Contribution à la modélisation du comportement dynamique du système de production composé de la machine et de ses outillages durant la phase de mise en forme. Application aux machines pilotées en énergie : de la presse à vis au pilon contre-frappe

Contribution to the dynamic behavior modeling of the production system composed of the machine and its tools during the forging phase. Application to energy driven machines : from the screw press to the counterblow hammer

• Auteur / Autrice : Jean-François Mull
• Direction : Régis Bigot, Cyrille Baudouin, Camille Durand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Procédés de fabrication - Génie mécanique (AM)
• Date : Soutenance le 01/12/2020
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LCFC - Laboratoire de Conception, Fabrication et Commande. Metz
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Manoir Industries
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Olivier Bouchard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Régis Bigot, Cyrille Baudouin, Camille Durand, Olivier Dalverny, Emmanuel Foltête, Wolfgang Seemann
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Dalverny, Emmanuel Foltête

Mots clés

Mots clés contrôlés

Formage sous haute énergie

Mots clés libres

Forgeage

Dynamique

Comportement des machines

Simulation numérique

Efficacité

Consommation de l'énergie

Marteau pilon

Presse à vis

Forging

Dynamic

Machine behaviour

Numerical simulation

Efficiency

Energy consumption

Hammer

Screw press

Résumé

L’enjeu du forgeage est la maîtrise des dimensions finales et des qualités métallurgiques du produit fini. Plusieurs phénomènes influencent le procédé dont le comportement de la machine. Les efforts importants mis en œuvre et les fortes décélérations des éléments en mouvement lors de la déformation de la pièce provoquent des phénomènes dynamiques à l’origine de pertes énergétiques. Sur les machines pilotées en énergie, dont font partie les presses à vis et les pilons, la mesure des efforts de forgeage et du déplacement des éléments en mouvement peut être complexe, du fait des conditions extrêmes en termes de température, de vitesse de frappe et d’énergie développée. C’est la raison pour laquelle, seuls des modèles théoriques sans liens directs avec la réalité ont été proposés pour représenter le comportement de ces machines. L’objectif de ces travaux est de développer une nouvelle méthodologie pour modéliser le comportement de la machine et de ses outillages, dans le but de rendre les simulations du procédé de forgeage plus prédictives. Le modèle et ses paramètres sont obtenus à partir de mesures expérimentales, ce qui fournit une solution sur-mesure, spécifiquement adaptée au système {machine + outillages} et applicable à une machine pilotée en énergie quelconque. Les méthodes numériques et les protocoles de mesure, nécessaires à la mise en œuvre de la méthodologie, sont développés pour trois technologies de machines. Le caractère prédictif du modèle est alors validé, étape par étape dans différentes configurations, jusqu’à la modélisation du comportement d’un pilon contre-frappe. En parallèle, le modèle est exploité pour quantifier l’efficacité du procédé et mieux comprendre les processus de consommation de l’énergie durant le forgeage.

The issue in forging operations is to obtain final product with controlled geometries and microstructure. Several phenomena influence the process, of which one is the machine behavior. The high forging load and the important deceleration of moving parts during billet deformation cause dynamical phenomena which imply energy losses. For energy driven machines, as screw presses and hammers, the measurement of forging load and moving parts displacements can be complex, because of the extreme conditions concerning temperature, impact velocity and developed energy. Therefore, only theoretical models without direct links with reality have been proposed to represent machine behavior. The purpose of this work is to develop a new methodology to model the machine and tools behavior, in order to improve the predictivity of forging process simulations. The model and its parameters are obtained from experimental measurements, which provides a tailored solution, specifically adapted to the {machine + tools} system and applicable to any energy driven machines. The numerical methods and measurement protocols needed to apply the methodology are developed for three machine technologies. The predictive capacity of the model is then validated, step-by-step for different configurations, until reaching the modelling of a counterblow hammer. Simultaneously, the model is exploited to quantify process efficiency and better understand the energy consumption during forging operations.