Ajustement automatique des paramètres de coupe pour l'obtention de stabilité dynamique en usinage

L'usinage à grande vitesse possède comme principale limitation la stabilité dynamique de l'action de coupe pouvant engendrer des usures prématurées de la broche de la machine et des outils de coupe, des bris d'outils ainsi que des erreurs dimensionnelles sur la composante usinée. Ce phénomène est connu dans la littérature sous le nom de broutage (chatter) et se traduit comme étant des vibrations auto-excitantes. Ce mémoire présente une approche appliquée à des environnements de production permettant d'éliminer en temps réel l'apparition du broutage dans l'usinage des alliages d'aluminium aéronautiques avant que ses effets néfastes puissent survenir. Un algorithme de contrôle est développé permettant de détecter le broutage à l'aide d'un microphone et en effectuant une analyse spectrale du signal capturé. L'analyse permet de cibler précisément la fréquence à laquelle le broutage se produit et par conséquent, la vitesse de rotation de la broche est modifiée afin de faire coïncider la fréquence de passage de dent à cette fréquence de broutage détectée. De plus, une nouvelle vitesse d'avance est également déterminée afin de garder l'épaisseur du copeau constant et dans les limites physiques de ce que l'outil de coupe peut atteindre. Ces nouveaux paramètres sont ensuite envoyés au contrôleur de la machine sous la forme d'une commande grâce à une interface de communication entre un ordinateur externe et le contrôleur. Plusieurs essais expérimentaux furent effectués pour valider l'efficacité de détection du broutage et également pour démontrer la capacité de l'éliminer. Des essais de coupe à de grandes vitesses sont réalisés, soit entre 15 000 et 33 000 RPM, afin de refléter des conditions d'usinage réelles de production de composantes aéronautiques.

Abstract

High speed machining has as principal limitation the dynamic stability of the cutting action which can generate premature wear of the machine spindle and the cutting tool, tool breakage and dimensional errors on the machined part. This phenomenon is known in the literature as chatter and is defined as being self-excited vibrations. This master thesis presents an approach applicable to manufacturing environments that allows eliminating chatter in real time during machining of aerospace aluminum alloys before the damaging effect can occur. A control algorithm is developed in order to detect chatter using a microphone and by analyzing the audio signal in the frequency domain. The analysis allows determining precisely the frequency at which the chatter occurs and therefore, the spindle speed is adjusted in order to make the tooth passing frequency equal to the detected chatter frequency. Also, a new feedrate is determined by keeping a constant chip load and within the physical limits of the cutting tool. The new cutting parameters are then sent out to the machine controller as a command using a communication interface between an external computer and the controller. Multiples experimental tests were conducted to validate the effectiveness to detect and suppress chatter. High speed machining tests, between 15 000 and 33 000 RPM, were performed in order to reflect real conditions for aerospace components manufacturing.