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Article

1 - ANALYSE DU TRANSFERT AUX OUTILS

  • 1.1 - Analyse élémentaire
  • 1.2 - Superposition des phénomènes et synthèse
  • 1.3 - Conséquences du transfert thermique aux outils

2 - APPLICATION AU CHOIX DES CONDITIONS DE SIMULATION NUMÉRIQUE

  • 2.1 - Définition du maillage
  • 2.2 - Choix des coefficients de transfert et des conditions aux limites
  • 2.3 - Partage de l’énergie dissipée par frottement
  • 2.4 - Calcul du régime thermique établi

3 - ANNEXE : COEFFICIENT DE TRANSFERT THERMIQUE EN MISE EN FORME À CHAUD

4 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : M3013 v2

Analyse du transfert aux outils
Effet thermique de la mise en forme - Phénomènes superficiels

Auteur(s) : Éric FELDER

Date de publication : 10 déc. 2014

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RÉSUMÉ

L’évolution thermique superficielle du métal mis en forme et des outils conditionne la qualité superficielle du produit, la lubrification et les modes d’endommagement et d’usure des outils. L’article analyse les changements de température induits par l’énergie de frottement et le transfert thermique du métal chaud vers l’outil. Il précise leurs conséquences sur le régime thermique, l’état de contrainte et l’évolution structurale des outils de mise en forme à chaud. Il en déduit les conditions d’une simulation numérique performante de ces problèmes.

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Auteur(s)

  • Éric FELDER : Ingénieur civil des Mines de Paris - Docteur ès sciences - Ancien maître de recherches à MINES ParisTech, France

INTRODUCTION

L’évolution thermique superficielle du métal et des outils, lors de la mise en forme à froid et à chaud, conditionne la qualité superficielle du produit obtenu, les performances du lubrifiant, le frottement résultant, et les modes d’endommagement et d’usure des outillages. Le transfert thermique aux outillages impose la température superficielle du métal : ainsi, par exemple, le filage à chaud des alliages d’aluminium durs du type duralumin engendre des défauts superficiels dits « tronc de palmier », si la vitesse de filage est trop élevée, empêchant l’énergie dissipée par déformation plastique de s’écouler dans le conteneur et la filière. Le frottement du copeau d’acier sur l’outil de tournage échauffe fortement l’outil dont la durée de vie décroît quand sa température de travail augmente. La température de travail des cylindres de laminage, à froid et à chaud, conditionne la viscosité du lubrifiant et, de ce fait, la quantité de lubrifiant s’infiltrant à l’interface métal-outil, la réactivité chimique du lubrifiant et le frottement résultant.

L’analyse de ces évolutions thermiques par les codes de calcul par éléments finis présente diverses difficultés du fait des valeurs élevées des flux thermiques mis en jeu. Par ailleurs, le calcul direct du régime thermique établi des outils nécessiterait de simuler numériquement les opérations continues durant des temps très longs (laminage, tréfilage, tournage…) ou pour un nombre élevé de cycles des opérations discontinues (forgeage, emboutissage…), ce qui reste peu envisageable actuellement sur le plan industriel, compte tenu des performances des ordinateurs et des coûts de calcul associés. L’objectif de cet article est de préciser les ordres de grandeur de ces phénomènes thermiques et de proposer des méthodes permettant de tels travaux de simulation numérique.

L’article présente d’abord un modèle simple dit « modèle parabolique » d’évolution thermique d’un corps induite par un flux thermique superficiel de courte durée, puis diverses améliorations de ce modèle pour étendre sa validité : linéarisation et inversion du modèle, étude de l’effet de l’augmentation de surface du métal et de la variation des propriétés thermophysiques du corps. Nous analysons ensuite avec ces modèles les variations de température de part et d’autre de l’interface métal-outil induites par les deux principaux phénomènes : la différence de température entre le métal et l’outil (soit initiale comme en mise en forme à chaud, soit du fait de la déformation plastique du métal) et l’énergie dissipée par frottement. Nous discutons de manière détaillée à partir de données expérimentales le problème du coefficient de transfert thermique superficiel (ou de son inverse, la résistance thermique de contact), qui conditionne fortement les transferts thermiques interfaciaux en mise en forme à chaud. À titre d’exemple, nous appliquons ces analyses à divers procédés : début du filage à chaud de barres, laminage à froid et à chaud de tôles, tréfilage de fils, usinage, soudage par friction piloté et inertiel, forgeage à chaud. Les résultats sont confrontés à des données expérimentales lorsqu’elles sont disponibles. En dernier lieu, nous précisons les conséquences thermiques de la mise en forme à chaud sur les outillages : régime thermique, cycles de contraintes superficielles, évolution de structure des aciers à outil, endommagements (faïençage, abrasion). Cela nous permet de préciser les conditions d’une simulation numérique correcte de ces effets thermiques.

Le lecteur pourra, pour introduire le sujet, se reporter à l'article [M 3 012] « Effet thermique de la mise en forme. Théorie et phénomènes volumiques ».

Un tableau explicitant les notions et les symboles est présenté ci-dessous.

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-m3013


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1. Analyse du transfert aux outils

1.1 Analyse élémentaire

Nous avons vu dans l'article [M 3 012] que la plupart des procédés industriels sont adiabatiques du fait de leur vitesse élevée ou de la brièveté du temps de déformation : la température de cœur du produit peut donc être estimée simplement en négligeant la conduction thermique. Il n’en va pas de même aux interfaces où l’on ne peut négliger en aucun cas les gradients et les flux thermiques normaux à l’interface. Nous présentons une modélisation élémentaire, mais souvent largement suffisante, de ces échanges thermiques superficiels, puis précisons le problème des transferts thermiques à travers une interface imparfaite où rugosité et films superficiels conditionnent fortement les variations de température de part et d’autre de l’interface métal-outil en mise en forme à chaud. Enfin, nous attardons sur les conséquences : l’évolution de l’outil par fatigue, revenu ou transformation structurale marquée.

Auparavant, un exemple d’évolution thermique superficielle d’outillage précisera les caractéristiques principales des phénomènes dans un procédé continu : il s’agit de l’histoire thermique de points d’un cylindre de laminage à chaud situés en surface ou au voisinage de la surface. Ces mesures, très délicates, ont été réalisées à l’aide de thermocouples et mettent en évidence (figure 1) les points suivants :

  • le passage dans l’emprise ne perturbe notablement que sur une faible profondeur (1 % du diamètre) la distribution de température du cylindre (T S) ;

  • l’échauffement superficiel, très élevé à la sortie de l’emprise, décroît brutalement dès que le contact s’interrompt du fait de la conduction thermique vers l’intérieur du cylindre. Ce refroidissement, accéléré par l’aspersion d’eau,...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - STEVENS (P.G.), IVENS (K.P.), HARPER (P.) -   Increasing work-roll life by improving roll cooling practice  -  J. Iron Steel Inst. p. 1-11 (janv. 1971).

  • (2) - SIEBEL (E.), KOBITZSCH (K.) -   Die Erwärmung des Ziegutes beim Drahtziehen  -  Stahl und Eisen, 63, p. 110 (1943).

  • (3) - BAQUÉ (P.), FELDER (E.), HYAFIL (J.), D’ESCATHA (Y.) -   Mise en forme des métaux. Calculs par la plasticité  -  Dunod, Paris (1973).

  • (4) - JESCHAR (R.), ALT (R.) -   Analytical solutions for steady and non-steady heat conduction with temperature dependent materials values  -  Steel Research, 61, n° 11, p. 560-568 (1990).

  • (5) - KELLOW (M.A.), BRAMLEY (A.N.), BANNISTER (F.K.) -   The measurement of temperatures in forging dies  -  Int. J. Mach. Tool Des. Res., 9, p. 239-260 (1969).

  • (6) - GILORMINI (P.) -   Contribution...

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