Le refroidissement

Le but du refroidissement est de transformer l’austénite en martensite ou bainite (selon les propriétés envisagées), plus durs. Pour les aciers à outils en général, et pour les aciers rapides en particulier, il se fait assez rapidement et doit être interrompu avant d’atteindre la température ambiante (vers 50 − 70°) [24]

puis faire revenir immédiatement [55].

Pour atteindre les plus hautes duretés avec le TSP4, le fournisseur du matériau indique : « le refroidissement doit être effectué avec une vitesse de 7°/;H. Minimum. Si cette condition n’est pas atteinte, les duretés seront inférieures ».

A TransAcier, les deux conditions ci-dessus indiquées ne sont pas respectées.

En effet, une vitesse de refroidissement de 7°/;H, équivaut à un temps de refroidissement total de 150 ;H-!I; soit, 2 !:R; 30 ;H-!I;. Or le temps moyen de refroidissement, effectué dans du gas-oil jusqu’à température ambiante, total obtenu par les techniciens tourne autour de deux heures soit approximativement une vitesse de 0,15°/;H : c’est un refroidissement très lent qui limite la formation de la martensite.

Aussi, les couteaux sont refroidis jusqu’à température ambiante, laissés pendant un temps donné avant d’être revenu.

Page | 77 Récapitulons

Du préchauffage au refroidissement, en passant par l’austénitisation et la trempe, aucune des opérations effectuées n’est conforme au principe du traitement thermique d’un acier rapide.

3.4.1.3. Le revenu

Une fois la formation de la martensite terminée, la structure est très dure et cassante. Pour arriver à un état intermédiaire correspondant à une perte modeste de dureté, pour une résilience et ductilité augmentées, on conduit un traitement de revenu qui selon la température engendre différents changements [47]. Les conditions de ces transformations influent beaucoup sur la microstructure finale et donc sur les caractéristiques mécaniques [2].

Le principe du revenu des aciers rapides veut que les pièces à revenir, soient revenues le plus rapidement possible après le refroidissement avec une montée en température simultanée avec le matériel de chauffage, et ce à partir de la température à laquelle le refroidissement est arrêté (vers 50 − 70°).

A TransAcier, les pièces sont refroidis jusqu’à température ambiante, entreposées puis introduites dans le four vers 550-560°C, ce qui veut dire que leur montée en température n’est pas simultanée avec la montée en température du four.

La température d’austénitisation réalisable avec les fours courants à TransAcier est de 1 050°. Supposons maintenant que les traitements thermiques effectués jusqu’ici (avant le revenu) soient corrects. En vertu du fait que nous voulons atteindre les performances maximales du TSP4, les techniciens doivent réaliser le revenu vers 520-535°C. Pourquoi ?

Page | 78 D’après la figure 2.7, la capacité de durcissement¹⁷ [43] envisageable dépasse très légèrement 60S_TU¹⁸. Les techniciens réalisent le revenu vers 550-560°C. Le revenu vers ces températures signale une dureté inférieure à 59STU (figure 2.7).

Les températures du revenu sont donc mal choisies. Or la supposition ci-dessus faite est erronée. Cela indique donc que la dureté obtenue après revenu est bien plus inférieure que celle signalée.

Mais la dureté n’étant pas la seule propriété recherchée, intéressons-nous à l’impact des conditions de traitement sur les propriétés mécaniques telles la résistance à l’usure et la ténacité.

En recourant au tableau 2.4, qui décrit les conditions de traitements pouvant conférer aux TSP4 des propriétés de résistance à l’usure et de ténacité, on s’aperçoit que les propriétés citées ne sont pas obtenues, les conditions y aboutissant n’étant pas respectées !

Synthèse n°1

Le traitement thermique effectué sur les couteaux est inadéquat.

3.4.2. Cas des mâchoires

3.4.2.1. Le traitement d’austénitisation

Nous avons déjà vu que ce traitement thermique permet de mettre en solution tout le carbone présent dans l’alliage, et que la dureté finale dépend de la teneur en carbone à haute température.

17 Il faut entendre par là, la valeur maximale de la dureté que l’on peut obtenir par un traitement de durcissement par trempe dans des conditions idéales.

18 La capacité de durcissement dépend des conditions dans lesquelles se font les traitements thermiques. A TransAcier, la capacité de durcissement est la valeur indiquée. Il ne faut pas confondre cette valeur, avec la capacité de durcissement intrinsèque du matériau déterminée par les concepteurs de matériaux. Pour le TSP4, par exemple, cette valeur est de 65HRC.

Page | 79 3.4.2.1.1. La montée en température

A 1 050°, les mâchoires sont introduites dans le four.

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 lors de l’insertion des pièces), 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.

3.4.2.1.2. 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 du grain (qui diminue la dureté finale) et la décarburation des couches superficielles à l'air [11].

Dans le cas des mâchoires, nous avons deux types de trempes qui correspondent à différentes températures d’austénitisation :

− la trempe standard, et

− la trempe secondaire.

1 050° et 1 080°, correspondent respectivement aux températures AC3 de la trempe standard et de la trempe secondaire. Compte tenu de la température maximale atteinte par le four avec le temps de maintien (une heure), on peut dire

Page | 80 que c’est la trempe standard qui est faite. Pour cette trempe, la durée de maintien maximale est de quarante minutes trente secondes¹⁹ (40 !30;).

Mais comme dans le cas des couteaux, on n’aura pas un grossissement de grain à cause de la température 1 050° qui correspond à la température 4_A pour la trempe secondaire. Néanmoins, une consommation énergétique exagérée en résulte.

3.4.2.2. Le refroidissement

Le refroidissement jusqu’à température ambiante des mâchoires survient après deux heures trente minutes (2S30 !) et se fait à l’air libre. Après refroidissement, on observe la calamine sur les mâchoires, signe extérieur évidente d’une décarburation (figure 3.1).

En outre, la figure 3.2, indique que la dureté des mâchoires après refroidissement tourne autour de 623S_V soit 55,8S_TU²⁰ : c’est une valeur qui vient corroborer l’inexactitude des traitements thermiques.

3.4.2.3. Le revenu

Supposons maintenant que les traitements thermiques effectués jusqu’ici (avant le revenu) soient corrects. En vertu du fait que nous voulons atteindre les performances maximales du THYRODUR 2379, les techniciens doivent réaliser le revenu à 100°C. La raison ?

Le tableau 2.7 indique que pour un revenu effectué à 100°C, on a une dureté de 63ST_U: c’est la capacité de durcissement du matériau. Les techniciens réalisent

19 Cette valeur est calculée en tenant de l’épaisseur de la plus grande mâchoire avec les données du tableau 3.2

20 Contre 791HV soit 63HRC, capacité de durcissement déterminée par le fournisseur.

Page | 81 le revenu à 300°C. A cette température, le revenu donne une dureté de 58STW: la température de revenu n’est donc pas convenablement choisie.

Or la supposition ci-dessus faite est inexacte. Cela indique donc que la dureté obtenue après revenu est bien plus inférieure que celle signalée.

Figure 3.1 : formation de la calamine sur les mâchoires après refroidissement

Figure 3.2 : courbe de transformation en refroidissement continu TRC du THYRODUR 2379 [52].

Page | 82 Synthèse n°2

Le traitement thermique effectué sur les mâchoires est inadéquat.

3.4.3. Cas des poinçons

3.4.3.1. Le traitement d’austénitisation 3.4.3.1.1. La montée en température

A 820°C, les mâchoires sont introduites dans le four. Pour les conséquences de cette façon de faire, voir la section 3.4.2.1.1.

3.4.3.1.2. Le maintien en température

Le maintien en température du poinçon de plus grand diamètre afin d’éviter un

grossissement de grain doit durer _;

!:R; X:,!R − H!X ;H-!I;²¹ (33 !45;). Pour le plus petit poinçon, on a 12 !:R; 22 ;H-!I;.

Pour tous les poinçons, le temps de maintien à TransAcier est d’une heure après stabilisation de la température. Avec cette durée, le grossissement de grains est certain ; s’ensuit également une consommation énergétique élevée.

3.4.3.2. Le refroidissement

Le refroidissement jusqu’à température ambiante des mâchoires survient après une heure trente (30) minutes et se fait à l’huile (gas-oil). La figure 3.3, indique

21 Cette valeur est calculée en tenant compte du diamètre du plus grand poinçon avec les données du tableau 3.2

Page | 83 que la dureté des poinçons après refroidissement est de 293S_V²²: c’est une valeur qui vient corroborer l’inexactitude des traitements thermiques.

Figure 3.3 : courbe de transformation en refroidissement continu TRC du THYRODUR 2842 [52]

3.4.3.3. Le revenu

Supposons maintenant que les traitements thermiques effectués jusqu’ici (avant le revenu) soient corrects. En vertu du fait que nous voulons atteindre les performances maximales du THYRODUR 2842, les techniciens doivent réaliser le revenu à 100°. La raison se trouve dans le tableau 2.10.

Le tableau 2.10 indique que pour un revenu effectué à 100°C, on a une dureté de 63S_TU: c’est la capacité de durcissement du matériau. Les techniciens réalisent le revenu à 300°. A cette température, le revenu donne une dureté de 56S_TU: la température de revenu n’est donc pas convenablement choisie. Notre

22 Contre 785HV, capacité de durcissement déterminée par le fournisseur.

Page | 84 supposition de départ étant fausse, la dureté obtenue après revenu sera plus inférieure à 29,5S_TU.

Synthèse n°3

Le traitement thermique effectué sur les poinçons est inadéquat.

Synthèse sur les traitements thermiques

Aucun des traitements thermiques effectué sur les outils n’est convenable.

3.5. A propos des couteaux

En début de fonctionnement, les couteaux coupent net le fil. Cela veut dire les arêtes coupantes se heurtent. Le choc résultant de la percussion accélère l’usure des couteaux. Une solution très pratique face à ce fait, sera donnée au prochain chapitre.

3.6. Obstacles et difficultés

Au cours de notre stage, nous avons été confrontés à plusieurs difficultés et obstacles.

Vu :

l’absence de données plus techniques sur le matériau entrant dans la fabrication des pointes telles, la limite d’élasticité ou bien la dureté, et surtout la résistance à la compression ;

l’état des machines, l’absence de documents techniques, le caractère très orienté de la société sur la production ; en plus du temps de notre stage ;

Page | 85 nous ne pourrons pas effectuer une étude plus approfondie, par exemple, déterminer les valeurs des intensités des forces de compression des poinçons et mâchoires, ni les intensités des forces de coupe des couteaux²³.

La connaissance de toutes ces données nous aurait permis en effet, de faire une étude liée aux moteurs installés sur les clouteuses. La finalité étant bien entendu de réduire au mieux la consommation énergétique par le choix d’un moteur convenable, pour un temps de bon fonctionnement plus amélioré.

3.7. Conclusion

Au cours de ce chapitre, nous avons établi les causes de la faible tenue des outillages de production. Nous avons vu que :

les traitements thermiques effectués ne conviennent pour aucun des outils, le mode de fonctionnement des couteaux accélère l’émoussement des arêtes coupantes,

les tenues observées en service sont aussi dues aux performances intrinsèques des matériaux.

Le prochain chapitre exposera notre proposition. Elle permet de réduire les coûts de revient, de possession et d’exploitation des outils, et d’augmenter leurs tenues en service.

23 La connaissance de ces valeurs, nous aurait servi à la détermination de la force nominale nécessaire à l’obtention d’une pointe.

Page | 86

Chapitre 4 : PROPOSITION ET EVALUATION DU COUT

DE REALISATION

Page | 87 Plusieurs possibilités existent et permettent l’augmentation des temps de fonctionnement des outils tout en minimisant les coûts de revient. Dans ce document, nous nous limiterons à une solution.

4.1. Notre proposition

La clouterie n’est pas la seule unité de production à TransAcier. La section fer à béton (FAB) est une autre unité qui produit des barres d’acier cylindriques crantées communément appelées « fer-à-béton ».

Les lignes de laminage pour la fabrication de ce produit utilisent différents types de galets tous en carbure de tungstène.

Au cours du laminage, certains galets se cassent pour plusieurs raisons (défauts de réglages par exemple). Mais dans tous les cas, il s’agit d’une rupture fragile liée à la faible ténacité du matériau. Une fois cassés, ils deviennent inutilisables.

Ils sont alors déclassés et entreposés au magasin.

Figure 4.1 : galets cassés en carbure de tungstène

Nous proposons une solution carbure de tungstène pour la réalisation des couteaux et des poinçons. Précisément, nous suggérons la récupération des galets cassés pour servir de parties actives pour les couteaux et les poinçons.

Page | 88 Les parties actives mâchoires seront faites d’acier rapide surcarburé.

L’impact de ces applications sur la production, sera étudié plus loin. Intéressons-nous pour l’heure à la mise en œuvre de cette proposition.

4.2. Mise en situation

Toutes les machines à clouter à TransAcier, sont conçues suivant le même plan d’organisation et possède chacune tous les éléments de machines décrits à la section 2.2. Elles utilisent donc des mâchoires, des couteaux et des poinçons uniformes. Seules les dimensions diffèrent. Dès lors, la mise en œuvre sera la même pour toutes les machines.

Pour ne pas paraître prolixe dans ce manuscrit, nous traiterons explicitement le cas d’un outillage de fabrication : il s’agit de l’outillage de fabrication des pointes de diamètre ∅_Y=5,40 .

Par ailleurs, TransAcier sous-traite l’usinage des couteaux, des mâchoires et des poinçons : nous les utiliserons comme matière première pour nos différentes fabrications.

Dans toute la suite, les dimensions sont en millimètre.

4.3. Cas des couteaux

La figure 4.2 montre les couteaux après sous-traitance.

La forme ainsi indiquée sur la figure, obtenue après usinage est affûtée à TransAcier jusqu’à l’obtention de la forme de la figure 2.2-b.

Dès lors, notre travail consiste donc à fabriquer un couteau identique (en forme et en dimensions) au couteau actuellement utilisé pour la fabrication des pointes

∅5,40, dont le dessin de définition se trouve ci-dessous :

Page | 89

Page | 90 Figure 4.2 : les couteaux usinés après sous-traitance.

Pour la fabrication de la partie active en carbure, nous allons choisir un galet de la figure 4.1.Son dessin de définition (avant rupture) se trouve à la page 91.

Pour la fabrication du porte-outil, nous partirons d’un couteau usiné comme indiqué sur la figure ci-dessus.

A la page 92, on observe :

− le dessin de définition de l’outil,

− le dessin de définition du porte-outil, et

− le dessin d’assemblage de l’ensemble.

L’assemblage se fera exclusivement par brasage.

Page | 91

Page | 92

Page | 93 4.3.1. La mise en œuvre

4.3.1.1. Obtention du porte-outil

Pour obtenir le porte-outil, nous allons découper le couteau du côté de la pente.

Pour commencer se munir d’un pied à coulisse et d’un traceur, disposer le couteau sur une table,

mesurer 15 à partir de la surface à affûter et tracer,

serrer la pièce à l’intérieur d’un étau de façon à découper aisément, découper ensuite en utilisant une scie.

4.3.1.2. Détermination des dimensions de l’outil au découpage Pour convenablement (sans gaspillage) découper le matériau, il faut d’abord définir la portion à découper. Puisque les dimensions précédemment déterminées (sur le dessin de définition) ne peuvent pas directement être obtenues au découpage, il faut découper de sorte que les dimensions au découpage soient supérieures aux dimensions réelles. Mais là, il faut trouver un bon compromis. Si les dimensions au découpage se trouvent nettement supérieures aux dimensions réelles, on aura :

à passer plus de temps au meulage ; et on gaspillera assez de matériau.

Par exemple, toutes les formes de la figure 4.3, sont possibles au découpage.

Figure 4.3 : quelques façons de découper (forme de l’outil en vert)

Page | 94 Mais comme on peut le constater, pour avoir les dimensions de l’outil pour chacune des formes, on passera différents temps à la meule pour le simple fait que pour chacune des formes, il y aura plus ou moins de matériau excédentaire à enlever. Quel est alors la portion optimale au découpage ?

la petite base Z_[ : sur le dessin de définition du couteau (page 89), elle est égale à 28,5. On prendra Z_[ = 30.

la grande base \_[ : elle est égale à 36,27. Elle sera déterminée par calcul.

la hauteur ℎ : elle est égale à 15. On prendra ℎ = 20.

Le matériau à découper est un anneau circulaire, donc la portion à découper est un secteur d’anneau circulaire. C’est dire donc que la détermination de l’angle au centre est capitale. Déterminons-le graphiquement.

Pour ce faire, traçons un polygone régulier circonscrit extérieurement au petit cercle de rayon extérieur , = 48 (figure 4.4).

Figure 4.4 : détermination de l’angle au centre du secteur à découper La figure géométrique ABC est un triangle. En lui appliquant le théorème d’Al-Kashi, on a :

^] = ^]+ H^] − 2H cos (, donc

( = cos^aAb^[cdM_]∗[M^caJce où ( est l’angle en A.

Page | 95 Application numérique :

= Z_[ = 30 ; = H = , = 48 ( = cos^aAg48^]+ 48^]− 30^]

2 ∗ 48^] h ( = 36,42°

Pour la suite, on prendra ( = 37°.

Donc ( = 37°, est l’angle au centre du secteur à découper.

Calcul de la grande base i_j. Considérons le triangle ABC de la figure 4.5.

Figure 4.5 : triangle en situation de Thalès

On a : (/.) ∥ (l). Les deux triangles sont donc en situation de Thalès.

D’après la propriété de Thalès, on a : 4l

4/ = 4

4. = l /.

De ces égalités, on tire :

l = ^mn×op_mo , or 4l = 4/ + /l, avec /l = _{rst u}^q , donc on a :

Page | 96 l = (4/ + ℎcos ( × /.

4/

Application numérique :

4/ = , = 48; ℎ = 20; ( = 37°; /. = Z[ = 30;

l = (48 + 20cos 37) × 30 48

l = 45,53.

4.3.1.3. Mise en œuvre du traçage.

Avant de commencer, se munir, d’un traceur millimétré de 300, d’un rapporteur et d’une équerre, d’un marqueur (feutre, vernis, etc.) de différentes couleurs de préférence.

Commencer d’abord par tracer un diamètre sur le galet comme indiqué à la figure 4.6.

Figure 4.6 : le tracé d’un diamètre sur le galet.

Ce diamètre coupe le petit et le grand cercle respectivement en 4 et en l.

_{Prendre ( = 37°}, et tracer un nouveau diamètre (v) (figure 4.7).

Page | 97 Figure 4.7 : définition de l’angle au centre du secteur à découper

Placer le point D w [4l] tel que 4D = 3. Placer le point w [v] tel que v = 3 (figure 4.8).

Figure 4.8 : détermination de la petite base de l’outil

Tracer la médiatrice à [D]. Elle coupe (D) en z. Prendre [zB]= ℎ = 20.

(figure 4.9).

Figure 4.9 : détermination de la hauteur de l’outil

Page | 98

La parallèle à (D) passant par B coupe (4l) et (v) en / et . (repectivement). D/. (en rouge) est la portion à obtenir (figure 4.10).

Figure 4.10 : délimitation complète de l’outil

4.3.1.4. Le découpage

Pour le découpage, nous utiliserons un disque (fraise-scie) à tronçonner diamanté montée sur une fraiseuse.

Le découpage se fera en deux temps :

Dans un premier temps, il se fera suivant (.).

Dans un deuxième temps, il se fera suivant (/.).

Pensez à surfacer le contour du secteur obtenu à la meule.

4.3.1.5. L’assemblage

Parmi les nombreuses techniques d’assemblage (du soudage à l’arc aux techniques de soudage avancées, en passant par le soudo-brasage, sans oublier l’emmanchement forcé), c’est le brasage mais plus spécifiquement le brasage fort²⁴ qui convient le mieux à notre application.

24 En effet, on distingue deux types de brasage le brasage tendre se faisant à l’étain à température de fusion

< 450° utilisé pour des assemblages soumis à de faibles contraintes mécaniques ; et le brasage fort qui se fait à l’argent, au cuivre, à l’aluminium avec une température de fusion > 450°, destiné à des assemblages soumis à de fortes contraintes mécaniques comme les cadres de vélo, portails, etc.

Page | 99 Les étapes à suivre pour la réussite de cette opération se trouve détaillée dans la suite.

4.3.1.6. Mise en œuvre du brasage 4.3.1.6.1. Matériels nécessaires

Pour un brasage réussi, les équipements suivants sont indispensables.

Un métal d’apport : les métaux d'apport les plus faciles à utiliser sont ceux à haute teneur en argent, s'écoulant librement et ayant des intervalles de fusion bas [5]. Les alliages à températures de brasage plus élevées et intervalles de fusion plus longs sont plus difficiles à utiliser. Autre chose, bien que le composant principal soit de l’argent, qui fait partie des métaux nobles, le prix de revient n'est pas très élevé. Et comme, si l'on s'y prend correctement, la quantité utilisée n’est pas grande, la brasure à l’argent est finalement l’un des moyens les plus économiques d’assembler deux pièces [14]: nous utiliserons pour notre application des baguettes d’argent.

Un matériel pour maintenir les pièces à assembler : un étau de serrage permettra de maintenir les pièces durant l’opération.

Un matériel pour manipuler l’assemblage : ici, une pince-étau sera utile pour saisir et manipuler les pièces soudées en toute sécurité.

Une brosse métallique : nettoyer l'emplacement de la soudure tant avant qu'après les opérations permettra de maintenir propre l’atelier.

Un chalumeau : il est plus puissant que la lampe à souder et dispose d'une autonomie supérieure. Il est raccordé à de grandes bouteilles de butane ou de propane (généralement munies d'un détendeur). Son débit

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