Article Technolog i e

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mots-cls industrialisation, productique, simulation, usinage

BTS IPM

Les vibrations dusinageLIONEL ARNAUD, BRUNO SEGUIER [1]

Les vibrations sont une cause rcurrente de difficults en usinage, causant dgradation des surfaces usines, usure des outils et machines, nuisances sonores, etc. Une mthode pour les rduire, initialement utilise dans lindustrie, a t teste avec succs dans une dizaine de lyces. Elle sappuie sur les paramtres de rigidit et de frquence vibratoire du systme usinant. Bien adapte au programme du BTS IPM, elle permet de structurer la dmarche des lves face aux vibrations dusinage une exigence du rfrentiel.

n 1907, dans son ouvrage fondateur sur lart de la coupe, Frederic Winslow Taylor disait dj que le problme des vibrations dusinage est le pro-

blme le plus obscur auquel ait faire face lusineur. Taylor savait trs bien de quoi il parlait, car il avait t pendant vingt-six ans le responsable dun grand ate-lier dusinage. Il avait consign plus de 16 000 essais dusinage et dfini la loi dusure qui porte son nom, toujours utilise, un sicle plus tard. Aujourdhui, les tudes sur le sujet signalent toujours que les vibrations sont un enjeu majeur pour lusinage et lun des facteurs limitant le plus la productivit.

Les enjeux industrielsLe constructeur automobile Renault a chiffr prcis-ment le cot des vibrations dusinage sur 3millions de blocs-cylindres usins par an. Le surcot, ici unique-ment li lusure prmature des outils, reprsentait en 2002 exactement 0,35 par pice, soit 120 000.

Des estimations montrent que la majorit des sur-cots viennent dabord de la perte de productivit et du temps perdu pour les mises au point, puis des usures doutils et de machines, et enfin des pices rebutes 1 .

Les multiples facettes du problmeCertains lments sont systmatiquement associs au risque de vibrations :

les pices flexibles, cause de leurs parois minces ou dun porte--faux important ;

les outils longs et fins ;

les machines peu rigides, et rcemment les robots dusinage ;

les engagements importants, car ils sollicitent la rigidit machine, aussi leve soit-elle.

Un tat de surface dgrad par des ondulations assez rgulires ou des bruits stridents sont les manifesta-tions les plus classiques. Lbrchage ou lusure rapide des artes de coupe sont aussi des signatures de vibra-tions dusinage, quelles fassent du bruit ou non. Autre consquence frquente des vibrations puissantes, la dtrioration rapide de la broche ou mme des axes machines, mme si les chocs accidentels restent ce qui dgrade le plus ces lments.

La faible productivit est la consquence la plus importante du problme. En effet, il est trs courant de constater que ni les engagements outils ni la puis-sance machine ne sont exploits 100%.

Perte de productivitRsolution des problmesMise au point

Pices rebutesOutils casssBroches uses

60 /mois

Total : 220 /mois

48 /mois

60 /mois16 /mois

24 /mois

12 /mois

1 Lorigine des surcots dusinage par machine et par mois

2 Modle simplifi masse-ressort

[1] Respectivement: expert en vibration dusinage, fondateur de la socit Vibraction ; professeur agrg en sciences industrielles de lingnieur option ingnierie mcanique au lyce des mtiers Jean-Dupuy de Tarbes (65).

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J A N V I E R - F V R I E R 2 0 1 5 T E C H N O L O G I E 1 9 5 6160 T E C H N O L O G I E 1 9 5 J A N V I E R - F V R I E R 2 0 1 5 J A N V I E R - F V R I E R 2 0 1 5 T E C H N O L O G I E 1 9 5 61

Un phnomne complexeUn outil, ou une pice flexible, peut se ramener, en premire approximation, un modle simplifi masse-ressort 2 .

Linterruption de la coupe, lorsque loutil entre et sort de la matire, gnre naturellement des vibrations, dites forces. Ces vibrations sont assez faciles matriser en pratique, soit en rduisant la section copeau, soit en augmentant la continuit de la coupe (engagement, nombre de dents, hlice), soit en rigidifiant le systme.

Ce sont les vibrations spontanes qui posent le plus de problmes, cest--dire celles qui samplifient spon-tanment chaque passage de dent, indpendamment des chocs de la coupe. De telles vibrations peuvent mme apparatre en filetage, alors mme que loutil ne repasse pas chaque tour sur sa trace.

En fonction des paramtres de coupe, une infinit de configurations sont possibles (les mathmaticiens disent mme non dnombrables) ; en voici trois:

Cas 1 : vibrations basse frquenceSoit un outil rigide 2 dents tournant 12 000tr/min, ce qui donne une frquence de passage de dent (12 000/60) 2=400Hz. Considrons lusinage dune pice ou une machine de grande dimension sujettes des vibrations basse frquence, par exemple 40Hz. De larges vagues apparatront alors sur la surface usine 3 , image des vibrations basse frquence.

Cas 2 : vibrations haute frquenceConsidrons maintenant que loutil, ou la pice, vibre 300Hz. nouveau de larges vagues apparaissent 4 , mais elles sont lies cette fois la diffrence de phase entre les harmoniques de la frquence de rotation et celles de la frquence de vibration. Il existe alors de nombreux types de profils usins, selon les frquences en jeu.

Cas 3 : une dent sur deux qui coupeCette fois, considrons toujours le mme outil gnrant des coups de dents 400Hz, mais avec une frquence de vibration 200Hz, cest--dire exactement la moiti. Cette fois, si lamplitude des vibrations est suffisam-ment importante, lune des dents passe dans le vide, et la suivante coupe sa place 5 , ce qui conduira une usure acclre de loutil. Comme chaque prise de passe ce nest pas forcment la mme dent qui coupe, lusure paratra uniforme sur loutil, ce qui rendra mys-trieux le phnomne dusure acclre, le mme outil susant beaucoup moins sur une autre pice ou dans des conditions dusinage diffrentes. On tombe souvent par hasard sur cette configuration, car elle produit un son dusinage agrable, sans les variations du cas 1 ni les sifflements stridents du cas 2.

Ces trois cas illustrent la varit des phnomnes, et la difficult les comprendre et les distinguer sans mesures prcises pendant lusinage.

Les 4 facteurs clefsTaylor disait dj en 1907 que, face aux vibrations, les usineurs testaient diffrentes frquences de rotation en changeant la vitesse de coupe et que, si cela ne suf-fisait pas, ils rduisaient lengagement de loutil pour limiter les efforts. Il disait aussi quils utilisaient, sur des pices creuses, des sangles en cuir ou en caout-chouc ainsi que des cales en bois tendre sur les porte-outil de tournage, pour amortir les vibrations. Il disait galement quil fallait toujours chercher avoir des

3 Vibrations basse frquence

4 Vibrations haute frquence

5 Une dent sur deux qui coupe

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usinage, puis dmontrer sa capacit dfinir et mettre en uvre des essais rels et/ou des simulations, pour liminer les vibrations, mais aussi pour optimiser la pro-ductivit. Cette acquisition peut se faire en 1reanne de BTS, sous la forme de TP au cours du second semestre dans la priode approfondissement, afin de pouvoir apprhender en 2e anne le projet de qualification de processus.

La mthode appele ChatterMaster, mise en place initialement dans lindustrie, sest rvle trs effi-cace pdagogiquement. Des changes avec les ensei-gnants du lyce Jean-Dupuy Tarbes ds 2009 ont permis de mettre au point une approche pdagogique bien adapte. Cela a conduit Lionel Arnaud, expert en vibration dusinage, fondateur de la socit Vibraction, multiplier les contacts avec les lyces par le biais de journes de dmonstration en prsence dlves et dindustriels usineurs (plus de 10 journes ont dj t organises). En 2014, lensemble des lyces de lacadmie de Toulouse et quelques lyces de la rgion parisienne se sont quips du matriel et du logiciel ChatterMaster pour les utiliser avec leurs lves. Le lyce Jean-Dupuy, avec MM. Castao, Seguier, Bard,

btis de machine solides, bien au-del de ce que les calculs de rsistance mcanique demandaient, et quil tait important que tous les lments soient fixs fer-mement, pour une meilleure rigidit.

Lanalyse scientifique des vibrations dusinage a montr que, malgr la multitude des paramtres en jeu et des manifestations, il est possible dattaquer mtho-diquement le problme en se basant uniquement sur les quatre paramtres clefs suivant: rigidit, frquence, amortissement et effort de coupe.

Des applications pdagogiques en BTS IPMLe rfrentiel du BTS IPM prcise, dans le savoir S7.6.1, que lacquisition et la matrise des connaissances sur lincidence des vibrations des outils et des outillages doivent tre de niveau 4, matrise mthodologique . La sous-preuve E52, dite de prsentation du projet de qualification de processus, prcise que le thme du projet doit faire apparatre des problmes techniques et cite par exemple les pices sensibles aux vibrations au cours de lusinage.

Llve doit donc imprativement acqurir de la mthode pour la rsolution des problmes vibratoires en

6 La squence pdagogique interactive

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Bruno Seguier ([email protected]), du lyce Jean-Dupuy, qui se fera un plaisir de vous com-muniquer les rsultats obtenus ; cest instructif et parfois trs contre-intuitif.

Il a t constat par les professeurs quaprs ce TP les lves ralisent (enfin) limportance de la longueur de sortie de loutil, et lintgrent en FAO alors que loutil nest quune reprsentation sur lcran. Rien que pour cela, ce TP est trs bnfique.

TP 2 : rigidit piceUn TP similaire pour la rigidit des pices parois plus ou moins minces est aussi ralis, ce qui permet de diagnostiquer lequel de la pice ou de loutil est le plus souple, et ensuite de choisir les actions les plus appropries pour gagner en rigidit, en renforant en priorit le maillon faible du systme usinant.

TP 3 : stratgie dusinage et rigidit piceLobjectif de ce TP est daller plus loin dans la dmarche damlioration de la rigidit, en exploitant la stratgie dusinage dune pice taille dans la masse pour maxi-miser cette rigidit.

Il est tout dabord mis en uvre une premire stra-tgie dusinage: une bauche gnrale de la paroi suivie dune finition sur toute la hauteur pour limi-ner les marques dusinage 8 . Dans ce cas, la finition se passe en gnral trs mal, avec des vibrations trs prononces, et il peut tre expliqu par le professeur que divers essais diffrentes conditions de coupe ont tous conduit au mme rsultat. Les TP prcdents, de rigidit doutil et de pice, peuvent venir alimenter lanalyse de ce TP3. En pratique, la rigidit de la pice est ici trs infrieure celle de loutil, et trs insuffi-sante pour lopration vise (rsultat que peut donner le logiciel ChatterMaster).

Une seconde stratgie est alors propose aux lves, avec bauche et finition niveau par niveau, afin daug-menter la rigidit jusqu la valeur requise.

Avec une simulation simplifie 9 , les lves trouve-ront rapidement le meilleur compromis. Lobjectif est ici de rigidifier la paroi en lbauchant et en la finis-sant par niveaux de hauteur H. Il sagit dobtenir la rigidit vise pour lopration sans significativement dpasser la rigidit de loutil, car cela multiplierait le nombre de petites passes sans apporter un vrai gain sur la rigidit globale du systme.

Ce TP sensibilisera les lves limportance de la stratgie dusinage sur la rigidit et donc la stabilit de la pice en usinage. Le critre de rigidit est quantifi et compar celui de loutil afin de dterminer loptimum viser. Plus gnralement, cela incite les lves maxi-miser la rigidit sur toute la gamme dusinage, et leur permet de faire des choix sur la chronologie des oprations.

En pratique, le fait de matriser la rigidit peut autori-ser se passer de la phase de finition. En effet, quand la rigidit est telle que la flexion est ngligeable vis--vis de

Bironneau, a t le premier lyce se lancer dans cette dmarche pdagogique innovante ; il a donc servi de rfrence aux autres lyces. Voyons donc les activits pdagogiques ralises.

Des TP de 1re anne de BTS IPMEn introduction, les professeurs prsentent gnra-lement quelques documents illustrs et une squence dautoformation 6 , proposs via Internet, permettant chaque lve dintgrer les notions et calculs de base leur propre rythme. Cette squence interactive a t ralise conjointement par Lionel Arnaud, de la socit Vibraction, et Damien Renou, de la socit Ange Softs. Elle dure un peu moins dune heure et comprend des illus-trations, films, questions et calculs au sujet des quatre paramtres clefs. Puis des TP sont proposs aux lves.

TP 1 : rigidit outilCe premier TP consiste mettre en charge un outil avec un dynamomtre, et mesurer sa flexion avec un comparateur 7 .

Avec cette exprience simple, les lves voient la flexion dun outil, par le comparateur qui bouge lors de la mise en charge. Dans le cas o une rigidit de pice est mesure, les lves apprcient de pousser simplement la main, ventuellement avec des gants, et dobserver la dformation. Cest mme parfois une rvlation pour ceux qui connaissent le phnomne, mais ne lont jamais analys aussi simplement.

Ce TP permet de quantifier la rigidit, qui est un paramtre fondamental pour limiter les vibrations dusinage, de comparer les rigidits pour diffrents diamtres et longueurs de sortie doutil, puis ventuel-lement de comparer diffrents porte-outil entre eux, en dfinissant des protocoles adapts. Cela conduit des enseignements aussi utiles aux lves quaux indus-triels. Limage 7 montre une comparaison faite pour toute sorte de porte-outil, pour un mme outil, de la mme longueur de sortie. Nhsitez pas contacter

7 TP1 : rigidit outil

8 TP3 : rigidit pice

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gistrer et traiter des fichiers sonores de type MP3. Il prsente lavantage de permettre danalyser trs faci-lement les frquences, soit partir dun simple micro-phone si les vibrations sentendent bien soit partir dun acclromtre pizolectrique USB.

Le TP consiste dans un premier temps usiner la pice avec les conditions prconises pour le couple outil-matire et constater le problme vibratoire qui dtriore ltat de surface. Il sagit ensuite de dtermi-ner sil existe une vitesse de rotation optimale. Llve sonne une pice, et en dduit sa frquence naturelle de vibration, ainsi que son amortissement, ventuel-lement. Puis la mesure est ralise sur loutil, en uti-lisant cette fois lacclromtre. Llve produit alors avec le logiciel ChatterMaster des graphes prdisant le niveau vibratoire en fonction de la vitesse de rotation, pour loutil et pour la pice, en intgrant les informa-tions sur la rigidit prcdemment mesure dans les autres TP 11. En fonction des rsultats, il dduit sil existe une vitesse de rotation optimale, et il refait lusi-nage. Ici, en passant de 10 000tr/min 12 000tr/min, on obtient moins de vibrations avec une producti-vit plus grande. Au passage, on constate quun plan dexpriences naurait pas garanti que lon trouve la vitesse de rotation idale sans vibrations: la fentre de tir est parfois trs troite (ici 200tr/min), et ce sont des dizaines de tests quil aurait fallu mener pour y arriver. De plus, cette mthode permet de constater que parfois aucune vitesse optimale nexiste, et quil faut donc uniquement travailler sur les autres leviers.

Des projets de 2e anne de BTS IPMAprs avoir t sensibiliss en 1re anne par ces TP, les lves seront ventuellement amens mettre en place des mthodes et des essais pour rsoudre ce type de problmes en projet de 2e anne.

Prs de la moiti des lves sont confronts aux problmes de vibrations dusinage lors de leur projet

la prcision demande, la phase de finition napporte pas une meilleure qualit sur la dimension finie ce qui incite une rflexion systmatique sur le dcoupage classique bauche, demi-finition, finition, quil faut rinterprter avec la notion de rigidit et de flexion, pour loptimiser.

TP 4 : frquence de vibration et rotation optimaleLes lves sont amens utiliser un logiciel open source, Audacity 10, que certains pratiquent dj pour enre-

9 Le calcul de rigidit dune pice paroi mince avec le logiciel ChatterMaster

10 Analyse frquentielle avec le logiciel Audacity

11 Frquence de rotation minimisant les vibrations

Frquence de broche productivit maximale

et vibration minimale

Frquence de broche productivit maximale

et vibration minimale

12000 tr/min

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de BTS, apportant une mthode pratique se basant sur lanalyse de la rigidit et des frquences.

La rigidit est calcule ou mesure avec des moyens simples, ct pice et ct outil, puis compare des valeurs de rfrence afin de dterminer si elle est insuffisante, peine suffisante ou largement suffisante pour lopration vise. Cette analyse permet de faire des comparaisons, des choix, de proposer des am-liorations et de vrifier quelles sont effectives. Tout cela aide efficacement les lves dans le choix dune gamme dusinage efficace, assurant la rigidit juste ncessaire. Les frquences de vibration sont mesu-res simplement, et permettent de trouver les vitesses de rotation vitant les vibrations tout en maximisant la productivit.

Si besoin, lanalyse mthodique peut tre tendue aux deux autres paramtres clefs pour les vibrations, savoir lamortissement et les efforts de coupe, ce qui permet de sadapter toutes les situations.

Cette approche mthodique a dj t transmise en 2014 tous les professeurs enseignant en STS IPM de lacadmie de Toulouse ainsi qu ceux de trois ta-blissements de la rgion parisienne, qui ont acquis le matriel de mesure ncessaire et ont suivi une forma-tion pratique de deux jours.

Le lyce Jean-Dupuy Tarbes a t prcurseur sur lapplication pdagogique de cette mthode, initialement uniquement industrielle, et il a fortement contribu ladapter au contexte du BTS IPM. Il sest maintenant engag ajouter une corde son arc en utilisant le logi-ciel MACHpro permettant de simuler les engagements outil, les efforts x-y-z, les flexions et les vibrations tout le long de la trajectoire outil 13. Pdagogiquement, il sagit daider les lves visualiser les contacts outil-pice et les efforts gnrs, pour analyser et corriger leurs programmes dusinage. Ainsi, en bauche, ils pourraient rapidement vrifier que les efforts restent acceptables pour loutil et la machine, et dtecter de faon autonome leurs erreurs de programmation. En finition, ce serait la flexion outil qui serait surveille, pour vrifier que loutil ne flchit pas trop et garantit la cote finale. Enfin, une optimisation globale est pos-sible, par rgulation et optimisation automatiques de lavance la dent, tout le long de lusinage, garantis-sant par exemple un effort radial constant. Cette nou-velle approche, simulant lusinage, aiderait des lves avec peu dexprience pratique de lusinage dtecter leurs erreurs et raliser des programmes optimiss en matire de dbit copeau et de prcision. n

de qualification de processus, quil sagisse de parois minces, de pices dformables ou doutils longs 12. Lap-plication de la mthode ChatterMaster, en se basant sur les rigidits et les frquences de vibration des dif-frents lments, permet de limiter les vibrations dusi-nage tout en maximisant la productivit.

Pdagogiquement, la rigidit est llment le plus important pour commencer, orientant fortement les choix de la gamme dusinage. Llve est pouss comparer les diffrentes stratgies en fonction de la rigidit de loutil et de la pice, soit par mesure soit par calcul. Ensuite, en cas de vibrations lors des premiers tests, les mesures de frquence permettent de dterminer la vitesse de broche la plus productive sans vibrations, comme indiqu sur le graphe 11.

Les plus avancs, matrisant la flexion de loutil ou de la pice, pourront valider ou invalider le besoin de dcomposer en bauche, demi-finition ou finition, ce qui enrichira les discussions et guidera les lves les plus novices en usinage.

Conclusions et perspectivesLe problme des vibrations dusinage est ainsi abord mthodiquement, en parfaite cohrence avec le rfrentiel

12 Exemples de problmatiques en projet

13 Le logiciel MACHpro, simulant forces x-y-z, flexions, vibrations, pendant lusinage

En ligneFilms et illustrations sur les vibrations dusinage:

www.vibraction.fr

Retrouvez tous les liens sur http://eduscol.education.fr/sti/revue-technologie

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