Soutenance mémoire
Le revêtement de surface
Comme nous l’avons évoqué, la lubrification est essentielle au cours du tréfilage. Or, les lubrifiants secs sont difficilement entraînés par le fil surtout si sa surface est peu rugueuse. Il est donc nécessaire de déposer un support de lubrifiant sur la surface avant tréfilage. Ce revêtement assure également une protection limite en cas de mauvaise lubrification et permet d’éviter ainsi tout risque de grippage. D’une manière générale, deux grandes classes de traitements de surfaces se distinguent [1], [2] et [4] :
• les réactifs, qui, par réaction à l’interface métal/dépôt, produisent une modification de la couche superficielle du fil. Il s’agit de traitements tels que la phosphatation ou l’oxalatation. Ces traitements de conversion possèdent l’avantage d’être particulièrement adhérents, mais leur inconvénient est qu’ils sont polluants. Ils sont généralement mis en œuvre avant le tréfilage des aciers au carbone,
• les non réactifs qui sont souvent des dépôts salins [6], [7]. Ces revêtements sont formés par condensation ce qui explique qu’ils soient moins adhérents que les traitements de conversion. Ils s’éliminent toutefois mieux après tréfilage. Ils sont utilisés pour le tréfilage des aciers inoxydables. Il existe deux grandes voies d’élaboration de ces dépôts, au défilé et au trempé, qui conduisent à des morphologies de revêtement bien distinctes : le recouvrement le plus homogène est obtenu lors du revêtement au défilé.
Outils et équipements industriels du tréfilage
L’ensemble du matériel de tréfilage comporte trois éléments [2] :
• un dispositif de dévidage du fil,
• une machine à tréfiler,
• un dispositif de récupération du fil écroui.
Parmi tous les dispositifs, nous distinguons :
• les machines de tréfilage à sec, qui permettent d’obtenir des fils jusqu’à 1 mm et utilisent des savons comme lubrifiants. Ce sont ces dispositifs qui nous intéressent particulièrement dans cette étude,
• les machines de tréfilage humide, qui sont particulièrement adaptées pour l’obtention de fils plus fins.
La lubrification est mise en œuvre par immersion ou aspersion d’huile minérale. Suivant la réduction de diamètre souhaitée, le nombre de passes (c’est-à-dire de passages en filière) est ajusté. Pour des réductions de section de l’ordre de 35%, ce sont des dispositifs simples (ou mono passes) qui sont utilisés. Pour des réductions de section plus importantes, il faut envisager des réductions successives et donc utiliser des machines multiples (appelées également multi passes). Les dispositifs mono passes sont généralement utilisés pour des phases de calibrage, de finition ou pour l’obtention d’un état de surface particulier.
La machine simple C’est la configuration de base qui ne peut effectuer qu’une seule réduction. Elle se compose d’un système de dévidage du fil, d’un bloc à tréfiler et d’un dispositif de traction/réception (figure 2). Le boîtier de tréfilage comprend le réservoir de lubrifiant (appelé également savonnier) et le support de filière dans lequel est logé l’outil calibrant.
-Le lubrifiant : L’utilisation d’un lubrifiant est capitale au cours du procédé pour limiter le frottement et l’usure et assurer un régime de lubrification stable. Son rôle est de diminuer les forces d’étirage, d’éviter les échauffements excessifs aux grandes vitesses, et d’améliorer ainsi la durée de vie des outils et du fil. En général, pour les gros et moyens diamètres, ce sont des savons qui sont utilisés (tréfilage à sec) : il s’agit de corps pulvérulents composés d’une matière grasse (sel métalliques d’acides gras) et de charges minérales. Le rôle de ces lubrifiants est de former un film suffisamment épais sur le fil de manière à éviter toute interaction entre le métal et la filière qui pourrait conduire à une dégradation de l’état de surface. Ils permettent ainsi des réductions successives, mais donnent un aspect terne au fil. Suivant les applications ultérieures du fil, un nettoyage s’impose pour ôter tous les résidus de lubrifiant.
-La filière : Elle se compose de deux parties : un noyau, très dur, qui va assurer la réduction du diamètre du fil et une frette en acier qui maintient le noyau et lui permet de résister aux fortes pressions développées au cours du tréfilage. Elle se compose de plusieurs parties (figure 3) :
• un cône d’entrée jouant le rôle d’un entonnoir d’engagement, de répartiteur et d’entraîneur de lubrifiant,
• un cône de travail, de demi-angle α, dans lequel s’effectue la réduction de section par déformation progressive du fil,
• une portée cylindrique qui calibre le diamètre du fil
• un cône de sortie qui décharge progressivement la filière des efforts et permet l’évacuation du lubrifiant.
Le tréfilage des gros fils se fait le plus souvent avec des filières en carbure de tungstène lié cobalt. Pour les fils plus fins, ce sont des filières diamant (de géométrie différente) qui sont plutôt utilisées sauf dans le cas du cuivre qui se tréfile avec ce type de filière même pour les diamètres importants. La durée de vie de ces filières est plus importante que celle des filières en carbure, mais leur coût est nettement plus élevé. Au cours du tréfilage, le matériau de filière se dégrade : l’endommagement peut provenir d’une usure par fatigue ou d’une usure abrasive liée à une mauvaise lubrification. La durée de vie d’une filière est conditionnée par de nombreux facteurs : la nuance du métal, la préparation de surface du fil (qui va « accrocher » le lubrifiant), l’état de surface du fil machine (rugosité), nature et forme de la filière (angles de raccordement), le refroidissement, le lubrifiant et la vitesse de tréfilage.
Les machines multiples Elles permettent des réductions de section importantes grâce à un enchaînement de filières. Il existe trois types de machines multiples [2] :
• les machines continues ou à passage direct : Ce sont les équipements les plus modernes et les plus répandus. Ces bancs travaillent en général à des vitesses élevées et sans glissement du fil sur les bobines grâce à un équilibrage rigoureux des vitesses. En effet, chaque bobine voit sa vitesse contrôlée par un moteur séparé dans le but d’assurer un débit massique de fil identique dans toutes les filières. Les bobines n’accumulent que 5 ou 6 spires de fil. Ce type de machine est particulièrement utilisé pour le tréfilage des aciers inoxydables, car ceux-ci ne nécessitent pas un refroidissement entre passes aussi poussé que d’autres types d’aciers.
• Les machines à accumulation : Il n’y a pas d’équilibrage automatique des vitesses. Les passes sont calculées pour que chaque filière débite plus de fil que ce qui est nécessaire à la suivante d’où une accumulation du fil sur la bobine. Cette dernière favorise le refroidissement du fil, problématique du point de vue métallurgique pour les aciers au carbone, et permet de ne pas interrompre la production de bobines aval en cas de problème sur les bobines amont.
• Les machines à glissement : Dans ces machines dédiées au tréfilage humide, il n’y a ni équilibrage des vitesses, ni accumulation de fil. Le glissement du fil sur les bobines compense les différences de vitesses. Ces équipements permettent de tréfiler du fil « en ébauche », c’est-à-dire qu’ils permettent de réduire le diamètre du fil machine de 5,5mm à 1 ou 2mm en plusieurs passes. Le fil peut ensuite être tréfilé en « reprise » à sec sur des bancs de même type ou bien en milieu humide sur des bancs fonctionnant en immergé pour l’obtention de fils très propres.
La finition : nettoyage et traitements thermiques
Après le tréfilage, le fil comporte un film superficiel de lubrifiant et de revêtement dont il faut se débarrasser avant de procéder à un traitement thermique (pour éviter la diffusion d’éléments polluants). Deux sortes de nettoyage peuvent être envisagés, par action mécanique ou chimique (lessives alcalines, solutions acides), au trempé ou au défilé (suivant les sections des fils tréfilés) [1]. En dernière étape, les traitements thermiques sont mis en oeuvre pour obtenir des fils présentant une structure adaptée au retréfilage ou aux déformations ultérieures, pour supprimer l’effet de l’écrouissage et adoucir le fil (recuit) ou encore pour communiquer au fil des caractéristiques particulières (trempe). Les fours de recuit peuvent être de types statiques (couronnes, bobines) ou au défilé (fours pouvant atteindre 20m de longueur) [2].
Utilisation des savons
La pratique la plus répandue et la plus simple est d’utiliser les savons sous forme pulvérulente en remplissant les savonniers placés en amont de la filière (figure 9). Toutefois, l’entraînement du savon par le fil n’est jamais garanti : il dépend de facteurs tels que l’état de surface du fil et son diamètre, la coupe granulométrique de la poudre de savon, de la vitesse, etc. Des solutions ont donc été proposées pour augmenter la prise de savon et améliorer ainsi la lubrification :
• Application sur le fil de savon sous forme de film solide avant tréfilage [37], [38]. Le principe de ce procédé est de convertir le lubrifiant pulvérulent en une dispersion aqueuse dans laquelle le fil va être immergé. Il est cependant nécessaire que le savon présente une stabilité physique et chimique et qu’il se dissolve partiellement. Après séchage, le fil est recouvert uniformément d’une couche de lubrifiant dense, très adhérente et de forte viscosité dont la qualité et l’épaisseur dépendent de paramètres tels que la composition et la température du bain de revêtement, et des paramètres de séchage. Les équipements permettant de procéder à ce type de revêtement peuvent être rattachés à des installations de tréfilage multi passes existantes,
• Application magnétique de savon [39]
Le lubrifiant
Les deux savons dits « de référence » sont un stéarate de sodium et un stéarate de calcium. Tous deux sont des produits industriels, c’est-à-dire qu’ils sont constitués de matière grasse, de charges minérales et d’additifs. Nous avons ainsi :
• un stéarate de sodium (noté XNa80) : 80% de MG + 20% de charges
• un stéarate de calcium (noté XCa35) : 35% de MG + 65% de charges
Pour simplifier les appellations, nous utiliserons les qualificatifs « savon sodique » et « savon calcique » en référence à la nature du cation métallique. Ces savons sont utilisés sous forme pulvérulente dans un savonnier placé en amont de la filière. En dehors de ces lubrifiants de référence, d’autres savons ont été élaborés par Condat et testés sur nos machines de tréfilage
Tréfileuse monopasse « grandes vitesses »
Cette tréfileuse a été installée assez récemment au Centre de Recherches d’Ugine (figure 4). Elle est plus performante que la tréfileuse Marshall pour les raisons suivantes :
– grâce à ses deux moteurs, elle permet de tréfiler sur une plage de vitesses beaucoup plus étendue que la tréfileuse Marshall c’est-à-dire entre 0,1 et 20 m/s,
– l’alimentation en fil se fait sous forme de bobines de 80 kg ce qui permet de tréfiler plus longtemps,
– le capteur de force est un capteur à jauges de contraintes et est a priori moins sujet aux dérives de mesures dans le temps,
– un système de pantin permet de contrôler la contre-traction du fil. Nous montrons en annexe A2 que l’influence de cette dernière sur la force mesurée est peu significative (jusqu’à 3 bars),
– un système de trancannage après la filière assure un bobinage régulier du fil, condition indispensable pour pouvoir tréfiler à hautes vitesses. En outre, le fil tréfilé peut être retréfilé, ce qui permet de simuler des réductions multiples.
Mesure du poids de couche superficielle
Cette mesure consiste à dissoudre la couche superficielle présente sur le fil dans une solution acide et à mesurer, par pesée, la perte de masse engendrée (précision de la pesée : 0,1 mg). Le poids de couche ainsi estimé s’exprime en g/m². Si la masse volumique de cette couche superficielle est connue (et exprimée en g/cm3), il est possible d’estimer l’épaisseur de film résiduel, exprimée en µm, comme le rapport du poids de couche sur la masse volumique du film superficiel. Nous utilisons cette méthode pour déterminer :
• le poids de revêtement salin initial,
• le poids de couche total résiduel (savon + revêtement présents sur les fils tréfilés).
Cette mesure est globale et représente une moyenne. Elle ne prend en compte ni les hétérogénéités de recouvrement, ni les pertes de revêtement et de savon occasionnées par les nombreuses manipulations du fil. Pour qu’elle soit la plus représentative possible, nous prélevons, lorsque les essais le permettent, une quantité de fil importante (environ 10 m) que nous fractionnons en plusieurs lots. Nous déterminons ainsi une valeur moyenne et une barre d’incertitudes. Sur des fils tréfilés, la mesure utilisée n’est pas sélective, car le poids calculé englobe le poids durevêtement salin et celui du savon. Or, nous savons que le mode d’élaboration du dépôt salin conduit à des poids de revêtement variables d’une série d’essais à une autre. Nous connaissons ce poids avant tréfilage, mais il est difficile de l’estimer après réduction. Théoriquement, nous pouvons calculer l’épaisseur de revêtement résiduel en considérant que la couche subit le même allongement que le fil lors de son passage dans la filièreObservation et analyse chimique de la couche superficielleLa microscopie électronique à balayage (MEB) permet de visualiser la répartition du dépôt salin et du savon sur le fil. Suivant le mode d’observation choisi (c’est-à-dire le détecteur utilisé), nous pouvons mettre en évidence :
• un contraste de topographie (mode SE : détection des électrons secondaires)
• un contraste de composition chimique (mode BSE : détection des électrons rétrodiffusés)
L’observation peut être couplée à une analyse chimique EDS (Energy Dispersive Spectrometry). Grâce au spectre d’énergie des rayons X émis par la surface suite au bombardement électronique, il est possible d’identifier les différents éléments chimiques qui composent la couche superficielle sur une profondeur d’environ 1 µm. Ces deux techniques nous permettent ainsi de :
• visualiser le niveau de recouvrement du fil par le revêtement salin et/ou le savon,
• visualiser la rugosité de surface avant/après tréfilage [59], [60]
Elles constituent une source d’informations qualitatives qui nous renseignent sur la qualité de la lubrification. Les observations doivent toutefois être réalisées sur une longueur d’échantillons assez importante de manière à extraire des clichés qui sont représentatifs.
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Table des matières
Introduction
Chapitre 1 : Présentation du tréfilage et de la lubrification par les savons secs
1.Préambule
2. Le tréfilage
2.1. La préparation de surface
2.2. Le revêtement de surface
2.3. Outils et équipements industriels du tréfilage
2.3.1.La machine simple
2.3.1. Les machines multiples
2.4. La finition : nettoyage et traitements thermiques
2.5. Les observables du tréfilage : force, frottement et température
2.5.1. La force : modèles analytiques et simulation numérique
2.5.2. Le frottement
2.5.3. La température
3. La lubrification par les savons de tréfilage
3.1. Quelques rappels sur les régimes de lubrification et les familles de lubrifiants
3.2. Les savons
3.2.1.Composition des savons
3.2.2. Fabrication des savons
3.2.3.Utilisation des savons
3.2.4. Caractérisation des savons : de la structure aux propriétés physiques et rhéologiques
3.3. Tréfilage expérimental
3.4. La modélisation de la lubrification du tréfilage
3.4.1. Au départ… L’équation de Reynolds
3.4.2. Modèle de Tattersall
3.4.3 Modèle de Felder
3.4.4. Modèle de Montmitonnet
4. Conclusion de l’étude bibliographique
Chapitre 2 : Méthodes d’approche pour l’analyse de la lubrification du tréfilage
1.Description de la passe de référence
1.1. Le fil
1.2. La filière
1.3. Le lubrifiant
1.4. La vitesse de tréfilage
1.4.1. Tréfilage « basses vitesses » sur banc de traction
1.4.2. Tréfileuse monopasse « moyennes vitesses »
1.4.3. Tréfileuse monopasse « grandes vitesses »
2. Méthodes d’approche pour la caractérisation des savons de tréfilage
2.1. Mesure de la force de tréfilage
2.1.1. Reproductibilité des mesures de force
2.1.2. Etude du « bruit » relatif à la mesure de la force de tréfilage
2.2. Mesures des températures de filière
2.2.1. Corrélation entre les températures mesurées par les deux thermocouples
2.2.2. Reproductibilité des mesures de températures
2.3. Mesure du poids de couche superficielle
2.4. Mesure de la rugosité du fil
2.5. Observation et analyse chimique de la couche superficielle
2.5.1. Observation de la répartition du revêtement sur le fil
2.5.2. Observation de la rugosité du fil
2.6. Bilan des méthodes d’approche
3. Intérêt de ces méthodes pour l’étude de la lubrification par les savons
4. Application à l’analyse du tréfilage industriel
4.1. Etude expérimentale d’une opération de tréfilage multi passes
4.2. Représentativité du tréfilage mono passe vis-à-vis du procédé industriel
Chapitre 3 : Analyse thermomécanique d’une passe de tréfilage
1. Caractérisation de la rhéologie de l’acier
1.1. Essais de traction conventionnels
1.1.1. Essais à température ambiante
1.1.2. Essais entre 25°C et 150°C
1.2. Essai de masse tombante
2. Une méthode d’identification de la rhéologie du métal et de la tribologie du lubrifiant grâce à un modèle thermomécanique élémentaire
2.1. Contrainte de tréfilage
2.2. Echauffement du fil
2.3. Modèle thermomécanique élémentaire
2.3.1. Identification du travail de déformation plastique du fil et estimation de la température maximale atteinte
2.3.2. Estimation des cissions de frottement des savons de tréfilage
2.4. Application du modèle aux essais de tréfilage (conditions de référence)
2.5. Pertinence des résultats obtenus
2.6. Extension du modèle aux essais de tréfilage (hors conditions de référence)
2.6.1. Tréfilage du fil-machine
2.6.2. Tréfilage du fil 2,2mm : Effet de la vitesse
2.7. Limites du modèle
3. Modélisation avec un code de calcul par éléments finis FORGE2®
3.1. Mise en données pour les calculs
3.2. Corrélation méthode des tranches/simulation numérique avec un cas simple
3.2.1. Principe de la corrélation
3.2.2. Influence de la géométrie de la filière
3.2.3. Influence de l’angle et du frottement sur la contrainte de tréfilage
3.3. Prise en compte de l’écrouissage du fil
3.3.1. Estimation du travail de déformation plastique du fil
3.3.2. Estimation du coefficient de Tresca
3.3.3. Estimation de la température maximale du fil
3.4. Calcul thermique dans la filière
4. Conclusion
5. Synthèse : Application du modèle thermomécanique à une opération de tréfilage multipasses industrielle
Chapitre 4 : Caractérisation des savons de tréfilage
1. Présentation des savons de tréfilage
1.1. Caractéristiques générales
1.2. Masse volumique
2. Etude structurale par DSC
2.1. Principe de l’essai
2.2. Enthalpogrammes des savons de tréfilage
2.2.1. Enthalpogrammes des charges minérales
2.2.2. Enthalpogrammes des savons purs
2.2.3. Enthalpogrammes des savons chargés
2.3. Conclusion sur la DSC
3. Rhéologie des savons
3.1. Rhéologie capillaire
3.1.1. Principe de l’essai
3.1.2. Résultats
3.1.3. Conclusion sur la rhéologie capillaire
3.2. Mélangeur
3.2.1. Principe de l’essai
3.2.2. Résultats
3.2.3. Conclusion sur le mélangeur
3.3. Essais de tréfilage « basses vitesses »
3.3.1. Déroulement des essais
3.3.2. Influence de la vitesse de tréfilage
3.3.3. Influence de la température du savon
3.3.4. Conclusion sur les essais de tréfilage « basses vitesses »
4. Synthèse des résultats
Chapitre 5 : Tréfilage expérimental : Etude de l’influence des paramètres relatifs au savon et au procédé sur la lubrification
1. Préambule sur le revêtement salin
1.1. Variabilité de recouvrement du fil par le dépôt salin
1.2. Influence du revêtement salin lors d’une opération de tréfilage monopasse
1.2.1. Tréfilage sans savon
1.2.2. Tréfilage sans revêtement de surface
1.2.3. Vieillissement du revêtement salin et conséquence sur le déroulement du tréfilage
2. Influence de la vitesse sur la qualité de la lubrification
3. Influence des paramètres relatifs au savon sur la qualité de la lubrification
3.1. Composition
3.1.1. Performances des savons de référence
3.1.2. Effet de la teneur en matière grasse
3.1.3. Formulations sodiques fortement chargées
3.2. Granulométrie
4. Influence des paramètres relatifs au procédé sur la qualité de la lubrification
4.1. Le fil
4.1.1. Etat de surface du fil
4.1.2. Propriétés mécaniques du fil
4.2. La filière
4.2.1. Angle de filière
4.2.2. Etat de surface de la filière
4.3.3. Utilisation d’un dispositif de mise en pression
5. Synthèse des essais de tréfilage
5.1. Impact des conditions de tréfilage sur le poids de couche
5.2. Impact des conditions de tréfilage sur les contraintes et températures
5.3. Contribution du revêtement salin
5.4. Pertinence des résultats et problèmes de reproductibilité
Chapitre 6 : Analyse théorique de la lubrification du tréfilage : application à la détermination de l’épaisseur passante
1. Mise en données du problème
2. Expression de l’épaisseur passante
2.1. Cas viscoplastique isotherme
2.2. Cas plastique
3. Prise en compte des effets thermiques (cas viscoplastique)
4. Discussions
4.1. Influence des conditions aux parois : cas d’une cission nulle sur la filière
4.2. Comparaison avec un modèle pseudo-newtonien
5. Application du modèle
5.1. Cas plastique
5.1.1. Essais de tréfilage basses vitesses
5.1.2. Essai de piégeage
5.2. Cas viscoplastique
5.2.1. Recalage par rapport à un modèle pseudo-newtonien
5.2.2. Application du modèle viscoplastique aux essais de tréfilage « moyennes vitesses »
6. Conclusion
Conclusion générale
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