Article

1 - UN PROBLÈME À MULTIPLES FACETTES

2 - MOYENS DE MESURE

3 - MÉCANISMES LIÉS AU PHÉNOMÈNE DE VIBRATION

4 - MODÈLE MÉCANIQUE SIMPLE DU PHÉNOMÈNE DE BROUTEMENT

5 - MÉTHODES D'ÉTUDE DU MODÈLE MÉCANIQUE

6 - GÉNÉRALISATIONS DU MODÈLE

7 - AUTRES APPROCHES (QUE LE CHOIX DE LA VITESSE DE ROTATION) POUR LIMITER LES VIBRATIONS

  • 7.1 - Systèmes amortissants
  • 7.2 - Outils à pas variables
  • 7.3 - Variation continue de la vitesse
  • 7.4 - Contrôle actif

8 - LOGICIELS DISPONIBLES

9 - CONCLUSION

| Réf : BM7030 v1

Vibrations d'usinage - Comment les identifier et les limiter

Auteur(s) : Lionel ARNAUD

Relu et validé le 01 juil. 2018

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RÉSUMÉ

Les vibrations d'usinage ont toujours été identifiées comme un frein majeur à la productivité. Par exemple, le constructeur automobile Renault a évalué sur une simple opération d'usinage un surcoût s'élevant à 120 k€/an. Le problème est tout d’abord multifactoriel, suite à l'intégration des caractéristiques de la machine, de l’outil et de la pièce, ainsi que des conditions de coupe ; mais également multifacette, ces vibrations se manifestent par des bruits, des états de surface dégradés, des casses d’outil, de l'usure de la machine. Les conséquences sont alors une réduction de productivité pour tenter d'assurer un usinage stable, des temps de mise au point rallongés, des rebuts d’outils, de pièces et des machines prématurément usées. Pour pallier ces problèmes, sont associées à des modélisations analytiques et numériques, des approches pragmatiques appliquées en atelier, comme la méthode des lobes de stabilité, les outils à pas variables, les outils amortissants.

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ABSTRACT

Machining vibrations - How can they be identified and addressed

Vibrations caused by machining have always been considered to be a major hindrance to productivity. For instance, the car manufacturer Renault, has estimated an additional cost of 120k€/year for a simple machining operation. Firstly the problem is multifactorial due to the machine characteristics, the tool and its part as well as the cutting conditions; however it is also multifacetted as these vibrations are manifested through noise, degraded surface quality, tool breakage and machine wear. The consequences are a decrease in productivity in order to attempt to ensure stable machining, increase in development time, tool and part waste as well as a number of prematurely worn out machines. In order to address this issue, pragmatic approaches have been associated to analytic and numeric modeling and have been applied in workshops; they include the stability lobe method, variable pace tools and dampening tools.

Auteur(s)

  • Lionel ARNAUD : Maître de conférences à l'École nationale d'ingénieurs de Tarbes - Gérant de Vibraction

INTRODUCTION

En 1907, dans son ouvrage fondateur sur l'art de la coupe des métaux, Taylor  disait : « le problème des vibrations d'usinage est le problème le plus obscur auquel ait à faire face l'usineur ». En 2011, les études sur le sujet, signalaient toujours que les vibrations sont un enjeu majeur pour l'usinage et l'un des facteurs les plus limitants du process.

Les coûts associés à ce problème sont rarement chiffrés et l'usineur les anticipe naturellement, notamment pour les situations telles que l'usinage de pièces ou d'outils particulièrement flexibles.

Le constructeur automobile Renault avait réussi à chiffrer précisément ce coût sur l'usinage de blocs cylindre usinés par séries de trois millions par an. Ce surcoût était ici lié à l'usure prématurée des outils et représentait en 2002, par exemple, exactement 0,35 e par pièce, soit 120 ke par an, depuis 20 ans.

Des estimations montrent que la majorité des surcoûts est liée à la perte de productivité et au temps perdu pour les mises au point ou les reprises, ensuite viennent les usures d'outil et de machines, et enfin les pièces rebutées.

Les solutions trouvées par les usineurs, sont souvent obtenues par tâtonnement et par le fruit de l'expérience : changer la vitesse, changer l'outil, augmenter le nombre de passes, brider la pièce différemment, mettre des éléments en caoutchouc, etc. Avec souvent pour conséquence inévitable une diminution significative de la productivité.

La théorie dite des « lobes de stabilité », apparue dans les années 1950, a semblé apporter une solution globale, mais force est de constater qu'elle n'est pas si facile à appliquer en pratique et qu'elle ne résout pas la majorité des problèmes.

Ainsi, comme Taylor le disait déjà, il persiste toujours un manque criant de méthodes prédictives robustes et un manque de logique d'ensemble pour attaquer le problème concrètement.

Le premier objectif de cet article est de présenter les multiples facettes du problème qui se caractérise principalement par des bruits caractéristiques et des états de surface dégradés, mais aussi par des casses d'outil ou des usures prématurées de broche. Il est important de savoir repérer finement ces évènements et leur lien avec les phénomènes vibratoires pour attaquer le problème à sa source. Il sera aussi montré comment ces vibrations peuvent être mesurées en pratique et comment elles peuvent fournir des indicateurs précurseurs pour anticiper les problèmes.

Le deuxième objectif est de présenter des modélisations du phénomène de broutement, qui est une catégorie particulière de vibration d'usinage, afin de mettre en évidence les principaux paramètres influents. L'usinage est une opération qui fait intervenir de très nombreux paramètres, mais il est possible de les hiérarchiser et de mettre en évidence les paramètres à surveiller systématiquement.

Le troisième objectif de cet article est de montrer qu'il existe un ensemble de solutions simples, qui ont fait leurs preuves, et qui permettent d'attaquer tout type de problème de vibration, en situation réelle.

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KEYWORDS

machining.   |   vibration   |   chatter   |   surface finish   |   stability lobes   |   variable pitch tool   |   damped tool

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-bm7030


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - TAYLOR (F.W.) -   On the art of cutting metals.  -  Transaction of ASME, 28 (1907). C'est un ouvrage fondateur sur l'usinage. Les détails techniques datent bien sûr, mais les méthodes scientifiques mises en œuvre sont toujours d'une troublante actualité.

  • (2) - SANDVIK -   Comment réduire les vibrations lors de l'usinage (brochure en anglais)  -  (2007). Il s'agit d'une brochure commerciale téléchargeable encore en 2011 sur le siteweb de Sandvik, qui donne quelques conseils pratiques. Plus généralement, les revues scientifiques « International Journal of Advanced Manufacturing Technology », chez Springer, et « International Journal of Machine Tools & Manufacture » chez Elsevier, publient chaque mois quelques articles de recherche scientifique sur les vibrations d'usinage.

  • (3) - CETIM -   Guide méthodologique des vibrations en UGV.  -  (2011). Le Cetim fait régulièrement un travail de veille sur les nouvelles solutions pour l'usinage.

  • (4) - CHENG (K.) -   Machining dynamics. Fudamentals, applications and practices.  -  Springer (2009).

  • (5) - SCHMITZ (T.L.),...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

1 Supports numériques

Vidéo sur YouTube

Vibrations d'usinage de parois minces http://www.youtube.com/watch?v=Tw9OEq4uD4k

HAUT DE PAGE

2 Sites Internet

Site Wikipedia

– Vibrations d'usinage http://fr.wikipedia.org/wiki/Vibrations_d%27usinage

– Usinage de parois minces http://fr.wikipedia.org/wiki/Usinage_de_paroi_mince

Site de Vibraction http://www.vibraction.fr(pour voir de nombreuses animations et notamment celles de la figure 9) http://membres.multimania.fr/donalddupont/

Revue...

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