Conception et modélisation d'une électrobroche grande vitesse : résolution de problèmes couplés

Design and modelisation of a high speed electrospindle : coupled problem' solving

• Auteur / Autrice : Jean-François Antoine
• Direction : Alain Molinari, Gabriel Abba
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Metz
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPMM - Laboratoire de Physique et Mécanique des Matériaux - FRE 3236 - Laboratoire de Génie Informatique, de Production et de Maintenance (Metz)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rotors -- Vibrations

Usinage à très grande vitesse

Mots clés libres

Electrobroche

Usinage à grande vitesse

Roulements à billes

Résumé

Ce travail concerne la conception et la modélisation d'une électrobroche à grande vitesse. L'étude de la dynamique du moteur est menée afin de décrire au mieux le comportement vibratoire associé au choix d'une géométrie et de matériaux, en s'affranchissant de la tutelle du calcul par éléments-finis. Le comportement vibratoire d'un élément de rotor est modélisé. Cette approche permet de prédire la dynamique d'un rotor à plusieurs éléments assemblés en série afin d'augmenter la puissance de la broche. L'étude dynamique montre l'importance du choix du matériau constituant le noyau magnétique dans le comportement vibratoire du rotor. Nous avons modélisé les contraintes mécaniques maximales auxquelles est soumis le noyau et discuté le choix éclairé du matériau magnétique. Nous nous sommes également intéressés aux paliers de l'électrobroche, dont la matrice de rigidité détermine de manière importante le modèle dynamique. La détermination de la matrice de rigidité des roulements nécessite de développer des modèles explicites. Ces modèles tiennent compte, d'une part, des angles de contact dans un roulement à billes et, d'autre part, des lois de comportement des contacts, en exploitant la théorie de Hertz. Le couple de frottement du roulement est également modélisé puis prédéterminé. Enfin la modélisation thermique du moteur est réalisée afin de lier les pertes internes à la répartition de la température et de connaître la température maximale en fonction des conditions d'utilisation. Le domaine de fonctionnement de l'électrobroche est alors déterminé en fonction de la durée de vie des roulements, de la température maximale admissible et de la première fréquence. . .

This work deals with the design and modelling of a high speed electrospindle. This study of the motor's dynamics is led so as to better describe the vibratory behavior associated to a given combination of geometry and materials, without being constrained by the finite-elements method. The vibratory behaviour of a single rotor element is modelled. Such an approach allows us to further predict the dynamics of a rotor for which several elements are linked to increase spindle power. The dynamics study has shown the importance of the choice of the material making the magnetic core in the rotor's vibratory behavior. We have modelled the maximal mechanical stresses to which the magnetic core is submitted, we have discussed the appropriate choice of the magnetic material. We have studied on the electrospindle bearings whose stiffness matrix largely determines the dynamic model. The calculation of the ball bearing's stiffness matrix requires the development of explicit models including five degrees of freedom. These models take into account on the one hand, the contact angles in a ball bearing and, on the other hand, the force-displacement relationships, using the theory of Hertzian contact. The friction torque is also modelled and predetermined. Finally, the thermal modelling of the motor has been realized in order to connect the internal losses to the temperatures distribution and to know the maximal temperature depending on the conditions of use. The functioning area has been determined in terms of bearings' lives, the highest temperature that the motor can bear and the first vibration frequency.