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Compréhension et optimisation des procédés d’usinage
Contacts
Mehdi CHERIF : mehdi.cherif@iut.u-bordeaux1.fr
Philippe DARNIS : philippe.darnis@iut.u-bordeaux1.fr
Raynald LAHEURTE : raynald.laheurte@iut.u-bordeaux1.fr
Publications
O. CAHUC, P. DARNIS, A, GERARD, BATTAGLIA JL - Experimental and
analytical balance sheet in turning applications, Int. J. Adv Manuf. Technol., Vol. 18,
n° 9, 648-656, 2001
R. LAHEURTE, P. DARNIS, O. CAHUC - Energy assessment and cutting tools
behaviour in machining, in Recent Advances in Integrated Design and Manufacturing in
Mechanical Engineering, G. Gogu, D. Coutellier, P. Chedmail and P. Ray, Kluwer
Academic Publisher ISBN, 1-4020-1163-6, p. 281-290, 2002
A. GERARD, O.CAHUC, R. LAHEURTE, PH. DARNIS, Y. COUETARD –
Evolution du concept de la coupe tridimensionnelle, International Conference on
Manufacturing Systems – ICCMAS, Bucarest, 2002
R. LAHEURTE, O. CAHUC, Ph. DARNIS, J.L. BATTAGLIA - Metrological
devices in cutting process - The 6th international esaform conference on material
forming, Salerno (Italie), 99-102, 2003
S. LAPORTE, J.Y. K’NEVEZ , O. CAHUC, Ph. DARNIS - An experimental study
for drilling operation using a 6 component dynamometer, IDMME 2004, Bath, UK,
April 5-7, 2004
R. LAHEURTE, Ph. DARNIS, O. CAHUC, Y. COUETARD, C. BISU. -
Exploitation des 6 composantes des actions mécaniques en frottement intense,
Tribologie et Conception Mécanique - Journées Francophones de Tribologie, Saint-Ouen,
13 et 14 mai 2004
S. LAPORTE, J-Y K’NEVEZ, O. CAHUC, P. DARNIS - Towards a new
comprehension of drilling phenomena using an experimental approach, International
Conference on Manufacturing Systems - ICCMAS 2004, pp 269-272, Bucarest
(Roumanie), October 7 – 8, 2004
F. DARGNAT, P. DARNIS, O. CAHUC - Energetical approach for semi-analytical
drilling modelling, 8th CIRP International Workshop on Modeling of Machining
Operations, Chemnitz (Allemagne), May, 2005
F. DARGNAT, O. CAHUC, Ph. DARNIS, Semi analytical model for drilling,
IDMME - International Conference on Integrated Design and Manufacturing in
Mechanical Engineering Grenoble, FRANCE, 17-19 may 2006
C-F. BISU, Ph. DARNIS, J-Y. K’NEVEZ, O. CAHUC, R. LAHEURTE, C. ISPAS
– Un nouveau modèle d’analyse des phénomènes vibratoires lors d’une opération de
tournage, 4 ème Assises Machines et Usinage Grande Vitesse, Aix-en-Provence, France,
145-154, 8-9 juin 2006
Laboratoire Génie Mécanique
et Matériaux de Bordeaux
IUT Bordeaux1
15 Rue Naudet CS 10207
33175 Gradignan Cedex
Tél : 05 56 84 58 45
Fax : 05 56 84 58 43
@ : lgm2b@iut.u-bordeaux1.fr
Compréhension et
optimisation des
procédés d’usinage

Compréhension et optimisation des procédés d’usinage
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Compréhension et optimisation des procédés d’usinage
COMPREHENSION et OPTIMISATION
DES PROCEDES D’USINAGE
Compréhension et caractérisation de l’interaction
outil/pièce et outil/copeau lors du processus de coupe
Analyse des mécanismes mis en jeu
lors d’une opération de perçage
Plateau Techniques Avancées d’Usinage
(PTAU-Aquitaine)
Usinage Grande Vitesse (UGV)
vibration, module d'acquisition de données longue durée),
• un rugosimètre 3D et une caméra infrarouge.
Un ingénieur de recherche contractuel assure le fonctionnement du
Plateau et les prestations de transfert de technologie. Pour cela, il
s'appuie sur les chercheurs des laboratoires du campus Bordelais
impliqués dans le thème usinage, et plus spécialement du LGM²B et
du LMP.
Ce Plateau représente un investissement de 1 M€ financé par la
Région Aquitaine,
l'Etat, les fonds
Ablocage
Européens, et
l'IUT Bordeaux 1.
En terme de
recherche,
l'essentiel des
travaux réalisés
jusqu'à présent
concerne des
gammes de vitesses
de coupe
traditionnelles,
voire lentes, lors de
Banc
de frettage
Banc
d’équilibrage
Porte-outils
Salle de préparation et matériel périphérique
l'usinage en tournage et perçage, dans des matériaux classiques et
particuliers (alliages de titane, Inconel). Les phénomènes observés à
ce jour ne sont pas transposables sans précaution au domaine de
l'usinage à grande vitesse, particulièrement en fraisage. Il est donc
nécessaire et utile de pouvoir valider l'approche expérimentale et
théorique sur une machine UGV de fraisage. Le PTAU permet de
valider et de faire évoluer les modèles de coupe vers des vitesses de
coupe plus importantes. Les recherches envisagées avec ces
équipements porteront aussi bien sur l'optimisation des trajectoires
d'usinage en fonction des variables énergétiques de coupe, que sur
l'usinage des matériaux composites, qui est aujourd'hui une
préoccupation importante du milieu aéronautique.
Grâce à un partenariat actif avec la Société AGIE Charmilles, le
Plateau est devenu centre de démonstration MIKRON pour le sud
de la France.

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Plateau Techniques Avancées d’Usinage
(PTAU-Aquitaine) :
Usinage Grande Vitesse (UGV)
L'évolution du thème usinage au sein de l'Université Bordeaux 1,
liée aux préoccupations des industriels dans le domaine de l'usinage
à grande vitesse en Aquitaine, a conduit à l'émergence d'un Plateau
Techniques Avancées d'Usinage. Une partie des équipements de ce
plateau est implantée sur le site de l'IUT Bordeaux 1. Le Plateau a
pour vocation le transfert de technologie vers les entreprises, la
recherche et la formation. Il fédère, autour du LGM²B qui en assure
la gestion, les laboratoires de mécanique de l'Université Bordeaux 1
et de l'ENSAM (LGM²B, LMP, LAMEFIP, TREFLE) et l'ICMCB,
ainsi que les organismes de formation (Département de Mécanique
et Ingénierie de l'Université Bordeaux 1, Département GMP de
l'IUT Bordeaux 1).
Ce plateau technique dispose de :
• un centre d'usinage à grande vitesse 5 axes MIKRON
HSM600U et de ses périphériques (Bancs de frettage et
d'équilibrage, ablocages,…),
• une plateforme CFAO 5 axes de dernière génération,
• différents matériels de mesures (platine de mesure à six
composantes à forte dynamique, dispositifs de mesure de
Centre de fraisage à grande vitesse 5axes MIKRON HSM 600U
(C.N. Heidenhain ITNC 530, filtration totale pour usinage composites)
Présentation générale
Très tôt, le Laboratoire s’est intéressé à l’usinage des matériaux
composites : en 1993, une thèse était soutenue sur l’usinabilité des
composites à matrice d’alliage base aluminium et à renforts particulaires
SiC. Cette activité usinage s’est longtemps maintenue avec
une orientation nettement marquée vers les composites. Depuis
quelques années, il a été fait le constat que de nombreux points demeuraient
obscurs dans l’usinage des matériaux monolithiques, et
qu’il était sans doute trop ambitieux de faire l’économie d’une recherche
approfondie sur ce type de matériaux avant d’aborder l’usinage
plus complexe encore des composites.
Ce constat a été fait au moment où un partenariat fort se mettait en
place entre le LGM²B et le Laboratoire de Mécanique Physique
(LMP – Univ. Bx1). La collaboration a été rapidement très fructueuse
: le LMP avait émis l’hypothèse de l’existence de moments
en pointe de l’outil, et la collaboration a permis d’établir très clairement
des bilans énergétiques confirmant cette hypothèse. Depuis,
cette collaboration s’est encore raffermie avec le co-encadrement de
plusieurs thèses entre les deux laboratoires.
En parallèle, un rassemblement entre cinq laboratoires bordelais et
des industriels s’est mis en place autour du projet MEDOC (Maîtrise
de l’Endommagement Des Outils Coupants – projet RNMP soutenu
par l’Etat), différents autres contrats industriels ont été honorés et la
collaboration LGM²B-LMP a acquis une bonne crédibilité dans le
monde industriel de l’usinage.
Les travaux évoqués dans les pages suivantes concernent, d’une
part, la modélisation de la coupe permettant de rendre compte de la
présence de moment en pointe d’outil, et d’autre part, une analyse
des différents mécanismes mis en jeu lors du perçage. Les compétences
acquises sur les matériaux monolithiques permettent maintenant
d’aborder avec sérénité l’usinage des composites et les thèses qui
débutent cette année concernent effectivement le perçage et le détourage
des composites à matrice organique.
Par ailleurs, depuis 2003, un projet de création d’un Plateau Techniques
Avancées d’Usinage (PTAU Aquitaine) s’est concrétisé autour
d’un centre de fraisage à grande vitesse : le Laboratoire est un partenaire
majeur de ce projet, assurant la gestion et la responsabilité des
équipements installés sur le site de l’IUT Bordeaux 1.

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Compréhension et caractérisation de l’interaction
outil/pièce et outil/copeau lors du processus de coupe
Le phénomène de coupe est très complexe, en particulier dans la
zone de formation du copeau. La compréhension des mécanismes
mis en jeu en vue de la modélisation tridimensionnelle du
phénomène de coupe nécessite l'identification des énergies induites.
Les travaux évoqués ici, réalisés conjointement par le LMP et le
LGM²B, ont démontré par des procédures expérimentales très
rigoureuses, l'existence de moments en pointe d'outils lors de la
coupe des matériaux.
La description fine de l'outil à l'échelle mésoscopique, consistant à
raccorder les faces de coupe et de dépouille par le rayon de bec et
des rayons d'acuité a induit des progrès notables dans la précision
des résultats obtenus sur les efforts de coupe. Néanmoins, la prise en
compte des moments de coupe n'est pas encore satisfaisante car
uniquement liée à la notion de gradient de contraintes. Une
première modélisation tridimensionnelle de la coupe intégrant cette
notion de moments et basée sur la théorie des milieux de Cosserat a
été adoptée mais ne semble pas, a posteriori, être complètement
représentative des phénomènes de déformation rencontrés lors de la
coupe.
Des observations poussées des déformations dans le copeau
montrent qu'elles ont une évolution non linéaire qui conduit à
introduire la notion de gradient de déformation. La théorie du
second gradient, développée par Toupin [1962], Mindlin [1968] et
Germain [1973] introduit cette notion de gradient de déformation et
permet de modéliser les phénomènes de déformations de rotations
issus du processus de coupe. L'objectif principal est maintenant de
développer la théorie du second gradient pour l'application usinage
et de déterminer de nouvelles formes de lois de comportement.
Des expérimentations sont développées afin de reproduire les
déformations de cisaillement engendrées par un chargement de type
"stick and slip" proche de la sollicitation rencontrée dans la zone de
cisaillement secondaire lors de la coupe.
varient fortement le long de l'arête principale et de l'âme. Un rayon
d'acuité permet de lier les surfaces de coupe et de dépouille.
La mesure des efforts de coupe par un dynamomètre à six
composantes a permis d'établir de fortes corrélations entre la qualité
géométrique des trous réalisés et le comportement de l'axe central
du torseur des efforts.
L'approche académique a montré les limites des modèles actuels de
coupe. Les angles importants de coupe et de dépouille (positifs ou
négatifs), ainsi que l'évolution des vitesses de coupe induisent des
erreurs importantes, incompatibles avec les exigences d'un modèle
de coupe. Les études actuelles visent à améliorer le modèle de coupe
en perçage, notamment en affinant la description des phénomènes
thermomécaniques liés à la déformation de la matière dans la zone
de cisaillement primaire.
Inclinaison moyenne
de l'axe central
Point de réduction
Actuellement, une approche
expérimentale qui a nécessité le
développement d'un foret à géométrie
variable permet d'appréhender le
comportement en perçage et de
déterminer les configurations optimales.
Distance par rapport au
centre théorique
Centre théorique
Cercle moyen des positions
de l'axe central
Évolution de l'axe central du torseur des efforts de coupe en cours de perçage
Evolution des angles de coupe en travail
pour un foret hélicoïdal
(α C , γ C et λ C en fonction de r, distance à l’axe du foret)
rad
m

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Compréhension et optimisation des procédés d’usinage
Analyse des mécanismes mis en jeu
lors d'une opération de perçage
Le perçage est une opération d'usinage clé, notamment dans
l'industrie aéronautique et plus particulièrement lors de l'assemblage
des pièces de structure. C'est aussi un procédé particulièrement
difficile à appréhender car les phénomènes thermomécaniques liés à
la coupe sont localisés dans un espace confiné difficilement
accessible à l'observation.
Les études menées par le LGM²B dans ce domaine s'articulent
suivant deux volets :
i) Un volet industriel concrétisé par le projet MEDOC
(Maîtrise de l'Endommagement des Outils Coupants) qui implique
des partenaires industriels (Dassault Aviation Martignas, Airbus
Nantes, Sofimag, A2C) et des partenaires scientifiques (LGM²B,
LMP, LAMEFIP, TREFLE, ICMCB et CETIM). Cette étude vise à
augmenter la durée de vie des outils coupants par la compréhension
des mécanismes d'usure et la maîtrise des paramètres significatifs
d'usure : l'approche scientifique consiste donc à intégrer les réalités
industrielles, le comportement du foret étant directement lié à la
qualité des trous réalisés.
ii) Une approche plus académique mais nécessaire pour
évoluer vers un modèle thermomécanique prédictif performant.
Ces deux volets ont nécessité une description fine de la géométrie
de l'outil. A partir des paramètres d'affûtage, les angles de coupe en
travail ont été déterminés le long des arêtes du foret. Ces angles
Déformation sous
la surface de frottement
Dispositif expérimental modélisant
un chargement de type « stick and slip »
Les études en cours portent sur l'identification des coefficients de la
loi de comportement et sur le développement des procédures
expérimentales associées. A l'issue de ces travaux, la description du
comportement du matériau en condition d'usinage, couplée à une
description géométrique fine des outils de coupe, permettra la
genèse de modèles prédictifs précis de la coupe et de domaine de
validité étendu.
Déformations dans la zone de cisaillement secondaire
Représentation de l'arête principale