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Usinage : la broche hydrostatique promet des merveilles (01/12/2000)

Les problèmes d'échauffement qui freinaient l'utilisation de cette technologie sont résolus. Avantages : durèe de vie des outils décuplée, vibrations mieux amorties, grande rigidité, poids réduit...
Remplacer l'huile par l'eau ! Il suffisait d'y penser. Cette substitution a résolu les délicats problèmes d'échauffement que posait la broche d'usinage hydrostatique et qui empêchaient son utilisation sur les machines d'usinage à grande vitesse. Du coup, le palier hydrostatique n'était utilisé qu'en association avec des arbres lourds tournant lentement : sur des rotatives, des laminoirs, voire sur des machines-outils dotées de broches lentes.

 


Une excellente rigidité et plus de vibrations !


Le secteur de l'usinage ne rêve, lui, que de grandes vitesses. Voilà pourquoi, faisant oeuvre de précurseur, le constructeur américain Ingersoll Milling Machine avait présenté pour la première fois à l'IMTS 96 un centre d'usinage à grande vitesse doté d'une broche hydrostatique. Conçue par ses soins, cette broche utilisait de l'huile, ce qui pénalisait à la fois sa vitesse (limitée à 20 000 tr/min) et sa puissance (15 kW seulement).


Depuis lors, de l'eau a coulé... sous les roulements. Deux constructeurs de broches suisses, Ibag et Fischer, commercialiseront en 2001 des broches brevetées qui utiliseront de l'eau sous pression circulant dans un circuit fermé. L'eau remplit deux fonctions : celle de roulement et le refroidissement. La pression de l'eau crée les forces nécessaires pour centrer l'arbre de la broche. Un labyrinthe et un système spécial d'étanchéité préviennent les fuites par le nez de la broche. Cette solution impose toutefois d'installer à la périphérie de la machine un imposant groupe hydraulique qui assure la circulation de l'eau avec une pression suffisante. L'arrivée sur le marché de ces broches est un véritable événement pour les ateliers de mécanique. Sans être une panacée, elles constituent une solution beaucoup plus avantageuse que celle à roulements. Aussi bien pour la broche d'IBAG, développée en collaboration avec l'Université technique de Winterthur que celle de Fischer, le défi des concepteurs était de garder l'excellente rigidité assurée par les roulements hydrostatiques tout en éliminant les pertes par frottements. Pari tenu avec des dispositifs qui affichent une longue liste d'avantages par rapport aux systèmes classiques. Et en premier lieu la capacité d'amortir les vibrations et les "broutages" inhérents aux opérations d'usinage. D'où, entre autres, une longévité accrue des outils. "Les forces exercées sur le roulement à billes qui équipe les broches standards réduisent sensiblement leur durée de vie ", souligne Michel Turberg, directeur des ventes d'IBAG France. Pas de frottement pour les broches hydrostatiques. Donc... pas d'usure. Elles s'affranchissent ainsi d'un inconvénient majeur. Cela se traduira par un avantage économique certain, puisque la maintenance d'une broche, véritable bête noire des usineurs, représente environ quatre fois son prix d'achat sur dix ans. Sans compter que la durée de vie de la broche hydrostatique devrait être quatre fois supérieure à celle d'une broche classique. Et qu'il est plus facile d'entretenir un système hydraulique qu'un ensemble mécanique complexe.Mont">Fischer, commercialiseront en 2001 des broches brevetées qui utiliseront de l'eau sous pression circulant dans un circuit fermé. L'eau remplit deux fonctions : celle de roulement et le refroidissement. La pression de l'eau crée les forces nécessaires pour centrer l'arbre de la broche. Un labyrinthe et un système spécial d'étanchéité préviennent les fuites par le nez de la broche.


Cette solution impose toutefois d'installer à la périphérie de la machine un imposant groupe hydraulique qui assure la circulation de l'eau avec une pression suffisante. L'arrivée sur le marché de ces broches est un véritable événement pour les ateliers de mécanique. Sans être une panacée, elles constituent une solution beaucoup plus avantageuse que celle à roulements. Aussi bien pour la broche d'IBAG, développée en collaboration avec l'Université technique de Winterthur que celle de Fischer, le défi des concepteurs était de garder l'excellente rigidité assurée par les roulements hydrostatiques tout en éliminant les pertes par frottements.


Pari tenu avec des dispositifs qui affichent une longue liste d'avantages par rapport aux systèmes classiques. Et en premier lieu la capacité d'amortir les vibrations et les "broutages" inhérents aux opérations d'usinage. D'où, entre autres, une longévité accrue des outils. "Les forces exercées sur le roulement à billes qui équipe les broches standards réduisent sensiblement leur durée de vie ", souligne Michel Turberg, directeur des ventes d'IBAG France.


Pas de frottement pour les broches hydrostatiques. Donc... pas d'usure. Elles s'affranchissent ainsi d'un inconvénient majeur. Cela se traduira par un avantage économique certain, puisque la maintenance d'une broche, véritable bête noire des usineurs, représente environ quatre fois son prix d'achat sur dix ans. Sans compter que la durée de vie de la broche hydrostatique devrait être quatre fois supérieure à celle d'une broche classique. Et qu'il est plus facile d'entretenir un système hydraulique qu'un ensemble mécanique complexe.


Montages et démontages sont bien plus faciles


Autre bonne nouvelle : la précision aussi s'améliore. Pourquoi ? " Parce que le support de l'arbre assuré par des coussins hydrostatiques est incomparablement meilleur que celui fourni par les billes d'un roulement ", estime l'expert d'Ibag. " Plus stable, plus continu, ce support lisse les à-coups. " Conséquences : la précision de la broche est inférieure à 2 µm et l'état de surface des pièces usinées est à la mesure de ces performances. Roland Fischer, ingénieur et Pdg de la société suisse éponyme, renchérit côté avantages. " Les montages et les démontages de la broche sont aussi plus faciles ", dit-il. Et s'il concède que " le groupe hydraulique nécessaire est imposant ", il s'empresse de préciser que " le constructeur de la machine-outil peut le réaliser lui-même et, ainsi, en diminuer le coût. "


Compte tenu de leurs avantages mirifiques, ces petites merveilles ne risquent-elles pas d'étouffer les autres solutions, à savoir les broches mécaniques et celles à palier magnétique (dont les prix ont beaucoup baissé, mais qui peinent à s'imposer parce que le mécanicien craint à tort l'électronique) ? " Pas du tout ", assurent à l'unisson Michel Turberg (IBAG) et Alain Auffret, directeur technique de Fischer France. "Il suffit pour s'en convaincre d'observer les avantages et les inconvénients de chacune." La vitesse de rotation, par exemple, est plus élevé dans le cas de la broche à roulements et elle crève littéralement le plafond avec le palier magnétique. Quant au catalogue de broches classiques il est d'une richesse incomparable avec celui des autres solutions. Michel Turberg explique d'ailleurs la raison de ce décalage : " Le nombre de modèles est beaucoup plus limité avec l'hydrostatique comme avec le magnétique, car il faut à chaque fois développer un palier spécifique à l'application, ce qui est très long. "


Bon pour l'usinage de moules et modèles


Les broches proposées par les deux constructeurs peuvent intégrer en option un système de changement automatique d'outils et un dispositif de contrôle vectoriel de flux. Utilisables sur des centres d'usinage verticaux ou horizontaux, ces dispositifs s'adaptent particulièrement bien aux applications d'usinage de moules et modèles ou de pièces aéronautiques. Rendez-vous donc en 2 001 pour vérifier de visu, dans l'atelier, les performances annoncées. par Mirel Scherer


QU'Y-A-T-IL DANS L'EAU ?

Mieux gardé que celui de la recette du Coca-Cola, le secret de la composition du liquide utilisé pour les deux broches est difficile à percer. Breveté par IBAG (www.ibag.ch), ce liquide serait selon Michel Turberg, directeur d'IBAG France, "une émulsion comportant de l'eau et... autre chose" ! "C'est de l'eau filtré", confie, sibyllin, Roland Fischer, Pdg de la société suisse homonyme (www.fischerag.com). Renseignement pris auprès de spécialistes, ce serait en fait de l'eau oxygénée, comme celle utilisée dans les aquariums. La pression de ce mélange, assurée par une imposante armoire hydraulique, est en revanche une information publique pour les deux constructeurs : 80 bars. Avantage : l'eau circule en circuit fermé ce qui évite les pertes comme avec l'air comprimé.


LES PREMIERS TESTS

Le constructeur américain Ingersoll teste depuis quatre ans une broche hydrostatique maison sur son centre d'usinage à grande vitesse HVM. Sa solution n'offre cependant qu'une puissance limitée à 15 kW et une vitesse de 20 000 tr/min. Loin, très loin des caractéristiques proposées par les maîtres ès broches, Ibag et Fischer. Il s'est donc tourné vers ce dernier pour comparer sa solution avec celle du fabricant suisse. Et décider de la suite à donner... Très friand d'avancées technologiques, l'américain Haas, présentait à l'IMTS une broche hydrostatique IBAG en usinage sur un de ses centres d'usinage horizontaux. Selon David Hayes, responsable technique chez Haas, cette solution sera proposée dès l'année prochaine.


PAS DE FROTTEMENT, PAS D'USURE !

A la différence de broches à roulements, la broche hydrostatique peut fonctionner longtemps sans aucun phénomène d'usure.
Explication : l'arbre tourne dans le premier cas comme sur des cailloux, tandis que le système hydrostatique offre un support plus continu. Comme si l'arbre était supporté par des milliers de billes. Le résultat c'est que la broche hydrostatique supporte des charges importantes et assure une rigidité à la hauteur des impératifs de l'usinage à grande vitesse. La limite de charge est ainsi, pour la broche IBAG HF 170 HA, de 3 500 N (radial) et 9 000 N (axial), tandis que l'Hydro-F de Fischer offre plus de 5 500 N en radial et 8 500 N en axial. La rigidité pour les deux broches est respectivement, de 700 N/µm et 400 N/µm (radial) ainsi que 800 N/µm et 700 N/µm (axial).


Atout majeur, l'absence de vibrations

Broche à roulements

Technologie connue

Prix accessible

Choix dimensionnel large

Coût du SAV

Fragilité aux collisions

Durée de vie des outils raccourcie

Phénomène vibratoire


Broche hydrostatique/hydrodynamique

Très haute rigidité

Précision d'usinage améliorée

Construction plus simple

SAV facilité

Sans usure sur les paliers

Echauffement (énergie énorme sur les paliers)

Systèmes périphériques importants

Coüt d'achat plus élevé


Broche à paliers magnétiques

Autoéquilibrage

Haute précision d'usinage

Grande vitesse de fonctionnement

Asservissement électronique compliqué

Systèmes périphériques importants

Inadaptée aux usinages flexibles


Selon Michel Turberg, directeur des ventes d'IBAG, la solution hydrostatique multiplie par quatre la durée de vie de la broche (à plus de 20 000 heures de fonctionnement). Elle réduit aussi les coûts de la maintenance. Pour une machine qui fonctionne en 3 x 8, le coût annuel du retrofitting obligatoire de la broche représente 25 à 35 % de son prix initial. Sur dix ans le prix d'achat est augmenté de 350 %. Une somme considérable quand on sait qu'une broche pour l'usinage à grande vitesse coûte plus de 200 000 francs. L'économie réalisée grâce à la broche hydrostatique peut atteindre 700 000 francs, moins la différence du prix d'investissement.


EBAG ET FISHER DÉJÀ DEUX BROCHES SUR LE MARCHÉ

Deux constructeurs de broches marquent leur présence dans le domaine extrêmement prometteur de solutions hydrostatiques/ hydrodynamiques : les suisses IBAG et Fischer. Les deux solutions remplacent les roulements mécaniques utilisés par les broches classiques par des roulements... liquides.


Appréciable économie en maintenance


Plus exactement, c'est l'eau qui se place entre l'axe de rotation de la broche et le palier fixe. D'où un rôle à la fois statique et dynamique. Opérationnelle au salon IMTS (International manufacturing technology show) de Chicago, la broche IBAG sera commercialisée dès janvier 2001. Les constructeurs de machines-outils pourront choisir entre deux versions. La 170 HA 32 fournit une puissance de 32 kW, une vitesse de 32 000 tr/min et un couple de 17 Nm ; la 170 HA 40 offre 40 kW, 40 000 tr/min et 21 Nm.


Environ 15 % plus chères qu'une broche classique équivalente, ces deux broches sont au total plus économiques car elles offrent néanmoins de substantielles économies de SAV, prolongent la vie des outils (jusqu'à 10 fois) et fonctionnent près de quatre fois plus longtemps. Les mêmes avantages sont annoncés pour la broche Hydro-F que l'autre grande référence du domaine, la société Fischer, s'apprête à lancer vers le mois de mars 2001. En tests actuellement chez le constructeur d'outils et chez certains constructeurs de machines-outils (dont l'américain Ingersoll Milling Machine), elle offre une puissance maximale de 80 kW et une fréquence de rotation de 40 000 tr/min.

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