L'industrie lourde continuant à se développer, la demande en tournage CNC de grandes pièces augmente dans des secteurs tels que l'équipement lourd, les nouvelles énergies, aérospatialeet le transport ferroviaire. Par rapport au tournage standard, le tournage de grandes pièces présente des différences significatives en termes de taille, de poids, de rigidité des matériaux, d'exigences en matière de fixation, de normes dimensionnelles, d'inspection et de logistique d'emballage et de transport.
Qu'est-ce que le tournage CNC de grandes pièces ?
Le tournage CNC de grandes pièces fait référence à la découpe automatisée de pièces rotatives de grand diamètre, de grande longueur ou ultra-lourdes (telles que des arbres, des rouleaux et des brides de grande taille) à l'aide de tours CNC robustes équipés de structures à haute rigidité, de longues courses et de mandrins à charge élevée. Les opérations typiques comprennent Usinage OD/IDLe tournage, le surfaçage, le tournage conique et le filetage.
Principales différences entre le tournage de grandes pièces et le tournage conventionnel
Dimension et rigidité de la machine
- Tournage conventionnel : Utilise des tours de petite à moyenne taille, avec une rigidité modérée du banc et des vitesses de broche plus élevées, principalement pour des pièces tournées de taille standard.
- Tournage de grandes pièces : Nécessite des tours CNC lourds/ultra-lourds avec des plateaux plus larges et plus épais et des guidages plus espacés, offrant une grande rigidité et une bonne résistance aux vibrations pour supporter les forces centrifuges exercées par les grandes pièces et les lourdes charges de coupe.
Taille de la pièce et fixation
- Tournage conventionnel : Les diamètres typiques sont inférieurs à 500 mm ; les pièces sont plus courtes et plus légères, généralement serrées directement à l'aide d'un mandrin à trois mâchoires.
- Tournage de grandes pièces : Les diamètres peuvent atteindre plusieurs mètres (ou plus) et les pièces peuvent peser plusieurs tonnes. Des appuis centraux, des appuis suiveurs ou des montages dédiés sont souvent nécessaires pour le support, avec des coupes à faible vitesse et à forte charge.
Défis du processus et contrôle de la précision
- Tournage conventionnel : Se concentre principalement sur les tolérances dimensionnelles et la finition de surface ; les effets de la déformation thermique sont relativement limités.
- Tournage de grandes pièces : Outre la précision des dimensions, il doit surmonter les problèmes de déformation du poids propre, de croissance thermique et d'équilibre dynamique, avec des exigences élevées en matière de durée de vie de l'outil et d'efficacité de l'évacuation des copeaux.
Quelles sont les opérations et les caractéristiques des pièces que le tournage CNC de grandes pièces peut prendre en charge ?
Le tournage CNC de grandes pièces vise les géométries rotatives. Les opérations clés et les caractéristiques réalisables sont les suivantes
Opérations de base
- Tournage et surfaçage OD : Enlever la surépaisseur et créer des surfaces cylindriques de base et des faces d'extrémité.
- ID ennuyeux : Usiner des trous profonds, des trous traversants ou des trous borgnes.
- Conduits et chanfreins : Produire des surfaces coniques et des chanfreins.
- Coupe du fil : Filets métriques, pouces, modules ou filets de surface.
- Rainurage et tronçonnage : Rainures de bague, rainures d'huile ou séparation.
- Retournement de la forme : Arcs ou profils courbes spéciaux.
Caractéristiques typiques des pièces
- Caractéristiques de l'arbre : Arbres étagés, arbres longs, arbres excentriques.
- Caractéristiques du disque : Grandes brides, moyeux, volants.
- Caractéristiques du trou : Trous profonds, alésages étagés, trous filetés internes.
- Caractéristiques de surface : Filets extérieurs, moletage, rainures de décharge, rainures d'étanchéité (par exemple, rainures pour joints toriques).
- Géométrie spéciale : Conduits, surfaces sphériques, cercles excentriques.
Matériaux usinables et recommandations de sélection
La sélection des matériaux pour le tournage CNC de grandes pièces doit concilier l'usinabilité, la résistance structurelle et la maîtrise des coûts.
Matériaux communs
Acier allié et acier inoxydable
- Acier allié 4140/4340 : Couramment utilisé ; haute résistance et bonne résistance aux chocs - convient pour les arbres et les engrenages à usage intensif.
- Acier inoxydable 304/316 : Résistant à la corrosion, souvent utilisé dans les équipements chimiques ; sujet à l'écrouissage et nécessitant des outils plus performants.
Acier au carbone
- Acier au carbone 1045 : Rentable, de résistance moyenne, facile à tourner et à traiter thermiquement ; convient pour les pièces mécaniques générales.
Métaux non ferreux
- Aluminium 6061/7075 : Excellente usinabilité et évacuation rapide des copeaux ; convient aux grandes pièces structurelles sensibles au poids.
- Bronze/laiton : Résistant à l'usure et à la corrosion ; souvent utilisé pour les grandes hélices marines ou les manchons/coussinets d'usure.
Matériaux de spécialité
- Titane (Ti-6Al-4V) : Rapport résistance/poids élevé mais mauvaise conductivité thermique ; difficile à usiner, principalement pour les pièces critiques de l'aérospatiale.
- Alliages à haute température (par exemple, Inconel) : Haute résistance à la chaleur pour les équipements énergétiques ; haute résistance à la coupure et usinage difficile.
Conseils pour la sélection des matériaux
- Privilégier les qualités d'usinage libre lorsque cela est possible : Pour les grandes pièces, le choix d'aciers de décolletage (par exemple, 1215) ou d'alliages avec ajouts de soufre/plomb - tout en respectant les exigences mécaniques - peut réduire de manière significative le temps et le coût d'usinage.
Sélection d'ébauches pour le tournage de grandes pièces
- Les pièces forgées : Convient aux arbres à forte charge ; structure interne dense.
- Moulages : Convient pour les boîtiers ou les moyeux complexes de grande taille ; permet de réduire la surépaisseur d'usinage.
- Tube à paroi épaisse/barre : Convient aux pièces rotatives simples ; l'utilisation des matériaux est relativement faible.
Durée du traitement thermique
Pour les grandes pièces, un traitement thermique (trempe et revenu / recuit) est recommandé après l'ébauche et avant la finition afin de soulager les tensions internes et d'éviter les déformations dues au relâchement des tensions après la finition.
Capacité de l'équipement et gamme d'usinage
Les équipements de tournage CNC de grande taille (tours CNC lourds/ultra-lourds) dépassent généralement les machines standard en termes de course, de capacité de charge et de capacité de coupe lourde.
Gamme d'usinage
- Diamètre de pivotement : Généralement 800-2000 mm ; certaines machines ultra-lourdes dépassent 3000 mm.
- Longueur d'usinage (entre les centres) : Généralement 1000-3000 mm ; les puits longs peuvent atteindre 5 m ou plus.
- Diamètre de serrage du mandrin : Typiquement 300-1200 mm ; avec l'entraînement frontal et le support de la contre-pointe, il est possible de traiter des ébauches d'arbres plus grandes.
Capacité de charge
- Charge maximale entre les centres : Généralement de 0,5 à 5 tonnes ; les machines ultra-lourdes peuvent supporter 5 à 10 tonnes.
- Taille du mandrin : Grands mandrins hydrauliques (par exemple, 15″, 21″, 25″+) fournissant des forces de serrage de plusieurs milliers de newtons.
Capacité dynamique et de coupe
- Plage de vitesse de la broche : Limité par la force centrifuge sur les grands diamètres ; vitesse maximale généralement comprise entre 500 et 1200 tr/min, mais avec un couple très élevé (des milliers de N-m) à faible vitesse pour l'ébauche lourde.
Précision, tolérances et contrôle de la qualité des surfaces
Le tournage de grandes pièces est fortement affecté par les "effets d'échelle". Le principal défi consiste à contrôler la déformation gravitationnelle et la croissance thermique, ce qui rend les tolérances géométriques beaucoup plus difficiles à maintenir.
Capacité de tolérance typique
- Dimensions linéaires : Standard ±0,05 à ±0,1 mm ; précision (avec contrôle de la température + haute rigidité) ±0,01 à ±0,02 mm ; les arbres longs suivent souvent IT7-IT8 ou le contrôle proportionnel à la longueur.
- Tolérances géométriques : Rondeur/cylindricité 0,005-0,02 mm ; coaxialité pour les arbres longs φ0,02-φ0,05 mm ; planéité de la face de la bride 0,02-0,05 mm (à l'intérieur d'un diamètre de 1 m).
Contrôle de la qualité de la surface
- Rugosité : Finition du tournage Ra 1,6-3,2 μm ; superfinition/polissage Ra 0,4-0,8 μm.
- Contrôle des défauts : Utilisez des porte-outils amortis ou des porte-outils à glissière pour supprimer les marques de broutage ; optimisez les paramètres de coupe et le liquide de refroidissement pour éviter la formation d'arêtes et protéger la finition de la surface.
Techniques clés pour le contrôle de la précision
- Compensation thermique : Les systèmes CNC compensent la déformation thermique de la broche et du banc en temps réel.
- Soutien auxiliaire : Les appuis centraux/suivants hydrauliques compensent l'affaissement dû au poids propre des arbres minces.
- Sondage en cours : Des palpeurs de haute précision (par exemple, Renishaw) permettent de mesurer le cycle et de corriger le décalage de l'outil afin de réduire l'erreur de resserrage.
- Soulagement du stress : Traitement thermique après l'ébauche pour éviter les déformations ou les fissures après la finition.
Défis et solutions en matière d'usinage
Les principaux défis du tournage CNC de grandes pièces se concentrent sur le contrôle de la déformation, la suppression des vibrations, l'évacuation des copeaux et la gestion thermique.
Déformation de la pièce et fixation
- Défi : Les pièces à paroi mince se déforment sous l'effet du serrage ; les arbres longs s'affaissent sous l'effet du poids propre et peuvent revenir hors tolérance.
- Solutions : Utiliser des mâchoires hydrauliques/douces à faible contrainte pour éviter les déformations ; utiliser des appuis centraux et des appuis suiveurs hydrauliques pour contrôler la déflexion au micron près ; appliquer un processus de "tournage brut → traitement thermique → tournage de finition" pour relâcher les contraintes internes.
Vibrations et état de surface
- Défi : Un long dépassement de l'outil ou une faible rigidité de la pièce peuvent provoquer des vibrations à basse fréquence (broutage), entraînant des marques de vibration ou l'écaillage des arêtes.
- Solutions : Utiliser des barres à haute rigidité ou amorties ; utiliser "une grande profondeur de coupe, une faible avance" pour éviter la résonance ; les grandes pièces de disque nécessitent un équilibrage dynamique strict.
Évacuation et refroidissement des copeaux
- Défi : Les copeaux longs et lourds peuvent s'enchevêtrer et rayer les surfaces ; l'accumulation de chaleur entraîne une distorsion thermique.
- Solutions : Utilisez un liquide de refroidissement haute pression de 50 à 70 bars à travers l'outil pour briser et refroidir les copeaux ; utilisez des plaquettes brise-copeaux spéciales pour produire des copeaux en forme de C ou des copeaux hélicoïdaux courts.
Mesure et alignement
- Défi : Un stock inégal rend l'alignement difficile ; l'arrêt pour la mesure introduit une erreur de température.
- Solutions : Utiliser l'auto-centrage ou le palpage CNC pour établir un système de coordonnées compensé ; utiliser le palpage en machine après les opérations critiques pour auto-corriger les paramètres afin d'obtenir des pièces conformes en un seul réglage.
Inspection de la qualité et assurance de la livraison
- Capacité d'inspection : Pieds à coulisse, micromètres, jauges d'alésage, testeurs de circularité et MMT pour la mesure et l'enregistrement des caractéristiques transversales.
- Documents disponibles : Rapports d'inspection des matières premières, inspection du premier article (FAI), et autres, selon les besoins.
Industries typiques et exemples d'application
- Énergie et industrie lourde : Arbres de pompe, accouplements, brides, boîtiers.
- Aérospatiale : Manchons structurels de grande taille, pièces rotatives porteuses.
- Automobile et équipement : Rouleaux, arbres d'entraînement, outils rotatifs et composants de fixation.
- Dispositifs médicaux : Grands boîtiers/supports d'assemblages rotatifs (le cas échéant).
Facteurs de coût et d'offre
Le coût du tournage CNC de grandes pièces est principalement influencé par le matériau, la taille de la pièce, les exigences en matière de précision, le degré de tolérance, les exigences en matière de caractéristiques spéciales, la rugosité de la surface, le traitement thermique et la finition de la surface, ainsi que les exigences en matière d'emballage et les frais de transport.
Conclusion
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