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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

10 - SYMBOLES

Article de référence | Réf : BM7030 v2

Mécanismes liés au phénomène de vibration
Vibrations d'usinage - Comment les identifier et les limiter

Auteur(s) : Lionel ARNAUD

Relu et validé le 25 nov. 2020

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RÉSUMÉ

Les vibrations d’usinage correspondent à un mouvement oscillant entre l’outil coupant et la pièce, générant des dégradations de l’état de surface. Cet article détaille tout d’abord l’aspect multifacette du problème, car ces vibrations posent tout autant de problèmes du fait des bruits, des états de surface dégradés, des casses d’outil ou des usures prématurées de machine. Les moyens de mesure associés sont ensuite détaillés et des modèles analytiques ou numériques intégrant les caractéristiques machine, outil, pièce, ainsi que les conditions de coupe sont présentés. Enfin les différentes solutions utilisables sont méthodiquement passées en revue.

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ABSTRACT

Machining vibrations - How can they be identified and addressed

Machining chatter correspond to an oscillating movement between the cutting tool and the workpiece, generating degradations of the surface finish.This article shows the multifaceted aspect of the problem, because these vibrations pose problems due to noises, degraded surface conditions, tool breaks or premature machine wear. The associated measuring methods are then detailed and analytical or numerical models integrating the machine, tool, workpiece and cutting conditions are presented. Finally, the various usable solutions are methodically reviewed.

Auteur(s)

  • Lionel ARNAUD : Enseignant-chercheur - LGP (Laboratoire de Génie de Production) - ENIT (École Nationale d’Ingénieur de Tarbes), France

INTRODUCTION

En 1907, dans son ouvrage fondateur sur l'art de la coupe des métaux, Frederick Winslow Taylor disait : « le problème des vibrations d'usinage est le problème le plus obscur auquel ait à faire face l'usineur ». En 2018, les études sur le sujet rapportaient que les vibrations restent un enjeu majeur pour l'usinage et que de nombreux industriels l'identifient encore comme 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 à trois millions par an précisément ce coût pour des blocs cylindre usinés par séries. Ce surcoût était ici lié à l'usure prématurée des outils et représentait en 2002, par exemple, exactement 0,35 € par pièce, soit 120 k€ par an.

Des estimations montrent que la majorité des surcoûts sont liés 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 : modifier la vitesse, changer l'outil, augmenter le nombre de passes, brider la pièce différemment, mettre des éléments en caoutchouc, etc. Avec pour conséquence, 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 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 le plus souvent par des bruits vibratoires 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 leurs liens avec les phénomènes vibratoires, pour prendre le problème à sa source. Il est 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 (celle la plus souvent mise en œuvre lors des problèmes évoqués), 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 regrouper, de les hiérarchiser et d'identifier les paramètres à surveiller systématiquement.

Le troisième objectif de cet article est de montrer qu'il existe au final un ensemble de solutions, qui ont fait leurs preuves et qui permettent de résoudre tous types de problèmes de vibration, en situation réelle.

Le lecteur trouvera en fin d'article un tableau des symboles utilisés.

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KEYWORDS

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

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-bm7030


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3. Mécanismes liés au phénomène de vibration

Il est possible de mettre en évidence quelques comportements caractéristiques, que nous illustrons ici principalement pour le fraisage.

  • Vibrations négligeables

    La trajectoire de l'outil est précisément respectée par la machine, on observe sur la surface usinée uniquement les marques du passage des dents espacées de l'avance à la dent programmée (figure 10 a).

  • Vibrations en phase avec le coup de dent

    Lorsque la rigidité du système machine-outil-pièce n'est pas suffisante, l'effort de coupe subit des variations périodiques et crée des vibrations sensibles, dites forcées.

    Ces vibrations étant en première approximation à la même fréquence (ou multiples) que le passage de la dent, l'état de surface est quasiment le même que précédemment, et la position moyenne de la surface réalisée est légèrement décalée du fait de ces vibrations (figure 10 b).

    Cette situation est difficile à détecter sans mesure, pourtant elle conduit souvent à des niveaux vibratoires importants, allant parfois jusqu'à provoquer un vieillissement rapide de la broche. De plus, cette situation est naturellement obtenue quand on cherche à limiter les vibrations en tâtonnant pour trouver une bonne vitesse de broche sans broutement, car le bruit généré par cette situation semble toujours plus harmonieux (fréquences de dents et harmoniques).

  • Vibrations en décalage de phase

    Lorsque la vibration n'est pas à la même fréquence que le passage de dent, cela a pour conséquence que la surface usinée ne correspond plus à la surface programmée et apparaît alors plus ou moins dégradée.

    Cela peut naturellement survenir lorsque l'outil rencontre une hétérogénéité, un trou dans la pièce par exemple. Il apparaît alors un défaut plus ou moins marqué au voisinage, car le système vibre de façon transitoire à ses fréquences propres.

    Mais cela peut aussi se produire tout le long d'un usinage et conduire à un état de surface irrégulier, voire chaotique, très dégradé par rapport à la situation sans vibration.

    Il est établi qu'une infinité de situations peuvent se produire, par exemple :

    • l'outil...

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BIBLIOGRAPHIE

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

  • (2) - SANDVIK -   Comment réduire les vibrations lors de l'usinage.  -  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 (2007).

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

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

  • ...

1 Supports numériques

Vidéos

Vibrations d'usinage de parois minces :

https://youtu.be/Tw9OEq4uD4k

Vibrations d'usinage en tournage (coupe continue) :

https://youtu.be/2KceXIKPWEo

Vibrations d'usinage en UGV (filmé en caméra rapide) :

https://youtu.be/voU6bDKi2JE

HAUT DE...

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