Il est temps de prendre au sérieux l'équilibrage des outils

Mar 22, 2023

Je parie que vous équilibrez vos pneus. Et la plupart de vos amis le font probablement aussi. Alors pourquoi tant d'ateliers lancent-ils la production sans équilibrer leurs outils de coupe et leurs meules ?

Le raisonnement ne devrait pas être parce qu'ils fonctionnent à basse vitesse. Après tout, lorsque vous roulez sur l'autoroute, les pneus de votre voiture ne tournent qu'à 700-900 tr/min. Plus probablement, c'est parce que trop de professionnels de la fabrication sous-estiment les avantages potentiels de l'équilibrage de leurs outils. Et, dans certains cas, les améliorations font de l'équilibrage une évidence.

Alors pourquoi équilibrer ? Et comment?

Tous les types d'usinage bénéficient d'un outillage équilibré car c'est la seule façon d'optimiser l'état de surface et la durée de vie de la broche, selon Brendt Holden, président de Haimer USA, à Villa Park, Illinois. À l'inverse, a-t-il observé, les opérateurs ralentissent souvent une machine pour résoudre un problème d'état de surface ou de précision, alors que la vraie difficulté est un outil déséquilibré.

En fait, Holden a déclaré que certains des plus grands succès de Haimer sont avec des magasins exécutant des têtes ennuyeuses à des vitesses relativement faibles. Il a rappelé un tel exemple dans lequel le client a ralenti à 300 tr/min, car sinon le mouvement dans la tête d'alésage entraînait des trous surdimensionnés. En équilibrant simplement l'outil, l'entreprise a pu obtenir la précision requise et "faire fonctionner l'outil à 1 200 tr/min avec quatre fois la vitesse d'avance", a ajouté Holden.

Bien que les cas dépendent de l'application, il existe des situations et des facteurs qui nécessitent un équilibrage, a noté Dieter Marx, fondateur et directeur général de MPM Micro Präzision Marx GmbH, Erlangen, Allemagne. Par exemple, a-t-il affirmé, absolument tous les outils fonctionnant à plus de 4 000 tr/min doivent être équilibrés, de même que tous les outils en diamant polycristallin (PCD). Les outils à flûte unique et à pointe unique (y compris de nombreuses têtes d'alésage), quant à eux, sont intrinsèquement déséquilibrés, de sorte qu'ils sont presque toujours un "must" aussi, selon Marx.

Les outils de portage complexes et les outils avec plusieurs inserts à des angles impairs sont également des candidats évidents pour l'équilibrage.

Les outils asymétriques nécessitent également un équilibrage, au moins pour fonctionner à des vitesses plus élevées, a ajouté Simon Manns, vice-président de la division de meulage d'outils chez United Grinding North America, Miamisburg, Ohio. Cela inclut des outils à hélices variables et à indexation inégale (des fonctionnalités qui ont elles-mêmes été ajoutées pour lutter contre les harmoniques qui se produisent lors de l'exécution à des vitesses plus élevées).

Manns a souligné que les outils avec un nombre impair de flûtes ne sont pas symétriques, même s'ils sont également indexés. "C'est l'entaille. S'il s'agit d'un outil à trois dents, vous aurez généralement une dent longue et deux dents courtes. L'entaille est plus lourde sur la dent longue que sur les dents courtes. Et cela crée un déséquilibre à l'extrémité de l'outil."

La taille et la vitesse comptent, a poursuivi Manns. "Lorsque vous obtenez un outil d'un demi-pouce, cinq huitièmes, trois quarts de pouce, il y a une grande différence dans le matériau que vous avez retiré à la fin pour l'entaille."

Curieusement, Holden a déclaré avoir rencontré des cas de fraises en carbure monobloc à deux dents de grand diamètre apparemment symétriques qui étaient considérablement déséquilibrées. Il a attribué cela au fabricant d'outils se concentrant sur l'obtention d'un tranchant parfait tout en négligeant de meuler des flûtes identiques.

L'équilibrage peut également être la solution à un problème apparemment sans rapport. Holden a raconté le cas d'une entreprise automobile qui a acheté des ensembles de porte-outils strictement pré-équilibrés pour la production de moteurs. "Leur impression indiquait que l'assemblage de l'outil devait leur parvenir équilibré à un niveau de qualité de G2.5 à 15 000 tr/min. Mais ils n'avaient aucun moyen de vérifier."

L'entreprise n'avait aucune machine tournant à plus de 8 000 tr/min, pourtant son taux de changement d'outil non planifié était de 57 % pendant la production.

Le constructeur automobile a ensuite acheté un équilibreur Haimer pour vérifier les outils entrants et a rejeté tout assemblage d'outils qui ne répondait pas aux spécifications. En conséquence, les temps de changement d'outil non planifiés sont tombés à seulement 7 %, a déclaré Holden, notant que l'entreprise a économisé 250 000 $ au cours d'une période d'essai de six mois.

"Ils ont acheté l'équilibreuse comme jauge go/no-go pour responsabiliser leurs fournisseurs d'outils de coupe, et cela a résolu des problèmes internes dont ils n'avaient pas conscience", a-t-il ajouté.

Les bons fabricants d'outils de coupe tiennent compte de l'équilibrage lors de la fabrication de l'outil. Par exemple, Sandvik Coromant US, Westminster, SC, utilise une approche "équilibrée dès la conception", selon le responsable de la conception Ranulfo Vieiro. L'entreprise a créé son outillage indexable en 3D avec le logiciel Siemens NX, qui permet à Sandvik d'analyser le déséquilibre d'un outil et d'ajuster la conception en conséquence.

Cela améliore la conception, mais ce n'est peut-être pas parfait.

Une fois qu'un corps d'outil a été construit, a poursuivi Vieiro, il est ensuite équilibré sur une machine Haimer. Environ 90 % du temps, un léger enlèvement de matière est nécessaire pour équilibrer le corps et atteindre les niveaux de qualité d'équilibre G2.5. Sandvik vérifiera un corps d'outil sans inserts et l'assemblage terminé avec des inserts maîtres utilisés uniquement à cette fin, a déclaré Vieiro.

En ce qui concerne les fraises en carbure monobloc, on semble accorder moins d'attention à l'équilibre de l'outil. La marque Walter de United Grinding et ANCA USA, basée à Wixom, Michigan, proposent toutes deux un logiciel pour faire exactement cela. Ces systèmes évaluent la géométrie de l'outil 3D pour prédire le déséquilibre, puis offrent des options pour déplacer le centre de gravité afin d'équilibrer l'outil.

Une méthode d'équilibrage courante consiste à allonger légèrement une flûte. Souvent, cela peut être à peine perceptible, peut-être seulement 0,5 mm, a déclaré Manns.

Ces techniques sont utiles, mais pas parfaites. Ils sont également limités aux outils de densité uniforme - ils ne fonctionneront pas aussi bien sur un outil PCD brasé.

Les outils de coupe équilibrés donnent aux fabricants la liberté de remplacer les outils dans leurs porte-outils sans avoir à rééquilibrer l'ensemble. Mais c'est l'assemblage complet qui compte vraiment, car il ne sert à rien d'avoir un outil équilibré si le mandrin est détraqué.

Vous pourriez même avoir un outil équilibré dans un mandrin équilibré et constater que le goujon de traction le déséquilibre. Holden a décrit un scénario malheureux dans lequel un opérateur a rectifié un plat sur un outil de coupe parfaitement équilibré parce qu'il avait besoin de le faire fonctionner dans un support Weldon. Une telle situation crie « rééquilibrez-la ! Marx maintient qu'un outil doit être rééquilibré même après avoir changé une seule plaquette.

La meule est l'outil dans les opérations de meulage, et l'équilibre est tout aussi important si vous essayez de maximiser la durée de vie de la meule et de la broche tout en obtenant la meilleure finition de surface sur une pièce. En revanche, comme pour les outils de coupe, vous pouvez vous en sortir sans le faire si vous n'êtes pas trop pointilleux sur ces facteurs.

Comme l'a dit Manns, personne ne regrette jamais d'avoir acheté un équilibreur. "Une fois que vous le voyez, les avantages sont évidents."

Mais, tant Manns que Jack Hooper, ingénieur processus senior chez Sandvik Coromant, ont déclaré que la qualité des meules d'affûtage d'outils d'aujourd'hui est telle qu'avec un dressage approprié, vous pouvez affûter de bons outils sans équilibrage. Pas les meilleurs outils. Mais de bons outils.

Selon Manns, il existe deux cas de rectification d'outils à cinq axes qui nécessitent pratiquement un équilibrage des meules. Le premier concerne la fabrication de micro et petits outils. "Vous n'avez besoin que d'un tout petit peu de vibration pour détruire un outil d'un demi-millimètre", a-t-il expliqué.

"Vos roues sont essentielles. L'équilibrage est très important sur les petits outils." L'équilibrage des roues est également "presque nécessaire pour créer avec précision une très belle géométrie d'extrémité sur ces petits outils".

Le deuxième cas concerne les machines d'érosion à double broche. Dans cette configuration, vous érodez généralement avec des électrodes en cuivre d'un côté et meulez de l'autre. Manns a déclaré que les roues en cuivre sont souvent "assez déséquilibrées". Ce n'est pas un facteur lorsque vous érodez, car cela se produit à très bas régime. Mais lorsque vous passez à la rectification, la broche entière peut tourner à 4 000 tr/min ou plus. Ainsi, les électrodes déséquilibrées nuiront à l'opération de meulage.

Il y a un vote plus fort pour l'équilibrage dans la rectification d'outils : maximiser le débit. Citant une étude réalisée par OSG USA à Bentonville, Illinois, il y a sept ans, Holden l'a qualifié de "probablement le retour sur investissement le plus simple que nous ayons jamais vu dans l'un de nos produits".

OSG rectifiait un million d'outils par an avant d'ajouter l'équilibrage des roues à son processus, fournissant une base d'étude statistiquement significative. L'équilibrage des roues à G2.5 à 10 000 tr/min a réduit la consommation d'énergie d'une machine de 18 %, tout en augmentant la durée de vie des roues de 20 % et la durée de vie de la broche de 30 %, avec une amélioration évidente de la finition de surface.

Mais le principal avantage a été l'augmentation de 18 % des vitesses de meulage. OSG a ajouté près de 120 000 outils en production annuelle simplement en équilibrant ses rouages.

En allant au-delà de la rectification d'outils vers la rectification cylindrique et plane, où les meules sont plus grandes et plus lourdes, l'équilibrage devient encore plus important. Comme l'a expliqué Hooper, la tolérance de faux-rond pour les outils de coupe finis est de l'ordre de 15 µm, et "il est préférable d'être bien en dessous de cela pour l'ébauche d'outil". Étant donné que les meules OD utilisées pour produire les ébauches ont un diamètre de 300 mm ou plus et tournent à environ 7 000 tr/min, « il est absolument essentiel que vous équilibriez cette meule dans la machine », a conclu Hooper.

Les deux leaders du marché des machines d'équilibrage autonomes sont Haimer et MPM, ce dernier étant représenté aux États-Unis par Rollomatic, Rush Machinery et Toolroom Solutions. Alors que Haimer et MPM revendiquent la même capacité impressionnante à réduire le déséquilibre de 98 % et à atteindre des niveaux de qualité allant jusqu'à G0.4, les sociétés adoptent différentes approches électromécaniques.

Haimer utilise "une technologie de roulement dur, avec des capteurs de force centrifuge qui mesurent la force appliquée contre la broche lorsque l'ensemble porte-outil tourne", a expliqué Holden. En revanche, MPM dispose d'un roulement souple, ce qui signifie que la broche peut osciller un peu. Les capteurs d'accélération mesurent le déplacement vibratoire causé par la rotation d'un rotor déséquilibré, a déclaré Marx.

L'avantage de l'approche de Haimer est double, selon Holden. "Premièrement, vous pouvez calibrer la machine elle-même. Aucun calibrage d'outil spécifique n'est requis", a-t-il expliqué, notant que les adaptateurs et les types d'outils peuvent être changés sans avoir à recalibrer (sauf si la machine est déplacée).

Deuxièmement, la machine n'est pas influencée par les vibrations provenant de sources extérieures. "Il s'agit littéralement de mesurer les forces de rotation appliquées contre la broche", a déclaré Holden. "Vous obtenez des résultats reproductibles et cohérents."

La machine Haimer est une unité de base en fonte Meehanite de 1 200 livres, a expliqué Holden, avec une base similaire à la fonte utilisée pour une machine-outil.

Du point de vue de MPM, c'est un inconvénient. Le système du concurrent coûte plus cher (toutes choses égales par ailleurs) et doit être déplacé avec un chariot élévateur, selon Marx, tandis que le MPM peut être transporté à la main et placé sur un banc solide à côté d'un centre d'usinage. En d'autres termes, a-t-il dit, l'unité MPM fonctionne bien en présence de vibrations dans l'atelier. Alors qu'une machine MPM doit être calibrée plus fréquemment, comme au début d'un quart de travail ou lors du changement de type de porte-outils, il s'agit d'un processus rapide et facile, a déclaré Marx.

L'autre avantage de l'approche de MPM est qu'elle ne nécessite pas de machine d'équilibrage séparée. MPM propose des systèmes portables qui peuvent être fixés à n'importe quelle broche de machine, puis déplacés vers une autre machine, selon les besoins. De tels systèmes sont couramment utilisés sur les rectifieuses cylindriques.

À l'usine Sandvik-Coromant de Hooper, les broyeurs à peau Reinecker utilisent un système concurrent d'Elaso.

ANCA propose une option comparable pour ses affûteuses d'outils, appelée iBalance. Le processus est "très rapide" et ne devrait pas prendre plus de cinq ou six minutes, selon Thomson Mathew, responsable des produits MX et logiciels de l'entreprise.

Il est logique d'inclure la meuleuse en raison du potentiel de déséquilibre, a ajouté Mathew, citant tout, de la broche de meulage et de la mécanique de l'axe C à "tout l'aspect mécanique de l'endroit où vous montez les roues sur la broche".

"Le système total pourrait avoir un déséquilibre que vous ne pourriez pas capturer en mesurant uniquement le jeu de roues à l'extérieur de la machine", a-t-il poursuivi. L'équilibrage dans la machine donne également la possibilité de vérifier les meules à des positions spécifiques et critiques du processus de meulage, a déclaré Mathew.

Manns a répliqué qu'il est plus productif d'équilibrer les roues hors ligne, laissant la meuleuse produire des outils.

Tous les systèmes d'équilibrage mentionnés incluent un logiciel qui indique à l'opérateur comment corriger le déséquilibre en ajoutant ou en supprimant du poids à un endroit spécifique. Par exemple, iBalance d'ANCA montre à l'opérateur où ajouter une vis lestée (ou plusieurs) à l'écrou de serrage à l'extrémité de l'adaptateur de roue.

L'approche est couramment utilisée sur les porte-outils qui ont des trous filetés autour de la bride. Holden a qualifié cela de "bon pour des ajustements rapides et faciles. La seule limitation est que vous n'avez pas une énorme quantité de poids à déplacer, vous ne pouvez donc pas corriger un gros déséquilibre." Il est idéal pour les porte-outils à ajustement rétractable, qui n'ont pas de pièces mobiles et sont généralement construits bien équilibrés, mais il peut ne pas gérer d'autres mandrins.

Pour les défis plus difficiles, Haimer et d'autres proposent des anneaux elliptiques. En d'autres termes, l'anneau lui-même est déséquilibré et l'équilibreur vous indique où le faire pivoter pour contrer le déséquilibre de l'ensemble. La plupart des porte-outils présentent une surface pour fixer de tels anneaux, mais ce n'est pas toujours le cas, a déclaré Holden. MPM propose un écrou de serrage à masselottes mobiles. Plutôt que de faire tourner un anneau elliptique, les utilisateurs font glisser les poids autour d'une piste pour équilibrer l'ensemble.

Comme indiqué précédemment, des degrés plus élevés de déséquilibre peuvent être résolus en supprimant le poids du porte-outil, soit par perçage, soit par fraisage. Idéalement, cela se fait lors de la fabrication du support, mais il existe des situations où l'assemblage final de l'outil devra être équilibré de cette manière. Bien qu'une terminologie différente puisse être utilisée, le logiciel exécutant les machines Haimer et MPM couvre les mêmes techniques.

Alors, devriez-vous prendre au sérieux l'équilibrage ? Holden a déclaré qu'il disait souvent aux clients potentiels réticents de l'appeler pour leurs applications les plus épineuses, lorsqu'ils "s'arrachent les cheveux parce qu'ils ont tout essayé. Ils ont examiné le montage. Ils ont analysé la broche, la machine, pensé aux avances et à la vitesse, pensé à tout, et ils ne fabriquent toujours pas de bonnes pièces ou ne font pas de temps de cycle. Honnêtement, environ 90% du temps, il s'équilibre. "

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