Construire ses machines outils

Comment fabriquer ses propres machines outils (tour, fraiseuse) et les perfectionner en fonction des besoins et des moyens financiers. Ces pages ont pour but de donner des méthodes de conception et de réalisation ainsi chacun pourra adapter ces techniques aux moyens dont il dispose.
Bien sûr la construction amateur ne se limite pas aux tours et fraiseuses, il est aussi possible de réaliser une machine d'électroérosion pour les mécaniciens, tout le panel de machines de découpage pour les modélistes (découpe polystyrène au fil chaud, routeur), bien sûr il y a aussi les imprimantes 3D et certains se sont même essayés à la découpe ou gravure laser.

Présentation

Ma machine actuelle

La construction de machines est délicate et demande patience et précision. Il faut commencer par bien connaître ce que l'on est capable de réaliser avec le matériel dont on dispose, il n'y a pas de place pour l'improvisation et il est préférable de construire simple pour commencer puis de faire évoluer ses réalisations. N'oubliez jamais que dès que vous aurez terminé votre première machine, même si elle vous paraît un peu simpliste, vous en disposez maintenant pour faire mieux.
Voici le combiné avec lequel je travaille actuellement, sa réalisation est entièrement personnelle, tout en métal.  La motorisation est assurée par un bloc moteur Peugeot équipé de deux vitesses mécaniques et d'un variateur électronique. Le mandrin trois mors est acheté dans le commerce. 
 
La construction de cette machine est assez difficile mais a été très enrichissante, si c'était à refaire je modifirai certains points pour simplifier.

Des moteurs pas à pas permettent la numérisation des 3 axes tout en gardant les manivelles pour les opérations simples.

Bref historique

Au risque de faire sursauter les puristes, mon premier tour n'était qu'une perceuse de bricolage montée sur un berceau en bois devant des chariots croisés en profilé d'aluminium. Cela ne semble pas très mécanique, mais il est le point de départ d'une génération de trois machines. Alors, dites vous que rien n'est impossible pour un modéliste obstiné.
La perceuse est une bonne solution de début car tout bon bricoleur en possède une et ainsi vous disposez d'un moteur, d'un mandrin et même d'un variateur de vitesse. Si vous le pouvez, préférez un modèle sans percussion car le jeu axial de la broche est bien moindre.
Les résultats obtenus avec ce tour m'ont tellement surpris (possibilité de tourner des diamètres à 0,05mm près) que j'ai décidé de faire mieux et surtout plus solide.
 
De ce constat est née l'idée de ma deuxième machine (tour stub) : 
Les principes de la perceuse et du socle en bois sont conservés, par contre tout est changé au niveau des chariots croisés. Les glissières sont en acier "stub" qui est vendu déjà rectifié et calibré, il ne reste qu'à couper à longueur. Chaque chariot ainsi que les deux supports de glissières sont percés ensembles sur une perceuse à colonne en faisant très attention au parallélisme des deux trous. Prévoir des vis de réglage pour les jeux.

Pour ce qui est des vis de déplacement, le diamètre M6 s'impose car le pas de 1mm est très pratique. 
La géométrie est vérifiée en usinant un cylindre puis en mesurant la conicité au pied à coulisse, pour les réglages il suffit de caler l'arrière de la perceuse et de l'orienter à l'aide des vis latérales de la partie arrière du berceau (voir photo d'ensemble). Il ne faut pas espérer des miracles pour des pièces longues, mais pour des petits moteurs à vapeur cela suffit.

Ce deuxième tour m'a permis de construire celui que j'utilise actuellement, y compris les boîtiers de roulements et la boîte à deux vitesses qui composent la broche ceci avec l'aide d'un plateau spécial pour les grandes pièces.

Alors, convaincu ?
Pour ceux qui veulent déjà se lancer dans l'aventure vous pouvez télécharger les plans de ma deuxième machine. Il s'agit de plans scannés que chacun pourra adapter en fonction du matériel dont il dispose.
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Cnc3Axes
Logiciel de pilotage de machine CNC 3 axes. Freeware en téléchargement sur ce site.
European Model Engineering
Site dans lequel vous trouverez des plans pour la réalisation de machines et d'outillages, en particulier un tour à métaux.
Electroérosion
Tout pour construire une machine d'électroérosion (EDM) à courant pulsé. Le site est en anglais et propose deux livres très bien faits sur le sujet.
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Plans tour stub
Plans de mon deuxième tour en format PDF.
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Cnc3Axes
Logiciel de pilotage CNC
European Model Engineering
Plans de machines et outils
Electroérosion
Tout pour réaliser sa propre machine
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mon deuxième tour

Conception

Avant de commencer : les bases

Une bonne machine d'usinage des métaux doit être rigide, vous diminuerez les déformations et les vibrations ce qui améliore la précision et les performances de coupe.

Les choix techniques seront à adapter en fonction de votre cahier des charges et bien sûr de vos finances. Si vous envisagez comme moi de numériser votre machine, il faudra le prévoir dès le début de la conception afin d'éviter les mauvaises surprises.

En tout premier lieu il faut se poser les bonnes questions pour établir un cahier des charges :
Qu'est que je veux usiner ?
De quelle dimension j'ai besoin ?
Est-ce que j'ai besoin d'un tour, d'une fraiseuse ou des deux ?
De quel niveau de performance j'ai besoin ? Vitesse, puissance, précision, etc...
Quel sera le taux d'utilisation ? Cela permettra d'évaluer la durée de vie.
Quel est mon niveau d'équipement pour la réalisation ?

Les guidages

patin
Rail et patin à billes
douille
Douille à billes
écrou bille
Ecrou à billes
L'un des choix techniques les plus importants est la technologie des guidages d'axes et de leur entrainement.

Guidage prismatique métal sur métal, douilles à billes et rails, patins à billes précontraints ?

Entraînement par vis iso, vis trapézoidale, vis à billes ?

Pour chaque choix, la qualité et le résultat seront différents mais le prix aussi, d'où la difficulté des choix.
Par exemple un patin à bille de 15mm coûte à lui seul environ 30€(2018), et normalement il en faut 4 par axe, soit déjà plus de 350€ pour 3 axes.
Pour ma machine j'ai fais le choix du 100% "home made" ce qui impose pratiquement les guidages métal sur métal et des vis iso pour l'entraînement.
Ce choix est le plus économique et présente une très bonne rigidité quand tout est très bien ajusté. Cette technologie de guidage est celle utilisée sur les anciennes machines industrielles.
Bien sûr les CNC actuelles utilisent presque toutes des patins à rouleaux précontraints ainsi que des vis à billes à écrous précontraints, mais c'est hors de portée du porte monaie d'amateur. 
Avec des glissières métal/métal, prévoir des longueurs de guidage importantes, en pratique respectez un rapport longueur/largeur supérieur à 1,5. Pour le chariot de la colonne décrite le rapport est de 2 (largeur = 60mm, longueur = 120mm). Cette règle évite le phénomène d'arc-boutement (effet "serre joint") et diminue le défaut de "lacet" des chariots, donc meilleur précision des guidages. 
 
Tous les chariots doivent être munis de patins en laiton, bronze ou PTFE (téflon) pour faciliter le glissement. Certains patins sont munis de vis de réglage pour rattraper les jeux dus à l'usure. 
 
Les vis d'avance doivent être choisies avec un pas judicieux, l'idéal est d'utiliser des tiges filetées M6 car le pas est de 1mm, ainsi avec un tour de manivelle votre chariot se déplace de 1mm, rajoutez un tambour gradué de 40 divisions (facile à faire en s'aidant d'un petit engrenage de récupération) et vous avez un vernier à 0,025mm.

La broche de mon tour

Ma broche de tour est entrainée par un ancien bloc moteur Peugeot avec deux vitesses mécaniques et un variateur électronique.
Afin de disposer d'une meilleure plage de vitesse et un bon couple au mandrin, j'ai ajouté deux autres vitesses mécaniques et une réduction par courroie crantée, cela donne une plage de vitesse de 120 à 4500tr/min et me permet de prendre des passes de plus de 1mm dans l'acier avec un outil carbure.

Le schéma de principe montre la chaîne cinématique de la broche ainsi que les montages de roulements.

Réalisation des plans

Afin d'être certain du résultat, il est impératif de faire des plans sérieux avant de commencer la construction, que ces plans soient tracés à la main ou en CAO peu importe, c'est une question d'habitude.
Les plans de ma machine sont maintenant très anciens et comme ils ont été tracés à la main sur calque grand format, il m'est difficile de les scanner pour les diffuser.
Cela étant j'ai entrepris de tout modéliser en 3D en CAO, et dès qu'ils seront terminés je mettrai un STEP et un format natif en téléchargement.
Si vous ne disposez pas d'outils CAO professionnels commeSolid Works ou AutoCAD, il existe des alternatives gratuites telles que DrafSight (2D compatible AutoCAD) ou FreeCAD (3D solide), les liens sont dans la rubrique "en voir plus".
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CNC Loisirs
Site sur les CNC amateur, vous y trouverez tout ce qu'il faut pour concevoir et réaliser une machine.
CAO 3D FreeCAD
Logiciel gratuit et open source développé par une équipe de passionnés, il n'est pas encore au niveau de SolidWorks mais s'en rapproche d'année en année.
CAO 2D DraftSight
Logiciel gratuit compatible avec AutoCAD diffusé gratuitement par Dassault Systèmes, il faut juste s'enregistrer.
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Construction

La colonne de fraisage

La conception reprend les règles précédentes. Tout est fabriqué à partir d'étirés du commerce, acier A60 et laiton. Sa fixation à l'arrière du tour avait été prévue lors de la construction de ce dernier. 
TOUS LES ASSEMBLAGES DOIVENT ETRE GOUPILLES, cela assure le bon repositionnement lors des démontages et évite tout déplacement des pièces, si nécessaire un collage à l'époxyde (Araldite) peut parfaire le tout. Tous les trous de fixation doivent être contrepercés ensembles pour obtenir un alignement parfait.
Le chariot est composé d'un assemblage de barres d'étiré, le tout assemblé par des vis CHc et goupillé. La première photo montre un coté assemblé et l'autre encore démonté, vous pouvez remarquer les plaques de glissement en laiton (faire des rainures pour faciliter le graissage). 
Les photos montrent les pièces puis l'ensemble monté et muni de l'écrou d'avance (noix). L'assemblage des guidages doit se faire avec le chariot positionné sur la glissière, ainsi pas de problème d'ajustage, les piètages ne seront faits qu'après vérification de l'ensemble.
La vis est montée sur un roulement afin qu'il n'y ait pas de jeu, l'écrou est en laiton pour limiter le frottement (j'envisage le PTFE mais je n'ai pas testé). La manivelle est munie d'un tambour gradué. Cette réalisation nécessite un tour, mais si c'est votre première machine, vous pouvez faire un montage bien plus simple avec des écrous classiques et sans roulements (voir mes premières machines), dès que votre tour sera en fonction, plus de problème pour refaire.

La broche de fraisage et son support

Dans la réalisation de toute machine outil, la broche est l'un des points les plus délicats. Si vous êtes déjà équipé d'un tour, il est impératif de faire un montage sérieux avec des roulements montés avec une légère précontrainte (montage ci-dessous et plan). Si vous ne disposez pas de machine, il faut faire travailler son imagination pour utiliser ce que l'on peut trouver : petit arbre de scie (voir les magasins de bricolage), perceuse, moyeu de roue de vélo etc... Tout ce qui est monté sur roulement sans trop de jeu peut servir. Toutes les idées sont bonnes à prendre et n'hésitez pas à me faire part des votres pour enrichir ces pages.
Comme cité plus haut, si vous construisez votre premier tour (et que vous ne disposez pas de celui d'un ami) la meilleur broche est celle d'une perceuse sans percussion, vous aurez en plus le moteur et le variateur.
Le support de broche est constitué d'un assemblage de plaques d'étiré. L'ensemble est vissé, piété et collé à l'epoxy, c'est tous simplement indestructible.
Ce support est prêt à recevoir la broche puis à être fixé sur le chariot. Toute la géométrie doit être réglée avec un comparateur en se servant des différents chariots pour assurer les déplacements et en palpant sur une équerre.
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Numérisation

Le prototype

Quel modéliste possesseur d'une machine outil n'a jamais rêvé de passer à la commande numérique (CN pour les intimes). En fait, un peu de surf sur le web montre que nous sommes assez nombreux à avoir cette idée derrière la tête et même pour certains déjà dans l'atelier.

Vous l'avez deviné, j'ai franchi le pas et je vous propose quelques photos du prototype.
Une vue d'ensemble de la machine pour laquelle seuls trois moteurs pas à pas ont été rajoutés tout en conservant précieusement les manivelles d'origine. Pour moi il est important de pouvoir continuer à travailler en manuel car il est aberrant de penser que toutes les pièces justifient de faire un programme. La machine est pilotée par un PC via le port parallèle et quelques cartes électroniques.
La mécanique reste très simple, pour chaque axe un moteur pas à pas est ajouté entre la vis et la manivelle. Le montage de cette dernière a nécessité la modification de l'arrière des moteurs. Les moteurs sont accouplés aux vis par l'intermédiaire d'un manchon déformable pour pallier les défauts d'alignement, par contre ce manchon doit être très rigide en torsion pour ne pas nuire à la précision.
Les moteurs sont des 200 pas par tour pilotés en demi-pas ce qui donne 400 pas par tour, avec une vis au pas de 1mm chaque pas moteur donne une avance de 0.0025mm ce qui permet une grande souplesse des mouvements ainsi qu'une très bonne précision (de l'ordre de 0.01mm). La vitesse maxi de déplacement est de 200mm/mn ce qui est amplement suffisant pour nos petites machines.
La photo ci-dessous montre le pré-câblage de l'électronique avec de gauche à droite : les cartes d'interfaces avec le PC, l'alimentation, les transformateurs, les trois cartes de puissance. 
 
Les cartes interfaces ont pour fonction d'exploiter les signaux issus du port parallèle, de gérer les vitesses d'avance (timer programmable), de gérer les butées de fin de course. A terme je désire ajouter un boîtier pour faciliter les commandes manuelles lors des réglages.
L'alimentation est encore commune à toutes les cartes, mais l'expérience montre qu'il faut une alimentation séparée pour chaque axe, les performances sont meilleures. 
 
Les cartes de puissance des moteurs sont basées sur le couple classique L297 et L298 qui sont des composants faciles à trouver et qui offrent un bon rapport performance/prix.
La dernière pièce du puzzle, c'est bien sûr le logiciel de commande. Il en existe un certain nombre sur Internet, le site CNC Loisirs est d'un grand secours. Beaucoup de ces logiciels sont prévus à l'origine pour faire de la découpe de gabarits en 2D 1/2, toutefois Ninos a retenu mon attention car pour un prix abordable il semble offrir de nombreuses possibilités (je ne l'ai pas testé sur une machine).

Autant par besoin que par plaisir, j'ai choisi de développer mon propre logiciel nommé CncAxes, à l'origine je n'en prévoyais qu'une utilisation personnelle, mais au final j'ai compris qu'il serait bien d'en faire profiter tout le monde, il est donc diffusé en freeware.

Développements futurs

L'évolution des ordinateurs et des systèmes d'exploitation limitent de plus en plus l'utilisation du port parallèle pour nos applications amateurs. Les ordinateurs récents n'ont d'ailleurs plus ce port d'imprimante et les systèmes à partir de Windows 7 en bloquent l'accès direct. Les logiciels comme Cnc3Axes sont donc voués à disparaitre au profit de systèmes plus évolués connectés par USB ou Ethernet.

J'ai exploré diverses hypothèses pour faire évoluer mon ensemble électronique / logiciel en testant des cartes comme IPL5X ou GRBL sur Arduino, mais aucun n'a comblé mes attentes.

A ce jour, en 2018, la solution gratuite de pilotage la plus performante passe par Linux avec LinuxCNC, soit sur un ancien PC disposant encore d'un port parallèle, soit par l'ajout de cartes spécialisées (MESA), soit en passant carrément par un système Linux embarqué sur une carte type Rapsberry ou Beaglebone. C'est cette dernière hypothèse que j'ai choisi pour mon futur pupitre CNC autonome basé sur une carte Beaglebone Black connectée à une carte interface maison et à un écran tactile 12''.
Ce projet est en cours et fait l'objet d'une page spécifique sur ce site.
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Cnc3Axes
Logiciel de piloatge de machine CNC 3 axes. Freeware en téléchargement sur ce site.
Linux CNC
Environnement de pilotage de machines entièrement paramétrable, gratuit et open source sous Linux.
Le top du pilotage CNC amateur.
MachineKit
Dérivé de Linux CNC, Machinekit reprend la même base mais est adapté aux systèmes embarqués sur cartes ARM comme la Beaglebone.
Pupitre LinuxCNC
Fabrication d'un pupitre de commande autonome avec écran tactile et ordinateur mono carte Beaglebone Black, le tout orchestré par LinuxCNC.
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