Équilibrage et vitesse de rotation des outils

L'augmentation des vitesses de coupe et les exigences plus élevées sur l'équilibrage impliquent d'avoir un équilibrage de l'ensemble du système, de la broche machine à l'outil en passant par le système d'attachement.

Équilibrage des outils

L'équilibrage selon la norme ISO 1940 – 1 est souvent poussé plus loin en choisissant le niveau d'équilibrage immédiatement supérieur (par exemple G 2.5 au lieu de G 6.3). Sur le plan technique cela est souvent inutile et le coût est plus élevé ; en outre dans de nombreux cas cela n'est pas possible.

Par ailleurs les forces de coupe dynamiques (par exemple avec les interruptions de coupe dans le fraisage) sont souvent plus élevées que les forces centrifuges produites par les défauts d'équilibrage résiduels. Le déséquilibrage excite les harmoniques de la structure de la machine et l'importance des forces centrifuges augmente en raison du déséquilibre et de la vitesse de rotation.

Les besoins en matière d'équilibrage des outils ne correspondent pas exactement aux normes définies par ISO 1940 – 1 qui s'applique aux rotors rigides (par exemple les rotors de moteurs électriques) ; l'ensemble constitué par la broche machine l'attachement et l'outil se comporte d'une manière différente :

• La broche, l'attachement et l'outil constituent un système qui peut subir des modifications importantes (par ex. changements d'outils dans les centres d'usinage).
• En raison de l'imprécision radiale et angulaire des attachements, les changements d'outils fréquents dans la broche modifient les conditions d'équilibre du système dans son ensemble.
• Les tolérances d'ajustement des éléments individuels (broche, attachement et outil) limitent les possibilités d'équilibrage.

L'imprécision du serrage entre le système de l'outil et la broche machine impose des limites sur la reproductibilité de l'équilibrage et, par conséquent, les systèmes d'outils rotatifs doivent tenir compte de tous les paramètres essentiels. L'objectif principal est de limiter le déséquilibre lié aux vibrations de la machine et à la charge du système ainsi qu'aux interférences du process.

Dans ces conditions, les besoins en matière d'équilibrage des outils rotatifs nécessitent une nouvelle approche. La norme ISO 16084 impose d'équilibrer les systèmes d'outils rotatifs en tenant compte de la charge réelle sur les roulements de la broche provoquée par le déséquilibre de l'outil.

Selon ISO 16084, la charge exercée sur les roulements par le déséquilibre ne doit pas excéder 1% de la capacité de charge dynamique des roulements. Selon cette norme, tout déséquilibre résiduel autorisé est indiqué en (g.mm) et n'est pas attribué à un niveau de qualité de classe G spécifique selon les termes de la norme ISO 1940-1 - Exigences en matière de qualité dans l'équilibrage pour les rotors en état rigide (constant).

Théorie de l'équilibrage des outils

Le déséquilibre des rotors peut être provoqué par la conception, la matière, la fabrication ou l'assemblage. Tout rotor possède sa propre répartition des déséquilibres sur sa longueur, même s'il est produit en série.

L'équilibrage est un procédé qui consiste à vérifier la répartition des masses et à la corriger si nécessaire. Cette opération vise à garantir que les forces de déséquilibre qui agissent sur la broche à la vitesse de rotation de service sont comprises dans les limites des roulements. Les vibrations supportées par les paliers sont aussi contrôlées et doivent être dans les limites admises.

Défaut d’équilibre, U (g.mm)

Le défaut d'équilibre correspond à la quantité de masse asymétrique par rapport à l'axe de rotation, voir la figure ci-dessous.

U = m × e

Excentricité, e (µm)

L'excentricité est la distance entre l'axe de rotation et le centre de gravité, voir la figure ci-dessous.

e = U / m

Force de déséquilibre, F (N)

La force de déséquilibre produit une force centrifuge qui augmente de manière linéaire en fonction du déséquilibre et au carré en fonction du nombre de tours, voir la force centrifuge, figure ci-dessous.

F = U × ω²

Théorie de l'équilibrage des outils

1. Axe de rotation
2. Centre de gravité
3. Excentricité
4. Masse asymétrique répartie
5. Force centrifuge

Contrepoids

Pour compenser les forces centrifuges déséquilibrées, il est possible de retirer de la matière ou d'en ajouter afin de repositionner le centre de gravité par rapport à l'axe de rotation, voir les figures ci-dessous.

Défaut d’équilibre

1. Axe de rotation
2. Centre de gravité
3. Excentricité
4. Masse asymétrique répartie

Equilibrage par perçage d'un trou

1. Axe de rotation
2. Centre de gravité
3. Perçage d'un trou de rééquilibrage
4. Masse asymétrique répartie

Classe d'équilibrage selon ISO 1940-1 (G)

Pour l'équilibrage d'un outil à la classe d'équilibrage G 2.5 à 20 000 tr/min selon ISO 1940-1, un déséquilibre de 1 g.mm/kg (e=1 µm) est autorisé, voir le tableau ci-dessous. À titre d'exemple un petit autocollant Sandvik Coromant correspond à 4 g.mm. La norme ISO 1940/1 autorise un plus gros déséquilibre sur les porte-outils lourds que sur les porte-outils légers pour une même vitesse de rotation. Mais ceci crée des forces de déséquilibre différentes et il n'y a donc pas de charge constante sur le système.

D'après la norme ISO 1940-1 - Exigences en matière de qualité dans l'équilibrage pour les rotors en état rigide (constant), G est la qualité de l'équilibrage d'un corps rotatif. G est la vélocité tangentielle au centre de gravité par rapport à la vitesse de rotation. G dépend de la vitesse de rotation (n), de la masse du corps (m) et du déséquilibre (U). La classe G ne peut être définie sans connaître la vitesse de rotation.

Défaut d'équilibre résiduel spécifique autorisé pour les différentes classes G de la norme ISO 1940-1

Axe X : Vitesse de service n, tr/min

Axe Y : Défaut d'équilibre résiduel spécifique autorisé, e_per, g.mm/kg

Exemple de calcul ISO 1940-1

Porte-outil Coromant Capto® C4

• Classe d'équilibrage : G2.5 à 20000 tr/min
• Masse de l'outil : 1.0 kg
• Equation de la classe d'équilibrage
• Excentricité = défaut d’équilibre / masse de l'outil

Un petit autocollant Sandvik Coromant correspond à 4 g.mm.

Outil Tailor made à grande vitesse. Selon la norme ISO 16084, un système d'outillage rotatif doit être équilibré en tenant compte de la charge que supportent les roulements de la broche. Les classes G ne sont pas utilisées, on donne une valeur de déséquilibre spécifique (U) pour chaque outil en g.mm.

Comme la norme ISO 16084 est conçue pour les outils à grande vitesse, de nouveaux paramètres sont introduits par rapport à l'ancienne norme ISO. C'est une manière plus réaliste de définir le défaut d'équilibre d'un système d'outillage. Comme nous l'avons dit, le défaut d'équilibre est défini par rapport à la charge supportée par les roulements de la broche ; cette notion est à la base de la norme. Voici l'équation fondamentale de la norme ISO 16084.

Guide de calcul pas à pas

1. Identifier quelle est l'interface de broche (les paramètres diffèrent selon l'interface). Ex. : Coromant Capto® C4 ou HSK-A63
2. Déterminer le type d'opération d'usinage à effectuer
   • Usinage standard (f_bal = 0.8)
   • Usinage fin (f_bal = 0.2)
3. Indiquer les paramètres spécifiques de l'outil
   • Masse de l'outil (m_t)
   • Longueur jusqu'au centre de gravité (L_cg)
   • Vitesse de rotation de l'outil en tr/min (n)
4. Calcul du défaut d'équilibre maximum autorisé (U_STAT,PER)

Exemple de calcul ISO 16084

1. Interface de broche : HSK-A63
   • C_dyn = 25 000 N (Charge maximum sur les roulements)
   • A_m = 50 mm (Roulement de nez de broche
   • L_b = 415 mm (Distance entre les roulements)
   • E_s = 2.00 µm (Jeu au niveau de l'attachement de l'outil)
   • U_BM,TOL = 0.75 g.mm (Tolérance de la machine d'équilibrage)
2. Type d'usinage : Usinage fin, f_bal = 0.2
3. Paramètres spécifiques
   • m_t  = 1.4 kg
   • Vitesse de rotation, n=3500 tr/min
   • L_cg = 75 mm
4. U_STAT,PER = 282 g.mm