Phénomènes acoustiques durant le procédé de forgeage

Considérer le comportement élastique des machines permet d’expliquer une part des pertes énergétiques ayant lieu lors de la déformation du lopin, pour des presses travaillant à des vitesses de frappe relativement faibles. Cependant, pour les machines dont les parties mobiles se déplacent à des vitesses plus élevées, d’autres phénomènes apparaissent et tendent à augmenter les pertes énergétiques du procédé, par des mécanismes de dissipation (frottements fluides, frottements par friction, émissions d’ondes…). Cette partie s’intéresse aux ondes acoustiques émises lors du processus de forgeage, résultant de la dynamique du système. Les origines précises de ces ondes sonores sont déterminées, afin d’en évaluer l’impact sur l’énergie consommée durant une frappe.

5.1 Sources d’émission d’ondes sonores

Quatre sources d’émissions d’ondes sonores sont identifiées sur un marteau pilon (Richards

et al. 1983) : l’accélération de la table et de la masse tombante, l’expansion transversale du

lopin, l’air déplacé par les éléments en mouvement de la machine et les vibrations de la structure.

Durant la mise en forme, les surfaces de la table et de la masse tombante se déforment élastiquement créant une variation de pression avec l’air en contact d’une période équivalente à celle du choc et uniquement pendant la durée du choc. L’amplitude de l’onde est liée à l’effort maximal et à la durée du choc, ce type d’ondes est d’autant plus prédominant sur le bruit total émis, que le choc est élastique, c’est-à-dire bref avec des efforts élevés. Des tentatives de modélisation de ce phénomène existent dans le cas de pilons (Hodgson 1976) ou de problèmes plus généraux (Akay 1978).

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Le lopin subit aussi une accélération qui produit une onde sonore lors de la frappe. Pendant la déformation, son expansion transversale engendre une expulsion d’air et une onde sonore d’une durée environ égale à celle du choc. L’effort, la surface de contact et la rigidité transversale du lopin conditionnent la nature de l’onde. Hodgson et Bowcock ont travaillé sur la modélisation de ce problème, ils ont proposé de résoudre l’équation d’onde lors de la déformation d’un lopin pour déterminer la nature et l’intensité de l’onde émise (Hodgson et Bowcock 1975).

L’air déplacé par les parties mobiles lors de l’accélération a aussi un rôle dans les ondes sonores émises pendant le forgeage. Selon leurs formes, les outils peuvent emprisonner de l’air dans leurs cavités et l’accélérer jusqu’à des vitesses supersoniques. Il est possible de modéliser ce phénomène mathématiquement grâce aux équations de la dynamique des fluides, une fois les vitesses de déplacement connues. Ces ondes sonores atteignent des vitesses très élevées pendant un laps de temps très court, de l’ordre de 5 ms. Cependant, ces ondes sont fortement amorties avec l’éloignement de la source d’émission, suivant une loi exponentielle. A titre d’exemple, la vitesse est divisée par dix en s’éloignant de 44,45 mm pour un pilon CECO 60FD équipé d’un outil de diamètre 230 mm dans une expérience présentée par Richards (Richards

et al. 1983). Un opérateur très proche de la machine peut ressentir l’effet de l’accélération de

l’air, mais à une certaine distance du poste de travail, l’onde devient imperceptible ce qui conduit souvent à négliger ce phénomène.

Enfin, les vibrations de la structure de la machine sont aussi à l’origine d’émissions d’ondes sonores. Ces vibrations ont un effet prédominant par rapport aux autres effets, excepté lors de chocs élastiques où l’accélération de la table et de la masse tombante ont un rôle important (Richards et al. 1983). L’excitation de la machine lors du choc implique une accumulation d’énergie sous forme de déformations élastiques dans les différents composants de la presse. Pendant et après le choc, cette énergie est restituée sous forme de vibrations mécaniques aux fréquences propres respectives des composants, et ces vibrations sont en partie converties en ondes sonores. L’effort appliqué, la conception de la machine et les matériaux utilisés pour ses composants ont notamment un rôle dans la nature de ces ondes. Partant d’études antérieures sur le comportement mécanique d’un pilon, Vajpayee propose un modèle reliant linéairement l’énergie perdue dans la déformation élastique de la structure et l’énergie acoustique stockée dans les ondes sonores émises, grâce à un coefficient de proportionnalité noté  (Vajpayee et

al. 1982). En considérant la machine comme un point ponctuel d’émission d’ondes, il parvient

à exprimer la pression sonore comme une fonction linéaire de l’effort appliqué où le coefficient de proportionnalité est calculé à partir de la densité de l’air, la vitesse du son, des géométries du microphone, de sa distance par rapport à la machine et de . Le lien étant fait entre effort et pression sonore, Vajpayee utilise un modèle mécanique pour prédire les efforts et obtenir ainsi un modèle décrivant les ondes sonores émises.

D’autres auteurs ont mis en place des approches empiriques, basées sur des mesures d’intensités sonores réalisées durant des frappes, pour comprendre le rôle de chaque élément de la machine dans l’émission d’ondes sonores. Trethewey et Evensen ont développé une méthode basée sur la technique des spectres résiduels pour analyser les ondes sonores émises par un pilon (Trethewey et Evensen 1981, 1984). Les accélérations de certains éléments de la presse ayant un impact sur le son perçu par l’opérateur sont considérées (Figure I-18). A partir de transformées de Fourier des signaux sonores mesurés et de la méthode de minimisation, les auteurs parviennent à obtenir la contribution de chaque élément au son total mesuré.

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Figure I-18 Technique des spectres résiduels appliquée à un pilon simple-effet (Trethewey et Evensen 1981)

5.2 Synthèse

La littérature met en avant quatre sources d’émission d’ondes sonores lors du forgeage sur marteau pilon, cependant parmi ces sources seules la soudaine accélération du marteau et de la table, ainsi que les vibrations de la structure contribuent significativement au bruit total émis. Les vibrations de la structure de la machine ont un impact majeur quel que soit le type de frappe, tandis que les ondes émises du fait de l’accélération de la masse tombante et de la table, ont une influence uniquement dans le cas de chocs élastiques. Dans ces deux cas, l’énergie transportée par les ondes acoustiques provient de l’énergie transmise à la structure sous forme de déformations élastiques restituées en déplacements qui génèrent les ondes sonores. Cette restitution a lieu à la fin de la frappe lorsque les déformations élastiques de la structure sont relâchées, mais elle peut aussi se produire durant la déformation, si des modes vibratoires de périodes inférieures au temps du choc sont excités. Les autres sources d’émission d’ondes étant négligeables, il n’est pas nécessaire de considérer les phénomènes acoustiques pour la prédiction de l’efficacité du processus de mise en forme, si le comportent vibratoire de la structure est connu.

6. Prise en compte des effets dynamiques dans la modélisation des