Usinage de paroi mince / Théorie des lobes de stabilité
L'usinage Grande Vitesse sert à réaliser des pièces jusque là irréalisables par usinage. Les parois minces surtout, de quelques 1/10 de mm par exemple, posent fréquemment des problèmes d'usinage, autant par leur flexion statique que par leurs vibrations.
L'usinage Grande Vitesse (UGV) sert à réaliser des pièces jusque là irréalisables par usinage. Les parois minces surtout, de quelques 1/10 de mm par exemple, posent fréquemment des problèmes d'usinage, autant par leur flexion statique que par leurs vibrations (voir aussi l'article vibrations d'usinage). En pratique, la flexibilité de ces parois peut fréquemment être détectée par une simple pression manuelle, ce qui les rend sensibles à la moindre sollicitation pendant leur usinage.
Le phénomène physique
La flexion d'une paroi mince sous l'effort de coupe est un problème habituel pour les usineurs et des solutions sont particulièrement bien connues et maîtrisées : limiter les efforts de coupe et soutenir la pièce. La limite de l'usinage étant en pratique, qu'à partir d'une certaine finesse de paroi la dent de l'outil accroche en quelque sorte la paroi et celle-ci est happée, devenant trop complexe à être usinée de cette façon.
En présence de vibrations, le maintien de la pièce est toujours une bonne solution, lorsqu'il est envisageable, mais limiter les efforts de coupe est fréquemment particulièrement coûteux en temps d'usinage. Quelquefois, le simple fait d'effleurer la pièce avec l'outil la fait entrer en résonance ce qui peut détruire la paroi qui se fait happer par l'outil.
Les contextes d'usinages de parois minces
- En tournage il s'agit principalement de l'usinage de tubes et peut-être de disques.
- En fraisage il s'agit le plus fréquemment de l'usinage de poches (parois et fond minces).
- En 3 axes, pour l'usinage de poches profondes, l'outil a un corps fréquemment fin, ce qui le rend flexible, quelquefois tout autant que la pièce qu'il usine.
- En 5 axes, il est fréquemment envisageable d'utiliser des outils coniques, avec un corps s'épaississant rapidement en remontant vers la broche, ce qui limite énormément les problèmes de flexion d'outil.
L'usinage par fraisage 3 ou 5 axes, de pales de turbo compresseur par exemple, fait aussi intervenir des parois minces.
L'état des pratiques industrielles
Pour limiter les problèmes d'usinage autant statiques que vibratoires, la rigidification de la pièce par un montage d'usinage adapté est fréquemment la solution la plus efficace. En effet, une contre-pièce massive permet un appui rigide de la pièce qui fléchit alors nettement moins sous les efforts de coupe et qui vibre nettement moins aussi (un contact large amène aussi un amortissement important pour les vibrations). Les montages peuvent être un simple appui bridé ou non, avec aspiration ou non, avec cales amovibles (pour les poches par exemple)... Ces solutions sont toutes particulièrement efficaces, mais coûteuses, car il faut réaliser ce montage en plus de la pièce à usiner.
La stratégie d'usinage désormais classiquement utilisée pour réaliser des parois mince est dite de “descente alternée”. Pour limiter la flexion de la paroi, on l'usine alors une fois à droite et une fois à gauche, puis on descend, et on redébute... Cette stratégie est particulièrement efficace pour limiter les flexions statiques et éviter l'effet “pied de sapin” (des marches qui apparaissent et une épaisseur de paroi non constante). Malheureusement, elle ne résout pas forcément les problèmes de vibrations, il arrive fréquemment que la paroi vibre suffisamment pour qu'une zone déjà usinée rentre en contact avec la partie haute de l'outil.
L'état de la recherche industrielle et universitaire
Les modèles de comportement
- Efforts et déplacements
La modélisation des efforts de coupe est bien entendu un enjeu majeur de recherche en usinage. Un modèle prédictif permettrait en effet de savoir avant d'usiner, les efforts exercés sur l'outil, la pièce et le porte-pièce, et la machine par exemple. On pourrait dans le cas des parois minces déterminer la déformation statique de la pièce sous l'effort de coupe et peut-être compenser son recul par une compensation sur la trajectoire programmée de l'outil par exemple, minimisant ainsi la phase de mise au point.
- Évolution du comportement pendant l'usinage
L'usinage d'une paroi mince commence généralement avec un brut assez massif pour amener progressivement à l'épaisseur finale. Cela entraîne que la pièce évolue constamment durant sa réalisation, ce qui complique la modélisation. Concrètement, en début d'usinage la pièce est rigide, ce qui autorise des prises de passe plus importantes, c'est alors l'outil ou la machine qui peinent le plus, en flexion statique ou en vibrations. En fin d'usinage, la paroi usinée est bien plus flexible, les conditions de coupes sont par conséquent fortement réduites pour limiter les déformations (statique et vibratoires). L'objectif de productivité maximale conduit par conséquent à toujours se rapprocher au plus près des limites de la machine, de l'outil ou de la pièce. Les modélisations ont comme objectif de permettre cette optimisation pour l'ensemble des phases du process.
- Les vibrations
Les vibrations susceptibles d'apparaître généralement pour l'usinage sont évoquées dans l'article vibrations d'usinage. Les parois minces ajoutent le fait que quand l'outil avance le long de la paroi, lors de la finition par exemple, il fait la connaissance de différentes zones sur la pièce correspondant classiquement à des nœuds ou des ventres des différents modes de vibration, ce qui fait apparaître des états de surface particulièrement changeants sur la pièce. Une difficulté pour la modélisation s'ajoute par le fait que le contact outil-pièce rend la base modale pas forcément bien adaptée (la base modale correspond à des vibrations non contraintes de la pièce tandis que l'outil rajoute une sorte de blocage).
Les stratégies étudiées
- Rigidifier la pièce
Pour diminuer les problèmes de vibrations lors de l'usinage des parois minces il est toujours bien adapté, comme dit auparavant, de rigidifier la pièce par un montage d'usinage adapté, lorsque cela est envisageable. Les simulations permettent alors de préciser avant même d'avoir commencé les usinages la solution la plus adaptée, ou alors de remettre en cause la forme de la pièce pour lui apporter plus de rigidité.
- Limiter la raideur de coupe
- Diminuer l'engagement axial : La théorie des lobes de stabilité a mis particulièrement tôt en évidence l'importance du rapport entre la raideur de la pièce ou de l'outil, et la raideur de la coupe (c. à . d. le cœfficient qui lie le déplacement de l'outil dans la matière à l'effort de coupe, dans la direction de la vibration). Le paramètre le plus sensible pour diminuer ce ratio est grosso modo la longueur projetée de l'arête de coupe dans la matière, ce qui a toujours amené les usineurs à naturellement diminuer l'engagement axial de l'outil.
- Modifier les angles de coupe : Une autre façon de diminuer la raideur de coupe est de jouer sur les angles d'outil de telle sorte que l'effort de coupe est parallèle à la paroi, ainsi la raideur de coupe serait théoriquement nulle, l'outil ni ne pousse ni ne tire la paroi.
Ces deux leviers sont majeurs dans le phénomène vibratoire en usinage et le choix des outils (angles, revêtements, …) et des stratégies d'usinage tendent le plus fréquemment à jouer sur ces deux effets.
- Limiter la mise en vibration, la résonance
- Éviter les fréquences à problèmes : par le choix de la meilleure vitesse de broche (c. f. théorie des lobes de stabilité)
- Ajouter de l'amortissement : par la lubrification, par le talonnage maîtrisé, par l'ajout de cales, …
- Étaler le spectre d'excitation : par des outils à pas variables (c. f. outil à pas variable), par la rotation de broche à vitesse variable...
- Contrôler activement : par l'utilisation d'actionneurs (axes machine, porte-outil... ) pilotés dynamiquement selon mesures, pour contrecarrer les vibrations. En pratique les réalisations dans ce domaine pour l'instant, sont essentiellement des régulations d'effort moyen ou de puissance par la diminution de l'avance de l'outil.
L'état des solutions commerciales
- Les logiciels de FAO proposent désormais naturellement des stratégies de descente alternée et d'usinage point pour réaliser des parois minces.
- Les fabricants d'outils proposent des outils et des porte-outils de plus en plus rigides (outils carbure monobloc, barreau en carbure de tungstène, montage fretté sur porte-outil conique... )
- Les usineurs utilisent quelquefois des outils détalonnés (diamètre du corps d'outil plus petit que la zone de coupe), afin d'éviter des contacts du corps d'outil avec la pièce, qui apparaissent malheureusement même avec une stratégie de descente alternée.
- Des kits logiciels+capteurs sont proposés pour mesurer les fréquences de vibration des outils et choisir la meilleure vitesse de broche (selon la théorie des lobes de stabilité).
Voir aussi
Liens externes
Recherche sur Amazone (livres) : |
Voir la liste des contributeurs.
La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 05/12/2009.
Ce texte est disponible sous les termes de la licence de documentation libre GNU (GFDL).
La liste des définitions proposées en tête de page est une sélection parmi les résultats obtenus à l'aide de la commande "define:" de Google.
Cette page fait partie du projet Wikibis.