Quels sont les avantages du centre d'usinage à lit de marbre pour la coulée minérale ?

Quels sont les avantages du centre d'usinage à lit de marbre pour la coulée minérale ?
Les pièces moulées en résine minérale (granit artificiel également appelé béton de résine) sont largement utilisées comme matériau de structure dans l'industrie des machines-outils depuis plus de 30 ans.

D'après les statistiques, en Europe, une machine-outil sur dix utilise des pièces moulées en fonte minérale pour son bâti. Cependant, une expérience inappropriée, des informations incomplètes ou erronées peuvent engendrer des préjugés et une méfiance envers ces pièces. Par conséquent, lors de la conception de nouveaux équipements, il est indispensable d'analyser les avantages et les inconvénients de la fonte minérale et de les comparer à ceux d'autres matériaux.

Les bases des engins de construction se répartissent généralement en plusieurs catégories : fonte, béton (polymère et/ou résine réactive), acier/structures soudées (avec ou sans jointoiement) et pierre naturelle (comme le granit). Chaque matériau possède ses propres caractéristiques, et aucun matériau de construction n’est parfait. Seul un examen approfondi des avantages et des inconvénients de chaque matériau, en fonction des exigences structurelles spécifiques, permet de sélectionner le matériau idéal.

Les deux fonctions importantes des matériaux de structure sont de garantir la géométrie, la position et l'absorption d'énergie des composants, et de définir respectivement les exigences de performance (performance statique, dynamique et thermique), les 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 les 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'un socle est généralement la rigidité du matériau — une déformation minimale sous charge — plutôt qu'une résistance élevée. En matière de déformation élastique statique, les pièces moulées en minéraux peuvent être considérées comme des matériaux homogènes isotropes obéissant à la loi de Hooke.

La densité et le module d'élasticité des pièces moulées en fonte minérale sont respectivement trois fois inférieurs à ceux de la fonte. À poids égal, les pièces moulées en fonte minérale et en fonte ayant la même rigidité spécifique, leur rigidité est identique, indépendamment de leur forme. Dans de nombreux cas, l'épaisseur nominale des parois des pièces moulées en fonte minérale est généralement trois fois supérieure à celle des pièces moulées en fonte, sans que cela n'affecte leurs propriétés mécaniques. Les pièces moulées en fonte minérale conviennent aux applications statiques sous pression (lits, supports, colonnes, etc.) mais ne sont pas adaptées aux structures à parois minces et/ou de petite taille (tables, palettes, changeurs d'outils, chariots, supports de broche, etc.). Le poids des pièces structurelles est généralement limité par les équipements des fonderies, et les pièces de plus de 15 tonnes sont 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 cruciales. Le positionnement rapide, le changement d'outil rapide et l'avance rapide renforcent continuellement la résonance mécanique et l'excitation dynamique des éléments structurels de la machine. Outre les dimensions du composant, la déformation, la répartition des masses et la rigidité dynamique de ce dernier sont fortement influencées par les propriétés d'amortissement du matériau.

L'utilisation de fonte minérale offre une solution efficace à ces problèmes. Grâce à sa capacité d'absorption des vibrations dix fois supérieure à celle de la fonte traditionnelle, elle permet de réduire considérablement l'amplitude et la fréquence propre.

Lors d'opérations d'usinage telles que le surfaçage, le moulage minéral permet d'obtenir une précision accrue, une meilleure qualité de surface et une durée de vie des outils prolongée. Par ailleurs, en matière d'impact acoustique, les pièces moulées en matériau minéral ont également démontré d'excellentes performances lors de la comparaison et de la vérification de socles, de carters de transmission et d'accessoires de différents matériaux pour moteurs de grande taille et centrifugeuses. L'analyse acoustique a révélé que le moulage minéral permet une réduction locale du niveau de pression acoustique de 20 %.

3. Propriétés thermiques

Les experts estiment qu'environ 80 % des écarts des 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 choisir le matériau le plus adapté, il est essentiel de définir précisément ses exigences. La chaleur spécifique élevée et la faible conductivité thermique des fontes minérales leur confèrent une excellente inertie thermique face aux variations de température transitoires (comme lors du changement de pièces) et aux fluctuations de la température ambiante. Si un préchauffage rapide est nécessaire, comme pour un banc métallique, ou si la température du banc est interdite, des dispositifs de chauffage ou de refroidissement peuvent être intégrés directement dans la fonte minérale pour réguler la température. L'utilisation de ce type de dispositif de compensation thermique permet de réduire les déformations dues aux variations de température, contribuant ainsi à améliorer la précision à un coût raisonnable.

II. Exigences fonctionnelles et structurelles

L'intégrité est une caractéristique distinctive des pièces moulées en minéraux par rapport aux autres matériaux. La température maximale de moulage pour les pièces moulées en minéraux est de 45 °C, et grâce à l'utilisation de moules et d'outillages de haute précision, il est possible de mouler simultanément des pièces et des pièces moulées en minéraux.

Des techniques de refonte avancées peuvent également être utilisées sur les ébauches de pièces moulées en minéraux, permettant d'obtenir des surfaces de montage et de rails précises ne nécessitant aucun usinage. Comme les autres matériaux de base, les pièces moulées en minéraux sont soumises à des règles de conception structurelle spécifiques. L'épaisseur des parois, les accessoires porteurs, les nervures d'insertion, ainsi que les méthodes de chargement et de déchargement diffèrent, dans une certaine mesure, de celles des autres matériaux et doivent être pris en compte dès la conception.

III. Exigences en matière de coûts

Bien que l'aspect technique soit important, la rentabilité revêt une importance croissante. L'utilisation de pièces moulées en fonte minérale permet aux ingénieurs de réaliser des économies substantielles sur les coûts de production et d'exploitation. Outre les économies sur les coûts d'usinage, de moulage, d'assemblage final et de logistique (entreposage et transport), ces économies sont proportionnellement réduites. Compte tenu des performances élevées des pièces moulées en fonte minérale, il convient de les considérer comme un projet global. En effet, une comparaison des prix est plus pertinente lorsque la base est déjà installée ou pré-installée. Le coût initial relativement élevé correspond à celui des moules et de l'outillage, mais il est rapidement amorti sur le long terme (500 à 1 000 pièces par moule en acier), la consommation annuelle étant d'environ 10 à 15 pièces.

IV. Étendue de l'utilisation

En tant que matériau de structure, les pièces moulées en pierre naturelle remplacent progressivement les matériaux traditionnels. Leur développement rapide repose sur la qualité des moules, des assemblages et des liaisons. Aujourd'hui, elles sont largement utilisées dans de nombreux domaines de la machine-outil, notamment pour les rectifieuses et l'usinage à grande vitesse. Les fabricants de rectifieuses ont été parmi les premiers à utiliser des pièces moulées en pierre naturelle pour leurs bâtis. Ainsi, des entreprises de renommée mondiale telles qu'ABA z&b, Bahmler, Jung, Mikrosa, Schaudt et Stude ont toujours tiré parti des propriétés d'amortissement, de l'inertie thermique et de l'intégrité de ces pièces pour obtenir une haute précision et une excellente qualité de surface lors des opérations de rectification.

Face à des charges dynamiques toujours plus importantes, les bâtis en fonte minérale sont de plus en plus plébiscités par les leaders mondiaux du secteur des affûteuses. Le bâti en fonte minérale offre une excellente rigidité et permet d'absorber efficacement les forces induites par l'accélération du moteur linéaire. Par ailleurs, l'association d'une bonne absorption des vibrations et du moteur linéaire améliore considérablement la qualité de surface de la pièce usinée et la durée de vie de la meule.