outillage industriel

Technologie de traitement mécanique pour l’enlèvement des puces

Le procédé d’usinage par enlèvement de copeaux consiste en la séparation de matière d’un corps de plus grand volume que l’objet à obtenir jusqu’à l’obtention de la forme souhaitée. Un outil de coupe (qui effectue l’enlèvement) est placé, en mouvement relatif par rapport à la pièce à usiner, en contact avec elle pour effectuer l’enlèvement. Il existe différents outils (multi-coupes, mono-coupes, des formes géométriques les plus diverses, de matériaux divers) ainsi que différents types de contact entre eux et la pièce (continu, intermittent, rectiligne, rotatif, …); par conséquent, il existe différentes machines-outils (et processus associés) qui se produisent dans le secteur mécanique. Les machines-outils pour l’élimination des copeaux représentent un secteur qui a ses origines dans l’Antiquité; pense, par exemple, que la première preuve d’un tour remonte à 1400 et que déjà à la fin du siècle dernier il était substantiellement structuré (d’un point de vue mécanique) comme les machines traditionnelles actuelles (si les parties du corps sont enlevées avec qui ont été complétés pour des raisons de sécurité). Il en va de même pour les autres machines, des fraiseuses aux tailleuses, aux rectifieuses, etc. L’évolution substantielle la plus récente des machines (à partir de 1960) est due à l’entrée massive de l’électronique et des technologies de l’information dans le monde des machines-outils; entrée qui s’est progressivement développée pour devenir un élément irremplaçable en réponse au besoin toujours croissant de qualité des produits, de flexibilité de traitement et de rapidité exigés par le marché pour le processus de production. Cependant, l’évolution des machines est continue et d’année en année des innovations significatives sont présentées également en ce qui concerne les composants, les accessoires et les outils, tous éléments pouvant entraîner des changements importants.

2.1. DÉMONTAGE À VITESSE DE COUPE TRÈS ÉLEVÉE (HSC – Coupe à grande vitesse)

Le temps machine est défini comme le temps pendant lequel la pièce, déjà positionnée sur la machine, est traitée; la vitesse de coupe (m / min ou m / s) est définie comme la vitesse à laquelle le matériau est retiré de la pièce; la capacité de déchiquetage est définie comme le potentiel d’enlèvement de volume de matière dans l’unité de temps. Le temps machine nécessaire à l’usinage de la pièce représente l’un des paramètres principaux et les plus importants pour définir à la fois le délai nécessaire pour obtenir la pièce finie, et le potentiel d’une machine-outil (et, par conséquent, de l’ensemble du système de production) . Le concept degrande vitesse qui, grâce à l’utilisation d’électrobroches à haute fréquence, a permis de réduire substantiellement ce temps. La vitesse de rotation élevée de la broche ne signifie pas nécessairement une augmentation des performances de l’opération d’enlèvement, si elle n’est pas combinée à une capacité d’usinage supérieure à celle offerte par la méthode traditionnelle, réalisable uniquement dans certaines conditions d’usinage. Par exemple, dans le cas du fraisage de rainures à profondeur axiale réduite ou de fraisage périphérique en présence d’une petite surépaisseur radiale, des efforts d’usinage réduits et des déformations réduites sont obtenus, ce qui permet d’obtenir une capacité d’usinage élevée tandis que la précision d’usinage reste inchangée avec le augmenter la vitesse de coupe. La technologie HSC est donc de préférence utilisée pour les pièces moulées en alliage léger, pour les pièces à parois minces à contours élastiques, pour celles en matériaux spéciaux comme par exemple les composants en matériaux composites pour l’industrie aéronautique.

Caractéristiques des broches de moteur pour HSC

Pour atteindre le nombre élevé de tours HSC impliquant l’utilisation de l’ électro haute fréquence. Ce sont des broches dans lesquelles un moteur asynchrone triphasé régulé a été incorporé (le rotor claveté sur la broche et le stator incorporé dans le corps de la tête). Cette technologie n’est pas très récente, mais l’application intense dans les machines-outils est récente puisque les problèmes de sa commande aux vitesses typiques des machines-outils ont été résolus à l’aide de l’électronique.

Leur structure de base présente les caractéristiques suivantes:

un moteur asynchrone alimenté par un convertisseur de fréquence statique à tension et fréquence variables;

roulements de précision préchargés à force constante pour assurer une rigidité élevée de la broche et compenser la dilatation thermique linéaire;

un système de lubrification oléopneumatique (air / huile), par injection ou par graisse à vis optimisé, pour permettre d’atteindre le nombre maximum de tours permis par les roulements;

un système de refroidissement liquide en circuit fermé pour le moteur et les roulements;

joints à labyrinthe pour protéger l’intérieur de la broche de la saleté;

capteurs pour contrôler le nombre de tours, la température du moteur, le changement d’outil automatique et la température des roulements. L’interface entre la broche et l’outil pour laquelle des solutions optimales doivent toujours être recherchées est tout aussi importante pour la qualité de surface réalisable et pour la transmission d’une capacité de coupe élevée. Outre l’avantage de la vitesse de coupe très élevée pouvant être obtenue, les électrobroches permettent d’améliorer les résultats obtenus grâce à:

élimination des éléments de transmission précédemment utilisés traditionnellement (boîte de vitesses, courroies, poulies);

augmentation de la rigidité de la machine grâce à l’élimination des facteurs vibrationnels et des jeux d’inversion typiques des systèmes traditionnels;

élimination des charges radiales sur les roulements (grâce à l’élimination des poulies de transmission);

augmentation de la thermostabilité de la tête de broche grâce à la recirculation du liquide de refroidissement, indispensable dans l’électrobroche qui est introduite directement dans la cavité du moteur

économie de 1/3 de l’encombrement dû à la disparition totale des espaces auparavant nécessaires au moteur, à la boîte de vitesses et aux organes de transmission;

meilleure précision de travail grâce à une très large plage de réglage de la vitesse du moteur.

2.2. GUIDES LINÉAIRES (avec roulements à billes)

L’un des éléments les plus critiques et les plus délicats des machines-outils avec des pièces coulissantes les unes par rapport aux autres, en raison des tolérances très étroites requises et de la forte contrainte à laquelle elles sont soumises, est représenté par les guides de glissement (entre glissière et chariot, entre chariot et palette, etc.). Ces dernières années, nous assistons à l’entrée sur le marché des centres d’usinage, des fraiseuses, des aléseuses et des tours équipés de guides de roulement sur rails (appelés guides linéaires). Ils sont constitués de rails sur lesquels des patins équipés de roulements à billes ou cylindriques et les premiers sont montés sur l’élément fixe et les seconds sur l’élément mobile. Les systèmes coulissants traditionnels impliquent généralement un contact avec des surfaces durcies par induction, rectifiées à un degré élevé de finition de surface et lubrifiées au moyen d’un système hydraulique spécial; ces surfaces peuvent être solidaires, si elles sont réalisées directement sur les flans de fonderie, ou rapportées si elles sont obtenues à partir de tôle et ensuite appliquées sur la palette ou le wagon. En variante, il est possible que des matériaux spéciaux (par exemple Turcite) soient appliqués sur les guides de sorte que le glissement se produise avec un frottement de glissement très faible. Les avantages obtenus en utilisant des guides de roulement par rapport aux méthodes de glissement traditionnelles sont les suivants: élimination du durcissement par induction, simplification des opérations de meulage des surfaces de contact; réduction des temps de traitement et d’assemblage; réduction drastique des coefficients de frottement (roulement et non plus glissement); vitesse rapide plus élevée pouvant être obtenue (plus de 20 m / min); réduction des coûts de traitement. En revanche, il subsiste des problèmes concernant les conséquences découlant d’éventuelles sollicitations dynamiques violentes telles que des chocs et des interférences dus, par exemple, à des erreurs de programmation du cycle d’usinage sur la commande numérique ou à des erreurs de l’opérateur; pour cette raison, les guides de roulement ne sont pas largement utilisés lorsque de tels accidents sont statistiquement plus fréquents pour diverses raisons.

2.3. MOTEURS LINÉAIRES

Il s’agit d’une technologie très innovante, presque toujours au niveau de la recherche, mise en œuvre sur certains centres d’usinage de taille moyenne à grande. Ils sont constitués d’un stator et d’un rotor à développement linéaire grâce auquel le coulisseau, solidaire du rotor , se traduit par rapport au lit sans l’utilisation d’une vis à billes. Le stator doit être monté parallèlement aux guides coulissants. Le principal avantage découlant de cette innovation consiste principalement dans la simplification radicale de la cinématique du mouvement, avec la suppression des vis et de leurs supports, des capteurs et transducteurs pour mesurer le positionnement relatif entre les glissières, des poulies pour la transmission du mouvement du moteur à vis et du moteur externe traditionnel. Cependant, ils nécessitent l’utilisation de guides linéaires en raison de leur faible coefficient de frottement. Parmi les avantages fonctionnels, il convient de souligner la vitesse rapide élevée pouvant être obtenue.

2.4. SYSTÈMES DE MANUTENTION DES PIÈCES SUR LA MACHINE

Le chargement / déchargement des pièces à bord de la machine est l’un des problèmes les plus importants auxquels les fabricants de machines-outils se sont trouvés confrontés ces derniers temps. L’automatisation croissante, qui d’une part permet une production «sans surveillance» et d’autre part pousse vers une grande flexibilité et des cadences de production élevées, a créé le besoin de construire des équipements spécifiques pour le chargement / positionnement / déchargement automatique des pièces. Les solutions «classiques» (en réalité parfois elles-mêmes extrêmement innovantes) impliquent l’utilisation, par exemple, de courroies à rouleaux et de robots externesà la machine qui: achemine les palettes contenant les pièces à traiter dans la zone de chargement; ils ramassent la pièce et la placent sur la broche ou sur la plate-forme de travail; ils déchargent la pièce dans la zone de déchargement une fois qu’elle a été travaillée; enfin, ils transportent une nouvelle palette remplie de pièces traitées à la prochaine étape de traitement. L’une des tendances actuelles étant de rendre les machines aussi compactes que possible, l’un des choix de conception en cours est de les équiper de systèmes embarqués de manutention de pièces .L’application que nous allons maintenant analyser à titre d’exemple fait référence à un portail intégrédans un tour de taille moyenne / petite on n’a plus affaire à une machine (tour) + une autre machine (portail) mais à un seul système, avec la contrainte que la présence du chargeur automatique ne doit pas constituer un obstacle à tout manuel utilisation du tour.

Les objectifs à atteindre avec ce type d’application sont les suivants:

UNIVERSALITÉ: le chargement / déchargement doit être possible pour une grande variété de pièces, en termes de dimensions / poids et types (brides / arbres);

GESTION: une plus grande automatisation ne doit pas exiger une plus grande spécialisation des opérateurs (homogénéité de la programmation CNC);

INTÉGRATION: l’automatisation ne doit pas entraîner une augmentation significative de la taille de la machine ou une duplication des structures matérielles ou logicielles; MODULARITÉ: la machine complétée par l’application doit être intégrable dans des systèmes plus complexes;

DIAGNOSTIC ET SURVEILLANCE: certaines opérations normalement effectuées par l’opérateur doivent désormais être confiées à la CNC de la machine.

L’application dans la machine considérée se compose comme suit (la description suivra de simples analogies anthropomorphiques et en référence à la fig.2.1):

  1. Axe de mouvement longitudinal; 2. Bras de manutention vertical; 3. Poignet pour la rotation de la bride;
  2. Mains pour saisir une bride brute et une bride finie; 5. Poignet pour la rotation de l’arbre; 6. Mains pour saisir

un arbre brut et un arbre fini; 7. Convoyeur de palettes et palettes associées; Plus un dispositif pour renverser les

brides (en option);

Voyons une brève description des différents éléments:

Il se compose d’une poutre en aluminium extrudé à l’intérieur de laquelle est fixé un guide à billes sur lequel un chariot se déplace par une courroie crantée via un servomoteur AC brushless. La mise en œuvre hydraulique de tous les mouvements ultérieurs permet qu’aucun câblage ou composants électriques ne bougent sur le portail, avec des avantages considérables en termes de compacité et de fiabilité. Le bras vertical déplace hydrauliquement la pièce dans le sens vertical entre deux positions fixes vers le haut et vers le bas. Les fixations sont réalisées au moyen de ressorts qui permettent des oscillations dues à de petits chocs ou à des désalignements entre l’axe de la machine et l’axe de la main de préhension de la pièce. Le bras se termine en bas par une série de raccords rapides où les poignets de l’arbre et de la bride sont engagés. Le poignet pour brides vous permet de positionner la main de la pièce pour brides dans 4 positions disposées à 90 °;Le poignet pour arbres permet de positionner la poignée pour arbres sur 2 positions disposées à 180 °.La pince est fixée au poignet par des vis. Il se compose de deux aiguilles autocentrantes, l’une servant au transport des pièces brutes, l’autre au transport des produits finis. Les commandes sont hydrauliques avec des forces de serrage réglables. Les doigts de préhension de la pièce sont personnalisables. Dans la zone centrale des aiguilles se trouve une plaque à ressort qui agit comme un éjecteur dans la phase de l’ébauche sur l’outil de préhension de la machine. La pince est fixée au poignet par des vis. Il se compose de deux aiguilles autocentrantes, l’une servant au transport des pièces brutes, l’autre au transport des produits finis. Les commandes sont hydrauliques avec des forces de serrage réglables. Les doigts de préhension de la pièce sont personnalisables. Chaque main peut avoir 1 ou 2 doigts. Le chargeur de palettes est une unité mécanique utilisée pour alimenter le système automatique de manutention de pièces avec flans et pour l’évacuation des produits finis. Les palettes coulissent sur 2 rails au moyen de 4 roues montées sur le côté inférieur de la palette, le mouvement est transmis par une courroie crantée entraînée par un motoréducteur. Il y a un dispositif de signalisation de présence de palette dans la zone de ramassage et « débordement du chargeur ». Les palettes sont disposées dans un gabarit qui doit être personnalisé en fonction des pièces à produire. Le basculeur de bride est une unité mécanique qui permet la rotation de la pièce en dehors de la zone de travail de la machine. Il donne la possibilité de travailler des deux côtés de la pièce, puis de la décharger complètement terminée: le chargeur ramasse la pièce travaillée dans la première phase, la positionne dans le basculeur, qui la fait tourner de 180 °; et le restitue au chargeur qui le repositionne dans la machine pour un traitement ultérieur. L’opération de retournement a lieu en « temps masqué » (pendant que la machine traite une autre pièce). Les mouvements de préhension des doigts se font hydrauliquement avec une pression réglable et la fermeture est auto-centrée. La rotation d’inclinaison est également hydraulique.

2.5. LES OUTILS

On estime que le développement qui a eu lieu récemment et qui devrait avoir lieu dans les prochaines années sera déterminé avant tout par le développement de nouveaux matériaux pour les outils qui nous permettront de suivre les augmentations de performance réalisables avec le nouveau machines-outils (voir « vitesse de coupe élevée HSC ) et pour stimuler de nouvelles améliorations dans les machines-outils.

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