ISO/TR 17243-2:2017
(Main)Machine tool spindles — Evaluation of spindle vibrations by measurements on non-rotating parts — Part 2: Direct-driven spindles and belt-driven spindles with rolling element bearings operating at speeds between 600 r/min and 30 000 r/min
Machine tool spindles — Evaluation of spindle vibrations by measurements on non-rotating parts — Part 2: Direct-driven spindles and belt-driven spindles with rolling element bearings operating at speeds between 600 r/min and 30 000 r/min
ISO/TR 17243-2:2017 information on how to assess the severity of machine tool spindle vibrations measured on the spindle housing. It gives specific guidance for assessing the severity of vibration measured on the spindle housing at customer sites or at the machine tool manufacturer's test facilities. Its vibration criteria apply to direct-driven spindles and belt-driven spindles intended for stationary machine tools with nominal operating speeds between 600 r/min and 30 000 r/min. It is applicable to those spindles of the rolling element bearing types only, to spindles assembled on metal cutting machine tools, and for testing, periodic verification, and continuous monitoring. It does not address - geometrical accuracy of axes of rotation (see ISO 230‑7), - unacceptable cutting performance with regards to surface finish and accuracy, - vibration severity issues of machine tool spindles operating at speeds below 600 r/min or exceeding 30 000 r/min (due to lack of supporting vibration data and limitations in many vibration measurement instruments), or - frequency domain analyses such as fast Fourier transform (FFT) analyses, envelope analyses or other similar techniques. Annex A presents an introduction to alternative bearing condition assessment techniques.
Broches pour machines-outils — Évaluation des vibrations des broches par mesurage sur les parties non tournantes — Partie 2: Broches à entraînement direct et broches à entraînement par courroie à roulements à billes opérant à des vitesses entre 600 r/min et 30 000 r/min
Le présent document fournit des informations sur la façon d'évaluer l'intensité vibratoire d'une broche de machine-outil, mesurée sur le corps de broche. Il donne des conseils spécifiques pour l'évaluation de l'intensité vibratoire mesurée sur le corps de broche sur le site du client ou sur les installations d'essais du fabricant de la machine-outil. Ses critères en matière de vibrations s'appliquent aux broches à entraînement direct et aux broches à entraînement par courroie destinées aux machines-outils fixes ayant des vitesses nominales de fonctionnement entre 600 r/min et 30 000 r/min. Il est applicable uniquement aux broches munies de roulements de type roulements à billes, aux broches montées sur des machines-outils travaillant par enlèvement de métal, et pour un essai, une vérification périodique et une surveillance continue. Il ne traite pas: — de l'exactitude géométrique des axes de rotation (voir ISO 230‑7); — de la performance de coupe inacceptable en ce qui concerne le fini de surface et l'exactitude; — des questions liées à l'intensité vibratoire des broches pour machines-outils opérant à des vitesses inférieures à 600 r/min ou supérieures à 30 000 r/min (étant donné le manque de données justificatives concernant les vibrations et les limites de nombreux instruments de mesure des vibrations); — des analyses dans le domaine fréquentiel telles que les analyses de transformée de Fourier rapide (TFR), les analyses d'enveloppe ou toute autre technique similaire. L'Annexe A présente une introduction aux autres techniques d'évaluation de l'état des roulements.
General Information
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Standards Content (Sample)
TECHNICAL ISO/TR
REPORT 17243-2
First edition
2017-08
Machine tool spindles — Evaluation of
spindle vibrations by measurements
on non-rotating parts —
Part 2:
Direct-driven spindles and belt-driven
spindles with rolling element bearings
operating at speeds between 600 r/
min and 30 000 r/min
Broches pour machines-outils — Évaluation des vibrations des
broches par mesurage sur les parties non tournantes —
Partie 2: Broches à entraînement direct et broches à entraînement
par courroie à roulements à billes opérant à des vitesses entre 600 r/
min et 30 000 r/min
Reference number
ISO/TR 17243-2:2017(E)
©
ISO 2017
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ISO/TR 17243-2:2017(E)
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or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting on the internet or an intranet, without prior
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ISO/TR 17243-2:2017(E)
Contents Page
Foreword .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 2
4 Preliminary operations . 3
4.1 General . 3
4.2 Process load . 3
4.3 Spindle speed . 3
4.4 Thermal conditions . 4
4.5 Spindle position and orientation . 4
4.6 Tool or workpiece balancing . 4
4.6.1 General. 4
4.6.2 Spindle vibration measurements with a tool/workpiece mounted in the spindle 4
4.6.3 Spindle vibration measurements without tool/workpiece . 4
4.7 Spindle chuck . 5
4.8 Spindle cooling . 5
4.9 Drawbar . 5
4.10 Background vibration . 5
4.11 Idle operation . 5
5 Measurement and operational procedures . 5
5.1 Measuring instruments . 5
5.2 Measurement locations/directions . 6
5.2.1 General. 6
5.2.2 Naming convention for measurement locations . 7
5.3 Sensor mounting procedures . 7
6 Evaluation parameters . 8
6.1 Vibration velocity parameter. 8
6.1.1 General. 8
6.1.2 Spindles with maximum speed between 6 000 r/min and 30 000 r/min . 8
6.1.3 Spindles with maximum operating speed below 6 000 r/min . 9
6.2 Vibration acceleration parameter . 9
7 Spindle classification .10
7.1 General .10
7.2 Classification according to rated power .10
7.3 Classification according to maximum spindle speed .10
7.4 Classification according to bearing type .10
8 Evaluation .11
8.1 General .11
8.1.1 Overview .11
8.1.2 Measurement uncertainty .11
8.2 Criterion I: vibration magnitude .11
8.2.1 General.11
8.2.2 Evalu ation zones .12
8.2.3 Exemplary evaluation zone boundaries .12
8.3 Criterion II: change in vibration magnitude .12
8.4 General zone boundaries .12
8.5 Examples of evaluation zone boundary values .13
8.6 Operational limits .14
8.6.1 General.14
8.6.2 Setting of alerts .14
8.6.3 Setting of alarms .14
8.6.4 Setting of the threshold for shutdown .15
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ISO/TR 17243-2:2017(E)
Annex A (informative) Introduction to alternative bearing condition assessment techniques .16
Bibliography .18
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ISO/TR 17243-2:2017(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see the following
URL: www.iso.org/iso/foreword.html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 39, Machine tools, Subcommittee SC 2,
Test conditions for metal cutting machine tools.
A list of all parts in the ISO 17243 series, published under the general title, Machine tool spindles —
Evaluation of spindle vibrations by measurements on spindle housing, can be found on the ISO website.
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TECHNICAL REPORT ISO/TR 17243-2:2017(E)
Machine tool spindles — Evaluation of spindle vibrations
by measurements on non-rotating parts —
Part 2:
Direct-driven spindles and belt-driven spindles with
rolling element bearings operating at speeds between 600
r/min and 30 000 r/min
1 Scope
This document provides information on how to assess the severity of machine tool spindle vibrations
measured on the spindle housing. It gives specific guidance for assessing the severity of vibration
measured on the spindle housing at customer sites or at the machine tool manufacturer’s test facilities.
Its vibration criteria apply to direct-driven spindles and belt-driven spindles intended for stationary
machine tools with nominal operating speeds between 600 r/min and 30 000 r/min.
It is applicable to those spindles of the rolling element bearing types only, to spindles assembled on
metal cutting machine tools, and for testing, periodic verification, and continuous monitoring.
It does not address
— geometrical accuracy of axes of rotation (see ISO 230-7),
— unacceptable cutting performance with regards to surface finish and accuracy,
— vibration severity issues of machine tool spindles operating at speeds below 600 r/min or
exceeding 30 000 r/min (due to lack of supporting vibration data and limitations in many vibration
measurement instruments), or
— frequency domain analyses such as fast Fourier transform (FFT) analyses, envelope analyses or
other similar techniques.
Annex A presents an introduction to alternative bearing condition assessment techniques.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 1925, Mechanical vibration — Balancing — Vocabulary
ISO 2041, Mechanical vibration, shock and condition monitoring — Vocabulary
ISO 2954, Mechanical vibration of rotating and reciprocating machinery — Requirements for instruments
for measuring vibration severity
ISO 13372, Condition monitoring and diagnostics of machines — Vocabulary
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ISO/TR 17243-2:2017(E)
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 1925, ISO 2041, ISO 13372,
ISO 2954 and the following apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at http://www.iso.org/obp
— IEC Electropedia: available at http://www.electropedia.org/
NOTE A concept limited to a special meaning of a term in a particular context is indicated at the beginning
of its definition by a subject field between angular brackets (< . >), e.g. “” for the
definition of alert (3.11).
3.1
belt-driven spindle
spindle where the power transmission is achieved by a belt between the drive motor and the spindle
3.2
direct-driven spindle
machine tool spindle in a motor-coupling-spindle configuration with no belts, gears, or other power
transmitting elements in the power train
3.3
gear-driven spindle
machine tool spindle with one or more power transmitting gear units in the power train
Note 1 to entry: Gear-driven spindles may also incorporate coupling and/or belts in the power train.
3.4
spindle with integral drive
spindle unit where the rotor of the drive motor is the rotor of the spindle
3.5
short term
time period of six months or shorter
Note 1 to entry: Time periods may differ for specific spindle types and/or operational conditions.
3.6
long term
time period of longer than six months
Note 1 to entry: Time period may differ for specific spindle types and/or operational conditions.
3.7
machine condition monitoring
detection, collection, and interpretation of information and data that indicate the spindle condition (3.8)
of a machine tool spindle
3.8
spindle condition
root-mean-square (r.m.s) values for vibration velocity and acceleration of machine tool spindles as
defined by specifications
3.9
short-term spindle condition
STSC
parameter indicating the condition of a machine tool spindle in the short term (3.5)
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ISO/TR 17243-2:2017(E)
3.10
long-term spindle condition
LTSC
parameter indicating the condition of a machine tool spindle in the long term (3.6)
3.11
alert
condition where a significant change in spindle vibration magnitude,
with respect to normal values, has been detected
3.12
alarm
condition where the vibration velocity magnitude [LTSC (3.10)] induces
increased dynamic load on spindle bearings, thus often reducing bearing lifetime and/or the vibration
acceleration [STSC (3.9)] magnitude indicates moderate spindle bearing deterioration
3.13
threshold for shutdown
condition where the vibration velocity magnitude [LTSC (3.10)] induces
increased dynamic load on spindle bearings, often with substantial loss of bearing lifetime and/or the
vibration acceleration [STSC (3.9)] magnitude indicates severe spindle bearing deterioration
3.14
steady-state spindle operating temperature
condition where machine tool spindle has been running for a sufficient
time to reach a stable operating temperature
4 Preliminary operations
4.1 General
When measuring vibration, the operational condition of the machine tool is of great importance. This
document is applicable to all normal operational conditions of the machine tool when machining.
For any spindle vibration measurement intended to characterize the spindle condition according to this
document, important operational conditions should be recorded. Such operational conditions include,
but are not limited to, the characteristics listed in 4.2 to 4.11.
When using vibration measurement results for evaluation of spindle condition, other factors
contributing to or interfering with the measured signals should be taken into consideration. Such
factors include spindle motor current control signals with their associated frequencies, influences of
machine foundation and the position of the other moving components affecting the dynamic response
of the overall system, and possible high level of scatter due to low energy content in the frequency range
of interest. If such interfering signals or conditions are suspected, frequency analysis techniques can be
used to differentiate bearing signals from other contributing factors.
4.2 Process load
All vibration measurements should be made under no-load conditions (no cutting, milling, or grinding).
4.3 Spindle speed
This document is applicable for every speed within the nominal speed range of the machine tool/spindle.
The manufacturer may specify non-continuous speed ranges such as 600 r/min to 17 000 r/min or
19 000 r/min to 24 000 r/min in order to avoid unreasonable limits at resonance speeds. Two such
resonance speed intervals are allowed, together occupying a maximum of 10 % of the nominal
operating speed range of the spindle. The possibility of excluding certain speed ranges only applies to
the vibration velocity parameter as defined in 6.1, i.e. indicators for long term spindle condition (LTSC).
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ISO/TR 17243-2:2017(E)
The vibration acceleration parameter as defined in 6.2, i.e. indicators for short-term spindle condition
(STSC), applies to any speed within the nominal speed range of the spindle.
When measuring vibration magnitude as a function of spindle speed, it is important to execute the
spindle speed changes in such a way that a steady-state vibration of the spindle is reached before
recording the measurements. The following are typical methods.
— Step: Increase or decrease the spindle speed in steps not greater than 3 % of spindle maximum
speed with 10 s of constant speed at each such selected speed.
— Acceleration: Increase or decrease the spindle speed with a rate of not more than 20 % of maximum
spindle speed per minute.
Both the above methods will result in approximately 5 min measurement time.
4.4 Thermal conditions
Thermal conditions will need to be agreed upon between manufacturer/supplier and user. If no
conditions are specified, the tests should be made under conditions as near as possible to those of
normal operation with regards to lubrication and warm-up. Therefore, the machine should have an idle
running performance in accordance with the conditions of use and the instructions of the manufacturer
until the machine/spindle has reached steady-state operating temperature. Refer to ISO 230-1 for the
installation of the machine before testing and warming up of the spindle and other moving components.
4.5 Spindle position and orientation
Spindle position: This document is applicable for all possible linear axis positions.
Spindle orientation: This document is applicable for all possible spindle orientations.
Spindle direction of rotation: For spindles that can be operated in either direction, this document
applies to both clockwise and counter clockwise spindle rotation.
Spindle position, orientation, and direction of rotation for vibration measurements will need to be
agreed upon between manufacturer/supplier and user.
4.6 Tool or workpiece balancing
4.6.1 General
A tool or workpiece mounted in the spindle might influence the vibration measurements due to the
unbalance of the tool or workpiece itself. It should be recorded whether or not a tool/workpiece is used
during the measurements. If used, the mass, balancing grade according to ISO 21940-11 and angular
orientation (if applicable) of tool/workpiece used during vibration measurements should be recorded.
4.6.2 Spindle vibration measurements with a tool/workpiece mounted in the spindle
Care should be taken to avoid errors introduced by the unbalance of the tool/workpiece. For most
machine tools/spindles this implies that a balance quality grade of G2.5 or better according to
ISO 21940-11:2016 is required. If possible the same tool/workpiece should be used for each measurement
of the same machine tool/spindle. If available, refer to the spindle manufacturer’s recommendations.
4.6.3 Spindle vibration measurements without tool/workpiece
Spindles that can be operated throughout their entire operating speed range without any
tool/workpiece mounted and which do not require tool/workpiece for balance can be measured
without a tool/workpiece mounted in the spindle.
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ISO/TR 17243-2:2017(E)
4.7 Spindle chuck
Spindle chuck mechanical settings — such as chuck front-end position with respect to spindle gauge
line for clamped and unclamped positions — as well as jaw positions, should be recorded.
4.8 Spindle cooling
The spindle cooling system settings should be set appropriately and the performance confirmed. All
settings should be recorded.
4.9 Drawbar
The drawbar status should be recorded as tool clamped, tool unclamped, or tool improperly clamped.
It is recommended that all spindle vibration measurements be performed with tool clamped or without
tool. Refer to 4.6.
4.10 Background vibration
If the measured vibration magnitude is greater than an acceptance criterion established by mutual
agreement between the manufacturer/supplier and user, and background vibration is suspected,
measurements should be made with the machine shut down to determine the degree of external
influence. If the vibration magnitude with the machine shut down exceeds 10 % of the value measured
when the machine is running, corrective action might be necessary to reduce the effect of background
vibration.
NOTE In some cases, the effect of background vibration can be nullified by spectrum analysis or by
eliminating the offending external source.
4.11 Idle operation
It can be beneficial to conduct vibration measurements with the spindle idle but other machine tool
systems, such as pumps, fans, and hydraulic systems, active. Vibration data acquired this way can be
useful when comparing spindle vibration changes over time.
Idle spindle vibration measurements should be taken at the same measurement locations/directions as
running spindle vibration measurements. Refer to 5.2.
5 Measurement and operational procedures
5.1 Measuring instruments
The measuring instrument should comply with the requirements of ISO 2954 for a specified frequency
range of 10 Hz to 10 kHz.
Various methods exist for computing the r.m.s value of a specified frequency band. Refer to
ISO 2954:2012, Annex A for further information on how to test the r.m.s indicator of any measuring
instrument.
Care should be taken to ensure that the measurements are not influenced by environmental factors or
other external factors including, but not limited to, the following:
— temperature variations;
— magnetic fields;
— sound pressure fields;
— sensor cable length;
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ISO/TR 17243-2:2017(E)
— power supply noise.
Refer to 5.3 for further information on sensor mounting procedures.
5.2 Measurement locations/directions
5.2.1 General
For vibration criteria presented in this document, measurements should be taken on the spindle housing
at the front end of the spindle, as well as at the back end. Preferably, sensor longitudinal locations
should coincide with spindle bearing longitudinal locations as close as possible. Measurements should
be taken in a minimum of two radial directions at both ends of the spindle and in axial direction in at
least one end of the spindle (see Figure 1). It is recognized that the back end of the spindle in many cases
can be hard to access, requiring dismantling of covers, etc.
Key
X1, X2 preferred radial measurement locations in x-axis direction of the machine
Y1, Y2 preferred radial measurement locations in y-axis direction of the machine
Z2 preferred axial measurement locations in Z-axis direction of the machine
Figure 1 — Examples of preferred measurement locations and possible naming conventions of
common machine/spindle configurations
The preferred sensor locations/directions ensure good transmission with low distortion of the
vibration signal from the mechanical interface (the bearings) between rotating and non-rotating parts
of the machine and hence, ensure low damping with good signal quality.
If, for practical reasons, some of the preferred sensor locations are not deemed possible to access, these
sensor locations may be omitted or alternative sensor positions be established by mutual agreement
between manufacturer/supplier and user. If alternative sensor locations are selected, the measurement
results might be affected.
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The two radial measurement directions should be perpendicular to each other and coincide with the
movement axes of the machine tool, such as X and Y or any other axes defined by ISO 841. Refer to
Figure 1 for examples on common machine types.
For some machine tool designs, other measurement directions might be preferred.
It is recommended that the vibration sensor be placed at the preferred measurement locations of
Figure 1. For periodic measurements where the main interest is in observing changes in the vibration
related parameters over time, a single tri-axial sensor is a valid solution. In this last case, a fixed
threaded installation of the vibration sensor (see 5.3) is suggested to ensure measurement
...
RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 17243-2
Première édition
2017-08
Broches pour machines-outils —
Évaluation des vibrations des broches
par mesurage sur les parties non
tournantes —
Partie 2:
Broches à entraînement direct et
broches à entraînement par courroie
à roulements à billes opérant à des
vitesses entre 600 r/min et
30 000 r/min
Machine tool spindles — Evaluation of spindle vibrations by
measurements on non-rotating parts —
Part 2: Direct-driven spindles and belt-driven spindles with rolling
element bearings operating at speeds between 600 r/min and
30 000 r/min
Numéro de référence
ISO/TR 17243-2:2017(F)
©
ISO 2017
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ISO/TR 17243-2:2017(F)
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sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie, l’affichage sur
l’internet ou sur un Intranet, sans autorisation écrite préalable. Les demandes d’autorisation peuvent être adressées à l’ISO à
l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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ISO/TR 17243-2:2017(F)
Sommaire Page
Avant-propos .v
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 2
4 Opérations préliminaires . 3
4.1 Généralités . 3
4.2 Sollicitations d’usinage . 4
4.3 Vitesse de la broche . 4
4.4 Conditions thermiques. 4
4.5 Position et orientation de la broche . 4
4.6 Équilibrage d’outil ou de pièce . 5
4.6.1 Généralités . 5
4.6.2 Mesurage des vibrations de la broche avec un outil/une pièce monté(e)
dans la broche . 5
4.6.3 Mesurage des vibrations de la broche sans outil/pièce . 5
4.7 Mandrin de serrage de la broche . 5
4.8 Refroidissement de la broche . 5
4.9 Serreur outil . 5
4.10 Vibrations dans l’environnement . 5
4.11 Fonctionnement à vide . 5
5 Procédures de mesure et modes opératoires . 6
5.1 Instruments de mesure . 6
5.2 Positions/orientations de mesure . 6
5.2.1 Généralités . 6
5.2.2 Convention de désignation des positions de mesure . 8
5.3 Procédures de montage de capteur . 8
6 Paramètres d’évaluation . 9
6.1 Paramètre de vibration en vitesse . 9
6.1.1 Généralités . 9
6.1.2 Broches ayant une vitesse maximale comprise entre 6 000 r/min et
30 000 r/min . 9
6.1.3 Broches ayant une vitesse maximale de fonctionnement inférieure à
6 000 r/min .10
6.2 Paramètre de vibration en accélération .10
7 Classification des broches .11
7.1 Généralités .11
7.2 Classification en fonction de la puissance assignée .11
7.3 Classification en fonction de la vitesse maximale de la broche .11
7.4 Classification en fonction du type de roulement .11
8 Évaluation .12
8.1 Généralités .12
8.1.1 Vue d’ensemble .12
8.1.2 Incertitude de mesure .12
8.2 Critère I: amplitude vibratoire .12
8.2.1 Généralités .12
8.2.2 Zones d’évaluation .13
8.2.3 Exemples de limites de zone d’évaluation .13
8.3 Critère II: évolution de l’amplitude vibratoire .13
8.4 Limites générales de zone .13
8.5 Exemples de valeurs de limites de zone d’évaluation .14
8.6 Limites de fonctionnement.15
8.6.1 Généralités .15
© ISO 2017 – Tous droits réservés iii
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ISO/TR 17243-2:2017(F)
8.6.2 Réglage des alertes .15
8.6.3 Réglage des alarmes .15
8.6.4 Réglage du seuil d’interruption .16
Annexe A (informative) Introduction aux autres techniques d’évaluation de l’état des
roulements.17
Bibliographie .20
iv © ISO 2017 – Tous droits réservés
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ISO/TR 17243-2:2017(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/CEI, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/directives).
L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www .iso .org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité à l'intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, de la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l'Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC) voir le lien suivant: www .iso .org/iso/fr/foreword .html.
Le présent document a été élaboré par le Comité technique ISO/TC 39, Machines-outils, sous-comité
SC 2, Conditions de réception des machines travaillant par enlèvement de métal.
Une liste de toutes les parties de la série ISO 17243, publiée sous le titre général Broches pour machines-
outils — Évaluation des vibrations d’une broche pour machine-outil par mesurages sur le logement de la
broche, peut être trouvée sur le site de l’ISO.
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RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 17243-2:2017(F)
Broches pour machines-outils — Évaluation des
vibrations des broches par mesurage sur les parties non
tournantes —
Partie 2:
Broches à entraînement direct et broches à entraînement
par courroie à roulements à billes opérant à des vitesses
entre 600 r/min et 30 000 r/min
1 Domaine d'application
Le présent document fournit des informations sur la façon d’évaluer l’intensité vibratoire d’une broche
de machine-outil, mesurée sur le corps de broche. Il donne des conseils spécifiques pour l’évaluation de
l’intensité vibratoire mesurée sur le corps de broche sur le site du client ou sur les installations d’essais
du fabricant de la machine-outil.
Ses critères en matière de vibrations s’appliquent aux broches à entraînement direct et aux broches
à entraînement par courroie destinées aux machines-outils fixes ayant des vitesses nominales de
fonctionnement entre 600 r/min et 30 000 r/min.
Il est applicable uniquement aux broches munies de roulements de type roulements à billes, aux broches
montées sur des machines-outils travaillant par enlèvement de métal, et pour un essai, une vérification
périodique et une surveillance continue.
Il ne traite pas:
— de l’exactitude géométrique des axes de rotation (voir ISO 230-7);
— de la performance de coupe inacceptable en ce qui concerne le fini de surface et l’exactitude;
— des questions liées à l’intensité vibratoire des broches pour machines-outils opérant à des vitesses
inférieures à 600 r/min ou supérieures à 30 000 r/min (étant donné le manque de données
justificatives concernant les vibrations et les limites de nombreux instruments de mesure des
vibrations);
— des analyses dans le domaine fréquentiel telles que les analyses de transformée de Fourier
rapide (TFR), les analyses d’enveloppe ou toute autre technique similaire.
L’Annexe A présente une introduction aux autres techniques d’évaluation de l’état des roulements.
2 Références normatives
Les documents suivants cités dans le texte constituent, pour tout ou partie de leur contenu, des
exigences du présent document. Pour les références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les
références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les éventuels
amendements).
ISO 1925, Vibrations mécaniques — Équilibrage — Vocabulaire
ISO 2041, Vibrations et chocs mécaniques, et leur surveillance — Vocabulaire
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ISO/TR 17243-2:2017(F)
ISO 2954, Vibrations mécaniques des machines tournantes ou alternatives — Exigences relatives aux
appareils de mesure de l'intensité vibratoire
ISO 13372, Surveillance et diagnostic de l'état des machines — Vocabulaire
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 1925, l’ISO 2041,
l’ISO 13372 et l’ISO 2954 ainsi que les suivants s'appliquent.
L'ISO et la CEI tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse http: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http: //www .electropedia .org/
NOTE Un concept limité à un sens spécial d’un terme dans un contexte particulier est indiqué, au début de sa
définition, par un domaine d'utilisation entre des parenthèses angulaires (<…>), par exemple «
l’état de la broche>» pour la définition d’alerte (3.11).
3.1
broche à entraînement par courroie
broche pour laquelle la transmission de puissance est obtenue au moyen d’une courroie entre le moteur
d’entraînement et la broche
3.2
broche à entraînement direct
broche pour machine-outil dans une configuration moteur-accouplement-broche, sans courroies,
engrenages ou tout autre élément de transmission de puissance dans le groupe motopropulseur
3.3
broche à entraînement par engrenage
broche pour machine-outil comportant un ou plusieurs étages d’engrenages transmettant la puissance
dans le groupe motopropulseur
Note 1 à l'article: Les broches à entraînement par engrenage peuvent également comprendre un couplage et/ou
des courroies dans le groupe motopropulseur.
3.4
broche à entraînement intégré
électro-broche dans laquelle le rotor du moteur d’entraînement est le rotor de la broche
3.5
court terme
à un horizon de six mois ou moins
Note 1 à l'article: La durée peut différer pour certains types de broches et/ou certaines conditions de
fonctionnement spécifiques.
3.6
long terme
à un horizon supérieur à six mois
Note 1 à l'article: La durée peut différer pour certains types de broches et/ou certaines conditions de
fonctionnement spécifiques.
3.7
surveillance de l’état de la machine
détection, collecte et interprétation des informations et données qui indiquent l’état de la broche (3.8)
d’une machine-outil
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ISO/TR 17243-2:2017(F)
3.8
état de la broche
valeurs efficaces (r.m.s) de vibration, en vitesse et en accélération, des broches pour machines-outils
telles que définies par les spécifications
3.9
état de la broche à court terme
STSC
paramètre indiquant l’état d’une broche pour machine-outil à court terme (3.5)
3.10
état de la broche à long terme
LTSC
paramètre indiquant l’état d’une broche pour machine-outil à long terme (3.6)
3.11
alerte
état pour lequel une évolution significative de l’amplitude vibratoire
de la broche par rapport aux valeurs normales a été détectée
3.12
alarme
état pour lequel l’amplitude vibratoire en vitesse [LTSC (3.10)]
induit une charge dynamique accrue sur les roulements de la broche, réduisant ainsi souvent la durée
de vie du roulement, et/ou l’amplitude vibratoire en accélération [STSC (3.9)] indique une détérioration
modérée du corps de broche
3.13
seuil d’interruption
état pour lequel l’amplitude vibratoire en vitesse [LTSC (3.10)]
induit une charge dynamique accrue sur les roulements de la broche, s’accompagnant souvent d’une
réduction substantielle de la durée de vie du roulement, et/ou l’amplitude vibratoire en accélération
[STSC (3.9)] indique une grave détérioration du corps de broche
3.14
température de fonctionnement stabilisée de la broche
état pour lequel la broche d’une machine-outil a fonctionné pendant
une durée suffisante pour atteindre une température de fonctionnement stable
4 Opérations préliminaires
4.1 Généralités
Lors du mesurage des vibrations, les conditions de fonctionnement de la machine-outil sont d'une
grande importance. Le présent document est applicable à l’ensemble des conditions normales de
fonctionnement de la machine-outil lors de l’usinage.
Pour tout mesurage des vibrations de la broche destiné à caractériser l’état de la broche conformément
au présent document, il convient d’enregistrer les conditions de fonctionnement importantes. De telles
conditions de fonctionnement comprennent, sans toutefois s’y limiter, les caractéristiques énumérées
de 4.2 à 4.11.
Lors de l’utilisation des résultats de mesure des vibrations pour évaluer l’état de la broche, il convient
de prendre en considération les autres facteurs contribuant aux signaux mesurés ou interférant avec
ceux-ci. De tels facteurs comprennent les signaux de commande courants du moteur de la broche avec
leurs fréquences associées, les influences liées à la fondation de la machine et la position des autres
composants mobiles ayant une incidence sur la réponse dynamique du système global, et le possible
haut niveau de dispersion dû à la faible quantité d’énergie dans la plage de fréquences considérée. Si de
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ISO/TR 17243-2:2017(F)
tels signaux ou de telles conditions interférant sont suspecté(e)s, des techniques d’analyse fréquentielle
peuvent être utilisées pour différencier les signaux des roulements des autres facteurs contributifs.
4.2 Sollicitations d’usinage
Il convient de réaliser l’ensemble des mesurages de vibrations dans des conditions de fonctionnement à
vide (pas de coupe, de fraisage ni de meulage).
4.3 Vitesse de la broche
Le présent document est applicable pour toute vitesse comprise dans la plage de vitesses nominales de
la machine-outil/broche. Le fabricant peut spécifier des plages de vitesses discontinues comme 600 r/
min à 17 000 r/min ou 19 000 r/min à 24 000 r/min afin d’éviter des limitations déraisonnables aux
fréquences de résonance. Deux intervalles de fréquences de résonance tels que ceux-ci sont autorisés,
occupant à eux deux un maximum de 10 % de la plage de vitesses nominales de fonctionnement de la
broche. La possibilité d’exclusion de certaines plages de vitesses s’applique uniquement au paramètre
de vibration en vitesse tel que défini en 6.1, c’est-à-dire à l’indicateur pour l’état de la broche à long
terme (LTSC). Le paramètre de vibration en accélération tel que défini en 6.2, c’est-à-dire l’indicateur
pour l’état de la broche à court terme (STSC), s’applique à toutes les vitesses comprises dans la plage de
vitesses nominale de la broche.
Lors du mesurage de l’amplitude vibratoire en fonction de la vitesse de la broche, il est important d’exécuter
les changements de vitesse de la broche de manière à atteindre un état de vibrations stationnaires de la
broche avant d’enregistrer les mesures. Les méthodes suivantes sont des méthodes types.
— Pas: Augmenter ou réduire la vitesse de la broche par pas ne dépassant pas 3 % de la vitesse
maximale de la broche, avec 10 s de vitesse constante pour chaque vitesse ainsi sélectionnée.
— Accélération: Augmenter ou réduire la vitesse de la broche d’une valeur ne dépassant pas 20 % de
la vitesse maximale par minute de la broche.
Les deux méthodes ci-dessus nécessiteront un temps de mesure d’environ 5 min.
4.4 Conditions thermiques
Les conditions thermiques nécessiteront de faire l'objet d'un accord entre le fabricant/fournisseur et
l'utilisateur. Si aucune condition n’est spécifiée, il convient de réaliser les essais dans des conditions aussi
proches que possible de celles du fonctionnement normal en ce qui concerne la lubrification et le cycle
de chauffe. Par conséquent, il convient que la machine présente des performances de fonctionnement à
vide conformes aux conditions d’utilisation et aux instructions du fabricant jusqu’à ce que la machine/
broche atteigne la température de fonctionnement stabilisée. Se référer à l’ISO 230-1 pour l’installation
de la machine avant essai et la chauffe de la broche et des autres composants mobiles.
4.5 Position et orientation de la broche
Position de la broche: Le présent document est applicable pour toutes les positions possibles de l’axe
linéaire.
Orientation de la broche: Le présent document est applicable pour toutes les orientations possibles de
la broche.
Sens de rotation de la broche: Pour les broches qui peuvent fonctionner dans n’importe quel sens, le
présent document s’applique à la fois à la rotation de la broche dans le sens horaire et dans le sens anti
horaire.
La position, l’orientation et le sens de rotation de la broche pour les mesurages de vibrations
nécessiteront de faire l’objet d’un accord entre le fabricant/fournisseur et l’utilisateur.
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ISO/TR 17243-2:2017(F)
4.6 Équilibrage d’outil ou de pièce
4.6.1 Généralités
Un outil ou une pièce monté(e) dans la broche peut influencer les mesures de vibrations en raison
de leur déséquilibre intrinsèque. Il convient de consigner si un outil/une pièce est utilisé(e) ou non
pendant les mesurages. Si un outil/une pièce est utilisé(e), il convient de consigner la masse et la qualité
de l’équilibrage conformément à l’ISO 21940-11 et l’orientation angulaire (le cas échéant) de l’outil/la
pièce utilisé(e) pendant les mesurages de vibrations.
4.6.2 Mesurage des vibrations de la broche avec un outil/une pièce monté(e) dans la broche
Il convient de veiller à éviter les erreurs dues au déséquilibre de l’outil/la pièce. Pour la plupart des
machines-outils/broches, cela implique qu'une qualité d’équilibrage de G2.5 ou meilleure, conforme
à l’ISO 21940-11:2016, est requise. Si possible, il convient d’utiliser le même outil/la même pièce
pour chaque mesurage d’une même machine-outil/broche. Si elles sont disponibles, se référer aux
recommandations du fabricant de la broche.
4.6.3 Mesurage des vibrations de la broche sans outil/pièce
Les broches qui peuvent fonctionner sur toute leur plage de vitesses de fonctionnement sans outil/pièce
monté(e) et qui n’exigent pas d’outil/de pièce pour l’équilibrage peuvent être mesurées sans outil/pièce
monté(e) dans la broche.
4.7 Mandrin de serrage de la broche
Il convient d’enregistrer les réglages mécaniques du mandrin de serrage de la broche, tels que la position
à l’extrémité avant du mandrin par rapport au plan de jauge de la broche pour les positions bridée et
débridée, ainsi que les positions des mors.
4.8 Refroidissement de la broche
Il convient d’ajuster de manière appropriée les réglages du système de refroidissement de la broche et
d’en confirmer les performances. Il convient d’enregistrer l’ensemble des réglages.
4.9 Serreur outil
Il convient de consigner l’état du serreur outil à savoir outil bridé, outil débridé ou outil mal bridé. Il est
recommandé de réaliser l’ensemble des mesurages de vibrations de broche avec un outil bridé ou sans
outil. Se référer à 4.6.
4.10 Vibrations dans l’environnement
Si l’amplitude vibratoire mesurée dépasse un critère d’acceptation établi par accord mutuel entre le
fabricant/fournisseur et l’utilisateur et que des vibrations dans l’environnement sont suspectées, il
convient de réaliser des mesurages avec la machine éteinte pour déterminer le degré de l’influence
externe. Si l’amplitude vibratoire avec la machine éteinte excède 10 % de la valeur mesurée lorsque la
machine fonctionne, une action corrective peut être nécessaire pour réduire l’effet des vibrations dans
l’environnement.
NOTE Dans certains cas, l’effet des vibrations dans l’environnement peut être annulé par une analyse
spectrale ou par élimination de la source externe indésirable.
4.11 Fonctionnement à vide
Il peut être bénéfique de réaliser des mesurages de vibrations avec la broche à vide mais avec les autres
systèmes de la machine-outil, tels que les pompes, ventilateurs et systèmes hydrauliques, actifs. Les
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ISO/TR 17243-2:2017(F)
données vibratoires acquises de cette manière peuvent être utiles pour comparer les variations des
vibrations de la broche dans le temps.
Il convient de réaliser les mesurages de vibrations de la broche à
...
Questions, Comments and Discussion
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