Calculs et conception

[pequignotm]

Bonsoir à toutes et à tous, :D

Je me présente rapidement.
Je travaille sur hélicos en tant que mécanicien cellule et moteur et cela depuis 11 ans.
Ayant énormément voyagé je n'ai pour le moment pas pu me poser et - prendre le temps de me faire mon atelier.
La situation a enfin changée, nous achetons mon épouse et moi une maison avec pour moi un énorme atelier attenant à la maison (environ 70 m²).
Je compte bien meubler celui-ci d'un tour, d'une fraiseuse ainsi que les matériels nécessaire au travail des métaux (tendres comme durs).
Je suis depuis longtemps l'évolution des CNC construites par des particuliers.
N'ayant jamais eu la place d'en construire une , je me lance enfin.

Voici mon cahier des charges :
- Surface de travail utile : 1000 x 500 mm
- Hauteur de travail utile : 300 mm
- Type de métaux usinés : Aluminium, Laiton, Acier
- Coût : entre 2000 et 4000 euros moins si j'ai de la chance sur EBAY
- Motorisation : PAP ou servo moteur je n'ai pas encore choisi

Ce cahier des charges est amené à évoluer fonction des conseils et idée que je glanerai auprés de vous.
La modélisation ce fera sous Solidworks.

Les premières questions :

- Je parcours le forum à la recherche d'explications permettant de
comprendre comment dimensionner les guidages linéaires et les vis
mères en fonction des efforts auquels la broche est soumise.

- De plus, en parcourant les catalogues SKF, THK, IKO .... ceux-ci
donnent des indications techniques qui bien que compréhensibles n'en
restent pas moins difficiles à appréhender.

- En effet comment interpréter la charge statique et dynamique dans le
cadre du choix d'un élément de guidage, faut il pondérer ce chiffre de
telle façon à augmenter la durée de vie et la précision du guidage?

- De plus, comment faut il interpréter les moments statiques donnés
par le constructeur ?

- Y aurait il un site expliquant ces termes et leurs applications dans
le dimensionnement d'un guidage linéaire ?

- Je vois beaucoup de réalisations réalisées à partir d'axes
rectifiés et de douilles à billes, ces montages sont ils assez rigides ?

- Est-il, dans le cadre de la conception d'une table de fraisage 3D
permettant l'usinage de métaux durs, utile d'utiliser des guidages
linéaires tels que la gamme LWH de chez IKO ou LRX sachant que ces
guides et chariots semblent avoir de meilleurs performances que les
montages douilles à billes + axes rectifiés ?

- Quel type d'architecture choisir ?
Portique fixe ou mobile

- Quel type de broche choisir ? (Je suis assez paratnt pour une broche acceptant du CM2 ou 3)

Bon cela fait beaucoup de questions.

Je vais chercher de mon coté mais je suis preneur de toute réponse !

Cordialement,

Michel

 

[MaX-MoD]

oui, bcp de questions, mais c'est bien, on sait quoi te dire^^
pour les rails de guidage IKO, THK etc, c'est vrament le top.
pour avoir testé les axes en acier rectifié et douilles à billes, je ne jure que par les rails^^
en plus d'ête plus silencieux, ils sont plus costauds et plus précis, certains d'entre eux ne bougent que de 2-3µm à la charge statique mas.
à propos de charge... la charge statique c'est la charge max à l'arrêt que le chariot peut supporter sans endommager les billes/rail.
la charge dynamique, c'est pareil mais en mouvement.
en fonction des constructeurs, ces valeurs peuvent êtres réduites pour garantire un minimum de durée de vie de x milliers de Km avec telle graisse.
regarde le fichier que j'ai posté: en page 3 il ya a la formule de durée de vie en fonction des charges que le rail recoit.
ici les cap dynamiques sont données pour une durée de vie de 50Km.
ce dont il faut tenir compte, plus que de la charge même, c'est les moments admissibles sur le chariot. ici par exemple, les moments admissibles sont quasi nuls car il n'y a que 2 circuits de billes.
http://www.thk.com/documents/us_pdf/products/generalA/en_A_25_lmguide_eachmodel_c1.pdf page qui présente les différents types de rails THK, mais les rails IKO etc. sont similaires.
pour une machine de cette taille, les rails HSR sont les plus adaptés.
fortes charges dans toutes les directions, moments importants, haute disponibilité sur eBay américain... le top sans se ruiner.
par contre pour du hobby, je te déconseille d'acheter neuf.
pourquoi? 1)parceque pour le 5e du prix neuf tu as de l'ancien en très bon état 2)parceque un HSR 25 est largement dimentionné pour une machine 1000*500, même avec une broche super balèze et une structure en acier.
de plus, achète toujours deux rails avec 4 chariots en tout, avec graisseurs si possible. en plus d'économiser en frais de cochon, les rails auront la même usure et les mêmes caractéristiques, car c'est dur de trouver la même réf plus tard!
pour les 4 chariots, c'est impératif pour tenir les moments importants dus à l'usinage, et aussi pour avoir une bonne précision.

bon, dodo^^
à demain la suite Voir la pièce jointe SRS-F.pdf

 

[pequignotm]

Merici Max pour ces réponses.
Je suis allé éplucher le site de THK et ai trouvé de lultiples informations concernant les rails de guidage et les vis mères.
Concernant la réaction appliquée en bout de fraise, je rame toujours pour trouver les infos, je vais aller voir dans les documments "Techniques de l'ingénieur".
Pour ce qui est de l'architecture de la table de fraisage, je ne sais vers quoi me diriger, portique fixe ou mobile ?
Le portique fixe permet de s'affranchir de moments importants sur l'axe de Y (grande course) et ainsi d'augmenter la rigidité des axes X et Y. De plus cela évite de devoir faire transiter par l'axe de Y des alimentations et contrôles des axes X et Z.
Le portique fixe permet de n'utiliser qu'une vis mère pour l'avance en Y.
Par contre, cela implique d'avoir un porte à faux sur le plateau mobile en Y, ce qui pondére sans doute le bénéfice d'un portique fixe.
Bref chacune de ces architectures me semblent avoir leurs avantages et inconvénients le tout étant de tous les trouver.
Ah, un inconvénient d'un portique fixe: La table mobile en Y doit supporter la charge de la matière à usiner ce qui n'est pas le cas pour une architecture basée sur un portique mobile. De plus le portique fixe étént par définition statique et centré, cela doit rendre le positionnement de charges lourdes moins aisé.


Bref je cogite.

Comme je pars deux à l'étranger, je vais mettre à profit le temps mort en soirée pour modéliser la bête sous SW ce qui me permettra de vous présenter un proto numérique cet été.

Ah au fait, je me pose la question du choix de la broche.
Est il possible d'utiliser des outils de fraisage normaux (CM 2 à 3) sur une broche dédiée a tables de fraisage ?
Quel type de broche utilisez-vous ?
Pourriez vous me donner la marque et le modéle que je sache quelles sont leurs caractéristiques ?

L'un d'entre vous a t-il conçu un changeur d'outil pour sa machine et quel a été l'impact sur le design de la table ?(le but ultime !)

Cordialement,

Michel

 

[pequignotm]

Je joins un récapitualtif des efforts de coupe.
Les calculs ne vont pas tardés !

En sus une adresse web récapitulant tout ce qu'il faut savoir pour usiner :
http://aluminium.matter.org.uk/content/ ... =993658403 Voir la pièce jointe Efforts de coupe.doc Les efforts de coupe

 

[MaX-MoD]

un portique fixe est à choisir si tu ne dois pas usiner des pièces très lourdes ou en UGV (Ultra Grande Vitesse). plus solide, plus simple à réaliser mais aussi plus précis car plus rigide.
un portique mobile est mieux pour les grandes machines, déjà car tu peux usiner sur la quasi totalité de la surface de ta CN, mais aussi car tu pourras aller plus vite sur les grandes pièces.
il y a toujours moyen de rigidifier une machine, mais en augmentant son poids (et son coût) en conséquent.

pour une machine de la taille que tu te fixe, et les matériaux que tu veux usiner (acier), perso je prendrais un portique fixe, avec des IPN soudés ou des gros tubes en acier. une parte de la structure serait soudée (rigide) et l'autre boulonnée (ajustable->précision).
pour le guidage linéaire, de gros rails THK de préférence à recirculation de galets (encore plus rigides). mais ça dépent encore du type d'acier (doux, mi-dur...) et la vitesse d'usinage.
ne pense même pas utiliser de douille à bille pour usiner de l'acier, ça résiste mal aux chocs car la surface de contact billes-axe est bien trop petite.
en ce qui concerne la broche, la seule chose que je peux te dire c'est de ne pas prendre de KRESS, c'est trop léger (demande à Otatiaro ) pour le reste, demande aux autres, ils en savent plus que moi

Est il possible d'utiliser des outils de fraisage normaux (CM 2 à 3) sur une broche dédiée a tables de fraisage ?

Pourquoi pas? si ta CN est assez résistante, pas de pb, mais tu dois aussi garder à l'esprit que les broches des fraiseuses de tables ne tournent pas très vite, et te limiteront en vitesse surtout dans l'alu, que même une Kress peut attaquer à disons 40mm/s sans trop forcer.
zyeute ici:
http://www.cncathome.com/spindles.html

http://www.littlemachineshop.com/products/product_view.php?ProductID=2937
changeur d'outils sur la broche
http://www.charlyrobot.com
utilise un changeur d'outils qui va choper les outils bien rangés sur le coté.
j'ai une pref pour le changeur ac les outils sur le coté, mais pour une machine lente ac bcp de changements à faire, changeur sur la broche=le top.

pour les rails, regarde là les HSR35 ou les INA-KUSE-20. les premiers sont plus larges, mais les deuxiemmes ont 6 chemins de billes, ca améliore encore la rigidété.

regarde les pdf et tu sauras les quels utiliser. je pense que les INA seront mieux grâce à leurs 6 chemins de billes.

a+

 

[arnaud2]

les rails a bille sont aussi hors de prix il y en a au moin pour 1000€ pour une machine

personelement je pense que un bon compromis prix /qualité c'est dues glissieres en stub de 20mm et des bagues en bronze moné en précontrainte

 

[pequignotm]

Ne pas oublier que je souhaite usiner de l'acier.
Il est vrai avec des passes minimes pas 20mm de passe mais bon c'est de l'acier.
Pour ce qui est d'axes stub avec des bagues en bronze, je suis dubitatif, la moindre vibration et hop les bagues prennent du jeu si ce n'est l'axe en acier.
Pour ma part, je reste sur les chariots sur rails (billes ou rouleaux) le tout étant de bien dimensionner les rails.
De plus à force de parcourir Ebay, il est possible de trouver des rails et cahriots de 1500 mm pour 200 à 300 $ les deux (avec en prime deux chariots en plus).
Bref le tout est de ne pas se planter en achetant un produit qui se révèlera inutilisable car sous dimensionné.

 

[MaX-MoD]

les rails a bille sont aussi hors de prix il y en a au moin pour 1000€ pour une machine

bah, j'ai trouvé des rails thomson de 1100mm à 150€ fdp in, et récemment j'ai acheté un rail+vis à bille THK ac 550mm de course utile pour 220€fdp in.
je dis pas que c'est suffisant pour l'acier, mais pour l'alu c'est largement dimentionné!

 

[pequignotm]

Quel est la largeur du rail, le type de chariot et le diamétre de la vis à bille que je me fasse une idée ?

 

[MaX-MoD]

c'est un actuateur THK KR33 type D.
il peut supporter 500kg en déplacement et sa vis à bille peut fournir une poussée maximale de 170Kg.
il accepte un moment de 320Nm, soit 60Kg de poussée sur la broche si celle ci est déportée au max de 50cm de l'axe de l'actuateur.
la vis à bille est plustôt solide pour sa taille (dia 10mm), elle ne s'étire que de 5µm en subissant une force de 500N.
mais attention, la stucture est très rigide, sinon une vis à bille de cette taille ne serait pas aussi costaude!
voir roton.com
en anglais mais très instructif!!!


EDIT:[/color]
j'ai oublié d'envoyer le pdf Voir la pièce jointe 209-5EU-KR.pdf

 

[pequignotm]

Merci pour le pdf.
Comme je pars pour deux mois en Afrique (sans internet snif) je télécharge le site THK en entier afin d'avoir l'ensemble des données concernant le guidage linéaire et les vis à billes.

Par contre, je suis dubitatif concernant l'utilisation de profilés alu pour constitues la table de fraisage.
Qu'en pensez vous ?

 

[natale]

Une table de fraisage doit etre RIGIDE et presque indeformable sous l'efforts de la coupe une table en alu.......

 

[pequignotm]

Je parle des plateaux extrudés en alu.
De ce type :
http://www.cncitalia.net/plugins/diapor ... iapo_id=31
Image : 4asse.JPG (800x593)

Je cogite sur la mise de niveau des rails et sur la perpendicularité de l'axe de la fraise avec le plateau support.
Mon soucis est le suivant, je souhaite (de façon présomptueuse sans doute) avoir une surface de travail utile de 1000 x 500 mm.
Je retiens deux architecture :
- Le portique mobile (plus adapté aux grandes longueurs)
- Le portique fixe dans le grand axe de la table de telle façon à réduire la course du plateau mobile (Je sens quelques problémes de rigidité en ce qui concernent le portique, à voir vive SW)

Partons du principe que la mise sur le même plan des rails de guidage du plateau ne pose pas de soucis.
Par contre, la planéité du plateau lui me pose un problème car avoir une surface parfaitement plane de 1000 x 500 mm ne me semble pas être une mince affaire.

L'option plateau extrudé en aluminium peut être une bonne idée si tant est que celui-ci ne soit extrêmement rigide (ce qui peut être le cas du plateau cité ci-dessus, voir le lien).
Le problème va venir du bridage qui sera en acier, même avec une bonne anodisation de ce plateau, les brides en acier par principe plus résistante que l'alu, vont venir massacrer le plateau (marquages, déformation, usure prématurée).
Bref ce genre de plateau peuvent être une bonne solution pour l'usinage de l'alu mais pas pour l'acier.

L'option plateau en acier : La pas de soucis de solidité (encore faut-il prendre une épaisseur suffisante), par contre trouver un plateau de 1000 x 500 mm parfaitement rectifier ne me semble pas être facile.

Alors me vient cette idée (un peu capillotractée) : Nous repartons de l'hypothèse ou mes rails sont parfaitement sur le même plan et mon axe de broche parfaitement perpendiculaire à ce plan.
Si mon but est d'usiner de l'acier, pourquoi ne pas monter un plateau brut (pas trop non plus), que je surfacerai in situ ?
Pour ce qui est du bridage deux solutions me viennent :
- Bridage magnétique (assez cher de ce que je sais)
- Bridage mécanique = soit rainures en T, soit damier de trous taraudés.

Cette deuxième solution de bridage me semble accessible car rebelote il serait possible de le faire in situ (C'est un bon premier exercice ! :D ).


Qu'en pensez-vous et quelles solutions avez vous mis en oeuvre ?

PS our ce qui est des rails, en première approximation, je me dirige vers des rails de 25 à 35 mm de large avec des chariots à billes ou rouleaux.

 

[natale]

Je parle des plateaux extrudés en alu.
De ce type :
http://www.cncitalia.net/plugins/diapor ... iapo_id=31
Image : 4asse.JPG (800x593)

QUOI ? Tu plaisante ? LAISSE TOMBER ! Les tables en alu qui puissent faire l'affaire sont (par exemple) chez ISEL

L'option plateau en acier : La pas de soucis de solidité (encore faut-il prendre une épaisseur suffisante), par contre trouver un plateau de 1000 x 500 mm parfaitement rectifier ne me semble pas être facile.

La table sera TOUJOURS rectifié par la machine que l'utilise.

 

[pequignotm]

Donc bilan des courses, l'option, je rectifie mon plateau in situ est une bonne idée si je te suis bien ?

Je suis allé voir le site ISEL, effectivement les plateaux proposés semblent être suffisamment rigide.

Je mets le lien :

http://www.isel.fr/Meca/Index.HTML

 

[natale]

Yes Sir !
Je pense que ta machine va te prendre pas mal de temps pour le dessin etude des torsions etc bon tu peut demonter quelques pieces d'helico qui peut faire l'affaire surtout les tubes de la cellule !

 

[pequignotm]

Contrairement à ce que l'on croit, une celule d'hélico ne comporte plus de tubes et se déforme !

Oh, pour les calculs, ils vont être basiques, calcul des moments appliqués, application d'une coef de sécurité et comparaison aux données constructeur.

Pour ce qui est de la modélisation des déformations, hop un bon coup de solidworks et de cosmoworks !

Bon je ne cache pas que je n'ai pas la formation pour mais bon en recherchant bien et en prenant sont temps on y arrive.

Ah, j'oubliais, calcul du couple nécessaire au déplacement des chariots pour une passe maximale dans un acier bien costaud !
Je vais tricher pour cette partie, je vais prendre un peson au boulot monter voir les toliers, mesurer le diamètre et le pas des vis mères de la fraiseuse ainsi que la démultiplication et mesurer avec le peson la force à appliquer pour arriver à mes fins (ce sera une approximation mais une approximation que me permettra de valider mes calculs).

 

[pequignotm]

Je mets un lien intéressant concernant le fraisage, tournage et autres :
http://aluminium.matter.org.uk/content/ ... =&pageid=1

 

[MaX-MoD]

perso, si je récupère un plateau en marbre provenant d'une machine pro je règlerais plustôt les rails en fonction du plan en marbre... avec un comparateur et des dixaines de vis de réglage tout le long des rails!
je pense que tout le monde est du même avis, non^^

 

[natale]

Oui et non....
La regle doit poser sur le marbre la vis doit avoir seulement une fonction de fixation avec les vis de reglage tu vas ecarter le rail de la table et l'effort radiale ne sera plus sur la table mais sur les vis (ça à mon avis)

 

[pequignotm]

Il faut déja trouver un marbre ce qui me semble pas facile surtout en 1000 x 500 m.
Je suppose que les rails sont parfaitement rectifiés ce qui fait que c'est eux qui vont déterminés le plan et non le marbre.
Mais il est vrai qu'un marbre parfaitement rectifié est une solution mais à quel prix !

Bon je reviens sur mes calculs :

Je vous donne une idée de ma logique :

Je calcule pour l'axe des Z qui est constitué de deux rails distants de 150mm sur lesquels est fixé le support de broche. L'axe de la broche et donc de la fraise est à 150mm de l'axe des rails.
La course de l'axe des Z est de 300 mm

Cas d'un perçage :

Matière: Acier S355
Coef C : 2900N/mm²

Caractéristiques outils :
- Angle de coupe = 25°
- Diamètre du forêt = 10 mm

Conditions de coupe :
- Vitesse de coupe = 24m/min
- Avance = 0,16 mm/tour

EFFORT de coupe = 1808N
EFFORT d'avance = 3100N

Les calculs ne sont pas de moi (cf : http://yvesdeghilage.chez-alice.fr/site/coupe2.htm)

Bon j'ai donc un effort d'avance de 3100N dans l'axe Z
Ce qui fait que la distance séparant l'axe de la broche de l'axe des chariots étant de 150mm, le couple qui s'exerce sur l'axe des chariots sera de : 3100 / 0,15 = 465 N.m

Ayant deux chariots (La je ne suis vraiment pas sur de ma logique), le couple encaissé par chacun des chariots sera de : 465 / 2 = 232,5 N.m

Donc Ma = 232,5 N.m = 0,2325 kN.m

Ce qui me permet de savoir si mes rails sont correctement dimensionnés.

Le calcul est il bon ?

PS : je suis preneur des formules de calcul des efforts en bout de fraise, je rame pour les trouver !

Comment s'applique le moment Ma

 

[MaX-MoD]

je comprends mieux^^
rien ne vaut un petit shémas
les chariots ne subissent aucun couple si ta structure est assez rigide:
la force de coupe Fp est transformée en couple M sur la chariot:
M=Fp*0.15 vu que les axes perceuse-chariots sont écartés de 150.
ce couple équivaut à deux forces sur les chariots, Fa et Fb:
Fa*L/2+Fb*L/2=2*Fa*L
les chariots sont, disons, érartés de 150=>2*Fa*0.15=Fp*.15=>Fa=Fp/2
chaque chariot subit une force radiale de 3100/2=1550N soit ~160Kg
même mes "petits" (largeur ~18mm) rails thomson peuvent supporter cette charge, même près de 5 fois ça!

bon, pour les forces d'avance, la force de coupe Fc s'exerce horizontalement, à 300 du chariot du bas->à 375 du point milieu aux chariots-> Fa=Fc*375/(2*300)=4850N
ah, et tu divise par 2 ces valeurs, y'a 4 chariots en tout.


après, c'est la calcul de rigidité qui est chaud!
la déformation des billes=>chariots est fonction de la force exercée sur les chariots, et si tu combines l'effort de coupe, fonction de la déviation, et la déviation, fonction de l'effort de coupe plus l'inertie du système, tu tombes sur des solutions harmoniques: les vibrations. en fonction de certains paramètres, elles peuvent s'auto étouffer ou s'emplifier...
crois moi, rien que le calcul fait un bouquin entier!
en plus ce n'est que difficilement appliquable, car la moindre non planéité dans la structure de l'axe engendre des variations de charges, déformations etc.
pour le chassis, tu as cosmos, le plus dur sera de savoir comment il marche

sinon les 24m/min de coupe
c'est de l'UGV, là!!!