Théorie des lobes de stabilité

L'usinage Grande Vitesse (UGV) permet de réaliser des pièces auparavant irréalisables par usinage. Les parois minces notamment, de quelques 1/10 de mm par exemple, posent souvent des problèmes d'usinage, aussi bien par leur flexion statique que par leurs vibrations (voir aussi l'article vibrations d'usinage). En pratique, la flexibilité de ces parois peut souvent être détectée par une simple pression manuelle, ce qui les rend sensibles à la moindre sollicitation pendant leur usinage.

Sommaire 1 Le phénomène physique 2 Les contextes d'usinages de parois minces 3 L'état des pratiques industrielles 4 L'état de la recherche industrielle et universitaire 4.1 Les modèles de comportement 4.2 Les stratégies étudiées 5 L'état des solutions commerciales 6 Voir aussi 6.1 Articles connexes 6.2 Liens externes

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 très 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 difficile à être usinée de cette façon.

En présence de vibrations, le maintien de la pièce est toujours une bonne solution, quand il est possible, mais limiter les efforts de coupe est souvent très coûteux en temps d'usinage. Parfois, 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 essentiellement de l'usinage de tubes et éventuellement de disques.
• En fraisage il s'agit le plus souvent de l'usinage de poches (parois et fond minces).
  • En 3 axes, pour l'usinage de poches profondes, l'outil a un corps souvent fin, ce qui le rend flexible, parfois autant que la pièce qu'il usine.
  • En 5 axes, il est souvent possible d'utiliser des outils coniques, avec un corps s'épaississant rapidement en remontant vers la broche, ce qui limite considérablement 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

Afin de limiter les problèmes d'usinage aussi bien statiques que vibratoires, la rigidification de la pièce par un montage d'usinage adapté est souvent la solution la plus efficace. En effet, une contre-pièce massive permet un appui rigide de la pièce qui fléchit alors beaucoup moins sous les efforts de coupe et qui vibre beaucoup 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 très efficaces, mais coûteuses, car il faut réaliser ce montage en plus de la pièce à usiner.

La stratégie d'usinage maintenant classiquement utilisée pour réaliser des parois mince est dite de “descente alternée”. Afin de limiter la flexion de la paroi, on l'usine alors une fois à droite et une fois à gauche, puis on descend, et on recommence... Cette stratégie est très 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 toujours les problèmes de vibrations, il arrive souvent 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 évidemment 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 éventuellement 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 débute en général 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 beaucoup plus flexible, les conditions de coupes sont donc fortement réduites pour limiter les déformations (statique et vibratoires). L'objectif de productivité maximale conduit donc 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 toutes les phases du process.

• Les vibrations

Les vibrations susceptibles d'apparaître en général pour l'usinage sont évoquées dans l'article vibrations d'usinage. Les parois minces ajoutent le fait que lorsque l'outil avance le long de la paroi, lors de la finition par exemple, il rencontre 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 très changeants sur la pièce. Une difficulté pour la modélisation s'ajoute par le fait que le contact outil-pièce rend la base modale pas toujours bien adaptée (la base modale correspond à des vibrations non contraintes de la pièce alors que l'outil rajoute une sorte de blocage).

Les stratégies étudiées

• Rigidifier la pièce

Afin de réduire les problèmes de vibrations lors de l'usinage des parois minces il est toujours bien adapté, comme dit précédemment, de rigidifier la pièce par un montage d'usinage adapté, quand cela est possible. Les simulations permettent alors de préciser avant même d'avoir commencé les usinages la solution la plus adaptée, voire de remettre en cause la forme de la pièce pour lui apporter plus de rigidité.

• Limiter la raideur de coupe
  • Réduire l'engagement axial: La théorie des lobes de stabilité a mis très 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 coefficient 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 réduire 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 souvent 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 en fonction de mesures, afin de contrecarrer les vibrations. En pratique les réalisations dans ce domaine pour le moment, sont principalement 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 maintenant 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 parfois 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

Articles connexes

• Vibrations d'usinage

Liens externes

• (fr) Film d'un usinage de parois minces avec différents test présentés