CNC/Portique fixe/Structure alu

[gomax69]

Bonjour à tous !

Me revoilà pour un un nouveau projet de fraiseuse à commande numérique. Très clairement ce sera une machine proche de celle que j'ai actuellement :

Je vous rassure elle fonctionne toujours aussi bien mais alors pourquoi changer ?

1. J'ai identifié un certains nombre de problèmes à l'utilisation (Pinces de broche trop petites/ course en Z trop limitée/ récupération des copeaux pas très pratique.
2. Je vais déménager dans peu de temps pour une maison donc je vais avoir moins de contraintes de place.
3. Parce que plusieurs personnes m'ont demandé mes plans de la V1. Hors j'ai tout fait au feeling donc quitte à refaire un 3D autant l'améliorer.

Un petit point sur ce que je veux :

1. Etre capable d'usiner sérieusement de l'aluminium, du carbone, du plastique en restant dans des tolérance ISO2768mk du premier coup (pour les cotes plus critiques une mesure puis une passe de finition en corrigeant artificiellement le diamètre le l'outil devrait suffire).
2. Des courses utiles augmentées à 400x250x200.
3. Une broche 2.2kw chinoise.
4. Une pince en ER20 minimum pour avoir des outils plus rigides et la possibilité d'avoir un palpeur.
5. Toujours facile à fabriquer avec des outils basiques.
6. Etre capable de mettre un petit étaux ou un petit mandrin sur la table tout en gardant de la marge sous la poutre pour la pièce.
7. Réutilisation de la motorisation de ma cnc actuelle (pas à pas nema 23 chinois)
8. Pourquoi pas l'ajout d'un 4eme axe

A partir de là je ne vais pas révolutionner mon premier design qui me satisfait complètement niveau rigidité mais on peut faire mieux. Je reste sur une structure alu avec des profilés type 45x90 et 45x45 "lourds" et un assemblage en caisson pour profité de la rigidité des tôles sur les 3 plans. Par contre évidement la basse du caisson est rallongée pour augmenter la course en Y sans toucher à la rigidité de l'ensemble, c'est l'intérêt des portiques. Je me retrouve donc avec une fraiseuse qui est exactement aussi large que la V1 (500mm+ épaisseur des tôles) mais 200mm plus profonde pour arriver à 700mm.

Premier objectif, réduire le porte à faux de la broche. On peut supprimer les supports de rails qui n'ont comme seule fonction que d'augmenter le porte à faux pour laisser la place pour les vis à billes :

Donc je décale les vis d'entrainement qui étaient initialement entre les rails et j'en profite pour passer sur des rails en 20mm.
Du coup pour le Z je me retrouve avec l'écrou de la vis à bille 1605 sur le même plan que la broche si la tôle de support de la broche est en 15mm :

Il ne reste donc plus qu'à ajouter une pièce pour faire la liaison. Autre avantage : si la hauteur de la vis à bille n'est pas parfaite par rapport aux chariot pas besoin de caler très précisément, la rotation de l'écrou plus la flexibilité de la tôle dans son épaisseur va absorber le défaut. C'est la même logique pour le plateau même si ici on ne peut pas compter sur la flexibilité de la table :

Forcement par rapport à la première version les dimensions des tôles ont été optimisées pour limiter la perte de course inutile que j'avais tout en simplifiant l'accès aux vis pour la maintenance.

Pour renforcer le portique une grande tôle vient sur l'arrière jusqu'à la base en une pièce pour la rigidité en X. Elle est ouverte au centre pour laisser la place à la pièce de passer mais elle sera liée aux flanc de portique sur toute la hauteur par des vis. Cette tôle permettra aussi une installation plus simple de la poutre puisqu'elle sera en appui sur la base, en gros elle supporte le poids non négligeable de l'ensemble pendant que je visse sur les côtés :

Je pense aussi mettre une grande tôle sous la machine pour fermer la base et lier solidement les profilés entre eux. L'épaisseur sera plus faible que pour les autres. Toutes les tôles de structure seront en 12mm d'épaisseur, 15mm pour le support de broche, 15mm pour le support de table, 3mm pour la tôle sous le portique qui empêche les copeaux de remonter sur la poutre.

Evidement la CAO est toujours en cours, des soufflets de protection sont prévus ainsi qu'un carter en plexi.
Je suis ouvert aux critiques ou aux bonnes idées d'amélioration.

Je mettrait en partage sur Grabcad l'ensemble de la CAO une fois que toutes les vis seront mises correctement et qu'il n'y aura plus de problème.

 

[Lechattom]

Il me semble que David (Dh42) avait posté une photo du Z de sa machine quelque part , la solution en terme d'entrainement était intéressante, la VAB restait au milieu de la platine et les blocs de guidage migraient sur la tranche ducoup moins de porte à faux à l'entrainement j'essaye de retrouver ça et j'édite si je main dessus

 

[Squal112]

Ne pas mettre les moteurs dans l'axe des VaB n'est vraiment pas pertinent mécaniquement parlant.
Et encore pire pour le fait de décentrer la VaB du Z des rails de guidage...

La mécaniquement, beaucoup de choses sont à revoir, une fraiseuse même type portique ce n'est pas la même conception d'une imprimante 3D...
Utiliser des profilés alu extrudés, c'est un choix vraiment cheap, car même de la meilleur qualité qui soit, ce n'est vraiment pas fait pour assurer une précision correcte, tant en terme de rigidité que de planéité...
Sans parler de la fixation par les écrou en T des rainures, c'est tout sauf fiable pour faire de la machine qui génère vibrations, chocs, accoups, c'est impossible de garantir une géométrie machine correcte dans le temps.

Ces profilés sont majoritairement utilisés dans l'industrie pour des chassis modulaires de postes de travail, voir cartérisation de machines spéciales, mais c'est totalement inadapté pour une fraiseuse.
Un chassis mécano-soudé ou mécano-boulonné (goupilles, vis) serait assurément un choix plus judicieux ne serait-ce que pour réduire les phénomènes vibratoires engendrés par la broche HF.

La conception d'une MOCN même de bureau c'est assez complexe, si tu as besoin d'aide ou de conseils, n'hésite pas.

 

[gomax69]

Ne pas mettre les moteurs dans l'axe des VaB n'est vraiment pas pertinent mécaniquement parlant.

Pourquoi ? Une transmission par courroie c'est une solution mécanique largement rependue. Ca permet de réduire l'encombrement de la machine.

Et encore pire pour le fait de décentrer la VaB du Z des rails de guidage...

Pourquoi ? Peu importe l'emplacement de la vis l'axe ne va pas se mettre en travers puisqu'il est guidé par les rails.

Utiliser des profilés alu extrudés, c'est un choix vraiment cheap, car même de la meilleur qualité qui soit, ce n'est vraiment pas fait pour assurer une précision correcte, tant en terme de rigidité que de planéité...

Oui c'est cheap mais on reste des amateurs avec des contraintes de fabrication avec nos outillages. Après essais c'est suffisant niveau rigidité pour mes objectifs :

Sur la vidéo c'est des passes de 10mm de profondeur et 1mm au rayon dans de l'alu 7075.

Tant que l'objectif est rempli peu importe la méthode.

Un chassis mécano-soudé ou mécano-boulonné (goupilles, vis) serait assurément un choix plus judicieux

oui les goupilles sont prévues mais avec un perçage uniquement à la fin une fois le réglage de la géométrie terminé.

la VAB restait au milieu de la platine et les blocs de guidage migraient sur la tranche ducoup moins de porte à faux à l'entrainement

Non ça change rien puisque c'est la hauteur de la vis à bille qui pose problème. Si elle ne bouge pas le porte à faux ne bouge pas non plus normalement ou alors j'ai pas compris.

 

[Squal112]

Pourquoi ? Une transmission par courroie c'est une solution mécanique largement rependue. Ca permet de réduire l'encombrement de la machine.

Largement répandue oui, mais c'est loin d'être idéal pour la précision, si les machines industrielles en font abstraction ce n'est pas pour rien. Une courroie crantée même bien tendue à toujours une certaine souplesse qui peut induire un jeu dans les axes, à moins que ces derniers ne soit parfaitement pré-contraints (double noix des VaB et chariots à billes).

Pourquoi ? Peu importe l'emplacement de la vis l'axe ne va pas se mettre en travers puisqu'il est guidé par les rails.

Sauf que les efforts sur les rails seront appliqués de biais... Alors oui ça ne va pas arc-bouter (quoi que il faudrait encore calculer les moments de couple engendrés sur les chariots et comparer avec les specs des dit guidages), mais mécaniquement on met toujours la transmission au centres des guidages, ce n'est pas de moi mais un principe de la conception mécanique, encore une fois il n'y a qu'à voir les machines industrielles.

Oui c'est cheap mais on reste des amateurs avec des contraintes de fabrication avec nos outillages. Après essais c'est suffisant niveau rigidité pour mes objectifs :

Sur la vidéo c'est des passes de 10mm de profondeur et 1mm au rayon dans de l'alu 7075.

Prendre de passe importantes c'est bien, assurer la précision, la répétabilité et un bon état de surface c'est mieux.
Rien qu'à l'oreille j'ai mal pour la fraise (vibration dans l'outil / chattering), avec une longueur pareille de sortie n'aide pas du tout à la chose.

oui les goupilles sont prévues mais avec un perçage uniquement à la fin une fois le réglage de la géométrie terminé.

Une goupille pour que sa fonction de positionnement (locating) soit assurée, c'est dans un trou tolérancé H7 voir H6 qu'elle doit être, donc utilisation d'un alésoir. (le mieux restant les goupilles coniques taraudés largement utilisées pour le positionnement des paliers de VaB sur les machines outils industrielles).
Je ne vois pas comment tu peux assurer un bon positionnement et maintient de la goupille en contre-perçant après montage.

Après chacun fait comme il veut ^^

 

[arba]

Je ne suis pas non plus fan des VàB déportées. Notamment pour la table c'est facile de la mettre au milieu. Il existe aussi des VàB avec des écrous bas profil, pareil pour les supports.

Pour les transmissions pour avoir utilisé les 2 méthodes (courroie et couplage direct), je ferais tout pour éviter les courroies. Non seulement ça complique les choses, mais les poulies de qualité sont chères (60€+ la poulie) et rares. Pour l'axe de la table et du portique tu peux facilement faire un couplage direct, il y a la place en regardant tes dessins.

Si tu veux vraiment optimiser le porte-à-faux de la broche tu as aussi les patins bas profils (mais plus larges). C'est aussi ceux que je mettrais pour la table, la surface d'appui est plus grande.

 

[gomax69]

si les machines industrielles en font abstraction ce n'est pas pour rien

On est dans la section des cnc d'auto-constructeurs donc par définition pas industrielles.

mais mécaniquement on met toujours la transmission au centres des guidages

Toujours ? pourtant l'immense majorité des tours à métaux conventionnels ont une vis mère déportée par rapport au banc pour éviter que les copeaux tombent dessus. Personnellement je n'ai jamais vu un tour s'arc bouter donc là avec des guidage à bille c'est juste impossible, pas besoin de calcul.

Prendre de passe importantes c'est bien, assurer la précision, la répétabilité et un bon état de surface c'est mieux.

Tant que je suis dans des tolérances iso2768mk du premier coup sans me poser de question c'est bon, de toute façon j'ai rien pour mesurer très précisément le diamètre des fraises 3dents. Pour les cotes plus difficiles à obtenir une passe de finition permet d'augmenter la précision.

Je ne vois pas comment tu peux assurer un bon positionnement et maintient de la goupille en contre-perçant après montage.

Une fois les deux pièces mises en position il suffit de percer les deux ensemble et y insérer une goupille en force. Si la précision de perçage n'est pas très bonne une goupille fendue fera l'affaire, il suffit ensuite de remplir le centre de la gouille avec de la résine époxy pour éviter de l'écraser. Avec cette astuce les pièces ne risquent plus de bouger avec les vibrations.

Ce n'est pas une technique dans les règles de l'art de la mécanique mais sans matériel on se débrouille comme on peut. Encore une fois le point 5 du cahier des charges c'est : "facile à fabriquer avec des outils basiques".

 

[gomax69]

Il existe aussi des VàB avec des écrous bas profil, pareil pour les supports.

Je ne suis jamais tombé sur ça encore, je vais regarder en espérant que ça se trouve avec des prix aussi abordables que les dimensions classiques. Je vais aussi voir ce que je peux gagner avec les patins bas.

mais les poulies de qualité sont chères

Pas besoin de poulie haute qualité. Sur l'actuelle j'ai des poulies aliexpress qui font très bien le travail.

 

[Coyote94]

Beau projet

Autant déporter la VAB du X me semble une bonne idée, autant les 2 autres ça me parait bizarre. Les rails côté VAB vont prendre toute la force, enfin ce n'est que l'avis d'un amateur qui est encore à faire sa structure

Je vais te piquer l'idée de la plaque arrière

Tu le positionne où le moteur du Z ?

 

[Mcar]

D'un point de vue mécanique, cette configuration de VAB déporté à droite ou à gauche des rails provoque un couple de rotation que les rails devront absorbées et en contre réaction c'est la vis à bille qui devra l'absorber également. c'est à dire sur l'écrou et en torsion sur la vis. (en exagérant, formation d'un " S " sur la vis entre ses deux paliers) et c'est ce point qui me parait le plus délicat.
Donc, plus les efforts de coupe seront importants, plus la contre force sur la table exercée par la VAB+ moteur seront important, majorés exponentiellement par des efforts de frottements provoqués par la force nécessaire à la coupe .
En théorie, la conséquence étant de devoir surdimensionner la VAB + le moteur PAP + les rails. .

Mais, ... mais, admettons le, même si c'est possible et réalisable, c'est pas vraiment une solution "mécanique".

sur le Z, les efforts de coupe sont nécessaires uniquement en plongée, donc plus limités et acceptables,
mes propos s'appliquent donc plus généralement sur le plan XY.

D'ailleurs puisque la notion de machine industrielle a été évoquée, la configuration de la VAB déportée est très couramment utilisée sur l'axe Y en configuration broche horizontale, car au milieu il y a la broche et son moteur brushless . je dois rajouté que systématiquement dans ce cas, à l'opposé et à cause du poids de l'ensemble, il y a un vérin (voir deux ) de compensation.

 

[gomax69]

Les rails côté VAB vont prendre toute la force

Non l'hyperstatisme induit par le fait qu'on utilise quatre chariots par axe et pas un seul mets naturellement une précontrainte dans l'axe. Ca induit forcement une transmission d'efforts sur l'autre rail.


Je comprends bien vos inquiétudes sur cette architecture peu conventionnelle. Je Pense que j'ai mal exprimé la logique ou pas assez développé mon raisonnement derrière ce choix technique :

D'un point de vu rigidité, la structure alu est l'élément limitant c'est clair. Les rails et patins vont se déformer de quelques centièmes maximum sous les contraintes d'usinage. Je parle bien de déformation et pas des jeux. Le châssis vu sa taille a de fortes chances de bouger avec un ordre de grandeur au dixième.
En statique sur la V1 j'avais une déformation mesurée de la machine de 0.005mm/N sur le pire des axes, le Z dans mon cas (0.05mm mesuré avec 10kg de charge entre le support de broche et la table). Dans cette déformation je pense que le châssis est responsable de 95% au moins et les rails sont responsables du petit reste.

J'en déduis qu'il faut travailler sur le châssis, ça paraissait évident. Le soucis étant que mes moyens de fabrication et mon budget sont limités donc un changement de technologie radical du genre structure acier soudé ou granite époxy est exclu. Avant de me dire que l'alu est plus cher je préfère prévenir que j'ai déjà la matière avec ma cnc V1 plus des morceaux récupérés. Comme je suis satisfait de capacités de ma machine actuelle et comme je suis "bloqué" sur cette architecture au vu les courses nécessaires, je ne voulais pas prendre de risque et me concentrer sur l'amélioration de la rigidité de ce châssis.

Du coup quelles sont les points critiques sur une architecture type portique ? Le portique évidement avec principalement deux points de vigilance à avoir : les flanc et le porte a faux de la broche. Hors les flancs avec une poutre aussi haute ne posent pas vraiment de problème vu la faible différence de rigidité entre les axes X et Y sur ma V1.
Avec tous ces éléments je pense que réduire de 25% le porte à faux du support de broche par rapport à la poutre est la meilleure solution pour améliorer la rigidité. Je préfère sacrifier quelques microns de défauts en "détériorant" les conditions d'utilisation des rails et des vis à billes pour récupérer des centièmes sur le châssis. La somme des gains/pertes reste clairement dans le positif.
Pour la table je peux comprendre que le gain est plus discutable. L'intérêt était surtout d'augmenter la hauteur disponible sous portique sans toucher à la hauteur des flancs du portique. Augmenter la hauteur des flanc est vraiment une solution à éviter au maximum.

J'espère avoir été plus clair sur les raisons de ce choix technique. Mais si vous pensez que je me plante dans une étape du raisonnement je peut revoir ma position.

 

[FTX]

Bonjour

Beau projet. Sympa de le partager. Si le but est une meilleur machine que la première en haut. Pourquoi ne pas faire sa grande sœur plus rigide avec plus de course. La deuxième machine présentée plus grande est critiquable en tous point par rapport à la première.
Autrement tu peux t inspirer des conceptions de sorotec qui fait des machine alu assez precise.

Pour les courroies ce n'est pas un problème si tu cherche les centième de mm. Et ça facilite l accouplement de vis.

Ftx

 

[el patenteux]

Chacun fait comme il veut,moi personellement j'usinne une poche a l'arriere de la plaque pour encastrer l'écrou a bille.
Pour ce qui est de la miniscule déportation a priopri rien a craindre,déja vu des portique de 3 m de large avec une seule jambe.