Présentation
En anglaisRÉSUMÉ
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.
Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.
Lire l’articleABSTRACT
The surface thermal evolution of the metal and the dies during forming conditions the surface quality of the formed part, the lubrication and the damage and wear modes of the dies. The article analyses the temperature change induced by the friction energy and the thermal transfer from the hot metal to the die. It states precisely the consequences on the thermal regime, the stress state and the metallurgical change of hot forming dies. It deduces from these analyses the conditions of a performing numerical simulation of these problems.
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.
MOTS-CLÉS
échauffement dû à l'énergie dissipée par frottement transfert thermique du métal chaud vers l'outil sollicitations thermomécaniques et évolutions métallurgiques des outils
KEYWORDS
heating due to the friction energy | thermal transfer from the hot metal to tools | thermomechanical loadings and metallurgical changes of dies
VERSIONS
- Version archivée 1 de sept. 2001 par Éric FELDER
DOI (Digital Object Identifier)
CET ARTICLE SE TROUVE ÉGALEMENT DANS :
Accueil > Ressources documentaires > Matériaux > Mise en forme des métaux et fonderie > Mise en forme des métaux : aspects mécaniques et thermiques > Effet thermique de la mise en forme - Phénomènes superficiels > Application au choix des conditions de simulation numérique
Cet article fait partie de l’offre
Frottement, usure et lubrification
(92 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
Présentation
2. Application au choix des conditions de simulation numérique
2.1 Définition du maillage
Les conditions de maillage sont souvent déterminantes pour la qualité des résultats obtenus par simulation numérique. Il importe en particulier de bien ajuster la taille des mailles de part et d’autre du contact. Les mailles au voisinage de la surface du métal et de l’outil qui entrent en contact ne doivent pas être trop épaisses pour assurer une bonne description des phénomènes thermiques de contact. Un critère approximatif est que leur hauteur δe soit de l’ordre de grandeur de la profondeur de pénétration thermique durant un incrément de temps de calcul δt :
On voit ainsi sur la figure 27 l’effet de l’épaisseur δe des mailles de surface de l’outil sur son échauffement lors d’un forgeage à chaud sur pilon, pour une durée totale de contact de 5 ms discrétisée en 10 pas de temps de calcul, soit : le profil d’échauffement superficiel calculé augmente quand δe diminue et en devient à peu près indépendant pour δe < 0,09 mm.
HAUT DE PAGE2.2 Choix des coefficients de transfert et des conditions aux limites
Le choix de la valeur du coefficient de transfert thermique entre la pièce et l’outil est très souvent difficile. Cette valeur peut être déduite soit de données expérimentales, soit de l’analyse des conditions physiques du contact : rugosité, épaisseur de la couche d’oxydes (§ 3...
Cet article fait partie de l’offre
Frottement, usure et lubrification
(92 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive
Application au choix des conditions de simulation numérique
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Analyse des procédés de mise en forme – Méthodes énergétiques
-
Analyse des procédés de mise en forme – Méthodes de calcul des contraintes
-
Lubrification en mise en forme – Principes généraux et choix
-
Lubrification en mise en forme – Frottement et usure : caractérisation
-
Lubrification en mise en forme – Régime de lubrification par films épais
-
...
Cet article fait partie de l’offre
Frottement, usure et lubrification
(92 articles en ce moment)
Cette offre vous donne accès à :
Une base complète d’articles
Actualisée et enrichie d’articles validés par nos comités scientifiques
Des services
Un ensemble d'outils exclusifs en complément des ressources
Un Parcours Pratique
Opérationnel et didactique, pour garantir l'acquisition des compétences transverses
Doc & Quiz
Des articles interactifs avec des quiz, pour une lecture constructive