Classification des techniques de réduction des vibrations en usinage

Les techniques utilisées pour réduire les vibrations d’usinage peuvent être classifiées en trois catégories : les méthodes passives, les méthodes semi-actives et les méthodes actives. Les méthodes passives impliquent souvent l’adaptation de la structure en changeant les caractéristiques dynamiques pendant la phase de conception (inertie, élasticité ou l’amortissement). Elles ont la particularité d’être difficiles à adapter à une large gamme de changements de perturbations qui peuvent se produire dans les conditions réelles de fonctionnement. D’autre part, des méthodes semi-actives impliquent l’utilisation d’actionneurs et de capteurs afin de régler (moduler) les caractéristiques dynamiques de la structure (raideur, amortissement ou caractéristiques inertiels). Enfin, les méthodes actives sont utilisées afin d’agir directement en introduisant des efforts dynamiques dans la structure, à travers un système mécatronique intégré (actionneur, capteur, et le contrôleur) après analyse de la réponse du système. Pour montrer l’importance de la solution active d’atténuation des vibrations auto-entretenues, en particulier en fraisage, processus de coupe à haute variabilité, nous allons donner quelques exemples de chaque méthode de réduction des vibrations en usinage en précisant les inconvénients à chaque fois. Elles consistent à adapter la structure en modifiant ses caractéristiques dynamiques (masse, raideur, amortissement) durant sa conception. Elles ont la particularité de ne pas s’adapter aux changements d’excitation pouvant être provoqués par les modifications des conditions du fonctionnement de la machine ou même par des perturbations externes.

Absorbeurs dynamiques de vibrations (ADV)

L’inconvénient habituel de la solution d’un absorbeur passif (Figure 11) provient de deux inconvénients. Premièrement, l’antirésonance, phénomène utilisé dans ces absorbeurs, est d’autant plus efficace que l’amortissement des structures est faible ; cela pose un problème de sensibilité par rapport aux variations de paramètres physiques, qui sont censés restés constants. Le second inconvénient consiste dans la grande variabilité des processus d’usinage : les fréquences, les valeurs nominales de l’effort de coupe, etc. changent fortement d’une opération à l’autre. Cela invalide une utilisation de ces méthodes comme solution versatile, les réservant à des cas de figure précis et un seul type d’opération. Lorsqu’on analyse plus attentivement les systèmes de ce type, on peut encore trouver des situations où il est difficile à imaginer un absorbeur dynamique « simple » : par exemple, la présence de 2 pics de résonance de la structure primaire dans la plage de fréquence d’intérêt peut invalider l’utilisation d’un absorbeur à un degré de liberté (une masse sismique). L’utilisation de plusieurs ADVs [2], outre la complexité de leur mise au point, pose encore plus le problème de sensibilité.

Les auteurs de [2], comme Neil Sims [3] d’ailleurs, ont eu recours à la partie réelle de la fonction de transfert Outil/Pièce pour détecter l’instabilité dans le système. On a utilisé, le critère de stabilité établi par Tobias et Fishwick, Tlusty et Polacek donné pour chaque vitesse de rotation de la broche N où il s’agit de maximiser le minimum ou de minimiser le maximum de la partie réelle de la fonction de transfert du système en fonction du signe du facteur directionnel. Pour cela, on a utilisé la méthode numérique minimax proposée par Zuo et Nayfeh [4] appliqué au cas d’étude pour avoir les paramètres des absorbeurs passifs (raideur et amortissement) (Figure 12) puisque leur masse est déjà fixée en raison du critère d’encombrement de la machine-outil. Les résultats des expériences ont montré que plus le nombre de ADVs est élevé plus le mode ciblé est atténué. Les absorbeurs passifs peuvent aussi se présenter sous forme de matériaux dissipatifs amortissants. En effet, l’impact de l’augmentation de l’amortissement d’une structure est d’élargir le domaine de l’usinage stable. La méthode la plus connue pour définir la stabilité du processus d’usinage est l’utilisation d’une approche analytique permettant l’obtention des lobes de stabilité. Ces lobes sont tracés en fonction des paramètres opératoires du système usinant.

Les absorbeurs dynamiques de vibration ont trouvé une application industrielle plus palpable en usinage, sous la forme de porte-outils destinés aux opérations d’ébauche, qui intègrent un tel élément antivibratoire (Figure 14). Développés à partir des années 70-80 (Sandvik, Iscar, SECOTOOLS / EPB), ces outils placent convenablement une antirésonance à l’aide d’une masse sismique fortement amortie, utilisant une dissipation visqueuse (liquides) ou par l’utilisation de certains polymères. On est ici dans le cas où on ne cherche pas une forte rejection du pic de résonance initial (ce qui ferait en général apparaitre deux autres résonances voisines), mais un aplatissement de la réponse fréquentielle, de manière à repousser les limites de stabilité (Figure 13). Le placement et la conception de ces ADVs font objet d’améliorations et optimisations successives (citations, brevets). Ce type de porte outil a démontré une amélioration de l’état de surface pour des opérations d’ébauche, constituant aujourd’hui des gammes de produits chez les plus importants fabricants de porte-outils. Il y a effectivement une nette différence entre le porte outil conventionnel et le porte outil Steadyline qui se manifeste au niveau de la limite de stabilité de l’usinage. En effet, le porte outil Steadyline a fait remonter les lobes de stabilité obtenus dans le cas d’un porte outil conventionnel d’au moins 2 fois. En revanche, ce type de porte outil n’apporte pas d’amélioration dans le cas où c’est la pièce ou bien la machine qui vibre. En plus, il n’existe pas de porte outil destiné pour les opérations de finition à cause du problème d’encombrement.