Quels sont les avantages du centre d'usinage à lit de marbre en fonte minérale ?

Quels sont les avantages du centre d'usinage à lit de marbre 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.