Caractérisation des procédés de fabrication de pièces de securité automobile

Les constructeurs automobiles sont aujourd’hui confrontés d’une part à une hausse des prix des différentes matières premières nécessaires à la fabrication d’une voiture, et d’autre part à la nécessité de développer des véhicules propres. Ce dernier point passe par le développement de nouvelles technologies pour la motricité mais également par l’allégement de la voiture et de ce fait des pièces dont elle est constituée. Ce contexte conduit à une hausse du coût de revient d’un véhicule. C’est pour cette raison que les constructeurs cherchent aujourd’hui à concevoir des produits qui permettent de conserver ou de développer les caractéristiques actuelles tout en réduisant le coût et la masse.

DEVILLÉ S.A. est un équipementier automobile de rang 1 et 2 spécialisé dans les pièces de sécurité, notamment les ferrures d’ancrage et les renvois de ceintures de sécurité, mais aussi les enveloppes d’airbags. L’entreprise travaille en étroite collaboration avec les différents acteurs du secteur automobile et cherche à proposer à ses clients de nouveaux produits moins coûteux et répondant aux exigences du marché international. Dans ce cadre, l’entreprise travaille avec l’ENSAM d’Angers depuis plus de 25 ans sur des problématiques diverses et les deux établissements ont signé en 1986 un contrat d’assistance permanent. En 2005, le lien entre l’entreprise et l’ENSAM s’est étoffé avec la mise en place d’une Équipe de Recherche Technologique (ERT 1055 “ENDOFORM”) sur la thématique “ENDOmmagement en mise en FORme de Matériaux à hautes caractéristiques mécaniques ; Fiabilisation de pièces de sécurité et des outillages associés”. L’objectif de cette ERT étant de fournir un outil numérique à l’entreprise lui permettant à la fois de prédire le comportement de la pièce à l’usage tout en prenant en compte les contraintes induites par sa mise en forme, mais aussi d’optimiser l’ensemble du processus en ajustant les paramètres de forme, du matériau et des procédés. C’est dans ce cadre que se situe cette thèse.

Bilan de l’existant 

Problématique industrielle 

La sécurité est un thème porteur depuis quelques années sur le marché automobile et a engendré la multiplication et la sophistication des dispositifs liés à la protection des occupants du véhicule, en particulier les airbags et ceintures de sécurité. Les exigences de qualité sur les sous-ensembles classifiés R/S (Réglementation Sécurité), tels les freins, la direction, les systèmes de retenue de personnes, sont devenues extrêmes avec un objectif de non qualité inférieur à 5 pièces par million. Tout ceci dans un contexte économique qui incite à alléger et à simplifier tous les composants utilisant des alliages ferreux. Pour en avoir une idée . Le marché européen des systèmes de retenue de personnes est estimé à environ 75 millions de ceintures de sécurité et 30 millions d’airbags, ce qui suscite la détermination des industriels à être présents sur ce secteur.

Afin de garantir une conformité statistique, 2 pièces sur 1000, en moyenne, subissent des essais destructifs statiques. Un mouton de Charpy permet de simuler un choc dynamique sur la pièce de retenue, qui est le mode de rupture normal d’une pièce de sécurité. Si elles sont théoriquement surdimensionnées, le risque de trouver des lots défectueux ne peut être totalement nul. Sachant que le coût du rappel d’une série de 100.000 ferrures serait supérieur à 15 Millions d’Euros, une fois montées sur les véhicules, l’intérêt qui est porté par les fabricants sur la fiabilité des pièces qu’ils fournissent à l’industrie automobile est compréhensible.

Les contraintes associées à la fabrication des ferrures d’ancrage des ceintures de sécurité, qui sont les pièces principalement étudiées ici sont liées essentiellement :
– Au matériau : principalement des aciers à Hautes Limites d’Élasticité (HLE) avec Re > 500 MPa le plus souvent mais aussi des aciers mi-durs trempés et plus récemment des aciers HLE 350 avec Re > 350 MPa.
– À son mode d’élaboration en aciérie : des campagnes d’essais sur plusieurs années ont montré que les éléments d’addition utilisés, les modes d’élaboration, les types de coulée et les types de laminage ont, à résistance mécanique égale, une influence sur la formabilité et la résilience du demi-produit
– À son mode de transformation sous presse et à l’influence des sollicitations subies lors de l’élaboration des pièces.

Procédés de fabrication étudiés

La pièce utilisée comme support d’étude à ce travail est une ferrure d’ancrage de ceinture de sécurité. Cette ferrure est fabriquée par la mise en œuvre de trois procédés différents : le découpage, le rayonnage des arêtes et le pliage. Elle présente un très bon support d’étude pour l’optimisation de sa forme, du choix des matériaux et des procédés.

Découpage

Le procédé de découpage des tôles est très répandu dans le monde de l’industrie et demande un grand savoir faire pour être parfaitement maîtrisé. En effet, la découpe influe sur le respect des différentes cotes de la pièce, ainsi que sur la tenue de la pièce. Le bord de découpe est inévitablement le siège de contraintes résiduelles importantes qui peuvent être responsables d’un amorçage de fissures pouvant conduire à la rupture de la pièce.

Le procédé de découpe s’effectue sur presse avec un outillage constitué d’une matrice (utilisée comme contre lame), d’un poinçon mobile (utilisé comme lame de découpe) ainsi que d’un système de serre flan utilisé pour maintenir la tôle en place au moment de la découpe et surtout de la remontée du poinçon. En effet, l’opération de découpe de tôles soumet les outillages à de fortes contraintes qui détériorent l’outillage dans le temps. L’usure du poinçon est donc moindre si la tôle est maintenue lors de sa remontée.

Les données à prendre en compte lors du procédé de découpe sont:
• L’épaisseur de la tôle
• Le jeu entre le poinçon et la matrice
• La nature du matériau
• La vitesse de descente du poinçon
• La géométrie de l’outillage.

Ces paramètres influent à la fois sur la qualité du bord découpé, mais aussi sur la dégradation de l’outillage dans le temps. Les valeurs à optimiser sont la taille de la bavure, la hauteur de la zone lisse et l’effort maximum du poinçon.

Pliage 

Le procédé de pliage de tôles est l’un des procédés les plus répandus dans l’industrie. Il a fait l’objet d’un grand nombre d’études tant sur le plan théorique [Mar02] qu’expérimental [Mka03] ou numérique [Bah05], ces deux derniers ayant étudié les cas du pliage par tombé de bord. Cette opération consiste à déformer la tôle au-delà de sa limite d’élasticité, de telle sorte qu’elle conserve la forme imposée par la matrice de pliage.

Méthodes d’optimisation en mise en forme 

Le monde de l’optimisation des procédés de mise en forme de pièces complexes a connu un grand essor ces dernières années, notamment dû à l’augmentation très rapide des capacités de calcul des ordinateurs. Néanmoins, l’optimisation couplée aux méthodes de simulation numérique comme le calcul par éléments finis prend toujours autant de temps car, comme le font remarquer Venkataran et al. [Ven02], la complexité des modèles suit la même tendance. Les procédés de mise en forme quels qu’ils soient ont un coût de mise en œuvre très important et c’est principalement pour cette raison qu’ils font l’objet d’un grand nombre d’études associées à leur optimisation. Ces procédés étant bien sûr reliés à la forme de la pièce concernée, cette dernière doit également être optimisée et c’est une des investigations que nous avons menées dans ce travail. Il ne s’agit pas ici d’exposer un recueil des différentes techniques d’optimisation et de leurs théories associées tant elles sont nombreuses, mais plutôt de montrer l’importance grandissante de ces méthodes dans le cadre de la mise en forme des matériaux et des thématiques adjointes.

Le domaine d’étude le plus répandu, couplant des méthodes numériques d’optimisation avec un procédé de mise en forme de tôles, est sans aucun doute celui du contrôle du retour élastique en emboutissage associé au respect des épaisseurs. De façon plus générale, l’emboutissage des tôles est sans ambiguïté le procédé ayant le plus amené les scientifiques du monde industriel à développer ce  type de couplage. Nous pouvons notamment citer T. Meinders qui lors de sa thèse [Mei00] a travaillé sur la simulation numérique du procédé d’emboutissage et qui aujourd’hui travaille à son optimisation [Mei08]. A. Delamézière [Del02] a également étudié l’optimisation des paramètres d’emboutissage en utilisant l’approche inverse développée à l’Université de Technologie de Compiègne par J.L Batoz et Y.Q. Guo [Guo90]. S. Ben Elechi [Ben04] a lui aussi contribué à améliorer ces modèles dans sa thèse. Dans le domaine des procédés de forgeage un grand nombre de travaux ont été développés au Centre de Mise en Forme de Matériaux de l’École des Mines de Paris. Citons entre autre D. Vieilledent [Vie99] qui étudia lors de sa thèse l’optimisation des outils de forgeage à chaud en utilisant une méthode inverse et T. Tho Do [Tho06] qui travailla sur l’optimisation de forme en forgeage en utilisant des méta-modèles à base d’algorithmes génétiques. Dans le cadre des travaux présentés ici, R. Bahloul et al. [Bah04], [Bah05a], [Bah05b], [Bah06] ont notamment étudié différentes méthodes d’optimisation appliquées au retour élastique lors du procédé de pliage, ainsi qu’à la forme des pièces de sécurité automobile. Ils ont en particulier estimé l’efficacité de méthodes telles que les plans d’expériences couplés avec des surfaces de réponses, ou encore la prédiction du retour élastique et de l’effort maximal de dépliage en utilisant des réseaux de neurones entraînés à partir d’essais expérimentaux.

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Table des matières

Introduction
CHAPITRE I État de l’Art
I.1. Introduction
I.2. Bilan de l’existant
I.2.1. Problématique industrielle
I.2.2. Procédés de fabrication étudiés
I.2.3. Méthodes d’optimisation en mise en forme
I.3. Conclusion et objectifs de la thèse
CHAPITRE II Les Matériaux et leur modélisation
II.1. Introduction
II.2. Les matériaux utilisés
II.2.1. Les aciers à Haute Limite d’Élasticité
II.2.2. Recherche prospective
II.3. La plasticité
II.3.1. Modèles mécaniques
II.3.2. Les critères d’écoulement plastique
II.3.3. Écrouissage isotrope
II.3.4. Écrouissage cinématique
II.3.5. Écrouissage mixte
II.3.6. Comportement viscoplastique
II.4. Modèles d’endommagement
II.4.1. Modèle de Lemaître – Chaboche
II.4.2. Modèle de Gurson – Tvergaard – Needleman
II.5. Conclusion
CHAPITRE III Procédé de rayonnage
III.1. Introduction
III.2. Aspect expérimental
III.2.1. Reproduction du procédé en laboratoire
III.2.2. Microstructure et Microdureté
III.2.3. Contraintes résiduelles
III.3. Aspect numérique
III.3.1. Modèle numérique
III.3.2. Résultats de la simulation – Validation
III.4. Conclusion
CHAPITRE IV Méthodes d’Optimisation et d’Approximation. Généralités
IV.1. Introduction
IV.2. Bibliographie – Généralités
IV.2.1. Méthodes classiques
IV.2.2. Les algorithmes génétiques
IV.2.3. Les réseaux de neurones artificiels (RNA)
IV.2.4. Les surfaces de réponses
IV.3. Choix des méthodes utilisées
IV.3.1. Choix d’un algorithme génétique approprié
IV.3.2. Les Réseaux de Neurones
IV.4. Conclusion
CHAPITRE V Conception des modèles numériques
V.1. Introduction
V.2. Phase de conception
V.2.1. Paramétrage de la pièce
V.2.2. Paramétrage du poinçon de rayonnage
V.3. Simulation numérique des procédés
V.3.1. Implémentation de l’endommagement selon Lemaître – Chaboche
V.3.2. Procédé de découpe
V.3.3. Procédé de rayonnage
V.3.4. Procédé de pliage
V.3.5. Dépliage en traction
V.3.6. Séquence de simulation et scripts
V.4. Couplage – Principe
V.5. Conclusion
CHAPITRE VI Analyse et Validation
VI.1. Introduction
VI.2. Utilisation des méthodes d’optimisation pour la méthode inverse
VI.2.1. Objectif de l’étude
VI.2.2. Paramètres à identifier
VI.2.3. Principe
VI.2.4. Courbes expérimentales
VI.2.5. Algorithmes
VI.2.6. Résultats obtenus
VI.2.7. Bilan
VI.3. Optimisation de la ferrure d’ancrage de ceinture de sécurité
VI.3.1. Objectif de l’étude
VI.3.2. Premier cas d’étude
VI.3.3. Deuxième cas d’étude
VI.3.4. Approximation par réseaux de neurones
VI.3.5. Bilan
VI.4. Conclusion
Conclusion

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