La technologie du laminage transversal 

Le procédé de laminage transversal

Principe de fonctionnement

Le laminage transversal est un procédé de mise en forme par déformation plastique qui permet de produire des pièces métalliques globalement axisymétriques.
Le principe consiste à déformer un lopin cylindrique pour obtenir une pièce de révolution comportant une ou plusieurs réductions de section réparties le long d’un axe principal. La déformation ainsi que l’entraînement en rotation du lopin sont imposés au moyen de matrices mobiles portant des gravures convexes appelées coins de mise en forme. Au cours d’un cycle de laminage, le profil variable du coin de mise en forme repousse progressivement le matériau du lopin appliquant une déformation plastique en compression radiale et une extension dans la direction longitudinale de la pièce.
Durant le laminage, un couple d’entrainement en rotation de la pièce autour de son axe est imposé par adhérence sur l’outillage. Pour diminuer l’effort de mise en forme, le travail de la matière se fait majoritairement à chaud. Il existe également quelques applications à froid, très rarement à mi- chaud. L’entraînement en rotation de la pièce est une condition nécessaire à l’obtention d’une pièce de haut niveau de qualité ; il doit être maîtrisé assez finement afin d’éviter de nombreux défauts. Les principales caractéristiques du mouvement de rotation de pièce sont :
La pièce tourne théoriquement autour de son axe de révolution ; le matériau étant déformable, cet axe peut s’incurver et varier au cours du cycle de laminage ;
Le mouvement est permanent, dans la mesure du possible il se fait à vitesse de matrice constante après montée en régime établi afin de garantir la stabilité de pièce ;
La transmission d’effort se fait par adhérence sur les surfaces de contact pièce/outil et par obstacle entre le coin et la pièce.

Pièces obtenues par laminage transversal

Les applications industrielles sont diverses et les niveaux de qualité de pièce sont très variables. L’institut « Physical-Technical Institute of National Academy of Sciences of Belarus » présentent par exemple, des pièces telles que : rotules de direction, éclisses, axes, burins, dents de foreuses, fers à cheval…etc .
L’institut « IWU Chemnitz » développe des applications pour l’automobile ou l’aéronautique, comme par exemple des préformes et des arbres creux de boites vitesses automobile. Bien que l’obtention des pièces intégrant des opérations de mise en forme par laminage transversal se soit fait avec succès, ces applications ne sont actuellement pas industrialisées pour des raisons sans lien avec l’usage du laminage transversal.

Visualisation du contact pour des géométries complexes

Les outillages industriels comportent généralement plusieurs coins dont la géométrie est complexe: variation d’angles, surface gauches, rayons de raccordement variables, correction d’inclinaison des plans, etc. Par conséquent, les expressions classiques développées dans le cas d’un coin élémentaire à simple réduction de diamètre, dont les flancs sont plans et ne comportant pas de congés entre plans, représentent des cas extrêmement simplifiés. Le besoin de visualiser les surfaces de contact et de les mesurer (aire, orientation, évolution…) est avéré en phase de conception d’outillage pour aider à la détermination des efforts, vérifier l’équilibre de pièces dissymétriques ou contrôler la validité d’une opération de mise en forme conformément au résultat escompté. La visualisation des géométries intermédiaires de pièce est rendue possible par la simulation numérique, bien que les applications actuelles en laminage transversal restent encore dans la plupart des cas trop complexes et trop longues à développer. Une alternative relativement peu coûteuse consiste à utiliser un logiciel de dessin tridimensionnel pour réaliser l’intersection entre un lopin cylindrique et l’outillage considéré et appliquer l’enlèvement de volume par soustraction booléenne sur le cylindre. Cette opération revient à éliminer le volume de matière correspondant à celui qui aurait été repoussé.
Dans le cadre des activités d’enseignement associées à la recherche à l’ENSAM, un groupe d’étudiants a développé une macro CATIA permettant de remplir les fonctions suivantes :
Générer un lopin cylindrique dont le diamètre initial est précisé par l’opérateur ; Générer une géométrie de coin élémentaire de mise en forme simple réduction de diamètre, basée sur le paramétrage des angles et des longueurs sur un outillage plan ;
Permettre l’importation d’un corps géométrique complet de matrice de type plan ; Générer des formes intermédiaires de lopin par ‘’opération booléenne’’ de soustraction entre un lopin cylindrique et le coin de mise en forme de la matrice en format CAO 3D ; Visualiser et mesurer les surfaces d’interférences ; Exporter la géométrie obtenue.

Phénomènes physiques entrant en jeu lors du laminage transversal

Pour bien comprendre la variété des paramètres entrant en ligne de compte, il est nécessaire d’observer en détail les phénomènes physiques intervenant au cours d’un cycle de laminage.
Le début d’un cycle de laminage se fait par la mise en contact d’un lopin cylindrique entre deux matrices ; le positionnement est réalisé au moyen d’un dispositif de maintien (chanfrein, gorge ou plaque support) et d’une ou plusieurs butées de réglage. Le lopin se trouve alors en bout d’outil, légèrement en amont de la pointe de chacun des coins de mise en forme du premier segment de matrice. La pointe des coins de mise en forme est orientée en sens opposé l’une de l’autre. Le plus généralement le lopin a été chauffé au préalable afin de faciliter la mise en forme, la contrainte d’écoulement étant alors considérablement abaissée.
La mise en mouvement des matrices permet d’entraîner le lopin en rotation autour de son axe longitudinal. Le mouvement est transmis par adhérence du lopin au contact des matrices, l’effort est généré sur la zone de contact pièce/outil de part et d’autre du lopin et crée ainsi un couple d’efforts entrainant la pièce en rotation. Un frottement minimum est donc requis ; cette adhérence est souvent garantie par des bandes de roulement sur lesquelles des stries perpendiculaires à la direction de déplacement de la pièce ont été réalisées. La texture de surface de l’outillage caractérisée par l’orientation et la profondeur des stries, permet notamment de contrôler l’amplitude du couple à transmettre [MLB11]. Ce contrôle pourtant délicat joue un rôle majeur dans la stabilité du processus de mise en forme et sur la qualité des pièces obtenues [CHL95].
L’influence des phénomènes tribologiques qui entrent en jeu au cours du laminage est donc significative. Dès que les coins de mise en forme pénètrent dans la matière, ils exercent une déformation plastique sur le matériau du lopin, le contraignant à s’écouler en partie par compression radiale de la matière, et principalement par extension dans sa direction longitudinale. Cette plastification de la matière est très localisée et son amplitude dépend de la géométrie des matrices (angles et longueurs). La zone de contact outil/pièce, qui est relativement petite en regard
du volume de matière de la pièce, est le siège de fortes sollicitations normales et tangentielles. Les champs de contraintes complexes qui en découlent dépendent fortement des conditions de contact à l’interface avec les matrices (orientation et texture). Alors que l’adhérence est nécessaire pour l’entrainement en rotation de la pièce dans une direction particulière, il est non moins nécessaire de garantir une possibilité de glissement de la matière pour favoriser l’écoulement longitudinal. Les phénomènes thermiques intervenant pendant le laminage sont également complexes. Ils sont théoriquement de trois ordres : rayonnants, convectifs, conductifs. Les transferts thermiques par conduction interviennent sur la zone de contact pièce/outil. La pièce à chaud étant constamment en roulement sur la matrice « froide », la surface d’échange est renouvelée de manière permanente contribuant à l’écoulement d’un flux de chaleur conductifs de la pièce vers les outillages. Le refroidissement de surface de la pièce contribue à modifier les propriétés du matériau localement sur sa zone de contact. En revanche, l’outillage voit passer les pièces et s’échauffe ainsi de manière fugace et cyclique.
La mise en forme s’opère par conséquent par application de déformations en surface de pièce qui sont ensuite propagées vers l’intérieur, contribuant à obtenir de fort taux de déformation dans certaines zones de pièce (compression, extension, cisaillement) alors que par ailleurs d’autres volumes de matière n’auront été que déplacés (translation, rotation). La structure métallurgique évolue également par le fait que le travail à chaud de la matière et l’application de déformations plastiques répétées vont engendrer des effets tels que la réduction de taille de grain, la formation d’un fibrage, l’endommagement éventuel en cœur de pièce, une éventuelle fatigue oligocyclique…etc.

Condition d’adhérence requise pour l’entraînement en rotation de pièce

Genèse de l’instabilité en roulement / glissement :Pour comprendre les causes d’instabilité dans l’entrainement en rotation de pièce, une vision globale de la répartition de puissance est nécessaire. La puissance instantanée transmise à la pièce par l’outillage se répartit globalement sous deux formes : la puissance plastique d’une part et la puissance de frottement d’autre part. L’équilibre entre ces deux grandeurs doit être respecté pour garantir l’obtention d’une pièce de qualité. Une trop grande part de la puissance consacrée à la déformation plastique entraîne un déficit de la puissance nécessaire pour mouvoir la pièce, ce qui conduit au blocage de pièce et à la création de défaut. A l’opposé, dès lors qu’une trop grande part de la puissance est consacrée à l’entraînement de pièce, ce qui se produit lorsque les surfaces entrainantes sont trop grandes ou lorsque les surfaces se déplaçant par glissement sur l’outillage sont trop importantes, le rendement énergétique chute.
L’instabilité de roulement/glissement se produit globalement soit de manière momentanée pour disparaître rapidement ensuite, soit de façon définitive au cours de la course de laminage. Dans les deux cas cette instabilité est créatrice de défauts.
Au cours des essais réalisés sur le banc à plaque de l’ENSAM Metz, comme au cours des essais sur laminoir à rouleaux de l’IWU Chemnitz, l’instabilité de l’entraînement en rotation de la pièce est parfois constatée.
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.

Défauts concernant la géométrie finale de pièce

La forme des sections de pièces attendues s’inscrit généralement dans une géométrie régulière, le profil circulaire étant majoritairement recherché. Ainsi, la pièce peut être vue comme une série de cylindres ou de cônes élémentaires le long de son axe. Ainsi la pièce finale, caractérisée par des sections et des volumes répartis les uns par aux autres, peut être cotée par des tolérances géométriques définies dans la norme NF EN ISO 1101 pour la cotation des produits.

Précision dimensionnelle

Le niveau de qualité dimensionnelle pouvant être atteint en laminage transversal peut être excellent, mais il est fortement dépendant de l’application considérée et nécessite le réglage d’un grand nombre de paramètres. Hellbach et al. indiquent qu’en conditions standard de production, une tolérance de ±0,4mm sur des diamètres allant de 10 à 40mm est courante. Ces auteurs affirment pouvoir atteindre ±0,15mm au diamètre sur des essais de laboratoire, lorsque des mesures particulières sont mises en place. Les améliorations portent sur l’attention portée au maintien d’une température constante durant le processus, et la mise au point de l’outillage par le réglage fin de l’entrefer et l’optimisation des géométries d’outillage [HEPL03]. Sur le volet tolérance au diamètre, Shchukin et al. affirment pouvoir atteindre une précision maximale de 0,01mm sur un diamètre de 7mm avec une rugosité de surface Ra de l’ordre de 0,6. D’une manière générale, ces auteurs annoncent pouvoir atteindre une valeur de ±0,2mm pour des diamètres allant de 2 à 120mm et des longueurs de pièces de 40 à 1000mm. Toujours selon ces auteurs, les facteurs influant sur le niveau de précisions sont soit de premier ordre, c’est-à-dire, dont la correction permet d’atteindre un degré «normal» de précision dimensionnelle de ±0,2mm, soit de second ordre, dont la correction affinera encore la précision entre ±0,2mm et 0,01mm [SHKO08 170].

Déflections résiduelles, défaut de battement, défaut de conicité

Au cours du laminage, les pièces peuvent subir des déformations en flexion, ce risque est d’autant plus élevé que les pièces sont très élancées (flambement) ou comportent de faibles sections jouant le rôle de points d’inflexion. Le cas fréquent des pièces «jumelles», laminées par deux pour des raisons de symétrie, est particulièrement concerné par de possibles déflections. En effet leurs sections centrales est le lieu du plan de symétrie ; cette section correspond à l’une des extrémités de pièces qui sera tronçonnée en fin de laminage, la tendance à réduire cette section est très forte pour minimiser la perte de matière. Ainsi, le centre de la pièce sera le siège d’une rotule autour de laquelle une déflection peut s’articuler. Par ailleurs, le maintien à section constante d’une portion de pièce peut se révéler une opération délicate si les pièces sont trop élancées. Il existe une règle empirique limitant le rapport longueur sur diamètre afin d’éviter les déflections ou le flambage . Les fluctuations d’efforts s’exerçant sur la pièce durant le laminage engendrent une tendance au battement de la pièce entre les outillages. Si l’espace libre inter-matrices est excessif, il permet alors à la pièce d’osciller légèrement de part et d’autre de l’outillage, s’articulant durant sa rotation autour des parties en contact (flexion rotative). Le flambement de pièce a été étudié par Hu et al., cité par Fu et al. [FD93], qui indiquent qu’il est dû à la dilatation thermique hétérogène et aux contraintes de traction qui opèrent durant le laminage.

Table des matières

Introduction
Chapitre 1 :La technologie du laminage transversal 
1.1 Le procédé de laminage transversal
1.1.1 Principe de fonctionnement
1.1.2 Terminologie
1.1.3 Laminoirs industriels
1.1.4 Bancs d’essais expérimentaux
1.1.5 Le banc d’essais développé à l’ENSAM de Metz
1.1.6 Pièces obtenues par laminage transversal
1.1.7 Les limites actuelles du procédé
1.1.8 Etapes du développement du laminage transversal
1.2 Contexte de notre étude
1.2.1 Contexte économique et industriel
1.2.2 Pourquoi le procédé est-il intéressant aujourd’hui?
1.3 Problématique de notre travail
1.3.1 Phénomènes physiques entrant en jeu lors du laminage transversal
1.3.2 Configurations abordées dans ce manuscrit
1.3.3 Cas d’études et pièces fabriquées
Chapitre 2 :Etude du contact Pièce-Matrice 
2.1 Convention et définition de la géométrie des outillages
2.1.1 Coin élémentaire : « simple » réduction de diamètre
2.1.2 Description étendue du coin élémentaire
2.1.3 Repérage de points remarquables sur un profil du coin
2.1.4 Etude à l’échelle d’une matrice
2.1.5 Résumé sur le paramétrage d’une matrice
2.1.6 Passage d’une matrice plane à une matrice curviligne
2.2 Règles concernant les paramètres géométriques
2.2.1 Sévérité de la déformation plastique
2.2.2 Les angles caractéristiques α et β
2.2.3 Les rayons d’arêtes
2.3 Etat de déformation et de contrainte en roulement 
2.3.1 Profil déformé et largeur de contact
2.3.2 La pression de contact pour de faibles réductions
2.3.3 Ligne de glissement et contraintes de contact
2.3.4 Coefficient de glissement et rayon de roulement
2.3.5 Rôle de l’entrefer et incidence sur le contact
2.4 Géométrie de préforme au cours de la déformation
2.4.1 Etude de la pénétration du lopin lors d’un roulement sans glissement
2.4.2 Forme de la zone de contact
2.4.3 Visualisation du contact pour des géométries complexes
2.5 Condition d’adhérence requise pour l’entraînement en rotation de pièce
2.5.1 Genèse de l’instabilité en roulement / glissement
2.5.2 Faits expérimentaux
2.5.3 Notion de coefficient de frottement critique
2.5.4 La mesure de coefficients de frottement
2.5.5 Frottement anisotrope et texture de surface
2.5.6 Spécification d’une texture de surface
2.5.7 Sensibilité à la loi de frottement en simulation numérique
2.6 Les efforts outil/pièce 
2.6.1 Modélisation élémentaire
2.6.2 Quelques modèles de calcul d’efforts
2.6.3 Bilan comparatif des modèles de calcul d’efforts résultants
2.6.4 La mesure d’efforts résultants
2.7 La pression de contact 
2.7.1 Hypothèses sur l’allure du profil de pression
2.7.2 Modèle de Pater 1997 pour l’estimation de la pression moyenne de contact
2.7.3 La mesure de la pression de contact
2.7.4 Essai préliminaire pour l’acier C17
2.7.5 Essais de variation de température du lopin pour l’acier C17
2.7.6 Essais de variation de l’entrefer pour l’acier C17
2.7.7 Comportement de matériaux différents de l’acier
2.7.8 Bilan des pressions de contact pour trois matériaux
2.8 Mesure de la température de contact 
2.8.1 Moyen et méthode de mesure
2.8.2 Investigations sur une matrice de laminage transversale
2.9 Rapport puissance plastique / puissance transmise pour l’entraînement en rotation 
2.9.1 Bilan de puissance
2.9.2 Expression théorique des puissances pour un solide rigide parfaitement plastique
2.9.3 Etude numérique du cas de la préforme haltère 9004
2.9.4 Equilibre des puissances
2.10 Conclusion 
Chapitre 3 :Fabrication et qualité des pièces 
3.1 Exigences sur les pièces
3.2 Classes de défauts rencontrés en laminage transversal 
3.3 Typologie de défauts, causes et remèdes possibles
3.3.1 Défauts concernant la géométrie finale de pièce
3.3.2 Défauts impactant la santé de pièce
3.4 La mise au point d’outillage
3.4.1 Réglages et marges de manœuvres
3.4.2 Exemple des matrices de préformes de Bielle 9023
3.5 Préforme haltère Chemnitz
3.5.1 Influence des réglages sur l’amplitude de l’effort de laminage
3.5.2 Influence du matériau
3.5.3 Influence du taux de réduction de diamètre
3.5.4 Influence de la vitesse de déformation
3.5.5 Influence de la température lopin
3.6 Conditions semi-industrielles: défauts mis en évidences sur les préformes ENSAM
3.6.1 Défauts provenant de mauvaise condition d’adhérence
3.6.2 Spécificité liées au laminage du TA6V
3.7 Endommagement et usure des outillages
3.8 Conclusion
Chapitre 4 :La conception de matrice de laminage transversal
4.1 Inventaire des règles de conception
4.1.1 Quelques règles énoncées dans la littérature
4.1.2 Section du coin de mise en forme
4.1.3 Les domaines de fonctionnement
4.1.4 Autres règles identifiées au cours de la thèse
4.1.5 Un classement des règles de conception
4.2 Proposition d’une méthode de conception
4.2.1 Phase de conception (A1)
4.2.2 Phase de simulation numérique (A2)
4.2.3 Boucle(s) de correction
4.2.4 Logigramme, démarche COLT et outil informatique
4.3 Conception d’une matrice pour la fabrication d’une pièce à double réduction de diamètre
4.3.1 Détail des choix techniques
4.3.2 Identification de défauts de forme par simulation numérique
4.3.3 Mise en évidence de déformations angulaires
4.4 Analyse de pièces « industrielles »
4.4.1 Arbres de boîte de vitesse
4.4.2 Les préformes de bielles et choix du matériau
4.5 Vers la conception Numérique?
4.5.1 Tenir compte des spécificités du laminage transversal
4.5.2 Recherche de paramètres et de critères pertinents
4.6 Conclusion
Chapitre 5 :Panorama, Verrous, Perspectives
5.1 Panorama : ce qui est établi
5.1.1 Les avantages offerts par le laminage transversal
5.1.2 Les difficultés identifiées
5.2 Verrous : ce qui pose encore questions
5.2.1 Mise en forme réelle face aux résultats numériques
5.2.2 Sur le comportement des matériaux utilisés
5.2.3 A propos de la maîtrise du frottement d’adhérence
5.2.4 Santé interne des pièces
5.3 Des paramètres significatifs
5.4 Perspectives : ce qui reste à développer
5.4.1 Synthétiser de nouvelles règles
5.4.2 Vers un essai de référence
5.4.3 La collecte des données unifiées des résultats expérimentaux
5.4.4 La constitution d’un outil d’aide à la conception
5.4.5 Un critère d’endommagement spécifique
Conclusion générale
Références bibliographiques

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