Simulation des vibrations d'usinage, analyses de stabilité et d'acceptabilité

Simulation of machining vibrations, stability analyses, and acceptability assessments.

• Auteur / Autrice : Enrique Mireles
• Direction : Philippe Lorong
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur spécialité Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 01/12/2023
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pimm - Laboratoire Procédés et ingénierie en mécanique et matériaux
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)

Mots clés

Mots clés libres

Usinage

Talonnage

Jumeau Virtuel

Comportement dynamique

Critère d'acceptabilité

Critère de stabilité

Machining

Backlash

Virtual Twin

Dynamic behavior

Acceptability criterion

Stability criterion

Résumé

Dans le domaine de la fabrication aéronautique, l'usinage reste un procédé incontournable pour l'obtention de pièces exigeant des qualités dimensionnelles élevées. Ces pièces, très optimisées, comportent souvent des parties fines et souples qui sont difficiles à usiner. Cette souplesse peut conduire, en cours d'usinage, à des vibrations excessives, dommageables pour la surface usinée ainsi que pour les outils. Cette problématique a inspiré cette proposition de thèse qui a pour contexte le risque vibratoire durant les opérations d'usinage des pièces aéronautiques, notamment lors du fraisage des pièces de type voiles minces. Un des cas importants de vibrations en usinage est le broutement régénératif. Celui-ci consiste en des oscillations auto-excitées par interaction des mouvements du système via la surface usinée. L'étude prédictive du risque d'apparition de ces auto-oscillations passe par l'analyse du système linéarisé autour de la trajectoire stationnaire nominale du procédé. Dans cette démarche, les caractéristiques de raideur et d'amortissement provenant de l'interaction outil-matière sont déterminantes. Le problème d'analyse du risque de broutement régénératif en fraisage correspond à l'évaluation de la stabilité de la trajectoire nominale d'un système à retard linéarisé, à paramètres variant dans le temps de manière périodique. Un des effets non-linéaires impactant directement la stabilité d'opérations de fraisage de voiles minces est, dès que des vibrations apparaissent, l'interaction entre la face arrière de l'outil (face en dépouille) et la pièce. Ce phénomène, dénommé talonnage, résulte en un effort supplémentaire d'interaction, souvent exprimé via des termes d'amortissement apparent. Sa prise en compte dans des simulations dynamiques est actuellement faite de manière simplifiée. Une prise en compte plus fidèle permettrait d'affiner l'analyse de stabilité car les termes d'amortissement interviennent au premier ordre dans les critères de stabilité. De plus, elle permet une prédiction améliorée des amplitudes de vibrations. Ceci est d'autant plus important pour les voiles minces pour lesquels le talonnage est un phénomène stabilisant. Le cœur du sujet de thèse s'inscrit à la croisée de trois domaines : celui de l'usinage, celui du comportement dynamique et celui de la simulation numérique. Ces trois domaines seront également complétés par une couche portant sur les sciences des données, dont la teneur peut être ajustée pendant l'étude. Le travail de thèse proposé a vocation à contribuer au progrès des connaissances en apportant plusieurs éléments de réponse sur des sujets n'en possédant pas aujourd'hui : - Enrichir les simulations actuelles par une modélisation approfondie de non-linéarités (qui sont d'ordre 1, comme par exemple, le talonnage) dans le calcul du comportement dynamique tout au long d'une trajectoire - Améliorer la pertinence de l'analyse de la stabilité d'un système usinant en s'appuyant sur des données issues du Jumeau Virtuel enrichi, plutôt qu'à partir de paramètres opératoires nominaux. - Proposer la notion de critère d'acceptabilité, permettant de discriminer plusieurs solutions répondant favorablement au critère de stabilité, pour aider à la décision de l'usineur dans sa recherche d'un optimum. - Analyse précision/coût du modèle de simulation, mettre en place une stratégie permettant d'étendre de manière efficace le périmètre de validité du Jumeau Virtuel en s'appuyant sur des données accessibles industriellement.

In the field of aeronautical manufacturing, machining remains an essential process for obtaining parts with high dimensional qualities. These highly optimized parts often include thin and flexible sections that are challenging to machine. This flexibility can lead, during machining, to excessive vibrations that are harmful to the machined surface as well as to the tools. This issue has inspired this thesis proposal, which focuses on the vibrational risk during machining operations on aeronautical components, especially during milling of thin sail-type parts. One important case of vibrations in machining is regenerative chatter. This involves self-excited oscillations due to the interaction of system movements via the machined surface. The predictive study of the risk of occurrence of these self-oscillations involves analyzing the linearized system around the nominal stationary trajectory of the process. In this approach, the stiffness and damping characteristics from the tool-material interaction are crucial. The problem of analyzing the risk of regenerative chatter in milling corresponds to evaluating the stability of the nominal trajectory of a linearized system with time-varying parameters in a periodic manner. One of the nonlinear effects directly impacting the stability of thin sail milling operations is, as soon as vibrations appear, the interaction between the tool's back face (clearance face) and the workpiece. This phenomenon, called "tool engagement," results in an additional interaction force, often expressed through apparent damping terms. Its consideration in dynamic simulations is currently simplified. A more faithful consideration would refine the stability analysis since damping terms play a significant role in stability criteria. Furthermore, it allows for an improved prediction of vibration amplitudes. This is especially important for thin sails where tool engagement is a stabilizing phenomenon. The core of the thesis topic lies at the intersection of three domains: machining, dynamic behavior, and numerical simulation. These three domains will also be complemented by a layer focusing on data science, the content of which can be adjusted during the study. The proposed thesis work aims to contribute to advancing knowledge by providing several answers on topics currently lacking them: - Enhance current simulations through a thorough modeling of nonlinearities (first-order, such as tool engagement) in calculating dynamic behavior throughout a trajectory. - Improve the relevance of stability analysis of a machining system by relying on data from the enriched Virtual Twin, rather than nominal operating parameters. - Introduce the concept of acceptability criteria to differentiate multiple solutions that meet stability criteria, aiding the machinist in decision-making for optimization. - Based on a precision/cost analysis of the simulation model, establish a strategy to effectively expand the validity scope of the Virtual Twin by leveraging industrially accessible data