FR3107461A1 - Centre d’usinage de profilés avec laser et outils coupants - Google Patents

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Abstract

Le dispositif objet de cette invention concerne l’obtention de pièces finies à partir de barres et profilés grâce à une seule machine capable de faire de l’usinage par enlèvements de matière, par découpe laser, par tronçonnage ainsi que d’autres opérations habituellement réalisées sur des machines dédiées. La broche d’usinage sert à la fois à l’attachement des outils et à la tête laser.

Description

Centre d’usinage de profilés avec laser et outils coupants
Cette invention concerne le contexte d’enlèvement de matière hautement productif obtenu à partir de centres d’usinage à la barre tels que définis dans les brevets MICHEL PIOCH N° de Publication FR 0016077pour l’équipement d’usinage et d’avance du profilé et N° de publication FR 9807252 pour le mode de bridage des profilés.
Le dispositif objet de l’invention concerne l’obtention de pièces finies de toutes longueurs issues de barres et de profilés métalliques en une seule opération à partir de procédés d’usinage différents combinés de manière avantageuse dans la même machine en optimisant la fonction de l’attachement d’outils de la broche d’usinage. Les différents procédés d’usinage utilisés sont la découpe laser, la gravure laser, ainsi que l’usinage par outil coupant à partir d’une broche d’usinage. La broche d’usinage est verticale ou horizontale suivant la configuration de la machine. Dans les schémas suivants la broche est représentée en configuration horizontale.
Pour faciliter la compréhension, on désignera dans la suite du texte de manière indifférente sous barre ou profilé la barre (9) qui se déplace entre les 2 diviseurs (2) et (4), sachant qu’il peut s’agir d’un profilé plein ou creux ou d’une barre de toute section, de toute nature, de toute matière qui puisse se découper ou se graver au laser, de rigidité suffisante pour pouvoir être usinée par ce type de procédé.
Selon l’état de la technique actuelle, l’usinage ou la découpe laser ou le marquage laser sur des pièces finies à partir de barres et profilés est obtenu avec différentes typologies de machines : il s’agit soit de machines dites à table fixe, où le profil est fixé sur la table et où la broche d’usinage se déplace le long du profilé. Il existe aussi le type de machines à avance incrémentale de la barre, où la barre se déplace le long de l’axe longitudinal de la barre (9) par l’intermédiaire de diviseurs (2) et (4) capables de desserrer et de serrer alternativement le profil lors des avances successives de la barre (9) comme cela est décrit dans le brevet FR 0016077, sous la broche d’usinage (5) ou sous la tête de découpe laser (6).
Les dispositifs d’enlèvement de matière sont différents et correspondent habituellement à des machines dédiées : oxycoupage pour les machines d’oxycoupage, usinage par enlèvement de matière pour les centres d’usinage, poinçonnage par les poinçonneuses, découpe laser pour les machines de découpe laser, marquage par laser pour les centres de marquage laser, découpe sur des bancs de tronçonnage pour les tronçonneuses.
L’enlèvement de matière est aussi obtenu à partir de machines d’usinage de type LASER TUBE, où une source laser procède seule à la découpe de ce qui est possible à couper au laser.
Dans le contexte typique d’usinage de pièces issues de profilés extrudés structurés, c’est-à-dire comportant une ossature à l’intérieur du profil, la source de laser d’une machine de type LASER TUBE saura couper les enveloppes extérieures mais pas les enveloppes intérieures du profil avec un niveau de qualité acceptable, ce qui compromet l’utilisation de ce moyen de découpe pour obtenir une pièce finie de haute qualité. Un autre cas concerne l’impossibilité pour une machine de type LASER TUBE d’obtenir avec une seule source laser des usinages typiques du fraisage tels qu’un taraudage.
Les opérations d’usinage ainsi que les géométries impossibles à réaliser en découpe laser sont alors couramment obtenues par un autre procédé d’usinage sur un autre centre de type centre d’usinage, robotisé ou non. Cette méthode nécessite donc au moins 2 machines distinctes, en plus du transfert manuel ou robotisé de la pièce découpée au laser vers le centre de reprise d’usinage.
L’invention est composée d’un centre d’usinage (1) équipé d’un diviseur fixe en translation (4) et d’un diviseur mobile (2) en translation selon l’axe longitudinal de la barre fixé sur son chariot mobile (3).
Les diviseurs (2) et (4) brident la barre (9) et la maintiennent serrée comme cela est décrit dans le brevet FR 2779676
Le diviseur mobile (2) fixé sur son chariot mobile (3) se déplace dans la direction de l’axe longitudinal de la barre (9).
La broche d’usinage (5) se déplace dans la direction de l’axe longitudinal de la barre (9), dans la direction verticale et dans la direction perpendiculaire à ces 2 axes pour saisir un outil coupant (7) depuis le magasin d’outils (8) qui est avantageusement placé face à la broche horizontale dans la partie haute de la machine.
La broche d’usinage (5) horizontale peut aussi recevoir la tête de découpe laser (6) fixée sur une interface composée d’un porte outils(10) . Cette tête de découpe laser est prise par la broche d’usinage (5) depuis le magasin d’outils (8) disposé en face de la broche d’usinage (5) où la tête de découpe laser est rangée quand elle n’est pas utilisée.
Lorsque la tête laser est positionnée dans la broche d’usinage, les mouvements en rotation rapide de la broche d’usinage sont rendus impossibles par la gestion appropriée de la commande numérique. Les mouvements de la broche (5) sont adaptés aux possibilités de la tête laser (6), notamment les accélérations qui sont limitées aux valeurs évitant de dégrader la durée de vie de certains composants de la tête laser et de prendre en compte le déplacement acceptable des câbles d’alimentation de la tête laser (6).
Lors de chaque prise en broche de la tête laser, un recalage angulaire peut être fait en palpant des géométries caractéristiques de la tête laser sur un palpeur fixe ou en guidant mécaniquement la tête laser lors de son introduction dans l’attachement d’outils.
Ensuite la rotation de l’outil est alors bloquée.
Ce guidage angulaire garantit que le faisceau laser, s’il doit être vertical vers le bas, le sera avec le niveau de précision souhaité.
Le mouvement en rotation de la broche d’usinage (5) est piloté par un codage angulaire précis. Ce peut être un codage angulaire direct. Cette solution est une solution standard du commerce et permet une très bonne précision angulaire. En combinant le mouvement de la rotation angulaire de la broche d’usinage avec celui des diviseurs (2) et (4), la découpe laser se fait bien selon les 5 axes qui sont les 3 mouvements de translation, le mouvement de rotation des poupées autour de l’axe longitudinal de la barre (9) et le mouvement de rotation autour de l’axe de rotation (14) de la broche d’usinage (5) dans le cas où la broche d’usinage est horizontale, comme représentée sur les , [fig 4], [fig 5], [fig 6] et [fig 7].
La est une vue complète du dispositif où on voit le centre d’usinage (1) équipé de la broche d’usinage (5) et de la tête laser (6) en broche. Les 2 diviseurs mobile (2) et fixe (4) permettent d’avancer le profilé (9) par incréments le long de l’axe longitudinal de la barre et le magasin d’outils (8) permet de charger l’outil désiré (7) en broche (5)
La représente une tête laser (6) du commerce fixée sur un porte outils du commerce (10). Les 3 tubulures du faisceau laser, d’alimentation en gaz et d’évacuation des gaz ne sont pas représentés.
La représente la machine cartérisée avec la porte (11) en position fermée.
La représente le centre d’usinage (1) où la tête de découpe laser (6) en position travail sur la barre (9) est située à droite du diviseur fixe (4)
La représente le centre d’usinage (1) avec la buse d’aspiration fixe (13) placée à droite de la poupée fixe.
La représente le centre d’usinage avec le laser entré dans le magasin d’outils.
La représente le centre d’usinage (1) quand la poupée fixe en translation (4) a tourné de 90° par rapport à son support rotatif (12) autour de l’axe vertical (22) pour faire face à la broche d’usinage horizontale (5)
Description détaillée
Le mode de réalisation concerne une machine à broche horizontale (5) équipée de 2 diviseurs fixe (4) et mobile (2) en translation le long de l’axe longitudinal de la barre (9).
Le diviseur fixe en translation (4) ne tourne pas autour de son axe vertical mais cette configuration est possible pour certains types d’usinage comme cela est représenté en . Cela permet à la broche d’usinage (5) d’usiner le morceau de barre préalablement coupé par la broche d’usinage (5) ou par découpe laser (6) ou par un module de tronçonnage entre les poupées non représenté, maintenu serré dans le diviseur fixe (4) qui fait face à la broche d’usinage (5) selon l’angle souhaité. Ce mouvement de rotation sur l’axe vertical du diviseur fixe correspond à un axe supplémentaire piloté par la commande numérique. Ce mouvement peut être interpolé avec les 3 axes de translation de la broche ainsi que l’axe de rotation du diviseur, ce qui permet un usinage 5 axes.
Le magasin d’outils (8) correspond à une réserve d’outils placés au-dessus de la zone d’usinage, au niveau de la partie haute de la porte de travail (11) que l’opérateur peut ouvrir. Ces outils sont des outils coupants ou des palpeurs ou des outils de calibrage ou des outils de fluo perçage ou des têtes d’équerre ou une tête laser (6).
Une protection horizontale, non représentée, est placée à une hauteur intermédiaire entre la zone d’usinage située aux alentours de la barre (9) et le magasin d’outils (8) afin de limiter l’intrusion de copeaux et autres particules d’usinage, liquides ou solides, depuis la zone d’usinage vers le magasin d’outils (8).
La broche d’usinage (5) peut déposer un outil ou prendre un outil (7) dans le magasin d’outils (8) en combinant les mouvements de translation selon les 3 directions.
La tête bélier (16) se translate selon un axe parallèle à l’axe longitudinal de la barre, guidé par des glissières (17) et entrainé par une vis à billes et un moteur, non représentés.
La tête bélier (16) supporte un chariot intermédiaire vertical (18) qui se translate dans la direction verticale, lequel chariot se translate par l’intermédiaire d’un guidage linéaire représenté par 2 glissières (19) et entrainé par une vis à billes et un moteur, non représentés.
Le chariot intermédiaire (18) supporte le chariot de broche (21) qui est en liaison complète avec la broche (5) lequel chariot de broche peut se translater dans la direction perpendiculaire à l’axe longitudinal de la barre dans le sens de la profondeur, guidé par un guidage linéaire représenté par 2 glissières (20) et entrainé par une vis à billes et un moteur, non représentés.
De manière avantageuse, la tête laser (6) est fixée sur un porte outil (10) donc cet ensemble peut être déposé ou repris depuis le magasin d’outil (8) et positionné dans la broche (5) du centre d’usinage.
L’interface du porte outil (10) est une interface standard du commerce de type HSK ou SA ou SK compatible avec un grand nombre de broches d’usinage.
Les broches d’usinage étant commandées par des commandes numériques, on interdit à la broche d’avoir des mouvements préjudiciables à la durée de vie de la tête laser (6) par l’intermédiaire de la programmation de la commande numérique de la machine. La tête laser (6) étant reliée par des câbles dont l’alimentation en source lumineuse, l’alimentation éventuelle en gaz et l’évacuation des gaz liés à l’action de la tête laser, de ce fait la rotation de la tête laser sur plusieurs tours est interdite par la commande numérique lorsque la tête laser (6) est en position travail donc en broche (5)
Lorsque l’utilisation de la tête de découpe laser en mode 5 axes n’est pas utile et que la fonction découpe en mode 4 axes suffit, il est possible de fixer la tête laser dans un autre attachement d’outils complété par des guides, ou de fixer la tête laser directement sur des guides afin de bénéficier d’emblée d’un positionnement satisfaisant de la tête laser.
Sur la partie droite de la machine est représentée une buse d’aspiration fixe (13) des vapeurs laser et des éventuels copeaux créés lors de l’usinage à sec, c’est-à-dire sans utilisation de lubrifiant ou fluide d’usinage.
L’usinage se fait de manière préférentielle à gauche de la poupée fixe et la découpe laser se fait de manière préférentielle à droite de la poupée fixe. Ainsi le lubrifiant d’usinage, l’humidité et les copeaux sont confinés dans une zone située à gauche de la poupée fixe (4). La partie située à droite de la poupée fixe (4) est dédiée à la découpe laser, où cette zone est maintenue sèche pour protéger la tête de découpe laser de l’humidité et autres polluants. Cette zone reçoit une aspiration supplémentaire des vapeurs dues à l’usinage laser et des protections physiques supplémentaires pour isoler et protéger l’extérieur de la machine des rayonnements laser émis dans cette zone. Cette zone située à droite de la poupée fixe se trouve de manière avantageuse au-dessus du convoyeur à copeaux et à chutes, où ces chutes de taille plus importante tombent directement dans le convoyeur à copeaux. Cela limite ainsi le risque que les chutes se coincent sur les pentes d’évacuation ou dans les gouttières d’évacuation qui mènent vers le convoyeur à copeaux et à chutes.
Le diviseur fixe en translation (4) tourne autour d’un axe vertical (22). La configuration représentée en est la configuration où l’axe de rotation du diviseur (4) est confondu avec l’axe de rotation du diviseur mobile (2).
Dans la seconde configuration, représentée en , quand la barre est coupée entre le diviseur fixe en translation (4) et le diviseur mobile en translation (2), le diviseur fixe en translation (4) tourne en rotation sur son support rotatif (12) autour de son axe de rotation vertical (22) et la broche d’usinage (5) usine une partie de la pièce bridée dans le diviseur (4). Dans le cas particulier où l’axe longitudinal de la pièce coupée bridée dans ce diviseur (4), qui est confondu avec l’axe de rotation du diviseur (4), est parallèle à l’axe de rotation de la broche d’usinage (5), comme cela est représenté en [fig 7], alors la pièce est usinée en bout.
La possibilité d’usiner avec la broche d’usinage (5) une pièce bridée dans le diviseur fixe en translation (4) qui peut tourner autour de l’axe de rotation (22) par l’intermédiaire de son support rotatif (12) permet un usinage 5 axes.
Ce dispositif est constitué d’un centre d’usinage pour l’obtention de pièces finies issues de barres et de profilés de tout matériau métallique nécessitant des opérations de perçage, lamage, taraudage, fraisage, tronçonnage, fluoperçage, découpe laser ou marquage laser où une barre ou d’un profil (9) est serré(e) et déplacé(e) entre un diviseur mobile (2) en translation selon l’axe longitudinal de la barre ou du profil (9) et un diviseur fixe (4). La tête de découpe laser (6) est liée à la broche d’usinage (5) horizontale ou verticale, de la même façon que le serait un outil coupant (7).
Dans ce dispositif, la tête de découpe laser (6) est en liaison complète avec un porte outil (10) aux formats standards du commerce.
Cette invention est susceptible d’application industrielle car elle est économique. Le fait de regrouper une tête laser avec une broche d’usinage par enlèvements de matière sur une même machine permet de mutualiser le coût de la commande numérique et des axes de la machine. Ce regroupement de fonctions permet de réduire le coût de l’investissement global pour obtenir une pièce finie.
Cette solution permet aussi un gain de place. Le fait de combiner les fonctions de plusieurs machines dans une seule machine la rend plus compacte.
Cette solution permet aussi un gain de temps notable dans l’obtention de la pièce finie car les transferts d’une machine à l’autre ne sont plus nécessaires. Ce gain de temps pour réaliser la pièce finie permet une économie supplémentaire pour obtenir chaque pièce finie.

Claims (3)

  1. Dispositif constitué d’un centre d’usinage équipé d’un diviseur fixe en translation (4), d’un diviseur mobile (2) en translation selon l’axe longitudinal de la barre fixé sur son chariot mobile (3), dont les diviseurs (2) et (4) maintiennent la barre (9) bridée, d’une broche d’usinage (5) qui se déplace dans la direction de l’axe longitudinal de la barre (9), dans la direction verticale et dans la direction perpendiculaire à ces 2 axes, pour l’obtention de pièces finies issues de barres et de profilés de tout matériau métallique nécessitant des opérations de perçage, lamage, taraudage, fraisage, tronçonnage, fluoperçage, découpe laser ou marquage laser où la barre ou le profil (9) est serré(e) et déplacé(e) entre un diviseur mobile (2) en translation selon l’axe longitudinal de la barre ou du profil (9) et un diviseur fixe (4) caractérisé en ce que la tête de découpe laser (6) est liée à la broche d’usinage (5) horizontale ou verticale, de la même façon que le serait un outil coupant (7).
  2. Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la tête de découpe laser (6) est en liaison complète avec un porte outil (10) aux formats standards du commerce.
  3. Dispositif selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le diviseur fixe en translation (4) tourne autour d’un axe vertical (22)
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