-être même pas qu'il est équilibré. Ils regardent une fraise en bout et disent : « C'est le diamètre et la longueur dont j'ai besoin », et ils ne se préoccupent pas vraiment de la façon dont l'outil a été produit. outil équilibré, les fournisseurs d'outils de coupe vont vous le montrer dans les informations fournies dans le catalogue électronique."

Comprendre la terminologie de l'équilibrage des outils commence par comprendre la note G dans un guide d'équilibrage, tel que G2.5 à 30 000 tr/min. La qualité d'équilibrage d'une pièce dépend du poids de la pièce, de la vitesse de rotation et de l'application. La note G est utilisée dans une équation qui calcule le balourd résiduel admissible, exprimé en g-mm, en fonction de la vitesse de fonctionnement et du poids du rotor. Les détails peuvent être trouvés dans l'Organisation internationale de normalisation (ISO) IS0-1940 (pour ceux qui le souhaitent). Plus la note G est faible, meilleure est la note d'équilibrage, donc G2.5 est meilleur que G6.3.

Un tableau graphique pratique et des équations sont contenus dans la norme ISO. "L'ISO a publié des directives concernant un certain nombre de types d'appareils différents", selon l'ingénieur d'applications Larry Ketola de Hines Industries. "Les normes ISO contiennent des méthodes détaillées de calcul de différentes tolérances de déséquilibre statique et de couple qui dépendent du rapport entre le diamètre de la pièce et sa longueur."

Le site Web de Hines dispose d'un calculateur ISO où les opérateurs peuvent trouver le grade ISO recommandé pour leur pièce spécifique : https://hinesindustries.com/isotol/IsoTolerance.html

Plus le numéro de classe d'équilibrage est petit, plus la vitesse de l'application ou de l'opération est élevée. G2.5, par exemple, est recommandé pour :

--lecteurs d'ordinateur,

--moteurs et générateurs électriques,

--compresseurs,

--turbines à gaz/vapeur, et

--entraînements de machines-outils.

"Dans la plupart des cas, le déséquilibre de la pièce ne change pas avec le régime", a expliqué Ketola. "Seule la force créée par le balourd change. Les machines avec des pentes plus grandes sont beaucoup plus grandes et plus lentes, avec moins besoin d'un équilibrage serré ; elles peuvent supporter plus de balourd tout en continuant à fonctionner correctement. Le plus petit nombre correspond à des machines plus petites où la précision et des exigences d'équilibrage plus strictes sont nécessaires." Même une petite quantité de déséquilibre peut affecter les opérations avec de petites machines, a-t-il déclaré.

Plus tôt, après le développement de la technologie de collecte de données sans fil Starrett DataSure®, Starrett a effectué un test d'inspection contrôlé à 100 % pour mesurer l'impact de DataSure® sur le débit et l'assurance qualité. Starrett a effectué trois mesures par pièce et enregistré les données sur 500 pièces.

Méthode 1 : mesure, écriture manuscrite des résultats, saisie des données à distance --37 éléments de temps/mouvement :--28,9 secondes par partie--62 erreurs d'entrée. Facteurs affectant la précision et le débit :

--La ​​mesure s'arrête pour que l'opérateur puisse écrire les résultats

--Numéros manuscrits illisibles, erreurs notées mais non corrigées, données écrites en sténographie et mal lues par le transcripteur

--La ​​valeur peut changer lorsque la jauge est relâchée

--Erreurs de saisie de données sur le PC

Méthode 2 : mesurer et saisir les résultats sur PC

--20 éléments de temps/mouvement : 15,3 secondes par partie

--4 erreurs de saisie de données. Facteurs affectant la précision et le débit

-- L'alternance des mesures et de la saisie des données a provoqué des erreurs.

--Saisie de données manquée, frappes incorrectes, données saisies dans une mauvaise cellule

Méthode 3 : mesurer et saisir les résultats directement avec un DCS sans fil Starrett DataSure®

--17 éléments de temps/mouvement : 6,6 secondes par partie--0 erreurs de saisie--Rapide et direct -- 5 fois plus rapide que la méthode 1

Facteurs affectant la précision et le débit :--Technique de mesure

--Pas d'erreurs d'interprétation ou de mémoire--La saisie immédiate et directe des données élimine les erreurs et est conservée

Starrett a récemment introduit une nouvelle version de DataSure® appelée DataSure® 4.0, la solution d'acquisition de données de mesure sans fil la plus complète, évolutive, sécurisée et robuste du secteur pour l'Industrie 4.0. Voir l'article utilisateur dans ce numéro aux pages 38-41.

En savoir plus sur : www.starrett.com/datasure4

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