Article de référence | Réf : M3026 v1

Limites du modèle numérique
Formage à grande vitesse - Lubrification et frottement

Auteur(s) : Marc MANTEL, Christophe VACHEY

Date de publication : 10 mars 2006

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RÉSUMÉ

La maîtrise du procédé de formage à grande vitesse impose la connaissance des paramètres de frottement, qui peuvent selon le cas s’avérer favorable ou défavorable à la mise en forme. Dans le laminage, il permet à l’outil d’entraîner le matériau ; par contre, dans l’usinage ou le tréfilage, ce frottement, responsable de défauts de surface des pièces, est réduit au maximum. Sur la base des lois de frottement et de la loi de comportement du matériau, il est possible d’établir une méthodologie permettant de déterminer un coefficient de frottement entre un outil et un matériau, ceci pour différents lubrifiants et types de sollicitations.

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Auteur(s)

  • Marc MANTEL : Docteur en métallurgie, Responsable du Département Mise en forme des aciers au Centre de Recherches d’Ugitech

  • Christophe VACHEY : Département Mise en forme des aciers du Centre de Recherches d’Ugitech

INTRODUCTION

Ce document doit se lire à la suite du dossier qui traite de la détermination d’une loi de comportement par simulation numérique.

La connaissance des paramètres de frottement est fondamentale pour la maîtrise de l’opération de formage à grande vitesse. Le rôle du frottement dans les procédés de mise en œuvre à grande vitesse peut être positif ou négatif. Lorsque l’un des outils est moteur, comme dans le laminage, alors le frottement est nécessaire pour engager et entraîner le produit dans l’emprise. Lorsque l’outil n’est pas moteur comme pour le tréfilage ou l’usinage, alors le frottement est parasite et il entraîne une augmentation des efforts et de la température de l’outil, des défauts de surface voire la rupture du produit pour le tréfilage, ainsi qu’une usure accélérée de l’outillage. Nous décrivons une méthodologie pour déterminer un coefficient de frottement entre un outil et un matériau pour différents lubrifiants et types de sollicitation. En utilisant la loi de comportement du matériau, ainsi qu’une loi de frottement, et en soumettant le matériau à des essais rhéologiques proches des conditions de formage, on peut déterminer le coefficient de frottement en simulant par un calcul numérique l’essai de déformation.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-m3026


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10. Limites du modèle numérique

Le modèle numérique permet d’obtenir une courbe donnant la variation d’épaisseur en fonction du coefficient de frottement pour une énergie fixée. Toutefois, pour des hautes valeurs d’énergies, les épaisseurs expérimentales sont bien supérieures à la courbe théorique. Compte tenu du critère de plasticité, cette courbe tend vers un palier, puisque pour de fortes valeurs de µ, la pression admissible devient faible. Cela signifie que pour des coefficients élevés, le métal ne glisse plus, mais est cisaillé pour des faibles pressions. Grâce aux clichés MEB et aux images obtenues par la binoculaire, il apparaît clairement que la surface des échantillons « secs » est marquée et présente des signes d’arrachement (figure 14).

En étudiant en parallèle la surface des outils, on observe la présence de collage (figure 15). Cela signifie que le frottement a été si important que la surface des échantillons a adhéré très fortement aux outils. Des phénomènes de soudures locales sont apparus.

On observe aussi sur les surfaces lubrifiées des phénomènes de collage sur les tas et des arrachements sur la surface des échantillons. Ces collages traduisent le fait que les contacts entre les « plateaux » et la matrice sont des contacts « secs », conduisant à un arrachement très localisé du métal. Cette observation explique les valeurs élevées des coefficients de frottement obtenues avec la simulation numérique. Habituellement, un contact bien lubrifié se caractérise par un coefficient de frottement inférieur à 0,1. Dans notre cas, les meilleures huiles conduisent à des coefficients proches de 0,2. Si on admet que localement les surfaces de l’outil et de la pièce créent un collage, le modèle numérique cesse de s’appliquer dans cette zone, et les efforts de cisaillement ne sont plus décrits par un frottement de Coulomb, il y a arrachement. Les valeurs obtenues par la simulation numérique sont une moyenne des valeurs en « poches » (faibles puisque cette zone est bien lubrifiée) et des valeurs sur les « plateaux » (où peut se produire le collage). Le coefficient de frottement serait donc surévalué par la simulation. On ne peut donc pas présenter les résultats issus de la simulation comme des valeurs exactes de coefficients de frottement, mais on peut tout à...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - FELDER (E.) -   Le contact métal-outil en mise en forme des métaux.  -  Séminaire organisé à Sophia Antipolis (France), 22-26 mai 1989.

  • (2) - GEORGES (J.M.) -   Frottement, usure et lubrification.  -  CNRS et Eyrolles Éd. (2000).

  • (3) - SCHEY (J.A.) -   Friction, Lubrification and wear.  -  Tribology in metal working, American Society for metals, Metals Park, Ohio 44073 USA (1983).

  • (4) - GAVRUS (A.) et al -   Identification of the friction coefficients directly from a forging process.  -  Euromech 435, Valenciennes, France, 18-20 juin 2002.

  • (5) - BAY (N.) et al -   An empirical model for friction in cold forging, Friction and wear in metal forming.  -  Euromech 435, Valenciennes, France, 18-20 juin 2002.

  • (6) - OUDIN (J.), RAVALARD (Y.) -   Contribution à la détermination des lois de comportement des métaux...

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