Ce travail a été financé par le concours de la commission Forge du CETIM et de la Région Lorraine. Dans ce manuscrit, les résultats liés à l'état de l'art et aux travaux d'autres équipes sont combinés avec ceux obtenus dans le cadre de la thèse.
Le procédé de laminage transversal
- Principe de fonctionnement
- Terminologie
- Laminoirs industriels
- Bancs d’essais expérimentaux
- Le banc d’essais développé à l’ENSAM de Metz
- Pièces obtenues par laminage transversal
- Les limites actuelles du procédé
- Etapes du développement du laminage transversal
Quelle que soit la configuration adoptée, les matrices à rouleaux croisés sont toutes constituées d'un ou plusieurs coin(s) de moulage dont la géométrie prismatique est en relief sur la surface de roulement de la pièce. Le broyeur à double cylindres visible sur la figure 7 est une construction récente de la société LASCO (2006).
Contexte de notre étude
Contexte économique et industriel
Le laminage transversal est un procédé qui répond aux critères d'amélioration de la préparation des ébauches car il génère peu de rayures et permet d'obtenir une bonne répartition des volumes. En 2011, la mise en production en série, par un constructeur français, d'une bielle laminée en croix est peut-être une étape importante quant à la place réservée à ce procédé par l'industrie de la forge en France.
Pourquoi le procédé est-il intéressant aujourd’hui?
Dans le cas de la production d'ébauches, le laminage croisé concurrence le laminage en retour, ce qui permet une répartition plus fine de la matière sur des coupes circulaires, ce qui réduit encore l'inclusion de matière. Qu'il s'agisse de conception ou d'usinage, ces étapes sont plus complexes à réaliser et accessoirement plus coûteuses.
Problématique de notre travail
Phénomènes physiques entrant en jeu lors du laminage transversal
La billette est alors située à l'extrémité de l'outillage, légèrement en amont de la pointe de chacun des coins de formage du premier segment de matrice. Le refroidissement superficiel de la pièce contribue à modifier localement les propriétés du matériau dans la zone de contact.
Configurations abordées dans ce manuscrit
Cas d’études et pièces fabriquées
Deux autres pièces ont été étudiées à l'aide des laminoirs et de l'outillage disponibles à l'Institut Fraunhofer pour les machines-outils et les techniques de formage (IWU) à Chemnitz, en Allemagne. Le tableau 9 liste les différentes pièces qui ont été fabriquées dans le cadre de cette thèse dans des configurations expérimentales.
Coin élémentaire : « simple » réduction de diamètre
L'angle d'inclinaison γ (gamma), qui indique l'inclinaison du bord du coin pendant sa phase de pénétration, est dérivé de α et β. D'autres paramètres tels que la hauteur d'angle (h), la largeur (l), les rayons d'arête Ra ou, plus généralement, les rayons de raccordement Rr, sont également utilisés pour définir précisément la géométrie d'angle.
Description étendue du coin élémentaire
Axe z : perpendiculaire au plan de roulement (direction radiale), cet axe permet de définir la hauteur du point considéré sur l'angle de forme. Largeur (l) Variable Constante Variable Constante. ld, lg) Tableau 11 - Détails notables des paramètres associés à chaque zone de formation.
Repérage de points remarquables sur un profil du coin
Ces assises sont généralement définies dans la littérature [WEP92], [DLT98] pour chaque coin de base selon la convention présentée dans le Tableau 11. Dans l'exemple de la Figure 21, les points G01, G04, G07 et G10 sont définis en premier car ils permettent de définir un profil sans rayon d'arête.
Etude à l’échelle d’une matrice
Le cas représenté sur la figure 22 est celui d'une filière équipée de deux cales élémentaires dont chacune commande la formation d'une rainure dans la pièce laminée. Par convention, chaque réduction de diamètre correspond à une gorge formée sur la pièce ; chaque réduction se fait à travers un seul coin, appelé coin de forme de base.
Résumé sur le paramétrage d’une matrice
Afin d'étudier avec précision les coins formés de la matrice, il est proposé que chaque coin, quelle que soit sa complexité, soit divisé en une combinaison (en série ou en parallèle) de coins élémentaires dont la géométrie "typique" est paramétrée en fonction de celle définie précédemment. L'examen de la matrice de mise en forme passe donc par la définition du repère global associé à la matrice et la décomposition de l'angle global en angles élémentaires.
Passage d’une matrice plane à une matrice curviligne
Dans le cadre de cette thèse, le logiciel de projection tridimensionnelle CATIA V5R18 a permis d'introduire des surfaces dont l'angle de formation varie linéairement en fonction du trait, rendant la définition de formation de surfaces beaucoup plus complexe. Ces problèmes conduisent généralement à l'utilisation de logiciels et d'opérations ultérieures pour vérifier la continuité des surfaces jointes.
Règles concernant les paramètres géométriques
- Sévérité de la déformation plastique
- Les angles caractéristiques α et β
- Les rayons d’arêtes
Ce rapport, qui exprime la sévérité de la pénétration des coins dans la pièce, est illustré à la Figure 25. De plus, à mesure que la netteté des bords diminue, l'étendue de la zone arrondie en contact avec la pièce augmente, comme le montre la Figure 26.
Etat de déformation et de contrainte en roulement
- Profil déformé et largeur de contact
- La pression de contact pour de faibles réductions
- Ligne de glissement et contraintes de contact
- Coefficient de glissement et rayon de roulement
- Rôle de l’entrefer et incidence sur le contact
La largeur de contact dépend de la réduction du diamètre de la tige et des conditions de frottement à l'interface pièce-outil. La répartition de la pression de contact n'est pas uniforme le long du profil de la pièce.
Géométrie de préforme au cours de la déformation
- Etude de la pénétration du lopin lors d’un roulement sans glissement
- Forme de la zone de contact
- Visualisation du contact pour des géométries complexes
Ceci provoque une déformation en torsion à l'intérieur de la billette qui sera fonction de l'angle γ du pas d'attaque du coin de forme. Le tableau 18 décrit les variantes possibles du paramètre c selon le choix de la géométrie de la cale de forme.
Condition d’adhérence requise pour l’entraînement en rotation de pièce
- Genèse de l’instabilité en roulement / glissement
- Faits expérimentaux
- Notion de coefficient de frottement critique
- La mesure de coefficients de frottement
- Frottement anisotrope et texture de surface
- Spécification d’une texture de surface
- Sensibilité à la loi de frottement en simulation numérique
Pas : l'espace entre deux rainures est lié à la géométrie de la surface de contact pièce/outil. Il existe des configurations pièce/outil pour lesquelles le coefficient de frottement peut varier significativement en fonction de la température de surface.
Les efforts outil/pièce
- Modélisation élémentaire
- Quelques modèles de calcul d’efforts
- Bilan comparatif des modèles de calcul d’efforts résultants
- La mesure d’efforts résultants
L'installation d'un dispositif de mesure de force dans le cas d'un laminoir à plaques est une opération délicate, car la charge est roulante. Les résultats des mesures d'efforts tangentiels sont donnés pour deux niveaux de réduction de 20 et 40 %.
La pression de contact
- Hypothèses sur l’allure du profil de pression
- Modèle de Pater 1997 pour l’estimation de la pression moyenne de contact
- La mesure de la pression de contact
- Essai préliminaire pour l’acier C17
- Essais de variation de température du lopin pour l’acier C17
- Essais de variation de l’entrefer pour l’acier C17
- Comportement de matériaux différents de l’acier
- Bilan des pressions de contact pour trois matériaux
Les réseaux utilisés pour les tests expérimentaux ont été conçus pour obtenir un signal de force réparti sur une surface de contact de broche de 2 mm (3,37 mm²) de diamètre en six points de mouvement de roulement. De plus, les résultats mettent en évidence le rôle important de la température de travail du matériau de base dans la valeur de la force de formage établie à l'interface pièce-outil.
Mesure de la température de contact
- Moyen et méthode de mesure
- Investigations sur une matrice de laminage transversale
Outre la difficulté de connaître a priori la température de fonctionnement, la taille du thermocouple doit également être prise en compte pour estimer son temps de réponse. La valeur t0,9 d'un thermocouple standard caractérise sa dynamique de réponse ; t0.9 correspond au temps nécessaire pour afficher 90% de la valeur de température finale.
Rapport puissance plastique / puissance transmise pour l’entraînement
- Bilan de puissance
- Expression théorique des puissances pour un solide rigide parfaitement
- Etude numérique du cas de la préforme haltère 9004
- Equilibre des puissances
Dans le cas d'un solide au comportement rigide-parfaitement plastique, la plasticité s'exprime par le produit de la contrainte d'écoulement et de la vitesse de déformation généralisée [M3003]. Pendant le flux de matière, la force de frottement est transférée par glissement sur la surface de l'outil de normale n ; elle dépend de la vitesse de glissement et du cisaillement de surface (effort de frottement tangentiel à l'interface).
Conclusion
Classes de défauts rencontrés en laminage transversal
Défauts de sections de pièce (Type I), tels que manque de circularité (ou ovalité résiduelle), manque de concentricité le long de l'axe de la pièce, rétrécissement des sections attendues constantes. Défauts internes (type III) tels que fissures, cols, arrachements ductiles, cavités créées par effet Mannesmann, microstructure désorganisée.
Typologie de défauts, causes et remèdes possibles
- Défauts concernant la géométrie finale de pièce
- Défauts impactant la santé de pièce
Ce défaut de surface est principalement (exclusivement ?) dû à l'enfoncement du bord du coin de formage sur la surface de la pièce [FD93]. La propreté inclusive de l'acier considéré est clairement indiquée comme cause de l'étendue des défauts.
La mise au point d’outillage
- Réglages et marges de manœuvres
- Exemple des matrices de préformes de Bielle 9023
Il faut préciser que les sections consacrées à l'étude des défauts des pièces s'inspirent largement des observations faites autour du développement de l'outillage des préformes de bielle. A l'issue de la première session de test de développement, une synthèse des observations a été faite (juin 2009).
Préforme haltère Chemnitz
- Influence des réglages sur l’amplitude de l’effort de laminage
- Influence du matériau
- Influence du taux de réduction de diamètre
- Influence de la vitesse de déformation
- Influence de la température lopin
La réduction du taux de réduction de 50 % à 35 % entraîne une augmentation de la caractéristique de pression. La section de la partie de la barre ayant subi une réduction de diamètre est plus importante ; la force de cohésion longitudinale s'opposant à la déformation d'allongement plastique est plus importante.
Conditions semi-industrielles: défauts mis en évidences sur les
- Défauts provenant de mauvaise condition d’adhérence
- Spécificité liées au laminage du TA6V
Ceci semble confirmer l'hypothèse d'un manque de capacité du matériau à résister à un effort de traction. En particulier, l'aspect dissipation thermique doit être développé pour améliorer les estimations du comportement du matériau.
Endommagement et usure des outillages
Le retour d'expérience d'un industriel sur la fabrication de préformes de bielle double indique que l'outillage a duré au moins l'équivalent de 75 000 pièces sans effets notables constatés sur le niveau de qualité des pièces. De plus, un dispositif de soufflage est installé pour évacuer les éventuelles particules et micro-copeaux présents à la surface de l'outil en fin de cycle.
Conclusion
Quelques règles énoncées dans la littérature
P15 La formation d'un rayon de bord de coin affecte les défauts de surface et induit. Des rainures spécifiques sont réalisées sur les surfaces latérales des cales de formage pour limiter le glissement de la pièce.
Section du coin de mise en forme
La mesure de la partie centrale de l'angle d'usinage de la préforme de bielle 9023 est effectuée dans la géométrie CAO fournie par IWU Chemnitz. Un tiers de la course parcourue avant d'atteindre la section maximale n'est pas utilisé dans le cas de cette filière.
Les domaines de fonctionnement
De plus, de nombreux schémas permettent de mettre en évidence des zones de fonctionnement déterminées expérimentalement ou à partir d'une ou plusieurs équations issues de la modélisation. Les champs limites acceptables sont mis en évidence sous la forme d'une colline opérationnelle dont le niveau varie avec la valeur de l'angle d'alignement β.
Autres règles identifiées au cours de la thèse
Garantir la stabilité au roulement en respectant la séquence des opérations Le façonnage d'une rainure commence lorsque le façonnage d'une autre se termine (calibrage inclus). Objectif de simplification de la conception des géométries d'angle Objectif de réduction des facteurs pouvant générer des forces antagonistes.
Un classement des règles de conception
Loin de se vouloir exhaustif ou d'apporter une vision définitive, le classement établi cherche à se rapprocher le plus possible d'un niveau d'information avancé. C'est par ex. c'est le cas de la règle T08, qui interdit l'acheminement des pièces pour maintenir la stabilité au roulement et la santé de la peau de la pièce, et va à l'encontre de la pratique observée dans la fabrication en série des préformes de bielle.
Proposition d’une méthode de conception
- Phase de conception (A1)
- Phase de simulation numérique (A2)
- Boucle(s) de correction
- Logigramme, démarche COLT et outil informatique
Effet sur le glissement de la pièce et le comportement du collet Tableau 40 - Instructions pour la saisie des données avec le logiciel FORGE©. Génération de géométries d'outils, de données de slug et de plages de formatage.
Conception d’une matrice pour la fabrication d’une pièce à double
- Détail des choix techniques
- Identification de défauts de forme par simulation numérique
- Mise en évidence de déformations angulaires
De même, la déformation angulaire pour chaque configuration est représentée sur la figure 136. L'amplitude des déformations permet de juger de l'importance de la torsion des fibres dans la peau de la pièce.
Analyse de pièces « industrielles »
- Arbres de boîte de vitesse
- Les préformes de bielles et choix du matériau
BABR05] Bielles démontables obtenues par laminage inverse à 1230 °C Micrographies et évolution granulométrique. En règle générale, la pièce passe par trois à douze tours (parfois même quinze) lors du façonnage.
Vers la conception Numérique?
- Tenir compte des spécificités du laminage transversal
- Recherche de paramètres et de critères pertinents
Chaque demi-tour du composant génère un nouveau cycle d'effort de compression/traction sur une zone préalablement sollicitée. La question de l'évolution de la contrainte acceptable par le matériau et de l'apparition éventuelle de fissures en fonction de l'historique de chargement est ainsi posée.
Conclusion
Les avantages offerts par le laminage transversal
Les difficultés identifiées
Verrous : ce qui pose encore questions
- Mise en forme réelle face aux résultats numériques
- Sur le comportement des matériaux utilisés
- A propos de la maîtrise du frottement d’adhérence
- Santé interne des pièces
Des paramètres significatifs
Perspectives : ce qui reste à développer
- Synthétiser de nouvelles règles
- Vers un essai de référence
- La collecte des données unifiées des résultats expérimentaux
- La constitution d’un outil d’aide à la conception
- Un critère d’endommagement spécifique
