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Réalisation d'une fraiseuse CN 3 axes pour métaux en gros tubes

Discussion dans 'Projets de fraiseuse et portique d'usinage CNC' créé par Momoclic, 28 Juin 2017.

  1. Momoclic

    Momoclic Compagnon

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    Réalisation d'une fraiseuse CN 3 axes pour métaux en gros tubes
    Bonjour à tous,

    Pour faire suite à l'"Étude d'une CN 3 axes en très gros tubes" de 8mm d'épaisseur et à l'approvisionnement de la majorité des composants nous allons passer à sa réalisation.

    Avant de commencer voici en rappel une synthèse du projet et de mes capacités.
    Vous pourrez aussi y trouver les différents documents qui m'ont aider à résoudre certains problèmes.
    Enfin je mets les liens vers différents fournisseurs contactés ainsi que ceux chez lesquels je me suis fourni et les prix payés.
    Pour la suite je réunirais les principaux éléments de cette réalisation dans les trois premiers messages de cette discussion (en espérant que ce sera suffisant :wink:) au fur et à mesure de l'avancement des travaux.

    Objectif

    Construire avec un budget raisonnable une fraiseuse 3 axes à commande numérique pour un usage amateur mais avec de bonnes performances en précision et rapidité.

    Moyens


    Depuis mon enfance je baigne dans la mécanique automobile. J'ai réalisé des prototypes et pour ce faire ai pratiqué en amateur plusieurs types de soudures, le tournage et le fraisage. Cependant je ne pratique quasiment plus depuis plus de 30 ans.
    Mes lacunes les plus profondes sont autour de l'électronique, mais l'informatique et la programmation ne me causent pas grand souci.
    Suite à ma mise à la retraite je me suis formé, merci le Web et YouTube, au dessin 3D. Maintenant je maîtrise assez bien Sketchup mais ses lacunes dans le domaine de la mécanique m'incitent à m'orienter vers un produit plus approprié.

    - Outillage
    Caisse à outils de mécano
    Multimètre
    Outillage électroportatif traditionnel
    Meuleuse d'angle 2200w
    Scie circulaire pour bois et métaux 230mm
    Petite perceuse à colonne 16mm
    Poste soudure oxyacétylénique
    Poste soudure à l'arc

    - Usinage
    Un ami gère une petite société de fabrication mécanique. Il sera en mesure de me faire, contre monnaie sonnante et trébuchante, découpes, usinages et surfaçages indispensables à l'obtention d'une précision correcte.

    - Métrologie
    Réglets
    Pied à coulisse au 1/50
    Comparateur au 1/100 et support magnétique
    Inclinomètre/niveau précision 0,02°/m
    Équerre à chapeau 160x250mm de classe 1
    Petit marbre 300x400mm
    Par ailleurs je peux disposer d'une règle de précision en fonte d'un mètre et probablement d'autres outils...

    - Commande Numérique

    Micro-ordinateur de récupération sous Windows 7
    Logiciels Mach3 et CamBam (nob acquis à ce jour)

    - Finance

    Au départ j'avais estimé mon budget autour de 1500€, aujourd'hui je sais que ce sera plus près de 2000€ sans l'informatique.

    - Délai
    Comme chacun sait "le temps c'est de l'argent" donc pour en faire beaucoup je prends mon temps :wink: En résumé ça prendra, comme le canon pour refroidir : un certain temps !

    Maintenant que nous disposons de moyens, définition une mini cahier des charges.

    Cahier des charges

    Au fil de mon étude ce cahier des charges est devenu un peu plus ambitieux qu'au départ. Tant au niveau de la qualité, de la précision espérée ou des matériaux usinables.
    Le but étant la réalisation de pièces plus ou moins complexes en bois, matières plastiques, aluminium et l'acier. Les couses définitives des trois axes ont été arrèté au fil des contraintes et des chois technique retenus :
    X : 430 mm
    Y : 330 mm
    Z : 130 mm

    Précision : quelques centièmes de mm dans l'aluminium voire l'acier.

    Avoir aussi la possibilité de placer des panneaux de bois, de plastiques ou des pièces plus grandes que les capacités d'usinage.
    Ce dernier critère et d'autres raisons, m'ont amené à imaginer une conception originale. Au départ je pensais réaliser une machine à portique fixe mais cela m'infligeait beaucoup de contraintes. La lecture des divers forums, les réalisations présentés ainsi que les suggestions avisées de forumeurs m'ont aidé à arrêter un choix d'architecture. Un autre élément qui a été déterminant dans le choix de cette architecture, c'est que le récupérateur de métaux, à proximité de mon domicile, disposait de chutes de très gros tubes de 8 mm d'épaisseur en 200x200 mm et en 150x250 mm.
    La disponibilité des ces matériaux m'a renforcer dans l'idée de pouvoir concevoir et réaliser une machine capable de tailler dans l'acier avec une relative précision. Certes ceci ne se réalisera pas sans contraintes et l'une d'elle est essentielle : la broche.

    Dans une premier temps je me contenterais d'une électro-broche chinoise de 2,2 Kw avec pince ER20 et refroidie par eau. Par la suite je peux imaginer soit de fabriquer un réducteur à poulies, soit d'acquérir une broche plus adaptée.
    Afin d'obtenir précision et robustesse suffisante j'ai opté pour de rails prismatiques HIWIN de 20mm et des vis à billes de 16 mm au pas de 5 mm.

    La démarche qui m'a conduite à ces concepts se trouve ici

    Voici une image de l'avant projet :

    [​IMG]

    Notez qu'il m'aura fallu environ six mois de réflexions et discussions pour en arriver là, merci aux intervenants qui ont permis cette élaboration. Les plans ne sont pas encore définitifs, ils sont en cours d'adaptation depuis que j'ai tous les composants entre les mains.

    Et quelques tripes de la machine :

    [​IMG] [​IMG]

    Les profils et dessins des rails et vis sont symboliques, il sont là pour définir les emplacements et espaces occupés.

    Estimation des poids

    Les poids ont été estimés, un peu à la louche, entre autres pour déterminer le couple nécessaire aux moteurs pas à pas.

    Structure : ~ 85 kg
    Axe X : ~ 35 kg
    Axe Y : ~ 35 kg
    Axe Z : ~ 15 kg
    ________________
    Total vide : ~170 kg

    Ce résultat considère que les tubes sont vides. Comme chacun le sait des tubes vides ça résonne... J'ai donc envisagé deux hypothèses en cas de vibrations et bruits excessifs.
    Pour cela je me suis servi d'une thèse : Principles of Rapid Machine Design.pdf
    Hypothèse 1 : Remplir les tubes de sable sec (masse volumique 1,5), selon l'étude l'amortissement réduit la seconde oscillation de 50%.
    Hypothèse 2 : Créer une peau à l'intérieur avec un béton non rétractable (masse volumique 2), plusieurs techniques possibles, d'une efficacité redoutable !

    Pour les deux cas j'arrive à des poids quasi équivalents, l'expérimentation sera donc de mise !

    Structure : ~175 kg
    Axe X : ~ 35 kg
    Axe Y : ~ 60 kg
    Axe Z : ~ 15 kg
    _________________
    Total chargé:~285 kg

    Il en résulte que déplacer l'axe Y équivaut à déplacer plus de 75 kg (Y + Z + effort de coupe) avec des accélérations de 0,5 G.
    Valeurs retenues pour les calculs des moteurs pas-à-pas.

    Dorénavant je dispose de suffisamment d'éléments pour établir mes besoins.

    Un peu de prospection


    Avant de fixer définitivement mes choix j'ai fait quelques demandes auprès de divers fournisseurs Français et étranger pour comparer un peu les rapports qualité/prix :

    - Guidages

    Chez HIWIN France les rails HGR15 et patins HGW15 me coutait 600 €.

    Ensuite j'ai consulté ce site : https://fr.aliexpress.com/store/2807032?spm=2114.12010615.0.0.5n2ygj

    Voila la propos qui m'a été retournée en HIWIN avec une note intéressante en bas... :

    2 pcs Hiwin rails HG15-350mm with 4 pcs HGH15CC patins
    2 pcs Hiwin rails HG15-650mm avec 4 pcs HGH15CC patins
    2 pcs Hiwin rails HG15-700mm avec 4 pcs HGH15CC patins
    1 vis à billes DFU1605-300mm Avec 1 pcs DOUBLE BALNUTS, usiné fin
    1 vis à billes DFU1605-450mm Avec 1 pcs DOUBLE BALNUTS, usiné fin
    1 vis à billes DFU1605-650mm Avec 1 pcs DOUBLE BALNUTS, usiné fin
    3 ensembles BK / BF12 palier monté supporte d'extrémité avec contre-écrous et circlips
    3 pièces / supports Boitiers écrou à billes
    399 USD au total.
    les coûts de transport aérien est inclus.
    Vous pouvez recevoir le colis dans 7-14 jours après vous passez la commande.
    Si vous acceptez cette Meilleur prix spécial pour vous, s'il vous plaît laissez-moi savoir votre Paypal Email et votre numéro de téléphone. Je vais envoyer la facture Paypal pour vous.
    Merci
    (NOTE: Si nous listons l'ensemble sur Aliexpress, nous devons ajouter 40 USD Frais Donc le total sera de 439 USD.)


    Ce qui fait environ 450 € frais de douane inclus, c'est à dire ~150 € de moins que depuis la France et avec les vis à billes et accessoires (non HIWIN) en plus.

    - Motorisation des axes

    Pour moi certainement le choix le plus délicat. J'ai monté pas mal d'hypothèses et fait de nombreux calculs avant d'arrêter mes choix.
    Une excellente synthèse du fonctionnement des moteurs pas-à-pas et des calculs nécessaires à leur mise en œuvre :
    http://www.vapeuretmodelesavapeur.com/patrickleclere2/index.html
    http://www.vapeuretmodelesavapeur.com/patrickleclere2/moteur-pap-m-mento-ok-v0.1.pdf
    Oriental Motor, entre autres, m'a bien aidé pour le calcul du couple nécessaire : http://www.orientalmotor.com/support/motor-sizing.html
    Et celui-ci pour la vitesse de rotation des moteurs pas à pas : http://www.daycounter.com/Calculators/Stepper-Motor-Calculator.phtml
    D'autres éléments m'ont aussi aidé à faire mon choix, vous les trouverez ici : http://www.usinages.com/threads/etu...taux-en-gros-tubes.95198/page-17#post-1100814

    J'ai demandé plusieurs propositions, pour aussi essayer de confirmer mes calculs, mais à environ 300 € par axe...
    Ces calculs m'ont fait retenir un couple de 2,2 Nm avec une vitesse de 1000rpm. Des accélérations de 0,5 m/s² ont été prises pour ces calculs.

    Pour les pilotes (drivers) des moteurs pas à pas j'ai choisi la marque Leadshine, mais toujours pour la même raison je les commande en Chine.
    Les DM542 devraient convenir (50 volts jusqu'à 4,2 ampères à 200 Khz)

    Comme chacun le sait, il est très difficile sur les sites chinois d'avoir les caractéristiques des matériels. Après de nombreuses recherches et comparaisons j'ai fini par trouver ce qui, j'espère, fera mon bonheur pour un prix total équivalent à un axe des offres précédentes. Afin de garantir de bonnes vitesses de déplacement j'ai opté pour une alimentation à découpage 48v de 600w "Mean well". Ceci semble largement dimensionné, mais j'utilise déjà la même, comme ça en cas de soucis j'ai une option de dépannage.

    Cherchant à protéger les moteurs et à avoir une solution de repli en cas de couple insuffisant, les vis à billes ne seront pas entrainées en direct mais par courroies crantées.
    Pour obtenir une bonne précision il m'a été déconseillé d'utiliser le profil AT pour les poulies et courroies. Le profil GT s'avère être le "top" mais hors de prix, je me suis donc rabattu sur le HTD beaucoup plus raisonnable. Soit 6 poulies de 24dents, maximum possible en bout de vis pour passer derrière les tables, au pas de 5 mm en largeur 15 mm.
    Les informations et calculs essentiels de ces types de courroies et poulies ce trouvent dans ce document.

    - Charge Anti-vibrations

    Pour créer une "peau" anti-vibratoire à l'intérieur des tubes je me suis renseigné sur les produits potentiels. Parexlanko (vendu par les marchands de matériaux), la société m'a recommandé, pour mon utilisation, ce produit prêt à l'emploi destiné aux scellements et qui garantit un séchage sans retrait :

    - Clavexpress 705 granulat de 2mm
    - Clavexpress 708 granulat de 10mm

    Un sac de 25kg, prêt à l'emploi, à environ 22€ fourni quelques 13 litres de remplissage ayant une densité de 2 une fois sec.

    Liste des courses

    Après quoi j'ai adapté mon projet et revu mes exigences en rapport avec les moyens mis en œuvre.
    Ainsi j'avais prévu des rail de 15 mm, au regard des différences de coût je me suis orienté vers des 20mm.
    La rigidité potentielle du projet m'a aussi incité à commander des vis à billes à écrou double qui garantissent l'absence de jeu. Ceci aura essentiellement une influence sur les courses utiles car ces écrous-doubles sont 50mm plus long et m'obligent à prendre des vis également plus longues.

    Tubes 8 mm épaisseur
    - 0,70 m 200x200 mm = 35 kg
    - 1,70 m 150x250 mm = 85 kg
    Tôles de 20 et 15 mm, Plats divers
    Tôles de 5mm et 10 mm
    Tubes divers 100x100 mm et 50x50 (réalisation table support)

    120 €
    Tout vient de chez le récupérateur de métaux de mon coin.

    Kit Electro-Broche 2,2kw comprenant :

    Refroidissement par eau, connecteur alimentation broche.
    Lot Collet + (Pince ER20 14 pièces),
    Variateur de fréquence (VFD),
    Pompe à eau 75w + 5m tuyau ,
    Collier support moteur Ø 80mm

    (360 €)

    2 Rails HIWIN HGR20R350C 350mm
    2 Rails HIWIN HGR20R650C 650mm
    2 Rails HIWIN HGR20R700C 700mm
    12 Patins HIWIN HGW15CCZ0-C brides CC, Précharge Z0)

    1 Vis à billes DFU1605 Ø16mm pas 5mm à écrou double 300mm
    1 Vis à billes DFU1605 Ø16mm pas 5mm à écrou double 500mm
    1 Vis à billes DFU1605 Ø16mm pas 5mm à écrou double 600mm
    3 Paliers pour vis à billes Ø16mm BF12 avec accessoires
    3 Paliers pour vis à billes Ø16mm BK12 avec accessoires
    3 Logements d'écrou pour vis à billes pour S/DFU1605

    (590 €)

    3 moteurs pas à pas (format NEMA23) 23HS9430 (0,8 ohm, 1,8mH, 3 ampères, 2,2 Nm)
    https://fr.aliexpress.com/store/pro...7_719003026.html?spm=2114.12010615.0.0.mWu8yD
    ATTENTION d'autres vendeurs proposent des 23HS9430 avec des caractéristiques électriques très différentes.
    (120 €)

    Ensemble commandé chez : https://rattmmotor.fr.aliexpress.com/store/907217?spm=2114.12010612.0.0.OkKrCT
    Livraison via l'Allemagne (frais de douane inclus), délai jusqu'à 90 jours, le tout pour 1070 €.
    Les prix entre parenthèses sont une estimation au regard des tarifs je n'ai pas eu le détail lors de ma demande de prix.
    Une note toute particulière pour souligner le sérieux de ce vendeur. Certes le délai de 90 jours est long, mais suite à une erreur reconnue de leur part, il m'a été renvoyé sous quinzaine les bonnes pièces par DHL. A la réception j'ai dù payer 31€ de frais de douane mais j'ai gardé les premières pièces reçues en dédommagement.

    3 Pilotes digitaux Leadshine DM542, 50 volts, 4,2 ampères, 200 khz
    90 €
    https://fr.aliexpress.com/item/Lead...32796343238.html?spm=2114.13010608.0.0.HxdqwJ

    1 Alimentation à découpage DC 48 volts 600 watts (Mean Well)
    40 €
    https://fr.aliexpress.com/item/led-.../2026109253.html?spm=2114.13010608.0.0.uF4Vty

    1 Carte controleur CNC 4 Axes CNC 200 KHz Ethernet, compatible MACH3
    130 €
    https://fr.aliexpress.com/item/4-Ax...32777764508.html?spm=2114.13010608.0.0.uF4Vty

    10 Contacts de fin de course à levier
    3 €
    https://fr.aliexpress.com/item/New-...32339341258.html?spm=2114.13010608.0.0.uF4Vty

    3 poulies crantées HTD 5M 15 (pas 5mm largeur 15 mmm) 24 dents pour arbre 8mm
    3 poulies crantées HTD 5M 15 (pas 5mm largeur 15 mmm) 24 dents pour arbre 10mm

    47 €
    http://www.ebay.com/itm/252455054868

    5 courroies crantées HTD 5M 15 (pas 5mm largeur 15 mmm) 280 mm
    20 €
    https://fr.aliexpress.com/item/Free...32336668321.html?spm=a2g0s.9042311.0.0.XjJsfy

    Visserie diverse
    ???

    Usinage des portées de rails et patins
    ???

    Câbles blindées et autres matériels électriques
    ???

    Ordinateur W7 32bits + carte wifi
    160 €

    Logiciels Mach3 et Cambam
    (305 €)


    Total provisoire dépensé = 1700 €
    Total provisoire estimé = 2500 €, avec micro-ordinateur et logiciels non pris en compte dans le budget initial.


    à suivre...
     
    Dernière édition: 18 Juillet 2017
  2. Momoclic

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    Réalisation d'une fraiseuse CN 3 axes pour métaux en gros tubes
    :smt038 pour ce déroulé parfaitement bien mené, étayé avec méthode et précision !
    y'a plus qu'à… suivre sa réalisation trèèès prometteuse !!
    ça va être soigné aux petits oignons !!
     
  5. MCrevot

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    Réalisation d'une fraiseuse CN 3 axes pour métaux en gros tubes
    Bonjour,
    J'ai suivi ton étude, très intéressante.
    J'approuve la méthode de relation que tu adoptes pour la réalisation, qui permet de concentrer l'essentiel et de le rendre plus accessible au promeneur vagabond ...
    Merçi pour ce partage, belle et consistante contribution.
    J'attends avec grand intérêt la suite, je te souhaite bonne réussite.
    Michel

    Ps : quand c'est pas bien, facile et courant de le dire, quand c'est bien, il faut également le souligner :bernardo:
     
  6. Jmr06

    Jmr06 Apprenti

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    Réalisation d'une fraiseuse CN 3 axes pour métaux en gros tubes
    :smt038 également pour ce premier poste très bien fait. Merci pour ce partage qui nous est très utile.
    Je vais suivre avec attention la partie réalisation, après avoir lu avec intérêt la partie conception.
     
  7. ingenieu59

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    Réalisation d'une fraiseuse CN 3 axes pour métaux en gros tubes
    Bonjour,

    Super le sujet , avec toutes les explications .:smt041

    J' attends de voir la suite .
     
  8. dh42

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    Réalisation d'une fraiseuse CN 3 axes pour métaux en gros tubes
    Salut,

    Je pense qu'il y a un bug au niveau des valeurs d'accélération ; il doit te manquer un 0 ; ce serait plutôt 0.05G et non 0.5G :wink:

    pour exemple (pris sur Mach3) ; de 0 à 7000 mm/min en 0.22s (acc = 500mm/s²) = 0.051G ... (ou il y a un bug sur Mach3, peut être, je n'ai pas vérifié le calcul)

    ++
    David
     
  9. Momoclic

    Momoclic Compagnon

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    Réalisation d'une fraiseuse CN 3 axes pour métaux en gros tubes
    Merci à tous,

    Non David pour le calcul j'ai bien pris cette valeur, s'il y a un bug c'est chez Oriental Motor, le couple retenu de 2,2 Nm a été calculé avec leur outil. Par ailleurs je leur ai fourni mes besoins, dimensions et poids, ils ont fait leurs calculs et m'ont proposé des moteurs au couple équivalent, ce qui ma conforté dans mon choix.
    Ensuite je suis bien conscient que c'est impossible à atteindre en fonctionnement...
     
  10. dh42

    dh42 Compagnon

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    Réalisation d'une fraiseuse CN 3 axes pour métaux en gros tubes
    Alors il y a un bug sur leur site. (ou un mélange entre m/s² et G)

    http://www.calculateur.com/acceleration.html

    si je met mes valeurs (7000 mm/min = 0.1166 m/s) je tombe sur 0.53 m/s² et si je divise 0.53/9.81, j'ai bien 0.05G et non 0.5G ..

    Sans titre-1.jpg

    ++
    David
     
  11. Momoclic

    Momoclic Compagnon

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    Réalisation d'une fraiseuse CN 3 axes pour métaux en gros tubes
    Ou je me dis que c'est une erreur d'unité ?
    Noté 0,5 G au lieu de 0,5 m/s² dans le libellé.
    Sur le fond nous sommes d'accord. :wink: Mais c'est une bonne chose de le signaler.

    Je vais donc apporter cette correction en notant 0,5 m/s². Merci.
     
    Dernière édition: 30 Juin 2017
  12. el patenteux

    el patenteux Ouvrier

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    Réalisation d'une fraiseuse CN 3 axes pour métaux en gros tubes
    0.5 G c'est carrément dément,je pense que meme la cnc de rider est en dessous de ca.
     
  13. dh42

    dh42 Compagnon

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    Réalisation d'une fraiseuse CN 3 axes pour métaux en gros tubes
    juste pour le fun, je me suis amusé à calculer l'accélération en G de mon ancien jouet ; une Audi Quattro S2 Turbo 20S de 300 CV (essence) qui faisait le 0 à 100km/h en 5s (je t'assure que ça pousse fort) .. et bien, ça ne fait jamais que ... 0.56 G ..

    Elle envoie fort la Terre ! :lol:

    ++
    David
     
  14. Momoclic

    Momoclic Compagnon

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    Réalisation d'une fraiseuse CN 3 axes pour métaux en gros tubes
    Oui je viens de corriger. Lors de ces calculs la remarque m'avait déjà été faite. Pour cette raison j'ai noté que les calculs avaient été fait avec 0,5 G.
    Comme Oriental Motor m'avait fait les calculs et me proposait également le même couple que j'avais calculé à l'aide de leur outil...
    Grace à la démonstration judicieuse de David il est évident qu'il s'agit de m/s².
     
  15. dh42

    dh42 Compagnon

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    Réalisation d'une fraiseuse CN 3 axes pour métaux en gros tubes
    Sinon, tu monte un 5 cylindres Audi sur chaque axe, mais ça risque de tenir de la place LOL

    il me semble qu'on en avait parlé sur MB ...
     
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