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Le perçage (forage) profond améliore sa productivité avec le CETIM (1/2)

13/03/2007
A contrario des autres technologies d'usinage, le forage n'a guère profité de l'évolution des machines et des outils. Le constat est d'autant plus étonnant que de nombreux secteurs font appel à cette technique. La tendance semble s'inverser avec la concrétisation de plusieurs études majeures?

Procédé très répandu dans l'industrie, le forage fait l'objet de plusieurs projets qui cherchent à parfaire ses performances. C'est le cas de Foropt, un projet chapoté pendant quatre ans par le Cetim, et du procédé original de perçage vibratoire à basse fréquence mis au point par les laboratoires 3S et le LTDS.

Le forage a des progrès à faire ! Si les machines et les outils de coupe ont beaucoup évolué ces dernières années, cette opération d'usinage a été peu concernée par ces envolées technologiques. « Elle est pourtant utilisée dans de nombreux domaines industriels comme la fabrication d'automobiles, l'armement, la mécanique générale, l'aéronautique et bien d'autres », remarque Stéphane Guérin, spécialiste de l'usinage à grande vitesse au Cetim. Alors, pour répondre au besoin des industriels, le Cetim a lancé en 2002 le projet Foropt. Objectif : valider et développer des technologies adaptées au forage profond à grande vitesse sur centre d'usinage ou sur foreuse. Des travaux ont ainsi été effectués pendant trois ans en collaboration avec plusieurs partenaires industriels ou laboratoires de recherches universitaires. À savoir : Aramm, Aratem, Ascometal, Atamec-BSMA, Ateliers Siccardi, CTDec, Fuchs w-industrie, Insa (Lyon), LTDS (ENISE), L3S (INP de Grenoble), Montupet, Outiltec, PCI , SFH, Thermi-platin, Ugitech Arcelor. « Le projet s'est déroulé en deux étapes, précise Bruno Davier, expert au Cetim et responsable de Foropt. La première partie a permis de faire le point sur l'état de l'art de cette technologie, la seconde a été consacrée à l'amélioration des solutions qu'utilisent habituellement les industriels. » Des essais et des validations ont ensuite été effectués, à l'aide de démonstrateurs, sur des pièces en acier (des vilebrequins), inox (du matériel médical) et aluminium (des culasses d'automobile) avec différents outils et stratégies d'usinage. Et les résultats ont été au rendez-vous ! « Nous avons constaté un gain de productivité de l'ordre de 40% et une amélioration de la durée de vie de l'outil de 300% », indique Bruno Davier. Mais il reste toutefois encore beaucoup de pain sur la planche. Et de poursuivre : « Il faut maintenant assurer une véritable rupture technologique pour pouvoir démocratiser le forage profond à grande vitesse. »

Le perçage vibratoire à basse fréquence

Le projet Foropt pourrait donc continuer avec la validation industrielle du procédé de perçage vibratoire à basse fréquence, financé par le Cetim et mis au point par les laboratoires 3S et le LTDS de l'Enise (Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes de l'École nationale d'ingénieurs de Saint-Étienne). De quoi s'agit-il ? « Bien que très simple au niveau des trajectoires par rapport au fraisage ou au tournage, le perçage et notamment celui de trous profonds (trou ayant un rapport longueur/diamètre supérieur à 5) posent un problème de taille : leur temps d'exécution », souligne Nicolas Guibert, doctorant au laboratoire 3S de Grenoble ? depuis le 1er janvier 2007, l'équipe Conception intégrée du laboratoire 3S a intégré le nouveau laboratoire G-Scop. Le perçage est donc une opération longue, donc coûteuse. Principal responsable de ce handicap : la mauvaise évacuation du copeau. « La plupart du temps, le copeau ne se fragmente pas et reste au fond du trou, créant ainsi le phénomène de bourrage », poursuit Nicolas Guibert. Ce phénomène entraîne une surpression locale et un échauffement important du foret qui peut mener à sa rupture. Une amélioration du temps de cycle de perçage ne peut donc se faire sans une bonne maîtrise de l'évacuation du copeau.

Il existe déjà un certain nombre de solutions permettant l'évacuation des copeaux, comme les stratégies d'usinages particulières, (principalement le débourrage) ou celles utilisant des outils et une lubrification adaptée (forets à trou d'huile permettant une lubrification centrale haute pression directement à la pointe du foret). Voire des techniques mettant en oeuvre des vibrations axiales du foret. De son côté, le laboratoire 3S mène depuis quelques années une étude sur la technologie de perçage vibratoire sans apport d'énergie extérieur. « Nous avons développé une tête de perçage vibratoire ayant des caractéristiques dynamiques compatibles avec l'apparition de vibrations axiales auto-entretenues », explique Nicolas Guibert. Le principe consiste à utiliser uniquement l'énergie apportée par la coupe pour générer et maintenir ces vibrations.

Le porte-outil mis au point par les chercheurs comporte un corps principal qui réalise l'attachement entre le porte-outil et la broche de la machine. Une partie mobile supportant un système d'attachement de l'outil pouvant coulisser dans le corps principal ; le guidage étant assuré par une douille à bille. Un ressort positionné entre le corps principal et la partie mobile du porte-outil accumule l'énergie fournie par la coupe et la restitue sous forme de vibrations axiales. Un simulateur sous Matlab permet de déterminer les réglages de la tête et les conditions de coupe nécessaires pour la génération des vibrations. Il fournit, de plus, des informations diverses sur le fonctionnement du système, comme l'amplitude des vibrations de l'outil, l'épaisseur de copeau, la fréquence des vibrations, les efforts dans les différentes zones de l'outil? Il permet également de déterminer les efforts créés par les différentes parties de l'outil.

Une campagne expérimentale

La théorie c'est bien, mais la pratique c'est encore mieux ! Une campagne expérimentale a été menée au laboratoire LTDS de l'Enise sur un centre d'usinage Hermle C800V instrumenté. Le bloc à usiner est monté sur un dynamomètre Kistler de manière à suivre l'évolution des efforts de coupe tout au long de l'usinage. De plus, un capteur de déplacement sans contact permet de mesurer les vibrations axiales du foret.

Les essais ont été réalisés dans un acier à vilebrequin 35MnV7 (dureté de 280 HB) avec des forets de différents diamètres et de différentes géométries. Les vibrations de l'outil sont bien régulières, montrant que l'évacuation du copeau se déroule correctement pendant toute l'opération. Résultat : le perçage vibratoire permet de réaliser des trous de grande profondeur (profondeur supérieure à 15 fois le diamètre) sans lubrification, ni cycle de débourrage et sans entraîner la destruction rapide de l'outil.

La durée de vie de ce dernier dans de telles conditions est inférieure à la durée de vie en utilisation classique, mais le perçage vibratoire se fait à sec et sans opération de débourrage. « Le gain de productivité est non négligeable », constate Nicolas Guibert, qui détaille les secrets de cette performance. Le perçage vibratoire permet d'obtenir une très bonne fragmentation due à la coupe discontinue engendrée par ces sauts d'arête hors matière. Bien plus, le fait que l'outil soit hors de la matière plus de 50% du temps fait que l'échauffement de celui-ci est bien moins important qu'en perçage traditionnel. Ces deux avantages (fragmentation et échauffement moindre) font qu'il est possible de réaliser des perçages sans lubrification et sans débourrage sur de grandes longueurs. Mais ce n'est pas tout ! L'utilisation de cette nouvelle technique permet, en effet, de réaliser des trous profonds sur un centre d'usinage classique. De plus, l'élimination totale de la lubrification et du cycle de débourrage tout en conservant des vitesses de perçage importantes dope la productivité.

La configuration d'usinage a fait l'objet d'un premier essai d'usure avec un foret en carbure monobloc de 5 mm de diamètre sur des trous d'une profondeur de 95 mm (soit 19 fois le diamètre) à sec et sans cycle de débourrage. La durée de vie obtenue est de 25 mètres, soit environ 260 trous. « Dans de telles conditions et sans cette technologie, l'outil ne résisterait pas à l'usinage d'un seul trou », souligne Nicolas Guibert du laboratoire 3S. Une étude plus fine et l'optimisation des différents paramètres de la tête et de la géométrie de l'outil devraient permettre de repousser encore cette limite.

Des études préparatoires sont nécessaires

« Attention toutefois, car l'utilisation de cette technologie à une application donnée demande des études préparatoires », avertit le doctorant. Première étape : la prédiction d'une zone de vibration. Puis, il faut affiner la zone de vibration par cette simulation numérique. L'approche permet de connaître de manière précise les paramètres de réglages et les conditions de coupe pour avoir une vibration optimum garante de la bonne fragmentation du copeau. Enfin, la validation expérimentale des résultats donnés par le simulateur clos le cycle des études préparatoires.

Ces outils d'analyse, disponibles au laboratoire 3S, ont permis d'aboutir à de bons résultats de perçage vibratoire dans l'acier à vilebrequin. Le développement de nouveaux outils de coupe limitant l'importance de l'âme du foret et réduisant les frottements devrait permettre d'augmenter encore plus la productivité des opérations de perçage vibratoire.

Pour Stéphane Guérin du Cetim, la technique de perçage vibratoire auto-entretenue a des beaux jours devant elle. « Cette approche permet de percer des trous de grande profondeur (vingt fois le diamètre) sans aucune lubrification, ni cycle de débourrage avec des conditions de coupe proches de celles préconisées par le constructeur de l'outil (vitesse de coupe et durée de vie) », conclut le spécialiste. Un développement à suivre?

Photo : Les essais ont été menés sur un centre d'usinage Hermle C800V instrumenté

Suite de l'article Forage profond

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