CNC portique / Efforts sur les axes XYZ ?

[dotrick]

Bonjour,

Je souhaite réaliser ma CNC de type portique pour usiner principalement de l'aluminium, parfois du bois et aussi découper de l'acier. En ce qui concerne les outils envisagé pour de l'alu diametre 10mm et acier 5mm.

Pour bien dimensionner la structure de ma CNC, je prends donc le pire cas, la découpe ou le perçage de l'acier. Ma CNC doit être suffisamment rigide pour ne pas se déformer afin de ne pas perdre en précision.

Je me suis fixé une déformation maximum de 0,05mm sur chaque axe X, Y et Z sous une force de 1000N (100kg).

J'ai fait les simulations sous Solidworks. J'ai pris les pires cas (milieu de l'axe). Le matériau du portique utilisé pour la simulation est de l'alu 6061. Le poids de ce portique est d'environ 12kg.

J'obtiens les résultats suivants :

Sur l'axe X, déformation de 0,02mm pour une force de 1000N

Sur l'axe Y, déformation de 0,01mm pour une force de 1000N

Sur l'axe Z, déformation de 0,005mm pour une force de 1000N

Ces premiers résultats me montre que je vais dépenser plus que prévu dans la structure... J'ai pas mal fouillé sur le forum sur les efforts et je n'ai pas trouvé. Je suis conscient que ces contraintes varie en fonction de l'outil, de l'avance etc...

Ma question est donc la suivante : Est ce que 1000N de contraintes sur tous les axes n'est pas surdimensionné?



Merci de votre aide.

 

[carlos78]

Bonjour,

Pour avoir une idée des efforts de coupe : Voir la pièce jointe Efforts de coupe.pdf .
Les efforts de coupe ne sont pas énormes. Ils dépendent surtout de la section du copeau.
La relation des efforts de coupe avec le diamètre de la fraise n'existe vraiment que si l'on tourne exactement à la vitesse de coupe préconisé (ce qui n'est jamais le cas pour moi avec ma fraiseuse qui tourne au maxi à 1250 tr/mn).

Je suis surpris que le portique ne pèse que 12Kg. Il doit s'agir de la structure porteuse du portique et non le portique complet.
Habituellement, rien que l'équipement suivant l'axe Z (qui est un sous-ensemble du portique) pèse déja plus lourd.

Carlos78

 

[stanloc]

Bonjour,
Solidworks, c'est bien gentil, mais la lecture des différents posts décrivant sur ce forum des cnc usinant de l'acier, serait aussi très utile.
Usiner de l'acier ; tout un programme ; mais quel acier ; avec quelle profondeur de passe et quelle avance ????????
A mon humble avis : si vous conservez votre cahier des charges, oubliez les alliages d'aluminium et la série 6000 un peu plus.
Stan

 

[dotrick]

Bonjour,
...La relation des efforts de coupe avec le diamètre de la fraise n'existe vraiment que si l'on tourne exactement à la vitesse de coupe préconisé (ce qui n'est jamais le cas pour moi avec ma fraiseuse qui tourne au maxi à 1250 tr/mn).

Je connaissait déja ce fichier. Je vais essayer de faire un exemple avec une fraise de 10mm dans de l'alu. Vous me direz si c'est bon

Je suis surpris que le portique ne pèse que 12Kg. Il doit s'agir de la structure porteuse du portique et non le portique complet.

Juste le portique pas le socle comme sur la photo des simulation.

Solidworks, c'est bien gentil, mais la lecture des différents posts décrivant sur ce forum des cnc usinant de l'acier, serait aussi très utile.
Usiner de l'acier ; tout un programme ; mais quel acier ; avec quelle profondeur de passe et quelle avance ????????
A mon humble avis : si vous conservez votre cahier des charges, oubliez les alliages d'aluminium et la série 6000 un peu plus.

Il n'y pas grand chose sur le forum au sujet de l'usinage d'acier. La réponse à la majorité des poste est toujours la même... C'est très dur! mais il n'y a rarement de chiffre! Des ordres de grandeurs c'est ce que d'autres membres demandent aussi.
Quel acier, quelle profondeur de passe et quelle avance : J'aurais préférer un début de réponse plûtot qu'une question... Au moins cela donne une notion s'il faut une conception qui tienne 100N, 500N, 1000N, 5000N ...
Oublier les alliages de la série 6000 et un peu plus, qu'est ce que cela signifie? Trop dur, trop tendre, pas assez...?

Merci.

PS : J'aimerai clore ce post en donnant des ordre de grandeurs des efforts supportés par nos CNC sur chaque axe pour différents type de matériaux comme le bois, l'alu et l'acier. Au moins, les utilisateurs de solidworks auront des chiffres pour valider leurs conception 3D.

 

[stanloc]

Il n'y pas grand chose sur le forum au sujet de l'usinage d'acier. La réponse à la majorité des poste est toujours la même... C'est très dur! mais il n'y a rarement de chiffre! Des ordres de grandeurs c'est ce que d'autres membres demandent aussi.

Peut-être est ce parce que les gens sont conscients qu'en DIY cela demande une solide expérience et de bonnes connaissances en technologie.
Stan

 

[rranno**90]

Bonjour,

En vouyant t'as simulation, tes résultats ne sont pas réaliste car tu oublis de prendre en compte le type de liaison entre les différentes pièces qui vont composer ton portique : assembalge vissé, mécanosoudé ou autre.

Cdlt

 

[ultimate900]

Bonjour,
Je rejoins les propos de NONO-Lerobot ,de plus la simulation Solidworks concernant la contrainte de l'axe Y est totalement érronée ,il serait judicieux de ce servir de cette simulation à titre indicatif et encore car c'est loin d'etre une finalité.
Faites une maquette à échelle réduite du portique avec une matière type carton souple / bristol /dépron le tout collé aux point d'assemblage cela vous permettra de définir véritablement les points d'effort et de contrainte et continuer l'étude .
@+.

 

[dotrick]

Il s agit d une estimation des matériaux et de la structure a mettre en place pour tenir les 1000N sur chaque axe. Bien sur que le montage par visserie va apporter des jeux supplémentaires mais cela nous donne déjà un ordre de grandeur.

En ce qui concerne la maquette en bristol ou autre je ne vois pas ce qu elle peux apporter de plus que la simulation. Mon but est de créer une structure qui tienne les 1000N sur XYZ. Peux tu m expliquer davantage?

J aurai aimé faire la simulation avec la visserie mais je ne sais pas comment faire sous SW...

 

[carlos78]

Bonjour,

Mon avis sur les 1000 N "d'efforts".

- La réponse sur les efforts de coupe est dans le document cité plus haut. Pour l'alu le Kc est d'environ 140 DaN/mm2. Sur une petite machine, l'épaisseur du copeau ne devrait pas dépasser les 0.1mm par dent, et la hauteur de passe les 3 mm.
Donc l'effort de coupe est d'environ F = 140 x 0.1 x 3 = 42 DaN = 420 N. Avec 50 DaN d'effort de coupe, on doit pas être très loin de la vérité. Cet effort s'exerce uniquement dans un plan horizontal.

- Il y a ensuite le poids qui s'exerce verticalement. La déformation maximale est obtenue lorsque ce poids est appliqué au centre du portique. Pour le poids du portique : il faut tout prendre en compte : le poids des élements de guidage, les VAB, les 2 moteurs PAP ou servos, la broche, le moteur, la structure du portique, la structure en Z, etc ... 12Kg sur le portique, je continue à douter (une broche ou un moteur pèse déja au moins 5 Kg). Ce poids est géneralement déporté par rapport aux rails et crée une torsion de la poutre et des bras.

- Il y a enfin les efforts d'accéleration, ou efforts d'inertie (F = m x g) qui à mon avis sont faibles parce que la CNC travaille quasiment tout le temps à vitesse constante. Beaucoup confondent vitesse et accéleration, même si la vitesse peut être impressionnante (sur certaines CNC on parle de 5 000 à 10 000 mm/mn), l'accéleration reste nulle pendant pratiquement tout le déplacement. En plus, pour l'usinage de l'alu, cette vitesse est faible. Et puis, en dernier ressort la phase d'accéleration du moteur qui génere un effort peut se programmer. Pour ma part, je néglige les efforts d'accéleration.

- Et puis c'est tout.

Pour la simulation avec ou sans présence de vis de fixation : le fait d'avoir "soudé" virtuellement les pièces rigidifie énormement la structure.
Cela sous-entend que la liaison entre les pièces équivaut à des encastrements. Dans la réalité, il est très peu probable qu'il en soit ainsi.
Je dirais que votre simulation est optimiste.

Les 1 000 N appliqués successivement sur chacun des 3 axes ne représentent pas à mon avis la réalité. C'est une approche commode qui permet de visualiser des déformations,et donc le comportement de la structure, mais elle est trop simpliste.

---> Pour moi, vous devriez simuler avec un effort de coupe de 500 N dans un plan horizontal avec un bras de levier vis à vis du portique (C'est à mon avis ce bras de levier qui dimensionne la structure du portique) et un poids de portique de 50 Kg en vertical avec également un déport du poids qui vrille le portique.

A+

Carlos78

 

[stanloc]

Bonjour,
Très bien raisonné SAUF au niveau des accélérations/freinages Les gens les ignorent tout le temps ou presque et c'est une grave erreur(difficulté plus grande pour les calculer que pour des efforts statiques), du moins selon le type d'usinage qui est projeté. L'axe Z en particulier est souvent animé d'un mouvement type aiguille de machine à coudre lorsqu'on fait du véritable usinage 3D. Les vitesses rocambolesques annoncées par certains sont les vitesses qu'ils rentrent dans Mach3 et souvent ne sont pas atteintes faute de temps, d'espace car il faudrait y associer des accélérations/freinages de 1 ou plusieurs G.
Les efforts statiques font plier les structures qui reviennent à leur état initial lorsque l'effort cesse,(il suffit en plus de faire des passes de finition) tandis que les accélérations/décélérations engendrent des vibrations qui peuvent elles-même engendrer des résonances compte tenu qu'une fraise travaille aussi par variation d'effort de coupe bien souvent et engendre des vibrations.
Avec les batis construits en tube d'alu il est assez aisé de reconnaitre au son entendu les vibrations durant l'usinage car "cela sonne comme une paroi en vibration". Les tubes en général ne sont pas de ce point de vue un bon choix surtout si on les prend en alu et/ou s'ils sont à paroi fine. Une fraiseuse c'est du massif et plus c'est "dense" et mieux c'est.
Maintenant tout ça constitue un objectif pour une cnc optimisée si possible et est ignoré par la plupart car "ça les arrange".
Stan

 

[dotrick]

Mon avis sur les 1000 N "d'efforts".
Carlos78

Merci !

J'avais lu ce document mais n'étant pas du métier j'ai beaucoup de difficultés à l'utiliser... J'avais un autre doc similaire avec des tableaux selon les matériaux.

Tu as pris le Kc alu du tournage 140DaN.mm2 au lieu du fraisage 108DaN.mm2. Est ce volontaire?

Donc on peux dire que les efforts de coupe selon les matériaux pour une épaisseur de copeau de 0.1mm et une profondeur de passe de 3mm sont d'environ :
Alu : F = 108 x 0.1 x 3 = 33 DaN
Acier usage général () : F = 320 x 0.1 x 3 = 96 DaN
Acier Inox : F = 400 x 0.1 x 3 = 120 DaN

Pour le poids de mon portique seul (tel qu'on le vois sur la simu). Il fait 12kg, je confirme! A ceci, il faudra ajouter le poids du support de la broche et la broche, soit probablement une douzaine de Kg sup. Cependant ces 12kg sont négligeables par rapport à ce que le portique peux supporter sans déformation (<0.01mm). Le portique est dimensionné pour 100DaN. De plus, lorsque cette force ne s'ajoute pas à la force tangentielle. Je me trompe?

Pour la simulation, effectivement elle est optimiste pour les raisons que vous citez. Cependant, les premiers essais que j'avais fait ne rencontraient pas mes objectifs de rigidité. J'ai du grossir des épaisseurs et ajouter des renforts. Cette simulation a donc eu l'avantage de faire une première ébauche!

Pour votre conseil de simulation, je vais le suivre. De toute manière, je comptais le faire mais je n'était pas vraiment sûr des efforts... Avec ce post, je suis plus confiant! Merci pour votre temps!

 

[carlos78]

Le Kc de 140 DaN/mm2 est une valeur forte pour l'alu. Et puis de toute façon, il s'agit ici d'une évaluation pour avoir un ordre de grandeur des efforts de coupe.

A+
Carlos78

 

[dotrick]

---> Pour moi, vous devriez simuler avec un effort de coupe de 500 N dans un plan horizontal avec un bras de levier vis à vis du portique (C'est à mon avis ce bras de levier qui dimensionne la structure du portique) et un poids de portique de 50 Kg en vertical avec également un déport du poids qui vrille le portique.

J'ai fait une simulation qui est assez proche d'une vrai structure avec Portique, Rail, support de broche et broche. Je m'appercoit que la broche est l'élément le plus faible. Ensuite vient le support de broche, puis la plaque qui est sur l'axe des Y. Ave cette simulation, j'ai beaucoup appris sur les déformations.

Ma conclusion pour avoir quelque chose de rigide (qui tient 1000N sur le plan horizontal avec un jeu max de 0.05mm) sans avoir un encombrement énorme est la suivante :
- Une broche très rigide (je comprends mieux maintenant pourquoi certaine broche ont 4 roulements...)
- Un support de broche et une plaque sur les Y en acier voire Inox.
- Le portique peut être en Alu mais un tube en acier usiné devrait couter moins cher.
- Le châssis peut être uniquement en Alu (je pense que la différence de prix Acier vs Alu devrait etre moins significatif que pour le portique)

Voila!

Qu'en pensez vous?