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Innovation & Industrie 33 > Les cahiers de la valorisation

Perçage profond : La mécatronique au cœur du dispositif

Grâce à la mécatronique, le perçage profond se dote d'un nouveau concept de porteoutils piloté. En l'espace de deux ans, les ingénieurs ont progressé dans le domaine de l'optimisation des conditions de coupe en perçage vibratoire. Cela a donné naissance à un logiciel de simulation permettant d'optimiser les paramètres de forage.

Industrialiser une nouvelle technique de forage vibratoire « à grande vitesse » pour centre d'usinage : tel est l'objectif du projet collaboratif FGVV lancé fin 2007 pour trois ans. Ce projet, labellisé par les pôles de compétitivité Arve Industrie et Viaméca, fédère une vingtaine d'entreprises représentant l'ensemble de la filière industrielle (fabricants d'aciers, de forets, de porte-outils, de machines-outils, d'utilisateurs...), trois universités et deux centres techniques, dont l'institut Carnot Cetim. Ce nouveau procédé a été mis au point par le G-SCOP, un laboratoire universitaire grenoblois spécialisé dans l'optimisation de la production. Il intéresse particulièrement les mécaniciens, car il divise par trois le temps de perçage des trous profonds tout en protégeant l'environnement du fait qu'il ne nécessite aucune lubrification. En relation avec quatre partenaires (l'Institut polytechnique de Grenoble, l'Énise, l'Institut français de mécanique avancée et le Centre technique du décolletage), l'institut Carnot Cetim intervient sur le coeur de l'innovation : les vibrations axiales autoentretenues. Il s'agit de déterminer les caractéristiques d'un nouveau concept de porte-outils adapté aux attentes des futurs utilisateurs, tant au niveau de l'usinage des matériaux (acier, inox, aluminium...) que des secteurs d'application, centres d'usinage et de décolletage en particulier. Il s'agit également de définir les caractéristiques (géométrie, revêtement, etc.) du foret qui permettront d'optimiser l'opération de perçage vibratoire.

L'apport de la mécatronique

L'industrialisation du procédé n'est aujourd'hui rendue possible que par les apports de la mécatronique. Il s'agit en effet de disposer d'une instrumentation capable de contrôler la présence ou l'absence de vibrations et d'un système de transmission, sans fil, de l'énergie et des données entre la broche fixe et le porte-outil tournant. Deux solutions ont été développées : l'une embarquée, l'autre non. La première est implémentée sur le porte-outil vibratoire. Deux aimants sont positionnés sur la partie vibrante et un capteur à effet Hall sur la partie non vibrante. Ce dernier permet d'obtenir un signal proportionnel au déplacement des aimants. Ce signal est ensuite traité par un microcontrôleur également positionné sur la partie non vibrante du porte-outil. Le microcontrôleur génère un signal
« OK/KO » en fonction de l'amplitude des déplacements mesurés. Le porte-outil tournant à haute vitesse (jusqu'à 24 000 tr/min), il est impossible d'embarquer une batterie. On utilise donc un système de transformateur tournant pour alimenter le système en énergie. Une bobine fixe, positionnée sur le nez de broche, est alimentée en courant. Quatre bobines mobiles sont fixées sur le porte-outil. On génère ainsi une tension qui alimente le système. Le transfert de l'information « OK/KO » se fait sur le même principe. Une bobine sur le porte-outil est alimentée en courant, et une bobine sur le nez de broche « lit » l'état de la bobine mobile (alimentée ou non), ce qui permet de coder les informations : alimentée = 1, non alimentée = 0. La solution non embarquée comporte un disque en aluminium positionné sur la partie vibrante du porte-outil. La mesure se fait par capteur à courant de Foucault positionné sur le nez de broche. L'électronique de traitement pour définir l'état (vibrations ou non) est déportée dans l'armoire électrique de la machine-outils. Un modèle de porte-outils développé pour l'industrie du décolletage est actuellement en cours d'essai.

Une vitesse de perçage trois fois plus rapide

En l'espace de deux ans, les ingénieurs ont progressé dans le domaine de l'optimisation des conditions de coupe en perçage vibratoire. Cela a donné naissance à un logiciel de simulation permettant d'optimiser les paramètres de forage. L'influence de la géométrie et du revêtement du foret sur les vibrations (l'âme du foret, en l'occurrence, a une très forte influence) est ainsi mieux maîtrisée. Les récents essais réalisés sur la durée de vie des outils indiquent que le procédé est applicable, sans modification, sur un grand nombre de centres d'usinage, et qu'il autorise effectivement une vitesse de perçage trois fois plus rapide sans lubrification. À l'issue du projet, les industriels pourront bénéficier d'une gamme de porte-outils et de forets totalement adaptée au perçage profond. Un progrès attendu car, contrairement aux autres types d'opérations, le perçage n'a pas encore bénéficié des retombées de l'usinage à grande vitesse.

Les instituts Carnot

Ils sont reconnus à la fois pour leur haut niveau scientifique, leur professionnalisme et leur engagement à développer une recherche partenariale de qualité. Ils mènent une démarche proactive en faveur de l'innovation dans les entreprises, notamment les PME. Les instituts Carnot se sont structurés en alliances (TIC-Micro Nano Technologies, Méca.Mat&Pro, Construction durable, Transport terrestre) pour être en mesure d'apporter des solutions performantes et adaptées au besoin d'innovation des entreprises.

Les partenaires du projet

• Les industriels : Outiltec, Thermi-Platin, Groupe Tivoly, Chartreuse Précision, Erasteel, PCI, Montupet, Chambon, UF1, Capricorn Automotive, Evaflo, Mhac Technology, Ugitech.
• Les centres de recherche : l'Énise, l'université de Grenoble (avec G-INP et l'université Joseph-Fourier), l'Institut français de mécanique avancée (IFMA).
• Les centres techniques : le CTDec (Centre technique du décolletage) et l'institut Carnot Cetim. Le budget est de 2,85 M€, dont 30 % apportés par les entreprises, 44 % issus de l'institut Carnot Cetim et 26 % d'aides financières apportées par le ministère de l'Industrie dans le cadre du FUI, et les collectivités locales (conseil généraux de l'Isère, de la Loire, de l'Allier et de la Haute-Savoie, Saint-Etienne Métropole) ainsi que des régions Auvergne et Rhône-Alpes.

DIBALY CAMARA