Cet état de l’art recense près de 55 références sur la problématique du découpage. La littérature sur le découpage à froid représente 46 références contre seulement 9 pour le découpage à chaud, dont 3 pour le poinçonnage à chaud du 22MnB5 avec les travaux de So [So+2008; So+2012;So2015] et 2 spécifiquement sur l’usure des lames de découpage à chaud avec les travaux de Torres [Torres+2013;Torres+2015]. Il y a donc une forte nécessité à fournir à la communauté scientifique et industrielle une compréhension des mécanismes de dégradation des lames servant à découper à chaud du 22MnB5. Dans cette thèse, les travaux de So [So2015] sont considérés comme la source d’informations principale sur l’influence des paramètres du procédé sur l’effort de coupe et la qualité des tôles produites à laquelle les résultats pourront être comparés.
La revue de la littérature permet d’identifier les paramètres de l’opération, tels que la géométrie de l’outil, la température de la tôle, le jeu et la vitesse de descente de l’outil supérieur. Bien que la température soit un facteur dont l’influence est majoritaire et identifiée depuis la fin des années 60 par Johnson et Slater [Johnson+1967], son étude n’a eu un regain d’intérêt qu’à la fin des années 2000 avec les travaux de Mori [Mori+2008] sur le poinçonnage d’acier à haute résistance à chaud. Cela peut s’expliquer
par les propriétés de résistance mécanique des nuances de tôles devenues importantes au fil des décennies. Ainsi les problèmes liés à la maintenance des outils sont devenus critiques et l’étude des mécanismes de dégradation des outils de découpage un enjeu pour l’industrie.
Les outils de découpage sont en général constitués d’acier à outils contenant du chrome, du molybdène et du vanadium pour en limiter leur usure. La nuance la plus répandue en découpage à froid est la nuance X153CrMoV12 à cause de sa polyvalence. On retrouve aussi de manière plus limitée (deux publications) l’acier X70CrMoV5-2 étudié dans cette thèse. Dans le domaine de l’emboutissage à chaud, l’acier X38CrMoV5 est une référence de par sa bonne tenue à l’usure et à la fatigue à chaud [Uddeholm AB2013]. En découpage à chaud, une seule publication ([Torres+2013]) fait état de son utilisation. La contribution de cette thèse réside dans l’étude du comportement des nuances X70CrMoV5-2 et X38CrMoV5 sous sollicitations tribologiques intenses rencontrées en découpage complétant ainsi les observations déjà entreprises par la littérature. Un focus sur les microstructures initiales des nuances des lames (X38CrMoV5 et X70CrMoV5-2) et de la tôle (22MnB5 pré-alliée Al-Si) a été effectué. Les nuances de matériaux d’outils de cette étude diffèrent majoritairement par le taux de carbone qu’elles contiennent. Les microstructures initiales révèlent une structure martensitique dans les deux cas avec une taille de carbures légèrement supérieure pour l’acier X70CrMoV5-2. Il y a entre les deux nuances un écart de près de 10 points de dureté HRC. La tôle initialement à l’état ferrito-perlitique possède un revêtement composé d’aluminium, de silicium et de fer (provenant du substrat par un phénomène de diffusion) dont la structure est hétérogène
et est réputée pour être abrasive.
Les travaux de Picas [Picas2012] ont identifié des dégradations d’outils de découpage à température ambiante du 22MnB5 martensitique instaurant ainsi une base de réflexion quant à l’aspect mécanique de la dégradation. Les travaux de Torres [Torres+2013] sur le découpage à chaud d’acier doux, quant à eux, donnent des indications sur l’aspect thermique de la dégradation. Les dégradations sont donc :
— du micro-écaillage [Picas2012;Nothhaft2014], — des fissures [Picas2012],
— de l’usure par abrasion [Picas2012],
— de l’usure par adhésion du revêtement de tôle sur l’outillage [Picas2012], — de la déformation plastique [Nothhaft2014;So2015],
— de l’oxydation [Torres+2013],
— de la fatigue thermique [Torres+2013].
La caractérisation de la cinétique de dégradation des lames de découpage est identifiée à partir de la littérature sur le découpage à froid. Elle est fondée sur les trois piliers de l’interaction "produit fini, outil et procédé" ainsi qu’une dualité entre l’approche expérimentale et numérique.
L’approche expérimentale de la cinétique d’usure consiste majoritairement à suivre : — l’évolution du profil de l’arête de coupe [Nothhaft2014],
— l’évolution de la hauteur de bavure [Maillard2009],
— l’évolution de l’effort de coupe [Maillard1991; Nothhaft2014] en fonction du déplacement d’outil et notamment son niveau maximal.
L’approche numérique, quant à elle, pose naturellement la question des comportements des outils, de la tôle et de leurs interfaces à prendre en compte. Une campagne d’essais de caractérisation à partir d’essais simples en testant toutes les dépendances (essentiellement à la température) est quasiment impossible à réaliser dans des temps et des coûts raisonnables. Puisqu’une approche numérique basée sur la méthode des éléments finis est développée pour estimer des niveaux de contrainte et de température dans les lames, il est nécessaire de rechercher les propriétés physiques et mécaniques des matériaux de tôle et des lames pour alimenter le code de calcul.
En ce qui concerne la tôle 22MnB5, les travaux sur l’emboutissage à chaud sont les principaux vecteurs d’informations [Karbasian+2010;Merklein+2015]. Le comporte- ment de la tôle a été largement étudié par Merklein [Merklein+2006;Merklein+2007;
Merklein+2015]. Pour les nuances de lames, la nuance X38CrMoV5 a été très largement étudiée au sein de l’ICA [Delagnes1998;Jean1999;Oudin2001;Mebarki2003;Velay2003;
Barrau2004;Daffos2004;Salem2009;Boher+2012]. Pour la nuance X70CrMoV5-2 seules les informations de la documentation technique sont disponibles [Uddeholm AB2016]. L’interface entre la tôle et les outils est aussi caractérisée par le coefficient de frottement dépendant de la température [Karbasian+2010] et le coefficient de conduction thermique d’interface [Abdulhay+2010;Kaza2010].
Les résultats de simulation numérique [Hambli2001a;Nothhaft+2012;Torres+2015] montrent que l’arête de coupe est susceptible de :
— subir une très forte pression de contact, d’environ 2000 MPa [Hambli2001a]. — subir des contraintes mécaniques de l’ordre de 2000 MPa en découpage à froid du
22MnB5 martensitique [Nothhaft+2012].
— subir un échauffement local proche des températures de revenu de l’outil (485◦C
[Torres+2015].
D’un point de vue expérimental, les moyens d’études se positionnent soit à l’échelle du la- boratoire [Gaudilliere2011;So2015], soit à l’échelle industrielle [Picas2012;Torres+2013]. Il y a donc une place pour un moyen d’essais dont l’échelle est "intermédiaire" permettant une découpe dans des cadences proches de celles rencontrées dans l’industrie avec des paramètres contrôlés et un suivi de l’effort et des températures. En outre, les moyens de caractérisation des dégradations des outils se basent sur des observations fines par microscopie électronique à balayage et des mesures de la topographie des parties actives de l’outil (topomicrographies) réalisées sur un équipement spécifique [Makich2011]. L’objet du prochain chapitre est donc de décrire la machine d’essais de découpage à chaud semi-industrielle utilisée dans cette thèse et les moyens d’analyse.
3
Présentation des moyens d’essais
et d’analyse de l’usure des lames
de découpage à chaud
3.1 Moyen d’essais de découpage à chaud en cadence . . . 72