Soutenance mémoire
État de l’art industriel sur l’évaluation des centres d’usinage
De manière générale, les centres d’usinage sont des moyens qui présentent de grandes qualités telles que la précision, la rapidité et la flexibilité. Mawussi [Mawussi et Tapie, 2005] distingue 4 applications dont les besoins sont différents. L’usinage en masse nécessite des machines rigides dont la productivité est grande. Cette application est très souvent présente dans le secteur de l’aéronautique. La deuxième application est celle d’usinage de pièce de formes complexes comme les moules et les outillages et qui nécessitent surtout une précision dynamique en suivi de trajectoire. La troisième application est celle de l’automobile où l’agilité de la machine est un critère important pour satisfaire les temps de cycle. Enn, l’usinage des pièces de mécanique générale produites souvent en petite série présente le besoin de machines plus polyvalentes ayant une bonne ergonomie de programmation. Dans ce contexte, le choix d’un centre d’usinage doit répondre aux contraintes du secteur d’activité dans lequel il s’inscrit. Étant donné que l’aptitude de la MOCN à répondre à ces contraintes n’est jamais renseignée sur la che technique de manière exhaustive, des essais pour l’évaluation de ces machines paraissent indispensables. Les MOCN ont plusieurs sources d’imprécision. Pritschow [Pritschow et al., 2002] et Pateloup [Pateloup, 2011] ont étudié ces diérentes sources. Le diagramme de Pritschow affiché (figure 1.1) regroupe ces différentes sources pour des machines à structures parallèles et permet de les classifier selon leurs amplitudes et leurs fréquences. Ce diagramme montre aussi que ces erreurs proviennent principalement de sources liées à la structure et à l’asservissement. Les erreurs liées à la structure sont dues principalement au comportement statique, dynamique, thermique et aux erreurs géométriques. Les erreurs statiques de la machine sont le résultat des déformations élastiques des différents sous-ensembles à cause d’un manque de rigidité. Par ailleurs, la dilatation des différents composants sous l’effet d’un chargement thermique donne des erreurs de nature thermique. Enfin, les erreurs dynamiques sont celles qui sont dues à des oscillations ou une instabilité lors de l’usinage. D’autres erreurs liées plutôt à l’asservissement parviennent de la CN qui, elle, peut être la cause des écarts entre les consignes et la configuration de travail.
Essais à vide
RENAULT AUTOMATION COMAU appelé aujourd’hui COMAU Castres a mis en place une procédure pour connaître les signatures des MOCN. Celle-ci est décrite par Lio dans [Lio et al., 2002]. Des mesures peuvent être faites par le servo-trace de la CN de la machine ou par des moyens de mesure externes. La procédure consiste à vérifier que les caractéristiques dynamiques et cinématiques plus liées à la mécatronique qu’à la mécanique sont en adéquation avec les attentes de l’usineur et de la maintenance. L’aptitude du CU doit respecter un cahier des charges (bon réglage de la chaîne d’asservissement, le respect de la durée de vie de certains composants, la qualité d’usinage) et nécessite ainsi un état de référence lié principalement à des mesures ballbar, des mesures de FFT, des mesures temporelles et l’équilibrage de l’axe vertical. Cet état de référence est aussi appelé le KM0 « Le kilomètre 0 ». Cette procédure peut être aussi bien utilisée par le constructeur de machines lors de la phase de mise au point que par les utilisateurs et permet de contrôler le bon montage des sous-ensembles de la machine, les réglages et les performances attendues. Koenig [Koenig, 2009] fait l’état de l’art sur les méthodes d’évaluation d’une MOCN à vide.
Vibrations forcées et moyens d’optimisation
Les vibrations forcées sont générées par des sollicitations périodiques. Par exemple dans une coupe discontinue comme dans le fraisage, celles-ci sont attribuées à la fréquence de passage des dents. D’après Seguy [Seguy, 2008] ce type de vibration dégrade peu l’état de surface de la pièce usinée et peut-être à l’origine de quelques défauts tels que le défaut de position. Afin de limiter leur impact, Moreau [Moreau, 2010] recommande d’avoir une coupe la plus continue possible. Cet objectif peut être atteint en agissant, dans la limite du possible, sur l’angle d’hélice de la fraise. Généralement, les vibrations forcées génèrent des conditions de coupe transitoires à l’entrée et à la sortie de la matière. Ces vibrations deviennent ennuyeuses quand elles affectent la qualité de la pièce. Koppka [Koppka, 2008] s’est intéressé au procédé d’alésage. Un procédé qui est souvent utilisé dans des opérations de finition ou semi-finition. Bien que les profondeurs de passe sont généralement faibles dans ce type d’opération, les vibrations forcées dégradent parfois l’état de surface des pièces usinées. Koppka a étudié ce procédé et a montré que les défauts qui apparaissent sur la pièce, après un usinage de finition, dépendent principalement de la fréquence d’excitation et les défauts d’excentration de l’axe de l’outil par rapport à l’axe du trou à aléser. Il a montré que les excitations forcées peuvent activer les modes propres des outils et générer par conséquent des résonances. Il parait donc indispensable de veiller sur le bon choix des conditions de coupe afin d’éviter que ces vibrations forcées se transforment en résonance.
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Table des matières
1 Présentation de l’état de l’art
1.1 Introduction
1.2 État de l’art industriel sur l’évaluation des centres d’usinage
1.2.1 Essais à vide
1.2.2 Mesure en charge
1.2.3 Conclusion
1.3 La stabilité de la coupe
1.3.1 Introduction
1.3.2 Les vibrations en usinage
1.3.3 Modélisation des vibrations régénératives
1.3.4 Bilan sur les méthodes utilisées pour la prédiction des lobes de stabilité
1.4 Les méthodes dynamiques pour la qualication des centres d’usinage
1.4.1 Les lobes de stabilité comme outil d’évaluation
1.4.2 Pièce test prismatique
1.4.3 Approche graphique pour la qualication de la dynamique des machines
1.5 Conclusion
2 Etude du comportement dynamique de la structure de la MOCN dans son espace de travail
2.1 Introduction au comportement dynamique de broche dans son espace de travail
2.2 Essais préliminaires
2.2.1 Présentation du CU
2.2.2 Evolution du comportement statique d’une broche dans son espace de travail
2.2.3 Evolution du comportement dynamique d’une broche dans son espace de travail
2.2.4 Conclusion
2.3 Recherche des limites de stabilité en fraisage
2.3.1 Discussion sur l’outil de fraisage et le domaine de validité de la méthode de simulation
2.3.2 Modèle de prédiction des lobes de stabilité en fraisage
2.3.3 Validation expérimentale
2.4 Conclusion
3 Proposition d’une méthodologie de prédiction du comportement d’une MOCN
3.1 Introduction
3.2 Technique d’identification de la matrice des FRF en nez de broche
3.2.1 Principes et définitions
3.2.2 Méthode hybride pour l’identification du comportement de broche
3.2.3 Modélisation du tronçon avant de l’outil
3.2.4 Méthode expérimentale
3.3 Technique de prédiction de FRF pour un couple outil-broche
3.4 Validation expérimentale
3.4.1 Identification des caractéristiques mécaniques des outils de validation
3.4.2 Essais d’impact sur l’outil en broche
3.4.3 Résultats et interprétations
3.5 Conclusion
4 Prédiction des limites de broutement en alésage
4.1 Introduction
4.2 Modèle dynamique pour la prédiction des limites de stabilité
4.2.1 Mouvement dans Re
4.2.2 Sections coupées
4.2.3 Eorts de coupe
4.2.4 Modèle prédictif du broutement en alésage
4.2.5 Le diagramme d’évolution du facteur de charge
4.3 Application industrielle
4.3.1 Contexte industriel
4.3.2 Description des conditions industrielles de travail
4.3.3 Construction de la FRF en pointe de l’outil
4.3.4 Détermination de la source de la résonance
4.3.5 Identification de la loi de coupe
4.3.6 Application du modèle prédictif pour une opération d’alésage à outil multi-étage
4.3.7 Généralisation de la méthode sur des outils plus complexes
4.4 Conclusion
Conclusion générale
A Résolution de l’équation dynamique de fraisage dans le domaine fréquentiel
B Fréquences caractéristiques des roulements
C Mesure des eorts de coupe
D Evaluation de l’évolution de la machine Fanuc Robodrill face aux chargements thermiques
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