Modélisation du comportement dynamique non linéaire d'un système machine - outil - pièce lors d'une opération de fraisage

Behavior modeling nonlinear dynamics of the system Machine - Tool - Part during a milling operation

• Auteur / Autrice : Hédi Yengui
• Direction : Alain Rivière, Chafik Karra, Mohamed Haddar, Gaël Chevallier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 14/01/2011
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris en cotutelle avec École nationale d'ingénieurs de Sfax (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Châtenay-Malabry, Hauts de Seine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'ingénierie des systèmes mécaniques et des matériaux (Paris) - Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Mécaniques et des MAtériaux / LISMMA
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Linares
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mohamed Ichchou, Mohamed Soula

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fraisage (travail des métaux)

Modèles mathématiques

Mots clés libres

Modélisation

Fraisage

Vibrations

Modelling

Milling

Vibration

Résumé

Les travaux de recherche menés dans cette thèse représentent une méthodologie de travail pour contribuer à l’étude du comportement dynamique non linéaire du système M – O – P en fraisage. Cette méthodologie est orientée selon les objectifs principaux relatifs à cette thèse. En effet, la recherche bibliographique réalisée a permis de donner un aperçu sur les travaux existants dans ce cadre et d’identifier les phénomènes vibratoires générés par la dynamique de coupe et les mécanismes d’instabilité mis enjeu. En fait, le processus de coupe génère, selon le cas, deux formes de vibrations : les vibrations forcées et les vibrations auto – entretenues. Dans une première approche, nous avons développé un modèle masse – ressort (à deux degrés de liberté) du système O – P pour étudier et analyser le comportement dynamique de la cellule élémentaire en fraisage. Ce modèle a permis d’examiner l’influence de la profondeur de passe sur la stabilité de la coupe. Cependant, ce modèle semble être insuffisant pour quantifier avec précision les vibrations en fraisage car les sources vibratoires générées par la dynamique de la machine ne peuvent être négligées. Dans une deuxième approche, nous avons modélisé le système globale Machine - Outil - Pièce. En effet, un modèle numérique basé sur la méthode de sous-structuration par éléments finis de l’ensemble M – O – P a été développé. Cette modélisation permet de tenir compte de l’effet de l’inertie des différents éléments tournants de la fraiseuse, de la structure de la machine et de la forme de l’outil. Nous avons ainsi réalisé des simulations du comportement dynamique global de l’opération du fraisage. L’influence de différents paramètres sur l’effort de coupe tels que l’avance, la profondeur de passe, les réponses dynamiques suivant les trois axes a été étudié. Cette étude a permis de conclure que ces paramètres sont fortement affectés par l’usinage. Pour compléter cette étude numérique, une étude expérimentale a été menée afin d’étudier l’influence de différents paramètres de coupe. En effet, la méthodologie expérimentale développée a mis en évidence les paramètres les plus importants qui influent sur le comportement dynamique globale du système M – O – P. Cette étude expérimentale a nécessité le développement d’un plan d’expérience complet pour pouvoir définir les paramètres d’entrées/sorties et organiser les essais à effectuer. L’analyse des résultats a permis de détecter l’influence de l’avance et de la profondeur de passe sur le niveau des vibrations générées. Le bilan de ces résultats a mis le point sur les niveaux extrêmes des variables provoquant le niveau vibratoire le plus élevé. De plus une confrontation entre les résultats expérimentaux et numériques a été effectuée et a montré une bonne concordance.

The research led in this thesis represents a methodology to contribute to the study of nonlinear dynamic behavior of the system M - O - P in milling. This methodology is directed according to the main objectives relative to this thesis. Indeed, the literature allows giving an overview of the existing work in this context and identifies the vibration phenomena generated by the dynamics of cutting mechanisms and the instability of the involved set cut. In fact, the cutting process generates, as applicable, two types of vibration: forced vibration and self – excited vibration. In a first approach, we developed a model mass - spring (with two degrees of freedom) of the system O - P to study and analyze the dynamic behavior of the elementary machining cell in milling. This model was used to examine the influence of the depth of cut on the stability of the cut. However, this model appears to be insufficient to accurately quantify the vibrations in milling because the sources vibration generated by the dynamics of the machine cannot be neglected. In a second approach, we modeled the overall system Machine - Tool - Part; indeed, a numerical model based on the substructure method by finite element of the M - O - P was developed. This modeling takes into account the effect of inertia of the various rotating elements of the milling machine, the machine structure and shape of the tool. We have conducted simulations of the dynamic behavior of the overall operation of milling. The influence of different parameters on the cutting force such as advance, the depth of cut, and the dynamic responses along the three axes was investigated. This study concluded that these parameters are strongly affected by machining. To complement this numerical study, an experimental study was conducted to study the influence of different cutting parameters. Indeed, the experimental methodology developed has highlighted the most important parameters that influence the overall dynamic behavior of the system M - O - P. This experimental study required the development of an experimental complete to define the parameters of Input / Output and arrange to be tested. The analysis of the results allowed detecting the influence of feed and depth of cut on the level of vibration generated. The outcome of these results put the item on the extreme levels of variables causing the vibration level is higher. Over a confrontation between the experimental and numerical results was performed and showed a good agreement.