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.



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Usinage

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

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

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.

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 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

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.

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.

L'état des solutions commerciales


Voir aussi

Liens externes

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 05/12/2009.
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