Machpro 898 29/01/10

Comment construire une machine-outil CNC aujourd’hui ?

« Ouh ! La grosse bête ! » On se demande parfois par quel miracle on a réussi à faire entrer « ça » dans l’atelier – voire, on soupçonne parfois l’acquéreur d’avoir construit ses murs autour… A l’intérieur de capots protecteurs, « ça » gigote dans tous les sens, « ça » projette des copeaux et du lubrifiants sur les vitres, « ça » coupe, perce, taraude et usine tous azimuts, bref, on croirait que « ça » vit tout seul ! « Ça » ? C’est un centre d’usinage à commande numérique, tours CNC ou autre machine-outil actuelle. Et pourtant, cette mécanique si complexe a été pensée et construite par l’Homme : son concept général est donc à portée de cerveau humain ! Le lecteur néophyte n’en est pas persuadé ? Nous l’invitons donc à démystifier la légende en découvrant les principes généraux de construction d’une machine d’usinage en 2010.

Dans un centre d’usinage, on trouve tout d’abord une base qui encaissera efforts et vibrations, supportera glissières, colonne et bélier, table et diviseur, mouvement d’axes, support de broche et fixation de pièces. Sont généralement accolés à cette base, un système de lubrification sous pression avec filtration, un système de refroidissement, un magasin d’outils avec bras de chargement, un système d’évacuation des copeaux, un système de palettisation ou un robot de chargement et déchargement des pièces, un extracteur de fumées, une armoire électrique et une commande numérique pour faire fonctionner tout cela ensemble.

De nombreux éléments de carrosserie constituent une enceinte étanche et protègent les glissières, évitant toute fuite de lubrifiant ou projection d’outil ou copeaux hors du périmètre de travail et dont l’accès en cours d’usinage est impossible. En bref, un centre d’usinage actuel est conçu pour être au maximum d’autonomie, afin de produire des pièces mécaniques le plus complètement possible, avec un minimum de surveillance, sans danger ni nuisance pour l’Homme. Ceci est également vrai pour toutes les techniques d’usinage que sont le sciage, le tournage, tournage-fraisage, le décolletage, l’électroérosion, la rectification, l’affûtage ou le rodage. Il en est de même pour les techniques de découpe-emboutissage, découpe laser, jet d’eau, plasma ou autres techniques de formage. En prenant l’exemple d’un centre d’usinage, il est donc possible d’extrapoler une grande majorité des principes exprimés dans cet article.

Poser les bonnes fondations
Tout d’abord, la conception des machines-outils actuelles utilise les outils de CAO – conception assistée par ordinateur – les plus avancés qui soient, tant en mécanique qu’en électrique ou électronique (voir pages 39 à 44). La méthode des éléments finis – FEM – permet de déterminer la résistance aux efforts et les effets prévisibles de la dilatation thermique des éléments de structure, inerte et en mouvement. L’ingénieur du bureau d’études peut donc simuler presqu’à loisir le comportement de sa machine virtuelle, avant même de lancer le premier modèle de fonderie. Car, comme dans la construction d’une maison, on commence par assurer les fondations de la machine, afin qu’elle soit la plus stable possible et insensible aux fréquences vibratoires nuisibles à l’usinage: c’est le rôle du bâti de la machine, de la table, du montant et des coulisses ou bélier. Ce sont les pièces les plus lourdes du centre d’usinage car ici, l’inertie prime ! C’est pourquoi la fonte, très lourde et très robuste, est largement utilisée pour les réaliser. La technique des bancs en béton polymère trouve également ses adeptes, notamment en rectification et machines d’hyper précision. Entre les deux, certains constructeurs coulent un béton à l’intérieur de la structure en fonte, afin d’amortir les vibrations. Les machines de grandes tailles sont plus souvent réalisées en mécano soudure, lorsqu’elles n’ont pas de trop grands efforts à supporter. Dans tous les cas, le poids de la machine est souvent une bonne indication, préjugeant de sa capacité à supporter les efforts et assurer une bonne précision. Cela implique également un coût plus élevé d’acquisition. Mesurer la fréquence propre d’une machine sert de plus en plus à son suivi et sa conduite en usinage. Le banc de la machine constitue ainsi la base de l’ensemble fixe ou mobile qui supportera la pièce à usiner, d’une part. D’autre part, il reçoit le montant fixe ou mobile supportant la broche verticale ou horizontale. Si le montant est mobile, il faut assurer de la géométrie des glissières sur lesquelles va se mouvoir ce montant supportant le bélier porte-broche. Si le montant est fixe, deux axes au moins seront imputés à la table et la structure banc-montant peut être monobloc, lorsqu’elle est de petites dimensions. Cette structure verticale reçoit un bélier horizontal ou une tête verticale, voire une tête multiaxes pouvant assurer des usinages avec son outil dans toutes les positions, depuis l’horizontal jusqu’à la verticale. De l’assemblage de chacune des ces parties et de leur isométrie parfaite dépend la précision de déplacement relative de la pièce et de l’outil. De la rectitude et de la rigidité des systèmes de guidage dépend la répétitivité de positionnement, donc la fiabilité dans le temps de cette même précision. Un excellent bâti fonte dont les composants de guidage ne seraient pas de la même qualité pourrait donc conduire à une machine de qualité moyenne.

Mais, à l’inverse, les meilleurs composants de guidage montés sur une base peu rigide ne feront jamais une bonne machine.

Plus d’axes, plus de liberté
Pour pouvoir, à chaque instant, positionner l’outil par rapport à la pièce, ou la pièce par rapport à l’outil, ou encore positionner l’ensemble pièce-outil dans un mouvement tridimensionnel simultané au centième de millimètre, les constructeurs de machine-outil utilisent les axes de translation X, Y et Z du repère orthogonal et les axes de rotation correspondant désignés par A, B, et C. Ils sont répartis entre la broche et la pièce en fonction des capacités d’usinage que l’on veut obtenir. En effet, chaque axe supplémentaire apporte un degré de liberté d’exécution pour réussir l’usinage - le but de l’acquéreur étant de fabriquer son produit « en une seule prise de pièce », c’est-à-dire que la pièce brute est fixée une seule fois dans la machine et en sort totalement usinée et prête à l’emploi. Pour mouvoir les axes de translation, plusieurs choix sont possibles. Les guidages par glissières en vé sur patins lubrifiants, de type Turcite® sont encore très courants, les guidages hydrostatiques ayant progressé notamment en rectification. Les guidages à rouleaux précontraints sont encore les plus répandus. Tous ces axes sont mis en mouvement par des vis-à-billes entraînés par des servomoteurs. Le sommet de la précision consiste à refroidir les vis à billes de l’intérieur. La grande tendance de ces dernières années voit progresser les moteurs linéaires, systèmes très dynamiques qui assurent des mouvements souples, précis et rapides. Tous ces mécanismes sont protégés des salissures et des copeaux par des protecteurs coulissants. Pour les axes de rotation, on peut orienter l’outil ou la pièce : paliers, rotules et roulements coniques de très haute précision sont mis à contribution pour mouvoir ces ensembles pesants. Une véritable machine 5 axes est conçue dès le départ, pour assurer des usinages de forme et sur cinq faces avec précision. Les tables rotatives, elles-mêmes posées sur guides linéaires simples (axe Y) ou croisés (X sur Y ou X sur Z) ou placées dans un berceau pivotant permettent, en combinaison avec les possibilités de déplacement de broche, l’usinage sur cinq faces. Mais de plus en plus de machines 3 axes, plus économiques, viennent aujourd’hui concurrencer les premières par l’adjonction d’un plateau diviseur fourni par des constructeurs indépendants. Tous ces axes sont associés à des servomoteurs dont l’indication de poussée est précieuse, exprimée en DaN, afin d’apprécier la capacité d’effort sur les axes de la machine. La précision des déplacements d’axes est obtenue en les mesurant par des codeurs, des règles en verre ou des incréments de position sur les moteurs linéaires. La plus grande précision obtenue l’est généralement par des règles en verre, la mesure se faisant directement sur la table. Ayant atteint une maturité certaine, les moteurs linéaires sont également très précis.

Broche polyvalente au cœur de l’usinage
Puissante, ou rapide, voire les deux, la broche est le cœur du centre d’usinage. Elle façonne les pièces et affronte les résistances du matériaux à travailler : c’est pour cela qu’elle a besoin de pouvoir se reposer entièrement sur un bâti robuste, par le truchement des axes de translation et de rotation qui lui sont attribués pour amener rapidement et précisément la pointe de l’outil à l’endroit de la pièce où elle doit usiner. La broche est constituée de trois parties : le moteur, le corps de broche – dans lequel sont placés les mécanismes qui lui donneront sa puissance ainsi que le système de refroidissement – et le cône de broche qui accueille les différents outils nécessaires à l’usinage et les tient bien en place.

Il existe plusieurs types de broche. Les plus anciennes viennent du fraisage et disposent d’une boîte mécanique, pratiquement inexistantes sur les centres d’usinage, hormis dans l’enlèvement très lourd de copeaux. Plus généralement, ce sont des moteurs-broche intégrants rotors et stator pour faire varier la vitesse à volonté. L’usinage grande vitesse met en œuvre des broches HF, Haute Fréquence, fonctionnant avec un générateur indépendant. Cette partie de la machine est tellement importante que les plus grands constructeurs la conçoivent, la construisent et la contrôlent eux-mêmes. Le cône de broche constitue un autre élément à choisir dès l’investissement dans un CU. Aujourd’hui le cône HSK, précis et rigide, tend à remplacer les cônes SA dans ses différentes dimensions. L’arrosage par le centre broche constitue également un point important, notamment pour les perçages et forages profonds. L’interchangeabilité des outils permet au centre d’usinage de changer d’application très rapidement, grâce à un magasin d’outils placé à proximité, un système robotisé assurant le remplacement d’un outil par un autre. Pour un centre d’usinage destiné à assurer toutes les fonctions d’usinage sur de nombreuses pièces différentes, le magasin d’outils est de rigueur, qui peut offrir plusieurs centaines de postes différents.

Fonctions supplémentaires indispensables
La fonction d’usinage a des conséquences pratiques et physiques qu’il convient de gérer tout au long du procédé. Pour évacuer les copeaux formés par l’usinage de la pièce, un convoyeur à copeaux vient s’ajouter à la base de la machine, comportant un mécanisme de convoyage (vis sans fin, tapis roulant), terminé par un bac de récupération. Comme la coupe rapide du matériau le fait monter en température, ainsi que l’outil, un système de refroidissement est également prévu, qui injecte le fluide de coupe au niveau de l’outil et récupère le fluide à la base de la machine dans les bacs prévus à cet effet, le pompe dans un groupe de filtration et le renvoie dans le circuit. On rencontre de plus en plus de groupes capables d’une pression de 80 bar, notamment pour l’usinage du titane. Sur les machines de précision, un groupe froid maintient un liquide de refroidissement à température et le fait circuler dans la machine, afin d’éviter les déformations thermiques des éléments de structure, en mouvement et de la broche. Un groupe pneumatique prend également place dans l’ensemble : il sert à la prise d’outil par la broche, permet le nettoyage du plan de travail et peut aussi se trouver à la base de fonctions bien pratiques au cours de l’usinage. Enfin, les différentes pièces mécaniques du centre ont besoin d’une lubrification régulière de leurs composants (guidages, roulements…) : un système de graissage centralisé assure cette fonction.

Commande numérique, l’intelligence de la machine
Pour régler le ballet des axes et réussir un sans-faute dans les déplacements relatifs du couple broche/pièce, la commande numérique gère leurs positionnements respectifs. Un simple ordinateur personnel ne peut suffire, car le hardware et le software d’une commande numérique sont spécifiques à la gestion d’axes numériques, par automates interposés. En fonction d’un programme préétabli sur un système de FAO, la CN calcule (CNC) et envoie les commandes de déplacements pour positionner les trois axes de translation du repère orthogonal et les deux axes de rotation, sur machine cinq axes. Des fonctions supplémentaires permettent de commander le chargement des outils, la palettisation, la lubrification, la vitesse de broche et tout automate que pourrait recevoir le CU. Toutes les commandes du marché peuvent se programmer en code ISO (à une exception près). Mais toutes les commandes aujourd’hui acceptent la programmation par système de FAO, un post-processeur assurant la « traduction » d’un langage vers l’autre. Avec les dynamiques actuelles de déplacement, jusqu’à 100 m/mn et 2G pour certains, les commandes numériques doivent être capables de lire les blocs de programmation en avance très vite, surtout en usinage de forme. L’une des caractéristiques les plus récentes des CNC réside dans leur communicabilité. Aujourd’hui, elles se branchent sur des réseaux extranet avec ou sans fil, pour transmettre et recevoir des informations de toute la planète mécanique. Cette fonction se révèle indispensable pour la maintenance à distance. Il faut savoir que 70% des actions de maintenance concernent l’électronique de commande. Un technicien SAV en Allemagne peut ainsi résoudre une panne en France sans bouger de son bureau. Autre avantage, il est possible de suivre l’évolution d’un programme depuis son téléphone portable, par exemple. Pour réussir dans ses multiples fonctions, la commande numérique a besoin de quelques auxiliaires : le pupitre de programmation et le logiciel FAO en amont de la machine, un automate, des variateurs et des entrées/sorties qui prennent place dans l’armoire électrique arrière de la machine, près de l’alimentation, et surtout des capteurs de position affectés à chaque axe, codeurs ou règles en verre déjà évoqués. Pour fignoler le tout, un système de sécurité (électronique et mécanique) associé aux signalisations sonores et visuelles, un carénage à portes coulissantes pour protéger l’opérateur du mécanisme … et c’est parti !

On construit une machine-outil
en commençant par ses fondations :
ici un bâti-châssis. (photo Toyoda).

Magasin d’outils. (photo Toyoda)