Fraiseuse à portique fixe pour l'alu

[arba]

Salutations,

Me voilà donc parti dans la conception d'une modeste CNC à portique fixe destinée à usiner principalement de l'aluminium, plastique, et bois.
Voici où en est la conception:

Quelques caractéristiques et dimensions:

- Base: 1000 mm de long et large.
- Courses ~ 700x600x180 mm.
- Plaque de base de précision en alu 25mm, supportée par quelques extrusions d'alu 100x100 et 50x50 mm, qui sert de plan de référence pour monter les rails et les colonnes.
- Colonnes préfabriquées de chez Misumi, en acier, 250 mm de haut. (Coûteuses mais enlève une étape de fabrication.)
- Poutre en profilé acier, 260x180x12.5 mm, 1000 mm de long. ~80 kg.
- Guides prismatiques Hiwin 25 mm sur la base, 20 mm sur la poutre.
- Vis à billes diamètre 16 mm, pas de 15-16 mm.
- Servo-moteurs Clearpath sur tous les axes avec transmission par courroie. Modèle à déterminer.
- Broche haute-vitesse 2.2kW, 30'000 rpm. (Axe Z encore à réaliser).
- Poids total ~300 kg.

- Objectif de rigidité: 10N/µm.
- Objectif de précision: 0.02 mm par 100 mm.

Ma contrainte principale est le peu de moyen d'usinage à disposition. J'ai accès à un atelier de menuiserie et c'est tout.
Autrement dit pas grand chose d'utilisable à part la perceuse à colonne.

À ce stade, mon soucis principal est la fabrication de la poutre, plus précisément les 2 surfaces coplanaires destinées au montage des rails.
Je vois pour l'instant 2 solutions:
- Souder 2 méplats, envoyer le tout pour un recuit de détente (vraiment nécessaire?), puis pour une rectification.
- Utiliser un époxy spécial auto-nivellant. (Semble plus simple et moins onéreux, mais je ne sais pas où me procurer cet époxy...)
- Avez-vous une meilleure idée?

Voilà, avant d'aller plus loin dans la réalisation, tout avis/conseil/suggestion/critique est le bienvenu.
Merci.

 

[sebastian]

Bonsoir,
ça démarre bien ; ton approche est réfléchie !
• On ne visualise pas la jonction pieds/poutre… les pieds sont traversants ? ou juste une reprise sur 1 face ? la rigidité de la structure ne sera pas la même…
• La liaison pieds/poutre/socle… j'aurai vu une grande équerre de liaison pour uniformiser les reprises d'efforts.
• des vab au pas de 15-16 ? ça existe ? pourquoi ce choix ?

 

[arba]

Merci pour ta réponse.

Bonsoir,
ça démarre bien ; ton approche est réfléchie !
• On ne visualise pas la jonction pieds/poutre… les pieds sont traversants ? ou juste une reprise sur 1 face ? la rigidité de la structure ne sera pas la même…

La jonction est pareille qu'à la base. Voir ici. Je prévois de fixer les colonnes des deux côtés avec des boulons.

• La liaison pieds/poutre/socle… j'aurai vu une grande équerre de liaison pour uniformiser les reprises d'efforts.

J'ai longtemps réfléchi à la liaison base/poutre et il y a en effet des solutions plus rigides.
J'ai opté pour la solution la plus simple pour le moment en fonction de mes moyens d'usinage. D'après mes simulations ces colonnes sont un point faible mais elles ne semblent pas compromettre mon objectif de rigidité.

• des vab au pas de 15-16 ? ça existe ? pourquoi ce choix ?

Oui ça existe. Je suis en train de m'informer du côté des Chinois pour voir s'ils ont quelque chose à prix raisonnable.
L'idée du grand pas est de pouvoir atteindre des vitesses élevées lors des avances rapides (30m/min). C'est pas vraiment une nécessité, plutôt pour le fun
La résolution serait de 2.5µm avec les servo-moteurs que j'ai prévu d'utiliser (6400 positions par révolution).

 

[el patenteux]

30m/min sur une si petite machine c'est completement inutil.
10m/min serait bien 20 serait déja extreme
Normallement le pas des vab est de 5-10-15-20-25.....jammais vu de 16.
Dans ton cas,avec des servos,un pas de 10 serait l'idéal.

 

[gomax69]

Salut !

Projet intéressant ! j'ai quand même un doute sur les poteaux que je trouve bien faible..... J'ai hâte de voir la suite.

Par curiosité : tu as fais des simulations par éléments finis ? tu as des résultats de déformation ?

 

[Aiwass]

question du mec qui n'y connais rien, les pied ne devrais ils pas être tournés de 90°. pour moi n'y connaissant rien en usinage, l'inertie crée par le mouvement du plateau du Z suivant l'axe "X"serait mieux contré si les raidisseurs des poteaux se trouve dans cet axe, donc raidisseur dans l'axe du portique et non perpendiculaire.

n'y connaissant rien, se n'est qu'une base de réflexion autant pour l'avancé du projet que pour ma culture théorique de l'usinage.

 

[arba]

Salut !

Projet intéressant ! j'ai quand même un doute sur les poteaux que je trouve bien faible..... J'ai hâte de voir la suite.

Par curiosité : tu as fais des simulations par éléments finis ? tu as des résultats de déformation ?

Oui j'ai fais quelques simulations par éléments finis.
Les analyses ont été faites avec une force de 1000N au bout de l'outil, qui se trouve à 180 mm sous la poutre, et la broche est totalement rigide.
Sur les images 2 et 3 ont voit la différence avec et sans les renforts dans le tube. Sans les renforts le tube devient plus flexible que les colonnes.

30m/min sur une si petite machine c'est completement inutil.
10m/min serait bien 20 serait déja extreme
Normallement le pas des vab est de 5-10-15-20-25.....jammais vu de 16.
Dans ton cas,avec des servos,un pas de 10 serait l'idéal.

Tu as sûrement raison, mais je me dit que ça mange pas de pain d'avoir un peu trop que pas assez.
Avec une VAB 1610 de 900m de long sur l'axe X (poutre), je suis limité par la vitesse critique de la VAB qui serait de 2000 rpm.

 

[bendu73]

Bonjour,

Pas mal comme debut !
Peut etre effectivement consolider les pieds. Mais sinon c'est ras, j'attends la suite

 

[arba]

J'en profite pour préciser que mon design a été principalement inspiré par la CNC de Wade'O, qui est très bien documentée.

 

[bendu73]

A oui effectivement...

Ba ecoute ca m'a l'air vriament pas mal du tout cette conception. Juste une chose sur ton modele Wade, utiliser la table/meuble de la machine comme bati c'est pas top. Mais toi ton bati est tres bien car desolidariser de la table ou repose la machine. Il faudra neanmoins installer quelques pieds

 

[gomax69]

Ah.... c'est une erreur classique des débutants qui font des simulations sur solidworks. (Sans aucun mépris on passe tous par là moi le premier)

Je m'explique :

Tu as fais ta simulation avec la liaison "solidaire" entre toute tes pièces, et ça provoque une erreur qui peut être monumentale sur des assemblages complexe (au hasard une cnc). La les pièces en contact sur le modèle reste toujours en contact, alors c'est très très très cool pour le temps de calcul mais c'est complètement faux pour un résultat précis.
En réalité tes pièces seront vissées donc il faut mettre cette contrainte dans solidworks et lui donner le couple de serrage. A ce moment là tu fais sauter la liaison solidaire et il va te faire bouger les pièces comme si elle était vissées. Et la le résultat et beaucoup plus fiable, même si ça reste un modèle mathématique très simplifié par rapport à la réalité.

Le truc c'est que si tu fais ça tu vas avoir un temps de calcul d'une semaine sur l'assemblage complet, donc il y a plein de techniques pour accélérer tout ça. Déjà ta cnc est symétrique ou à peu près donc tu peux lui dire de faire les calculs que sur la moitié. Ensuite ce qui marche le mieux c'est de découper ton gros problème en plusieurs petits pour augmenter la rapidité, axe par axe par exemple et ensuite tu additionnes tout les déplacements....


Je vais pas te faire un tuto c'est pas le but de ce forum mais garde juste en têtes que les valeurs que tu trouves sont très optimistes.

C'est un domaine de la mécanique qui est passionnante (à petite dose) et qui nécessite un peu de recul sur les résultats. C'est le problème des logiciels de CAO, ça donne presque toujours un résultat joli plein de couleurs qui claquent mais il est quasiment toujours faux si celui qui a lancé les simulation n'a pas travailler le sujet.

Pour approfondir tu as plein de tuto dans soldworks assez rapides et qui te permettront de refaire une simulation plus juste si tu as besoin.


Bon le paragraphe du mec chian est fini, beau boulot quand même , le déformation ne sera pas aussi faible que celle du résultat (avec 1000N) mais la précision devrait être quand même bonne. Les efforts de coupe ne vont jamais aussi haut sur nos cnc.

 

[arba]

Excellente intervention, merci!

Je vais refaire une simulation avec des jonctions boulonnées sur les colonnes et comparer les résultats.
Je me suis bien douté que le modèle simplifié donnerait des résultats optimistes (ici ~25N/µm de rigidité),
c'est pourquoi je me suis dit on va diviser ça par 2 pour être un peu plus près de la réalité

 

[gomax69]

Un autre petit conseil :
Ta base est toute bleu puisque elle a une surface fixe sur tout le bas, c'est également très optimiste. En réalité même si ta cnc est posée bien à plat, la base va travailler et va ajouter quelques microns de défaut en plus. Ok c'est pas beaucoup mais quand on vise des rigidités pareil ça compte.

Modélise une pièce dessus et met une surface fixe sur cette pièce à l’endroit ou il y a la fraise, ça sera beaucoup plus juste. Laisse quelque mm entre la pièce et la fraise sinon il va te considérer ça comme une pièce unique. Tu aura comme ça la déformation de la base en plus.

 

[arba]

Modélise une pièce dessus et met une surface fixe sur cette pièce à l’endroit ou il y a la fraise, ça sera beaucoup plus juste. Laisse quelque mm entre la pièce et la fraise sinon il va te considérer ça comme une pièce unique. Tu aura comme ça la déformation de la base en plus.

Pas sûr de voir ce que tu proposes... Tu veux "suspendre" toute la machine à une pièce placée sur le lit?


Sinon, qu'est-ce qui vous semble préférable pour fixer les rails prismatiques sur la base:
- des trous taraudés dans la plaque en alu ;
- des trous traversants dans la plaque alu, et des écrous en T dans le profil alu en dessous ?

 

[sebastian]

Bonsoir,
quand je vois ces visualisations de déformations… ça m' hallucine toujours autant…
tu peux peut-être mettre en place une plaque qui reprendrait les pieds en totalité de la base à la poutre du portique (soudé, vissé…)
ça devrait bien rigidifier l'ensemble.

si tu te sent tarauder 130 trous…
des écrous en T (mais il faudrait rainurer la table) seraient certainement moins fastidieux… c'est toi qui bosse
d'ailleurs, pourquoi autant de points de fixation ? calcule au minimum de bridage de tes + petites pièces…

 

[arba]

Bonsoir,
quand je vois ces visualisations de déformations… ça m' hallucine toujours autant…
tu peux peut-être mettre en place une plaque qui reprendrait les pieds en totalité de la base à la poutre du portique (soudé, vissé…)
ça devrait bien rigidifier l'ensemble.

J'ai fais la même simulation avec ta proposition: ajouter 2 plaques en acier 20mm (toujours avec des jonctions idéales). Je gagne ~4N/µm en rigidité (0.033mm vs 0.038mm de déformation avec la force de 1000N). C'est toujours ça de gagné mais le gain est pas extraordinaire. L'axe Z est toujours le plus gros point faible.

si tu te sent tarauder 130 trous…
des écrous en T (mais il faudrait rainurer la table) seraient certainement moins fastidieux… c'est toi qui bosse
d'ailleurs, pourquoi autant de points de fixation ? calcule au minimum de bridage de tes + petites pièces…

Je suis pas à 130 taraudages près
Je me demandais plutôt s'il y avait un avantage à boulonner dans la plaque de base plutôt que dans les extrusions du dessous.
Les rails sont alignés avec la rainure des extrusions donc rien besoin de rainurer si je veux fixer les rails avec les écrous en T dans les extrusions.

 

[gomax69]

Pas sûr de voir ce que tu proposes... Tu veux "suspendre" toute la machine à une pièce placée sur le lit?

Oui en quelque sorte mais pour ne pas alors tout le poids sur la pièce tu peux mettre un appui plan à la place de la surface fixe sous la machine. Ca simule une machine posée sur une table (c'est pas exact mais ça suffira) alors que pour le moment ça simule une machine collé sur toute ça base à un bloc en béton ultra rigide qui rend la base quasi indéformable.

 

[fred03800]

salut
beau petit projet !

Pour tes rails, du 20 partout doit largement suffire.

Pour la poutre, avec ces 12.5mm d'épaisseur et ça petite longueur de 1m, perso je ferai juste un très petit surfaçage à l’emplacement des 2 rails. Ne pas oublier une petite place d'un coté pour le palier de la vis a bille et les 2 portées du dessous. Normalement tu enlèveras au max moins de 1mm, c'est pas ça qui posera problème de déformation.

Vis a bille : prend du standard en pas de 10mm, c'est moins chère.

Broche 30 000rpm, c’est pas un peut trop, du 12 000rpm est bien suffisant (on trouve difficilement moins malheureusement) c’est plus coupleu pour le bois et l’alu.

Une résolution de servo de 6400pas par tour, c'est vraiment énorme.
Si tu veux un peu de vitesse passe en servo DC, et à calculer des encodeurs de 1200 ou 2400pas par tour

 

[pastis79]

Salut,

Comment va tu souder les renforts dans ta poutre... ça me parrait compliqué et ça va déformer ton tube?

 

[arba]

Salut,

Comment va tu souder les renforts dans ta poutre... ça me parrait compliqué et ça va déformer ton tube?

Je suis pas encore sûr... Soit des entailles dans les angles tout le long pour pouvoir souder depuis l'extérieur, soit coller à l'époxy.
Un tube laminé à chaud aura de toute façon pas une géométrie très bonne de base.

Cela dit j'étudie d'autres possibilités pour remplacer ce tube en acier qui sera dans tous les cas un vrai casse-tête pour les usinages.
A savoir un bloque en époxy-granite moulé sur une plaque de précision.
J'ai trouvé Rampf en allemagne qui vend une mixture prête à l'emploi: EPUSELF. J'essaye de les contacter mais encore sans succès...

 

[arba]

salut
beau petit projet !

Pour tes rails, du 20 partout doit largement suffire.

Merci.
Pas de toute là dessus, mais c'est surtout pour dégager plus de place pour caser la VAB que j'ai mis du 25.

Pour la poutre, avec ces 12.5mm d'épaisseur et ça petite longueur de 1m, perso je ferai juste un très petit surfaçage à l’emplacement des 2 rails. Ne pas oublier une petite place d'un coté pour le palier de la vis a bille et les 2 portées du dessous. Normalement tu enlèveras au max moins de 1mm, c'est pas ça qui posera problème de déformation.

Vis a bille : prend du standard en pas de 10mm, c'est moins chère.

C'est ce que je ferai si je trouve pas de VAB au pas de 15/16mm à prix raisonnable.

Broche 30 000rpm, c’est pas un peut trop, du 12 000rpm est bien suffisant (on trouve difficilement moins malheureusement) c’est plus coupleu pour le bois et l’alu.

Pourquoi trop? Datron utilise des broches 60k rpm pour l'alu.

Une résolution de servo de 6400pas par tour, c'est vraiment énorme.
Si tu veux un peu de vitesse passe en servo DC, et à calculer des encodeurs de 1200 ou 2400pas par tour

Je prévois d'utiliser ce genre de servo. L'électronique intégrée me plait beaucoup puisque ca simplifie bien.

 

[arba]

Avez-vous des conseils pour l'espacements des rails de la table? J'avais pensé les placer aux points Bessel.

Sinon pour les surfaces coplanaires pour fixer les rails sur la poutre je crois avoir trouvé la solution la plus simple: coller 2 méplats en acier rectifiés avec de l'époxy spécial, en plaquant les méplats contre un marbre de précision. Qu'est-ce que vous en dites?

 

[arba]

Ca fait un bail mais le projet n'est pas mort...

La conception a été un peu revue, même s'il manque encore quelques détails.

Comme conseillé les colonnes ont finalement été renforcées "un peu" (3kg -> 40kg). Elles seront moulées en epoxy-granite avec des inserts en acier.
J'ai aussi pratiquement terminé la base:

Le bout d'acier pas assez long qui me sert de table est temporaire. Il m'a servi à faire les trous sur la plaque du Z grâce à une perceuse à colonne magnétique, en programmant le moteur pour déplacer la table à intervalles réguliers.

Déjà à ce stade je pense pas que la base en alu était une bonne idée. Trop complexe, trop d'assemblages. Probablement pas très rigide. Si c'était à refaire ça serait un monobloc en UHPC. Mais bon on verra le résultat...

 

[Aiwass]

outch effectivement les colonne on pris du poids, mais j'ai l'impression qu'elles réduisent vachement le volume usinable en empiétant au dessus de la table alors que c'est pas la que sa péchais niveau simul, du coup pourquoi avoir élargie la base de la poutre?

du coup avec le moteur dedans, y a plus de renfort dans la poutre? peut être que des plaques rectangulaire reparties sur la longueur plutot qu'une oblique dans le tube rigidifierais bien.

ta refait une simul dans la config actuelle?

 

[arba]

Les courses sont maintenant 700x600x250 mm (toujours pareil sauf le Z augmenté), mais la surface usinable est passée à 640x600 mm. L'espace en plus sur les côtés sera éventuellement utilisé pour un carousel d'outils et un palpeur.

La poutre sera remplie avec de l'époxy-granite (moins l'emplacement pour le moteur). Le tube vide est beaucoup trop faible en torsion.
Au final d'après les simulations la rigidité par rapport à la conception initiale a été doublée... le poids aussi (~700kg).

 

[Aiwass]

pour la surface usinable ok mais pour le volume??? tu a 640x600 au niveau de la table mais avec le Z au plus haut, tu a moins du fait des poutres élargies.quand tu regarde la machine vu de face, tu a les triangle superieur des pied qui passe sur la table, sa reduit bien le volume total, c'est peut etre pas important hein, on usine rarement une pièce qui fait l'ensemble du volume mais je vois pas l'interet d'avoir fait ces triangle pour la rigidité de l'ensemble

 

[arba]

Tu as raison ça n'apporte probablement rien. J'ai dessiné les colonnes en fonction des plaques d'acier que j'avais sous la main et je trouvais le chanfrein esthétique .
Le volume perdu n'est pas important, j'aurai pas de pièces aussi grosses.

 

[arba]

Préparation du moule pour la première colonne...

 

[arba]

Et le résultat, brut de décoffrage:

 

[AndersFaust]

C'est carrément propre!