Apport de la simulation numérique et de l’expérience pour la compréhension des phénomènes de frottement en emboutissage et hydroformage

par Gérard Steinmetz

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Éric Felder.

Soutenue en 2005

à Paris, ENMP .


  • Résumé

    L’industrie de la mise en forme utilise de plus en plus les codes de simulation numérique afin de minimiser les temps de conception et les coûts de mise au point des outillages. Le frottement, qui influence fortement le résultat de la mise en forme, est généralement modélisé par un coefficient de frottement de Coulomb constant. La validité de cette description sommaire du comportement tribologique du triplet tôle–lubrifiant–outils est discutée dans ce mémoire. Dans une première partie relative au procédé d’emboutissage, l’utilisation du tribomètre plan-plan est étendue à la caractérisation de la transition statique–dynamique. Cette nouvelle procédure d’essai met en évidence un niveau de frottement statique plus élevé que le frottement dynamique dans toute la gamme de pressions de contact explorée et pour des tôles d’aciers nus et revêtus. L’influence du frottement statique et plus généralement d’un frottement local et évolutif sur le résultat de la mise en forme est discutée à travers différentes modélisations calées sur les résultats de tribométrie et implémentées dans des codes de calculs par éléments finis (FORGE2® et ABAQUS®) : Une modélisation de la transition statique–dynamique comme fonction de la longueur de glissement, met en évidence l’influence du coefficient de frottement statique sur le retard à l’avalement du flan sous le serre-flan et sur la répartition des épaisseurs dans les zones de faibles glissements relatifs sous le poinçon. Une modélisation du frottement comme fonction de la vitesse de glissement et de la pression de contact permet de prendre en compte de manière réaliste l’influence de l’hétérogénéité de ces paramètres du contact. Pour des vitesses d’emboutissage croissantes, l’écart entre les résultats à frottement constant et variable décroît. La discrétisation du frottement par zone, le frottement sous le poinçon étant plus élevé que sous le serre-flan, permet une réduction sensible de l’erreur commise avec l’utilisation d’un coefficient de frottement constant pour tous les outillages. Le modèle de Devine qui décrit l’histoire microscopique du contact (interactions microplastiques, aspects hydrodynamiques) a été généralisé. C’est un modèle alternatif intéressant qui en outre permet d’estimer l’évolution du frottement local avec l’arasement des plateaux et une approche de l’avarie de contact. La seconde partie est dédiée à l’étude du frottement en hydroformage de tubes. Nous développons un essai de caractérisation du frottement et l’appliquons à des tubes en alliage d’aluminium 6060. Le coefficient de frottement de Coulomb varie entre de très faibles valeurs (0,03) pour des graisses à des valeurs beaucoup plus élevées (0,3) pour des huiles ou des lubrifiant solides. Des simulations par éléments finis mettent en évidence l’influence majeure de cette gamme de coefficient de frottement sur la distribution d’épaisseur en déformation plane

  • Titre traduit

    Contribution of the numerical simulation and the experiments to the understanding of the friction phenomena in sheet stamping and hydroforming


  • Résumé

    The sheet metal forming industry uses more and more the numerical simulation computer codes in order to minimize the development time and the cost of trial and error loops. Friction which has a major influence on the product quality is usually described by a constant Coulomb friction coefficient. The validity of this very simplified description of the real frictional behaviour is discussed in this thesis. The first part focuses on the stamping process. A new frictional device is developed based on a flat/flat tribometer. It allows measuring either static or dynamic friction coefficient. Experiments on coated and non coated steel sheet demonstrate that the static friction coefficient is significantly higher than the dynamic one on the whole range of contact pressures. The influence of a local and time variable friction coefficient on the result of the stamping operation is discussed using several friction models based on tribometry results and implemented in two numerical codes (FORGE2® et ABAQUS®): The static to dynamic transition of the friction coefficient described as a function of the sliding length underlines the role of the static coefficient of friction on the beginning of sliding under the blank holder and also on the thickness distribution under the punch where small relative sliding occurs. A pressure and sliding speed friction model describes well the influence of the heterogeneity of these quantities. For higher punch speeds, the difference of the results obtained with a constant and a variable friction coefficient decreases. The use of two constant friction coefficients, the punch friction being higher than the blank-holder friction, improves significantly the results. The Devine’s model which describes the influence of the microscopic history of the contact (microplasticity, hydrodynamic effects) has been improved. It is an interesting alternative model which provides also an estimation of the evolution of friction with the plateaux upsetting and the onset of galling. The second part is dedicated to the friction in hydroforming of tubes. We develop a frictional device and apply it to AA 6060 tubes. The Coulomb friction coefficient increase from typical values of 0,03 for greases to 0,3 for other lubricants (oil, solid lubricants). Finite elements calculations show the huge influence of the friction coefficient on the thickness distribution in the case of plane strain forming

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Informations

  • Détails : 1 vol. (195 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 51 réf.

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  • Cote : EMS T-CEMEF-0306
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