Identification et modélisation du torseur des actions de coupe en fraisage

Gaëtan Albert

Description

Sous la direction de Olivier Cahuc
Thèse soutenue le 13 décembre 2010: Bordeaux 1
Les procédés de mise en forme par enlèvement de matière introduisent, lors de la formation du copeau,des phénomènes complexes et rendent difficiles la maîtrise des grandeurs énergétiques. Des mesuresréalisées à l’aide d’un dynamomètre à six composantes permettent de mieux appréhender ces phénomènes.Ce dynamomètre permet de mesurer l’ensemble des actions mécaniques transmises par la liaison mécaniqueentre la matière usinée (copeau et pièce) et l’outil de coupe. Les mesures révèlent alors la présence demoments, à la pointe de l’outil, non évalués par les modèles de coupe classiques. Cependant, les lois decomportement actuelles ne permettent pas d’exprimer complètement ces phénomènes complexes (gradientsde déformations) lors de la formation du copeau. Actuellement, une modélisation analytique ou numérique etrendant compte de ces phénomènes est donc exclue. Des approches expérimentales ont alors été menées entournage et en perçage. Aujourd’hui ces recherches s’étendent au cas du fraisage.Pour ceci, un nouveau dynamomètre à six composantes adapté au fraisage a été conçu, réalisé etétalonné. Une démarche expérimentale a alors été mise en place afin de modéliser le moment de coupeconsommateur de puissance. Ce moment est alors étudié dans une configuration de coupe orthogonale enfraisage. Un modèle expérimental du moment de coupe est alors proposé. Cette modélisation fait intervenir lasection de copeau réelle instantanée et un nouveau critère énergétique : la densité de moment. Une étude surles paramètres cinématiques réels de l’outil montre la nécessité de prendre en compte la section de copeauinstantanée réelle. Celle–ci est alors calculée à partir de la position réelle de l’outil déduite des donnéescinématiques extraites des codeurs de position des axes et de la broche de la machine outil. Les paramètresinfluents sur la densité de moment ont été mis en évidence par un plan d’expériences et une analyse de lavariance. Une modélisation de ce critère similaire aux coefficients spécifiques de coupe a par la suite étédéveloppée.Enfin, le bilan énergétique de l’opération de coupe étudiée est considéré. Une démarche pratiqued’évaluation rapide de la puissance maximale de coupe est présentée en intégrant la modélisation du momentproposée. L’intérêt et l’importance de la prise en compte du moment de coupe sont alors confirmés pourprédire et définir les énergies mises en jeu par le processus de coupe.
-Fraisage
-Coupe orthogonale
-Dynamomètre à six composantes
-Section de copeau indéformée instantanée réelle
-Modèle expérimental
-Moment de coupe
-Densité de moment
-Bilan énergétique
In the cutting process, during the chip formation, complex phenomena occur and the control of theenergy parameters is difficult. Information about these phenomena are given with the measurement of the sixcomponents of the mechanical actions. This dynamometer allows to measure the six mechanical actions (3forces and 3 moments) between the chip, the workpiece and the tool during the chip formation. Themeasurement of the moments at the tooth tip is not inclued in the classical cutting model.However, actual behaviour laws cannot express all the phenomena occurred during the chip formation.Thus, analytical or numerical cutting model taking into account these phenomena is not possible. Previousstudies have been performed in turning and drilling and allow to extend these works to milling.A new six components dynamometer suitable to milling have been designed and calibrated. Anexperimental approach is proposed in order to model the cutting moment involved in the cutting energybalance. The study is performed in orthogonal cutting configurations. A model of cutting moment is proposedand depends on the instantaneous undeformed chip section and a new criteria : the moment density. A studyon real kinematic parameters shows that the instantaneous undeformed chip section have to take intoaccount. The instantaneous undeformed chip section is computed with real position of the tool obtained withthe encoders of linear axes and spindle of the CNC Machine. Design of experiments and variance analysis haveshown influent parameters on the moment density. A model of the moment, close to specific pressurecoefficient, has been developed.Finally, the cutting energy balance of the milling operation used is studied. A practical approach includedthe moment model allow an accurately evaluation of the energy balance. In milling operation, the studyconfirms the cutting moment at the tool tip and shows the necessity to take into account moments in theenergy balance.
-Milling
-Orthogonal cutting
-Six components dynamometer
-Real instantaneous undeformed chip section
-Experimental model
-Cutting moment
-Moment density
-Energy balance
Source: http://www.theses.fr/2010BOR14152/document

Sujets

• Fraisage

Informations

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Extrait

N° d’ordre : 4152






THÈSE

PRÉSENTÉE A

L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1

ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGENIEUR

Par Gaëtan ALBERT

POUR OBTENIR LE GRADE DE

DOCTEUR
SPÉCIALITÉ : MÉCANIQUE ET INGÉNIERIE


IDENTIFICATION ET MODÉLISATION DU TORSEUR DES
ACTIONS DE COUPE EN FRAISAGE

Directeur de recherche : Olivier CAHUC


Soutenue le : 13/12/2010

Devant le jury composé de :

M. B. FURET Professeur, IUT de Nantes Président
M. W. RUBIO Professeur, Université Paul Sabatier, Toulouse III Rapporteur
M. M. ZAPCIU Professeur, Université Politehnica Bucarest Rapporteur
M. A. GERARD Professeur, Université Bordeaux 1 Examinateur
M. O. CAHUC Professeur, Université Bordeaux 1 Examinateur
M. P. DARNIS Maître de Conférences, Université Bordeaux 1 Examinateur
M. J-Y. K'NEVEZ Maîtronférences, Université Bor 1 Invité
M. R. LAHEURTE Maître de Conférences, Université Bordeaux 1 Invité

Université Bordeaux 1
Les Sciences et les Technologies au service de l’Homme et de l’environnement Remerciements





REMERCIEMENTS

ES TRAVAUX de recherche présentés dans ce mémoire ont été effectués au sein d'une
équipe de recherche impliquant deux laboratoires de l'Université de Bordeaux 1 : le L Laboratoire de Génie Mécanique et Matériaux de Bordeaux (LGM²B) et le Laboratoire de
Mécanique Physique (LMP). Je remercie les directeurs de ces laboratoires, Michel Danis et Marc
Deschamps, pour m'avoir accueilli au sein de leurs laboratoires.
Je tiens à remercier M. Benoit Furet, Professeur à l’IUT de Nantes, de l’honneur qu’il me fait en
présidant ce jury de thèse.
Je remercie vivement Monsieur Miron Zapciu, Professeur Université Politehnica Bucarest, ainsi que
Monsieur Walter Rubio, Professeur à l’Université Paul Sabatier, d’avoir accepté d’examiner cette
thèse et de l’intérêt porté à mes travaux. Je remercie tout autant Monsieur Alain Gérard, Professeur
à l’Université Bordeaux 1 pour sa participation à ce jury de thèse.
Je remercie très vivement et chaleureusement l’ensemble des personnes qui ont encadré ce travail de
thèse.
Tout d’abord Monsieur Olivier Cahuc, Professeur à l’Université Bordeaux 1, qui a dirigé et assuré le
suivi de ce travail. J’espère avoir honoré cette première direction de thèse.
Je tiens également à exprimer mes sincères remerciements à Monsieur Philippe Darnis, Maître de
Conférences à l’Université Bordeaux 1, à Monsieur Jean-Yves K’Nevez, Maître de Conférences à
l’Université Bordeaux 1, et à Monsieur Raynald Laheurte, Maître de Conférences à l’Université
Bordeaux 1.
Je les remercie très sincèrement de la confiance qu’ils m’ont accordée depuis le début de mes
recherches. Par leur dynamisme intellectuel, leurs conseils, leurs disponibilités et leurs qualités
autant scientifiques qu’humaines, ils m’ont appris énormément et m’ont permis de mener à bien
cette thèse. J’espère continuer de travailler avec eux dans ce cadre de travail chaleureux.
Merci « chefs ! ».
Un remerciement tout particulier à monsieur Yves Couétard, Professeur agrégé en génie mécanique,
fondateur de la dynamomètrie à six composantes sur le site Bordelais sans qui tout ce travail ne
serait pas possible.

3 Remerciements


Un très grand merci à Jean-Philippe Champreux, collègue de « galère » et futur docteur, ainsi que
Frédéric Pinassou, technicien au département GMP, qui ont plus que participé au développement du
dynamomètre à six composantes à l’origine de ces travaux.
Tant de personne ont également contribué au bon déroulement scientifique et humain de cette thèse
que je ne me lancerais pas dans une énumération qui serait certainement incomplète... Je souhaite
simplement et chaleureusement remercier toutes les personnes (doctorant, secrétaires, personnels,
techniciens, enseignants, enseignants-chercheurs, chercheurs, …) des laboratoires, du département
MAI de l'Université Bordeaux 1 et des départements GMP et SGM de l’IUT de Bordeaux 1, qui, de près
ou de loin, m’ont aidé et soutenu au cours de cette thèse.
Enfin, loin dans la liste mais proche du cœur, je remercie mes amis et ma famille.
J'aimerais enfin remercier tout particulièrement et exprimer toute ma reconnaissance à Jessica pour
avoir supporté mes sautes d’humeur et mes absences durant ces années.





4 Tables des matières





TABLE DES MATIERES

INTRODUCTION GENERALE ____________________________________ 9



CHAPITRE I __________________________________________________ 11
INTRODUCTION A LA MODELISATION DU FRAISAGE
NOMENCLATURE _______________________________________________________________ 15
I.1. INTRODUCTION A LA MISE EN FORME PAR FRAISAGE _______________________ 19
I.1.1. Paramètres de coupe ____________________________________________ 20
I.1.2. Mouvements générateurs de la coupe _______________________________ 21
I.1.3. Angles de coupe ________________________________________________ 21
I.1.4. Configurations d’usinage __________________________________________ 24
I.1.5. Actions de coupe en 3D ___________________________________________ 26
I.2. MODELISATION DE LA COUPE ET DU FRAISAGE ____________________________ 27
I.2.1. Echelles spatiales d'étude _________________________________________ 27
I.2.2. Domaines temporels de modélisation ________________________________ 30
I.2.3. Méthodes de modélisation des efforts 31
I.2.4. Conclusion _____________________________________________________ 52



CHAPITRE II _________________________________________________ 55
MESURE DU TORSEUR DES ACTIONS DE COUPE EN FRAISAGE
NOMENCLATURE _______________________________________________________________ 59
II.1. INTRODUCTION __________________________________________________________ 61
II.2. MESURE D’ACTIONS MECANIQUES ________________________________________ 61
II.2.1. Mesures indirectes _______________________________________________ 61
II.2.2. Mesures directes ________________________________________________ 64
II.2.3. Conclusion _____________________________________________________ 73

5 Tables des matières


II.3. CHOIX ET CARACTERISATION DU CORPS D’EPREUVE RETENU _______________ 74
II.3.1. Mode opératoire _________________________________________________ 74
II.3.2. Caractérisation du capteur _________________________________________ 76
II.3.3. Conclusion _____________________________________________________ 85
II.4. CONCEPTION D’UN DYNAMOMETRE A SIX COMPOSANTES __________________ 85
II.4.1. Agencement des capteurs 85
II.4.2. Architecture et matériau du dynamomètre _____________________________ 86
II.4.3. Etude par éléments finis __________________________________________ 87
II.4.4. Fonctions secondaires ____________________________________________ 88
II.4.5. Conclusion 88
II.5. ETALONNAGE D’UN DYNAMOMETRE A SIX COMPOSANTES _________________ 89
II.5.1. Etalonnage 89
II.5.2. Analyse modale expérimentale _____________________________________ 96
II.6. CONCLUSION ____________________________________________________________ 98



CHAPITRE III _________________________________________________ 99
APPROCHE EXPERIMENTALE DU TORSEUR DES ACTIONS DE
COUPE EN FRAISAGE
NOMENCLATURE ______________________________________________________________ 103
III.1. INTRODUCTION _________________________________________________________ 105
III.2. OBTENTION DES GRANDEURS INTERVENANT DANS LE BILAN ENERGETIQUE 105
III.2.1. Puissance de coupe consommée __________________________________ 105
III.2.2. Torseur cinématique de l’outil par rapport à la pièce ____________________ 107
III.2.3. Torseur des actions mécaniques de l’outil sur la pièce __________________ 117
III.3. ETUDE PRELIMINAIRE ___________________________________________________ 117
III.3.1. Choix des facteurs ______________________________________________ 117
III.3.2. Choix des paramètres observés ___________________________________ 117
III.3.3. Procédure expérimentale _________________________________________ 118
III.3.4. Analyse et résultats ___________________________