Un petit tour

1 - Généralités :

Souvent besoin de tourner de petites choses, alors on commence par ruser à l’aide d’une perceuse fixée à l’horizontale ; j’ai ensuite rajouté une petite table croisée Proxxon, et déployé pleins d’astuces pour aligner tout ça.

Puis j’ai construit ma CNC (voir “Une CNC en profilés alu”), et les perspectives offertes par les profilés alu, ainsi que mes nouvelle capacités à usiner l’alu, m’ont décidé à construire un vrai petit tour … toujours avec l’arrière pensée de prouver à ceux qui pensent le contraire que c’est tout de même possible !

Ce sera donc un tour du niveau des petites “chinoiseries” que l’on trouve sous de nombreuses marques à pas cher, mais DIY. A la base, profilé alu 80×160, alu en plaques, et un bloc moteur Peugeot (600 W) qui m’avait déjà servi pour mes premières approches.
– Mandrin de 80,
– Entre-pointe de 350,
– Vitesse 200 à 3500 trs/mn.

Pas d’asservissement mécanique broche/avance, ce sera  traité numériquement.

2 - La base et la poupée fixe :

La base est constituée d’une poutre en alu 80×160, longueur 750.

La poupée fixe est également construite autour d’un profilé 80×160, longueur 150 ; toutes les pièces constitutives sont usinées à la CNC dans de l’alu épaisseur 10 ; l’axe de la broche est taillé dans du stub de 15, monté sur 3 roulements : 2 roulements obliques coté mandrin, et 1 roulement droit à l’arrière.

A l’avant, un moyeu serré sur l’axe acceuillera le faux plateau ; à l’arrière, un second moyeu permet d’y fixer une roue dentée HTD5 (roue secondaire), taillée dans une plaque de POM (delrin) (le fond de denture d’une HTD5 mesure précisément 3,05 mm de large, ce qui permet un usinage avec une fraise de 3).

Les profilés alu pour la base du tour
Profilé 80x160 pour la base et la poupée fixe
Les constituants de la broche du tour
Broche de la base du tour

L’entrainement de la broche est assuré par 2 courroies HTD5 : la première engrène sur une roue montée sur l’axe du moteur (roue primaire) et sur une double roue libre intermédiaire ; la seconde relie cette seconde roue intermédiaire et la roue secondaire montée sur la broche ; la double roue intermédiaire est montée sur une platine réglable de façon à assurer une tension correcte des courroies.

Les roues dentées sont usinées à la CNC, POM ou alu de 10, flasques en alu de 3 ; la roue primaire est montée sur un moyeu taraudé M14 pour vissage sur l’axe moteur ; la double roue intermédiaire tourne sur 2 roulements.

Constituants de la motorisation du tour
Le moteur et les constituants des roues dentées
Roues crantées de la base du tour
Roue primaire et double roue intermédiaire
Composants de la transmission de la base du tour
Face arrière de la poupée fixe, roue dentée secondaire, et platine tendeur pour la double roue intermédiaire

Le moteur de 600 W dispose de deux vitesses mécaniques et d’un variateur de vitesse.

Montage du moteur de la base du tour
Base du tour, vue arrière
Base du tour, broche et mandrin 8 cm
La poupée fixe montée, avec faux plateau en alu et mandrin 3 mors de 80

ça tourne ! et ça tourne à peu près rond (faux rond sur le corps du mandrin de 3/100 sans ajustage particulier). Mais ça tourne à l’envers !!! et contrairement à ce dont j’étais persuadé, il n’est pas possible d’inverser électriquement ce sens …

Il faut donc rajouter un train d’engrenages ! je trouve sans difficulté 2 engrenages en acier, module 1, épaisseur 15 (c’est ok), mais un moyeu épaisseur 10 (beaucoup trop), et à réaléser pour y placer un roulement.

Je vais donc diminuer le moyeu et aléser en me servant de ma toute petite fraiseuse Proxxon, et d’un petit plateau tournant : fraise de 4, 4 dents, passes de 1/10, j’y passe 2 après-midi, mais le résultat est bon, et ça tourne dans le bon sens !

Les engrenages pour l'inversion du sens de rotation de la broche
Inversion du sens de rotation de la broche du tour

Ne pas pouvoir inverser le sens de rotation de la broche n’est pas calamiteux, mais gênant : le tronçonnage est souvent plus aisé à conduire en tournant à l’envers ; par contre, le fait d’asservir numériquement l’avance à la broche me permettra de m’abstraire en partie de cette restriction.

La base du tour équipée des rails du trainard

Le chariot longitudinal (traînard) sera monté sur 4 patins prismatiques ; les rails prismatiques de 15 sont fixés sur le profilé de la base par des écrous placés dans les rainures, une plaque d’alu intermédiaire de 4 permet de bien répartir les efforts et d’éviter que les copeaux ne tombent dans les rainures.

3 - Le chariot longitudinal :

Le chariot en lui-même est simplement constitué d’une plaque en alu de 10 sous-laquelle sont fixés les 4 patins prismatiques, et sur laquelle sont fixés deux autres rails prismatiques destinés au chariot transverse.

L’avance du chariot : ça se corse, il faut un tour ! En effet, la vis d’entrainement du chariot longitudinal est une simple tige filetée M12, à usiner des deux cotés pour pouvoir y positionner roulements et butée à bille, ainsi que la manivelle de manœuvre ; pour ce faire, je vais équiper temporairement le tour avec ma petite table croisée Proxxon, fixée sur le chariot longitudinal à la place des rails prismatiques, et avec une lunette fixe, à construire.

Les constituants du chariot longitudinal du tour
Les constituants du chariot
Le chariot longitudinal du tour
Montage de la petite table croisée temporaire
La table croisée et un petit porte outil

Pour la lunette fixe, j’utilise un tronçon de profilé 80×160 que je destine à terme à la poupée mobile ; deux platines fixées à sa base supporte 2 patins prismatiques, et en face avant une plaque d’alu de 10 munie d’une ouverture coaxiale avec la broche est dotée de 3 pièces en POM de 5 disposées en étoile, avec des glissières pour permettre le réglage radial autour de la pièce à tourner.

Les constituants de la lunette du tour
Les constituants de la lunette
La lunette mobile assemblée
La lunette
Tournage de la vis d'entrainement du chariot longitudinal du tour
Le tournage des extrémités de la tige filetée

Le tournage des extrémités de la tige filetée se passe à peu près correctement, le sujet n’est pas très sensible car cette vis ne va pas tourner vite !

La noix d’entrainement du chariot est découpée à la CNC dans du POM, puis taraudée m12 ; elle est fixée sur le flan du chariot à l’aide d’un bloc d’alu percé/fendu.

Au deux extrémités de la base, 2 plaques d’alu de 15 fixées sur les champs de la base accueillent les roulements (1 roulement droit coté moteur, un roulement droit et une butée à billes coté manivelle) de la vis d’entrainement.

Noix d'entrainement pour le chariot longitudinal
La platine porte palier pour l'entrainement longitudinal
L'entrainement du chariot longitudinal

Le vernier est constitué d’un moyeu épaulé serré sur la vis d’entrainement, d’un cylindre creux épaulé, et entre les deux, d’une bague fendue, en POM, dont les diamètres intérieurs et extérieurs sont tels que la bague frotte en faisant ressort sur le pourtour extérieur du moyeu et le pourtour intérieur de la bague. La graduation du vernier est simplement imprimée sur une bande de papier adhésif et plastifiée sur sa face externe. 

Les constituants du vernier
Les constituants du vernier et de la manivelle
Vue interne du vernier
Le vernier
Le tour commence à être opérationnel
Le tour dans une toute première version

A ce stade, le tour  commence à pouvoir être “grossièrement” utilisé pour de modestes tournages en l’air ; la petite table croisée montée sur le chariot longitudinal fait office de chariot transversal.

Pour aller plus loin, il faut à minima un chariot transverse plus sérieux et une poupée mobile.

4 - Le chariot transverse - v1 :

La construction du chariot transversal reprend les techniques déjà employées : il est constitué d’une plaque d’alu de 10 sous lequel sont fixés 2 patins prismatiques ; le mécanisme d’entrainement est fixé sur la face supérieure du chariot longitudinal  à l’aide de 2 paliers en alu, qui accueillent un roulement droit à l’arrière, un roulement droit et une butée à bille à l’avant.

Les constituants du chariot transverse v1
Les constituants
Constituants du chariot transverse v1
2 flans de protection, la noix d'entrainement et son bloc support
Entrainement du chariot transverse v1
Le mécanisme d'entrainement

La vis d’entrainement est tirée d’une tige filetée de 6 (pour avoir un déplacement de 1 mm par tour), l’écrou est en POM taraudé et fixé dans un bloc d’alu lui même vissé sous la plaque du chariot. Vernier et manivelle reprennent exactement le même principe que celui du chariot longitudinal.

Assemblage du chariot transverse v1
Le chariot prêt à être fixé sur ses 2 patins
Chariot transverse v1 en place
Chariot transverse v1 et son entrainement
Le tour et la lunette provisoire

Le porte outil est monté sur un “U” renversé constitué de 3 blocs d’alu vissés. 

– Diamètre usinable max : 140,
– Diamètre brut max : 160.
Je n’ai évidement pas l’intention d’atteindre ces limites, ni la structure ni le moteur ne sont taillés pour !

5 - Le chariot transverse - v2 :

A l’utilisation, les limites de mon nouveau jouet se manifestent en particulier au niveau du chariot transversal, qui, seulement guidé par 2 patins prismatiques, n’apprécie pas trop les efforts longitudinaux (je pense qu’avec 4 patins il n’y aurait plus de faiblesse) ; et puis, un ami qui navigue dans le monde de la machine outil et qui suit mes travaux m’offre ce qui pour moi est une merveille : un ensemble “glissière” à queue d’aronde en bronze et acier (à ce jour, je ne pense pas être capable de tailler une queue d’aronde, et je n’ai trouvé nulle part de queue d’aronde rapportée).

Une glissière à queue d'aronde pour le chariot transverse v2
La glissière à queue d'aronde
Adaptation de la glissière pour le chariot transverse v2
Entrainement du chariot transverse v2
Les nouveaux paliers

Ni une ni deux, je tronçonne la base en bronze à la disqueuse, finition à la lime et à la ponceuse à disque fixe ; la partie supérieure est aux bonnes dimensions, il ne me reste plus qu’à adapter les paliers et la mécanique d’entrainement. Exit les rails et les 2 patins, le nouvel ensemble est vissé sur le chariot longitudinal.

Partie haute du chariot transverse v2
Adaptation du support du porte-outil
Le chariot transverse v2 terminé
La tourelle porte-outil
Le chariot transverse v2 en place avec la nouvelle tourelle

Pour l’occasion, je m’offre également une petite tourelle porte-outil (chinoise, bien sur …) ainsi que des outils à plaquettes amovibles, des plaquettes pour alu et des d’autres pour acier ; le comportement se trouve significativement amélioré, j’obtiens désormais des états de surface très satisfaisants.

6 - La poupée mobile :

Je dois cependant pour l’instant me contenter d’usiner des pièces courtes, faute de poupée mobile ; mais il y a là quelques difficultés importantes, dont celle de la broche, qu’il ne me semble pas possible de construire sans un outillage lourd dont je ne dispose pas. Je finis quand même par trouver chez LittleMachineShop une broche cône CM2 et sa vis, le tout pour un prix raisonnable ; voila le point bloquant dégagé, mais ça n’est pour autant pas joué !

La broche de la poupée mobile du tour
La broche
Constituants de la partie haute de la poupée mobile
Les constituants du fourreau de la broche
La broche dans son fourreau en delrin
Les 3 guides en POM et le frein en alu encastrés dans un des flans

La seconde grosse difficulté réside dans le fourreau dans lequel doit coulisser la broche, là non plus je ne sais pas aléser précisément un trou de 22 sur une profondeur de 130 … mais heureusement, je trouve un contournement qui s’avérera pleinement fonctionnel.

Le fourreau est constitué de 3 blocs de POM de 20 mm d’épaisseur percés très précisément en leur centre d’un trou de 22 ; ces 3 blocs sont encastrés serrés dans les 2 flancs de la poupée (alu de 20), dans une demi rainure usinée dans chaque flanc, et dont l’axe correspond à celui de la broche de la poupée fixe. Un 4ème bloc en alu, fendu dans sa partie supérieure, est également percé mais à peine plus grand, il servira à immobiliser la broche en le serrant ; ce 4ème bloc est inséré entre les 3 autres, et la broche coulisse dans le fourreau ainsi constitué.

La précision de l’usinage des 3 blocs de POM est vraiment crucial, afin de garantir une parfaite coaxialité des 3 trous ; j’ai usiné les 3 blocs successivement, en les plaçant tous 3 précisément à la même place sur la table de la cnc, de façon à ce que toute imperfection de géométrie soit reproduite au même endroit sur chaque bloc.

Partie haute de la poupée mobile du tour
Le fourreau refermé
Constituants de la base de la poupée mobile
Les constituants de la base
La base de la poupée mobile
La base

La réalisation du corps de la poupée est simple, les 2 extrémités du bloc constitué par les 2 flancs emprisonnant les 4 blocs, la broche et sa vis sont fermés coté poupée fixe par une simple plaque d’alu de 5, et de l’autre coté par un ensemble palier qui abrite un roulement et une butée à bille pour assurer le guidage de la vis d’entrainement de la broche.

La base de la poupée est constituée de 2 pièces verticales de 15 mm d’épaisseur qui, réunies, sont encastrées dans la partie inférieure du bloc supérieur, et sont fixées sur un socle en alu de 10 sous lequel sont vissés 2 patins prismatiques. Le freinage de la poupée sur les rail est assuré par 2 patins en POM installés dans le socle, et pressés contre la surface supérieure des rails par 2 vis.

Constituants du vernier de la poupée mobile
La poupée mobile du tour en place

Vernier et manivelle sont construits sur le même principe que les 2 autres.

Le POM est un matériau étonnant : résistance mécanique, frottements très faibles, très bonne usinabilité ; la broche glisse bien mais sans jeux apparents, pas de flexion broche sortie, je suis satisfait.

7 - Le petit chariot, remplacement de la poupée fixe :

Le tour est désormais opérationnel, je le sollicite régulièrement, le temps des améliorations est venu ; je n’ai pas encore numérisé l’avance, le besoin d’un petit chariot se fait sentir … mais il ne s’agit pas de dégrader la rigidité des chariots, il faut un guidage à la hauteur, il me faut des queues d’aronde !

Dans le même temps, j’ai expérimenté le fraisage de l’acier avec ma CNC, ça fonctionne ! Certes pas des passes d’enfer, mais je fraise sans problème de l’étiré. Donc pourquoi pas un petit chariot en acier, avec des queues d’aronde rapportées ?

Mais en l’état, je n’ai pas la place suffisante en hauteur, l’entrainement du chariot transverse se trouvant au dessus du chariot (pas la place entre les 2 “glissières”).

Les composants du chariot transverse v3
Les 2 parties de la glissière usinées pour offir la place nécessaire à la vis
Le chariot transverse v3 terminé
Le chariot longitudinal modifié

La première étape consiste à reporter l’entrainement du chariot transversal entre les 2 parties de la glissière ; usinage dans les 2 parties, l’une en bronze et l’autre en acier, d’une rainure pour accueillir la vis d’entrainement, et d’un encastrement pour la noix, que je refais pour l’occasion en laiton. La CNC fait le job sans broncher.

Je modifie quelques autres pièces, paliers et flans, et j’obtiens un chariot transversal bien plus compact, avec le gain en hauteur dont j’ai besoin.

Préparation de l'usinage des queues d'aronde
Préparation de l'usinage d'une queue d'aronde

Seconde étape, les queues d’aronde ;  je n’ai pas de fraise à queue d’aronde, et ne toutes les façons, fraiser une queue d’aronde à la CNC me semble audacieux ; je vais donc usiner des queues d’aronde rapportées dans de l’acier étiré, sur la base d’une idée toute simple : des cales qui permettent de positionner sous le bon angle l’étiré, cales elles mêmes usinées à la CNC ! 

Il faut régler soigneusement la hauteur de l’arête supérieure de l’étiré ; la CNC fait son oeuvre sans difficulté.

Usinage d'une queue d'aronde pour le petit chariot du tour
Usinage d'une queue d'aronde
Constituants du petit chariot du tour
Les constituants du petit chariot
Assemblage du petit chariot du tour
Assemblage du petit chariot

Le petit chariot est constitué d’une base percée en son centre d’un trou de 15 dans lequel vient se loger un axe de 15 taillé dans du stub ; une platine tournante placée au dessus pivote autour de cet axe, et est percée de 2 rainures semi-circulaires destinées à l’immobiliser par serrage sur la base ; 2 queues d’aronde sont vissées sur la face supérieure, ainsi qu’un écrou en laiton taraudé pour l’entrainement de la partie supérieure du chariot.

La partie supérieure est constituée d’une plaque sous laquelle sont fixées 2 autres queues d’aronde, ainsi que 2 paliers sur les champs extrêmes, dans lesquels sont logés un roulement à l’arrière, un roulement et une butée à billes à l’avant.

Ensemble vis d’entrainement/vernier/manivelle sur le modèle du chariot transversal.

La plupart des pièces sont usinées à la CNC dans de l’étiré d’acier de 10 ; passes de 3/10, la CNC se comporte à merveille.

Le petit chariot assemblé
Le petit chariot assemblé
Petit chariot en place sur le tour
Le petit chariot en place sur le tour

Le résultat est vraiment une belle pièce !

Dans l’euphorie, j’ai décidé de procéder en même temps au changement de la poupée fixe : en effet, la broche de la première poupée est pleine, ce qui interdit le tournage de pièces longues dont une partie doit pouvoir traverser axialement la broche (par exemple l’usinage de l’extrémité d’une tige filetée). Comme pour la broche de la poupée mobile, je trouve chez LittleMachineShop une broche cône CM2 pour la poupée fixe, mais pour une poignée de dollars de plus, il y a la poupée complète avec ses roulements et 2 vitesses mécaniques ; pas d’hésitations, l’adaptation est simple.

C’est aussi à ce moment que je rajoute deux dispositifs de réglage latéral, l’un pour la poupée fixe et l’autre pour la poupée mobile.

8 - Numérisation :

Entre-temps, j’ai ouvert un second chantier : celui de la motorisation de l’avance, et son asservissement à la rotation de la broche (pour rappel, il n’y a pas de liaison mécanique entre broche et vis d’entrainement).

Entrainement de la vis à bille
L'entrainement de la vis à bille
Le caisson pour intégrer l'électronique de commande du tour

La partie mécanique est simple : je remplace la vis d’entrainement par une vis à bille de 16, pas de 5, entrainée via courroie htd5 par un moteur pas-à-pas au format NEMA 23, 2.8A, couple de maintien 123N.cm ; les roues d’entrainement sont réalisées en alu à la CNC.

Je positionne par ailleurs un capteur hall à proximité immédiate d’une couronne en POM fixée sur la broche, dans laquelle est encastré un petit aimant neodyme (voir “potentiomètre à effet hall”). Cet ensemble est destiné à la mesure de la vitesse de rotation de la broche.

Toute la partie électronique est logée dans un boitier en mdf fixé à l’extrémité du tour, coté broche ; il abrite le bloc de puissance (alimentation, driver moteur, breackout-board), l’électronique, et les 3 platines de commande.

L’électronique de commande est constituée de 2 Arduinos mega 2560 :
– le premier est en charge de l’interface homme-machine (boutons poussoirs, afficheur lcd 4×20 caractères), de la mesure de la vitesse de rotation de la broche (grâce au capteur hall), et du calcul des paramètres de fonctionnement du moteur pas-à-pas (vitesse, accélération et sens de déplacement, nombre de pas) ; il communique avec le second arduino via une liaison Tx/Rx.
– le second Arduino reçoit ses ordres du premier ; sur la base des ordres reçus, il fabrique sous interruption les ordres “dir” et “step” à l’attention du driver du moteur ; il calcule la position résultante du chariot, et la retourne au premier Arduino, pour affichage.

L’afficheur LCD affiche en permanence vitesse de rotation broche et position ; il dispose de 4 lignes de menu dans lesquelles on se déplace cycliquement à l’aide d’une touche “Next” ; chaque ligne permet l’ajustement d’un paramètre : “Avance par tour”, “Mode de déplacement”, “Vitesse de déplacement”, “Coordonnée cible” ; cet ajustement se fait grâce à une touche de positionnement latéral du curseur, et 2 touches + et – qui permettent de faire varier le digit sous lequel est placé le curseur (avec gestion du passage à la décade).

Un clavier de 6 touches  offre les fonctions suivantes : déplacement vers la droite ou la gauche, retour à O, déplacement à la cible, remise à O, et stop.

Un second clavier à 4 touches est disponible pour des fonctions complémentaires : j’y ai mis les déplacements rapides vers la droite ou la gauche.

Panel de commande du tour - vue arrière
Clavier principal et afficheur LCD
Panel de commande du tour - vue avant
La face avant principale

La platine principale en alu est découpée et gravée à la CNC ; elle supporte l’afficheur LCD et le clavier principal : les composants sont soudés sur un pcb réalisé à la CNC.

Le bloc électronique de commande du tour
Le bloc de puissance et l'électronique de commande

Le bloc de puissance, en partie basse d’un chassis amovible, comporte une breackout board de base, un driver M542, une alimentation à découpage 48V 3A, et une petite alimentation 5V et 8V DC pour l’électronique.

La partie haute abrite la platine principale de commande, une platine courant fort avec interrupteur général, marche/arrêt broche, coup de poing de sécurité, et enfin les 2 Arduinos ; l’Arduino maître est doté d’un shield gravé à la CNC pour rationaliser le câblage.

Les 2 Arduino pour numériser le tour
Les 2 Arduino
Me tour numérisé, totalement opérationnel
Un petit tour qui n'a pas à rougir de la concurrence asiatique !

Le tour est désormais totalement opérationnel et me rend vraiment tous les services dont j’ai besoin pour en particulier le simu …

A moyen terme, je pense que finirai par remplacer le bloc moteur, un moteur triphasé de 750W avec variateur irait vraisemblablement bien, et m’apporterait l’inversion de marche, bien pratique pour les tronçonnages un peu sévères.

Je n’ai pas implémenté le filetage, mais tous les programmes de base sont prêts ; je n’ai pas finalisé car d’une part je subviens à la plupart de mes besoins avec tarauds et filières, et que d’autre part le moteur universel qui entraîne la broche n’est pas très stable en vitesse (lors des engagements), ce qui ne facilite pas les choses (peut-être des problèmes d’échantillonnage de la vitesse de la broche) ; le remplacement du moteur actuel par un moteur synchrone me conduira tout de même peut-être à l’implémenter ??

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