Vibrations d'usinage - Comment les identifier et les limiter

En 1907, dans son ouvrage fondateur sur l'art de la coupe des métaux, Taylor  disait : « le problème des vibrations d'usinage est le problème le plus obscur auquel ait à faire face l'usineur ». En 2011, les études sur le sujet, signalaient toujours que les vibrations sont un enjeu majeur pour l'usinage et l'un des facteurs les plus limitants du process.

Les coûts associés à ce problème sont rarement chiffrés et l'usineur les anticipe naturellement, notamment pour les situations telles que l'usinage de pièces ou d'outils particulièrement flexibles.

Le constructeur automobile Renault avait réussi à chiffrer précisément ce coût sur l'usinage de blocs cylindre usinés par séries de trois millions par an. Ce surcoût était ici lié à l'usure prématurée des outils et représentait en 2002, par exemple, exactement 0,35 e par pièce, soit 120 ke par an, depuis 20 ans.

Des estimations montrent que la majorité des surcoûts est liée à la perte de productivité et au temps perdu pour les mises au point ou les reprises, ensuite viennent les usures d'outil et de machines, et enfin les pièces rebutées.

Les solutions trouvées par les usineurs, sont souvent obtenues par tâtonnement et par le fruit de l'expérience : changer la vitesse, changer l'outil, augmenter le nombre de passes, brider la pièce différemment, mettre des éléments en caoutchouc, etc. Avec souvent pour conséquence inévitable une diminution significative de la productivité.

La théorie dite des « lobes de stabilité », apparue dans les années 1950, a semblé apporter une solution globale, mais force est de constater qu'elle n'est pas si facile à appliquer en pratique et qu'elle ne résout pas la majorité des problèmes.

Ainsi, comme Taylor le disait déjà, il persiste toujours un manque criant de méthodes prédictives robustes et un manque de logique d'ensemble pour attaquer le problème concrètement.

Le premier objectif de cet article est de présenter les multiples facettes du problème qui se caractérise principalement par des bruits caractéristiques et des états de surface dégradés, mais aussi par des casses d'outil ou des usures prématurées de broche. Il est important de savoir repérer finement ces évènements et leur lien avec les phénomènes vibratoires pour attaquer le problème à sa source. Il sera aussi montré comment ces vibrations peuvent être mesurées en pratique et comment elles peuvent fournir des indicateurs précurseurs pour anticiper les problèmes.

Le deuxième objectif est de présenter des modélisations du phénomène de broutement, qui est une catégorie particulière de vibration d'usinage, afin de mettre en évidence les principaux paramètres influents. L'usinage est une opération qui fait intervenir de très nombreux paramètres, mais il est possible de les hiérarchiser et de mettre en évidence les paramètres à surveiller systématiquement.

Le troisième objectif de cet article est de montrer qu'il existe un ensemble de solutions simples, qui ont fait leurs preuves, et qui permettent d'attaquer tout type de problème de vibration, en situation réelle.