Modélisation des forces d’usinage et optimisation du comportement dynamique d’une raboteuse industrielle haute vitesse

Aboussafy, Charles (2020). Modélisation des forces d’usinage et optimisation du comportement dynamique d’une raboteuse industrielle haute vitesse. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le rabotage est une étape importante de sa transformation. Durant cette opération, les pièces de bois brutes sont dégauchies et réduites à des dimensions standardisées. Il apparait maintenant important d’accroître la vitesse d’opération des raboteuses industrielles. Avec cette augmentation de la vitesse, l’usure prématurée des pièces tend à s’accroître, ce qui affecte la qualité finale du bois raboté.

Cette étude porte sur la modélisation et l’optimisation de la section d’entrée de la raboteuse. Ainsi, pour optimiser le système, il est nécessaire de connaitre les forces de rabotage. Ces forces permettront de définir la charge normale que les rouleaux doivent appliquer au bois pour le propulser à travers le système et éviter tout glissement. Trois sous-objectifs permettront de répondre à cet objectif principal :

(1) Développer un modèle dynamique complet de la section d’entrée d’une raboteuse;
(2) Modéliser les forces produites lors du rabotage du bois et les appliquer dans le point (1);
(3) Combiner le modèle du point (1) à un algorithme d’optimisation

Le modèle réalisé avec l’aide de la MEF permet de prédire les forces de coupe générée lors de l'usinage linéaire du bois. L'objectif est de déterminer à la fois les forces et les trajectoires des fissures se propageant dans les matériaux élastoplastiques et anisotropes. Le modèle combine une représentation bilinéaire de la relation déformation-contrainte du matériau et de la fonction d'élasticité de Hill. La procédure proposée intègre également la méthode d'extrapolation de déplacement pour évaluer les facteurs d'intensité de contrainte. La phase de validation compare les prévisions du modèle aux forces expérimentales, des niveaux de correspondance de 91% et 92% sont observés.

Le modèle dynamique de la section d’entrée d’une raboteuse permet de simuler la réponse dynamique du système lors du passage d’une planche. Les forces définies lors du rabotage sont incluses. Le système inclut le modèle d’un ballon pneumatique. De plus, la rigidité du bois est simulée en 3D avec un modèle de surface semi-infinie. L’amortissement est défini selon un modèle d’amortissement structural. Couplés à l’algorithme d’optimisation PSO, une diminution de 235 % de la force résultante ainsi qu’un temps de stabilisation de 20.5% plus sont obtenus. Ces réductions devraient conduire à une augmentation significative de la durée de vie de la machine.

Titre traduit

Modeling of machining forces and optimization of the dynamic behavior of a highspeed industrial planer

Résumé traduit

Planing is an important stage in its transformation. During this operation, the rough pieces ofwood are straightened and reduced to standardized dimensions. It is now important to increasethe operating speed of industrial planers. With this increase in speed, premature wear of theparts tends to increase, which affects the final quality of the planed timber.

This study focuses on the modeling and optimization of the input section of the planer. Thus,to optimize the system, it is necessary to know the planing forces. These forces will define thenormal load that the rollers must apply to the wood to propel it through the system and preventslippage. Three sub-objectives will make it possible to meet this main objective:

(1) Develop a complete dynamic model of the entrance section of a planer;
(2) Model the forces produced during planing of wood and apply them in point (1);
(3) Combine the model from point (1) with an optimization algorithm

The model produced with the help of FEM can predict the cutting forces generated duringlinear machining of wood. The objective is to determine both the forces and the trajectories ofthe cracks propagating in elastoplastic and anisotropic materials. The model combines abilinear representation of the strain-stress relationship of the material and the Hill elasticityfunction. The proposed procedure also integrates the displacement extrapolation method toevaluate the stress intensity factors. The validation phase compares the model predictions tothe experimental forces, matching levels of 91% and 92% are observed.

The dynamic model of the input section of a planing machine simulates the dynamic responseof the system during the passage of a board. The forces defined during planing are included.The system includes the model of an air balloon. In addition, the stiffness of the wood issimulated in 3D with a semi-infinite surface model. Damping is defined according to astructural damping model. Coupled with the PSO optimization algorithm, a 235 % decrease inresulting force as well as a 20.5% longer stabilization time is achieved. These reductionsshould lead to a significant increase in the life of the machine.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par article présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 85-89).
Mots-clés libres:	analyse par éléments finis, matériaux élastoplastiques et anisotropes, usinage du bois, force d'usinage, propagation de fissures
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Guilbault, Raynald
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	03 mars 2023 14:46
Dernière modification:	03 mars 2023 14:46
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2665

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