Le granit époxy, également appelé granit synthétique, est un mélange d'époxy et de granit couramment utilisé comme matériau alternatif pour les bases de machines-outils. Il remplace la fonte et l'acier pour un meilleur amortissement des vibrations, une durée de vie prolongée des outils et des coûts d'assemblage réduits.
Base de machine-outil
Les machines-outils et autres machines de haute précision dépendent de la rigidité élevée, de la stabilité à long terme et des excellentes propriétés d'amortissement du matériau de base pour leurs performances statiques et dynamiques. Les matériaux les plus couramment utilisés pour ces structures sont la fonte, les pièces en acier soudées et le granit naturel. En raison de leur manque de stabilité à long terme et de leurs très faibles propriétés d'amortissement, les structures en acier sont rarement utilisées lorsqu'une haute précision est requise. Une fonte de bonne qualité, détendue et recuite, confère à la structure une stabilité dimensionnelle et peut être moulée en formes complexes, mais nécessite un usinage coûteux pour obtenir des surfaces de précision après moulage.
Le granit naturel de bonne qualité est de plus en plus difficile à trouver, mais sa capacité d'amortissement est supérieure à celle de la fonte. Comme pour la fonte, l'usinage du granit naturel est coûteux et demande beaucoup de travail.
Les pièces moulées en granit de précision sont produites en mélangeant des granulats de granit (concassés, lavés et séchés) avec une résine époxy à température ambiante (par durcissement à froid). Une charge de granulats de quartz peut également être utilisée dans la composition. Le compactage vibratoire pendant le moulage permet de compacter les granulats.
Les inserts filetés, les plaques d'acier et les tuyaux de refroidissement peuvent être coulés pendant le processus de coulée. Pour une polyvalence encore plus grande, les rails linéaires, les glissières rectifiées et les supports de moteur peuvent être reproduits ou scellés, éliminant ainsi tout usinage post-coulée. La finition de surface de la pièce moulée est aussi bonne que celle du moule.
Avantages et inconvénients
Les avantages incluent :
■ Amortissement des vibrations.
■ Flexibilité : des voies linéaires personnalisées, des réservoirs de fluide hydraulique, des inserts filetés, du fluide de coupe et des conduits peuvent tous être intégrés dans la base en polymère.
■ L'inclusion d'inserts, etc. permet de réduire considérablement l'usinage de la pièce moulée finie.
■ Le temps d’assemblage est réduit en incorporant plusieurs composants dans une seule pièce moulée.
■ Ne nécessite pas une épaisseur de paroi uniforme, ce qui permet une plus grande flexibilité de conception de votre base.
■ Résistance chimique à la plupart des solvants, acides, alcalis et fluides de coupe courants.
■ Ne nécessite pas de peinture.
■Le composite a une densité à peu près identique à celle de l’aluminium (mais les pièces sont plus épaisses pour obtenir une résistance équivalente).
■ Le procédé de moulage du béton polymère composite consomme beaucoup moins d'énergie que les moulages métalliques. La production des résines polymères coulées nécessite très peu d'énergie et le processus de moulage s'effectue à température ambiante.
Le granit époxy présente un coefficient d'amortissement interne jusqu'à dix fois supérieur à celui de la fonte, jusqu'à trois fois supérieur à celui du granit naturel et jusqu'à trente fois supérieur à celui des structures en acier. Insensible aux liquides de refroidissement, il présente une excellente stabilité à long terme, une stabilité thermique améliorée, une rigidité torsionnelle et dynamique élevée, une excellente absorption acoustique et des contraintes internes négligeables.
Les inconvénients comprennent une faible résistance dans les sections minces (moins de 1 pouce (25 mm)), une faible résistance à la traction et une faible résistance aux chocs.
Introduction aux cadres en fonte minérale
La fonte minérale est l'un des matériaux de construction les plus performants et les plus modernes. Les fabricants de machines de précision ont été parmi les pionniers de son utilisation. Aujourd'hui, son utilisation pour les fraiseuses CNC, les perceuses à colonne, les rectifieuses et les machines d'électroérosion est en plein essor, et ses avantages ne se limitent pas aux machines à grande vitesse.
La fonte minérale, également appelée granit époxy, est composée de charges minérales comme du gravier, du sable de quartz, de la farine glaciaire et des liants. Le matériau est mélangé selon des spécifications précises et coulé à froid dans les moules. Une base solide est la clé du succès !
Les machines-outils de pointe doivent fonctionner toujours plus vite et offrir une précision sans précédent. Cependant, les vitesses de déplacement élevées et l'usinage intensif produisent des vibrations indésirables au niveau du bâti de la machine. Ces vibrations ont des effets négatifs sur la surface de la pièce et réduisent la durée de vie de l'outil. Les bâtis en fonte minérale réduisent rapidement les vibrations : environ six fois plus vite que les bâtis en fonte et dix fois plus vite que les bâtis en acier.
Les machines-outils équipées de lits en fonte minérale, telles que les fraiseuses et les rectifieuses, sont nettement plus précises et offrent une meilleure qualité de surface. De plus, l'usure des outils est considérablement réduite et leur durée de vie est prolongée.
Le cadre de coulée en composite minéral (époxy granit) apporte plusieurs avantages : :
- Mise en forme et résistance : Le procédé de moulage minéral offre une liberté de forme exceptionnelle pour les composants. Les caractéristiques spécifiques du matériau et du procédé se traduisent par une résistance relativement élevée et un poids nettement inférieur.
- Intégration de l'infrastructure : Le procédé de coulée minérale permet l'intégration simple de la structure et des composants supplémentaires tels que les glissières, les inserts filetés et les connexions pour les services, pendant le processus de coulée lui-même.
- La fabrication de structures de machines complexes : ce qui serait inconcevable avec les procédés conventionnels devient possible avec la fonte minérale : plusieurs pièces peuvent être assemblées pour former des structures complexes au moyen de joints collés.
- Précision dimensionnelle économique : Dans de nombreux cas, les pièces en fonte minérale sont coulées aux dimensions finales, car la trempe est pratiquement exempte de contraction. Cela permet d'éviter d'autres opérations de finition coûteuses.
- Précision : Des surfaces de référence ou d'appui d'une grande précision sont obtenues par des opérations de rectification, de formage ou de fraisage. De nombreux concepts de machines peuvent ainsi être mis en œuvre avec élégance et efficacité.
- Bonne stabilité thermique : la fonte minérale réagit très lentement aux variations de température, car sa conductivité thermique est nettement inférieure à celle des matériaux métalliques. De ce fait, les variations de température à court terme ont nettement moins d'influence sur la précision dimensionnelle de la machine-outil. Une meilleure stabilité thermique du bâti de la machine permet de mieux préserver la géométrie globale de la machine et, par conséquent, de minimiser les erreurs géométriques.
- Aucune corrosion : les composants en fonte minérale sont résistants aux huiles, aux liquides de refroidissement et autres liquides agressifs.
- Un meilleur amortissement des vibrations pour une durée de vie prolongée des outils : notre fonte minérale offre des valeurs d'amortissement des vibrations jusqu'à 10 fois supérieures à celles de l'acier ou de la fonte. Ces caractéristiques garantissent une stabilité dynamique extrêmement élevée de la structure de la machine. Les avantages pour les constructeurs et les utilisateurs de machines-outils sont évidents : une meilleure qualité de finition de surface des composants usinés ou rectifiés et une durée de vie prolongée des outils, d'où une réduction des coûts d'outillage.
- Environnement : L’impact environnemental lors de la fabrication est réduit.
Cadre en fonte minérale vs cadre en fonte
Découvrez ci-dessous les avantages de notre nouveau cadre en fonte minérale par rapport au cadre en fonte précédemment utilisé :
| Coulée minérale (granit époxy) | Fonte | |
| Amortissement | Haut | Faible |
| Performance thermique | Faible conductivité thermique et une chaleur de haute qualité capacité | Haute conductivité thermique et faible capacité thermique |
| Pièces intégrées | Conception et Moule monobloc et connexion transparente | Usinage nécessaire |
| Résistance à la corrosion | Extra haut | Faible |
| Environnement Convivialité | Faible consommation d'énergie | Consommation d'énergie élevée |
Conclusion
La fonte minérale est idéale pour les structures de nos machines CNC. Elle offre des avantages technologiques, économiques et environnementaux évidents. La technologie de la fonte minérale offre un excellent amortissement des vibrations, une résistance chimique élevée et des avantages thermiques significatifs (dilatation thermique similaire à celle de l'acier). Les éléments de connexion, les câbles, les capteurs et les systèmes de mesure peuvent être coulés dans l'assemblage.
Quels sont les avantages du centre d'usinage à lit de granit en fonte minérale ?
Les pièces moulées minérales (granit artificiel, également appelé béton de résine) sont largement acceptées dans l'industrie des machines-outils depuis plus de 30 ans comme matériau de structure.
Selon les statistiques, en Europe, une machine-outil sur dix utilise des fontes minérales comme bâti. Cependant, une expérience inappropriée et des informations incomplètes ou erronées peuvent engendrer des soupçons et des préjugés à l'égard de ces matériaux. Par conséquent, lors de la fabrication de nouveaux équipements, il est nécessaire d'analyser les avantages et les inconvénients des fontes minérales et de les comparer à ceux d'autres matériaux.
Les engins de chantier sont généralement divisés en fonte, en béton minéral (polymère et/ou béton de résine réactive), en acier/structure soudée (avec ou sans coulis) et en pierre naturelle (comme le granit). Chaque matériau possède ses propres caractéristiques et il n'existe pas de matériau de structure parfait. Seul l'examen des avantages et des inconvénients du matériau en fonction des exigences structurelles spécifiques permet de choisir le matériau idéal.
Les deux fonctions importantes des matériaux de structure, à savoir garantir la géométrie, la position et l'absorption d'énergie des composants, mettent en avant respectivement des exigences de performance (performances statiques, dynamiques et thermiques), des exigences fonctionnelles/structurelles (précision, poids, épaisseur de paroi, facilité de guidage des rails) pour l'installation des matériaux, le système de circulation des fluides, la logistique) et des exigences de coût (prix, quantité, disponibilité, caractéristiques du système).
I. Exigences de performance pour les matériaux de structure
1. Caractéristiques statiques
Le critère de mesure des propriétés statiques d'une base est généralement la rigidité du matériau – déformation minimale sous charge, plutôt qu'une résistance élevée. Pour la déformation statique-élastique, les pièces moulées minérales peuvent être considérées comme des matériaux homogènes isotropes obéissant à la loi de Hooke.
La densité et le module d'élasticité des pièces moulées minérales sont respectivement 1/3 de ceux de la fonte. Comme les pièces moulées minérales et les fontes présentent la même rigidité spécifique, à poids égal, la rigidité des pièces moulées en fonte et des pièces moulées minérales est identique, quelle que soit l'influence de la forme. Dans de nombreux cas, l'épaisseur de paroi des pièces moulées minérales est généralement trois fois supérieure à celle des pièces moulées en fonte, ce qui ne pose aucun problème en termes de propriétés mécaniques du produit ou de la pièce moulée. Les pièces moulées minérales sont adaptées aux environnements statiques soumis à pression (par exemple, lits, supports, colonnes) et ne conviennent pas aux structures à parois minces et/ou de petite taille (par exemple, tables, palettes, changeurs d'outils, chariots, supports de broche). Le poids des pièces structurelles est généralement limité par l'équipement des fabricants de pièces moulées minérales, et les pièces moulées minérales de plus de 15 tonnes sont généralement rares.
2. Caractéristiques dynamiques
Plus la vitesse de rotation et/ou l'accélération de l'arbre sont élevées, plus les performances dynamiques de la machine sont importantes. Le positionnement et le remplacement rapides des outils, ainsi que l'avance à grande vitesse, renforcent continuellement la résonance mécanique et l'excitation dynamique des pièces structurelles de la machine. Outre la conception dimensionnelle du composant, la déflexion, la répartition des masses et la rigidité dynamique du composant sont fortement influencées par les propriétés d'amortissement du matériau.
L'utilisation de fonte minérale offre une solution efficace à ces problèmes. Absorbant les vibrations dix fois mieux que la fonte traditionnelle, elle permet de réduire considérablement l'amplitude et la fréquence naturelle.
Lors d'opérations d'usinage telles que l'usinage par enlèvement de copeaux, la fonte minérale peut apporter une plus grande précision, une meilleure qualité de surface et une durée de vie accrue des outils. Parallèlement, en termes d'impact sonore, les fontes minérales ont également obtenu de bons résultats, notamment lors de la comparaison et de la vérification de bases, de pièces de transmission et d'accessoires en différents matériaux pour moteurs de grande taille et centrifugeuses. Selon l'analyse des bruits d'impact, la fonte minérale permet une réduction locale du niveau de pression acoustique de 20 %.
3. Propriétés thermiques
Les experts estiment qu'environ 80 % des écarts de machines-outils sont dus à des effets thermiques. Les interruptions de processus, telles que les sources de chaleur internes ou externes, le préchauffage, le changement de pièces, etc., sont autant de causes de déformation thermique. Afin de sélectionner le matériau le plus adapté, il est nécessaire de clarifier ses exigences. Leur chaleur massique élevée et leur faible conductivité thermique confèrent aux pièces moulées minérales une bonne inertie thermique aux variations de température transitoires (comme le changement de pièces) et aux fluctuations de température ambiante. Si un préchauffage rapide est nécessaire, comme pour un lit métallique, ou si la température du lit est limitée, des dispositifs de chauffage ou de refroidissement peuvent être directement intégrés à la pièce moulée minérale pour contrôler la température. L'utilisation de ce type de dispositif de compensation de température permet de réduire la déformation due à la température, ce qui contribue à améliorer la précision à un coût raisonnable.
II. Exigences fonctionnelles et structurelles
L'intégrité est une caractéristique distinctive des pièces moulées minérales par rapport aux autres matériaux. La température maximale de coulée des pièces moulées minérales est de 45 °C. Grâce à des moules et des outils de haute précision, il est possible de couler des pièces et des pièces moulées minérales ensemble.
Des techniques de refonte avancées peuvent également être utilisées sur les ébauches en fonte minérale, permettant d'obtenir des surfaces de montage et de rail précises, sans usinage. Comme les autres matériaux de base, les fontes minérales sont soumises à des règles de conception structurelle spécifiques. L'épaisseur des parois, les accessoires porteurs, les inserts de nervures, ainsi que les méthodes de chargement et de déchargement diffèrent dans une certaine mesure de ceux des autres matériaux et doivent être pris en compte dès la conception.
III. Exigences en matière de coûts
Bien qu'importante d'un point de vue technique, la rentabilité prend de plus en plus d'importance. L'utilisation de pièces moulées en fonte minérale permet aux ingénieurs de réaliser d'importantes économies de production et d'exploitation. Outre les économies d'usinage, les coûts de moulage, d'assemblage final et de logistique (entreposage et transport) sont réduits. Compte tenu de la fonctionnalité élevée des pièces moulées en fonte minérale, il convient de les considérer comme un projet global. Il est d'ailleurs plus judicieux de comparer les prix lorsque la base est installée ou préinstallée. Le coût initial relativement élevé correspond au coût des moules et de l'outillage en fonte minérale, mais il peut être dilué lors d'une utilisation à long terme (500 à 1 000 pièces par moule en acier), et la consommation annuelle est d'environ 10 à 15 pièces.
IV. Champ d'utilisation
En tant que matériau de structure, les fontes minérales remplacent constamment les matériaux de structure traditionnels. La clé de leur développement rapide réside dans la fonte minérale, les moules et les structures de liaison stables. Aujourd'hui, les fontes minérales sont largement utilisées dans de nombreux domaines de la machine-outil, tels que les rectifieuses et l'usinage à grande vitesse. Les fabricants de rectifieuses ont été des pionniers dans le secteur des machines-outils en utilisant des fontes minérales pour leurs bancs de machines. Par exemple, des entreprises de renommée mondiale telles qu'ABA z&b, Bahmler, Jung, Mikrosa, Schaudt, Stude, etc., ont toujours bénéficié de l'amortissement, de l'inertie thermique et de l'intégrité des fontes minérales pour obtenir une haute précision et une excellente qualité de surface lors du processus de rectification.
Face à l'augmentation constante des charges dynamiques, les pièces moulées minérales sont de plus en plus plébiscitées par les entreprises leaders mondiales du secteur des affûteuses. Leur plateau présente une excellente rigidité et permet d'éliminer efficacement la force générée par l'accélération du moteur linéaire. Parallèlement, la combinaison d'une bonne absorption des vibrations et du moteur linéaire améliore considérablement la qualité de surface de la pièce et la durée de vie de la meule.
Pour les pièces individuelles, une longueur inférieure à 10 000 mm est un choix facile.
Quelle est l'épaisseur minimale de la paroi ?
En général, l'épaisseur minimale de la section de la base de la machine doit être d'au moins 60 mm. Des sections plus fines (par exemple 10 mm d'épaisseur) peuvent être coulées avec des granulats et des formulations fins.
Le taux de retrait après coulage est d'environ 0,1 à 0,3 mm pour 1 000 mm. Pour des pièces mécaniques en fonte minérale plus précises, des tolérances plus élevées peuvent être obtenues par rectification CNC secondaire, rodage manuel ou autres procédés d'usinage.
Notre matériau de moulage minéral est le granit noir naturel de Jinan. La plupart des entreprises privilégient le granit naturel ou la pierre naturelle pour la construction.
· Matières premières : avec les particules uniques de granit noir de Jinan (également appelé granit « JinanQing ») comme agrégat, mondialement connues pour leur haute résistance, leur grande rigidité et leur grande résistance à l'usure ;
· Formule : avec des résines époxy renforcées et des additifs uniques, différents composants utilisant différentes formulations pour assurer des performances globales optimales ;
· Propriétés mécaniques : l'absorption des vibrations est environ 10 fois supérieure à celle de la fonte, bonnes propriétés statiques et dynamiques ;
· Propriétés physiques : densité environ 1/3 de celle de la fonte, propriétés de barrière thermique supérieures à celles des métaux, non hygroscopique, bonne stabilité thermique ;
· Propriétés chimiques : résistance à la corrosion supérieure à celle des métaux, respectueux de l'environnement ;
· Précision dimensionnelle : la contraction linéaire après coulée est d'environ 0,1 à 0,3 ㎜/m, précision de forme et de contre-précision extrêmement élevée dans tous les plans ;
· Intégrité structurelle : une structure très complexe peut être coulée, tandis que l'utilisation de granit naturel nécessite généralement un assemblage, un épissure et un collage ;
· Réaction thermique lente : réagit aux changements de température à court terme beaucoup plus lentement et beaucoup moins ;
· Inserts encastrés : les fixations, les tuyaux, les câbles et les chambres peuvent être encastrés dans la structure, les inserts sont fabriqués dans des matériaux tels que le métal, la pierre, la céramique et le plastique, etc.