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Conception d'une fraiseuse 3 axes pour l'acier

Discussion dans 'Projets de fraiseuse et portique d'usinage CNC' créé par maxcnc, 6 Avril 2015.

  1. maxcnc

    maxcnc Apprenti

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    Conception d'une fraiseuse 3 axes pour l'acier
    Bonjour à tous,

    Tout d'abord une rapide présentation de moi, je m'appelle Maxime, j'ai 22 ans. Cela fait plus 6 ans que je suis inscrit sur le forum, je n'ai pas beaucoup posté jusqu'à maintenant mais beaucoup lu et appris.
    Concernant les études, j'ai fait des classes prépas puis une école d'ingénieurs, et maintenant je me suis plus orienté vers la robotique. Donc je dirais que les maths, les calculs et l'électronique ne me font pas peur :wink: et j'aime bien ça.

    Le projet de concevoir une fraiseuse numérique me trotte depuis un moment dans la tête, quelques années même, donc c'est un projet qui me tient à cœur.
    Mon objectif général est de réaliser une cnc 3 axes capable d'usiner de l'acier.

    Voici une photo générale de la 3D, en cours de conception, pour présenter l'architecture de la machine, une structure en caniveau avec un portique mobile

    Fraiseuse_V1_Apercu.jpg

    Cahier des charges
    Le cahier des charges (version courte) que je me suis fixé est le suivant :

    § Courses :
    · X : 580 mm.
    · Y : 580-800 mm. (pour l'instant 580 mm)
    · Z : 500 mm.
    § Vitesse de déplacement des axes :
    · X, Y, Z : 10-30 m.min-1.
    § Accélération : 1 à 3 m.s-2.
    § Précision : 0.01 à 0.05 mm. Tout n'est pas défini à l'avance, je ferai l'étude dans les deux cas pour voir le coût des deux solutions.
    § Broche : changement automatique d'outils, 2 à 4 kW. Vitesse de rotation : jusqu'à 5000-6000 tr.min-1.
    § Lubrification : micro-pulvérisation, huile entière.
    § Options : Que tout soit intégré dans le chassis et la structure de la machine, système de lubrification centralisée.
    § Poids estimé : 1500-3000 kg.
    § Démontage de la machine et transport, réglages possibles.

    A partir de ce cahier des charges, j'en ai déduit les efforts de coupe au niveau de la fraise pour ensuite remonter sur la structure, axe Z, poutre Y puis chassis pour dimensionner la structure et la motorisation en conséquence.

    Chassis

    Vu les outils et les capacités dont je dispose, je suis parti sur une structure en acier boulonnée, de tubes carrés en acier de 100*100 mm. Concernant leur assemblage, je n'ai pas d'idées qui m'emballent vraiment pour l'instant.

    Mettre des équerres ? Des cornières ? Mix collage et boulonnage ? Des avis ?

    Je suis en train de réaliser toutes les simulations des différents éléments sous Solidworks pour dimensionner les éléments, notamment l'épaisseur des tubes pour le chassis ou des différentes plaques.

    Rails de guidage

    Concernant le guidage, j'ai eu la chance de récupérer ou d'acheter des rails de guidage à recirculation rouleaux de marque INA de taille 45.

    Le matériel dont je dispose est le suivant
    - 2 rails de 2000 mm.
    - 2 rails de 1850 mm.
    - 2 rails de 850 mm.
    - 10 chariots RWU 45.
    - 4 chariots RWU 45 (ce n'est pas tout à fait le même modèle que ceux du dessus, ils ne sont pas interchangeables)
    - 4 chariots amortisseurs.
    - (un rail de 800 mm et deux chariots RUE 55 que je vais probablement revendre).

    Voici une photo de l'ensemble des rails de guidage

    RailsChariots.jpg

    Pour donner une idée de la taille, le réglet qu'on voit au milieu à gauche est un réglet de 15 cm.

    Les caractéristiques rapides de ces chariots, ceux sont de beaux bébés :
    - Charge statique : 275 kN
    - Charge dynamique : 115 kN.
    - Moments : 2410, 6770 et 6095 Nm.
    - Poids : 4.4 kg par chariot et 9.4 kg/m pour les rails.

    Concernant leur utilisation, je m'oriente vers :
    - X : 3 chariots et 3 rails de 1000 mm.
    - Y : 2 rails et 4 chariots, longueur 1400 mm.
    - Z : 2 rails et 6 chariots (ou 4), longueur 1200 (1000) mm.

    Transmission / Motorisation

    Concernant la motorisation et la transmission, je pars sur des vis à billes que j'ai déjà.

    Ballscrews.jpg

    Les vis à billes,
    - 2 Gamfior, Diamètre 50 mm, pas de 10 mm, double écrou, précontrainte à 1 Nm (estimation rapide) course 580 mm
    - 1 NSK, diamètre 40 mm, pas 5 mm, course 500 mm.

    Pour la motorisation, ce sera en servomoteur AC probablement. En terme d'estimation pour la puissance pour l'instant (à la louche), je pars sur :
    - X : 600 W.
    - Y : 400 W.
    - Z : 600 W.

    Electronique et commande

    Je verrais en fonction du temps que j'ai mais je ferais éventuellement un contrôleur de servomoteurs brushless AC à contrôle vectoriel avec ses propres transistors (mais ce sera l'occasion d'un autre sujet). Sinon j'essaierai d'en récupérer.

    De même pour l'alimentation, cela dépendra du matériel que je peux récupérer.

    Evolutions

    Une des évolutions que j'ai prise en compte dès le début de la conception a été la possibilité d'ajouter deux axes supplémentaires sous la forme d'un plateau (type table tilting) sur le plateau. C'est notamment pour ça que la table a une surface de 1200*1000 mm.

    J'ai récupéré des pièces d'un diviseur numérique 2 axes de Nikken et je compte bien repartir de ces pièces pour en refaire un qui réponde à mes besoins. Je mettrai une photo des pièces plus tard.

    De même, en fonction des simulations et notamment des fréquences de résonance, je m'orienterai peut-être vers des tubes en acier avec du béton à l'intérieur.


    Conclusion

    C'est un projet ambitieux. Comme je pars en stage pendant 5 mois à l'étranger, je pourrais difficilement avancer concrètement sur la construction mais je compte terminer complètement la phase de conception et de simulation, avoir commandé ce que je ne pourrais pas faire usiner et faire réaliser certaines pièces.

    Je détaillerai au fur et à mesure de ma conception les calculs, les différentes étapes et les choix que j'ai faits.

    Si vous avez des remarques, des suggestions, des commentaires, vous êtes les bienvenus.

    Merci de m'avoir lu,
    Maxcnc

    PS: j'avais déjà commencé un sujet sur la conception d'une machine semblable mais je n'en avais pas vraiment eu le temps alors que j'étais en prépa, pour ne pas déterrer un sujet ancien, j'en fait un nouveau.
    http://www.usinages.com/projets-fra...-cnc/cnc-axes-puis-axes-pour-acier-t8520.html
     
  2. albanmoplin

    albanmoplin Apprenti

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    Conception d'une fraiseuse 3 axes pour l'acier
    Bonsoir,

    Pour commencer, je suis en admiration sur ton projet, félicitation !
    J’avoue que c'est un très bon début, tu as déjà bien ficelée ton cahier des charges et c'est une très bonne chose pour ne pas s’égarer.

    J'aime bien ton idée de portique sur trois rails, c'est très ingénieux, et au niveau rigidité ce doit être le top je pense,

    Je te souhaite bonne chance dans cette aventure, et je me ferais un plaisir de t'aider avec mes frêles connaissances et les conseils que l'on ma donnés pour ma conception actuelle ici si je peux :)

    Amicalement
    Alban
     
  3. maxcnc

    maxcnc Apprenti

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    Conception d'une fraiseuse 3 axes pour l'acier
    Bonsoir Alban,

    Merci pour les encouragements, j'ai regardé ton sujet avec attention, c'est également un très beau projet.

    Pour la conception à trois rails, on va dire que cela résulte de plusieurs facteurs, le fait que j'ai déjà trois vis à billes, que de cette façon je peux intégrer tous les éléments dans le chassis et que cela permet de soulager le dimensionnement de la poutre en Y.

    Après, ça existe déjà sur des centres d'usinage pro comme les machines Hermle, notamment la C40.

    Amicalement,
    Maxcnc
     
  4. stanloc

    stanloc Compagnon

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    Conception d'une fraiseuse 3 axes pour l'acier
    Juste quelques remarques sur les chiffres qui m'impressionnent.
    Les vitesses envisagées et surtout les accélérations sur une machine très lourde (même si les masses en mouvement sont la part congrue, quoiqu'une broche de 4 kW à changement d'outil automatique va peser le poids d'un âne mort)
    Je pense qu'il te faut faire quelques calculs pour voir si tout ça c'est cohérent avec la taille des moteurs.
    Mais ce qui manque le plus dans ton esquisse c'est (et tu le dis toi-même) les assemblages. Et c'est là que se décidera la qualité de ta cnc.
    Es-tu sûr qu'avec un chassis en tube d'acier de cette dimension tu vas arriver à un poids total de 1500 à 3000 kg ?
    Bref pour moi c'est "wait and see". Consulte quand même ton banquier pour voir s'il te suit sur ce projet.
    Stan

    Ne pas oublier de faire l'acquisition de moyens de levage/manutention conséquents
     
  5. maxcnc

    maxcnc Apprenti

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    Conception d'une fraiseuse 3 axes pour l'acier
    Merci de tes remarques Stan, en effet cela nécessitera des calculs. Pour l'instant, les estimations données correspondent à une prise directe sur la vis à billes ou avec une réduction de 1:2 avec un servomoteur à une vitesse de 3000 tr.min -1 .

    Pour les assemblages, je suis en pleine réflexion, je n'ai pas de solutions idéales ou qui me semblent la plus appropriée. Si quelqu'un a des idées, des suggestions, je suis à l'écoute.

    Pour l'instant pour le poids, les estimations me donnent 1100 kg.
    En effet, le banquier est au courant et de ce côté ça va. :-D
    Mais il reste encore beaucoup de chemin à parcourir avant d'arriver à avoir la fraiseuse dans mon garage, c'est certain, c'est aussi pour ça que je me donne quelques mois pour finaliser toute la conception et ne pas faire d'erreurs ou le moins possible.

    Maxcnc
     
  6. stanloc

    stanloc Compagnon

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    Conception d'une fraiseuse 3 axes pour l'acier
    Toute la réussite d'un châssis tient à ce que l'on a choisi l'architecture et comment on fera les assemblages dans la même foulée. Mettre deux pièces l'une sur l'autre sans savoir comment on va les assembler est peine perdue. Ton dessin oblige à ne voir qu'un mode d'assemblage qui est la soudure mais cette architecture empreintée à la construction métallique d'un hangar n'est pas idéale lorsqu'on veut tenir des dimensions et une géométrie exigeantes. De la même façon prendre du tube lorsqu'on vise les milliers de kilogrammes n'est pas le plus approprié. Du tube de 100 x 100 x 8 mm pèse 22 kg/m donc je ne pense pas qu'il va t'en falloir une centaine de mètres.
    Des pièces massives en acier ou en fonte se prêtent mieux à satisfaire le cahier des charges tout en facilitant le choix dans les assemblages. Dans cet démarche pourquoi ne pas partir d'un "marbre" en fonte d'occasion sur lequel on vient boulonner des blocs d'acier constituant les parois du caniveau ? C'est une piste.
    Stan
     
  7. Rider63

    Rider63 Compagnon

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    Conception d'une fraiseuse 3 axes pour l'acier
    Salut! Projet ambitieux et interesant , ça me plait!

    moi aussi je ne comprend pas comment tu peut arriver a 1500 kg voire 3 tonnes avec un assemblage de tube...

    personnellement j'ai choisit de faire la mienne en mécano soudé, recuit, puis reprise de la géométrie par fraisage, pour des courses sensiblement équivalentes, je suis a environ 400kg en tole de 6. j'ai un post dessus.

    a voir la précision que tu vise, comment prévoi tu régler ta géométrie une fois le chassis assemblé?

    tu devrai aussi te pencher sur la solution béton si le poids ne te fait pas peur :wink:
     
  8. stanloc

    stanloc Compagnon

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    Dernière édition par un modérateur: 16 Avril 2015
  9. maxcnc

    maxcnc Apprenti

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    Conception d'une fraiseuse 3 axes pour l'acier
    Pour le poids, je parlais du poids de la machine globale, pas juste du châssis. Les 3000 kg c'était si je remplissais les tubes avec du béton. Mais pour les valeurs, c'était juste des hypothèses pour donner un ordre de grandeur, donc sans vraiment d'importance.

    Après pour le châssis, je vais regarder ça de manière plus détaillée et comparer les différentes solutions qui s'offrent à moi :
    - Epoxy/granite comme celle de micluc.
    - Fonte.
    - Béton fibré et ferraillé.
    - Blocs d'acier.
    - Tubes d'acier.
    - Profilés en acier.

    Avec ça je ferai mon choix en fonction du poids total du châssis, du poids des différents éléments, du coût, de la complexité de réalisation, des réglages à faire et des moyens nécessaires.

    Pour ton projet Rider63, j'ai vu que tu as aussi évolué d'une structure en tube vers une structure en panneau soudé, donc je suis ça de près.

    Pour le réglage des rails et de la géométrie, je pense couler un lit de résine epoxy qui m'assurera la planéité des portées de rails. Ensuite pour les équerrages entre les différents axes, partir sur des solutions de vis pression comme préconisé déjà pour le montage des rails INA et des joints en polymère pour assurer un positionnement précis entre deux éléments comme vu dans la thèse Principles of Rapid Machine Design.

    Merci pour le lien Stanloc, tu l'avais déjà posté dans un précédent sujet et effectivement j'avais trouvé le concept intéressant.
    Pour l'instant, rien n'est arrêté pour le châssis, donc je me renseigne au maximum.

    Maxcnc
     
  10. el patenteu

    el patenteu Compagnon

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    Conception d'une fraiseuse 3 axes pour l'acier
    Si la machinne est directement destinné a l'usinnage des métaux ferreux alors abandonne les tubes au profil de blocs pleins(étiré a froid).
    En les utilisant de facon judicieuses ont peut largement simplifié ton croquis.
    Ah ce qu'elle me fait rever cette cn bleu Stan!!
    Le jour ou je ferai la mienne ca risque d'etre un copier/coller.....tiens y'a justrement des section de rails(de trains) abandonnés qui trainnent tout pres.... :whistle:

    Fred
     
  11. ybou30

    ybou30 Modérateur

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    Conception d'une fraiseuse 3 axes pour l'acier
    Salut à tous,

    Pas d'étiré à froid: usiné, il se déforme allègrement :oops:
    Du laminé à chaud, oui. :wink:

    Cdlt,
    Yanik
     
  12. el patenteu

    el patenteu Compagnon

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  13. stanloc

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    Conception d'une fraiseuse 3 axes pour l'acier
    Et c'est bien pour ça qu'on l'utilise. Si on doit faire des usinages je ne vois pas l'intérêt de l'étiré.
    Stan
     
  14. ybou30

    ybou30 Modérateur

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  15. stanloc

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    Conception d'une fraiseuse 3 axes pour l'acier
    Pour fixer les idées, voici un extrait de la doc d'un fabricant :
    L'acier étiré est produit sans enlèvement de copeaux, à partir de barres ou de fils laminés à chaud. L'opération d'étirage donne une précision dimensionnelle nettement plus élevée que pour les produits en acier façonnés à chaud. La précision dimensionnelle est également une condition indispensable à l'aptitude au façonnage sur machines automatiques multibroches, qui permettent la production de pièces tournées d'une extrême précision, conformes aux plans.
    L'opération d'étirage accroît aussi les propriétés de résistance (résistance à la traction et limite élastique).
    Sur les aciers à faible teneur en carbone, cette opération améliore aussi l'usinabilité.
    L'écrouissage obtenu par l'opération d'étirage peut être supprimé ensuite sur toute les nuances d'acier par un traitement thermique en aval.
    Sur des chaînes de fabrication ultramodernes, nous étirons de l'acier blanc de haute précision dimensionnelle, grande qualité de surface et avec propriétés mécaniques
    définies d'une barre à l'autre, d'un anneau à une barre et d'anneau à l'autre. Afin de pouvoir réaliser pendant l'étirage des barres également de grandes sections
    transversales d'une extrême précision, nous travaillons sur des bancs d'étirage de barres d'une force de traction allant jusqu'à 100 tonnes.
    Grâce à un enchaînement ultramoderne des parties de l'installation, nous sommes en mesure de décaper, d'étirer, de dresser et de scier de l'acier blanc sans usinage complexe à partir de matériau laminé. Pour rationaliser la production, un contrôle par courants de Foucault pour détecter les défauts de surface et une machine automatique d'usinage des extrémités sont intégrés dans notre fabrication. Nous produisons des anneaux en acier blanc par étirage jusqu'à un diamètre de 40 mm.


    Stan
     
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