machines CNC, telles que tours, moulins, et routeurs, sont composés de plusieurs parties distinctes. Parmi eux, la broche est un composant critique qui affecte considérablement les performances de la machine, garantissant que les pièces sont produites avec précision. Par conséquent, avant de décider du type de broche à utiliser, il est important de comprendre son fonctionnement.
Cet article explique ce qu'est une broche CNC, son fonctionnement avec les machines-outils, ses fonctions et les différents types de broches disponibles.
Qu'est-ce qu'une broche CNC et comment ça marche ?
La broche CNC, également appelée entraînement de broche, est l'arbre central de l'axe de rotation des machines-outils, mais elle peut également désigner l'ensemble de l'unité rotative avec ses roulements et ses accessoires. Il reçoit l'entrée du contrôleur CNC pour tourner sur son axe, ce qui en fait un élément essentiel d'un Centre d'usinage CNC. Le type de broche détermine la vitesse de coupe et la force, et une machine-outil peut avoir plusieurs broches, la plus grande étant appelée la broche principale. Il existe différentes configurations et options disponibles pour les broches afin de répondre à différents besoins, tels que les broches de tour, de fraisage, de meulage, électriques, à basse et haute vitesse.
Une broche se compose généralement d'un moteur, d'un arbre tenant l'outil et d'un cône pour le contrôle de l'outil. En tournant sur son axe, la broche coupe, tranche et affine les matériaux en fonction des commandes d'un ordinateur.
Composants d'une broche CNC
Bien qu'il existe de nombreuses pièces dans les broches, un assemblage typique consiste en un arbre rotatif, soutenu par un système de roulement et entraîné par un moteur interne ou externe. Les divers composants et sous-systèmes sont brièvement décrits ci-dessous.
Moteur de broche
Le système d'entraînement de chaque broche est déterminé en fonction des exigences de l'application en matière de vitesse, de puissance et de rigidité, qu'il soit à entraînement par courroie, à engrenage ou à moteur intégré.
Les broches entraînées par courroie et par engrenages sont généralement utilisées lorsqu'elles sont plus élevées. couple est nécessaire et sont alimentés par un moteur externe et un système de poulie, tandis que les conceptions de moteur intégré sont utilisées à des vitesses plus élevées et génèrent du couple et de la puissance à travers le système où le stator et le rotor sont situés dans le boîtier de la broche.
Logement de broche
Le boîtier de broche peut être de différentes conceptions, comme une partie intégrée de la machine, un style bloc ou une cartouche montée sur bride. Son objectif principal est de supporter avec précision le montage des roulements sur l'arbre et de réduire les niveaux de vibration du processus d'usinage. Il fournit plusieurs systèmes utilitaires à la broche, tels que des canaux pour la lubrification des roulements, des passages d'air pour la pression interne et des chemises de refroidissement pour minimiser la chaleur.
Arbre
La fonction principale de l'arbre est de transférer la force de rotation du système d'entraînement. Il est sécurisé par un ensemble de roulements qui facilitent sa rotation le long de l'axe de la broche. Les arbres de broche sont généralement creux avec une extrémité conique pour accueillir une barre de traction ou un mécanisme de rétention d'outil.
Roulements
La durée de vie d'une broche dépend fortement du type de roulement utilisé, qui doit être choisi en fonction de la vitesse, du couple et de la charge requis. Roulements à billes à contact oblique sont généralement utilisés pour les unités à grande vitesse, tandis que roulements à rouleaux conviennent mieux à une rigidité et à une capacité de charge plus élevées. Les techniques de lubrification, les niveaux de précision et la quantité de précharge sont ajustés en fonction des besoins et des circonstances spécifiques de l'application. La configuration globale est également considérée pour répondre aux exigences des conditions requises.
Scellés
La défaillance de la broche causée par une contamination externe peut être évitée en utilisant des joints pour empêcher les contaminants tels que les copeaux de pénétrer dans les roulements. Les deux principaux types de joints sont les joints à contact et sans contact.
- Les joints de contact sont simples, avec une lèvre qui repose sur l'arbre, mais ils s'usent avec le temps en raison des forces de rotation.
- Les joints sans contact sont constitués de composants fixes et rotatifs qui créent un labyrinthe pour éviter la contamination. Ils permettent également une protection adéquate contre les contaminants tout en maintenant la chaleur et l'usure à un faible niveau grâce à l'absence de contact surface à surface. Lors du choix d'un type de joint pour une conception de broche, les critères d'application, la complexité de la broche et l'espace du boîtier détermineront le type de joint à utiliser.
Pince ou Mandrin
Une pince ou un mandrin dans une broche CNC est utilisé pour maintenir solidement un outil de coupe en place pendant les opérations d'usinage. Il s'agit d'un dispositif mécanique qui saisit la tige de l'outil avec une force et une précision élevées, permettant des coupes précises et reproductibles.
Barre
Le mécanisme de serrage de l'outil s'appelle la barre de traction, qui est composée d'une tige avec un ensemble de ressorts qui appliquent la force requise pour saisir et libérer l'outil. La force provient d'un vérin d'actionnement monté à l'arrière qui fonctionne via l'hydraulique ou la pneumatique. À l'avant du timon, il y a une pince qui maintient l'outil en place lorsqu'il est sous charge.
Types de broches CNC
Une variété de formes et de tailles sont disponibles pour les broches CNC. Cette partie va les classer en fonction de différents paramètres pour une identification facile.
Basé sur l'orientation de la broche
- Broches verticales – Dans ce type de broche, le outil de coupe est positionné verticalement, avec l'axe de rotation perpendiculaire à la table de travail. Les broches verticales sont généralement utilisées dans les fraiseuses et les perceuses. Ils sont également couramment utilisés dans les applications industrielles telles que les centres d'usinage, où la pièce est maintenue immobile tandis que l'outil de coupe est déplacé le long de différents axes.
- Broches horizontales - Dans ce type de broche, l'outil de coupe est positionné horizontalement, avec l'axe de rotation parallèle à la table de travail. Les broches horizontales sont généralement utilisées dans les tours, les aléseuses et les rectifieuses. Ils sont également utilisés dans certaines fraiseuses et centres d'usinage. Les broches horizontales sont connues pour leur capacité à atteindre des vitesses de coupe et une précision élevées.
Basé sur un mécanisme de maintien d'outil
1. Broches à pince – Ces broches utilisent une pince pour maintenir l'outil en place. La pince est serrée à l'aide d'un outil spécial ou d'une clé, qui offre une forte prise sur l'outil. Les broches à pinces sont couramment utilisées dans les fraiseuses et les défonceuses.
2. Mandrins hydrauliques – Les mandrins hydrauliques utilisent la pression hydraulique pour serrer l'outil en place. Ces broches sont très précises et idéales pour l'usinage à grande vitesse. Ils sont généralement utilisés dans les centres de tournage et les rectifieuses.
3. Porte-outils à ajustement rétractable - Ces broches utilisent la chaleur pour dilater un type spécial de pince, qui serre fermement l'outil. La pince se rétracte alors en refroidissant, maintenant ainsi l'outil en place. Les porte-outils frettés sont très précis et offrent une excellente rigidité. Ces broches sont couramment utilisées dans les centres d'usinage.
4. Porte-outils Weldon - Les porte-outils Weldon ont une tige droite qui est maintenue en place par un ensemble vis. Ils sont couramment utilisés dans les fraiseuses et sont excellents pour enlever rapidement la matière.
5. Porte-outils HSK - Les porte-outils HSK (Hollow Shank Taper) utilisent une interface conique pour maintenir l'outil en place, et ils sont très précis et rigides. Les broches HSK sont couramment utilisées dans l'usinage à grande vitesse et sont idéales pour les applications nécessitant une grande précision.
Basé sur la puissance
- Broches entraînées par courroie – Une broche entraînée par courroie est utilisée pour transmettre la puissance du moteur à la broche. Ce système est relativement simple et abordable, ce qui en fait un choix populaire pour les machines CNC. La courroie peut être remplacée facilement si elle s'use avec le temps ou si l'application nécessite un autre type de courroie. Cependant, les broches entraînées par courroie sont limitées dans la quantité de puissance qu'elles peuvent fournir, ce qui limite leur capacité à des charges de travail de fraisage et de coupe plus lourdes.
- Broches à entraînement direct - Dans une broche à entraînement direct, le moteur se connecte directement à l'arbre de la broche, fournissant plus de puissance et de couple que dans les broches à entraînement par courroie. Cette configuration améliore la précision, le positionnement et la stabilité, ce qui en fait un choix populaire pour la précision Usinage CNC opérations. Les broches à entraînement direct nécessitent peu d'entretien et sont durables à long terme.
- Axes de turbine à air - Un axe de turbine à air utilise de l'air comprimé au lieu de l'électricité pour entraîner son moteur. Ce type de broche est connu pour sa vitesse élevée, sa précision et ses faibles vibrations. Il offre des résultats précis et cohérents, en particulier lors des processus de fabrication à grande vitesse, et peut effectuer efficacement de petites fraises. Cependant, ils sont coûteux et peuvent nécessiter un entretien important, y compris une lubrification régulière à l'huile.
- Broches hybrides - Une broche hybride combine deux ou plusieurs types de systèmes de moteur, généralement une broche à entraînement par courroie ou à entraînement direct et une broche à turbine à air. Cette configuration offre les avantages de tous les types de broches, ce qui se traduit par une vitesse, une puissance et un couple plus élevés, ce qui les rend adaptés à une grande variété d'applications. La conception de broche hybride permet également la personnalisation, permettant aux machines CNC d'utiliser une combinaison de systèmes de broches qui répondent le mieux aux besoins de l'utilisateur.
- Broches à engrenages - Une broche à engrenages est un type de broche qui utilise des engrenages pour transmettre la puissance du moteur à la partie tournante d'une machine ou d'un outil. Les engrenages sont disposés de telle sorte que lorsque le moteur fait tourner l'engrenage d'entrée, il entraîne l'engrenage de sortie qui est monté sur l'arbre de broche. L'arbre de la broche tourne alors à la même vitesse que l'engrenage de sortie, ce qui permet à l'outil de couper ou de façonner le matériau. Les broches entraînées par engrenages fournissent un couple de sortie élevé, ce qui est essentiel pour couper à travers des matériaux durs comme le métal. Cependant, il peut nécessiter plus d'entretien que d'autres types de broches en raison de la complexité de leur conception.
Fonctions des broches CNC
Les machines à broches sont des outils polyvalents qui peuvent être utilisés pour le travail des métaux, travail du bois, et créer et fabriquer des pièces CNC de différentes formes. Le tableau ci-dessous résume les fonctions exécutées par les broches dans le processus d'usinage CNC :
| Fonction | La description | Application |
| Fraisage | Disponible pour une variété de tâches de fraisage, y compris le contournage, la formation de poches, le rainurage et le surfaçage. Ils offrent une précision et une répétabilité élevées et peuvent traiter une large gamme de matériaux, des métaux aux plastiques en passant par les composites. | Pièces aérospatiales, composants automobiles et implants médicaux. |
| Forage | Idéal pour les tâches de perçage, car ils fournissent des vitesses de broche et un couple élevés pour percer rapidement et avec précision des trous de différents diamètres et profondeurs. Ils peuvent percer une variété de matériaux, des bois tendres aux métaux durs. | Perçage de précision dans la production de circuits imprimés, la fabrication de métaux et d'autres industries. |
| Routage | Utilisé pour les tâches de routage, telles que la découpe de formes et de conceptions complexes dans bois, plastiques et matériaux composites. Ils peuvent produire des finitions lisses et des angles vifs et peuvent gérer des 3D formes avec aisance. | Ébénisterie, fabrication de meubles et production de signalétique. |
| Affûtage | Meulage de surfaces, d'arêtes et de contours de divers matériaux. Ils offrent une précision et une répétabilité élevées et peuvent être utilisés à la fois pour brut et finition opérations de meulage. | Fabrication d'outils et de matrices, fabrication de moules et fabrication de pièces aérospatiales. |
| Gravure | Création de motifs et de textes complexes sur une variété de matériaux, du métal au verre en passant par la pierre. Ils peuvent produire des résultats de haute qualité avec une précision et une exactitude élevées et peuvent gérer à la fois une gravure peu profonde et profonde. | Fabrication de bijoux, articles cadeaux et signalétique architecturale. |
Avantages de l'utilisation de broches CNC
Les broches CNC offrent une gamme d'avantages par rapport aux techniques d'usinage traditionnelles, notamment :
- Précision: Les broches CNC sont très précises et précises, avec la capacité de couper et de façonner des matériaux avec des tolérances extrêmement serrées.
- La rapidité: Les broches de machine à grande vitesse peuvent fonctionner à des vitesses élevées, ce qui permet des temps d'usinage plus rapides et une efficacité de production accrue.
- Cohérence: Les broches CNC peuvent effectuer la même tâche à plusieurs reprises sans aucune variation, garantissant une qualité de sortie constante.
- Polyvalence: Les broches CNC peuvent être utilisées sur une large gamme de matériaux, des plastiques aux métaux, et peuvent effectuer une variété d'opérations de coupe et de mise en forme à haute température.
- Automatisation: Les broches CNC peuvent être entièrement automatisées, ce qui réduit le besoin d'intervention de l'opérateur et augmente la productivité.
- Rentable: Les broches CNC peuvent économiser de l'argent à long terme en réduisant le gaspillage, en minimisant les erreurs et en augmentant l'efficacité de la production.
- Souplesse: Les broches CNC peuvent être configurées de différentes manières, y compris l'usinage multi-axes et les changeurs d'outils, offrant une plus grande flexibilité dans les processus de fabrication.
Comment choisir la bonne broche pour la fabrication
De nombreuses options sont disponibles lorsque vous sélectionnez une broche pour votre machine CNC. Pour produire les résultats exacts de vos projets d'usinage, vous devez tenir compte avec soin des facteurs pertinents. Ici, nous résumons les principales considérations pour votre référence.
Puissance et vitesse
La puissance et la vitesse d'une broche détermineront la rapidité et la précision avec lesquelles elle peut couper les matériaux.
- Moins de 1500KW: plus adapté aux projets à petite échelle, en particulier pour les matériaux comme le bois et le plastique.
- 1500KW – 3000KW : découpe et gravure du bois et des plastiques, tandis que l'aluminium peut être découpé à l'aide de broches de 2200KW et plus. Ces broches sont principalement utilisées dans les machines CNC autonomes.
- 3000KW et plus : requis pour travailler avec des métaux durs et de la pierre, avec un traitement de l'acier doux possible à environ 3000KW mais un traitement de l'acier inoxydable nécessitant 7000KW ou plus.
Matériaux de la pièce
Il est essentiel d'évaluer soigneusement le matériau de la pièce et les exigences d'usinage pour sélectionner la broche appropriée pour des performances optimales dans les machines CNC.
- Compatibilité : Les matériaux tels que le bois, le plastique et les métaux tendres nécessitent une broche moins puissante, tandis que les métaux plus durs nécessitent une broche plus puissante.
- Dureté : Si vous travaillez avec des matériaux abrasifs comme les métaux, choisissez une broche avec une dureté et une résistance à l'usure élevées. Sinon, une broche avec une dureté inférieure permet d'éviter d'endommager la pièce.
- Densité : Les matériaux à haute densité nécessitent une broche avec une puissance de sortie plus élevée pour les couper et les façonner efficacement.
- Épaisseur : si le matériau est mince, une broche de puissance inférieure peut convenir, tandis que les matériaux plus épais nécessitent une broche avec une puissance de sortie plus élevée pour obtenir des résultats efficaces.
Précision
La précision d'une broche fait référence à la précision avec laquelle elle peut maintenir la position de l'outil pendant la coupe. Une plus grande précision est essentielle lorsque vous travaillez avec des matériaux plus délicats ou effectuez des coupes complexes.
Méthode de refroidissement
Les broches CNC peuvent être refroidies par air ou par eau. Les broches refroidies par air sont généralement moins chères et plus simples à installer, mais elles peuvent ne pas être aussi efficaces pour dissiper la chaleur pendant de longues périodes d'utilisation. Les broches refroidies à l'eau, en revanche, sont généralement plus efficaces pour la dissipation de la chaleur, mais peuvent être plus coûteuses et nécessiter une plomberie spécialisée.
Compatibilité
La compatibilité de la broche avec votre machine est primordiale. Vérifiez les exigences spécifiques de votre machine CNC par rapport à la broche que vous avez l'intention d'acheter.
Courants AC vs DC
Les broches CNC sont conçues pour fonctionner avec du courant alternatif ou continu. Les courants alternatifs sont généralement utilisés dans les applications à haute puissance, telles que les machines industrielles. Les courants continus sont plus adaptés aux projets à petite échelle.
Taille
Pour choisir la taille appropriée d'une broche pour votre machine CNC, vous devez tenir compte de plusieurs facteurs clés dans les éléments suivants :
- La puissance de la machine : les machines à usage intensif nécessitent une broche avec une puissance nominale plus élevée, tandis que les machines plus légères telles que les machines de bureau peuvent bien fonctionner avec une broche plus petite et plus compacte.
- Le type de coupe : Si vous coupez des matériaux lourds tels que le bois, le métal ou le plastique, vous aurez besoin d'une broche de plus grande taille pour manipuler le matériau.
- L'échelle du projet : l'échelle de votre projet nécessite des broches de petite ou de grande capacité pour s'adapter.
- La taille de pince : choisissez une taille de broche qui correspond à la taille de pince de votre machine pour vous assurer qu'elle s'adapte correctement.
Conclusion
La broche est un composant essentiel dans une machine CNC pour automatiser et contrôler la coupe, forageet les processus de routage. Il permet aux opérateurs de réaliser des conceptions et des finitions complexes sur la pièce avec plus de facilité et de rapidité. Par conséquent, comprendre l'importance de la broche est crucial pour obtenir des résultats optimaux et améliorer l'efficacité du processus d'usinage CNC.
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