Un porte-à-faux très prononcé en association avec les propriétés de la pièce et divers autres facteurs peut aboutir à la naissance de vibrations excessives de l’outil qui, à leur tour, sont à l’origine d’un broutage néfaste. Le recours à des éléments passifs intégrés dans une barre porte-outil peut optimiser le comportement de cet outil.

Les travaux d’usinages internes de précision sont effectués aujourd’hui presqu’exclusivement avec des outils dotés de plaquettes en carbure ou revêtues de diamant polycristallin, sinon à bec rapporté en diamant. Les porte-outils existent en une variété de formes et de conceptions ayant une large influence à la fois sur la qualité de surface, la précision dimensionnelle des pièces usinées et la tenue des outils. Une telle situation s’avère critique dès lors que l’on usine des alésages profonds du fait qu’il est alors nécessaire d’utiliser un outil présentant un porte-à-faux d’un rapport longueur sur diamètre important.


Origine des vibrations
Les progrès des fabrications mécaniques se sont accompagnés régulièrement d’exigences de la qualité des pièces produites. Par ailleurs, les caractéristiques dépendant d’une qualité élevée telles que la forme, les tolérances dimensionnelles et la qualité de surface, ainsi que l’efficacité et la maîtrise du processus de fabrication sont des facteurs qui y sont directement associés. Du coup, des travaux de développement très importants ont conduit à faire progresser les possibilités offertes par les outils et leurs arêtes coupantes. Considérées comme un tout, la machine-outil et la pièce forment un système structurel présentant des caractéristiques dynamiques complexes. Sous certaines conditions, des vibrations de ce système structurel peuvent survenir et, comme avec tous les types de machines, ces vibrations peuvent se répartir en trois types de base essentiels expliqués ci-après.


Vibrations éphémères ou imprévisibles
Il s’agit de vibrations provenant d’impulsions transmises à la structure via ses fondations provenant de rapides renversement de sens de masses allant et venant comme les tables ou de l’attaque de l’outil de coupe dans la pièce. La structure se trouve infléchie et oscille à sa fréquence propre de vibration jusqu’à son amortissement naturel.


Vibrations forcées
Ces vibrations proviennent d’efforts périodiques internes au système dus à des masses non équilibrées en rotation ou de l’engagement dans la pièce d’outils multidents comme les fraises ou, encore, de chocs transmis via les fondations depuis des machines environnantes. La machine-outil oscillera alors à la fréquence forcée qu’elle reçoit et, si cette fréquence correspond à l’une de celles naturelles de sa propre structure, les vibrations se feront à cette fréquence.


Vibrations auto-excitées
De telles vibrations proviennent généralement d’une instabilité dynamique du processus de coupe. On décrit ce phénomène comme un broutage dû à la machine, notamment lorsque l’on tente de procéder à l’attaque de gros usinages qui fait naître des oscillations soudaines de sa structure, ce qui évidement limite le taux d’enlèvement de métal. La structure, dans ce cas, oscille à nouveau à l’une de ses fréquences naturelles de vibration.



Fig. 1 - Usinage de l’alésage de quatre portées à l’intérieur d’une pièce complexe de 370 mm de longueur au moyen d’une barre d’alésage à amortisseur de vibrations intégré ayant un grand porteà- faux.
La figure 2 (à droite) indique la répartition des portées et la norme les concernant. Le rapport longueur sur diamètre de la barre est de 6/1. La plaquette à bec de 0,4 mm attaque à 90°, la vitesse de coupe étant 140 m/mn et l’avance 0,1 mm/t sur une profondeur de passe de 0,25 mm.


Nécessité de limiter les risques de vibrations
Il est important de limiter les vibrations de la structure de la machine-outil car leur présence a pour effet d’aboutir à de médiocres états de surface, à l’endommagement de l’arête de coupe et à des résonances sonores insupportables. Les causes et la maîtrise des vibrations aléatoires et forcées sont généralement bien comprises et les sources de ces vibrations peuvent être éliminées ou évitées en cours de fonctionnement de la machine. Le broutage est moins facile à maîtriser et les taux d’enlèvement de matière sont fréquemment limités du fait que l’opérateur est contraint d’arrêter la machine pour améliorer les paramètres d’usinage qui, fréquemment, impliquent une réduction de la profondeur de coupe et de l’avance. Pour cette raison, cette étude traite du broutage et de la manière dont on peut en limiter l’apparition en faisant appel à des barres porte-outils assurant l’amortissement par la présence d’un système incorporé dont un exemple est donné figure 5.



Fig. 3 - Si on les considère comme un tout, la machine-outil, son outil de coupe et la pièce forment un système structurel possédant des caractéristiques dynamiques complexes.


Le broutage et son amortissement
La principale cause du broutage est l’interaction dynamique entre le processus de coupe et la structure de la machine-outil. Pendant la coupe un effort qui agit à un certain angle contre la surface est généré entre l’outil et la pièce. L’importance de cet effort de coupe dépend largement de l’engagement outil-pièce et de la profondeur de coupe. Cet effort contraint élastiquement la structure et peut provoquer un déplacement relatif de l’outil et de la pièce qui altère l’engagement outil-pièce. Une perturbation dans le processus de coupe, par exemple la présence d’un point dur dans la matière de la pièce ne manquera pas de provoquer une flexion de la structure susceptible d’altérer l’épaisseur du copeau non encore déformé, modifiant à son tour l’effort de coupe. Il se produit alors un risque d’auto-vibration instable et de formation d’arête rapportée avec une oscillation de la machineoutil à l’une de ses fréquences naturelles.

Pour atteindre les possibilités accrues des arêtes de coupe modernes, on doit disposer de matières d’outil convenables, de machinesoutils puissantes et stables, de porte-outils et d’outils de coupe appropriés. La précision de forme des pièces produites dépend du comportement cinématique des machines-outils et de la rigidité dynamique et thermique du système de ces machines. La qualité de surface pouvant être atteinte est fonction de la géométrie de l’arête de coupe, des paramètres d’usinage et du comportement dynamique du système machine-outil de coupe-pièce. La capacité d’enlèvement de matière qui peut être atteinte sans vibrations de broutage est clairement définie par le comportement dynamique de la machine-outil. Pour l’usinage des formes complexes des moules et des matrices, on fait fréquemment appel à des outils avec longs porte-à-faux. De même, l’usinage des éléments monolithiques d’avions et d’automobiles nécessite l’emploi d’outils présentant un grand rapport longueur/diamètre. C’est le cas également pour les usinages d’alésages et de l’intérieur des pièces cylindriques où l’on a besoin de longues barres d’alésage. Or, avec l’augmentation du porte-à-faux l’outil peut devenir le lien faible du système machine-outil-pièce. Qui plus est, les caractéristiques de faibles rigidité et amortissement statiques des matériaux métalliques sont aussi la cause d’une contrainte dynamique élevée susceptible de conduire à une instabilité du processus d’enlèvement de copeaux et la naissance de vibrations de broutage.


Résultats d’usinage décevants
Les mauvais résultats d’usinage proviennent généralement de vibrations conduisant au broutage avec endommagement de l’outil et qualité de pièce insuffisante. Pour atteindre une stabilité suffisante du processus, on doit réduire le taux d’enlèvement de métal ou modifier la géométrie de l’outil. L’évolution des matières de pièces utilisées et l’optimisation de la géométrie des formes aboutissent à un besoin de stabilité dynamique des barres d’alésage. Le recours à des éléments d’amortissement dynamique passifs intégrés permet d’en optimiser le comportement dynamique. Généralement, l’usinage jusqu’à quatre fois le diamètre de la barre d’alésage ne soulève aucune difficulté du point de vue vibration pour autant que les plaquettes et les paramètres de coupe soient corrects. Avec un porte-à-faux dépassant quatre fois le diamètre de barre, des risques de vibrations peuvent avoir tendance à apparaître et des outils amortis peuvent commencer à être envisagés comme une bonne solution. Avec une barre d’alésage à amortissement pré-accordé, usiner des alésages d’une profondeur jusqu’à quatorze fois le diamètre devient parfaitement possible comme indiqué sur les exemples du tableau 1. On précisera qu’il existe trois différents types de barres à amortisseur selon le longueur de leur porte-à-faux, celles standard incorporant un système court d’amortissement pour usiner des longueurs jusqu’à sept fois le diamètre, des barres longues pour usiner jusqu’à dix fois leur diamètre et des barres renforcées en carbure pour usiner des longueurs jusqu’à quatorze fois leur diamètre.

Tableau 1 - Comparaison de l’effet de barres amorties et standard


Barres d’alésage en carbure
Ce type de barre est en carbure de tungstène ou en un alliage usinable de carbure de tungstène. Il faut préciser d’emblée que c’est une solution très coûteuse. En cas de collision d’outil, une barre monobloc en carbure cassera soudainement en un ou plusieurs morceaux et souvent avec des fragments fusant comme des projectiles en dehors de la machine-outil. Les barres renforcées au carbure présentent certains avantages par rapport à celles en carbure monobloc. Elles sont constituées d’un assemblage d’anneaux ou de chemises maintenus entre eux (elles) par une tension compressive exercée par une barre en acier passant par par leurs centres. En cas de collision, il se produira une tension des éléments en acier dépassant leur limite élastique et les faisant se plier. Dans le pire des cas, une ou deux des chemises en carbure seront aussi endommagées mais il sera facile de les remplacer pour un coût raisonnable et la barre pourra être réparée pour un montant total nettement inférieur au coût d’un remplacement.

Il existe aussi une solution modulaire avec des barres à têtes de coupe interchangeables (fig. 4). Ces têtes crantées se montent sur une assise crantée correspondante des barres et sont maintenues en position au moyen d’un plot central et de trois vis, ce qui constitue un accouplement robuste et facile à monter et autorisant des changements de têtes rapides. Il est prévu quatre trous taraudés pour les vis à l’extrémité des barres mais seulement trois dans les têtes de coupe. Ceci offre l’avantage de pouvoir monter les têtes en orientation à gauche comme à droite sur la même barre d’alésage. Les têtes sont conçues pour pouvoir recevoir des plaquettes de coupe fixées par vis centrale ou par coin de serrage. Tout l’ensemble existe avec alimentation interne de liquide d’arrosage. En plus, les têtes sont courtes et légères, ce qui contribue à réduire les risques de vibrations.

Fig. 4 - Exemple de système modulaire de barres prévoyant l’utilisation de diverses têtes de coupe et d’une variété de barres d’alésage, y compris des barres à amortisseur de vibrations intégré.


Franchir la limite des outils du marché
La stabilité est critique pour toute opération d’usinage. On peut souvent éviter les vibrations en choisissant la bonne plaquette, le meilleur porte-outil et les paramètres de coupe corrects. A cet égard, les fournisseurs de barres d’alésage sont pratiquement toujours en mesure, le cas échéant, d’apporter de judicieux conseils aux utilisateurs. On retiendra que les barres d’alésage monobloc sont généralement en mesure de donner des résultats satisfaisants, sans vibrations, en les utilisant dans des profondeurs jusqu’à quatre fois leur diamètre. Mais pour des applications plus contraignantes, telles que du filetage interne et de l’usinage de gorges, des vibrations peuvent naître avec des porte-à-faux entre deux et trois fois le diamètre des barres. Les barres les plus étudiées étendent leur capacité jusqu’à quinze fois leur propre diamètre.

Une vibration est une flexion variable, ce qui veut dire que sans flexion il n’y a pas de vibration. Les vibrations naissant dans un outil de coupe sont engendrées et entretenues par un effort dynamique développé par la coupe. Même lors d’un usinage sans solution de continuité, cet effort subira des changements mineurs rapides à la fois en grandeur et en direction autour d’une certaine moyenne. Les clés pour éliminer ces vibrations sont l’augmentation de la rigidité statique, la diminution des efforts de coupe et l’accroissement de la rigidité dynamique. Pour augmenter la rigidité statique, on choisit le plus gros diamètre possible d’une barre d’alésage la plus courte possible. Des barres spéciales peuvent aussi être optimisées, par exemple en leur donnant une forme conique ou elliptique afin d’utiliser tout l’espace disponible dans la pièce. Les barres peuvent, aussi, être renforcées avec des matériaux plus rigides que l’acier. On doit savoir qu’une barre d’un diamètre augmenté de quatre à dix fois fléchit seize fois plus sous un effort inchangé. Ce grossissement étendu de dix à douze fois fait qu’elle fléchit de soixante-dix pour cent de plus sous le même effort de coupe. En conservant la longueur de barre et en chageant son diamètre de 25 à 32 mm, sa flexion se réduit de soixante-deux pour cent sous le même effort de coupe.

Il est important d’usiner avec des arêtes de coupe très positives pour minimiser les efforts de coupe nécessaires à une opération. Un angle d’attaque voisin de 90° dirige l’effort d’avance principalement dans le sens axial de la barre, sauf si le rayon de bec est inférieur à la profondeur radiale de coupe. S’il ne survient pas de vibrations dans le sens radial, la barre assurera un bon fini de surface, même avec de faibles vibrations dans le sens tangentiel. L’angle de bec de la plaquette le plus faible acceptable assure un bon dégagement de sa face de sortie et des variations mineures de la section de copeau si l’outil commence à vibrer dans le sens radial. Une masse réduite de la tête de coupe minimise l’énergie cinétique en cas de possibilité de vibrations. Il sera alors plus facile de les amortir, donc de travailler avec un porte-à-faux maximal, qu’il s’agisse de barres monobloc ou amorties.

Pour certains travaux d’usinage les indications précédentes ne sont pas suffisantes pour réduire les tendances à vibrations. Nombreux sont les cas considérés comme impossibles à résoudre sans faire appel à des barres amorties. En plus d’une productivité accrue, d’un meilleur état de surface, d’une prolongation de la tenue d’outil, d’exigence de tolérances plus serrées, les plus fortes contraintes environnementales dans les ateliers conduisent à travailler avec des outils amortis. Les vibrations en usinage produisent aussi un bruit qui exige le recours aux barres à amortissement intégré. Alors que jadis ces barres étaient considérées comme du luxe, ce n’est plus le cas maintenant. Quelles que soient les fabrications, on a besoin que les opérations se déroulent de la manière la plus efficace possible. Pour les séries, des barres pré-amorties corrigent la fréquence par rapport à la longueur de l’outil mais exigent que la machine-outil soit elle-même réglée en conséquence.


Solutions courantes d’amortissement
Diverses techniques servent à améliorer la rigidité dynamique et la stabilité pour réduire le broutage le long des outils de coupe et, de la sorte, permettre d’accroître le porte-à-faux admissible. Les quatre les plus répandues et les plus universelles sont 1) l’utilisation de barres anisotropiques comportant des orientations spécifiquement établies des axes de rigidité, 2) le recours à des matériaux à module de Young et/ou amortissement élevé, 3) l’utilisation d’absorbeurs passifs de vibrations dynamiques et 4) l’utilisation de moyens actifs de contrôle des vibrations. La solution 1 est basée sur une théorie expliquant le développement des vibrations de broutage pendant la coupe par un acouplement intermodal dans un système à deux degrés de liberté se référant à un plan orthogonal à l’axe de la barre et passant par la zone de coupe. Selon cette théorie, il existe une orientation spécifique des axes de rigidité relativement aux efforts de coupe résultant en une augmentation significative de la stabilité dynamique. Avec la solution 2, les matériaux à haut module de Young les plus utilisés sont le carbure de tunstène fritté et un alliage de tungstène usinable contenant de deux à quatre pour cent de cuivre et cobalt. Tous deux sont coûteux mais les barres faites avec eux assurent une coupe stable avec un rapport longueur sur diamètre de 7. La solution la plus courante 3 pour accroître la stabilité dynamique de longues barres est l’usage d’absorbeurs passifs de vibrations dynamiques dont l’efficacité pour une masse donnée dépend de l’amplitude de ces vibrations à leur point d’attachement. Ainsi, les absorbeurs sont-ils généralement installés à une position la plus proche possible le long de la barre, dans sa structure. Autre facteur déterminant leur efficacité, la valeur de leur masse d’inertie. Le fait de devoir les inclure dans la structure de la barre en limite la position et la taille de la masse d’inertie qui a été positionnée dans une cavité interne dont le diamètre doit être bien plus petit que celui de la barre. Pour une efficacité maximale de l’absorbeur, les masses d’inertie doivent être en des matériaux de haute densité spécifique.


Système d’amortissement de barre pré-réglé
Ce système (fig. 5) comprend une robuste chambre d’amortissement A suspendue dans deux bagues amortisseurs élastiques B, une de chaque côté de la chambre qui est remplie d’un liquide huileux spécial C. S’il survient une tendance à oscillation harmonique, autrement dit à vibration, durant le processus d’usinage, le système d’amortissement entre immédiatement en jeu et l’énergie cinétique de la barre se trouve absorbée. Ainsi, la vibration est limitée et les conditions de coupe sont optimisées. Il est possible alors d’usiner des pièces exigeant des porte-à-faux de la barre de dix fois son diamètre. Qui plus est, avec des barres spéciales renforcées de carbure, on peut atteindre avec succès des porte-à-faux allant jusqu’à quatorze fois leur diamètre.
Fig. 5 - Les composants essentiels de cette barre d’alésage à amortisseur intégré sont: A une chambre déplaçable très robuste, B des bagues amortisseurs et C un liquide visqueux constitué d’une huile spéciale.


Amortisseurs actifs de vibrations
Ce type d’amortisseur est particulièrement efficace mais il exige le recours à des détecteurs et à des asservissements générant des forces opposées aux efforts de flexion de l’outil durant l’opération d’usinage où se développent des vibrations. Les systèmes utilisés le plus souvent comportent des cavités au sein de la barre remplies d’huile sous pression. La pression dans les cavités varie en fonction des informations du système de commande grâce à des clapets d’admission pour générer une déformation dynamique annulant les vibrations se traduisant par du broutage. La conception des amortisseurs actifs n’offre pas une grande fiabilité dans une ambiance d’atelier et nécessite souvent des réglages. Le rapport longueur/diamètre d’une barre avec amortisseur actif se tient entre dix et douze.

Fig. 6 - Exemple d’une barre d’alésage à amortissement intégré dont le rapport longueur/diamètre important a exigé d’être spécialement conçue pour apporter une solution satisfaisante à des applications exigeantes comme finir avec précision des alésages impliquant du contournage.


Quelques résultats de tests comparatifs
La productivité étant relativement faible en tournage lorsque l’on utilise des barres équipées d’une tête de coupe monopointe du fait qu’elles sont susceptibles d’autogénération de vibrations, un laboratoire de réputation mondiale a pratiqué des essais comparatifs entre l’usage de barres classiques en acier et d’autres en alliage de tungstène. L’instabilité des barres d’usinage, ce n’est pas un secret, est l’effet de l’usinage. La seule composantes des efforts de coupe n’exigeant pas une action opposée est l’effort axial qui est dirigé le long de l’axe de rotation tout au long de la barre en cours d’usinage. L’effort radial fait se cintrer alternativement la barre vers et en dehors de la zone de coupe, affectant par là le diamètre de l’alésage. L’effort tangentiel cintre l’outil vers le bas et hors de l’axe le long duquel l’outil a été conçu pour usiner. Un piètre fini de surface est le premier signe que l’effort de coupe n’est pas suffisamment amorti.

Cinq barres d’alésage différentes ont été testées, toutes d’un diamètre de 25 mm. Le rapport longueur/diamètre allait de trois à quatorze. Toutes les barres étaient amorties, rigides et compactes, avec une canalisation centrale de liquide d’arrosage. Ces barres se sont avérées les meilleures pour l’anti-vibrations du fait de sa masse minimale en bout et de la faible distance du bec de la plaquette à amortir. Le système d’amortissement est basé sur le recours à des absorbeurs dynamiques passifs. Afin de réduire au mieux l’effet de l’usure d’outil sur la rugosité de surface et la stabilité de l’opération, les plaquettes ne travaillaient que 3 mn avant d’être testées. Chaque plaquette ne servait qu’un maximum de temps de 6 mn. La profondeur de passe était modifiée selon la flexion de la barre d’alésage. Deux tests A et B on été effectués.

Le test A a servi à une étude comparative de la rugosité de surface pour les différents types de barres à des rapports longueur/diamètre différents. L’essai a eu lieu comme une opération de finition avec une même sorte de plaquette et les paramètres de coupe correspondants. Pour l’essai B, on a comparé le taux d’enlèvement de métal, donc la productivité, de différents types de barres d’alésage à des rapports longueur/diamètre différents. Les tests ont eu lieu à profondeur de coupe et avance constantes. La contrainte de rugosité de surface était de 3,6 µm Ra.

Les résultats ressortent des diagrammes des figures 7 et 8. Les barres classiques ont pu servir jusqu’à un rapport longueur/diamètre de 4 pour les paramètres de coupe retenus. Les barres amorties ont pu être utilisées jusqu’à un rapport de 13 mais chaque barre amortie était limitée à un rapport longueur/diamètre particulier. De son côté, le taux d’enlèvement de métal, a pu être maintenu jusqu’à un rapport longueur/diamètre de 12.

Fig. 7 (A gauche) - Etats de surface relevés avec des barres d’alésagedifférentes de 25 mm de diamètre ayant des rapports longeur/diamètre variés. La vitesse de coupe était de 260 m/mn (1800 t/mn), l’avance de 0,1 mm/t, la profondeur de passe de 0,4 mm et la plaquette une DCMT 11 T3 04-UF 4025.
Fig. 8 (A droite) - Productivité obtenue avec différentes barres d’alésage de 25 mm de diamètre à des rapports longueur/ diamètre variés. La vitesse de coupe était de 180 m/mn (1250 t/mn), le rapport profondeur de coupe/avance de 4 et la plaquette une DCMT 11 T3 04-UF 4025.


Pour conclure
Les composants les moins rigides des systèmes d’usinage sont les longs outils et les unités structurelles des machines en porteà-faux. Ils limitent les régimes d’usinage car source de vibrations, la tenue d’outil suite à une usure excessive des plaquettes et la précision géométrique du fait de fortes flexions sous les efforts de coupe. L’utilisation de matériaux à module de Young élevé comme les carbures n’ont qu’un effet limité et peuvent être très coûteux. L’utilisation d’absorbeurs passifs de vibrations associe une stabilité dynamique élevée et des caractéristiques d’efficacité et de coût intéressantes. La performance et l’interaction de ces outils ont été validés par des essais poussés. Une performance stable a été démontrée avec des rapports longueur/diamètre jusqu’à 13, ainsi que les avantages des barres d’alésage à absorbeurs passifs de vibrations relativement aux conditions de surface et à la productivité. On se rend compte, ainsi, que les usineurs disposent de bien des cordes à leurs arcs pour s’affranchir des ennuis nés des vibrations.
 

Cet étude a été réalisée à partir de divers documents originaux du carburier SANDVIK COROMANT, incluant des illustrations et des diagrammes de même origine.