Comportement dynamique du système de production composé de la machine et de ses outillages

Le procédé de mise en forme

   La mise en forme consiste en la déformation plastique d’un lopin afin d’en modifier sa géométrie et ses propriétés mécaniques. L’opération est réalisée à l’aide d’outils aux fonctions différentes. Certains outils permettent la réalisation d’opérations élémentaires comme par exemple un refoulement, un étirage ou un cintrage. En estampage, les outils sont très spécialisés, une gravure représente le négatif de la pièce à forger. Le résultat souhaité est obtenu avec un faible gaspillage de matière, en comparaison à l’usinage par exemple, et avec des caractéristiques mécaniques améliorées par les phénomènes d’écrouissage, de fibrage et de corroyage. Du fait des coûts élevés de développement et de réalisation des outillages, le procédé de mise en forme est souvent privilégié pour de grandes séries de production où les frais initiaux sont amortis par le nombre. Il est possible de compléter le procédé par des opérations d’usinage ou de traitement thermique pour obtenir une pièce finie. La maîtrise du procédé nécessite la connaissance du comportement du matériau utilisé, les conditions à l’interface entre les outils et le lopin ainsi que les caractéristiques du moyen de production. Prédire le résultat d’une opération de forgeage met en jeu des phénomènes multiphysiques, qui font intervenir plusieurs types de modèles décrivant : le matériau, les interfaces et le système de production. Le produit brut peut être sous différentes formes. Le forgeage massif est caractérisé par un produit brut dont aucune des dimensions ne peut être négligée par rapport aux autres. Au contraire, une dimension du produit peut être négligées devant les autres, dans le cas du formage de tôles par exemple. Il existe une multitude de catégories dont une description détaillée peut être retrouvée dans (Altan et al. 2005 : chap. 2.3). Sur les machines de forge, respectivement pour les presses et les marteaux pilons, le coulisseau ou le marteau désigne l’élément en mouvement. C’est sur cet élément qu’est fixé l’outil supérieur. Durant la phase d’avancement ou d’accélération, l’élément en mouvement est accéléré dans le sens de la frappe. Le forgeage débute à l’instant où l’outil supérieur entre en contact avec le lopin disposé sur l’outil inférieur et s’achève lorsque la déformation du lopin est terminée. L’outil inférieur est fixé sur un support appelé table dans le cas des presses ou enclume pour les marteaux pilons.

Comportement mécanique des machines de forgeage

   L’explication du comportement des machines de forgeage a d’abord été développée sur des presses, où il était possible de réaliser des mesures de déplacements et d’efforts. Ces machines travaillent à des vitesses relativement faibles, ce qui a justifié l’utilisation de modèles statiques. Ces modèles sont le point de départ de la modélisation du comportement des machines de forgeage et peuvent être transposés à des pilons et des presses à vis, quand les effets dynamiques sont négligeables. Dans cette partie les modèles mis en place pour des presses hydrauliques, des presses mécaniques et des presses à vis sont présentés.

Modélisation de l’accélération des éléments en mouvement

   Les pilons double-effet ou contre-frappe sont pilotés par des systèmes hydropneumatiques constitués de différents éléments qui apportent l’énergie nécessaire et la distribuent pour mettre en mouvement la masse supérieure. La Figure I-16 présente l’exemple d’un système hydropneumatique associé à un pilon double-effet (Zhang 2013a). Chaque élément a ses propres caractéristiques, influençant l’efficacité du processus d’accélération, de plus l’interaction entre les éléments a aussi un impact sur le fonctionnement de tout le système. Les différents organes du dispositif doivent être pilotés, soit manuellement par un opérateur, soit par système informatique afin d’assurer les frappes. Pour un marteau pilon double-effet à combustion, un micro-ordinateur a été développé pour contrôler le cycle de combustion et la pression appliquée sur le piston solidaire de la masse tombante (Lee et Tobias 1985). Une instrumentation de la chambre de combustion permettant de mesurer la pression et la température a été réalisée. A partir de ces données, l’ordinateur permet une meilleure maitrise de l’énergie de la frappe qu’une commande au levier par un opérateur en s’adaptant aux conditions dans la chambre. Grace au micro-ordinateur, une amélioration des performances de pilon avec une augmentation de 20% de l’énergie de la frappe peut être atteinte. D’autres études s’intéressent à la façon dont l’énergie est consommée lors de la phase d’accélération de la masse tombante, afin de calculer l’énergie non-utile à sa mise en mouvement (Hongtang et Bufang 2003). La comparaison de l’efficacité d’un système d’entrainement de la masse tombante d’un marteau pilon à vapeur par rapport à un système d’entrainement d’un pilon dit électrohydraulique a été réalisée. Pour le marteau pilon à vapeur, l’auteur étudie l’énergie perdue à différentes étapes du processus d’entrainement de la masse : lors de la chauffe pour l’obtention de la vapeur et durant le transport de la vapeur jusqu’à la chambre du piston du pilon. Différentes sources de perte d’énergie sont identifiées : les pertes énergétiques durant la chauffe, les fuites au niveau des valves ainsi que les phénomènes de condensation et de friction. Le pilon électrohydraulique présente alors un intérêt pour la réduction de la consommation d’énergie lors de la phase d’accélération de la masse. Un modèle du système d’entrainement de la masse tombante d’un pilon piloté hydrauliquement est proposé pour la prédiction de la vitesse et du déplacement de la masse (Zhang 2013b). Ce modèle est mis en place pour améliorer le contrôle de la cinématique de la masse tombante et optimiser sa vitesse à l’impact afin d’augmenter l’efficacité du processus d’accélération. Toujours pour des pilons pilotés hydrauliquement, le contrôle de l’énergie de la frappe et la robustesse du mécanisme d’entraînement ont été améliorés avec la proposition d’un nouveau design de distributeur électromagnétique à vannes inversibles (Zhu et al. 2018).

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). 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.

Modèles éléments-finis

   Un modèle éléments-finis basé sur un modèle CAO d’une presse mécanique a été mis œuvre pour la simulation d’une séquence de forgeage multi-étapes (Krušič et al. 2011). Ce type d’opérations correspond au forgeage de plusieurs lopins lors de la même frappe, grâce à plusieurs outils montés sur le même outillage (Figure I-31). Les efforts appliqués sont différents selon les outils, ce qui peut produire des phénomènes de rotation du coulisseau lors d’une frappe, ainsi des réglages importants sont souvent nécessaires avant d’obtenir un outillage opérationnel. Pour simuler une frappe, le modèle éléments-finis de la presse est couplé avec le modèle éléments-finis décrivant le comportement des lopins lors du forgeage, permettant de simuler l’opération de forgeage en considérant la rotation et l’allongement de la machine et des outillages. En prédisant numériquement les géométries finales des lopins, il est alors possible d’optimiser la réponse du modèle en travaillant sur les géométries des outils et éviter des temps de réglage importants expérimentalement. Une autre analyse éléments-finis du comportement dynamique d’une presse a été mis en place (Li et al. 2016) : les modes vibratoires et la réponse du modèle en régime transitoire ont été déterminés par simulation et montrent une bonne concordance avec les résultats expérimentaux obtenus par analyse modale.

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Etat de l’art sur l’influence de la machine et des outillages lors du processus de forgeage
1. Introduction 
2. Mise en forme et technologies associées
2.1 Le procédé de mise en forme
2.2 Les technologies de mise en forme et leurs caractéristiques
2.3 Synthèse
3. Comportement mécanique des machines de forgeage 
3.1 Réponse élastique en trois dimensions d’une machine de forgeage
3.2 Prise en compte des jeux
3.3 Discrétisation de la machine
3.4 Synthèse
4. Accélération des éléments en mouvement dans la machine
4.1 Modélisation de l’accélération des éléments en mouvement
4.2 Observations expérimentales du déplacement des éléments en mouvement
4.3 Synthèse
5. Phénomènes acoustiques durant le procédé de forgeage
5.1 Sources d’émission d’ondes sonores
5.2 Synthèse
6. Prise en compte des effets dynamiques dans la modélisation des machines de forgeage
6.1 Physique d’un système dynamique
6.2 Modélisation du comportement d’une machine de forgeage comme système oscillant amorti
6.3 Modèles éléments-finis et hybrides
6.4 Synthèse
7. Méthodes d’identification paramétrique
7.1 Sollicitation de la machine avec des dispositifs externes
7.2 Exploitation d’une frappe pour générer les efforts
7.3 Détermination des raideurs grâce à la simulation éléments-finis
7.4 Synthèse
8. Conclusion
Chapitre II : Méthodologie de modélisation du comportement dynamique des machines de forgeage pilotées en énergie pendant la mise en form 
1. Introduction
2. Présentation de la méthodologie et illustration sur un cas d’étude
2.1 Analyse spectrale du signal d’effort
2.2 Mise en équation du modèle Billette-Interface-Machine (BIM)
2.3 Identification des paramètres du modèle du comportement de la machine et des outillages
3. Exploitation du modèle 
3.1 Analyse de la robustesse du modèle et de l’identification des paramètres
3.2 Prédictivité du modèle
3.3 Détermination de la distribution énergétique et de l’efficacité du procédé
4. Conclusion
Chapitre III : Outils de modélisation et méthode expérimentale
1. Introduction
2. Outils de modélisation du comportement du lopin et de l’interface
2.1 Calcul analytique des efforts de forgeage
2.2 Calcul des efforts de forgeage par la méthode des éléments-finis
2.3 Synthèse
3. Détermination expérimentale des paramètres opératoires et des grandeurs caractéristiques de forgeage 
3.1 Suivi du déplacement des éléments en mouvement
3.2 Détermination d’une vitesse d’impact à partir d’un signal de déplacement
3.3 Identification des phénomènes de frottement
3.4 Mesure de l’effort lors du forgeage
3.5 Synthèse
4. Conclusion
Chapitre IV : Evaluation de la prédictivité des modèles et validation de la généricité de la méthodologie : Application à plusieurs cas d’étude
1. Introduction 
2. Validation du modèle BIM pour des frappes multiples sur lopins en acier et en aluminium : Mise en œuvre sur pilon simple-effet 
2.1 Définition du modèle et identification des paramètres
2.2 Prédictivité du modèle
2.3 Exploitation du modèle BIM pour la détermination de l’efficacité et de la distribution énergétique
2.4 Synthèse
3. Identification d’un modèle lors d’une frappe outil contre outil et couplage faible du modèle BIM avec un modèle éléments-finis : Mise en œuvre sur presse à vis
3.1 Définition du modèle et identification des paramètres
3.2 Prédictivité du modèle
3.3 Exploitation du modèle BIM pour la détermination de l’efficacité et de la distribution de l’énergie à la fin du forgeage
3.4 Synthèse
4. Exploitation du couplage faible pour l’identification des paramètres du modèle BIM sans instrumentation en effort : Mise en œuvre sur pilon contre-frappe
4.1 Définition du modèle et identification des paramètres
4.2 Prédictivité du modèle
4.3 Exploitation du modèle BIM pour la détermination de la distribution de l’énergie introduite et consommée
4.4 Synthèse
5. Conclusion
Conclusion générale

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