Soutenance mémoire
Objectifs industriel et scientifique de cette thèse
Naturellement, l’industrie cherche à optimiser les paramètres de l’opération de découpage à chaud pour fabriquer des pièces répondant au cahier des charges clients en assurant une durée de vie des outils acceptable. L’objectif industriel de cette thèse est donc d’étudier l’influence des principaux paramètres de l’opération sur la durée de vie des outillages. Ainsi, l’influence de la température initiale de la tôle, du jeu inter lames et du matériau d’outil sur les mécanismes de dégradation des lames et leur cinétique est étudiée.
D’un point de vue scientifique, les phénomènes d’endommagements se produisant dans l’arête de coupe seront identifiés par des observations de surface et en coupe et les mécanismes d’endommagement dans cette arête seront décrits. Cette thèse s’intéresse donc au comportement des matériaux de lames soumis à des fortes sollicitations thermiques et mécaniques. Plus particulièrement, la nuance X70CrMoV5-2 utilisée pour le travail à froid [Uddeholm AB2016] et par l’industrie pour l’opération de découpage à chaud et la nuance X38CrMoV5 utilisée dans les procédés de travail à chaud [Uddeholm AB2013] sont étudiées. Cette dernière nuance est un acier de référence pour le travail à chaud notamment le forgeage [Delagnes1998 ; Mebarki2003 ; Velay2003 ; Barrau2004], la fonderie [Salem2009] et l’emboutissage à chaud [Boher+2012]), largement étudié au sein de l’ICA .
Evolution de l’effort de coupe en fonction du temps et du déplacement de l’outil
La courbe d’effort en fonction, soit du temps, soit de la pénétration de l’outil est une « signature » du procédé de découpage. Elle réunit les phénomènes liés au comportement de la presse utilisée pour le découpage [Miles2004 ; So2015], le comportement de la tôle, la géométrie et l’état d’usure de l’outil [Maillard2009].
Sa mesure est réalisée par une rondelle de charge pour la composante verticale (par rapport au plan de la tôle) [So2015] et par une platine de charge pour la composante verticale et horizontale [Nothhaft2014], ce qui est simple à mettre en oeuvre. Néanmoins, la richesse de l’information obtenue rend complexe l’interprétation de son évolution. La connaître sur un système expérimental peut aussi permettre d’extrapoler le résultat à des presses industrielles [Maillard2009].
Evolution de l’effort en fonction du temps
Le découpage est un problème dynamique, l’analyse de l’effort de coupe en fonction du temps permet de voir les phénomènes mécaniques liés au fonctionnement du système mécanique au cours d’une découpe [Maillard2009].
Compétition entre la qualité dimensionnelle et la résistance mécanique avec l’augmentation de température
La figure 2.11 présente des cartographies de dureté du bord découpé de tôle en 22MnB5 en fonction de la température (entre 400 ◦ C et 700 ◦ C) et du jeu (entre 5 % et 15 %) proposées par So [So+2012]. A 400 ◦ C, la dureté est largement inférieure à 480 HV donc la pièce n’est pas martensitique. De 500 ◦ C à 700 ◦ C, So [So+2012] constate que les zones proches de la hauteur arrachée sont les zones avec la dureté la plus faible (comprise entre 420 HV et 440 HV) pour toutes les températures. S’il n’y avait pas eu de déformation, cet intervalle de dureté correspondrait à un mélange entre une phase bainitique et martensitique [Grigorieva2010]. Il montre aussi que les zones de duretés supérieures à 480 HV (martensitique, sans déformation) s’étendent dans le bombé, la zone cisaillée et autour de la zone arrachée avec l’augmentation de la température.
L’augmentation de la température de découpe favoriserait l’obtention d’une microstructure à 480 HV martensitique, bien que la zone arrachée présente une dureté inférieure à ce seuil dans tous les cas.
Angle de positionnement : effort de coupe et qualité géométrique dépendant du signe de l’angle
En découpe à froid d’acier haute résistance, Mackensen [Mackensen+2010] montre que l’introduction d’un angle de positionnement (figure 2.2) positif entre 5° et 15° a peu d’influence sur l’effort de coupe (figure 2.13).
En découpage à chaud du 22MnB5, So [So2015] montre que pour les angles de positionnement négatifs, l’effort de coupe est supérieur à ceux des outils plats. Dans les deux cas, l’épaisseur de coupe projetée est supérieure à l’épaisseur de la tôle. Cependant, les angles de coupe positifs permettent de réduire l’effort de coupe. En effet, So [So2015] indique que, dans le cas d’un angle de positionnement positif, le moment fléchissant induit dans la tôle est supérieur à celui pour un angle négatif. Ce moment de flexion génère une contrainte de traction en surface de la tôle qui s’ajoute à la contrainte de cisaillement. La presse a donc besoin de moins d’effort pour rompre la tôle que pour des outils plats où la part liée à la flexion de la tôle est moindre. Dans ce cas, le mode de sollicitation de la tôle est un mode d’ouverture dit mode I [Lemaitre+2009], combiné à un mode de cisaillement plan (mode II). Dans le cas où l’angle est négatif, seul le cisaillement intervient sur une épaisseur projetée qui est plus grande que l’épaisseur de tôle (mode de cisaillement plan). L’effort de presse à fournir est donc supérieur à celui des outils plats.
En terme de qualité de la géométrie du bord découpé, les résultats de So [So2015] indiquent que l’ajout d’un angle négatif, modifie peu les proportions des hauteurs caractéristiques par rapport à des outils plats. L’ajout d’un angle positif, augmente la proportion de la hauteur de bombé, la proportion de la hauteur arrachée reste quasiment la même et donc la part de hauteur lisse diminue. Le bord découpé est orienté en fonction de l’angle de positionnement. Si les outils sont plats, il est orthogonal au plan de la tôle.
Matériaux d’étude
La compréhension des mécanismes de dégradation des lames de cisaillage passe par la connaissance des matériaux d’étude. L’analyse microstructurale d’un outil dégradé s’accompagne de la connaissance des compositions chimiques et des traitements thermiques des nuances. Puisque que des simulations numériques de l’opération de découpage à chaud sont menées pour connaitre les contraintes et les températures dans l’arête de coupe, il est indispensable de connaitre, les propriétés physiques et mécaniques en température de ces nuances.
Revenus
Le choix de la dureté de la lame se fait en fonction de la température de revenu détaillée dans les courbes de revenu 5 . Selon Merbarki [Mebarki2003], les aciers X38CrMoV5 subissent deux étapes de revenu pour conférer à l’outil ses propriétés. Pour cette nuance, le premier revenu se fait à 550◦ C pendant 1 h selon [Lévêque2013b]. La température du second revenu est comprise entre 550 ◦ C et 650 ◦C pendant 2 h minimum [Uddeholm AB2013]. Finalement, la dureté de l’acier X38CrMoV5 chute entre 40 HRC et 55 HRC. Le choix de la dureté se fait en fonction de l’application visée [Uddeholm AB2013]. La documentation technique d’Uddeholm [Uddeholm AB2013] suggère pour le cisaillage à chaud une dureté de lame comprise entre 50 HRC et 53 HRC.
Pour l’acier X70CrMoV5-2, la température de revenu est de 525 ◦ C pendant 2 h au minimum [Uddeholm AB2016]. La température du second revenu est comprise entre500◦ C et 600◦C pendant 2 h minimum conférant une dureté comprise entre 49 HRC et 61 HRC [Uddeholm AB2016].
Microstructures initiales à coeur des lames en X38CrMoV5 et X70CrMoV5-2
Les microstructures qui sont présentées sont obtenues à partir des chutes des lames inférieures d’étude (figure 2.14). Les chutes sont tronçonnées, enrobées et polies miroir pour mesurer leur dureté par micro indentation sur un équipement Buehler Micromet 2001. Les observations microstructurales au microscope électronique à balayage de l’ICA (FEI Nova Nano SEM 450 ) sont faites après avoir attaqué les échantillons au nital 10 % (acide nitrique dilué dans de l’éthanol).
Endommagement et rupture
Sur l’aspect endommagement, en emboutissage à chaud du 22MnB5, Bruschi et Ghiotti [Bruschi+2014] considèrent qu’une approche basée sur la théorie de l’endommagement continu de Lemaitre [Lemaitre1985] peut être efficace pour déterminer les ruptures et les strictions lors de la mise en forme.
Le modèle endommagement de Lemaitre [Lemaitre1985] peut être identifié à travers une analyse inverse d’essais de traction uni-axiale. Hu [Hu+2015] réalise cette identification sur du 22MnB5 (épaisseur 2 mm) à 800 ◦ C, 750 ◦ C, 700 ◦ C et 650 ◦ C à l’état austénitiquepour différentes vitesses de déformation (0,01 s−1, 0,1 s −1 et 1 s −1 ) et identifie un modèle d’endommagement de Lemaitre couplé au comportement plastique de la tôle. La figure 2.26 présente les évolutions de la variable d’endommagement du 22MnB5 en fonction du déplacement de la traverse de la machine d’essais de traction issus des travaux de Hu [Hu+2015]. La figure 2.26.a montre que plus la température est élevée moins la déformation pour atteindre le même niveau d’endommagement est importante. Au contraire, la figure 2.26.b montre que plus la vitesse de déformation est élevée, plus la déformation pour atteindre le même niveau d’endommagement est importante. Surl’aspect endommagement, il y a aussi une compétition entre la température de la tôle et la vitesse de déformation.
Transfert thermique
La conduction thermique d’interface du 22MnB5 revêtu Al-Si avec des matériaux d’outils a notamment été étudiée en emboutissage à chaud [Geiger+2008 ; Abdulhay+2010 ; Karbasian+2010 ; Kaza2010 ; Wieland+2010 ; Merklein+2015]. Ces identifications sont menées pour des pressions de contact inférieures à 100 MPa ce qui est très inférieur aux pressions de contact connues en découpage (environ 2000 MPa selon Hambli [Hambli2001a]). Le tableau 2.5 regroupe les modèles de conduction thermique d’interfaces proposés par Abdulhay [Abdulhay+2010] (résistance thermique de contact caractérisée à 600 ◦ C), Kaza [Kaza2010] (caractérisation à 460 ◦ C et 560 ◦ C) et utilisé par So [So2015] pour simuler la découpe à chaud.
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Table des matières
Remerciements
Table des matières
Table des figures
Liste des tableaux
Listes des symboles
1 Introduction générale
1.1 L’allègement des véhicules par l’utilisation d’aciers haute résistance pour réduire les émissions polluantes
1.1.1 Un contexte réglementaire contraignant
1.1.2 Utilisation des aciers à haute résistance pour la fabrication de pièces de structure automobiles
1.2 Une solution de mise en forme des aciers à haute résistance : l’emboutissage à chaud
1.2.1 Emboutissage à chaud des aciers trempants au bore manganèse
1.2.2 La nuance de tôle de l’étude 22MnB5
1.3 Un projet de recherche pour lever les verrous de l’emboutissage à chaud : le projet PRICECAT
1.3.1 Premier verrou : optimisation de la chauffe du flan
1.3.2 Second verrou : validation des cycles thermomécaniques subis par la pièce
1.3.3 Troisième verrou : compréhension des mécanismes de dégradation des lames de découpage à chaud
1.3.4 Quatrième verrou : conception d’un outil multi-étapes
1.4 Problématiques du découpage à chaud
1.5 Objectifs industriel et scientifique de cette thèse
1.6 Démarche scientifique adoptée
2 État de l’art sur la dégradation des outillages de découpage à chaud
2.1 Généralités sur l’opération de découpage
2.1.1 Définition d’une opération de découpage à chaud
2.1.2 Description d’une lame de découpe
2.1.3 Définition de la qualité des pièces découpées
2.1.4 Evolution de l’effort de coupe en fonction du temps et du déplacement de l’outil
2.2 Influence des paramètres de l’opération sur l’effort maximal de coupe et la qualité des pièces produites
2.2.1 Influence de la température initiale de la tôle
2.2.2 Influence du jeu inter lames
2.2.3 Influence de la vitesse de descente de la lame
2.2.4 Influence des angles de vague et de positionnement
2.3 Matériaux d’étude
2.3.1 Les nuances de matériaux d’outils X38CrMoV5 et X70CrMoV5-2
2.3.2 Le matériau de tôle 22MnB5 revêtu Al-Si
2.4 Comportement à l’interface tôle/outil
2.4.1 Valeurs du coefficient de frottement
2.4.2 Transfert thermique
2.5 Evaluations des contraintes et des températures dans les lames basées sur la simulation numérique éléments finis
2.5.1 Modélisation et simulation par la méthode des éléments finis de l’opération de découpe
2.5.2 Validation du comportement de la tôle
2.5.3 Estimation du champ de contraintes mécaniques et des températures dans les outils
2.5.4 Estimation du volume usé par l’introduction de la loi d’Archard sur des outils rigides
2.6 Dégradations observées sur les outils de découpe
2.6.1 Découpe à température ambiante d’aciers doux
2.6.2 Découpe à température ambiante de tôles d’acier 22MnB5 martensitique
2.6.3 Découpage à chaud de tôles épaisses en acier
2.7 Indicateurs expérimentaux de la cinétique d’usure d’un outil de découpe
2.7.1 Approche basée sur la géométrie de l’arête de coupe
2.7.2 Approche basée sur la qualité des pièces produites
2.7.3 Approches de l’usure basées le suivi d’un indicateur établi à partir courbe d’effort de coupe / déplacement de l’outil
2.8 Conclusions de l’état de l’art
3 Présentation des moyens d’essais et d’analyse de l’usure des lames de découpage à chaud
3.1 Moyen d’essais de découpage à chaud en cadence
3.1.1 Modules composant le moyen d’essais de découpage
3.1.2 Description du module de découpage
3.1.3 Description de la chaine d’acquisition des mesures
3.1.4 Description d’un cycle de découpage à chaud
3.1.5 Points limitant la performance du moyen d’essais
3.2 Moyens d’observation des dégradations pour l’identification de leurs mécanismes
3.2.1 Observations des dégradations par microscopie électronique à balayage
3.2.2 Mesures de microduretés dans l’arête de coupe
3.3 Moyens d’estimation de la cinétique d’usure des arêtes de coupe
3.3.1 Indicateurs expérimentaux de la cinétique de dégradation de l’arête de coupe
3.3.2 Moyen de mesure du profil de l’arête de coupe par topomicrographie
3.3.3 Estimation de la hauteur de bavure d’une tôle découpée
3.4 Conclusions de la présentation des moyens d’analyse de l’usure des lames de découpage à chaud
4 Essais de cisaillage unitaire et simulations numériques associées
4.1 Démarche expérimentale pour les essais de cisaillages unitaires
4.1.1 Définition des essais unitaires
4.1.2 Influence de la température initiale sur l’effort maximal de coupe
4.1.3 Analyse des microstructures de tôle
4.1.4 Comparaison de l’évolution de l’effort maximum avec la littérature
4.1.5 Influence de la température initiale de la tôle sur l’évolution de l’effort et du déplacement au cours du temps
4.2 Simulation des essais unitaires de cisaillage à chaud
4.2.1 Introduction au modèle éléments-finis de l’opération
4.2.2 Définition des domaines, conditions aux limites mécaniques et conditions initiales thermiques
4.2.3 Maillages des domaines
4.2.4 Description des comportements thermiques et mécaniques des domaines et des interfaces
4.2.5 Schéma de résolution explicite
4.2.6 Résumé des paramètres nécessaires à la simulation de l’opération de cisaillage à chaud
4.3 Validation de la simulation éléments finis
4.3.1 Evolutions de l’effort de coupe
4.3.2 Evolution de la pression de contact
4.3.3 Evolutions des températures et des contraintes dans l’arête de coupe au cours du temps
4.3.4 Evolutions des vitesses de déformation
4.3.5 Discussion sur la validation du modèle
4.4 Etude numérique de l’influence des paramètres de l’opération
4.4.1 Configurations utilisées dans les simulations
4.4.2 Evolutions de l’effort maximal de coupe
4.4.3 Evolutions de la température maximale de surface de la lame supérieure
4.4.4 Evolutions de la contrainte maximale dans l’arête
4.5 Conclusions sur les essais unitaires et les simulations numériques associées
4.5.1 Mise en oeuvre du moyen d’essais
4.5.2 Modélisation E.F de l’opération de découpage à chaud
4.5.3 Influence des paramètres de l’opération sur l’effort de coupe, les contraintes et les températures générées dans l’arête de coupe
5 Identification des mécanismes et des cinétiques de dégradation des arêtes d’outils
5.1 Démarche d’analyse
5.1.1 Configurations permettant l’identification des dégradations et de leurs cinétiques
5.1.2 Plan d’essais de cisaillage à chaud dits en cadence
5.1.3 Procédure d’analyse de la dégradation d’une lame
5.2 Identification des dégradations
5.2.1 Observations de l’état initial de l’arête de coupe
5.2.2 Evolution des lames après essais
5.3 Identification de la cinétique de dégradation
5.3.1 Evolutions du déplacement du sommet d’arête de coupe
5.3.2 Influence des paramètres du procédé sur la hauteur de bavure
5.3.3 Evolution de la mesure de l’effort maximal de coupe
5.4 Discussions des mécanismes et des cinétiques de dégradation
5.4.1 Mécanismes de dégradation
5.4.2 Cinétiques de dégradation
5.5 Conclusions de l’analyse des essais en cadence
6 Conclusion générale et perspectives
6.1 Conclusion générale
6.2 Perspectives
Annexes
A Compléments bibliographiques
A.1 Nuances des aciers à outils utilisées en emboutissage et en découpage
A.2 Mesurer le profil de l’arête de coupe de la lame
B Compléments sur les matériaux d’outils X38CrMoV5 et X70CrMoV5-2
B.1 Traitements thermiques
B.1.1 Recuit
B.1.2 Austénitisation et trempe
B.1.3 Revenus
C Plan des cassettes
D Complément sur l’estimation de la température de l’arête de coupe au cours des cycles par la simulation EF
E Compléments sur le modèle EF de l’opération de découpage
E.1 Description de la partie thermique du modèle
E.1.1 Équation locale de la thermique
E.1.2 Comportement thermique dans les domaines : conduction de la chaleur
E.2 Description de la partie mécanique du modèle
E.2.1 Équation équilibre dynamique local de la mécanique
E.2.2 Relation déplacements/déformations
E.2.3 Décomposition de la vitesse de déformation totale
E.2.4 Comportement élastique
E.2.5 Dilatation thermique
E.2.6 Comportement plastique
E.3 Interactions aux interfaces
E.3.1 Détection du contact
E.3.2 Echange thermique aux interfaces
E.3.3 Frottement
E.4 Compléments sur la simulation de l’opération de cisaillage à chaud
E.4.1 Géométries
E.4.2 Discussion sur le choix des propriétés utilisées dans la simulation de l’opération
E.4.3 Interactions aux interfaces
E.5 Résultats de simulation
E.5.1 Effet de la température initiale de la tôle
E.5.2 Effet du jeu de découpe
E.5.3 Effet du rayon
F Compléments sur l’analyse des dégradation des lames
F.1 Présentation de l’outil de démonstration du partenaire industriel
F.2 Etendue du transfert Al-Si
G Préparations métallographiques
G.1 Nickelage
G.1.1 Principe
G.1.2 Préparation du bain de Watt
G.1.3 Dépôt de la couche de nickel
G.2 Polissage
G.3 Attaque chimique
Bibliographie
