Chapitre 4 : PROPOSITION ET EVALUATION DU COUT DE REALISATION
4.9. Estimation des coûts des dépenses énergétiques liées aux traitements
2.5.1. Les couteaux
2.5.1.3. Le traitement thermique des couteaux
2.5.1.3.1. La trempe
Tableau 2.3 : procédure de trempe des couteaux [51]
1ere préchauffe jusqu’à environ 490°C
dans un four à convection d’air 2e et 3e 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 HRC
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
1ere préchauffe jusqu’à 490°C dans le four
2e et 3e 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.
Page | 65
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.
Page | 70
• 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,Page | 71
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, refroidissement jusqu’à température ambiante à l’huile (gas-oil).
Troisième préchauffe
Démarrage du four + montée à la température de 1 050°, insertion des pièces dans le four + maintien pour une heure,
Page | 73 refroidissement jusqu’à température ambiante à l’huile (gas-oil).
Cette façon de préchauffer les pièces non seulement est très inexacte, mais aussi occasionne des consommations énergétiques inutiles. Evaluons cette perte. Le temps total de chauffage inutile est supérieur à onze (11) heures. Nous considèrerons néanmoins ce temps pour le calcul.
La puissance électrique du four est de 21 BC. Le four étant purement résistif, l’énergie gaspillée DE est :
DE = 21 × 11 = 231 BCℎ. En supposant 65 G,!H; le prix du BCℎ, on a une dépense I = 231 × 65 = 15 015 G,!H;.
En résumé, 15 015 G,!H; sont au moins gaspillés à chaque traitement thermique des couteaux.
L’insertion des pièces dans le four est tout aussi inadéquate.
Le fait d’introduire les pièces à températures élevées dans le four, provoque des chocs thermiques qui engendrent des déformations et des tapures [33] dans la structure de la pièce. En effet, les chocs thermiques engendrent des hétérogénéités de température dans la pièce. Si les gradients de température sont élevés (comme c’est le cas ici), les contraintes créées par ces hétérogénéités peuvent devenir suffisamment importantes pour provoquer des déformations plastiques irréversibles locales, qui conduisent alors à des distorsions de la pièce [49]. Cela a un impact négatif sur les structures internes, et par ricochet sur les propriétés mécaniques.
La température maximale limite que peut atteindre le four a également une influence très néfaste à l’obtention des propriétés optimales recherchées.
La loi de transformation s’exprime ainsi : pour un bon traitement d’austénitisation, il est indispensable que le point critique correspondant à la fin
Page | 74 de la transformation à l’échauffement soit dépassé (4*), que la température soit telle que le fer se trouve totalement à l’état stable à chaud et contienne le carbone dissous et uniformément réparti dans toute la masse.
Pour le TSP4, 4A = 1 050°, correspond au début de la transformation de la phase ( en + : c’est le début de la formation austénitique. D’après le tableau 2.4, la fin de la transformation (en vertu des performances que nous recherchons) aura lieu à 6 = 1 230°. Or la température maximale qu’atteint le four est 6JK = 1 050°. Conséquence ?
Moins de carbone dissous, très faibles formations martensitiques, donc baisse considérables de performances.
3.4.1.1.2. Le maintien en température
Le maintien, à la température nécessaire d’austénitisation doit assurer le chauffage de la pièce jusqu’au cœur et l'achèvement des transformations de phases, sans être trop long pour ne pas provoquer le grossissement des grains (qui diminue la dureté finale) et la décarburation des couches superficielles à l'air [11]. La problématique consiste donc à imposer à la pièce un maintien en température pour permettre une bonne homogénéisation de l’austénite et la dissolution des carbures présents.
La durée totale de chauffage 6L = 6M + 6NO dépend de :
6M : durée d'échauffement à cœur jusqu'à la température demandée. Elle dépend de la forme des pièces et des dimensions, de la nuance de l'acier, du type de four, etc. 6NO : durée de séjour isotherme qui dépend de la composition et de l'état initial de l'acier.Page | 75 A TransAcier, le maintien à la température d’austénitisation dure une heure16. Ce temps de maintien ne figure pas sur la fiche technique du fournisseur, et n’a
Page | 75 A TransAcier, le maintien à la température d’austénitisation dure une heure16. Ce temps de maintien ne figure pas sur la fiche technique du fournisseur, et n’a