Maîtriser la stabilité de l'usinage :un guide sur les tests de taraudage et la prévention du broutage

Lors des tests de taraudage, un marteau instrumenté est utilisé pour exciter une structure et mesurer la réponse vibratoire à l'aide d'un transducteur, tel qu'un accéléromètre. Le but de ce test est d'identifier la fonction de réponse en fréquence (FRF) pour la structure mécanique sélectionnée. Compte tenu du FRF, nous pouvons calculer une carte de stabilité, qui sépare les combinaisons de vitesse de broche et de profondeur axiale qui produisent du broutage (c'est-à-dire au-dessus de la limite bleue) de celles qui n'en produisent pas (en dessous de la limite). Cela permet la sélection de paramètres d'usinage stables sans essais ni erreurs ; voir la figure 1.

Fig. 1 :Carte de stabilité au fraisage. Source (tous les chiffres) :Tony Schmitz

Le matériel de base requis pour mesurer les FRF est :

Contenu en vedette

• un mécanisme permettant d'appliquer une force connue sur la plage de fréquences (ou la bande passante) souhaitée
• un transducteur pour la mesure des vibrations, là encore avec la bande passante requise
• un analyseur de signal dynamique pour enregistrer les entrées de force et de vibration dans le domaine temporel et les convertir en FRF souhaité.

Un analyseur de signaux dynamiques comprend des canaux d'entrée pour les signaux de force et de vibration dans le domaine temporel et calcule la transformée de Fourier de ces signaux pour les convertir dans le domaine fréquentiel. Il calcule ensuite le rapport entre le signal de vibration dans le domaine fréquentiel et le signal de force dans le domaine fréquentiel ; ce rapport est le FRF. Un schéma de la configuration est fourni sur la figure 2. Il inclut la force et la vibration dans le domaine temporel, qui peuvent prendre la forme d'un déplacement, x , vitesse, ẋ , ou accélération, ẍ , entrées et amplificateurs pour chacun. Les amplificateurs sont utilisés pour augmenter les amplitudes des signaux. La force et la vibration sont des signaux analogiques continus dans le temps. Cependant, l'enregistrement de ces signaux avec l'analyseur nécessite de les échantillonner à de petits intervalles de temps, ou de les numériser. Ce processus est complété à l'aide d'un convertisseur analogique-numérique (ADC). Ces signaux numériques sont ensuite utilisés dans le calcul FRF par l'analyseur de signaux dynamiques. En fonction du type d'entrée de vibration, le FRF peut être exprimé comme :

• réception ou conformité – rapport entre le déplacement et la force
• mobilité – le rapport entre la vitesse et la force
• Accélération ou inertie :rapport entre l'accélération et la force.

Fig. 2 :Schéma de la configuration de la mesure FRF.

Il existe trois types courants d’excitation de force. Ceux-ci incluent :

• onde sinusoïdale à fréquence fixe – Le FRF est déterminé une fréquence à la fois. À chaque fréquence dans la bande passante souhaitée, la force sinusoïdale est appliquée, la réponse à la force d'entrée est moyennée sur un court intervalle de temps et le FRF est calculé. C'est ce qu'on appelle un test de balayage sinusoïdal.
• signal aléatoire – Le contenu fréquentiel du signal aléatoire peut être à large bande (bruit blanc) ou tronqué à une plage limitée (bruit rose). Une moyenne sur une période de temps fixe est à nouveau appliquée, mais toutes les fréquences situées dans la bande passante sélectionnée sont excitées en un seul test.
• impulsion – Un impact de courte durée est utilisé pour exciter la structure et la réponse correspondante est mesurée. Cette approche permet d’exciter une large gamme de fréquences en un seul et court test. Plusieurs tests sont généralement moyennés dans le domaine fréquentiel pour améliorer la cohérence ou la corrélation entre les signaux de force et de vibration.

Pour générer ces différentes forces, deux types courants de matériel d'entrée de force sont appliqués :

• shaker – Ces systèmes comprennent une armature à entraînement harmonique et une base. L'armature peut être actionnée le long de son axe par une bobine magnétique ou une force hydraulique. Les configurations de bobine magnétique, ou électrodynamiques, peuvent fournir des fréquences d'excitation de plusieurs dizaines de kHz avec des niveaux de force allant de dizaines à des milliers de Newtons (une force accrue signifie généralement une plage de fréquences inférieure). Les agitateurs hydrauliques offrent une force élevée avec un potentiel de précharge statique (c'est-à-dire que la force moyenne n'est pas nulle), mais des plages de fréquences relativement inférieures. Dans les deux cas, la force est souvent appliquée à la structure d'intérêt par l'intermédiaire d'un dard ou d'une tige mince qui supporte la tension et la compression axiales, mais pas la flexion ou le cisaillement. Cela garantit que la force est appliquée dans une seule direction. Une cellule de pesée est intégrée à la configuration pour mesurer la force d'entrée ; voir la figure 3.
• marteau à percussion – Un marteau à percussion intègre un transducteur de force situé au niveau d'une pointe en métal, en plastique ou en caoutchouc pour mesurer la force appliquée lors d'un coup de marteau. Lorsqu'un marteau est utilisé conjointement avec un transducteur de vibrations, la procédure de mesure est appelée test de taraudage. L’apport d’énergie à la structure est fonction de la masse du marteau ; une masse plus grande fournit plus d’énergie. De nombreuses tailles sont donc disponibles. De plus, la bande passante d’excitation de la force d’entrée dépend de la masse et de la rigidité de la pointe. Les pointes plus rigides ont tendance à exciter une plage de fréquences plus large, mais répartissent également l'énergie d'entrée sur cette plage plus large. Les pointes plus douces concentrent l'énergie sur une plage de fréquences inférieure. Les pointes en plastique dur et en métal offrent une plus grande rigidité, tandis que les pointes en caoutchouc offrent une rigidité réduite.

Fig. 3 :Configuration du shaker.

Les transducteurs de vibrations sont disponibles en types sans contact et avec contact. Alors que les transducteurs sans contact, tels que les sondes capacitives et les vibromètres laser, sont préférés car ils n'affectent pas la dynamique de la structure, les types avec contact, tels que les accéléromètres, sont souvent plus pratiques à mettre en œuvre. En guise de compromis, des accéléromètres de faible masse peuvent être utilisés pour minimiser l'influence sur la structure de test. Ils sont fixés à l'endroit d'intérêt à l'aide de cire, d'adhésif, d'un aimant ou d'un goujon fileté, puis retirés une fois le test terminé.

Fig. 4 :Éléments clés du test de tapotement.

La figure 4 identifie les éléments clés du test de tapotement. La photographie en bas à gauche montre un marteau utilisé pour taper sur la pointe d'un outil et un accéléromètre (fixé avec de la cire à la pointe de l'outil) utilisé pour mesurer la réponse vibratoire. La rangée supérieure affiche les réponses temporelles pour la force et la vibration. Nous voyons que le robinet produit une entrée de force de courte durée. En raison de cette force, l'outil vibre avec une amplitude décroissante (en raison de l'amortissement). La rangée du milieu montre la conversion de ces signaux dans le domaine fréquentiel. Le robinet excite une large gamme de fréquences. La rangée du bas affiche le FRF. À partir de ce graphique, nous pouvons identifier la fréquence naturelle, la rigidité et le taux d'amortissement pour chaque mode de vibration.