4.5.1 Mise en oeuvre du moyen d’essais
La mise en oeuvre des essais sur le pilote expérimental pour appréhender le problème du découpage est complexe à cause des difficultés de la maitrise de la température initiale de la tôle et des phénomènes mécaniques associés. A des fins de simplification, seul l’effet de la température initiale de la tôle a été testé lors d’essais unitaires en parallèle de la recherche d’une solution de refroidissement de la tôle (mise à la température d’essai). Le fonctionnement du pilote permet de découper des pièces dont la qualité microstruc- turale est en accord avec celle attendue pour des pièces industrielles (martensite). La tendance de diminution de l’effort de découpe avec la température initiale de la tôle est confirmée par les résultats de la littérature [So2015]. L’effort chute de manière logarithmique avec l’augmentation de la température initiale de la tôle de 500 N mm−2
pour 500◦C à 250 N mm−2 pour 800◦C. Cependant, les niveaux de densité d’effort
en poinçonnage [So2015] ne sont pas reproduits ici en cisaillage. Par exemple, à une température initiale de tôle de 550◦C (température homologue de 0.46), l’écart entre la
valeur obtenue dans l’essai unitaire et le résultat de So [So2015] en poinçonnage est de 100 N mm−2. Une discussion sur les sources d’écart apporte des éléments permettant
de comparer les résultats obtenus par les différents auteurs. Les écarts de mesures entre les auteurs proviennent majoritairement de la nature du découpage (cisaillage ou poinçonnage), des moyens de mesures utilisés et de la rigidité des équipements permettant de réaliser les découpes.
Trois essais à une température initiale de tôle de 550◦C, 720◦C et 800◦C ont eu une
analyse approfondie de leurs d’évolutions de déplacement de traverse et d’effort de coupe dans le temps. Les phénomènes caractéristiques (notamment l’obtention de l’effort maximal) sont retardés avec les températures plus basses. Les effets dynamiques liés à la réaction de la machine après chargement (phénomènes de rebonds [Miles2004]) ont été observés. Ils sont plus intenses avec les températures initiales de tôles basses. Ces phénomènes sont liés à la résistance mécanique de la tôle.
4.5.2 Modélisation E.F de l’opération de découpage à
chaud
Il est proposé dans cette thèse une modélisation par la méthode des éléments finis du problème de découpage à chaud. L’idée est de pouvoir simuler les essais unitaires pour estimer les contraintes et les températures dans les outillages dans différentes configurations. A ce titre une description des modèles de comportements utilisés est proposée. Les outils ont un comportement thermo-élastique. La tôle a un comportement thermo-élasto-plastique avec une dépendance à la température et à la vitesse de défor- mation. Les nombreux paramètres physiques et mécaniques nécessaires pour décrire ces comportements sont issus de la littérature. La discussion sur le choix des paramètres se base sur des critères de disponibilité des données dans une large plage de température et de l’expérience du laboratoire sur le matériau étudié. La mise en oeuvre de ces modèles permet de montrer une insuffisance dans la littérature de la description du comportement plastique de la tôle pour des vitesses de déformation supérieures à 10 s−1
et à haute température dans le domaine austénitique. Pour contourner cette difficulté, une extrapolation logarithmique du comportement plastique de la tôle pour des hautes vitesses de déformation est proposée ce qui permet d’avoir un niveau d’effort maximal de coupe estimé par la simulation numérique proche de l’essai unitaire associé. L’originalité ce modèle réside aussi dans les conditions aux limites utilisées puisqu’elles prennent en compte la rigidité de la machine d’essais et le déplacement de l’outil expérimental mesuré à chaque essai unitaire.
En termes de perspectives pour la modélisation, l’étude du comportement de la tôle (plasticité et endommagement) et des outils à haute température et haute vitesse de déformations permettrait d’améliorer leur description dans le modèle. De plus l’interaction entre la tôle et l’outil manque d’une description fine des phénomènes de contact. Notamment, l’évolution du coefficient de frottement en fonction de la température de l’outil et de la tôle reste à mieux décrire par rapport au comportement mécanique du revêtement Al-Si. En effet au delà de 500◦C, le revêtement Al-Si est
ductile voir visqueux [Handbook2016] et les phases qui le compose évoluent avec le refroidissement dans la gamme de température de travail et de pression de contact. Une étude numérique faisant varier le coefficient de frottement pourrait être menée pour déterminer son influence sur les niveaux d’effort et de contrainte. Dans le modèle, une extrapolation du modèle empirique d’évolution du coefficient de conduction à l’interface
en fonction de la pression de contact proposé par Abdhulay [Abdulhay+2010] est effectuée. L’influence du modèle d’évolution du coefficient de conduction à l’interface sur l’effort, la contrainte dans l’arête de coupe et l’échauffement de l’outil pourrait être une étude intéressante pour vérifier s’il est nécessaire de le caractériser expérimentalement à des pressions de contact supérieures à 100 MPa.
4.5.3 Influence des paramètres de l’opération sur l’effort
de coupe, les contraintes et les températures
générées dans l’arête de coupe
Les simulations menées dans différentes configurations de températures initiales de tôles, de jeu de découpe, et de rayon d’arête permettent de monter grâce à une étude paramétrée leur influence sur les niveaux des contraintes et des températures engendrés dans les lames.
Un résultat important est que pour toutes configurations de jeux et de températures avec un rayon d’arête de coupe inférieur à 200 µm étudiées grâce au modèle éléments-finis, les arêtes de coupe sont susceptibles de se déformer plastiquement.
L’effet de la température de tôle est prépondérant. Les valeurs d’effort de coupe et de contrainte dans les lames sont inversement proportionnelles à la température initiale. Par exemple pour un jeu de 150 µm, l’effort décroit de 600 N mm−1 pour 500◦C à
300 N mm−1 pour 800◦C. Plus la température initiale de la tôle est importante, plus
l’échauffement est sévère. L’étude de l’effet de la température initiale de la tôle permet de valider le modèle numérique par une approche macroscopique se basant sur la comparaison des efforts expérimentaux et simulés. L’évolution de l’effort expérimental est bien reproduite par la simulation. Plus spécifiquement, le niveau maximal d’effort de coupe est estimé avec une erreur maximale de 11 % ce qui reste acceptable compte tenu des hypothèses faites pour le calcul. L’analyse des champs de contraintes et de températures aux instants remarquables de la découpe (début de l’indentation, fin de la formation du bombé et effort maximal) montre que le début de l’indentation de la tôle semble être critique d’un point de vue des contraintes ce qui confirme l’observation de Nothhaft [Nothhaft+2012]. Le maximum est localisé au début du rayon en face d’attaque en sous couche. Pendant la formation du bombé, la contrainte maximale se délocalise en fin de rayon en face de dépouille. Le champ de température est sous forme de quarts d’ellipses dont le grand axe est parallèle à la face d’attaque. Naturellement, la température s’élève avec la pénétration de la lame dans la tôle.
Les ordres de grandeur à retenir sont pour la contrainte de 1000 MPa, entre 300◦C et
400◦C pour la température au sommet de l’arête et des pressions de contact minimales
à l’entrée du rayon en face d’attaque de près de 1000 MPa. Il est nécessaire de rappeler que ces phénomènes se font sur une durée inférieure à 100 ms. Aux températures de lame considérées, la contrainte est susceptible de dépasser la limite d’élasticité du matériau d’outil (pour la nuance X38CrMoV5 à 47 HRC de 1072 MPa à 300◦
C et 1010 MPa à 400◦C [Barrau2004]).
L’augmentation du jeu, permet de réduire sensiblement l’effort de coupe (moins de 10 % d’écart à la valeur moyenne pour une température initiale de tôle donnée) et a peu d’effet sur la contrainte dans l’arête de coupe puisqu’à chaque température de tôle l’évolution est comprise dans une bande de 200 MPa. Cependant, il est à noter que pour
les configurations à 720◦C et 800◦C, un minimum de contrainte est trouvé pour un
jeu compris entre 100 µm et 150 µm. L’hypothèse sous-entendue est que le jeu n’influe fortement que sur la qualité géométrique du bord découpé.
L’effet du rayon d’arête est important puisque lorsqu’il augmente, l’effort peut s’accroitre de 100 N mm−1 par rapport à la valeur à un rayon nul quelle que soit la température
initiale de la tôle. Le rayon a un effet très important sur la contrainte engendrant un dépassement de la limite d’élasticité de plus de 100 % à rayon nul quelle que soit la température initiale de la tôle. La contrainte est extrêmement intense lorsqu’il n’y a pas de rayon (contrainte deux fois supérieure par rapport à un rayon de 50 µm). Son effet est aussi sensible sur la température au sommet de l’arête de coupe. L’échauffement est établi d’une manière d’autant plus forte que le rayon est faible. Cette constatation permet d’émettre l’hypothèse que le rodage de l’outil se fait à très faible nombre de cycles.
Les essais unitaires ne permettent pas de constater des endommagements car ils ne sont pas cyclés, par définition. Le prochain chapitre vise à caractériser la cinétique de dégradation de lames de découpage subissant des essais d’endurance interrompus par des mesures d’effort et de la topographie de l’arête de coupe. Des observations en coupe des lames permettent d’identifier les mécanismes de dégradations sous-jacents.
5
Identification des mécanismes et
des cinétiques de dégradation des
arêtes d’outils
5.1 Démarche d’analyse . . . 160
5.1.1 Configurations permettant l’identification des dégradations et de leurs cinétiques. . . 160
5.1.2 Plan d’essais de cisaillage à chaud dits en cadence . . . 161
5.1.3 Procédure d’analyse de la dégradation d’une lame . . . 162
5.2 Identification des dégradations . . . 162
5.2.1 Observations de l’état initial de l’arête de coupe . . . 162
5.2.2 Evolution des lames après essais . . . 165
5.3 Identification de la cinétique de dégradation . . . 179
5.3.1 Evolutions du déplacement du sommet d’arête de coupe . . . 179
5.3.2 Influence des paramètres du procédé sur la hauteur de bavure . 184 5.3.3 Evolution de la mesure de l’effort maximal de coupe . . . 185
5.4 Discussions des mécanismes et des cinétiques de dégradation . . . 191
5.4.1 Mécanismes de dégradation . . . 191
5.4.2 Cinétiques de dégradation . . . 195
L’objet de ce chapitre est d’identifier les mécanismes de dégradation des lames de cisaillage à chaud de tôle d’acier 22MnB5. L’identification des dégradations passe par des observations de surface des faces d’attaque et des faces de dépouille et des observations en coupe pour identifier les mécanismes d’endommagement en sous surface. L’identification des cinétiques de dégradation est réalisée à partir d’une analyse des trois approches expérimentales basées sur l’évolution de la géométrie de la lame, de la hauteur de bavure et de l’effort maximal de coupe.