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May 16, 2023

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Figure 1. Un porte-outil transfère le mouvement de la machine-outil à l'outil de coupe

Figure 1. Un porte-outil transfère le mouvement de la machine-outil à l'arête de coupe elle-même.

Les porte-outils assurent la connexion essentielle entre une broche de machine et l'outil de coupe. Ils sont chargés de saisir l'outil en toute sécurité à des vitesses extrêmement élevées, d'éviter un faux-rond excessif et de maintenir l'équilibre. Canadian Metalworking s'est entretenu avec Jack Burley, vice-président des ventes et de l'ingénierie pour Big Kaiser Precision Tooling Inc. , sur les bases des porte-outils, y compris les systèmes communs, un peu d'histoire, et ce que l'avenir nous réserve.

Burley a plus de 30 ans d'expérience dans l'industrie. En tant que membre du comité technique de l'American Society of Mechanical Engineers (ASME), il examine chaque année les conceptions de porte-outils recommandées, les améliorations suggérées et les modifications demandées aux fabricants.

CM:Quel est le métier de base d'un porte-outil ?

Jack Burley : Un porte-outil transfère le mouvement de la machine-outil à l'arête de coupe elle-même. Il rassemble l'assemblage total(voir Figure 1).

Chaque machine suit une norme de porte-outils différente, de sorte qu'il existe des milliers de variétés et d'adaptations. Un fabricant doit connaître ou évaluer le type de norme d'une machine pour son changeur d'outils automatique et son magasin.

CM:Quels sont les types de porte-outils les plus courants ?

Burley : Il existe trois porte-outils courants de type à forte conicité. Les cônes raides ont un taux de conicité de 7 à 24, ce qui signifie que pour chaque 7 pouces en Y, il y a 24 pouces en X, ou un cône de 3 1/2 pouces par pied.

En Amérique du Nord, le style le plus courant est le CAT 40 et 50(voir Figure 2a) . Il est basé sur la norme ASME B5.50, qui existe depuis la fin des années 70. La norme a été développée par Caterpillar Inc., qui était un important utilisateur de machines-outils avec des changeurs d'outils automatiques. L'entreprise a dicté à quoi ressembleraient les porte-outils si les constructeurs de machines-outils voulaient leur vendre. Ils voulaient la standardisation.

Jusque-là, chaque OEM avait une manière différente de tenir les outils. Il n'y avait pas d'interchangeabilité. Plusieurs entreprises de porte-outils et constructeurs de machines-outils se sont associés à Caterpillar et à d'autres fabricants, ont affiné la conception et en ont fait une nouvelle norme.

Les constructeurs de machines-outils japonais et asiatiques ont opté pour le BT(voir Figure 2b) , une norme industrielle japonaise (JIS) qui existe depuis aussi longtemps que la norme CAT. Le cône lui-même, les diamètres, les longueurs, sont les mêmes que le CAT. Les porte-outils CAT et BT s'adapteront à la même broche s'ils sont chargés à la main. La différence réside dans le mécanisme du changeur d'outils - la façon dont le changeur d'outils automatique saisit le porte-outil pour le faire passer du magasin à la broche.

Figure 2a. La principale différence entre un porte-outil CAT et un porte-outil BT est la rainure en V sur la tige. Voir aussi 2b.

La norme européenne DIN a emboîté le pas avec la conception CAT. Les dimensions du porte-outil sont les mêmes que celles du CAT, mais la mesure est en métrique.

CM:En quoi les porte-outils HSK sont-ils différents ?

Burley : L'usinage à grande vitesse a commencé à devenir populaire dans les années 90, en particulier dans l'aérospatiale où ils ont commencé à usiner des pièces monolithiques comme des entretoises d'aile à partir de billettes plutôt que d'utiliser des procédés de fabrication. De nombreux usinages à grande vitesse ont été utilisés pour produire ces pièces rapidement.

Les systèmes de porte-outils disponibles à l'époque n'étaient pas aussi capables de ce type d'usinage par rapport à la tige conique creuse allemande, hohl arbre kegel (HSK) en allemand, qui a un cône moins profond à un rapport de 1 à 10(voir Figure 3). Depuis lors, le HSK a été normalisé selon les spécifications ISO (12164-1, -2). Plusieurs tailles de porte-outils HSK sont disponibles sous différentes formes pour s'adapter aux petites et grandes machines. Par exemple, la forme A est destinée à l'usinage général et la forme E ou F est destinée à l'usinage à grande vitesse. Les formulaires ont des caractéristiques différentes selon la norme qu'ils suivent(voir Figure 4).

Pour l'essentiel, le marché s'est installé sur la forme A du HSK qui est la plus courante au niveau international. C'est vraiment l'une des seules normes mondiales de porte-outils. Il a été adopté au Japon, en Amérique du Nord et en Europe. Nous le voyons et le vendons ici, mais ce n'est pas aussi courant que les porte-outils coniques CAT.

CM:Qu'en est-il de la connexion de l'outil de coupe ?

Burley : Ce que j'appelle la deuxième extrémité du porte-outil contient les outils de coupe. Les outils - perceuses, fraises, tarauds, alésoirs - sont généralement cylindriques avec une tige droite.

Le mandrin à pince est le moyen le plus courant de tenir une perceuse et est disponible dans des tailles allant de très petites à très grandes. Chaque pince contiendra une gamme de tailles d'outils. Lorsque l'écrou serre un outil dans le mandrin, il y a généralement environ 0,020 pouce d'écrasement dans le porte-outil.

Par exemple, un 5/8-in. pince pour un outil de diamètre 0,625 serrera toujours un outil de diamètre 0,620. Le 0,625 est le diamètre maximum, un 0,605 serait le minimum. Un mandrin à pince est très universel et peut contenir de nombreux outils. Il existe une norme de qualité ER pour les mandrins à pince et il existe des systèmes propriétaires de fabricants de pinces qui ont des angles légèrement différents conçus pour fournir plus de concentricité et de précision.(voir Figure 5).

La pince de serrage convient aux conditions d'usinage générales. Autres outils qui doivent être utilisés pour le fraisage en bout grossier.

Figure 2b. L'angle ou le taux de conicité sur les porte-outils CAT et BT est le même, environ 16 degrés.

CM:Existe-t-il une alternative à la pince de serrage ?

Burley : Un porte-fraise à verrouillage latéral est l'autre moyen populaire de tenir l'outil. Une vis de réglage s'engage avec une section plate sur un outil à tige droite pour le fixer dans le support. Il offre beaucoup de contact, mais chaque support ne convient qu'à une seule taille d'outil.(voir Figure 6).

Le serrage est très sûr, mais le battement et la rigidité ne sont pas très bons. Il s'agit d'une technologie assez ancienne pour le fraisage en bout à usage général, mais elle continue d'être populaire car elle est peu coûteuse par rapport aux autres systèmes de porte-outils.

CM:Comment le rétrécissement s'intègre-t-il ?

Burley : La technologie de frettage offre une connexion très solide entre l'outil et le porte-outil. Il est devenu assez populaire au cours des 20 dernières années.

Pendant le processus de connexion, l'alésage de l'outillage est chauffé à 1 000 degrés F afin qu'il se dilate suffisamment pour permettre à l'outil de coupe de tomber. Lorsque le porte-outil refroidit à température ambiante (certains systèmes de frettage ont un refroidissement intégré), il se rétracte à sa taille d'origine et se comprime autour de l'outil(voir Figure 7) . Cet appariement se traduit par un faux-rond extrêmement faible et une très bonne force de préhension.

Une seule taille d'outil tient dans chaque porte-outil fretté. C'est un système très pratique pour le fraisage en bout où les queues d'outils sont toutes de taille unique.

CM:Parlez-nous des mandrins hydrauliques.

Burley : Une chambre hydraulique est située à l'intérieur d'un mandrin hydraulique. Lorsque le piston est comprimé, le fluide hydraulique autour de l'alésage du porte-outil se comprime pour fournir une force de serrage très forte. Une vis hexagonale serre et desserre l'outil(voir Figure 8).

CM:Quel semble être le mandrin le plus populaire ?

Figure 3a. Les porte-outils HSK ont un cône moins profond que les types CAT ou BT.

Burley :Le mandrin de fraisage(voir Figure 9) . Il fonctionne sur un système de roulement à billes. Lorsque l'écrou est serré, il comprime l'alésage du porte-outil pour fournir un facteur de rigidité très élevé. Ce type de porte-outil surpasse généralement les autres par un facteur de deux. C'est un peu plus cher mais permet l'utilisation de pinces. Une clé de serrage est tout ce qui est nécessaire pour fixer l'outil.

Les mandrins de fraisage ont une productivité plus élevée que n'importe quoi d'autre sur le marché en ce qui concerne les porte-fraises d'ébauche, les fraises à rainurer, ou même lorsqu'ils sont utilisés avec des fraises à surfacer. Ce n'est pas un premier choix à utiliser avec des perceuses.

CM:Y a-t-il d'autres porte-outils dont nous devrions discuter ?

Burley : Outre les porte-outils à queue cylindrique, il existe des systèmes tels que les porte-fraises qui sont standard pour les fraises à surfacer. Des vis de blocage ou des vis à six pans creux, selon les spécifications du fabricant, sont utilisées pour le serrage.

Ensuite, avec des technologies plus récentes comme les machines multiaxes qui tournent et fraisent, nous avons eu l'introduction de porte-outils qui peuvent fonctionner avec les deux processus de coupe(voir Figure 10).

CM:Comment choisissez-vous?

Burley : En particulier avec les technologies qui offrent des taux d'enlèvement de matière plus élevés et de meilleures finitions de surface, la qualité des performances dépend de ce qui est dépensé. Ne vous attendez pas à beaucoup de performances des systèmes les moins chers. Plus d'investissement fournit un système plus performant et une plus longue durée de vie de l'outil en raison d'un faux-rond réduit.

J'aimerais dire que pour chaque 0,0001 po de faux-rond, vous augmentez ou diminuez la durée de vie de l'outil de 20 % ; par exemple, si je mets un 3/8-in. percez dans une pince de serrage et obtenez 0,0005 po de faux-rond avant utilisation. Mais si le faux-rond est réduit à 0,0004 po, la durée de vie de l'outil augmentera de 20 %. À l'inverse, si elle passe de 0,0005 po à 0,0006 po, la durée de vie de l'outil diminuera de 20 %.

Les outils de coupe peuvent être coûteux, et s'ils sont jetés avant d'avoir atteint leur durée de vie, les coûts s'additionnent. Payer un peu plus pour un porte-outil de haute précision fournira un bon retour sur investissement et rapportera ensuite des dividendes.

CM:Et après?

Figure 3b. Un type HSK-F sans fentes ni trous le rend mieux adapté à l'usinage à grande vitesse sur des machines plus petites.

Burley : La grande question est de savoir quelle sera la prochaine norme basée sur l'évolution des machines-outils. Comment l'interface du porte-outil changera-t-elle ? S'agira-t-il d'un changement significatif ou d'une amélioration d'un système actuel ?

À ce stade, je ne vois rien de monumental à l'horizon.

Big Kaiser Precision Tooling Inc., 888-866-5776, www.us.bigkaiser.com