Projet fraiseuse CN 3+2 axes portique fixe

24 Mars 2018
24
- Projet fraiseuse CN 3+2 axes portique fixe
#1
Bonjour à tous !

Je suis étudiant en mécanique en école d'ingénieur, et passionné par les machines à commande numérique, c'est pourquoi, après m'être déjà construit ma propre imprimante 3D (que j'ai conçue) je souhaite maintenant passer au niveau supérieur et me fabriquer une petite fraiseuse CN d'ici 1 ans environ, le temps d'avoir le budget.

Mon objectif est dans un premier temps de construire une fraiseuse 3 axes, puis de venir y greffer un 4e axe dans un deuxième temps, ce qui me permettra d'usiner des pièces de révolution comme des pignons. Fort de ce 4e axe, je pourrai alors utiliser ce dernier pour fabriquer la dernière partie de la machine, à savoir une axe rotatif B sur la broche qui pourra s'incliner de +45° à -90°. Le but au final est d'obtenir une petite machine capable de réaliser des opérations en 5 axes continus, et de faire tous types de pièces.

Au niveau de la machine en elle-même voici les caractéristiques essentielles que j'ai retenu pour mon cdc :
  • volume d'usinage de 300*400*250mm (soit en réalité 300mm en Z pour pouvoir obtenir 250mm selon la taille de l'outil).
  • Usinage de bois, plastiques, aluminium et éventuellement d'acier doux avec de petites passes
  • Châssis assemblé avec des plaques en acier (plus simple à mettre en oeuvre que par soudure, et démontable)
  • Précision visée de l'ordre du centième pour pouvoir réaliser des pièces tolérancées dans des assemblages
  • Budget autour de 3000 euros max

Pour réaliser ceci, j'ai accès grâce à mon école à des moyens de production tels que des fraiseuses CN, et j'ai également chez moi un petit tour ainsi que mon imprimante 3D.

J'ai fais un petit croquis (uniquement pour avoir une idée du châssis) :

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  • Pour le châssis , comme je le disais je pense partir sur une structure assemblée avec des plaques en acier pour obtenir quelque chose de bien rigide et avec peu de déformations. Pour le moment je pense plutôt à un portique fixe avec l'axe X sur la table et les axes Y et Z sur la broche. Au niveau des vibrations, j'ai déterminé que ma structure sera excitée sur toute une plage de fréquences allant de 0 à 800Hz max (pour une rotation de broche à 200Hz et avec une fraise 4 dents). Il faudra donc que j'essaie de concevoir une structure dont les fréquences propres seront au delà de 800Hz pour éviter tout problème.

  • Au niveau des efforts qui seront sur ma structure j'ai calculé des efforts de coupe d'environ 2600N en usinant de l'aluminium avec un Kc allant jusque 2000N/mm² et avec une profondeur de passe de 2mm et une avance par dent de 0.63mm/dt. C'est sur cela que je vais me baser pour dimensionner ma structure et mes axes.

  • Pour les axes en eu-même je souhaite utiliser des guidages prismatiques pour des soucis de précision, et des vis à bille pré-contraintes pour la mise en mouvement des axes. Avec un effort de coupe de 2600N, j'ai calculé qu'avec une vis à bille de diamètre 16mm (pas besoin de plus car ma charge statique est pas énorme) avec un pas de 4mm il me faudrait un couple de 1.65Nm pour mes moteurs. Je pense donc utiliser des servos moteurs Nema 23 de 3Nm pour être tranquille et garantir encore une fois la précision grâce à l'asservissement. (formule : C = (P/2*pi)*Fc , P le pas en m et Fc effort de coupe en N)

  • Pour la broche, d'après mes calculs et les abaques d'usinage que j'ai utilisé, il me faudrait une broche de 2.2kw pour faire ce que je souhaite, mais je vais peut être partir sur une broche de 3kw pour être serein. Pour le moment je ne sais pas trop si je dois partir sur une broche mécanique avec transmission par courroie (ce qui a l'avantage de me permettre une multitude de rapports et donc d'avoir beaucoup de couple à basse vitesse pour des opérations de surfaçage par exemple) ou bien partir sur une electro-broche toute faite. Pour des problématiques de bruit et de durée de vie, dans le cas d'une électro-broche je prendrais une broche refroidie par eau, avec 4 roulements pour des questions de rigidité. Ce qui décidera de cela sera d'une part le prix et d'autre part le poids de l'ensemble et la possibilité ou non faire pivoter la broche pour du 5 axes, ce qui sera forcément plus difficile avec une broche à courroie.

Pour le moment voici ma répartition de mon budget prévisionnel pour la construction :

  • Moteurs (3x servos Nema 23 3Nm + drivers) : 300 euros
  • Guidages prismatiques (Hiwin ?) + vis à bille : 1200 euros
  • Carte de commande + logiciel : 350 euros
  • Broche : 400 euros
  • Alimentations : 150 euros
  • Matières premières : 200 euros
  • Outils et divers : 400 euros
Soit un total de 3000 euros.

Il y en encore beaucoup de questions que je me pose, notamment sur où trouver mes matières premières pour mon châssis et à quel coût, quelle carte prendre parmi ma multitude de cartes existantes, et surtout (le gros point noir du budget) quels guidages prismatiques prendre, sachant que Hiwin fait effectivement de très bons produits mais le coût est assez élevé.

Voilà ou j'en suis, je pense commencer à modéliser un châssis d'ici peu et faire quelques calculs éléments finis dessus pour tester tout ça, en attendant si vous avez des remarques à me faire sur mon projet ou des avis (constructifs ! :) ) à m'apporter je suis preneur !

Merci à vous pour vos commentaires et vos contributions au forum grâce auxquelles j'ai pu me faire une idée plus précise de la question :)

Brioche76
 
4 Octobre 2016
1 172
- Projet fraiseuse CN 3+2 axes portique fixe
#2
Bonjour,
Beau projet !
Il me semble que rapidement il faut que tu prennes une orientation en choisissant le type de broche. Non seulement selon le type ça aura une influence sur le coût mais aussi sur la structure.

Les électrobroches, comme tu le suggères, sont plus adaptées à l’usinage des matériaux tendre. Dans ce cas là les moteurs pas-à-pas que tu envisages risquent de ne pas être adapté car susceptibles de ne pas être suffisamment rapide.
 

Leal

Nouveau
5 Février 2018
22
- Projet fraiseuse CN 3+2 axes portique fixe
#4
Salut

Je vais suivre ton projet avec attention car j’ai des objectifs similaire.(https://www.usinages.com/threads/cnc-en-profile-acier.109701/)
Quelques remarques par rapport à ce j’ai trouvé :
-Pourquoi souhaite tu une carte de commande séparé et quelle logiciel compte tu dans les 350€ ?
-Pour les rails, il existe des kits de rail prismatique et vis à bille, je ne connais pas la qualité comparée au rail hiwin mais étant donné que les dimensions sont à priori identiques c’est peut être un bon moyen de tester la machine avant d’investir dans des rails de plus haute qualité(style ça a 350€ :
http://s.aliexpress.com/jMveeymM)
-Pour la broche, je me pose également la question entre les deux solutions que tu proposes donc si tu as des retours ou des plans de broche faite maison ça m’interesse

Bon courage pour ton projet !
 

bendu73

Compagnon
18 Septembre 2013
1 213
SAVOIE
- Projet fraiseuse CN 3+2 axes portique fixe
#5
Salut,
Cool un nouveau projet.
Ne te noie pas dans les calculs pour cette première machine.
Concentres toi sur du 3axes. Le 5 axes, beaucoup l'on rêver, peu l'on fait...C'est complexe à mettre en oeuvre et à utiliser.
Et attention, la machine à tout faire n'existe pas!
La 2.2kW est déjà une bonne broche, je la possède sur ma machine et j'en suis très content :)
 
J'aime: Leal
24 Mars 2018
24
- Projet fraiseuse CN 3+2 axes portique fixe
#6
Merci pour vos réponses ! Ça fait plaisir de voir qu'il y a des personnes intéressées :)

Je pense honnêtement qu'une broche mécanique type fraiseuse traditionnelle est la meilleure solution en terme de choix de régimes et de couple, c'est aussi plus rigide et cela permet de monter directement des cônes en BT30 par exemple donc pas besoin de re-mesurer les jauges outils à chaque fois. Le hic c'est que c'est quand même plus cher, plus dur à mettre en oeuvre et aussi beaucoup plus lourd. Pour l'instant je pense que je vais jouer la simplicité et me trouver une bonne électro broche de 2.2 ou 3 Kw pour commencer à tailler du copeau, ce qui ne m'empêchera pas de passer à autre chose après.

@Leal pour la carte de commande je compte 350 euros pour la carte en elle-même ainsi que la licence logiciel (mach 3 ou 4 ? Quelqu'un a un avis ?) Je ne vois pas trop ce que tu veux dire par carte séparée ?

Pour les guidages, j'ai été faire un tour aussi chez aliexpress et j'ai vu des choses très intéressantes pas très chères mais justement je me pose des questions sur la qualité de ces produits vendus comme des guidages Hiwin pour certains.. Des retours d'expérience ?
Le truc c'est que vu l'investissement tout de même je préférerai partir directement sur une bonne base avec du matériel fiable plutôt que d'acheter du matos de qualité moyenne et de devoir ré-investir derrière.

@CNCSERV pour le calcul des efforts de coupe j'utilise la formule Fc = Kc*a*f avec Kc pression spécifique de coupe, a la profondeur de passe et f l'avance par dent. Pour l'alu je prend un Kc d'au maximum 2000N/mm² pour être tranquille.

@Momoclic pourquoi tu penses que les nema 23 seront pas assez rapides ?
 
4 Octobre 2016
1 172
- Projet fraiseuse CN 3+2 axes portique fixe
#7
J'ai répondu depuis mon téléphone et ensuite j'ai vu que tu choisissais des servos...

Mon idée c'est qu'avec les électro-broches chinoises tournant très vite, le risque de prendre des pas-à-pas puissant limite souvent leur vitesse maximale.
J'ai une broche de 2,2kw le couple est d'environ 1 Nm au delà de 6000 rpm, pour la 3kw il est 1,2 Nm !

Va voir le lien de ma signature il y a le retour de plusieurs expériences, j'ai acquis de véritables HIWIN en chine après avoir fait faire un devis à HIWIN France, y-a pas photo :wink:
 

Leal

Nouveau
5 Février 2018
22
- Projet fraiseuse CN 3+2 axes portique fixe
#8
Pour la commande de commande, il en existe qui sont vendu avec les kits ou séparé pour pas grand chose(~20€) dans ce style la, la commande se faisant ensuite depuis le port parallèle d’un pc de bureau.

Pour ma part, je pensais partir sur Linux cnc car c’est gratuit et ça permet d’évoluer ensuite vers une carte autonome style beagle bone black pour rendre la cnc autonome.
 
6 Août 2016
588
- Projet fraiseuse CN 3+2 axes portique fixe
#9
J'ai répondu depuis mon téléphone et ensuite j'ai vu que tu choisissais des servos...

Mon idée c'est qu'avec les électro-broches chinoises tournant très vite, le risque de prendre des pas-à-pas puissant limite souvent leur vitesse maximale.
J'ai une broche de 2,2kw le couple est d'environ 1 Nm au delà de 6000 rpm, pour la 3kw il est 1,2 Nm !

Va voir le lien de ma signature il y a le retour de plusieurs expériences, j'ai acquis de véritables HIWIN en chine après avoir fait faire un devis à HIWIN France, y-a pas photo :wink:
Mais non voyon,avec mes nema 34 de 12nm je tiens facilement 10 000mm/min en usinnage et 15 000 en rapide.
Déja atteint 25 000 mais ce n'est plus fiable a cette vitesse.
 
24 Mars 2018
24
- Projet fraiseuse CN 3+2 axes portique fixe
#11
Par contre pour monter à de telles vitesses tu n'es pas en prise directe sur tes vis à bille, tu as mis une courroie ?
Le problème c'est que en augmentant la vitesse on perd aussi en résolution... Pour ma part j'ai calculé qu'avec les vis à bille que je souhaite mettre et mes nema 23 qui tournent à 1200tr/min j'aurai une avance de 4800mm/min max.. pas énorme mais si je veux être précis pas trop le choix !

Va voir le lien de ma signature il y a le retour de plusieurs expériences, j'ai acquis de véritables HIWIN en chine après avoir fait faire un devis à HIWIN France, y-a pas photo :wink:
Du coup tu me conseillerai de partir plutôt sur des guidages Hiwin chinois ? La qualité est vraiment au rdv ?

Pour la commande de commande, il en existe qui sont vendu avec les kits ou séparé pour pas grand chose(~20€) dans ce style la, la commande se faisant ensuite depuis le port parallèle d’un pc de bureau.

Pour ma part, je pensais partir sur Linux cnc car c’est gratuit et ça permet d’évoluer ensuite vers une carte autonome style beagle bone black pour rendre la cnc autonome.
Je ne connais pas trop linux cnc mais d'après ce que j'ai vu mach 3 marche vraiment bien et en plus je programme en fao sous catia, du coup je n'aurai plus qu'à trouver le bon post-pro et ca serait nickel, quite à payer une licence un peu plus de 100 euros..
 

CNCSERV

Compagnon
27 Décembre 2007
3 776
- Projet fraiseuse CN 3+2 axes portique fixe
#13
Hiwin c'est taïwanais
@CNCSERV pour le calcul des efforts de coupe j'utilise la formule Fc = Kc*a*f avec Kc pression spécifique de coupe, a la profondeur de passe et f l'avance par dent. Pour l'alu je prend un Kc d'au maximum 2000N/mm² pour être tranquille.
Oui mais mais convertir cette force en puissance il faut bien le diamètre de la fraise et la vitesse de rotation.
Si tu travailles

avec une fraise de 4 mm elle ne va par accepter 2600N. Après si c'est pour surfacer avec un tourteau...

Mais non voyon,avec mes nema 34 de 12nm je tiens facilement 10 000mm/min en usinnage et 15 000 en rapide.
Avec une vis a bille au pas de 4 ? ça fait quand même 3750tr/min:wink:

Qu'est ce que vous en pensez ? Des avis sur cette carte ?
Il y a quelques expériences avec cette carte sur le forum, il y a même un sujet dédié
 
4 Octobre 2016
1 172
- Projet fraiseuse CN 3+2 axes portique fixe
#14
Du coup tu me conseillerai de partir plutôt sur des guidages Hiwin chinois ? La qualité est vraiment au rdv ?
HIWIN ce n'est pas chinois, ce sont les vendeurs qui sont chinois, mais ça reste du HIWIN (attention tous ce qui est vendu n'est pas du HIWIN, il faut rester méfiant).
Avant de passer commande j'ai échangé plusieurs courriels avec le vendeur, ça n'a pas exclue toutes les erreurs, mais il a réagit de façon positive :

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 dû payer 31€ de frais de douane mais j'ai gardé les premières pièces reçues en dédommagement.
 
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