Stratégie numérique et expérimentale pour la maîtrise des dégradations des outillages en mise en forme à froid

par Kévin Le Mercier

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Mirentxu Dubar et de Katia Mocellin.

Soutenue le 08-02-2017

à Valenciennes , dans le cadre de Sciences pour l'ingénieur (SPI) , en partenariat avec Laboratoire automatique, de mécanique et d'informatique industrielles et humaines (laboratoire) et de ComUE Lille Nord de France (Communauté d'Universités et Etablissements (ComUE)) .

Le président du jury était Mohamed El Mansori.

Le jury était composé de Mirentxu Dubar, Katia Mocellin, Pascal Lafon, Jean-Philippe Ponthot, Laurent Dubar, Hakim Naceur.

Les rapporteurs étaient Pascal Lafon, Jean-Philippe Ponthot.


  • Résumé

    La mise en forme à froid des alliages d’aluminium peut être limitée par les transferts de matière sur la surface des outillages pouvant mener au grippage. L’objectif de ce travail de thèse est de contribuer à une meilleure compréhension de ces mécanismes pour permettre à terme d’optimiser les procédés de formage d’un alliage Al-Mg-Si. Une approche couplée expérimentale et numérique est développée afin d’alimenter une base de données d’indicateurs de dégradations des surfaces. L’approche expérimentale développée au cours de ces travaux repose sur l’utilisation de l’essai de compression-translation. Ce dispositif permet de reproduire une large gamme de conditions de contact rencontrées en mise en forme à froid. Une méthode d’analyse des surfaces reposant sur des mesures par profilométrie optique et des analyses au microscope électronique à balayage est développée afin d’évaluer le volume de matière adhérée sur les outils de chaque configuration d’essai. Le comportement rhéologique de l’alliage Al-Mg-Si est caractérisé à l’aide du simulateur thermomécanique GLEEBLE 3500 sur la gamme de températures de 298 à 423 K et à deux vitesses de déformation de 0,1 et 1 s-1. Un modèle de comportement physique reposant sur l’analyse du taux d’écrouissage et l’utilisation du modèle de la contrainte mécanique seuil est développé puis implémenté dans un logiciel éléments finis. Un modèle numérique de l’essai de caractérisation tribologique est développé. Il s’agit d’une analyse thermomécanique utilisant la formulation arbitrairement lagrangienne-eulérienne. Les données locales telles que la pression de contact et la vitesse de glissement calculées par ce modèle permettent de mieux comprendre les mécanismes de collage observés expérimentalement. Enfin, un programme de traitement des résultats numériques est développé afin de réaliser les modifications géométriques de la surface de l’outil en fonction du dépôt relevé expérimentalement. Un modèle d’usure basé sur le travail des forces de frottement est identifié. Ce dernier est un bon indicateur de la tendance au collage et permet une première approximation de ce mécanisme.

  • Titre traduit

    Experimental and numerical strategy for the evaluation of the degradations mechanisms of cold forging tools


  • Résumé

    Cold forming of aluminium alloys can be limited by a severe material transfer to the die surfaces, compromising the process viability. The purpose of this research work is to contribute to a broader understanding of the galling mechanisms which would further allow the optimisation of the forming processes of an Al-Mg-Si alloy. A methodology combining experimental and numerical approaches is introduced in order to build up a database of surface degradations indicators. The experimental approach is carried out by means of upsetting-sliding tests which reproduce a wide range of contact conditions experienced at the tool/workpiece interface during cold forming operations. To evaluate the amounts of adhered material on the tools of each test configuration, surface topography acquisitions are performed by optical profilometry and coupled to scanning electron microscope analyses. Axisymmetric compression tests are carried out by means of the GLEEBLE 3500 thermomechanical simulator to determine the deformation behaviour of the Al-Mg-Si alloy at high strains, in the temperature range of 298 to 423 K and strain rates of 0.1 and 1 s¡1. A constitutive model based on both the Mechanical Threshold Stress model and the analysis of the work-hardening rate is proposed and then implemented in a finite element code. A finite element simulation of the upsetting-sliding test, which is a thermomechanical analysis using the arbitrary lagrangian-eulerian formulation, is introduced. The local contact variables such as the contact pressure and the sliding velocity are evaluated through this simulation and allow a better understanding of the galling mechanisms observed experimentally. Finally, a post-processing program, which analyses the results of the finite element simulation and updates the tool shape according to the amount of adhered material determined experimentally, is developed. A wear model based on the friction work is introduced. This model is a good indicator of the galling tendency and allows a first approximation of this mechanism.


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