Effet thermique de la mise en forme - Théorie et phénomènes volumiques

Abstract

Sous la pression economique actuelle, l’industrie de la mise en forme doit ameliorer la qualite de ses produits tout en abaissant leur prix de revient. Pour faire face a ces contraintes, le praticien doit analyser et optimiser non seulement les aspects mecaniques des operations de mise en forme mais aussi, et de plus en plus, leurs aspects thermiques. En effet, toute operation de mise en forme, qu’elle soit « a chaud », « a froid » ou « a tiede », fait intervenir la temperature : la deformation plastique echauffe la piece a cœur ; a cet echauffement vient s’ajouter sur une partie de la surface de la piece et de l’outil un echauffement induit par le glissement du metal sur l’outil. Dans les operations de mise en forme a chaud comme le filage, le laminage ou le forgeage, les gradients de temperature entre la piece chaude et l’outil plus froid induisent un refroidissement superficiel de la piece et, correlativement, un echauffement superficiel de l’outillage ; des phenomenes analogues, bien que moins intenses et inverses, se produisent en mise en forme a froid entre l’outil echauffe par les operations precedentes et la piece froide. Les consequences de ces phenomenes thermiques sont multiples. Dans la piece mise en forme, les differences de temperature induisent des ecarts de contrainte d’ecoulement qui tendent a modifier l’ecoulement plastique, avec des consequences geometriques (dimensions, ecarts de forme), mecaniques (contraintes residuelles) et metallurgiques (structure, taille des grains, fissures...) parfois nefastes. La temperature conditionne etroitement l’epaisseur des films lubrifiants, en modifiant la viscosite des lubrifiants liquides et la consistance des lubrifiants solides, et de ce fait le coefficient de frottement et l’energie de mise en forme. Elle produit une evolution marquee a chaud des lubrifiants avec, par exemple, la vaporisation servant a l’ejection des pieces de forge ou au decalaminage en laminage. La temperature de travail de l’outil (et bien souvent le cycle de temperatures au cours du travail ou l’ecart entre temperature superficielle et temperature a cœur) d’une filiere, d’un cylindre de laminoir ou d’une matrice de forgeage conditionne etroitement le regime de contraintes appliquees, les tolerances dimensionnelles (dilatation) et la plupart des formes d’usure, soit directement (fatigue thermique, fluage), soit indirectement [resistance a l’abrasion, a la fatigue mecanique, fragilisation par trempe superficielle, cinetique d’evolution physique (transformation de structure), chimique (oxydation, diffusion...)]. En bref, la duree de vie de l’outillage depend etroitement du regime thermique que lui impose l’operation de mise en forme. Ces problemes etant complexes, on utilise de plus en plus la simulation numerique pour les analyser et les maitriser. Toutefois, la mise au point d’une simulation complete est une operation longue et du ressort de specialistes chevronnes. L’objectif de cet expose est donc de presenter les ordres de grandeur des phenomenes thermiques afin d’en discuter la nature et l’intensite, en prealable a des estimations plus precises obtenues par des simulations numeriques par la methode des elements finis, seule apte a fournir une analyse complete et detaillee des divers aspects. Nota : Cet expose se compose de deux articles : [M 3 012] Effet thermique de la mise en forme. Theorie et phenomenes volumiques  ; Effet thermique de la mise en forme- Phenomenes superficiels et modelisation Effet thermique de la mise en forme. Phenomenes superficiels et modelisation .