Mécanique

Le projet a démarré avec plusieurs contraintes imposées.

Bien que la machine ait déjà été repercée et taraudée à de nombreuses reprises, contribuer à sa dégradation ne s'inscrivait pas dans la démarche de conservation du patrimoine horloger et mécanique. De même, le choix d'une rétrocompatibilité totale entre l'installation CNC et les accessoires d'origine s'est inscrit dans cette logique. Il a donc été nécessaire de s'implanter sur les perçages et taraudages existants de la machine. Ce choix imposait de ne pas positionner les axes de transmission du mouvement dans l'axe des guidages des parties mobiles. L'excentrage qui en résulte pouvait générer un moment de flexion susceptible de dégrader la précision de la machine et d'accélérer l'usure des composants.

Sur les conseils de Luc Monnet, la possibilité de passer aisément et rapidement d'une commande numérique à une pointeuse ou à une machine de contrôle optique, sans manipulation longue ou complexe, a confirmé l'intérêt économique du projet ainsi que sa capacité à répondre aux contraintes d'espace et de polyvalence rencontrées par certaines petites entreprises horlogères. La possibilité de conserver la pièce en place entre les phases d'usinage et de contrôle contribue également à simplifier les opérations de mise en œuvre.

L'absence, malgré les recherches effectuées, de plans côtés de la SIP MU214B a imposé la réalisation d'un modèle CAO à partir de relevés dimensionnels effectués directement sur la machine. Les principales dimensions et interfaces de fixation ont été déterminées puis contrôlées par triangulation géométrique.

Principe de base de transmission

Pendant toute la durée du projet, l'architecture de transmission retenue s'est appuyée sur les conseils de Jonathan Urvoy. La rotation d'un moteur pas à pas bipolaire hybride NEMA 23 entraîne une vis à billes MPS ED822X / V801X. Le moteur est relié à la vis par un accouplement rigide en bronze et fixé au bâti de la machine. L'écrou de la vis est accouplé à la partie mobile au moyen d'une bague ajustée. Un support fendu en aluminium assure ensuite le serrage de cette bague, garantissant le maintien de l'écrou.

La broche retenue est une Nakanishi NR3060 entraînée par un moteur EM3060J. Ce modèle délivre un couple relativement limité et est particulièrement adapté à l'utilisation de fraises de diamètre inférieur ou égal à 3 mm. En contrepartie, il permet d'atteindre 30 000 tr/min sans refroidissement et jusqu'à 60 000 tr/min avec refroidissement par air, tout en conservant un faux-rond de l'outil en pince inférieur à 1 µm. Cette broche n'est pas équipée d'un changement rapide d'outil, son intégration dans la tête de la machine ne permettant pas de conserver le principe de déplacement retenu. Les modèles 3030T offrent un couple supérieur, mais leur vitesse maximale est limitée à 30 000 tr/min. L'utilisation de la machine a toutefois montré que les vitesses de broche employées sont presque toujours inférieures à 15 000 tr/min.

Le contrôleur E3000 (à ne pas confondre avec le Selector E3000, qui n'est pas utilisé dans cette configuration) permet de piloter la vitesse de rotation de la broche, le refroidissement éventuel et peut également être raccordé à la carte de commande afin d'intégrer le pilotage de la broche au programme d'usinage. Le raccordement du moteur au contrôleur a nécessité l'utilisation d'un câble EMCD3000J.

Les règles digitales retenues pour afficher les coordonnées en X et Y sont des Mitutoyo AT715, reliées à une visualisation Mitutoyo KA212. Bien qu'il existe des règles plus performantes chez Mitutoyo comme chez d'autres fabricants, celles-ci ont été livrées avec des certificats de contrôle indiquant des erreurs maximales respectives de ±1,2 µm et ±0,9 µm selon l'axe. Ces performances sont largement suffisantes pour une utilisation de la machine en prototypage CNC.

La première solution retenue pour le déplacement de la table consistait à conserver le mode de guidage d'origine pour les axes X et Y. Cette solution reposait sur deux principes :

• Transmettre à chaque axe de la table le mouvement de rotation d'un moteur, converti en translation au moyen d'une vis à billes ;
• Alimenter régulièrement et de manière contrôlée les graisseurs d'origine afin de maintenir un film d'huile entre les surfaces grattées. Ce film devait assurer un glissement le plus fluide possible, réduire les efforts appliqués aux moteurs et préserver la précision de la machine.

Pour l'axe Z, le choix initial consistait à solidariser la broche avec la tête de la SIP, tandis que l'axe portant la manivelle d'origine était motorisé par un moteur identique à ceux des axes X et Y. Le déplacement devait alors s'effectuer, comme pour les axes de la table, entre des surfaces grattées.

Les essais de cette solution ont mis en évidence plusieurs limitations :

• Les supports excentrés ne présentaient pas une rigidité suffisante et fléchissaient sous l'effort. Des renforts et des entretoises étaient donc nécessaires afin de limiter ce phénomène ;
• Le maintien d'un film d'huile constant entre les surfaces grattées nécessitait une installation complexe de recyclage et de distribution de l'huile, adaptée à l'amplitude des déplacements ;
• L'huile provoquait un important phénomène d'adhérence au démarrage, générant un effort résistant très élevé avant que le mouvement ne devienne fluide. Cette observation a montré que le maintien d'un guidage sur surfaces grattées n'était pas une solution viable pour une utilisation en commande numérique. Le fléchissement mesuré au niveau de la transmission atteignait près de 200 µm (0,2 mm). Les déplacements perdaient alors leur répétabilité, l'ensemble vis-écrou se déplaçant de manière non reproductible. La fluidité nécessaire aux opérations de micro-fraisage ne pouvait être obtenue ;
• Enfin, la transmission retenue pour l'axe Z reposait sur le mécanisme d'origine de la machine, tandis que la tête devait rester maintenue en appui par le système de serrage manuel prévu par le constructeur. Cette architecture aurait engendré les mêmes défauts de déplacement que ceux observés sur les axes de la table. De plus, le jeu de transmission (backlash) de la chaîne cinématique aurait pu retarder la remontée de l'outil lors d'un changement rapide de direction, avec un risque de maintien de l'outil au contact de la matière.

Plusieurs solutions ont alors été retenues afin de résoudre ces difficultés :

• Rigidifier les supports en ajoutant des renforts limitant la flexion du support moteur et du palier situé à l'extrémité de la vis ;
• Sur les conseils de Luc Monnet, exploiter l'ajustement existant entre la broche Nakanishi et le tube d'origine de la SIP. Contrairement aux pointeuses Hauser, SIP utilise un diamètre correspondant directement à celui de la broche. Le principe retenu consiste à faire translater uniquement la broche à l'intérieur du tube de l'axe Z. Cette solution permet de conserver l'avance manuelle par la manivelle d'origine pour les déplacements rapides. Un moteur non captif assure la translation de la broche, tandis que son poids contribue au rattrapage permanent du jeu. Afin de limiter les risques d'arc-boutement liés à l'excentration entre l'axe du moteur et celui de la broche, l'ajout d'un ressort a également été retenu. L'arbre du moteur non captif est guidé par une bague en laiton percée et taraudée. En fonctionnement CNC, l'arbre reste immobile tandis que l'écrou du moteur est en rotation. En fonctionnement manuel, l'arbre retrouve sa liberté de rotation et la manivelle montée à son extrémité permet le déplacement de la broche ;
• D'après les retours de Luc Monnet, Vianney Halter avait réalisé une CNC sur une base SIP en remplaçant les guidages d'origine par des rouleaux à aiguilles. Une visite de son atelier a permis de confirmer cette solution, d'identifier des cages à aiguilles adaptées et de mieux comprendre les contraintes liées à leur intégration sur la SIP.

Le guidage des axes X et Y de la SIP MU214B est assuré par deux surfaces grattées en contact, constituées d'un profil mâle et femelle en V à 90°, ainsi que par un appui sur des surfaces planes grattées.

Pour adapter les parties mobiles de la machine à des cages à aiguilles, une référence standard de cages équipées de rouleaux de diamètre 2,5 mm a été retenue. Des cages plates ont été choisies pour les surfaces d'appui simple, et des cages doubles pliables pour la surface de guidage.

Le calcul du diamètre équivalent pour un profil en V à 90° donne :
d = D / cos(45°) = 3,535 mm

Les cages doubles utilisées sont donc équipées de rouleaux de 2,5 mm, tandis que les cages simples ont été adaptées à 3,5 mm, leurs rouleaux ayant été remplacés en conséquence.

Les supports ont été réalisés en aluminium pour les pièces destinées à l'usinage. Bien que ce matériau ne présente pas une rigidité élevée, il permet de produire des pièces à faible coût, et l'ajout de renforts constitue un compromis pertinent entre coût et rigidité. Des plaques de 10 à 15 mm d'épaisseur ont été utilisées, en privilégiant l'assemblage de pièces simples plutôt que des géométries monobloc complexes et coûteuses.

Les supports d'écrou présentent une géométrie plus complexe, optimisée pour limiter les phénomènes de flexion. Les supports de roulement ont été réalisés en bronze, au même titre que les accouplements et les piliers de fixation des moteurs. Les manivelles ont été fabriquées en ABS noir.

Pour la lubrification, des supports permettant le montage de raccords rapides ont été conçus. Ces éléments en laiton viennent se clipser dans les dispositifs initialement prévus pour les graisseurs, grâce à une fente cruciforme conférant une légère élasticité à la zone de clipsage.

Les accouplements d'écrous ont été usinés en interne sur tour 102 en laiton. Après mesure des écrous, le diamètre intérieur de la bague a été usiné avec un jeu de 2 à 4 µm au-dessus du diamètre de l'écrou, tandis que le diamètre extérieur a été réalisé 2 à 4 µm en dessous de celui du support d'écrou. Ces ajustements permettent, lors du serrage du support, de maintenir la bague fermement sans induire de contraintes excessives sur l'écrou.

Les goupilles en carbure rectifiées et chanfreinées sont fournies par Mecanicoutils à Frambouhans, avec une tolérance annoncée de ±1 µm.

Enfin, les goupilles de contrôle, de montage et d'alignement des supports en aluminium sont fabriquées à partir de queues de forêts et fraises usées ou cassées, dont les références correspondent à des ajustements de diamètre similaires. Leur découpe est réalisée à l'aide d'une visseuse manuelle en rotation. Une meule diamantée est utilisée en contre-rotation. Pour supprimer le cône lié à la coupe, un surfaçage et un chanfrein sont réalisés à la volée.

Axes X et Y

La première étape consiste à démonter, nettoyer et contrôler les différentes parties de la machine. Une fois la base propre, les cages doubles sont pliées manuellement pour suivre le profil en V puis assemblées. Les rouleaux des cages simples sont déclipsés et remplacés par des rouleaux réalisés sur mesure.

Les piliers moteurs sont chassés dans leurs supports. Les roulements sont ajustés dans leur logement en bronze par chauffage du support, permettant une insertion libre à chaud, puis un serrage par retrait lors du refroidissement.

Les alésages des pièces en aluminium sont repris à l'aide d'alésoirs calibrés afin d'obtenir un ajustement optimal des goupilles. Ces goupilles de centrage assurent le positionnement précis des sous-ensembles.

Pour les piliers des parties fixes, elles permettent également un réglage en hauteur via des lumières oblongues. Des vis M6 assurent la fixation des différents éléments. Les ajustements des perçages permettent de compenser les erreurs de positionnement issues de la modélisation. L'appui des plaques s'effectue sur les surfaces grattées et sur les arêtes inférieures, garantissant un parallélisme cohérent avec le système de manivelles d'origine.

Une fois les sous-ensembles fixes et mobiles assemblés séparément, leur appairage se fait en trois étapes :

• Positionnement de la vis à billes dans ses supports, encore libre ;
• Appairage du moteur et de la vis au moyen de l'accouplement rigide en bronze ;
• Appairage de l'accouplement en laiton et de l'écrou via le serrage du support d'écrou.

Ces opérations sont réalisées avec des couples de serrage élevés afin d'assurer un blocage optimal.

Axe Z

Le support moteur de l'axe Z est relié à la partie supérieure du moteur au moyen d'une bague d'arrêt fendue. Bien que ce montage ne soit pas celui recommandé par Nakanishi, le guidage plus proche de la broche dans le tube permet de conserver une géométrie satisfaisante.

Le centrage du support moteur est assuré par un arbre passant dans une lumière oblongue, vissé dans un filetage d'origine de la tête de machine.

Les règles linéaires Mitutoyo AT715 sont réglées en premier lieu. Leur mise d'équerre étant indispensable à un affichage cohérent des déplacements, le réglage est effectué sur la plus grande course possible à l'aide d'un comparateur à levier au micron. Les contrôles détaillés dans la fiche technique sont réalisés avec des tolérances plus strictes que celles recommandées par le constructeur.

L'installation et le réglage de ces règles permettent ensuite, en théorie, de vérifier la coaxialité entre l'écrou et l'arbre moteur.

En effet, en cas de défaut de coaxialité significatif, la vis peut se retrouver en flexion, l'écrou constituant alors un point de contrainte. Cela entraîne deux conséquences principales :

• Une augmentation des efforts dans l'écrou, accélérant l'usure des billes et pouvant conduire à une sollicitation accrue des moteurs ;
• Une dégradation de la géométrie de déplacement, l'inclinaison de la vis modifiant la relation entre déplacement réel et déplacement théorique de l'écrou.

Des goupilles en carbure ajustées permettent ensuite de vérifier l'alignement et la coaxialité des supports fixes et mobiles des axes X et Y. Les interfaces choisies pour l'axe Z permettent quant à elles d'assurer le centrage de l'ensemble arbre/vis du moteur non captif par rapport au point de fixation sur la tête de machine.

Une fois ce préréglage effectué, la visualisation Mitutoyo des axes X et Y permet de comparer les déplacements demandés dans Mach3 aux déplacements mesurés par les règles digitales. En Z, un comparateur vertical longue course Mitutoyo 543-460B est utilisé pour contrôler le déplacement réel.

Bien que la course théorique des vis à billes soit de 146 mm, la course utile effectivement exploitable est de 82 mm, en raison des contraintes de montage. Cette course reste suffisante au regard des applications visées.

Des courbes d'écart entre déplacement demandé et déplacement mesuré sont ensuite établies afin d'identifier les éventuels défauts d'alignement ou de montage. Au fil des réglages, la fiabilité des règles a été remise en question. Ces contrôles ont mis en évidence des écarts pouvant atteindre 10 µm en fin de course ainsi qu'un effet de type backlash pouvant aller jusqu'à 18 µm. Des contrôles réalisés sur une machine de mesure optique Keyence IM-7000 ont permis d'analyser des perçages et des fraisages réalisés via Mach3, permettant de relever un défaut beaucoup plus faible, de l'ordre de 1 à 2 µm sur les deux axes.

À ce jour, l'origine de ces écarts (±4 µm) entre l'affichage de la visu et les mesures réelles n'a pas été totalement identifiée, malgré plusieurs tentatives de recalibrage et de vérification du système, et bien que les mesures des pièces réalisées donnent des qualités et précisions supérieures.