2. État de l’art
2.3. Mise en œuvre : Processus de modélisation du procédé de forgeage à chaud
Dans cette section, on présente les paramètres procédé, à savoir les interactions qui existent entre les différents paramètres et les étapes de modélisation du procédé. Également, on
20
parle des paramètres matériaux, à savoir les règles de conception des outils supposés rigides, la modélisation du comportement du matériau de la pièce (propriétés thermomécaniques, propriétés tribologiques) ainsi que les différentes approches de modélisation, à savoir la modélisation physique traditionnellement basée sur l’expérience et le prototypage physique et la modélisation numérique qui utilise des outils numériques sophistiqués afin de mieux répondre aux besoins actuels des industries.
2.3.1. Modélisation physique
Traditionnellement, la méthode des essais-erreurs était beaucoup utilisée en fabrication au niveau de l’industrie. Selon cette approche de production, il faut d’abord concevoir et fabriquer l’outillage ou machine de forgeage, concevoir et fabriquer les matrices, procéder à l’opération de mise en forme et vérifier si la pièce obtenue répond aux besoins.
Cependant, une fois qu’un prototype est utilisé pour faire un essai quelconque, il n’est plus utilisable pour d’autres tests et il est difficile de faire des études paramétriques. Ces opérations doivent être répétées autant de fois que nécessaire jusqu’à obtention des résultats désirés, ce qui engendre d’énormes pertes en termes de temps et de coûts.
Cette approche est donc inintéressante particulièrement pour des pièces de grande envergure et d’un certain niveau de complexité car comme on peut le voir à la figure 11, il y’a une grande interaction entre les différentes variables procédé et les variables machine dans le cas du forgeage à chaud.
Par ailleurs, cette approche se base souvent sur des règles de conceptions empiriques pour la fabrication des outils de forgeage, ce qui donne lieu à des formules empiriques de règle de conception des outillages, qui sont cependant autant utiles dans le cas de la modélisation physique que dans la modélisation numérique (voir tableau 3, figure 8 et figure 9).
21
Outillages et règles de conception des outils
La production d’une pièce de qualité par forgeage à chaud passe inévitablement par l’usage de bonnes matrices. De ce fait, il est nécessaire de définir les règles de conception des outils qui sont souvent le résultat de plusieurs années de pratique dans une industrie donnée. Ces règles établies par les experts en forgeage et citées dans la littérature définissent les rapports dimensionnels à respecter entre les étapes de préformage et de finition ainsi que le design des bavures.
La figure 8, empruntée de la référence [A3], illustre les paramètres dimensionnels à considérer pour dimensionner les matrices de préformage et de finition alors que le tableau 3 donne les rapports entre les dimensions de préformage et celles de finition à respecter pour l’aluminium. Avec la figure 9, on peut voir une illustration des paramètres dimensionnels.
Figure 8: Règles de conception [A3]
(a) préforme. (b) forme finale. RPF, rayon du congé de la préforme; RP, rayon de raccordement de la
préforme, DF, hauteur de forgeage; RFF, rayon de finition ; wF, largeur de forgeage; RH, la profondeur de
22
Tableau 3: Dimensions de préformage pour un alliage d’aluminium (nervure) [A3] Dimensions finales de forgeage Dimensions de préformage
tF RFF RFC 𝛼F wF tP ≅ ((1à1.5) ∗tF) RPF ≅ ((1.2à2) ∗RFF) RPC ≅ ((1.2à2) ∗RFC) 𝛼P ≅ 𝛼𝐹+ (2à5°) WP ≅ wF−0.8 𝑚𝑚( 1 32𝑖𝑛. )
Figure 9: Comparaison de la pièce préformée et finie pour un quart d'une section H [A3].
(αF, angle de dépouille final; αP, angle de dépouille de la préforme; wF, largeur de forgeage; wp, la largeur de
la préforme; RFC, rayon d'angle de forgeage; RPC, rayon de l'angle de la préforme; RPC, rayon du congé de la
préforme; tP, l'épaisseur de la préforme; tF, l'épaisseur de la pièce finale.)
L’un des principaux avantages du procédé de forgeage est une faible perte de matière notamment si on le compare au procédé d’usinage dans certains cas de figures. Afin de bénéficier de cet avantage, il est important de bien dimensionner les bavures. Il existe des formules empiriques permettant de faire le calcul des bavures en fonction des paramètres du forgeage.
23 Des relations empiriques pour le calcul des bavures en fonction des paramètres géométriques et physiques de la pièce sont tirées de [B4] et sont résumées dans le tableau 4. Les deux premières formules ne tiennent pas compte de la complexité de forgeage et la troisième formule est basée sur un nombre limité de pièces forgées axisymétriques. Les quatrième et cinquième formules sont basées sur l'analyse statistique d'un grand nombre de pièces forgées et sont réputées fiables [B4]. Basé sur ces observations, la formule 4 ou 5 serait un bon point de départ pour le cas de la pièce qui nous intéresse.
En tenant compte de ces règles de conception, on arrive à modéliser des matrices qui seront à même de produire des pièces de bonne qualité.
Tableau 4: Formules empiriques pour calcul des bavures [B4]
Références Épaisseur des bavures, Tf(mm) Bavures et ratio, Wf/Tf
1-Brachanov et Rebelskii 2-Voiglander 3-Vierrege 4-Neuberger et Mockel 5-Teterein et Tarnovski 0.015 𝐴𝑃0.5 0.016D+0.018𝐴𝑃0.5 0.017D+1/(𝐷 + 5)0.5 1.13+0.89𝑊0.5- 0.017W 2𝑊0.33-0.01W-0.09 - 63𝐷0.5 30/[𝐷{1 + 2𝐷2/(ℎ(2𝑟 + 𝐷))}]0.33 3+1.2𝑒−1.09𝑊 0.0038ZD/𝑇𝑓+4.93/𝑊0.2-0.2
𝐴𝑝, surface de forgeage projetée (mm2); W, poids (Kg); D, diamètre de forgeage (mm); Z,
facteur de complexité
Problème liés à l’outillage dans le cas du forgeage
Une des problématiques liées à ce procédé demeure la dégradation des matrices. Il s’agit principalement d’endommagement par fatigue thermique, par fatigue mécanique, par déformation plastique, par usure abrasive [B2].
Pendant longtemps, l’évolution de la température dans les outillages (matrices) a été négligée. Si la température est trop basse, cela peut générer des craques, des fissures, des défauts de remplissage; si elle est trop élevée, cela peut entraîner un début de fusion et de fissuration aux joints de grains [S2-A1]. Un contrôle précis de la température des matrices permet de traiter le problème lié à l’endommagement thermique et en même temps d’obtenir des qualités métallurgiques requises [S2]. Selon [D1], figure10, «De récentes
24
études montrent que l’usage des matrices en céramique ainsi que certains traitements de surface représentent, dans certaines applications, des techniques efficaces d’amélioration de la durée de vie des matrices».
Figure 10: Modèles de matrices étudiés dans les essais de forgeage avec des inserts en céramique [D1]
Un moyen de produire des pièces de meilleure qualité pourrait être le contrôle du préchauffage des pièces, car selon [K3], un préchauffage rapide de la billette produit des grains plus fins. Également, les pièces préchauffées avec des rayons infrarouges conduisent potentiellement à un haut rendement énergétique, de la production à faible coût commercial avec des propriétés mécaniques améliorées.
Un autre aspect qui mérite aussi de l’attention est le design et le contrôle de l’étape de préformage. Un mauvais design des matrices et/ou des bavures de l’étape de préformage conduit à la production de pièces de mauvaise qualité. Le contrôle de la qualité des pièces réside dans une totale maîtrise des différentes étapes du processus de mise en forme. En général, pour le procédé de forgeage, la déformation est très complexe et le design des étapes de préformage en vue d’obtenir des pièces de précision requiert des compétences considérables [K2]. Dans l’article [M1], une diminution du volume de la billette usuelle d’environ 2% et un repositionnement de la pièce autour de l'axe longitudinal entre les opérations de préformage permettent d’arriver aux conclusions suivantes :
-La quantité de matière dans la bavure (donc des pertes) a été réduite d'environ 5%. - les pressions de contact sont plus faibles.
25 - les étapes de préforme influencent beaucoup la précision au niveau de la pièce finale.
- la précision de la pièce est très sensible au positionnement de la pièce lors du préformage.
Au regard des nombreux désavantages de l’approche par essais-erreurs en forgeage de pièces complexes, l’approche par simulation numérique (dite aussi méthode virtuelle), offre une alternative très intéressante qui répond mieux aux exigences de réductions des coûts et de la durée du cycle conception-fabrication-mise en marché. Ceci est dû au fait que la simulation numérique est très polyvalente : on peut facilement adapter le modèle pour effectuer plusieurs tâches, ce qui n’est pas le cas pour la méthode par essais et erreurs. La simulation numérique permet aussi d’effectuer virtuellement et rapidement autant de tests de simulation que nécessaire sans engendrer des pertes de matière et il possible de simuler des situations complexes qui seraient très coûteuses avec la méthode des essais-erreurs. Plusieurs outils numériques existent dans la littérature. Des logiciels tels que Forge ou Abaqus (voir section 2.3.2. Modélisation numérique) proposent des techniques de calcul (modélisation solide paramétrique, lois de comportements, maillage adaptatif, méthodes d’intégration explicite ou implicite,…) permettant d’obtenir des résultats très pertinents et d’en tirer des conclusions. De plus, la simulation numérique permet d’étudier différentes alternatives dans l’espace virtuel en faisant varier les différents paramètres géométriques, tribologiques, etc. sans avoir à fabriquer un seul outil. Il est donc possible d’arriver à des résultats significatifs si les modèles sont représentatifs de la réalité.
Plusieurs aspects peuvent être optimisés grâce à l’utilisation des logiciels de simulation numérique; ainsi dans [P1], l’amélioration de la précision des calculs thermiques au niveau de la simulation du procédé de forgeage à chaud est mise de l’avant. L’auteur de cette thèse a développé une formulation mixte originale qui permet de suivre autant les évolutions de la température que celles du flux de chaleur, tout au long du processus de mise en forme des métaux. Ceci s’effectue en modifiant le code de calcul Forge3 au niveau de la résolution de l’équilibre thermique (exemple : « modifier les conditions aux limites thermiques pour le cas du forgeage, en les écrivant à l’aide des valeurs ”élémentaires” et non plus à partir des valeurs nodales»).
26