Maîtriser la stabilité d'usinage : Guide du test de percussion et prévention du chatter

Dans le test de percussion, un marteau instrumenté est utilisé pour exciter une structure et mesurer la réponse vibratoire avec 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. Donnée la FRF, nous pouvons calculer une carte de stabilité, qui sépare les combinaisons de vitesse de broche et profondeur axiale qui produisent du chatter (c.-à-d., au-dessus de la frontière bleue) de celles qui ne le produisent pas (en dessous de la frontière). Cela permet la sélection de paramètres d'usinage stables sans essai-erreur ; voir Figure 1.

Fig. 1 : Carte de stabilité de fraisage. Source (toutes figures) : Tony Schmitz

Le matériel de base requis pour mesurer les FRF est :

Contenu Mis en Avant

• un mécanisme pour entrée de force connue sur la plage de fréquence désirée (ou bande passante)
• un transducteur pour mesure de vibration, à nouveau avec la bande passante requise
• un analyseur de signal dynamique pour enregistrer les entrées de force et vibration dans le domaine temporel et les convertir en FRF désirée.

Un analyseur de signal dynamique inclut des canaux d'entrée pour les signaux de force et vibration dans le domaine temporel et calcule la transformée de Fourier de ces signaux pour les convertir au domaine fréquentiel. Il calcule ensuite le rapport du signal de vibration en domaine fréquentiel au signal de force en domaine fréquentiel ; ce rapport est la FRF. Un schéma de la configuration est fourni Fig. 2. Il inclut les signaux de force et vibration dans le domaine temporel, qui peuvent prendre la forme de 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 en utilisant un convertisseur analogique-numérique (CAN). Ces signaux numériques sont ensuite utilisés dans le calcul de la FRF par l'analyseur de signal dynamique. Basé sur le type d'entrée de vibration, la FRF peut être exprimée comme :

• réceptance ou compliance — le rapport du déplacement à la force
• mobilité — le rapport de la vitesse à la force
• accélérance ou inertance — le rapport de l'accélération à la force.

Fig. 2 : Schéma de configuration de mesure FRF.

Il y a trois types courants d'excitation de force. Ceux-ci incluent :

• onde sinusoïdale à fréquence fixe – La FRF est déterminée une fréquence à la fois. À chaque fréquence dans la bande passante désirée, la force sinusoïdale est appliquée, la réponse à l'entrée de force est moyennée sur un court intervalle de temps et la FRF est calculée. Cela est appelé test de balayage sinusoïdal.
• signal aléatoire – Le contenu fréquentiel du signal aléatoire peut être large bande (bruit blanc) ou tronqué à une plage limitée (bruit rose). La moyenne sur une période fixe est à nouveau appliquée, mais toutes les fréquences 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 test court. Plusieurs tests sont typiquement moyennés dans le domaine fréquentiel pour améliorer la cohérence, ou la corrélation entre les signaux de force et vibration.

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

• vibreur (shaker) – Ces systèmes incluent un armature à entraînement harmonique et une base. L'armature peut être actionnée le long de son axe par une bobine magnétique ou force hydraulique. Les configurations à bobine magnétique, ou électrodynamiques, peuvent fournir des fréquences d'excitation de dizaines de kHz avec niveaux de force de dizaines à milliers de Newtons (force accrue signifie généralement plage de fréquence plus basse). Les vibreurs hydrauliques offrent force élevée avec potentiel de précharge statique (c.-à-d., la force moyenne n'est pas nulle), mais plages de fréquence relativement plus basses. Dans les deux cas, la force est souvent appliquée à la structure d'intérêt par une tige fine (stinger), ou tige mince supportant tension et compression axiales, mais pas flexion ou cisaillement. Cela assure que la force est appliquée dans une seule direction. Une cellule de charge est incorporée dans la configuration pour mesurer la force d'entrée ; voir Figure 3.
• marteau d'impact – Un marteau d'impact incorpore un transducteur de force situé à une pointe en métal, plastique ou caoutchouc pour mesurer la force d'entrée pendant une frappe de marteau. Quand un marteau est utilisé conjointement avec un transducteur de vibration, la procédure de mesure est appelée test de percussion. L'énergie d'entrée à la structure est une fonction de la masse du marteau ; une masse plus grande fournit plus d'énergie. Donc, de nombreuses tailles sont disponibles. Aussi, la bande passante d'excitation de l'entrée de force dépend de la masse et de la rigidité de la pointe. Pointes plus rigides tendent à exciter une plage de fréquence plus large, mais étalent aussi l'énergie d'entrée sur cette plage plus large. Pointes plus souples concentrent l'énergie sur une plage de fréquence plus basse. Pointes en plastique dur et métal fournissent rigidité plus élevée, tandis que pointes en caoutchouc donnent rigidité réduite.

Fig. 3 : Configuration vibreur.

Les transducteurs de vibration sont disponibles en types sans contact et contact. Bien que les transducteurs sans contact, comme sondes capacitives et vibromètres laser, soient préférés car ils n'affectent pas la dynamique de la structure, les types à contact, comme accéléromètres, sont souvent plus commodes à implémenter. Comme compromis, des accéléromètres de faible masse peuvent être utilisés pour minimiser l'influence sur la structure testée. Ils sont attachés à l'emplacement d'intérêt en utilisant cire, adhésif, aimant ou goujon fileté puis retirés quand le test est complété.

Fig. 4 : Éléments clés du test de percussion.

La Figure 4 identifie les éléments clés du test de percussion. La photographie en bas à gauche montre un marteau utilisé pour taper une pointe d'outil et un accéléromètre (attaché avec cire à la pointe d'outil) utilisé pour mesurer la réponse vibratoire. La rangée du haut affiche les réponses temporelles pour la force et la vibration. On voit que la percussion produit une entrée de force de courte durée. En raison de cette force, l'outil vibre avec une amplitude décroissante (due à l'amortissement). La rangée du milieu montre la conversion de ces signaux au domaine fréquentiel. La percussion excite une large gamme de fréquences. La rangée du bas affiche la FRF. De ce graphique, nous pouvons identifier la fréquence naturelle, la rigidité et le rapport d'amortissement pour chaque mode de vibration.