Soutenance mémoire
CONTEXTE INDUSTRIEL
Objectifs
L’industrie automobile est confrontée à de constants objectifs d’amélioration tant au niveau de la protection des passagers que pour la diminution de la consommation. On voit depuis plusieurs années augmenter le poids des véhicules du fait de la présence d’airbags, de renforts anti-intrusion pour avoir de meilleures prestations en cas de choc, et d’une amélioration générale du confort des utilisateurs. Tout ceci nuit à la diminution de la consommation des véhicules et par conséquent à l’écologie. Il est donc important de trouver d’autres matériaux ou d’autres technologies permettant de diminuer la quantité de matière de certaines pièces voire même de supprimer certains renforts. PSA Peugeot Citroën s’attelle à cette tâche en développant de nouveaux procédés de fabrication permettant d’augmenter les propriétés mécaniques de certaines parties de caisse en blanc (pièces embouties) sans ajouter de matière ni même modifier le type d’acier utilisé. Dans cette optique, le choix d’un traitement thermique local permet un bon compromis entre bonnes propriétés mécanique finales et ductilité initiale acceptable du matériau avant traitement thermique. Le chauffage par induction est une technologie parfaitement appropriée au traitement thermique local de l’acier grâce à sa faculté de maîtriser précisément les zones affectées thermiquement (ZAT).
La pièce étudiée
Nous nous intéresserons dans cette étude du procédé à une pièce choisie par PSA Peugeot Citröen mettant en évidence le gain que le traitement thermique apporte en terme de masse et de coût de revient du procédé. Il s’agit d’un pied milieu type A7, c’est-à-dire le montant que l’on retrouve entre les portières avant et arrière d’une Peugeot 207 cinq portes (Figure 2). Cette pièce emboutie possède une géométrie tridimensionnelle complexe de par sa forme que nous nommerons « en U », son galbe tout le long de la zone traitée thermiquement et ses perçages, notamment les trous de fixation de la ceinture de sécurité (plan de la pièce Figure 3). Le système de coordonnées donné en Figure 3 est le référentiel véhicule. Nous utiliserons tout au long de ce mémoire l’axe Z pour l’axe vertical par rapport au véhicule, l’axe X pour l’axe allant de l’avant à l’arrière du véhicule et enfin l’axe Y de façon à compléter le référentiel orthonormal. Le pied milieu est obtenu à partir d’une tôle d’acier de 2mm d’épaisseur en acier référencé HR45 ferritique (acier hypoeutectoïde au manganèse de type C15). Cette tôle est dans un premier temps emboutie puis dans un second temps, détourée au laser. La structure obtenue suit un cahier des charges strict d’un point de vue des dispersions géométriques afin de pouvoir être fixée en chaîne de montage automatique, par point de soudure, avec les autres éléments de la caisse en blanc. Elle comporte en fin de mise en forme un champ de contrainte interne qui devra être pris en compte pour modéliser précisément les distorsions lors du traitement thermique.
Etudes antérieures
Le procédé de traitement thermique local de tôles embouties est à l’étude depuis plusieurs années chez PSA Peugeot Citroën. Tout d’abord, une étude technico-économique s’est portée sur les pieds milieux car cette pièce est actuellement soit doublée d’un renfort, soit raboutée (une tôle est soudée bout à bout à la première avant emboutissage) d’un acier à haute résistance mécanique. La trempe locale permet donc de réduire le poids de la pièce en supprimant la présence d’acier (plus dense), et de réduire les coûts de productions dues soit à l’emboutissage et soudage d’un renfort, soit au raboutage et emboutissage d’un flanc avec soudure. En 2000, une estimation des gains a été faite sur un renfort de pied central de Peugeot 306 : 750g par pièce et coût de production diminué de plus de 40% [GASPAR-2000]. Suite à cette étude économique encourageante, des études de risques ont été effectuées sur différents points comme la tenue de la peinture sur l’acier, les risques d’oxydation, la soudabilité, etc…. Finalement, un risque a été levé sur la géométrie de la pièce. En effet, il a été remarqué empiriquement une forte dispersion des distorsions lors du traitement thermique. C’est alors que l’idée de brider la pièce lors du traitement thermique fut proposée et testée. Ces essais ont permis de corriger les déformations après trempe de façon très significative par rapport aux essais sans précontraintes [ZANETTI-2001]. En complément de ces essais expérimentaux, une étude de la prestation en chocs du pied milieu de 306 sans renfort a été menée. La Figure 4 présente deux pièces, une traitée et l’autre non traitée, suite au même test anti-intrusion. Le but de ce test est de visualiser la propriété de la pièce à protéger la tête des passagers lors d’un choc latéral. Le procédé de traitement thermique par induction de tôles embouties étant un procédé complexe (couplant phénomènes thermiques, mécaniques, métallurgiques et électromagnétiques), les études empiriques ne sont pas aisées. C’est pourquoi nous nous intéressons aujourd’hui à une meilleure compréhension des phénomènes à l’aide de la simulation numérique.
LES 4 PHASES DU PROCEDE INDUSTRIEL
Le procédé de traitement thermique a pour but de s’insérer dans la chaîne de fabrication juste après l’emboutissage. Il peut être décomposé en quatre étapes : un bridage de la pièce sur un support, un chauffage local par induction électromagnétique, une trempe par immersion en bain d’eau et un débridage de la pièce.
Le bridage
La tôle emboutie est placée sur un support doté d’outils de bridage permettant d’imposer un déplacement à des points définis de la pièce. Cette étape a pour but de créer un champ de contraintes internes dans la pièce superposé au champ de contraintes résiduelles dû à l’emboutissage. Ces contraintes du domaine élastique ou élasto-plastique pourront être indirectement sources d’un champ de déformations plastiques en fin de traitement thermique. Une bonne maîtrise du bridage nous permettra d’obtenir après traitement, un champs de déformation plastique total (contraintes résiduelles d’emboutissage + bridage + gradients thermiques et métallurgiques + plasticité de transformation etc.…) n’impliquant aucun changement de la géométrie globale de la pièce. Cette étape, associée à une bonne estimation des distorsions lors du traitement thermique, est capitale dans la maîtrise de la géométrie finale de la pièce traitée, et donc dans la possibilité de montage de la pièce sur l’ensemble de la caisse en blanc.
Le chauffage par induction
La pièce et son support de bridage se placent sous un inducteur de forme. La conception de l’inducteur et son entrefer avec la pièce définiront précisément les zones chauffées et par conséquent les zones trempées à l’étape suivante (Zone Affectée Thermiquement : ZAT). Pour une température maximale à atteindre (donc une énergie donnée fournie au système), le couple entre la puissance fournie par le générateur et le temps de chauffage va déterminer les effets respectifs de la puissance dissipée par effet Joule par rapport à l’effet de la diffusion thermique. Dans le domaine des couples puissance – temps de chauffage acceptables par l’installation, il vaut mieux privilégier les temps de chauffage les plus courts pour une meilleure précision de la ZAT.
La trempe
Simultanément à l’arrêt du générateur, la pièce bridée sur son support est plongée dans un bain d’eau à température ambiante. Le fort coefficient d’échange thermique entre l’eau et l’acier associé à la faible épaisseur des tôles de caisse en blanc (jusqu’à 2mm) provoque une chute brutale de la température du matériau dans l’ensemble de la pièce. L’austénite, instable en dessous de la température AC1, va se transformer en une phase thermo-dynamiquement hors équilibre. La phase résultante de la trempe dépendra des propriétés métallurgiques du matériau et de la vitesse de refroidissement. On obtiendra, pour des vitesses de refroidissement croissantes, de la ferrite (transformation proche de l’équilibre), de la perlite (ferrite + Fe3C), une bainite, de la martensite, ou un mélange de plusieurs de ces phases (voir paragraphe 1.3.3 de ce chapitre). L’apparition d’une nouvelle phase, telle que l’austénite au chauffage, impliquera un changement de densité volumique dans la ZAT. De plus, au refroidissement, une déformation plastique spécifique aux changements de phase sous contraintes (même très inférieures au seuil de plasticité) appelée plasticité de transformation peut intervenir. Ces phénomènes généreront un champ de contrainte qui doit être équilibré par les outils de bridage.
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Table des matières
Introduction
CH 1 : Contexte industriel et scientifique
1.1. Contexte industriel
1.1.1. Objectifs
1.1.2. La pièce étudiée
1.1.3. Etudes antérieures
1.2. Les 4 phases du procédé industriel
1.2.1. Le bridage
1.2.2. Le chauffage par induction
1.2.3. La trempe
1.2.4. Le débridage
1.3. Un problème multiphysique couplé
1.3.1. Composantes électromagnétiques
1.3.2. Composantes thermiques
1.3.3. Composantes métallurgiques
1.3.4. Composantes mécaniques – Les distorsions et contraintes résiduelles
Bibliographie
CH 2 : Essais expérimentaux : démonstrateur industriel et cas semi-industriel
2.1. Essais sur démonstrateur industriel
2.1.1. Objectifs
2.1.2. Moyens
2.1.3. Résultats des essais avec les paramètres de référence
2.1.4. Influence des paramètres de chauffage
2.1.5. Influence des paramètres de bridage
2.1.6. Conclusions sur les essais sur démonstrateur industriel
2.2. Mise au point d’essais sur une configuration simplifiée
2.2.1. Présentation du cas d’étude
2.2.2. Plan d’expériences
2.2.3. Résultats thermiques
2.2.4. Résultats métallurgiques
2.2.5. Résultats mécaniques
2.2.6. Conclusions
Bibliographie
CH 3 : Simulation thermo-électromagnétique
3.1. Simulation électromagnétique
3.1.1. Equations de Maxwell
3.1.2. Formulation potentiel vecteur / potentiel scalaire
3.1.3. Approximation harmonique
3.1.4. Calcul du courant source
3.1.5. Calcul du champ potentiel magnétique
3.1.6. Le ferromagnétisme
3.2. Simulation thermique
3.2.1. Equation de la chaleur
3.2.2. Résolution numérique
3.2.3. Problèmes liés aux traitements thermiques
3.3. Couplages entre électromagnétisme et thermique
3.3.1. Le couplage « ultra faible »
3.3.2. Effets du champ magnétique sur la température
3.3.3. Effets de la température sur la résolution électromagnétique
3.3.4. Procédure du couplage thermo électromagnétique
3.4. Application au procédé semi-industriel
3.4.1. Paramètres électromagnétiques
3.4.2. Paramètres thermophysiques
3.4.3. Résultats de calcul
Bibliographie
CH 4 : Modélisation du couplage thermomécanique
4.1. Modélisation du problème mécanique
4.1.1. Rappels sur les tenseurs de contraintes et déformations
4.1.2. Expression locale du problème mécanique
4.1.3. Expression globale et discrétisation du problème mécanique
4.2. Loi rhéologique, comportement THEVP
4.2.1. Equation de Prandtl-Reuss, domaines élastique et inélastique
4.2.2. Loi rhéologique (THEVP)
4.2.3. Résolution numérique des équations de Prandtl-Reuss
4.3. Couplage thermomécanique
4.4. Application au procédé semi-industriel
4.4.1. Mesure du coefficient linéique de dilatation
4.4.2. Modules de Young et de Poisson
4.4.3. Résultats de calcul
Bibliographie
CH 5 : Modélisation couplée thermomécanique et métallurgie
5.1. Cinétiques de transformation de phases en trempe
5.1.1. Modèle de cinétiques de transformation de phases
5.1.2. Approche des cinétiques anisothermes par le formalisme d’Avrami
5.1.3. Calcul de la transformation d’austénite en ferrite, perlite, bainite et martensite
5.2. Transformations de phases au cours du chauffage rapide
5.2.1. Processus de l’austénitisation
5.2.2. Effets du chauffage rapide sur la trempe
5.2.3. Modélisation des cinétiques d’austénitisation
5.3. Calcul thermomécanique multiphasée
5.3.1. Les déformations métallurgiques
5.3.2. Loi rhéologique THEVP multiphasée
5.3.3. Effets des contraintes sur les temps de transformation
5.3.4. Couplage thermo métallurgique
5.3.5. Diagramme des couplages thermomécaniques et métallurgiques
5.4. Conclusions et hypothèses sur les couplages multiphysiques
5.5. Application au procédé semi-industriel
5.5.1. Etudes antérieures sur le HR45
5.5.2. Paramètres de la loi THEVP
5.5.3. Diagrammes TTA, TTT et paramètres des couplages métallurgiques
5.5.4. Résultats de calcul
Bibliographie
CH 6 : Simulation numérique du procédé semi-industriel
6.1. Mise en données du code de calcul
6.2. Plan d’expérience numérique
6.3. Comparaison des résultats numériques à l’expérience
6.3.1. Simulation du bridage de la tôle emboutie
6.3.2. Résultats en température
6.3.3. Etude métallurgique
6.3.4. Prédiction de la géométrie finale
6.4. Etude des distorsions mécaniques au cours du procédé
6.4.1. Elongation des pièces
6.4.2. Ouverture de la forme en « U »
6.4.3. Etats de contraintes et déformations
6.5. Conclusion sur les résultats numériques
Bibliographie
Conclusions
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