Efficient high speed machining based on operational identification of dynamic behavior and optimization of workpiece holder
Usinage à grande vitesse efficace basé sur l'identification opérationnelle du comportement dynamique et l'optimisation du support de pièce
Résumé
High-speed machining plays a very important role in the engineering industry today. However, vibration phenomena during machining process can be detrimental to the quality of machined workpiece, the productivity and the durability of accessories, etc. Mastering the dynamic behavior of the coupled system (machine tool/spindle/tool/workpiece/workpiece holder) is the primordial key to successful high speed machining. The first objective of the thesis consisted in applying existing techniques of operational modal identification and proposing new identification techniques better adapted to take into account the specificities of machining: the presence of very predominant harmonics, the uncontrolled and unmeasured random excitation, and responses only recorded. Three new operational modal identification procedures have been proposed: the transmissibility method (PSDTM-SVD) (i) combined with kurtosis values and histograms, (ii) or hybridized with autocorrelation functions, (iii) and the new SCA-FDD method based on blind source separation. The effectiveness of the proposed methods has been validated by numerical examples and an experimental test. The second objective of the thesis was to propose a new design of the workpiece support using innovative materials, in order to make the dynamic behavior optimal with respect to machining stability. To increase the machining performance, the new composite workpiece holder must have a stiffness at least equal to that of the initial aluminum workpiece holder while having a higher damping ratio. A new hybrid composite laminate reinforced by carbon and flax fibers is then proposed. This combination enables to combine the advantages of two fiber types in a composite. Workpiece holders in carbon-flax hybrid composite laminates with different stacking sequences were fabricated for validation tests. In the case of machining with the composite workpiece holders, the machining stability is greatly increased compared to the initial aluminum workpiece holder. Among the different stacking sequences, the carbon-flax hybrid composite workpiece holder [C6/L8/C6] is the optimal solution in terms of machining performance and environmental impact. This solution increases machining stability by 283 % with a vegetable fiber volume ratio of 14 %.
L’usinage à grande vitesse joue aujourd’hui un rôle très important dans l’industrie mécanique. Cependant, les phénomènes vibratoires en usinage peuvent être néfastes à la qualité des pièces usinées, à la productivité et à la durabilité des accessoires, etc. La maîtrise du comportement dynamique du système couplé (machine-outil/broche/outil/pièce/porte-pièce) est la clé primordiale pour la réussite de l’usinage à grande vitesse. Le premier objectif de la thèse a consisté à appliquer des techniques existantes d’identification modale opérationnelle et à proposer de nouvelles techniques d’identification mieux adaptées en tenant compte des spécificités de l’usinage à savoir : la présence des harmoniques très prépondérants, l’excitation aléatoire non contrôlée et non-mesurée, et les réponses seules enregistrées. Trois nouvelles procédures d’identification modale opérationnelle ont été proposées : la méthode de transmissibilité (PSDTM-SVD) (i) combinée avec les valeurs de kurtosis et les histogrammes, (ii) ou hybridée avec les fonctions d’autocorrélation, (iii) et la nouvelle méthode SCA-FDD basée sur la séparation aveugle de sources. L’efficacité des méthodes proposées a été validée par des exemples numériques et un test expérimental. Le deuxième objectif de la thèse a consisté à proposer une nouvelle conception du support de pièce en utilisant des matériaux innovants, afin de rendre le comportement dynamique optimal vis-à-vis de la stabilité d’usinage. Pour augmenter les performances d’usinage, le nouveau support en matériau composite doit posséder une raideur au moins égale à celle du support existant en aluminium tout en ayant un taux d’amortissement plus élevé. Un nouveau composite stratifié hybride renforcé par des fibres de carbone et des fibres de lin est alors proposé. Cette combinaison permet d’allier les avantages des deux types de fibres dans un même composite. Des supports de pièce en composite stratifié hydride carbone-lin avec différentes séquences d’empilement ont été fabriqués pour des essais de validation. Dans le cas d’usinage avec les supports de pièce en composite, la stabilité d’usinage est fortement augmentée par rapport au support initial en aluminium. Parmi les différentes séquences d’empilement, le support de pièce en composite hybride carbone-lin [C6/L8/C6] est la solution optimale en termes de performance d’usinage et d’impact environnemental. Cette solution permet d’augmenter la stabilité d’usinage de 283 % avec un taux de fibres végétales de 14 %.
Domaines
Génie mécanique [physics.class-ph]
Origine : Version validée par le jury (STAR)