3.4 Conclusions de la présentation des moyens d’analyse de l’usure des lames de
4.1.4 Comparaison de l’évolution de l’effort maximum avec la littérature
Les résultats d’effort maximum obtenus pour ces essais unitaires sont comparés à ceux obtenus par So [So2015] dans sa thèse sur le poinçonnage à chaud. Pour que les résultats puissent être comparés, il faut définir une grandeur commune : la densité surfacique d’effort nécessaire pour cisailler la tôle. En effet, So poinçonne à chaud du 22MnB5 à l’état austénitique d’une épaisseur de 1,75 mm avec un poinçon de 110 mm de diamètre. Ici, les essais unitaires consistent à cisailler une tôle de 1,2 mm d’épaisseur sur une longueur estimée à 105 mm. Cette densité correspond à l’effort maximal divisé par la section affectée mécaniquement (produit de la longueur découpée par l’épaisseur initiale de la tôle) et inclut l’effort résiduel lié à la rigidité des serre-flans et du moyen d’essais présenté à la section 3.1.4.3 du chapitre 3.
La figure 4.3 présente la densité d’effort de coupe obtenue par So [So2015] et celles obtenues par les essais unitaires dans la gamme de températures initiales de tôle de 500◦C à 800◦C pour des jeux de découpe commensurables (environ 10 %).
Pour comparer, la décroissance de la densité d’effort avec la température, une régression logarithmique est faite dans les deux cas en adimensionnalisant la température initiale de la tôle avec la température de fusion de la nuance (températures en degré Kelvin). C’est la notion de température homologue développée par Johnson et Slater [Johnson+1967], citée au chapitre 2. Ce choix se fonde sur l’hypothèse qu’à la température de fusion
(estimée grâce au logiciel THERMOCALC ® à 1515◦
C pour le 22MnB5), la tôle n’a plus de résistance mécanique et qu’en conséquence elle constitue une température de référence pour le problème du découpage à chaud.
0 100 200 300 400 500 600 700 450 500 550 600 650 700 750 800 D ensi té d'e ff ort de coupe (N /m m ²)
Température initiale de la tôle (°C)
So 2015, jeu 10 % Essais unitaires, jeu 12.5%
Interpolation So 2015 Interpolation essais unitaires
y=-712ln(x)-131 R²=0,958
y=-547ln(x)-132 R²=0,986
Température homologue initiale de la tôle (x=T/Tfusion, K)
0,40 0,45 0,50 0,55 0,60
Figure 4.3 – Densité surfacique d’effort de coupe dans la gamme de température initiale de tôle de 500◦C à 800◦C pour des jeux de découpe de 12,5 % pour les
Au regard des résultats, les essais unitaires suivent la même tendance que les résultats de So : plus la température initiale de la tôle est importante moins la densité d’effort est élevée. So [So2015] propose des régressions logarithmiques de l’effort maximal de coupe pour décrire son évolution en fonction de la température initiale de la tôle. Néanmoins, So [So2015] n’adimensionnalise pas la température prise en compte dans le logarithme ce qui est discutable. Une nouvelle régression logarithmique des résultats expérimentaux de So [So2015] prenant en compte la température homologue est donc proposée (figure
4.3). A 500◦C, l’écart constaté entre les deux régressions est de 140 N mm−2.
Le premier coefficient devant le logarithme (-712 pour les essais unitaires et -547 pour So) est représentatif de la décroissance de la densité avec la température. En valeur absolue, plus ce coefficient est fort, plus la décroissance est forte. Les densités calculées pour les essais unitaires semblent donc décroitre plus rapidement que pour les essais de poinçonnage menés par So.
Le second coefficient (-131 pour les essais unitaires et -132 pour So) représente une valeur limite de la densité d’effort avec la température. Il est constaté pour les essais unitaires que cette valeur limite de densité est très légèrement supérieure (un point d’écart) pour les essais de poinçonnage de So.
La question qu’il est légitime de se poser est donc : comment expliquer ces écarts dans l’estimation de la densité d’effort de cisaillement en faisant les hypothèses que le matériau de tôle étudié est de la même nuance, dans un état métallurgique identique [So2015] et aux mêmes températures dans les deux cas ? Cinq sources dont les effets sont schématisés à la figure 4.4 peuvent expliquer ces écarts. La courbe de référence considérée pour expliquer l’effet des sources d’écarts sera celle de So (seule la courbe des essais unitaires est "mobile").
D ens ité d’ ef for t de coupe
Température initiale de la tôle 3 5 2 4 3 4 5
Soustraction de l’effort résiduel
So 2015, jeu 10 % Essais unitaires, jeu 12,5 %
Estimation de l’effort en bas de la gamme du capteur Estimation de la température par pyrométrie Augmentation de la rigidité de la machine Réduction du jeu
2
Effet du poinçonnage (contour fermé)
1 1
Figure 4.4 – Effets des sources d’écarts sur les densités de cisaillement entre les essais unitaires de cisaillage et les essais de poinçonnage de So [So2015]
4.1.4.1 Poinçonnage / cisaillage
La première source d’écart est évidente. Les essais unitaires sont des essais de cisaillage donc le contour formé est ouvert tandis que les essais menés par So [So2015] sont des essais de poinçonnage (contour fermé). De ce fait, dans le cas du poinçonnage, l’attaque de l’outil se fait au coeur de la tôle. Le retrait lié au refroidissement de la tôle lors de sa pénétration par l’outil engendrerait un effort de retenue en face de dépouille. De ce fait, toutes choses étant égales par ailleurs, il serait plus difficile de découper une tôle dans le cadre du poinçonnage que du cisaillage. Concrètement, en prenant comme référence la courbe obtenue par So et si les essais unitaires avaient été des essais de poinçonnage à chaud, la courbe d’évolution de la densité d’effort de coupe en fonction
de la température initiale de la tôle obtenue lors des essais unitaires devrait être décalée vers le haut.
4.1.4.2 Jeux de découpe
La seconde source d’écart provient des jeux de découpe. Les essais unitaires réalisés à 12,5 % de jeu sont comparés à des essais de poinçonnage à 10 %. La réduction du jeu a pour effet d’augmenter l’effort de coupe [So2015]. Si les essais unitaires avaient été réalisés à 10 % alors la densité maximale serait plus forte que celle effectuée à 12,5 % ce qui constitue un décalage vertical vers le haut de la courbe par rapport à celle de So.
4.1.4.3 Contrainte de cisaillement
La troisième source d’écart provient des calculs d’efforts pour les essais unitaires puisque l’effort maximal de l’essai est différent de l’effort cisaillé. Ces calculs prennent en compte les efforts résiduels (discuté au paragraphe 3.1.4.3du chapitre 3) des serre-flans et de rigidité des outillages. So [So2015] retranche l’effort de serre-flan. Une rapide évaluation de cet effort résiduel au temps à effort maximal (40 N mm−1) montre que ces derniers
peuvent représenter une densité d’effort de près de 33 N mm−2. Le retranchement de cet
effort résiduel constitue un décalage de la courbe des essais unitaires vers le bas par rapport à la courbe de So.
4.1.4.4 Précision des mesures d’effort et de température initiale de tôle
La quatrième source d’écart est que les équipements de mesure de l’effort et de la température initiale de tôle ne sont pas les mêmes dans les deux types d’essais. Pour ce qui est de la mesure d’effort, So [So2015] utilise une rondelle de charge dont la charge maximale mesurable est de 2 MN. Lors de ses essais, l’effort maximal enregistré est d’environ 300 kN soit 15 % de la gamme du capteur. Une erreur de mesure est donc possible, le capteur aurait une sensibilité plus faible lorsqu’il travaille en limite basse de sa gamme de mesure. L’effort mesuré serait alors plus faible que l’effort réel. En comparaison, les essais unitaires sont menés avec un capteur pouvant travailler jusqu’à 200 kN et l’effort maximum enregistré est de 100 kN soit 50 % de la gamme du capteur. En prenant comme référence la courbe densité d’effort de So et si les essais unitaires avaient été effectués avec le capteur d’effort de So, l’erreur de mesure engendrerait un décalage vers le bas de la courbe de densités de cisaillement établie pour les essais unitaires.
Pour l’estimation de la température initiale de la tôle, So [So2015] utilise des thermo- couples chemisés implantés dans le contre serre-flan via un perçage. Sur le montage expérimental utilisé par So [So2015], il est difficile de savoir si le thermocouple entre en contact avec la tôle chaude ou si le thermocouple touche le fond d’un perçage dans l’outil. Quoi qu’il en soit, la mesure par thermocouple chemisé et donc non soudé à l’objet à mesurer engendre une résistance thermique de contact entre le thermocouple et l’objet. Il en résulte une estimation de la température à la baisse par rapport à la température réelle à cause du phénomène de diffusion de la chaleur dans le thermocouple. En comparaison, lors des essais unitaires, la température est mesurée par pyrométrie monochromatique. Par conséquent, la mesure n’est dépendante que de la calibration du pyromètre. En prenant comme référence la courbe de densité obtenue par So et si les mesures de température initiales de la tôle avaient été effectuées par des thermocouples
chemisés (équipement utilisé par So) alors les erreurs de mesure de température engen- dreraient un décalage latéral de la courbe de densité d’effort des essais unitaires vers les basses températures.
4.1.4.5 Rigidité des équipements d’essais
La cinquième source d’écart est que la rigidité des deux pilotes expérimentaux n’est pas la même. La rigidité de la machine utilisée dans cette thèse est plus faible que la machine d’essais de So à en juger par l’épaisseur des pièces mécaniques utilisées pour son montage et le fait qu’il utilise une presse industrielle. Une partie de l’effort fourni est utilisé pour préalablement charger la machine puis découper la tôle. Si la rigidité de la machine est basse, toutes choses étant égales par ailleurs, il en résulte un effort à fournir (et donc mesuré) plus important pour découper la tôle. L’augmentation de la rigidité de la machine d’essai conduirait à un abaissement de la courbe d’effort des essais unitaires vers la courbe proposée par So [So2015].