Les gammes de pointes

TransAcier produit des pointes de différentes gammes. Le tableau ci-dessous présente les gammes de pointes.

Tableau 2.1 : les gammes de pointes produites.

Longueur (mm) 20 30 40 50 60 70 80 100 120 150 Diamètre (mm) 1,70 1,95 2,23 2,63 2,78 2,98 3,43 4,4 5,20 5,40 A présent, nous allons aborder la description des différentes opérations effectuées sur les outils. Mais avant, nous allons présenter l’historique du choix des matériaux actuellement utilisés.

2.4. Historique du choix des matériaux actuellement utilisés

Au départ, les clouteuses sont vendues à TransAcier avec une paire de mâchoires, une paire de couteaux et un poinçon : il s’agit du nécessaire pour la production. En d’autres termes, il n’y avait pas d’outil de rechange. Les mâchoires et les poinçons venus avec les machines avaient leurs parties actives en carbure⁸ (figures 2.5 et 2.6). Après que ces outils soient devenus défectueux, les techniciens se sont mis à réfléchir aux matériaux de substitution. D’abord, ils ont utilisé en remplacement des outils venus avec les machines, des outils en aciers doux. Mais bien évidemment, le résultat escompté ne fût pas atteint : les outils ne parvenaient pas à complètement produire une pointe.

8 A ce jour, il subsiste encore à TransAcier des mâchoires à parties actives en carbure inutilisables, compte tenu du fait que leurs diamètres ne correspondent pas aux diamètres des pointes produites.

Page | 47 a) différentes parties b) aspects des coups

1- La queue 2- Le coup

3- La tête

Figure 2.3 : aspects des pointes

Page | 48 a) amenage du fil b) formage de la tête et du coup c) coupe du fil

Poinçons Couteaux Mâchoires le lopin Figure 2.4 : mode d’obtention de pointe

Page | 49 Figure 2.5 : mâchoires en carbure

Figure 2.6 : poinçons « en carbure ».

Page | 50 Ensuite, continuant les recherches, ils ont adopté d’autres types matériaux (dont les propriétés leurs sont inconnues). Ceux-ci parviennent à produire à peine dix pointes.

Poursuivant toujours les recherches⁹, ils ont été orientés vers une société en France, spécialisée dans la conception des matériaux : ThyssenKruppMaterials France. Cette société internationale est spécialiste de la conception et de la distribution d’aciers et de métaux non-ferreux. Le directeur d’usine d’antan a exprimé à la société en question leur préoccupation. C’est suite à cela que ThyssenKruppMaterials France a suggéré les matériaux actuellement utilisés.

Ci-dessous se trouve les matériaux suggérés par le fournisseur en plus de leurs propriétés caractéristiques.

2.5. Présentation des matériaux utilisés 2.5.1. Les couteaux

2.5.1.1. Composition chimique

Tableau 2.2 : Composition chimique des couteaux [51]

Elément chimique Symbole Teneur (en %)

Carbone C 1.30

9 La société a délaissé l’utilisation des mâchoires à parties actives en carbure à cause de leur coût revient élevé.

Page | 51 Propriétés : Le TSP4 est un acier rapide obtenu par la métallurgie des poudres qui se démarque des nuances courantes par sa teneur en vanadium élevée. Il présente une excellente ténacité, nettement supérieure à celle des aciers à outils conventionnels. Sa résistance à l’usure est également supérieure. Excellente stabilité dimensionnelle après traitement thermique.

Domaines d’applications : Le TSP4 est d’un emploi universel : outils pour travail à froid, outils de découpage, d’emboutissage, de filage (poinçons-matrices, etc.), outils de coupe (fraises-mère, couteaux, pignons, broches, fraises spéciales, etc.) [ibid.].

2.5.1.3. Le traitement thermique des couteaux

Les traitements thermiques suggérés par le fournisseur sont exposés ci-dessous.

2.5.1.3.1. La trempe

Tableau 2.3 : procédure de trempe des couteaux [51]

1^ere préchauffe jusqu’à environ 490°C

dans un four à convection d’air 2^e et 3^e préchauffe 850°C

850 et 1050°C Température d’austénitisation 1050-1230°C

Milieu de trempe bain chaud 550°C/air huile

air ou gaz à haute pression

Revenu Au moins 3 fois 1 heure à 550-560°C

Dureté¹⁰ 58-65¹¹ H_RC

10La dureté dépend du milieu de trempe et du volume de la pièce

11 Valeurs obtenues avec une vitesse de refroidissement de 7°C/sec. Minimum. Si cette condition n’est pas atteinte, les duretés seront inférieures.

Page | 52 2.5.1.3.2. Propriétés mécaniques

Tableau 2.4 : propriétés mécaniques du TSP4 [51]

mesures Propriétés

Conditions de trempe⁽¹⁾

8°C/sec

Vitesse de refroidissement⁽²⁾

3°C/sec

duretés

Résistance à l’usure

1180-1200°C 1210-1230°C 63-65

HRC

Ténacité 1070-1090°C 1090-1110°C 58-60

HRC

2.5.1.3.3. Le revenu

La courbe de revenu du TSP4 se trouve ci-dessous.

Figure 2.7 : courbe de revenu du TPS4 [51]

(1) Revenus : 3 fois 1 heure à 550-560°C

(2) La vitesse de refroidissement dépend du milieu de trempe, de la pression exercée dans le four et du volume de la pièce

Page | 53 2.5.2. Les mâchoires

2.5.2.1. La composition chimique

Tableau 2.5 : composition chimique des mâchoires [51]

Elément chimique Symbole Teneur (en %)

Carbone C 1.55

Chrome Cr 12

Molybdène Mo 0.70

Vanadium V 1.00

2.5.2.2. Caractéristiques

Désignation : X153CrMoV12 (NF EN ISO 4957 05/00) [51]

Appellation ThyssenKrupp : THYRODUR 2379

Propriétés : Acier à 12% de chrome allié au vanadium. Très bonne résistance à l’usure et excellente tenue à la coupe. Ténacité élevée. Possibilité de nitruration (après trempe secondaire). Apte à la trempe sous vide.

Domaines d’applications : Molettes et peignes à rouler les filets. Outils d’extrusion à froid. Outils de découpage et de poinçonnage pour matières ayant une haute résistance, mandrins de laminoirs à froid à pas de pèlerin, cisailles circulaires [51].

2.5.2.3. Les traitements thermiques des mâchoires 2.5.2.3.1. La trempe

Page | 54 Tableau 2.6 : condition de trempe du THYRODUR 2379 [51]

Trempe standard

Température de trempe 1000-1050°C

Milieu de trempe Huile à 80°C, air, vide ou bain chaud à 500-550°C

Dureté après trempe 63HRC

Trempe secondaire

Température de trempe 1050-1080°C

Milieu de trempe Huile à 80°C, air, vide ou bain chaud à 500-550°C (ou 300-350°C)

Dureté après trempe 61HRC

2.5.2.3.2. Le revenu

Tableau 2.7 : températures de revenu et duretés équivalentes [51]

Trempe standard

Tableau 2.8 : composition chimique des poinçons [51]

Elément chimique Symbole Teneur (en %)

Carbone C 0.90

Page | 55 Appellation ThyssenKrupp : THYRODUR 2842

Propriétés : Acier moyennement allié, trempant à l’huile à 80°C, peu déformable, de bonne dureté pour une ténacité élevée.

Domaines d’applications : Outils de découpage et de poinçonnage jusqu’à 6mm d’épaisseur. Outils à fileter, glissières, colonnes de guidage, moules à matières plastiques, calibres et jauges. Lames de cisailles pour papier ou matières plastiques [51].

2.5.3.3. Les traitements thermiques des poinçons 2.5.3.3.1. La trempe

Tableau 2.9 : conditions de trempe du THYRODUR 2842 [51]

Température de trempe 790-820°C

Milieu de refroidissement Huile à 80°C, air, vide ou bain chaud à 180-220°C

Dureté après trempe 64HRC

2.5.3.3.2. Le revenu

Tableau 2.10 : températures de revenu et duretés équivalentes [51]

Température °C 100 200 300 400 500 550 600 Duretés HRC 63 60 56 50 42 40 38

La courbe de revenu est présentée à la figure 2.8 2.6. Les opérations effectuées sur les outils

Les matériaux commandés (THYRODUR 2379, TSP4, THYRODUR 2842) sont réceptionnés et entreposés au magasin. L’atelier de fabrication, s’il n’est pas trop chargé s’occupe de la fabrication des outils. Au cas où ce dernier

Page | 56 déborde d’activités, l’usinage brut des outils se fait par sous-traitance. Une fois cette première opération achevée, les affûteurs réalisent les traitements thermiques et les opérations d’affûtage.

Figure 2.8 : courbe de revenu du THYRODUR 2842 [51]

2.6.1. Présentation des matériels utilisés

Plusieurs matériels sont utilisés à TransAcier pour la maintenance des outils de forgeage. Entre autre, nous avons :

l’appareil de chauffage : il s’agit d’un four électrique à sole de capacité thermique 1 200°C. Mais pour des raisons de sécurité et pour éviter sa détérioration rapide, le constructeur du four a recommandé de ne jamais dépasser 1 100°C. Il ajoute par ailleurs d’éviter (quand c’est possible) de refroidir complètement le four lorsqu’il devra être utilisé incessamment.

le matériel d’affûtage : il s’agit d’une meule qui sert à affûter les couteaux, à surfacer les mâchoires et à réaliser des stries sur la surface active des poinçons.

une perceuse : elle sert à réaliser des trous dans les mâchoires.

Page | 57 des poinçons : ils servent à entailler les parties actives des mâchoires.

une raboteuse : elle sert à aplanir les surfaces des mâchoires après usure.

2.6.2. Le traitement thermique des couteaux

Tableau 2.11 : traitement thermique du TSP4

1^ere préchauffe jusqu’à 490°C dans le four

2^e et 3^e préchauffe¹² a) 850°C

b) 850 et 1050°C

Austénitisation elle dure une heure, et se fait à 1050°C Milieu de refroidissement dans l’huile (gas-oil) à température ambiante Temps de refroidissement total Environ deux heures

Revenu 3 fois 1 heure à 550-560°C

Après usure, les couteaux sont retournés aux affûteurs. Ils sont ensuite renvoyés à la clouterie après affûtage. Les mêmes opérations sont réalisées à chaque fois que les couteaux deviennent défectueux.

2.6.3. Le parcours des mâchoires

Après perçage, les mâchoires sont entaillées (par poinçonnement), et sont par la suite envoyées à la clouterie pour utilisation, après les traitements thermiques.

Après usure des parties actives, les mâchoires sont renvoyées aux affûteurs qui font respectivement :

− le recuit,

− le rabotage,

− le surfaçage.

Ils reprennent enfin avec le perçage, et ainsi de suite. Ce cycle est répété jusqu’à ce que la mâchoire mobile ne soit plus convenable pour le porte-mâchoire¹³. A

12 Après chaque préchauffe, les couteaux sont faits sortis et refroidis.

13 Dans tous les cas, avant d’être déclassées, les mâchoires n’excèdent pas la moitié de leur longueur initiale.

Page | 58 ce stade, ces paires de mâchoires sont déclassées. Une autre paire est alors mise en service pour le même parcours. Le traitement thermique réalisé est décrit ci-dessous :

mise en marche du four et montée en température jusqu’à 1 050°C,

introduction des mâchoires dans le four pour une heure environ (après stabilisation de la température),

retrait des mâchoires du four,

refroidissement à l’air libre. Le refroidissement total dure en moyenne deux heures,

revenu à 300°C.

2.6.4. Le traitement thermique des poinçons

Ci-dessous se trouve décrite la procédure de traitement des poinçons : chauffage du four jusqu’à une température située entre 790-820°C ; introduction des poinçons dans le four pour une heure ;

retrait des poinçons du four ;

refroidissement à huile à la température ambiante, le refroidissement total survient après une heure et trente minutes à peu près ;

revenu à 300°C, pour trente (30) minutes environ.

Après usure, les poinçons sont surfacés puis striés. Ils sont renvoyés ensuite à la clouterie pour utilisation. Ce cycle est répété jusqu’à ce que les poinçons ne soient plus convenables.

2.7. Les températures de services

Nous avons pris la température de services des outils, et de quelques éléments de machines. Les tableaux 2.12 ; 2.13 et 2.14 présentent les résultats. Les mesures sont prises avec un thermomètre à infrarouge d’incertitude ? = 0,02°

Page | 59 Tableau 2.12 : températures de quelques pièces prises le 09-05-2013 après dix

(10) heures de fonctionnement des machines Machines Températures (en °C)

Couteaux Mâchoires Poinçons Pointes

18 67,2 61,6 74,1 62,3

26 64,6 60,8 70,3 61,2

19 67,4 63 76,4 64,1

Tableau 2.13 : températures de quelques pièces prises le 04-06-2013 après sept heures de fonctionnement des machines

Machines Températures (en °C)

Couteaux Mâchoires Poinçons Pointes

01 69,9 63,5 77,1 66,3

02 70,1 65,2 79 66,7

38 62,3 57,1 66,1 58

Tableau 2.14 : températures de quelques pièces prises le 27-06-2013 après quatre (04) heures de fonctionnement des machines

Machines Températures (en °C)

Couteaux Mâchoires Poinçons Pointes

26 60,7 56,4 66,2 59,5

12 64 60,1 69,8 62,1

18 61,8 55,5 68,7 56,7

2.8. Les tenues des outils

Nous avons élaboré une fiche de suivi des outils. Les tirets dans les tableaux qui suivent indiquent que les types d’outils ne sont pas codés, donc non identifiables.

Page | 60 2.8.1. Fiche de suivi des outils

Avril 2013

Tableau 2.15 : fiche de suivi de quelques outils (Avril 2013) Outils Codes outils Machines temps de bon fonctionnement

(TBF) en heures

Page | 61 Mai 2013

Tableau 2.16 : fiche de suivi de quelques outils (Mai 2013) Outils Codes outils Machines temps de bon fonctionnement

(TBF) en heures

Page | 62 (Juin 2013)

Tableau 2.17 : fiche de suivi de quelques outils (Juin 2013)

Consommables Codes outils Machines temps de bon fonctionnement (TBF) en heures

Page | 63 2.8.2. Calcul des moyennes

2.8.2.1. Moyenne par type d’outil

Tableau 2.18 : MTBF par mâchoire

Mâchoires Moyenne des Temps de Bon Fonctionnement (MTBF en heures)

M5-83 52

S110-5 46

S110-3A/B 47

S140*** 45

S110**** 45

M5-27 46,5

M5-91A/B 49,4

S200 53

N140 50

S110** 46,50

N75* 45,50

Les couteaux

Tableau 2.19 : MTBF par couteaux

Couteaux C623A C1825B C16 N500** N50G N75** N75/1 S110***

MTBF

en heures 62 65 62 64 67 61 63 61

2.8.4.2. Moyenne par outil

Tableau 2.20 : moyenne par outil

Outils Mâchoires Couteaux Poinçons

Moyenne de la MTBF (en heures) 48,45 64,07 77,78

Page | 64 2.9. Récapitulation

Ce chapitre au cours duquel nous avons fait l’état des lieux, nous a permis de :

connaître l’historique de l’outillage de production ;

retracer le parcours l’outillage de production, en prenant connaissance des différentes opérations effectuées ;

connaître les conditions de service de l’outillage de production et enfin de

déterminer leur tenue en service.

Le prochain chapitre sera consacré à l’analyse des données fournies dans le présent chapitre. Précisément, il étudiera toutes opérations réalisées sur les outils afin d’identifier les causes des tenues observées. Il s’achèvera en évoquant les obstacles et difficultés rencontrés lors de l’étude.

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Chapitre 3 : ANALYSES

Page | 66 3.1. Introduction

Avant de procéder à l’analyse et commentaire des différentes opérations effectuées sur les outils utilisés pour la fabrication des pointes, nous déterminerons les caractéristiques mécaniques absolument indispensables pouvant assurer aux outils une bonne tenue en fonctionnement.

3.2. Les propriétés nécessaires aux outils

Le mécanicien « demande », tout d’abord et essentiellement, aux outils de production qu’il utilise, d’être capables d’acquérir les propriétés d’emploi exigées. Pour obtenir les performances mécaniques souhaitées, il faut choisir l’outil de production en tenant compte des contraintes et sollicitations observées en service. En quelque sorte, il s’agira de déterminer toutes les caractéristiques imposées par les conditions de service. Ce travail devient plus intéressant lorsqu’on connaît les caractéristiques du matériau d’ouvrage.

3.2.1. Les propriétés du lopin

Le tableau 3.1 présente la composition chimique du fil utilisé pour la fabrication des pointes.

Tableau 3.1 : composition chimique du lopin [51]

Elément chimique Symbole Composition chimique (en %)

Carbone C 0.066

Manganèse Mn 0.436

Phosphore P 0.009

Silicium Si 0.09

Soufre S 0.012

Page | 67 Il s’agit là d’un acier extra-doux, et le procédé de fabrication est le forgeage.

Donc, il est nécessaire que les outils d’ouvrage soient faits de matériaux de propriétés mécaniques nettement élevées. Par exemple, des carbures, ou des aciers spéciaux (aciers à outils par exemple). La méconnaissance de ce principe explique l’échec des premières tentatives des techniciens à trouver les outils adéquats pour la production.

Intéressons-nous à présent aux propriétés essentielles pouvant garantir une bonne tenue en fonctionnement de l’outillage de production.

3.2.2. Les propriétés indispensables aux mâchoires

Après l’amenage du fil, la mâchoire mobile, actionnée par une vis de compression, vient serrer le fil contre la mâchoire fixe, séparée au départ du fil par un jeu. L’avancement du fil vers les outils étant momentané, rapide et cyclique, la pointe en cours de fabrication se trouve encore entre les mâchoires, lorsqu’elle reçoit la poussée du reste du fil. Cela provoque un glissement qui entraîne une usure abrasive correspondant à un raclement de matière¹⁴ (figure 2.3-b). Les parties raclées lors du glissement pénètrent dans les entailles réalisées au niveau des parties actives et donnent les saillies observés (de deux cotés diamétralement opposées) au niveau du coup des clous (figure 2.3-b).

Après un certain temps de fonctionnement, nous avons particulièrement remarqué que les saillies commencent à disparaître d’abord d’un côté des clous.

Une seule explication s’impose : des deux mâchoires en fonctionnement, l’une s’use avant l’autre. Comment expliquer ce fait ? Et laquelle des mâchoires s’use en premier ?

14 L’usure provoquée est visible au niveau du coup des pointes, et équivaut à un ponçage.

Page | 68 Le mouvement de la mâchoire mobile est, rappelons-le, contrôlé par un ressort : elle est donc soumise à un mouvement de va-et-vient, en d’autres termes elle vient serrer le fil ; subit l’usure et se retourne. La mâchoire fixe, participe non seulement à la compression (donc subit la même usure), mais subit aussi un frottement dynamique avec le fil lors de son avancement. Donc des paires de mâchoires, la fixe est plus sujette à l’usure.

Il apparaît alors que l’usure est un problème dominant à prendre en compte. Il en est donc de même pour la dureté¹⁵.

Tout cela, en plus de la température de service observée, exigent des mâchoires des propriétés de :

− grandes duretés ;

− bonnes résistances à l’usure ;

− bonnes tenues à chaud ;

3.2.3. Les propriétés indispensables aux couteaux

Les couteaux sont actionnés par les arbres latéraux munis de cames. Ils ont un mouvement simultané et viennent couper le fil sous une forme pyramidale (Figure 2.2-a). Les couteaux doivent avoir de :

− grandes duretés ;

− bonnes tenues à la coupe ;

− bonnes tenues à chaud.

15 En effet, plus un matériau est dur, plus il est difficile à être rayé, et donc mieux il résiste à l’usure.

Page | 69 3.2.4. Les propriétés indispensables aux poinçons

Par leur mouvement de va-et-vient, les poinçons provoquent la déformation plastique (aplatissement) de la longueur de fil retrouvée en aval des mâchoires (vu depuis les galets) lors de l’avancement. Cet aplatissement se fait contre la face avant des mâchoires. Pour les poinçons, il faut de :

− grandes duretés ;

− bonnes tenues à chaud.

Mais à vrai dire, les différentes propriétés ci-dessus précisées ne sont utiles qu’au niveau des parties actives des outils, puisque les sollicitations ne sont importantes que dans les zones périphériques de ces dernières.

Nous allons à présent procéder à une analyse aussi précise que possible des opérations réalisées sur les outils.

3.3. L’analyse du matériel du chauffage

La première étape de chaque traitement thermique est le chauffage de la pièce à la température exigée. L'appareil de chauffage doit permettre :

− d’atteindre et de maintenir toutes les parties de la pièce à la température exigée ;

− d’éviter une décarburation des pièces ;

− de présenter des possibilités de préchauffage lorsque la température à atteindre est élevée ;

− de permettre un chauffage plus ou moins rapide pour une faible consommation énergétique :

• chauffage lent : 3 à 10°C/min.

• chauffage technique conventionnel (normal) : 50°C/s.

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• chauffage rapide : > 50°C/s [11].

Les deux fours utilisés pour le chauffage des pièces à TransAcier sont des fours électriques à sole. La montée en une température de 6 = 1 050°, dure à peu près :

quatre heures pour l’un des fours, et

deux heures pour l’autre.

Le temps de chauffage est élevé pour le premier four, et occasionne donc une grande consommation énergétique. Pour le second, il est acceptable.

En effet, une montée en une température de 1 050° pour quatre heures de temps, équivaut à une vitesse de chauffage de 4, 375°/ !, soit un chauffage lent.

Pour les aciers à outils (comme notre cas), il est préférable d’adopter une vitesse de chauffage au-dessus des vitesses du chauffage lent, en choisissant des paliers de préchauffage [33].

3.4. L’analyse des traitements thermiques 3.4.1. Cas des couteaux

Commençons par le traitement d’austénitisation.

3.4.1.1. Le traitement d’austénitisation

Ce traitement thermique a pour but de mettre en solution tout le carbone présent dans l’alliage. Nous avons vu que :

le carbone est l’élément essentiel qui confère la dureté aux aciers,

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la solubilité du carbone est importante dans la phase austénitique (2 %), contrairement à ce qu’il en est dans la phase ferritique (0,02%) [22].

Ainsi, il est nécessaire d’élever la température de manière à permettre la remise en solution du carbone au cours de la transformation de la phase ( en phase + (austénite).

3.4.1.1.1. La montée en température

La montée en température du matériel de chauffage doit se faire avec les pièces à traiter pour une répartition uniforme de la température dans toute la pièce (la surface comme le cœur).

Sur la fiche technique du fournisseur, le traitement d’austénitisation du TSP4, comporte trois paliers de préchauffage. Mais de façon pratique, qu’est-ce-que cela signifie et quel est son intérêt ?

Pratiquement, un palier de préchauffage correspond à une température inférieure à la température d’austénitisation à laquelle il faut s’arrêter et chauffer la pièce pendant un temps donné, avant de poursuivre la montée en température. Son intérêt ?

Il permet réduire voire d’annuler le gradient thermique (entre la pièce et l’enceinte du four) causé par la rapidité du chauffage. C’est ce qui se fait généralement lorsque la température d’austénitisation est élevée.

Deux températures caractéristiques définissent les transformations dans les aciers : ce sont les températures de début et de fin de formation de l’austénite [44]. Pour assurer une mise en solution complète du carbone, on augmente généralement les températures. Pour l'austénitisation des aciers fortement alliés et des aciers rapides, on utilise 1 050 − 1 300° comme température de début

Page | 72 et de fin de formation austénitique. Bien entendu, plus fortement les aciers sont alliés mieux leur température de fin se rapproche de 1 300° .

Le TSP4 est un acier rapide de températures 4A = 1 050° et 4* =1 230°

(tableau 2.4).

La température maximale utilisée à TransAcier pour les traitements thermiques ne dépasse pas 1 050°. Quelles conclusions ressortent de tout ce qui précède ? D’abord, il faut simplement retenir que la première étape du traitement d’austénitisation est très infidèle à la fiche technique du fournisseur et au principe même de l’austénitisation. On peut donc déjà, s’attendre à des performances mécaniques médiocres. Maintenant, allons dans les détails.

Pour faire le préchauffage, les techniciens procèdent respectivement de la façon suivante :

Première préchauffe

Démarrage du four + montée à la température de 490°, insertion des pièces dans le four + maintien pour une heure, refroidissement jusqu’à température ambiante à l’huile (gas-oil).

Deuxième préchauffe

Démarrage du four + montée à la température de 850°, insertion des pièces dans le four + maintien pour une heure,

Démarrage du four + montée à la température de 850°, insertion des pièces dans le four + maintien pour une heure,

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