THÈSE En vue de l'obtention du

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
THÈSE En vue de l'obtention du DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Délivré par l'Institut National Polytechnique de Toulouse Spécialité : Génie Mécanique Présentée et soutenue par SÉBASTIEN SEGUY Ingénieur ENI Le 3 décembre 2008 De l'adaptation à la variation continue de la vitesse de broche afin de contrôler le broutement en fraisage de parois minces : modélisations et études expérimentales JURY M. Gérard COFFIGNAL Professeur des Universités, ENSAM de Paris Président M. Jean-Yves HASCOËT Professeur des Universités, École Centrale de Nantes Rapporteur M. Henri PARIS Professeur des Universités, Université J. Fourier de Grenoble Rapporteur M. Lionel ARNAUD Maître de Conférences, ENI de Tarbes Examinateur M. Gilles DESSEIN Maître de Conférences – HDR, ENI de Tarbes Examinateur M. Moussa KARAMA Professeur des Universités, ENI de Tarbes Examinateur École Doctorale : Mécanique, Énergétique, Génie civil et Procédés Unité de recherche : Laboratoire Génie de Production – École Nationale d'Ingénieurs de Tarbes Directeur de Thèse : M. Moussa KARAMA Encadrants : M. Lionel ARNAUD et M. Gilles DESSEIN

  • karama professeur des universités

  • maître de conférences

  • génie mécanique

  • ensam de paris président

  • professeur des universités

  • broutement en fraisage de parois minces


Source : ethesis.inp-toulouse.fr
Nombre de pages : 196
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THÈSE
En vue de l’obtention du
DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
Délivré par l’Institut National Polytechnique de Toulouse
Spécialité : Génie Mécanique
Présentée et soutenue par SÉBASTIEN SEGUY
Ingénieur ENI
Le 3 décembre 2008
De l’adaptation à la variation continue de la vitesse de broche
afin de contrôler le broutement en fraisage de parois minces :
modélisations et études expérimentales
JURY
M. Gérard COFFIGNAL Professeur des Universités, ENSAM de Paris Président
M. Jean-Yves HASCOËT Professeur des Universités, École Centrale de Nantes Rapporteur
M. Henri PARIS Professeur des Universités, Université J. Fourier de Grenoble Rapporteur
M. Lionel ARNAUD Maître de Conférences, ENI de Tarbes Examinateur
M. Gilles DESSEIN Maître de Conférences – HDR, ENI de Tarbes
M. Moussa KARAMA Professeur des Universités, ENI de Tarbes
École Doctorale : Mécanique, Énergétique, Génie civil et Procédés
Unité de recherche : Laboratoire Génie de Production – École Nationale d’Ingénieurs de Tarbes
Directeur de Thèse : M. Moussa KARAMA
Encadrants : M. Lionel ARNAUD et M. Gilles DESSEINAnnée 2008
THÈSE
présentée
pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
délivré par l’Institut National Polytechnique de Toulouse
École Doctorale MEGeP
Spécialité : Génie Mécanique
par
Sébastien SEGUY
Ingénieur ENI
De l’adaptation à la variation continue de la vitesse de broche
afin de contrôler le broutement en fraisage de parois minces :
modélisations et études expérimentales
Soutenue le 3 décembre 2008 devant le jury composé de :
M. Gérard Coffignal Professeur des Universités, ENSAM de Paris Président
M. Jean-Yves Hascoët Professeur des Universités, École Centrale de Nantes Rapporteur
M. Henri Paris Professeur des Universités, Univ. J. Fourier de Grenoble Rapporteur
M. Lionel Arnaud Maître de Conférences, ENI de Tarbes Examinateur
M. Gilles Dessein Maître de Conférences — HDR, ENI de Tarbes Examinateur
M. Moussa Karama Professeur des Universités, ENI de Tarbes Examinateur
Thèse réalisée au sein de l’équipe CMAO du Laboratoire Génie de Production de l’École Nationale d’Ingénieurs de Tarbes,
47 avenue d’Azereix, BP 1629, 65016 TARBES CEDEXÀ ma femme,
à mes parents,
à mon frère.
La théorie, c’est quand on sait tout et que rien ne fonctionne.
La pratique, c’est quand tout fonctionne et que personne ne sait pourquoi.
Si la pratique et la théorie sont réunies, rien ne fonctionne et on ne sait pas pourquoi.
Albert EinsteinRemerciements
ES TRAVAUX de recherche présentés dans ce mémoire ont été effectués au sein du
Laboratoire Génie de Production de l’École Nationale d’Ingénieurs de Tarbes. ÀL
l’issue de ce travail, je souhaite remercier toutes les personnes qui, de près ou de loin, m’ont
aidé pour la réalisation de cette thèse.
Je tiens à remercier M. Gérard COFFIGNAL, Professeur à l’École Nationale Supérieure d’Arts
et Métiers de Paris, de l’honneur qu’il me fait en présidant ce jury de thèse.
Je remercie vivement M. Jean-Yves HASCOËT, Professeur à l’École Centrale de Nantes et
M. Henri PARIS, Professeur à l’Université Joseph Fourier de Grenoble, d’avoir accepté
d’examiner cette thèse et de l’intérêt porté à mes travaux.
Je tiens à remercier M. Moussa KARAMA, Professeur à l’ENI de Tarbes, d’avoir été mon
directeur de thèse.
Une part importante de la réussite de ces travaux de recherche est liée à l’encadrement
dynamique de MM. Lionel ARNAUD et Gilles DESSEIN, Maîtres de conférences à l’ENI de
Tarbes. Je les remercie très sincèrement de la confiance qu’ils m’ont accordée depuis le
début de mes recherches. Par leurs conseils, leurs disponibilités et leurs qualités autant
scientifiques qu’humaines, ils m’ont permis de mener à bien cette thèse. Qu’ils trouvent ici
l’expression de mon amitié la plus sincère.
Je remercie toutes les personnes avec lesquelles j’ai pu collaborer dans le cadre de ma thèse.
Un grand merci à Francisco Javier CAMPA, Tamás INSPERGER et Grégoire PEIGNÉ, pour
l’aide avisée qu’ils m’ont apportée.
Je souhaite également remercier l’ensemble du personnel du laboratoire et notamment
mon collègue de bureau Toufic WEHBE et Vincent WAGNER pour les bons moments passés
ensemble.
Enfin, je ne pourrais conclure ces remerciements sans citer ma femme et ma famille. Qu’ils
trouvent ici toute ma reconnaissance pour la patience et le soutien dont ils m’ont fait
preuve tout au long de ces années.
vTable des matières
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Chapitre I — Problématique des vibrations d’usinage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
I.1 Vibrations en usinage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
I.1.1 Vibrations forcées. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
I.1.2 Vibrations auto-entretenues. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
I.1.2.1 Phénomènes à la source des vibrations auto-entretenues . . . . . . . . . . 7
I.1.2.2 Régénération de la surface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
I.2 Modélisations des vibrations régénératives9
I.2.1 Modélisations analytiques et semi-analytiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
I.2.2 Analyse des équations différentielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
I.2.2.1 Théorie de Floquet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
I.2.2.2 Application en usinage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
I.2.3 Simulation temporelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
I.2.3.1 Méthodes sans génération explicite de la surface usinée . . . . . . . . . 19
I.2.3.2 Travaux dédiés à la génération de la surface usinée. . . . . . . . . . . . . 21
I.2.4 Travaux dédiés aux pièces à parois minces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
I.2.5 Bilan des différentes approches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
I.3 Méthodes expérimentales de détection de l’instabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
I.3.1 Moyens de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
I.3.2 Critères de détection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
I.3.3 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
I.4 Tentatives de réductions des vibrations régénératives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
I.4.1 Approche mécanistique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
I.4.2 Vitesse de rotation optimale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
I.4.3 Outils de coupe spéciaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
I.4.4 Variation continue de la vitesse de rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
I.4.4.1 Modélisations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
I.4.4.2 Essais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
viiTable des matières
I.4.4.3 Bilan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
I.5 Objectifs et travaux de thèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Chapitre II — Étude globale d’une opération d’usinage sur une pièce réelle . . . . . . . 37
II.1 Démarche d’étude. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
II.1.1 Pièce étudiée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
II.1.2 Parcours d’outil étudiés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
II.1.3 Optimisation mise en œuvre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
II.2 Calculs éléments finis 42
II.2.1 Modèle mis en place . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
II.2.1.1 Modélisation 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
II.2.1.2 Modélisation 2D et prise en compte du parcours de l’outil . . . . . . 43
II.2.2 Résultats des simulations . . . . . . . . . . . 44
II.2.2.1 Fréquences propres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
II.2.2.2 Raideur apparente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
II.2.3 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
II.3 Étude de la stabilité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
II.3.1 Modélisation utilisée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
II.3.2 Résultats pour la paroi latérale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
II.3.3 Adaptation pour l’usinage en bout de la paroi du fond . . . . . . . . . . . . . . . 54
II.3.4 Prise en compte de l’évolution des paramètres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
II.4 Étude expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
II.4.1 Montage expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
II.4.2 Analyse des résultats pour la paroi du fond. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
II.4.2.1 État de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
II.4.2.2 Niveau vibratoire . . . . . . . . . . . . . 62
II.4.3 Analyse des résultats pour la paroi latérale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
II.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Chapitre III — Amélioration de la modélisation au sein d’une passe d’usinage. . . . . . 67
III.1 Limites des approches classiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
III.1.1 Pièce étudiée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
III.1.2 Calculs éléments finis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
III.1.3 Lobes de stabilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
III.1.3.1 Lobes 2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
III.1.3.2 Lobes 3D 72
III.1.4 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
III.2 Modèle numérique proposé : hypothèses considérées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
III.2.1 Modèle dynamique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
III.2.2 Modèle d’effort de coupe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
III.2.2.1 Loi de coupe linéaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
III.2.2.2 Sortie de la coupe . 77
viii

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