Brevet FR2760670A1 — publié le 19980918

CENTRE D'USINAGE A 4 ET 5 AXES TRES GRANDE VITESSE La présente invention concerne un agencement particulier des axes rotatifs utilisés sur fraiseuse ou centre d'usinage à quatre et cinq axes. Les machines existantes sont conçues pour obtenir des axes rotatifs supplémentaires ( appelés par convention axe B et C) aux trois axes linéaires classiques ( par convention X , Y et Z) par les différents moyens suivants: axe B obtenu par un plateau tournant incorporé à la table de la machine, axe C obtenu par oscillation de l'axe broche, axe B obtenu par un mouvement de basculement (tilting) du support de l'axe C, axes B et C obtenus par rotation de l'axe broche, ou toute autre combinaison des solutions énoncées ci-dessus. L'usinage à grande vitesse rendu possible par l'utilisation de broches ayant des vitesses de rotation élevées ( de dix mille tours par minute à quarante mille tours par minute et plus) nécessite des machines ayant des vitesses, des accélérations et une précision de déplacement que ne peuvent atteindre les configurations existantes. Le dispositif selon l'invention permet de remédier à cet inconvénient par une architecture de machine conférant vitesse, accélération , précision et rigidité. La figure I montre le dispositif selon l'invention (vue latérale). La figure 2 représente ce même dispositif vu de dessus. La figure 3 montre une vue de profil en coupe de la machine. La figure 4 montre une vue arrière de la machine. La figure 5 montre une vue de dessus de la machine. Une broche d'usinage (2) est reliée à un chariot (3) par un point pivot (Pi). Le point pivot peut être indifférement un cardan, une rotule lisse, une rotule à billes, à galets ou tout autre dispositif donnant deux degrés de liberté (rotation) sans jeu. Le chariot (3) peut coulisser verticalement par rapport à un chariot (6). La liaison entre les deux chariots s'effectue par l'intermédiaire de guidages (4) et le déplacement est commandé par une vis à bille (5) accouplée à un moteur (7) relié au chariot (6) par un palier (8). Le déplacement du chariot (3) s'effectue suivant l axe Y+ et Y-.La a masse du chaiiot (3) est équilibrée par un vérin (39). Le chariot (6) peut coulisser hol izontalelnellt par rapport à un montant (9). La liaison entre le chariot (6) et le montant (9) s'effectue par l~inlellllédiaire de guidages (10) et le déplacement est commandé par deux vis à billes (11) et (12) accouplées respecti\ement aux moteurs (li) et (14) chacun des moteurs étant relié au montant (9) par des paliers. respectivement (15) et (16). Le déplacement du chariot (6) s effectue suivant l'axe X+ et X-. La broche d'usinage (2) est reliée sans jeu à un arbre extensible (1). Cet arbre peut être constitué indifférement de deux tubes coulissant l'un dans l'autre sans jeu suivant un guidage qui peut être soit hydrostatique. soit par rampes à billes. soit par des patins prechargés. L'une des extrémités coulissantes du tube (1) est reliée à la broche d'usinage (2) tandis que l'autre extrémité est reliée à un chariot (]6) par l'intermédiaire d'un point pivot (P2) qui est de meme nature que le point pivot (PI). Le chariot (16) peut coulisser verticalement par rapport à un chariot (19). La liaison entre les chariots (16) et (19) s'effectue par l'intermédiaire de guidages (17) et le déplacement est commandé par une vis à bille (18) accouplée à un moteur (20) relié au chariot (19) par un palier (2]). Le déplacement du chariot (16) s'effectue suivant l'axe Yl+et Y1- La masse du chariot (16) est équilibrée par un vérin (40). Le chariot (19) peut coulisser horizontalement par rapport au montant (9). La liaison entre le chariot (19) et le montant (9) s'effectue par l'intermédiaire de guidages (22) et le déplacement est commandé par deux vis à billes (23) et (24) accouplées respectivement à des moteurs (25) et (26), chacun des moteurs étant relié au montant (9) par des paliers (27) et (28). Le déplacement du chariot (19) s'effectue suivant l'axe Xl+ et X1-. Le montant (9) peut coulisser horizontalement suivant l'axe Z+ et Z- par rapport à un bati (29). La liaison entre le montant (9) et le bati (29) s'effectue par l'intermédiaire de guidages (30) et le déplacement est commandé par une vis à bille (31) accouplée à un moteur (32) relié au bati (29) par un palier (33). Une table de travail (34) sur laquelle vient se fixer la pièce à usiner est rendue solidaire du bati (29) par l'intermédiaire d'un support (35). Dans l'exemple représenté un axe (36) permet de présenter successivement face à la broche les plans de travail (34) , (37) , (38) de sorte que l'on peut charger et décharger les pièces sur le plan (37) pendant que la broche (2) usine les pièces fixées sur le plan de travail (34). D'autres configurations sont possibles avec uniquement deux faces de travail. plus de trois faces ou bien un système de navette venant s'arrimer automatiquement sur le bati (29). La machine est représentée, pour plus de clarté, sans carénages; elle peut entre équipée d'un évacuateur de copeaux dans la zone (38) ainsi que d'un changeur automatique d'outils en relation avec la broche (2). Lorsque l'axe de la broche (2) est perpendiculaire au plan de travail (34) que le chariot (16) se déplace de manière synchrone avec le chariot (3), et que le chariot (19) se déplace de manière synchrone avec le chariot (6), la machine se comporte comme un centre d'usinage classique qui travaille suivant les axes X, Y, Z. Lorsque le chariot (16) va plus vite ou moins vite que le chariot (3) , I'arbre coulissant (I) s'expanse, et les points pivots (Pl) et (P2) permettent à la broche de pivoter suivant une rotation C+ ou C-. Lorsque le chariot (19) va plus vite ou moins vite que le chariot (6), I'arbre coulissant (I) change de longueur et les points pivots (Pl) et (P2) permettent à la broche de pivoter suivant une rotation B+ ou B-. La combinaison des mouvements précédents permet donc d'obtenir un centre d'usinage ayant cinq axes, trois linéaires X, Y, Z et deux rotatifs B et C. Cette configuration machine donne un débattement limité des axes B et C ( + ou - 30 par exemple). On peut pallier cette limitation en fixant la pièce sur la table (34) par l'intermédiaire d'un plateau rotatif qui permettra d'obtenir les angles complémentaires. En résumé, les caractéristiques de l'invention sont les suivantes 1) La machine-outil d'usinage grande vitesse à trois, quatre ou cinq axes comprend une broche 2 reliée à un chariot 3 se déplaçant verticalement suivant des guidages 4 par l'intermédiaire d'une vis à bille 5 et d'un moteur 7 et se déplaçant horizontalement suivant des guidages par 1 ' intermédiaire des vis à billes 11 et 12 et des moteurs 13 et 14 ; à l'arrière du montant 9 un chariot 16 se déplaçant verticalement sur des guidages 17 par l'intermédiaire d'une vis à bille 18 et d'un moteur 20 et se déplaçant horizontalement suivant des guidages 22 par l'intermédiaire de vis à billes 23 et 24 et de moteurs 25 et 26 ; un arbre coulissant préchargé sans jeu 1 est relié à la broche 2 et au chariot 16 de sorte que les points pivots P1 et P2 génèrent les axes rotatifs B et C de la broche. 2) Les cinq axes de la broche X, Y, Z, B et C sont obtenus par des mouvements linéaires.: l'axe rotatif B résulte de la combinaison des deux axes linéaires X et X1, de même l'axe rotatif C résulte de la combinaison des deux axes linéaires Y et Y1. 3) Les moteurs d'axes sont soit des vis à billes entraînées par des moteurs rotatifs, soit des moteurs linéaires, soit une combinaison des deux solutions précédentes. 4) Les points pivots ont un entraxe variable qui peut être obtenu soit par deux tubes coulissant lrun dans l'autre et guidés l'un par rapport à l'autre soit par des rampes à billes, soit par des patins préchargés, soit par des paliers hydrostatiques, soit par un arbre coulissant dans l'articulation du point pivot P2. 5) L'axe X ou les axes X et Y sont obtenus par translation de la table de travail. 6) La pièce peut être fixée sur la table de travail 34 par l'intermédiaire d'un plateau tournant 3600 de façon à pouvoir réaliser les angles complémentaires au débattement de la broche. 7) Les chariots 3 et 16 sont directement mobiles par rapport au montant 9 (les chariots 6 et 19 sont supprimés), la broche dans ce cas n'a plus que quatre degrés de liberté soit les axes X, Y, Z et C. 8) La distance entre la face de la broche 2 et le point pivot P1 peut être réduite significativement de façon à limiter les débattements de l'extrémité de l'outil. REVENDICATIONS I) Machine -outil d'usinage grande vitesse à trois, quatre ou cinq axes comprenant une broche (2) reliée à un chariot (3) se déplaçant verticalement suivant des guidages (4) par l'intermédiaire d'une vis à bille (5) et d'un moteur (7) et se déplaçant horizontalement suivant les guidages (10) par l'intermédiaire des vis à billes (Il) et (12) et des moteurs (13) et (14), à l'arrière du montant (9) un chariot (16) se déplaçant verticalement sur des guidages (17) par l'intermédiaire d'une vis à bille (18) et d'un moteur (20) et se déplaçant horizontalement suivant des guidages (22) par l'intermédiaire de vis à billes (23) et (24) et de moteurs (25) et (26); caractérisée en ce qu'un arbre coulissant préchargé sans jeu (1) est relié à la broche (2) et au chariot (16) de sorte que les points pivots (Pl) et (P2) génèrent les axes rotatifs B et C de la broche 2) Dispositif selon la revendication I caractérisé en ce que les cinq axes de la broche X, Y, Z, B et C sont obtenus par des mouvements linéaires: l'axe rotatif B résulte de la combinaison des deux axes linéaires X et X1, de même l'axe rotatif C résulte de la combinaison des deux axes linéaires N' et Yl. 3) Dispositif selon les revendications I et 2 caractérisé en ce que les moteurs d'axes sont soit des vis à billes ei0traïnées par des moteurs rotatifs, soit des moteurs linéaires, soit une combinaison des deux solutions précédentes. 4) Dispositif selon les revendications précédentes caractérisé en ce que les points pivots ont un entr'axe variable qui peut être obtenu soit par deux tubes coulissant l'un dans l'autre et guidés l'un pal rapport à l'autre soit par des rampes à billes. soit par des patins précharoés, soit par des paliers hydrostatiques . soit par un arbre coulissant dans l'articulation du point pivot (P) 5) Dispositif selon les revendications précédentes caractérisé en ce que l'axe X ou les axes X et Y sont obtenus par translation de la table de travail. 6) Dispositif selon les revendications précédentes caractérisé en ce que la pièce peut être fixée sur la table de travail (34) par l'intermédiaire d'un plateau tournant 360C de façon à pouvoir réaliser les angles co'npléme:itaires au débatiement de la broche. /) Dispositif selon les oevendications précédentes caractérisé en ce que les chariots (3) et (16) sont directement mobiles par rapport au montant (9) ( les chariotes (6) et (19) sont supprimés) , la broche dans ce cas n'a plus que 4 degrés de liberté soit les axes X. Y, Z et C. 8) Dispositif selon les revendications plécédentes caractérisé en ce que la distance entre la face de la broche (2) et le point pivot (Pl) peut être réduite significativement de façon à limiter les débattements de l'extrémité de l'outil.