Faits expérimentaux

Préalablement à la thèse, le développement d’une matrice de laminage à l’ENSAM est passé par une phase de mise au point expérimentale, démontrant la nécessité du choix pertinent des angles de coin afin de limiter la « prise de passe » en déformation plastique, tout comme la nécessité d’appliquer des stries importantes sur les surfaces de roulement pour assurer l’entraînement permanent de pièce.

2.5.2.1 Les essais « Roulement/Glissement »

Afin d’avancer dans la mise en évidence du rôle des surfaces entraînantes, une matrice équipée de plaques amovibles est développée. L’intention est de pouvoir appliquer des états de surfaces différents sur les plaques afin d’identifier la version la plus appropriée. En se basant sur l’observation d’outillages existants, trois états de surface sont envisagés avec entre autres pour optique qu’ils doivent correspondre à une exécution industrielle courante :

 Stries réalisées par usinage ;

 Surface rugueuse brute d’électroérosion ;

 Surface revêtue par projection thermique ;

Dans un premier temps un jeu de plaques amovibles pourvues de stries usinées par une fraise hémisphérique de diamètre 5 mm et écartement entre passes de 1,4 mm, pour une profondeur de sillon de 0,1 mm. La référence du plan théorique de roulement est prise en fond de sillon, l’usinage entraîne ainsi des crêtes de stries en surépaisseur de 0,1mm par rapport aux faces actives de mise en forme.

Figure 45 - Détail du profil de stries pour les zones d'entraînement

Les matrices sont du type simple réduction de diamètre (Figure 46) correspondant à la pièce « haltère » 9004. Les parties actives du coin de mise en forme sont laissées lisses d’usinage. Les deux matrices, rigoureusement identiques, sont équipées des plaques planes striées, lesquelles sont fixées par deux vis CHC. Des trous oblongs permettent l’ajustement des plaques sur le corps principal de matrice.

Stries réalisées par usinage

Coin de mise en forme

Trous oblongs pour réglage de position

Figure 46 - Vue de la matrice simple réduction de diamètre équipée de plaques amovibles striées pour le laminage transversal de préformes type 9004 [THESE]

Les premiers essais sont effectués avec des lopins d’acier C17 de diamètre 22mm et de longueur 44mm chauffé à 1100°C. Afin de déterminer la course à partir de laquelle le glissement se produit éventuellement, une mire centimétrique est apposée sur un côté de matrice. Chacun des essais est filmé par ce même côté de manière à pouvoir être analysé en détail. Deux observations se dégagent à la suite de ces essais :

 La couche de calamine présente en surface de pièce joue un rôle prépondérant pour favoriser l’entraînement en rotation; en effet, si la durée du cycle de chauffe est prolongée, une couche de calamine de l’ordre de 0,05 à 0,1 mm se forme en surface de pièce. Cette couche, formée 0,1 1,4

Ø 5

d’oxydes de fer d’une dureté très élevée, se rompt lors de l’engagement en rotation. Les particules s’incrustent en surface de pièce et contribuent à créer une rugosité artificielle sur les parties actives, augmentant ainsi l’aptitude à transmettre le mouvement par adhérence. La présence de ce

« troisième corps » est donc avantageuse pour augmenter artificiellement le coefficient de frottement lors de la phase de pénétration mais elle crée dans le même temps des défauts de surface nuisibles pour la qualité de pièce finale.

 Dans la plupart des cas, les lopins se mettent à glisser définitivement et la pièce est défectueuse (Figure 48 (a)). Dans le cas où la présence de calamine est moindre, la pièce « lisse » est en prise avec les surfaces entraînantes striées, lesquelles ne suffisent pas à transmettre le couple de rotation nécessaire pour maintenir la pièce en mouvement face à la puissance plastique demandée. L’équilibre est rompu dès que la puissance plastique atteint un niveau critique pour lequel le « moteur » de la rotation de pièce n’est plus suffisamment puissant.

Ces constats ont donné lieu à une seconde campagne d’essais pour confirmer le rôle de la surface de roulement. Ainsi des lopins de longueurs supérieures sont employés afin d’augmenter la portée des surfaces de pièce en contact avec les bandes de roulement. La géométrie du coin étant inchangée, le seuil critique de roulement/glissement à partir duquel l’instabilité disparaît est recherché. De nouveaux essais sont menés dans les mêmes conditions que précédemment.

L’unique paramètre variable est la longueur des pièces qui est de 44, 50, 55 ou 60mm. Pour chacune de ces quatre gammes, dix échantillons sont testés. Les résultats sont portés sur un graphe pour lequel le seuil se situe entre 55 et 60mm (Figure 47).

Figure 47 - Graphe du nombre de pièces dont le roulement se fait sans interruption en fonction de la longueur des pièces [THESE]

Les pièces issues d’un laminage au cours duquel un glissement apparaît de manière partielle ou complète subissent des déformations irréversibles de type méplat (Figure 48 (a)) ou des déformations angulaires importantes (Figure 48 (b) et (c)).

(a)

(b)

(c)

Figure 48 - Pièces type 9004 défectueuses, résultant d'une interruption partielle ou complète du roulement [THESE]

2.5.2.2 Expérience sur les préforme de bielle 9023

Dans le cadre des essais de mise au point de la préforme de bielle 9023 réalisé à l’IWU Chemnitz, les instabilités au roulement sont également observées. Les instabilités ne vont pas toujours jusqu’au glissement, mais dans le cadre de la fabrication d’une pièce symétrique, une variation importante des conditions de surface sur une partie de l’outillage conduit à obtenir des dissymétries sur les formes laminées. Les instabilités constatées ont trois causes :

 Les stries sont trop peu prononcées ;

 « Bourrage » de matière conduit au blocage de la pièce ;

 L’outillage est inadapté au coefficient de frottement du couple de matériau en présence ;

Cas des stries trop peu prononcées :

Les outillages possèdent des zones latérales comportant des stries, dont la géométrie est rectiligne, de forme oblongue, d’une largeur d’environ 2 à 3mm d’une profondeur de l’ordre de 0,5 à 1,5mm. Durant la première session d’essais (Juin 2009) certaines préformes guidées entre deux règles linéaires se bloquent en rotation par le fait que les extrémités ne sont pas suffisamment entraînées (Figure 49).

(a) (b) Figure 49 - Détail des extrémités de préformes de bielle 9023 interrompues en cours de laminage

[THESE/IWU]

La modification des zones striées se fait par l’adjonction manuelle de nouvelles stries plus prononcées, notamment avec augmentation de leur longueur. Cette amélioration corrige le défaut (Figure 50).

(a)

(b)

Figure 50 - Vue de détail de l'outillage de préforme de bielle type 9023, modification des stries sur les zones d'entraînement

Cas du « bourrage » de matière comme source de blocage de la pièce :

Cet effet se produit lorsque l’écoulement de matière n’est pas suffisamment maîtrisé. Dans le cas où, pour diverses raisons, le matériau déformable du lopin ne s’écoule pas longitudinalement de la manière attendue, une quantité trop importante de matière se retrouve emprisonnée entre deux coins de mise en forme. C’est le cas observé pour la préforme de bielle 9023 en acier C70S6 ainsi que pour les matériaux 38MnSiV5 ou 25CrMo4 qui, pour une même configuration de réglage du laminoir présente ce défaut de manière plus ou moins exacerbé selon le matériau. Pour cet exemple, deux causes sont identifiées : la première étant la variabilité du comportement de ces matériaux dont la contrainte d’écoulement est différente ; la seconde cause est très probablement liée à l’engagement prématuré du coin de mise en forme suivant avant que ne se termine l’opération de mise en forme en cours. Quelle qu’en soit la cause, les

conséquences directes d’une trop grande quantité de matière bloquées, sont respectivement, le bourrage de pièce dans l’entrefer, l’ovalisation de la section de pièce, l’arrêt de l’entrainement en rotation ; ces phénomènes apparaissant anarchiquement et contribuent mutuellement à l’apparition de défaut plus grand et conduisent à l’échec du processus de laminage.

(a) C70S6 (b) 25CrMo4 (c) 38MnSiV5

Figure 51 – Cas de bourrage de matière conduisant à un défaut d’entraînement [THESE/IWU]

Cas de l’outillage inadapté au coefficient de frottement du couple de matériau pièce-outil :

Cette situation est observée lors de la même campagne d’essais avec un lopin en CuAl10Ni5Fe4. Tous paramètres étant égaux par ailleurs, cet alliage est chauffé à 880°C, température qui correspond à la plage de travail appropriée pour la mise en forme (condition définie et testée au sein du laboratoire LCFC de l’ENSAM Metz). Quatre lopins sont laminés successivement et aucun ne se comporte à l’identique des autres. Parmi les phénomènes observés, un côté de la préforme glisse sur la matrice pendant que l’autre côté reste entraîné, un dépôt de ce matériau reste visible sur la surface d’outillage ainsi que sur les règles de guidage après laminage. Ce phénomène est propre au matériau CuAl qui manifestement a des caractéristiques tribologiques inappropriées pour être mis en forme sur cet outillage. Il convient très probablement de revoir les zones d’adhérence sur la matrice de manière à mieux adapter la rugosité ou de modifier la texture de surface afin d’adapter cette outillage au comportement de contact propre à ce matériau.

2.5.2.3 Bilan des observations expérimentales sur les causes d’instabilité

Les sources d’instabilité au roulement sont donc multiples et se conjuguent parfois ; parmi les causes possibles il est nécessaire de rechercher l’influence des paramètres suivants :

 Puissance de plastification requise est trop grande devant la capacité à fournir une adhérence ;

 Un défaut de parallélisme des plaques ou parallélisme des axes de rouleaux, contribue à un contact inégalement réparti ;

 L’entrefer mal ajusté : l’espace inter-matrice trop grand contribue à l’insuffisance de pénétration des aspérités d’outil dans la pièce. A l’opposé cet espace trop faible empêche l’écoulement longitudinal contribuant au blocage de pièce entre outils ;

 La présence de produits lubrifiants sur les matrices engendre du glissement ;

 Une texture de surface inégale ou trop peu marquée, par exemple, des stries trop peu profondes ou insuffisamment longues ;

 L’outillage n’est pas suffisamment rugueux (à l’échelle de rugosité micrométrique) pour une bonne adhérence en rapport avec le couple de matériau de la pièce et de l’outil ;

 Destruction de l’épaisseur de calamine sur la surface du lopin conduisant à créer artificiellement une rugosité de surface qui disparaît ensuite ;

 …