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

[Momoclic]

Au départ, une discussion sur la recherche par Racingmat, sur Racingfr.com, d'une petite fraiseuse CN nous à amener à nous dire "et si on la construisait". Maintenant il s'agît de relever le défit...
Un bon moyen, entre autres, d'occuper sa retraite et de ce faire plaisir.

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. Le but étant la réalisation de pièces plus ou moins complexes en bois, matières plastiques, aluminium et l'acier. L'usinage de l'acier se limitera à de la tôle ou des tubes de 3mm d'épaisseur en restant autour de ce format avec au maximum :

• X : 300 mm
• Y : 440 mm
• Z : 150 mm

Précision : quelques centièmes de mm dans l'aluminium

Avoir aussi la possibilité de placer des panneaux (bois ou plastiques) plus grands que les capacités d'usinage.

Moyens:

- Budget estimé à 1500 €

- Outillage

• Petit outillage à main
  
• Scie circulaire à métaux
• Petite perceuse à colonne
• Poste soudure à l'arc
• Poste de soudure oxy-acétylènique
  
• Pied à coulisse
  
• Comparateur avec support magnétique
• Accès potentiel au tour d'un ami
• Achat d'un niveau de précision envisagé.

- Informatique

PC de récupération W7 ou Linux Ubuntu
Liaison USB ou Ethernet
Logiciel Mach3 ou Linux-CNC

- Usinage

Un ami, un autre, à une petite société de mécanique qui serait en mesure d'effectuer les surfaçages nécessaires aux appuis (j'entends déjà Stan me dire qu'il y a d'autres méthodes ).

- Expérience

Principalement de la mécanique automobile, mais pas que. J'ai construit, il y a bien longtemps sans CN, et préparé moteurs et voitures de courses. Soudage de tubes minces à l'arc, reprise de pièces au tour ou à la fraiseuse.
Plus tard j'ai étudié la mécanique pour essayer de faire de moi un génie avec le recul je crois que c'est loupé !
Tout ça il y a plus de quarante ans et récemment je viens de me former au dessin 3D.
L'électricité et l'informatique sont des éléments dont je maîtrise quelques éléments il en va différemment de l'électronique...
Si les notions de base de l'usinage ne me sont absolument pas étrangères, je suis très loin d'être un connaisseur.

Voici donc mon cahier des charges. Je vous remercie tous pour l'aide que vous m'avez déjà apporté à la lecture de vos projets et réalisations, et par avance à celle que vous m'apporterez dans cet objectif que j'espère atteindre. Les projets prolonge la vie !

Voici la première version de pré-étude qui m'a permise dimensionner et budgéter ce projet :

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Version 1

La structure est en tube carré 50x50x5mm.

 

[fred03800]

Bonjour
Un beau petit projet en perspective
Si tu prévois une petite réctif (ce qui est le mieux) il faudrait prévoir le portique démontable sinon cela va être galère a usiner et aucun réglage de géométrie

Bonne continuation.

 

[stanloc]

Précision : quelques centièmes dans l'aluminium

Avoir aussi la possibilité de placer des panneaux (bois ou plastiques) plus grands que les capacités d'usinage.

Tel que le permet ta cotation, ce sera au maximum une pièce ayant 500 mm de large et ne pouvant être usinée que sur les 300 mm de large situés en son centre.
La reprise par enlèvement de copeaux sur la paroi d'un tube d'acier même faisant 5 mm d'épaisseur sera délicate.
L'empilage des trois tubes (150 mm au total) sous la table mobile constitue un handicap car cela oblige à faire un portique assez haut avec les conséquences que l'on connait.
La hauteur d'un portique se détermine en fonction de la hauteur maximale des pièces que l'on sera amené à usiner car la travers inférieure du portique se place un poil plus haut et la course en Z se détermine depuis la position de la fraise lorsqu'elle est au même niveau que le bas de cette traverse.
Stan

 

[Momoclic]

Merci pour ces précisions.
En fait je me suis fait plaisir en dessinant ce que je vous le rappel n'étais qu'une pré-étude. Celle-ci me plait surtout pour son esthétique
Plusieurs autres dessins sont en cours pour envisager d'autres solutions. Ce dessin, comme je l'ai écrit, m'a surtout permis de dimensionner certains problèmes sur lesquels je n'avais aucune idée.
Cette étude m'a tout de même permise de connaître l'encombrement et le poids d'un tel produit. Assez rapidement je l'ai mise de coté et ce pour plusieurs raisons dont celles que vous avez évoqué :

• Problème de surfaçage des appuis (épaisseur tube/soudage d'une semelle).
  
• Problèmes d'assemblages (écrasement des tubes au serrage, accès vis dans les tubes, etc.)
  
• Problèmes soudures abondantes, déformations et contraintes qui vont avec.
• Résonnance des tubes
  
• Problèmes d'usinage, de démontage
• Possibilités de réglages limitées
  
• Possibilités d'évolutions limitées
• Etc.

mais il fallait bien commencer...

En ont suivi quelques discussions, notamment avec Racingmat, pour, à ce jour, opter vers une solution à base d'UPE.
Pour pousser plus loin j'ai envisagé la motorisation de la broche et opté pour une alternative :
- Défonceuse, solution transitoire (?) et économique
- Electro-broche chinoise (Parti sur une de 1,5kw, rapidement l'écart de prix m'a conduit vers 2,2kw et ER16 à 8000-24000rpm)

Au passage Stan, j'ai noté ta solution avec une perceuse et un collet de 43mm.

De ces réflexions sont ressorties que le UPE pouvait faire l'affaire :

- Le moment d'inertie d'un UPE de 100mm est supérieur à celui de deux tubes 50x50x5mm

• UPE 100 x 55 ...... : lx 207 cm4 et ly 38 cm4 - flèche sur 2 appuis à 1m pour 150N centrés = 0,07mm
• Tube 100 x 50 x 5 : Ix 173 cm4 et ly 56 cm4 - flèche X sur 2 appuis à 1m pour 150N centrés = 0,09mm

- La masse plus importante, donc vibrations mieux amorties
- Plus facile de concevoir démontable, voire évolutif

Il parait plus judicieux de faire un assemblage mécanique plutôt qu'un ensemble soudé, vu le type de machine envisagé.
Pour autant il y aura bien des soudures, mais avec beaucoup moins de contraintes ennuyeuses.

- Bâti soudé

• exige une machine d'usinage de grande capacité
• usinages d'un châssis assemblé plus contraignant et complexe
• au fils du temps les contraintes de fabrication se libèrent (cotes et réglages avec...)
• ...

- Bâti assemblé

• nécessité d'assemblage avec pions de centrage
• moins de soudure = moins de contraintes
• pièces plus petites, moins lourdes
• usinages plus simples => moins onéreux, des pièces plus faciles à manipuler
• difficulté d'assurer une parfaite perpendicularité entre le Y et le Z
• possibilités de corrections, voire d'évolutions
• ...

La conception demande une approche réfléchie pour placer les assemblages et soudures judicieusement.
En retour l'assemblage, la manipulation, les usinages et les réglages y gagneront en facilité d'exécution.
Les pions de centrage sont un moyen simple pour conserver les réglages

Le risque le plus grand, pour un bâti assemblé, est le défaut d'équerrage entre les axes.
Ce risque, en fait à une plus grande importance lors de perçages (Z), dans les autres cas c'est moins critique, l'impact est minime en surfaçage.
Bien sûr se raisonnement ne tient que pour un très petit écart d'équerrage sur la course.

Ai-je oublié quelque chose d'important ? Merci.

 

[armederubis]

Salut effectivement le dessin que tu montre ne vas pas aller du tout....A mettre aux oubliettes. L'upe ce pas topposé car comme tu le dit ça vas se déformer à la soudure et ça vibre.l'ipe ou ipn ne se déformera pas si tu soude les semelles de façon symétrique et il est très stable.jen ai d'ailleurs fait ma machine et niveau deformation je suis pas mal du tout!

 

[Momoclic]

A la suite de tout ça voici ma seconde approche,
Comme base un U de 300x100mm et du UPE de 100x55mm pour le reste.

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Version 2

L'option c'est la différence entre de coté droit et gauche. Un solution plus simple avec plus de métal que l'autre coté.
Les UPE sont de 100, la base en 300mm fait 800 mm soit 36 kg, en fonction des options on arrive à un total de 90 à 100 kg de U.
La difficulté ici c'est l'approvisionnement du U de 300mm. Près de chez moi il y a un récupérateur de métaux. J'espère qu'il aura 0,80m de ce genre de produit.

Pour réaliser l'objectif avec cette implantation les paires de rails prismatiques de 15mm devront respectivement faire 800, 520, 360 mm minimum.
En fait les même dimensions que pour ma structure précédente.

@stanloc j'ai bien noté ta remarque sur la hauteur sous le portique, mais c'était fait. Ce ne sont que des pré-études justement destinées à trouver des solutions.
Ce qu'il faut en retenir ce sont les principes mis en œuvre. J'ai également commencé une autre version ou là, j'avais déjà abaissé le portique et envisagé son démontage.

Avec une structure approchante et amélioré équipé d'une électro-broche de 2,2kw, vibrations et flexions peuvent être adaptés à l'usinage de l'acier en faible passe ?
Attention je n'ai pas l'intention de rivaliser avec Rider ! Suis-je réaliste ?

 

[el patenteux]

Tout ce qui touche a l'axe Z doit etre remonter.
1-La plaque qui reli les patins du X (axe de 710mm)
2_les patin sur la plaque du Z
3Le support de broche qui devrait arriver un bon 5-10cm plus haut que le bas de cette meme plaque

C'est une erreur fréquente que de placer le support de broche avec le bas de l'axe, ca empeche de pouvoir remonter la broche de facon a
ce que la fraise ariive avec le bas de la poutre du portique,permettant ainsi de profiter pleinement de la hauteur de travail disponible.

 

[Momoclic]

Merci pour la remarque El patenteux, mais je n'ai pas tout compris...
Le portique doit s'abaisser, OK
J'ai vérifié toutes mes courses et je peux descendre au niveau de la table et passer au dessus de mon bloc à usiner (dépend de l'outil). En position de course moyenne du Z j'ai mis tout centré.
C'est volontairement que j'ai placé mes rails au plus près de l'aile du U pour ne pas être gêné lors du serrage de la glissière et profiter au maximum de la rigidité de ces U.
J'essaie d'écarter au maximum les rails de l'axe Z pour limiter l'effort de basculement dû à la broche.
Ensuite la plaque du X à quelle distance du bloc à usiner est-il préférable de la placer (10mm) ?
Et ceci ajusté, alors remonter la broche sur la plaque Z ?

Sur les réalisations, je vais essayer d'observer tes remarques. Ou si tu peux m'orienter vers un exemple ?

 

[gégé62]

Belle aventure, que je vais essayer de suivre....

 

[Momoclic]

Merci gégé62, mais quand on parle d'aventure c'est à ce demander s'il faut la poursuivre après cette découverte proche de mes exigences et de mon budget :

Différentes versions 1,5kw et 2,2kw refroidies par eau avec options 4/5 axes, rails SBR ronds, vis à billes, prix livrées (douanes en plus je suppose ?)

Mini CNC 3040 pilier 1.5KW 3 axes (1642,19 €)

Mini CNC 3040 pilier 1.5KW 4 axes (1950,25 €)

Mini CNC 3040 pilier 1.5KW 5 axes (2027,67 €)

Mini CNC 3040 pilier 2.2KW 5 axes (2150,77 €)

Que peut-on attendre de telles machines chinoises ?

 

[stanloc]

Voilà traduit en image ce que el patenteux conseille (et moi encore plus)
Si tu veux usiner de l'acier je crois (je suis sûr) qu'il te faudra pour cela autre chose qu'une broche chinoise.
Stan

 

[stanloc]

Dans sa course vers le haut il ne sert à rien d'aller pour l'axe Z, au delà du moment où l'extrémité de la fraise remonte plus haut que la partie la plus basse de la traverse basse du portique . La position de la partie la plus basse de cette traverse basse est déterminée comme déjà dit par la hauteur de la pièce la plus haute que l'on veut usiner.
Stan

 

[fred03800]

J'aime bien Ce petit bout de U de 300 !
Si tu compte le récupérer dans une casse, par expérience, il y a de forte chance que le bou de 80cm de long que tu y trouve sois une cote bizarre comme du U de 280 ou de 320, mais c'est pas grave faudra faire le reste de la machine au tour de cette pièce.
Et avec de la chance tu peux même récup une petite tôle de 40*50cm de 2 ou 3cm pour faire la table

Visuellement la jambe de force du portique est plus jolie en biais.

 

[gégé62]

mais quand on parle d'aventure c'est à ce demander s'il faut la poursuivre

oui, je comprends, c'est à voir en fonction de ce qe tu cherches et de ce que ces machines ont dans le ventre, précision, rigidité...). Perso, mon ambition est bien moindre, je ne chercherai pas à usiner de l'acier et c'est plus le désir de ma fabriquer une petite CNC, en réalité je n'en ai pas vraiment besoin et n'y mettrai que le minimum d'argent. D'ailleurs je ne sais pas encore si ce sera pour découpe plasma, petit laser, découpe bois, imprimante 3D.....le problème est que tout m'intéresse à priori et je me disperse....

 

[fred03800]

D'ailleurs je ne sais pas encore si ce sera pour découpe plasma, petit laser, découpe bois, imprimante 3D.....le problème est que tout m'intéresse à priori et je me disperse....

On est bien tous pareil , l'année prochaine finir ma fraiseuse et faire une grosse imprimante 3D, le plasma on verra plus tard

 

[el patenteux]

La plaque qui supporte les patins Z n'a pas besoin d'etre plus longue que l'espacement patins.
En hauteur, le support de broche devrait arriver entre les patins du haut et du bas,pas nécessairement plein centre mais dans cette zone.

 

[Momoclic]

Voilà est-ce correct ?

ça me fait peur au niveau des vibrations de la broche, mais la plaque elle, vibrera bien moins.
Pour la fraise c'est une longueur au hasard, je ne sais pas si il y a des standard ou une recommandation pour positionner la pince ?
A par le Z, le reste n'est certainement pas bon. Je n'ai fait aucune vérification.
Y-a-t'il des recommandations sur les écarts des patins et rails, du genre de celles du Y dans le cas d'une table mobile ?

 

[el patenteux]

Oui en gros c'est parfait coté Z!
C'est une erreur de systématiquement prendre la broche par le bas alors que son corps est bien plus rigide que n'importe quel
prolongement d'axe pour configurer autrement.

 

[armederubis]

Parfait côté z?? Permet moi d'être très septique ça vas vibrer comme jamais (tien on pourrait en faire une chansson)

 

[stanloc]

Parfait côté z?? Permet moi d'être très septique ça vas vibrer comme jamais (tien on pourrait en faire une chansson)

Evidemment la broche est bien trop basse dans son support. Il ne sert à rien que la pointe de la fraise soit beaucoup plus basse que le reste du Z SAUF si on veut faire de l'usinage en 3D (en relief) mais là il faudra se calmer au niveau matières à usiner et conditions de coupe
Stan

 

[Momoclic]

Certes, je peux remonter la broche saufs dans deux cas : la gravure et le surfaçage de la table...
Pour les autres (les plus courants) cas il sera possible de la remonter pour travailler sur un étau.
Compte tenu de la structure d'une telle broche (Ø 80mm) je ne pense pas de la déplacer verticalement dans son support ai une grosse incidence sur la précision.
Ou alors imaginer une contre plaque en L, renforcée par des équerres, qui descend plus bas.
Ce dernier système pourrait être une solution pour l'utilisation d'une défonceuse ou d'une perceuse à collet de 43mm ?

 

[bendu73]

Pour éviter ce genre de soucis de course en Z, j'avais préféré inverser les patins/rails sur ma cnc. C'est simple, tu mets les patins fixes et les rails mobiles.
Privilégies quand même de mettre le support broche le plus bas possible, ça évite les bras de levier.

 

[armederubis]

C'est évident de mon point de vue mettre les patins mobiles pour le z est une ABERATION!!!

 

[armederubis]

Je précise qu'il en ai de même pour l'axe X en cas de table mobile (pourtant tout le monde le fait)

 

[bendu73]

Le problème des rails mobiles , surtout sur la table, c'est que cela créer du porte à faux. Alors qu'avec les patins mobiles tu as toujours la même configuration. Cela s'applique uniquement si la masse sur la table est importante.

Mais sur Z oui, j'ai jamais compris pourquoi beaucoup mettent les patins mobiles...

 

[armederubis]

Le même porte à faux qui se retrouve entre les patins........

 

[armederubis]

Sauf que dans un cas tu applique les efforts d'usinage sur la table en flexion plus la masse et dans l'autre il n'y a que la masse en porte à faux l'effort d'usinage etant toujours centré sur les 4 patins.

 

[RacingMat]

Eh bien @Momoclic, ça fourmille par ici !

La fraiseuse chinoise que tu indiques à 1600€ + les douanes... j'ai un doute sur le rapport qualité/prix.
En tout cas, elle ne te permettra pas de répondre à ton cahier des charges initial.

la suite ! la suite !!

 

[el patenteux]

Hahaha,les gens ont peur de voir une broche dépasser comme ca vers le bas,mais ils n'ont pas peur lorsque c'est une simple plaque alu de 15mm qui le fait a la place.
Regardez ici comment les patins arrivent bien cardré avec ceux du X,SEULE la broche est en porte a faux.
ET la broche est fait dans un brut d'acier de 80mm de diametre!
Il est vrai qu'ici la broche est tenu vraiment tres haute.

 

[Momoclic]

Retourner les patins augmente la masse en porte a faux,
Mais de toute façon si on descend la fixation de broche, on revient à mon premier croquis avec une table Z un peu plus rigide.
En résumé qu'y gagne-t-on vraiment ?

@RacingMat : au delà des 100% de mes objectifs dimensionnels, pas de travail ni de multiples appro., au niveau budget je ne perds certainement pas un centime.
De l'autre coté des rails rond, les capacités dans les métaux (???), la précision attendue (?)
Mais pas le plaisir de la conception et de la réalisation, et c'est probablement ce qui me frustrerai le plus.