Etude dynamique de l’usinage et de l’interaction pièce-outil par mesure des déplacements : application au fraisage et au tournage

Dynamic study of machining and Tool-part interaction using displacement measurement: application for Milling and turning operation

• Auteur / Autrice : Vincent Moreau
• Direction : Michel Lambertin, Jean-Philippe Costes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : École nationale supérieure des arts et métiers (Paris)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Usinage

Topographie de surfaces

Fraisage (travail des métaux)

Résumé

Face aux problèmes vibratoires en usinage, deux approches ont été développées. L’une consiste à prédire les vibrations grâce à des modélisations de plus en plus élaborées des opérations d’usinage. La deuxième est une approche plus expérimentale, d’instrumentation des machines dans le but de surveiller et de comprendre le comportement de l’outil pendant l’usinage. Dans le cadre de cette deuxième approche, de nombreuses technologies de capteurs sont utilisées. Le but de ces travaux est d’étudier le comportement de l’outil grâce à des capteurs de déplacement sans contact qui mesurent directement les vibrations de l’outil pendant l’opération d’usinage. Ces capteurs d’abords utilisés en fraisage puis en tournage permettent l’étude des différents aspects de l’interaction entre l’outil et la pièce. Le premier point étudié est l’investigation du phénomène de la coupe, avec la possibilité de tracer en trois dimensions ou dans le plan la trajectoire de l’outil. Le deuxième point est l’étude de la stabilité ou de l’instabilité de l’usinage. Par la suite, les mesures de déplacement sont utilisées pour déterminer les efforts de coupe, que ce soit en fraisage ou en tournage. Les efforts appliqués sur l’outil vont provoquer sa déformation qui sera mesurée par les capteurs sans contact. Dans le cas du fraisage, une méthode de calcul spécifique à partir de la Fonction de Réponse en Fréquence (FRF) de l’outil a été mise en œuvre pour calculer ces efforts de coupe pour des vitesses de rotation importantes. Le dernier aspect traité est la reconstruction de l’état de surface de la pièce usinée. Les déplacements mesurés de l’outil sont superposés à la trajectoire théorique de l’outil pour déterminer l’aspect et le profil de la surface réellement usinée lors de l’opération

Ln order to counter tool vibrations problem during machining operations, two different approaches were developed. The first is the tool vibration. Prediction, through increasingly sophisticated machining operation models. The second is an experimental approach with the instrumentation of machining centers to monitor and understand the behavior of the tool during machining. Under the second approach, many sensor technologies are used. The aim of this work is to study the behavior of the tool using non-contact dis placement sensor to measure directly the tool vibrations during the machining operation. This approach used in milling and turning allow the study of various aspects of the tool-workpiece interactions. The first point is the investigation of cutting the phenomenon, with the possibility of drawing the tool trajectory in three dimensions or in the plan. The second point is the study of stability or instability of the machining operation. Subsequently, measurements of displacements are used to determine the cutting forces, either for milling or turning operation. The forces applied on the tool will cause its deflection; this deflection is measured by the non-contact displacement sensors. For the milling, a specific calculation method, using Frequency Response Function (FRF) of the tool has been implemented. It allows cutting forces calculation for high spindle speeds. Finally, the reconstruction of the workpiece surface was done. The measured tool displacements are superimposed on the theoretical tool trajectory to determine the surface aspect and profile of the actual machined surface during the operation.