Modélisation et identification du comportement dynamique des broches UGV à montages de roulements préchargés

par David Noël

Thèse de doctorat en Sciences de l’ingénieur, mécanique

Sous la direction de Benoît Furet, Mathieu Ritou et de Sébastien Le Loch.

Le président du jury était Pascal Ray.

Le jury était composé de Benoît Furet, Mathieu Ritou, Sébastien Le Loch, Pascal Ray, Didier Rémond, Philippe Lorong, Mathieu Ritou.

Les rapporteurs étaient Didier Rémond, Philippe Lorong.


  • Résumé

    Les électrobroches d’Usinage à Grandes Vitesses concentrent de nombreuses fonctions techniques essentielles dans un espace très restreint et confiné. Elles sont caractérisées par de fortes puissances, de très hautes vitesses de rotation et nécessitent une raideur importante. Il s’agit d’applications présentant un très haut critère et donc très critiques pour les roulements. Le comportement des broches UGV en est d’autant plus complexe et difficilement prévisible. L’idée de ces travaux est de proposer un modèle dynamique juste nécessaire pour faciliter la conception de nouvelles broches et optimiser le choix des conditions de coupe, tous deux pour un environnement industriel. Pour cela, une approche phénoménologique est adoptée. Pour commencer, l’élément roulement à billes à contact oblique est finement modélisé. Outre les effets dynamiques sur les billes à haute vitesse de rotation, les déformations macroscopiques des bagues sont considérées pour le modèle analytique à cinq degrés de liberté du roulement. Une nouvelle formulation analytique exacte de la matrice de raideur du roulement est proposée puis validée. Ensuite, le modèle du comportement axial d’une broche à double précharge est recalé grâce aux résultats expérimentaux obtenus avec le dispositif de chargement axial développé à cet effet. Au final, non seulement les grandeurs de précharge sont identifiées, mais surtout de nouveaux phénomènes physiques, indispensables pour simuler le comportement complexe et couplé de la broche, sont décelés : expansion radiale des bagues, présence d’une butée, rétrécissement centrifuge de l’arbre et frottement sec sur le système de précharge. Enfin, pour l’étude du comportement global de broche, un excitateur électromagnétique a été développé afin de solliciter la broche radialement et sans contact. Le modèle tridimensionnel de la broche, non-linéaire et par Eléments Finis, est mis au point pour une résolution en temporel. L’intégration du modèle de roulement dans le modèle de broche est envisagée pour plusieurs hypothèses. Les résultats de simulation, validés par des essais expérimentaux montrent que, dans le cas d’un rotor raide en flexion et d’une précharge importante, il n’est pas nécessaire de prendre en compte la non-linéarité des roulements, une fois la précharge réévaluée par équilibre dynamique axial. Enfin, les comportements fréquentiels obtenus expérimentalement et par simulation sont comparés et analysés. L’évolution des fréquences et le couplage des modes sont examinés grâce au modèle numérique complet.

  • Titre traduit

    Modeling and Identification of the Dynamic Behavior of HSM Spindles Guided by Preloaded Bearings


  • Résumé

    High Speed Machining spindles fulfill a great number of technical functions in a reduced and confined environment. In the aerospace industry, spindles have very high power and speed capabilities. The dm. N criterion, representing the criticality of the application for rolling bearings, is extremely high. It is therefore difficult to predict their coupled and complex behavior. This work aim at proposing a strictly minimal dynamic model to ease new spindle design and to optimize the cutting conditions in an industrial environment. In this context, a phenomenological approach is selected. First, a detailed model of the angular ball bearing is built. Dynamic effects on balls and macroscopic deformations of rings are included in the five degrees of freedom analytical model. A new exact analytical formulation of the stiffness matrix is proposed and validated. Then, the axial behavior of a spindle with double preload is updated. The experimental results are obtained with a new testing device designed to apply bidirectional axial loads on the spindle at any given speed. At the process‘s end, preload parameters are identified. More importantly new essential physical phenomena are found, enabling a better understanding of the complex and coupled axial behavior of the spindle: radial expansion of the bearing rings, the presence of a stroke limit, centrifugal axial shrinking and solid friction of preload device. Finally, an electromagnetic actuator is developed to study the three-dimensional behavior of the spindle. A time domain model of the spindle in Finite Elements is built including the complete updated bearing model. Simplifying hypotheses for the integration of the bearing model are studied. In the case of a stiff bending rotor and a high preload, a linear model of the bearing can be selected once the axial dynamic and non-linear equilibrium is reached. At the end, both numerical and experimental Frequency Response Functions are compared and analyzed. Frequency evolution and mode coupling with shaft speed are investigated thanks to the complete numerical model developed in this work.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (174 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p.169-174

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