Les broches d’Usinage à Grandes Vitesses sont des systèmes mécaniques très précis au comportement dynamique complexe et sensible. La moindre instabilité lors de l’usinage peut générer des défauts sur les pièces et réduire considérablement la durée de vie de la broche. Afin de prédire et mieux comprendre le comportement dynamique de telles broches, notamment vis-à-vis des conditions d’exploitations (vitesses de rotation, température, usure, …) un modèle numérique basé sur une approche phénoménologique est proposé. Dans un premier temps le comportement axial du système de roulements préchargés est considéré. L’équilibre axial est résolu de manière itérative en calculant les raideurs des roulements à partir d’un modèle analytique tenant compte notamment des effets dynamiques sur les billes. Ce modèle axial est recalé grâce à des mesures expérimentales de chargement axial de broche et permet l’obtention des matrices de raideurs des roulements ainsi que des valeurs des efforts et des raideurs de précharge de la broche étudiée. Un modèle de comportement dynamique global est alors développé. Un excitateur électromagnétique permettant d’appliquer une excitation dynamique sur la broche en rotation est utilisé pour rendre possible l’identification des paramètres du modèle. Celui-ci est enrichi pour modéliser au mieux le comportement observé expérimentalement. Le modèle numérique est alors utilisé pour étudier l’influence des conditions d’exploitations sur le comportement dynamique de la broche et sur sa stabilité en usinage. / High Speed Machining spindles are very efficient systems with a complex and sensitive dynamic behavior. Stability issues during machining can lead to bad quality of machined parts and also can reduce spindle lifetime. During this thesis, a numerical model has been developed to predict such instabilities. It also aims to improve the understanding of the spindle behavior and its variations with operating conditions (spindle speed, temperature, wear …). A phenomenological approach has been chosen for the model. At first, the axial behavior of the preloaded bearing system is considered. The axial equilibrium is resolved iteratively. The bearing stiffness are obtained from an analytical model that considers dynamic effects on bearing balls. The model updating performed on this axial model with a specific experiment lead to the complete bearing stiffness matrices and to preload parameters values. A radial model of the dynamic behavior of the spindle is then developed. An electromagnetic excitation device is used to measure the dynamic behavior of the spindle while rotating. The model parameters are identified from this experiment and some enrichment are proposed to improve the simulations results. Simulations are finally performed to study the influence of the operating conditions on the dynamic behavior of the spindle and also on its stability.

Thèse de doctorat : sciences. Génie des Matériaux : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2004. / Titre provenant de l'écran-titre. 64 réf.

Thèse de doctorat : sciences. Génie des Matériaux : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2004. / 64 réf.

Reproduction de : Thèse doctorat : Mécanique : Reims : 2007. / Titre provenant de l'écran titre. Bibliogr. f. 153-159.

Avec l’apparition de moteur électrique dans le secteur automobile, les réducteurs mécaniques fonctionnent à des vitesses de rotation de plus en plus élevées. Pour ce type de réducteur, les pertes de puissance au niveau des paliers à roulements peuvent être prédominantes pour des vitesses de rotation élevées. Ces pertes sont fortement dépendantes du comportement thermique du palier à roulement. D’où l’intérêt de développer des outils numériques permettant d’estimer les puissances générées au sein d’un palier à roulement. Cette estimation permettra en phase de pré-étude de développer un dispositif de refroidissement adapté afin d’éviter tout risque de dégradation du palier à roulement. Cette thèse présente une nouvelle approche permettant d’étudier le comportement thermomécanique de palier à roulement. Cette approche intermédiaire requiert un minimum de paramètres d’entrée (géométrie externe du palier à roulement et condition de fonctionnement). Elle utilise la méthode dite « des réseaux thermiques » pour obtenir une interconnexion entre les pertes de puissance et le comportement thermique du palier à roulement. Enfin cette approche permet de calculer la puissance dissipée au sein d’un roulement et les températures des bagues et du lubrifiant principalement pour une application hautes vitesses. Cette approche est développée pour des roulements à billes à gorge profonde et contact oblique. Des valeurs expérimentales sont nécessaires pour valider cette nouvelle approche. C’est pourquoi, un nouveau banc d’essai modulaire dédié à l’étude du comportement thermomécanique de palier à roulement a été développé. Sur ce nouveau moyen d’essai, une grande variété de paliers à roulements peut être testée pour différentes conditions de fonctionnement. Pour les premiers essais, un roulement à billes à gorge profonde lubrifié par injection est testé pour un fonctionnement hautes vitesses (produit (n×D_m) supérieur au million). / Rolling Element Bearing (REB) is an essential component in mechanical transmission to reduce friction between rotating parts. Now, with the development of electrical motor in mechanical industry, REBs may work at very high rotation speed. It leads to an increase of REB power losses and temperatures. Theses power losses are strongly coupled with the REB thermal behaviour. The oil temperature has a significant impact on the kinematic viscosity which in turn affects the REB power losses. Based on thermal network approach, an intermediate model is developed in this study. This new model allows obtaining lumped information (temperature of rings) with a minimum of input data (REB external geometry and operating condition only) and by using global power loss models. This intermediate model is developed for angular contact ball bearing and deep groove ball bearing under oil jet lubrication for high speed application. Experimental data are required to validate this new approach. That why, a modular test rig is designed to obtain information on the REB thermomechanical behaviour. The new test rig developed in this study is dedicated to a wide range of REB dimensions and for different operating conditions. For the first test, a deep groove ball bearing under oil jet lubrication is studied for high speed application ((N.dm) product is higher than one million.)

Dans l’industrie manufacturière, la consommation d’énergie électrique est considérée comme l'un des problèmes majeurs qui est malheureusement liée systématiquement à l'émission de gaz contenant du dioxyde de carbone et amenant à l’effet de serre. Des études sur l’estimation de l’énergie électrique consommée par les machines outils sont développées par des chercheurs au cours des dernières décennie pour proposer des modèles d’estimation de cette énergie. Ces modèles sont soit empiriques soit théoriques et se limitent à tenir compte du comportement dynamique du système de coupe lors des opérations d’usinage. La contribution fondamentale de cette thèse de doctorat est la caractérisation du comportement non linéaire des efforts de coupe et du système de guidage lors de l’estimation de l’énergie consommée par une machine outil. La modélisation repose sur la détermination de l’effort de coupe et de l’effort des roulements qui sont variables en fonction du temps et qui sont déduites de l’écriture de l’équation de mouvement du système (broche ou machine-outil)discrétisé en éléments finis en utilisant la méthode de Newark couplée avec l’algorithme de Newton Raphson. Ces efforts de coupe et de roulements sont utilisés pour calculer la puissance puis l’énergie consommée par la table d’avance, la broche et par conséquent la machine outil. Afin de valider notre approche, la puissance et l’énergie obtenues à partir du modèle développé sont comparées avec la puissance et l’énergie obtenues avec un dispositif expérimental. Une étude paramétrique est réalisée pour mettre l’accent sur l’impact de la variation des paramètres de coupe sur la valeur de la puissance et de l’énergie consommées. On introduit par la suite des défauts d’usure et de montage au niveau des roulements et nous présentons leurs impacts sur le comportement énergétique de la machine. Une attention particulière a également été consacrée à développer un modèle d’optimisation des mouvement d’une machine outil globale minimisant à la fois l’énergie consommée, le temps de production, le coût et la rugosité de surface en respectant les consignes technologiques. / In manufacturing, the electrical energy consumption is considered as one of the major problems which are systematically related to the gas emission containing carbon dioxide and leading to the greenhouse effect. Studies based on the estimation of the machine tools energy consumption become the interest of researchers in recent decades.As a result, different models for energy estimating are developed in order to minimize the quantity of consumed energy. These models are either empirical or theoretical and are limited to taking into account the dynamic behavior of the cutting system during machining operations. The fundamental contribution of this doctoral thesis is the characterization of the nonlinear behavior of cutting and rolling forces during estimating the consumed energy by a machine tool. The developed approach is based on the determination of the variable cutting forces and bearings forces which are function of time. These forces are deduced by solving the equation of motion based on finite element method using Newark's method coupled with Newton Raphson's algorithm. These forces are used to calculate the power then the consumed energy by the axis feed, the spindle and therefore the machine tool. In order to validate our approach, the power and energy obtained from the model developed are compared with the power and energy obtained with an experimental device. A parametric study is carried out to focus on the impact of the variation of the cutting parameters on the value of the consumed power and energy. An interest is given for different types of defect (innerring spalling, outer ring spalling, eccentricity and unbalance) in order to study their impact on the spindle consumed power during approach and cutting phases under different rotating conditions. Particular attention has also been devoted to develop a global model for optimizing machine too lmovements that minimizes the consumed energy, the production time, the cost and the surface roughness with respect of the technological constraints.

L'arrivée de nouveaux matériaux dans les industries manufacturières engendre de nouvelles problématiques de contrôle. C'est notamment le cas pour l'entreprise SKF qui introduit dans ses roulements des rouleaux en céramique. Ces rouleaux peuvent avoir deux géométries différentes, en forme de cylindre ou de tonneau. La plupart des méthodes de Contrôle Non Destructif dédiées aux rouleaux en acier ne sont pas exploitables pour ceux en céramique, c'est pourquoi il est nécessaire de développer une nouvelle approche. Dans ces travaux, nous nous sommes intéressés à la méthode Ultrasons-Laser. L'utilisation de lasers permet de générer et de détecter des ondes ultrasonores sans contact sur des structures en acier ou en céramique. Une étude des diagrammes de directivité pour les sources les plus communes et le calcul des courbes de dispersion liées à la géométrie cylindrique ont été effectués. Ces éléments nous ont permis d'interpréter les signaux acquis expérimentalement. Nous avons alors pu montrer que la méthode était efficace pour la détection de défauts de différentes natures sur des rouleaux de forme cylindrique en acier et en céramique. Une méthode originale a été proposée et étudiée théoriquement et expérimentalement afin de réduire significativement le temps de contrôle d'un rouleau et ainsi optimiser la méthode. Cette méthode a été étendue avec succès aux rouleaux de forme "tonneau". / The development of new materials in industries creates new issues about their control. It is the case for SKF introduces ceramic rollers in its bearings. These rollers can have two different geometries, cylinder or barrel. Most methods of Non Destructive Testing developed for steel rollers analysis are not adapted for ceramic rollers. In fact, these equipments use electrical of metal materials properties to control a solid. In consequence, it is necessary to develop a new approach for ceramic structures. In this report, we are studying Ultrasonics Laser method. The use of lasers allows to generate and to detect ultrasound waves without contact on steel or ceramic media. A study of directivity patterns for the most common thermoelastic sources and calculation of dispersive curves due to cylindrical geometry have been done. The results of these studies allow us to interpret different signals obtained during ours experimentations. We have shown that the method was efficient for the detection of different types of defects present on ceramic and steel rollers. An original approach has been proposed and studied, theoretically and experimentally, to reduce significantly the time of control for a cylindrical roller. This approach have been extended to a ceramic barrel roller with success.

Le développement des machines suit une logique liée aux performances, ce qui entraîne des niveaux de sollicitations toujours plus proches des limites matériaux. Cette tendance a pour effet de favoriser l'apparition de comportements vibratoires non-linéaires. Cette thèse a donc pour objectif d'étudier la dynamique non-linéaire des structures et tout particulièrement celle correspondant à des moteurs d'avion multi-rotor. Deux axes ont été développés en parallèle, le premier qui correspond aux aspects théoriques et le deuxième de nature expérimentale. En ce qui concerne les développements théoriques, nous nous sommes intéressés au cas des non-linéarités fortes conjuguées avec une richesse multi-fréquentielle des excitations. Dans ce cadre, nous avons étudié des modèles de roulements adaptés à la simulation en dynamique d'ensemble qui inclut les caractéristiques propres du contact ainsi que la présence des jeux. A l'aide de ces modèles, nous avons pu simuler les réponses vibratoires d'un système bi-rotor non-linéaire, notamment en contra-rotation. Afin de réaliser une étude pertinente de ce systËme nous avons développé un code qui généralise l'estimation des réponses au cas quasi-périodique et qui permet aussi de statuer sur la stabilité de ces régimes. Aussi, nous avons mis au point un banc d'essai bi-rotor représentatif du comportement dynamique d'un moteur réel. Après une phase de conception et de mise en \oe uvre du banc, différents types de tests de caractÈrisation ont été réalisés. Nous avons tout d'abord analysé les réponses vibratoires en co- et contra-rotation. Puis dans une deuxième phase, une configuration surcritique de l'arbre Basse Pression a été testée. L'ensemble de ces essais a permis de mettre en valeur les spécificités dynamiques des moteurs bi-rotor tant du point vue des régimes vibratoires (régimes périodiques, quasi-périodiques, modes directs et rétrogrades) que des effets non-linéaires (distorsion des pics, présence de surharmoniques d'ordre deux).

Thèse doctorat : Génie des Matériaux : Villeurbanne, INSA : 2004. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. à la fin de chaque chapitre.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Sciences:génie mécanique : Reims : 2004. / Titre provenant de l'écran titre. Bibliogr. f. 121-125.