MACHINES-OUTILS N°50 - Machines-outils Centres d’usinage: d’avant garder présentés aux recentes exposition D’autres informations sur le même sujet peuvent être consultées en français sur : D’autres informatons sur le même sujet peuvent être consultées en anglais sur: Réserves d'usage : le téléchargement est gratuit, l'impression et la diffusion des articles sont autorisées au sein de votre entreprise. Tout autre usage est soumis à l'acceptation préalable de Trametal (exploitation sur le site web de l'entreprise, intégration de l'article dans vos documents de communication, journaux internes et externes, diffusion auprès des clients, des partenaires...). Contactez nous à : [email protected] pour tout renseignement. d’avant-garde présentés aux récentes expositions par Jean D. CYSSAU, Président du Conseil de Rédaction et Eléonore ROBERT, Directeur, Rédacteur en Chef Ce qu’il est convenu d’appeler les machines à architecture parallèle - c’est-à-dire les conceptions hexapodes ou tripodes, aussi bien à “pattes“ constituées par des vis à billes entraînées deux par deux par des combinaisons de servomoteurs aboutissant à une plate-forme orientable sur laquelle est montée une électrobroche, que par une association de trois chariots se déplaçant sur guidages linéaires (voire par moteurs linéaires) et commandés par leurs propres servomoteurs pour agir sur des bras de levier supportant, guidant et faisant se déplacer une électrobroche - a été considéré, à l’origine, comme trop révolutionnaire pour devenir courant. Pourtant, il s’agit là d’une construction à la fois relativement simple et extrêmement rigide, permettant des déplacements à très hautes vitesses comme on en a besoin pour travailler en UGV, par exemple. Qui plus est, les commandes numériques qui leur sont associées permettent d’exploiter de tels centres d’usinage pour des travaux les plus complexes en cinq axes, exactement comme on le fait sur des centres d’usinage à architecture classique à coordonnées polaires. C’est ainsi, que pratiquement trois après la sortie des premiers modèles hexapodes sont apparus une variété de modèles de ces machines chez un grand nombre de constructeurs, aussi bien aux Etats-Unis qu’au Japon, comme on a pu les voir au cours des expositions qui se sont succédées. Dès l’an denrier à l’EMO de Paris, on a pu se rendre compte que de prototypes on en était passé à des machines industriellement exploitables - et exploitées. Cette année, on en a eu la confirmation formelle, aussi bien l’exposition METAF de Düsseldorf qu’à l’IMTS de Chicago, comme on va essayer d’en brosser un bref tableau dans les lignes qui suivent. Centres d’usinage Hypermach à tête tripode et axes à moteurs linéaires Une alliance effectuée entre le constructeur allemand DS TECHNOLOGIE et CINCINNATI MACHINE a donné le jour à une conception “sur mesure” de centre d’usinage à très hautes performances appelée Hypermach. Ce type de machine est destiné à tirer le meilleur parti d’un concept de tête d’usinage tripode Fig. 1 - Pouvant atteindre des vitesses de déplacement de 50 m/mn avec des accélérations de 1g, la tête Z3 équipant les centres d’usinage C INCINNATI MACHINE Hypermach est à commande de déplacements à architecture parallèle à trois axes linéaires. TRAMETAL Les récentes expositions METAV de Düsseldorf et IMTS de Chicago ont permis de se rendre compte dans quelle mesure les constructeurs du monde entier se sont impliqués dans le développement de modèles de centres d’usinage rompant avec la plupart des solutions classiques avancées connues pour s’orienter délibérément vers les architectures dites “parallèles ” et la très haute vitesse avec l’adoption très fréquente des moteurs linéaires. - Novembre 2000 - 43 MACHINES-OUTILS Doc. MAZAK Centres d’usinage: MACHINES-OUTILS Fig. 2 Configuration d’un centre d’usinage à broche horizontale Hypermach tel qu’il a été présenté à l’IMTS de Chicago pour en démontrer l’originalité et les capacité extraordinaires d’universalité des mouvements et, bien sûr, de très grande vitesse comme cela est désormais indispensable pour l’usinage des composants aéronautiques en aluminium. Fig. 3 (au centre) - Pièce type usinée dans un bloc d’aluminium sur une machine Hypermach, démontrant sa capacité de réaliser l’usinage de parois très minces. Fig. 4 - Le concept de la machine Hypermach exploitant la tête d’usinage tripode Z3 consiste à construire avec cette dernière des installations de toutes grandeurs destinées à l’usinage des plus gros composants aéronautiques, grâce à un montant en panneaux d’aluminium emplis de sable. 44 appelée Z3 développée par DS TECHNOLOGIE (fig. 1). Elle est animée par un ensemble de trois coulisses linéaires commandées indépendamment, connectées à la broche par des joints universels. Lorsque ces trois axes se meuvent en synchronisme, l’outil se déplace selon un axe classique Z. Lorsqu’ils sont programmés pour se déplacer indépendamment, ils engendrent des axes de mouvement A et B dès lors que le système est intégré à une machine de type centre d’usinage horizontal ou détoureuse, comme c’est le cas de l’Hypermach (fig. 2). Pour assurer une rigidité supérieure, chaque “patte” est environ quatre fois plus rigide qu’une construction classique. Et, comme la profondeur usinée sur la plupart des pièces aéronautiques, domaine essentiel auquel s’adrese l’Hypermach, ne dépasse pas environ 300 mm, la course Z a été limitée à 670 mm. Cette conception aboutit à la possibilité d’usiner des sections extrêmement minces (fig. 3) dans des composants structurels en aluminium. Cette tête peut recevoir des broches motorisées d’une puissance jusqu’à 75 kW (100 kW testés actuellement) atteignant une vitesse de 7500 à 40000 t/mn avec pour but de monter jusqu’à 100000 t/mn, l’utilisateur étant en mesure de choisir des broches à grande vitesse et faible couple ou à basse vi- - Novembre 2000 - TRAMETAL tesse et couple élevé pour répondre à ses besoins spécifiques. La vitesse angulaire est de 50 m/mn, les accélérations linéaires de 1 g et celles de rotation de 685°/s2. L’orientation de broche selon les axes A-B est de ± 40 ° sur une course Z de 370 mm, avec un maximum de déplacement sur cet axe de 670 mm. Montée sur roulements céramiques et accueillant des attachements HSK 63F, elle conserve une grande rigidité à très haute vitesse et ne subit qu’une faible dilatation thermique. Cette tête est l’un des éléments clés dans la conception de l’Hypermach, un autre décisif pour répondre à l’objectif fixé est la construction même de la machine dont le concept ne peut pas être qualifié de modulaire mais de configurable en fonction des applications. En effet, avec un but essentiel qui est celui d’atteindre les très hautes vitesses, les déplacements sur les cinq axes sont assurés par des moteurs linéaires qui permettent des vitesses de contournage sur les pièces dépassant les 60 m/ mn, et de 100 m/mn pour les déplacements rapides, avec accélérations de 2 g. Essentiellement, il existe trois modèles de base, Hypermach Z3, Hypermach Z3-L et Hypermach Z-2500. Le premier est une machine à profiler horizontale de courses X, Y et Z de 3300 à 5000 x 2 500 x 670 mm, le second est une machine pour longerons de courses X jusqu’à 35000 mm, Y de 1000 à 1500 mm et Z de 670 mm, enfin le troisième un centre d’usinage à colonne mobile de courses X de 3500 à 10000 mm, Y de 2000 x 5000 mm et Z de 2 500 mm confiée à une table porte-pièce. Tous ces modèles font appel à un bâti de conception nouvelle constitué de parois en panneaux d’aluminium entre lesquelles est chargé du sable, ce qui lui confère une grande capacité d’absorption des vibrations pour une masse très limitée. Toutes destinées à l’industrie aéronautique, ces machines bénéficient d’un avantage non négligeable : tous ses axes sont, en effet, situés derrière l’outil, facilitant le montage et l’usinage de pièces de grandes dimensions. Centre d’usinage à très haute vitesse à cinématique parallèle plane C’est à l’occasion de l’exposition METAV de Düsseldorf que l’on a appris le développement récent par MIKRON, en coopération avec D AIMLER C HRYSLER, d’un centre d’usinage cinq axes original de conception hybride (fig. 5) faisant appel à une chaîne cinématique parallèle plane à coulisse et attelage (type coulisses à entraînement par vis à billes comme une démonstration en avait été faite lors de l’EMO de Hanovre de 1997). Comme l’explique très Centre d’usinage à module tripode supportant et guidant la broche Une conception nouvelle de centre d’usinage à broche horizontale est apparue avec le modèle SX-051 développé par H ECKERT (fig. 6). Il s’est agi, en exploitant une cinématique parallèle pour l’unité porte broche, de lui conférer, sous la forme d’un module autonome SKM 400, l’ensemble des déplacements correspondant aux cinq axes classiques des centres d’usinage traditionnels afin d’obtenir une stabilité supérieure et les performances dynamiques à attendre de la réduction du nombre d’éléments et d’assemblages qui aboutit à une masse moindre et à des coûts de construction réduits. On fera remarquer que cette machine est l’aboutissement d’un projet “Dynamill” de coopération auquel plus de vingt partenaires, entreprises très connues et universités ou Instituts ont participé dont Alfing, Baumüller, Beckhoff, Deckel Maho, Fraunhofer Institut, Heckert, Heidenhain, Heller, Honsberg Lamb, Ex-Cell-O, ISG, Trumpf, Thyssen Hüller Hille, Deutsche Star, INA, Wälzlager Schaeffler, Siemens, WZL RWTH d’Aix-la-Chapelle, et l’Université I SW de Stuttgart. Le module porte-broche a été développé dans le but de parvenir à usiner plus efficacement et plus économiquement toutes pièces prismatiques de configuration “boîte”, aussi bien en aluminium qu’en acier avec des courses atteignant 650 mm. L’un des avantages est la suppression radicale de tout guidage linéaire et l’une des originalités repose dans l’accouplement cinématique pour guider horizontalement la broche selon des courses correspondant aux axes X, Y et Z. Trois modules d’axes de longueur variable constitués d’une servocommande, d’une vis à billes et d’un joint tournant universel servent à positionner la broche. Cette cinématique offre de nombreux avantages parmi lesquels on retiendra: 1) une performance dynamique accrue en ce qui concerne les courses sur tous les axes avec une vitesse montant à 100 m/mn pour une accélération à 1g permis par l’allègement des masses en mouvement, 2) des coûts réduits dûs à la disparition des assemblages comme les colonne, base, cou- Fig. 5 - Cette illustration de mauvaise qualité est la seule qu’il a été possible de “récupérer” du bulletin Today de Mikron sorti au salon METAV. l lisseau, support et couvre glissières, ainsi qu’à la réduction des temps d’assemblage, 3) Diminution globale des temps d’usinage grâce à l’accroissement de performance et à une broche à haute dynamique (31 kW et 15000 t/mn), 4) adaptabilité aisée aux types de production envisagés avec l’utilisation, soit d’une table rotative, soit d’une table rotative pivotante pour du cinq axes, par exemple pour l’usinage d’aubes d’une longueur jusqu’à 405 mm. TRAMETAL Fig. 6 - Concept de construction du centre d’usinage Heckert à cinématique parallèle tripode. Fig. 7 - Sous le nom de Dyna M, A. Mannesman propose un centre d’usinage à broche horizontale de hautes performances dont le module portant et guidant la broche est une unité à cinématique parallèle bipode. - Novembre 2000 - 45 MACHINES-OUTILS sommairement (discrétion oblige) le Dr. Thomas Treib, responsable technique chez Mikron Machining Technology, “l’exigence d’une modularité à 3+1+1 axes est, ainsi, remplie selon une technique appelée HPM pour High Performance Machining (usinage à haute performance). Les avantages par rapport aux machines traditionnelles équipées d’une colonne (bâti mobile, à banc ou en croix) sont évidents : centre de gravité moins élevé, masse en mouvement plus faible, deux axes d’entraînement en plan et donc faciles à fabriquer. La solution, tout comme l’application chez DaimlerChrysler, sont convaincantes : la machine est encore plus précise que les centres d’usinage classiques, la cadence/les temps principaux des processus définis sont inférieurs de quelque 30 pour cent, les objectifs des coûts de fabrication sont deux fois moins élevés que les coûts générés par les centres d’usinage traditionnels, une accélération sur tous les axes de 2g, des avances normales/ avances rapides de 80/100 m/mn et des masses en mouvement (y compris broches) de < 1000 kg.” Aucune autre précision n’a pu être obtenue pour le moment, hormis le fait que l’existence en fabrication d’un tel centre d’usinage sera transposée rapidement dans la future génération de centres d’usinage que le constructeur compte lancer très prochainement. MACHINES-OUTILS Fig. 8 - Cette vue, prise de l’arrière du centre d’usinage Dyna-M permet de voir les deux “pattes” qui entraînent la broche dans ses déplacements selon X et Y, et la tige de connexion (à l’avant) qui permet de commander simultanément le déplacement selon Z. Fig. 10 (à droite) - Centre d’usinage à broche verticale de type hexapode, modèle Cosmo Center PM-600, construit par Okuma. Avec des déplacements effectués à 100 m/mn et accélération de 1,5 g, il est équipé d’une broche atteignant les 30000 t/mn. Fig. 9 - Cette représentation virtuelle du concept exploité pour la construction du centre d’usinage trois axes Dyna-M construit par A. Mannesman, permet de se rendre compte de la manière dont sont répartis les mouvements imprimés à la broche disposée horizontalement. 46 Centre d’usinage trois axes à cinématique parallèle Un autre centre d’usinage à cinématique parallèle de type “pattes” télescopiques a été présenté à la METAV par A. MANNESMAN, modèle Dyna-M (fig. 7), également résultat de sa collaboration au projet Dynamill évoqué au sujet du modèle sorti chez HECKERT. Ses axes X, Y sont, ainsi, définis par le module à cinématique parallèle. L’axe Z découle des mouvements des deux autres axes grâce à un système de tiges de connexion (fig. 8). Les deux “pattes”, qui agissent pour actionner les axes Y et Y, sont de type vis à billes téléscopiques fabriquées par le constructeur de la machine lui-même, intégrant des systèmes de mesure précise des déplacements, Ce type de vis à billes faisant, d’ailleurs, partie des produits qu’il commercialise. Tout l’ensemble du système est équilibré hydrauliquement. La gestion des déplacements, par commande Heidenhain, permet d’atteindre des vitesses jusqu’à 90 m/mn avec une accélération de 1,5 g. Le constructeur précise que, aussi bien la conception du centre d’usinage que celle des vis à billes sont une exclusivité mondiale. Centre d’usinage hexapode à broche verticale Un centre d’usinage à hautes performances modèle Cosmo Center PM-600 a fait l’objet - Novembre 2000 - TRAMETAL d’une présentation très remarquée à l’exposition METAV de Düsseldorf (fig. 10), équipé d’une commande numérique OSP-U 100 CNC du constructeur mise au point de manière à permettre, avec une programmation simple, de commander six axes simultanément comme s’il s’agissait d’un centre d’usinage habituel à coordonnées polaires. Il couvre, sur ce qui correspond aux axes X, Y et Z, un volume de 450 x 450 x 400 mm avec des déplacements atteignant 100 m/mn et une accélération de 1,5 g. La broche, montée sur une plate-forme suspendue aux six “pattes” télescopiques du système à achitecture parallèle hexapode, est entraînée par un moteur de 7,5 kW jusqu’à une vitesse de 30000 t/mn et peut être orientée dans l’espace selon un angle de ± 30°. On rappellera que ce n’est pas la première version d’un tel centre d’usinage construit par Okuma qui avait présenté son premier prototype voici déjà quatre années à l’exposition de machines-outils J IMTOF de Tokyo en 1996. Centre d’usinage cinq axes tripode à broche verticale A l’exposition METAF de Düsseldorf, on pouvait découvrir un centre d’usinage Tricept de NEOS ROBOTICS , de type tripode, équipé de deux axes rotatifs supplémentaires pouvant, ainsi, être considéré presque comme un centre d’usinage cinq axes traditionnel. Dévoilé pour la première fois il y a deux ans à Chicago, successeur du TR 600, il était baptisé TR 805 , et destiné à des usinages plutôt lourds. Le modèle présenté à la METAV cette année, le Tricept 845, est à configuration verticale (fig. 11), c'est-à-dire que la direction principale du tripode est verticale. Aujourd’hui, NEOS ROBOTICS travaille sur une nouvelle configuration Unité d’usinage hexapode pour travail en UGV sur deux, trois ou cinq axes Présenté à divers salons au cours de cette année, le module autonome hexapode modèle CMW 300 (fig. 12) construit par CMW est l’une des réalisations à architecture parallèle certainement les plus abouties du marché. Capable de travailler en deux axes simultanés pour le surfaçage et l’usinage de poches à des vitesses d’avance de 50 m/mn, en trois axes ou en cinq axes simultanés, il présente la particularité de pouvoir se monter très rapidement sur toutes les machines de forte capacité, à axe horizontal ou vertical, équipées d’une simple visualisation, en leur ouvrant la porte de l’UGV. On notera également que, grâce à un support spécifique, il peut aussi être utilisé en tant que fraiseuse autonome, évitant d’immobiliser des machines au coût horaire très élevé. Une fois fixé à la manière d’une tête de fraisage classique, il réalise des usinages par maillages successif : pour une position donnée de la machine portante, l’hexapode balaye l’intégralité de son volume de travail, que les spécialistes du domaine appellent maille. Il suffit, ensuite, de déplacer le module hexapode sur les axes de la machine pour continuer l’usinage. En outre, son architecture parallèle et sa structure triangulée lui confèrent une très grande rigidité doublée d’une grande précision - en charge machine deux à six fois plus précise qu’une machine classi- que -, notamment dues à l’ab- sence de glissières dans le mécanisme et au fait que les “pattes” télescopiques ne travaillent qu‘en traction-compression mais, aussi, à de puissants algorithmes de compensation des variations de température des pattes et des plateaux et d’un programme d’auto-calibration prenant en compte, pour les compenser mathématiquement, les défauts de réglage de l’hexapode sur la machine support et les imperfections de la machine support elle-même. En outre, par définion, l’architecture parallèle assure une dilution des erreurs, contrairement aux configurations classiques qui les additionnent. Derrière une apparence relativement complexe, ce module de fraisage se commande comme une fraiseuse classique grâce à de puissants moyens de calculs intégrés dans une commande à base PC, programmée par apprentissage au pied de la machine ou directement par transfert - après traitement - de programmes issus de logiciels de CFAO. Dédié à l’UGV, il peut accueillir des broches d’une puissance de 40 kW allant à 25 000 t/mn ou des broches plus rapides mais aussi moins puissantes. Centre d’usinage à broche verticale à moteurs linéaires pour travail en UGV Portant la désignation LX-1 , MATSUURA a présenté à l’IMTS de Chicago un centre d’usinage à broche verticale (fig. 13) pour usinage à très grande vitesse entièrement équipé de moteurs linéaires apportant des gains de cycles d’usinage d’au moins soixante pour cent. Il a été conçu essentiellement pour les usinages de pièces de formes complexes en trois dimensions com- TRAMETAL Fig. 11 - Ce centre d’usinage tripode, modèle Tricept 845, construit par Neos Robotics est de type à broche verticale capable de déplacements à 65 m/mn avec accélérations atteignant 2 g. Il est désormais équipé d’un convoyeur de copeaux et d’un magasin d’outils linéaire à douze postes. Fig. 12 Conception du module d’usinage hexapode CMW 300 développé par CMW. Il a été conçu aussi bien pour équiper des machines existantes afin de les ouvrir à l’usinage à grande vitesse que pour constituer une unité autonome de fraisage à grande vitesse en le montant sur une base spécifique. - Novembre 2000 - 47 MACHINES-OUTILS qui permettra au tripode d’être monté dans différentes positions: horizontale, verticale et à 45°. Pour cela, la table qui supporte le tripode est assemblée à deux colonnes verticales possédant les éléments de fixation nécessaires au montage dans les trois positions. Pour compléter l’aspect modulaire de la machine, son bâti peut accueillir un changeur de palettes, une table fixe ou rotative. La table standard possède un diamètre de 1400 mm. Bien que présentant toutes trois leurs avantages, selon les concepteurs c’est la version à 45 ° qui devrait remporter le plus grand succès. En effet, dans cette configuration, le tripode facilite l’usinage et autorise l’emploi de différents dispositifs de bridage et de chargement-déchargement divers. Naturellement, et c’est là l’intérêt d’un tel système, un simple – ou presque – démontage permet de passer d’une configuration à une autre. Bénéficiant de vitesses d’avances de 65 m/mn sous des accélérations de 2g, le Tricept 845 (fig. 11) atteindrait une précision volumique de 0,05 mm sur une pièce de 800 x 800 x 400 mm et de 0,01 mm pour un usinage trois axes d’une pièce de 1 400 x 140 x 300 mm. Enfin, comme tout bon centre d’usinage, il assure un changement d’outils de 5 à 10 s, outils stockés dans un magasin à douze emplacements. 805 MACHINES-OUTILS Fig. 13 - Centre d’usinage à broche verticale pour usinage à très grande vitesse développé par Matsuura. Il est essentiellement destiné à la fabrication de pièces de formes très complexes exigeant des états de surface supérieurs comme les moules et les matrices. Fig. 15 (à droite) - Centre d’usinage à haute vitesse et forte accélération présenté par Hitachi Seiki. Fig. 14 (bas, gauche) - Détail de construction du centre d’usinage à très haute vitesse illustré fig. 13. Fig. 15 (bas, droite) - Centre d’usinage cinq axes de conception originale destiné à l’usinage multifaces de pièces de toutes configurations, développé par Yamazaki Mazak sous le nom de Variaxis 200. 48 Centre d’usinage trois axes super rapide On a pu voir à Chicago un centre d’usinage HS500/1G présenté par HITACHI SEIKI (fig. 15) revendiquant le qualificatif de superproductif car, avec des déplacements linéaires à 60 m/ mn il bénéficie d’une accélération de 1g. Doté de courses sur ses trois axes de 680 mm, il utilise des palettes carrées de 500 mm. Sa broche, entraînée par un moteur de 25 kW, peut être programmée à une vitesse de 35 à 12000 t/mn. Il est possible de monter une pièce d’une masse jusqu’à 500 kg. me les moules et les matrices avec des états de surface supérieurs. La construction type portique sur base monobloc en fonte de 4,3 tonnes en caisson (fig. 14) où sont intégrés sur la partie externe des guidages transversaux deux moteurs linéaires synchronisés destinés à empêcher les phénomènes de lacet, permet d’atteindre une précision impressionnante de 3 µm. Les déplacements linéaires atteignent 90 m/mn avec accélérations à 1,5 g. La table fixe supporte des masses jusqu’à 500 kg, permettant d’accepter la vitesse de broche de 6000 t/mn. Des règles de haute précision à 0,1 µm associées à une commande Fanuc 15i permettent, grâce à une nanointerpolation, d’atteindre les performances maximales d’une telle machine. Les parois verticales de la base permettent une évacuation parfaite des copeaux dans un bac ou sur un convoyeur, celle-ci pouvant être renforcée par un arrosage sous forte pression de 20 bar proposé en option, tout comme un magasin d’outils à trente postes et un quatrième axe. Les courses X, Y et Z représentent 500 x 500 x 300 mm, la table offrant une surface de 700 x 500 mm. Le moteur de broche de 4,5 kW délivre un couple de 0,7 Nm. Les avances de travail s’étalent de 1 à 30000 mm/mn. La précision sur toutes les courses est donnée à 4 µm avec unerépétabilité de ± 1 µm. - Novembre 2000 - TRAMETAL Centre d’usinage multifaces cinq axes On terminera ce tour d’horizon en mentionnant le centre d’usinage à broche verticale Variaxis 200 (fig. 16) de YAMAZAKI MAZAK. Conçu pour l’usinage multifaces de n’importe quelle configuration de pièces sans démontage, il dispose de courses X, Y et Z de 510 x 510 x 460 mm plus un axe A de 150° et un axe C de 360°. De construction à broche verticale, il est équipé d’un magasin d’outils de 30 postes ou de 40 en option. Travaillant à grande vitesse de 50 m/mn, il est doté d’un refroidissement de ses vis à billes afin d’en éviter la dilatation. Il dispose, par ailleurs, d’un moteur de broche de 22 kW développant un couple de 12 Nm, ainsi que d’un arrosage sous haute pression jusqu’à 70 bar comme il est illustré sur la figure de tête. L’axe A est constitué par le basculement de sa table de 500 mm de diamètre par 400 mm de profondeur et l’axe C par sa rotation. ❑