Tribométrie à haute température : conception et réalisation d'un banc d'essai à chaud : Application à l'étude d'un acier revêtu (Usibor 1500P) pour emboutissage à chaud
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Abstract EN:
Hot stamping is a process in progress used in the automobile sector, particularly for an aluminised and quenchable steel sheet working: Usibor 1500P. In this process, working tools are subjected to thermal, mechanical and metallurgical stress. These constraints are fully coupled and are acting in synergy. Therefore, it is difficult to control friction and wear in this process. The understanding of the tribological phenomena occurring in the tool/sheet interface becomes very important in order to control the dissipated energy and the tools durability which directly affects the surface quality of the final product. This study concerns these problems with a scientific and technological approach. In this work, the first chapter relates to a bibliographical study describing the process of metallic material stamping and in particular hot stamping with simultaneous hardening of a coated steel Usibor 1500P. The process, mechanical, tribological and experimental simulation aspects of stamping are approached. The second chapter treats to the experimental methodology which is required in terms of design and achievement in order to satisfy the industrial specifications. The high temperature pin on disc in open contact tribometer, designed and built up, is described. The material tools (represented by pins) and material product (Usibor 1500P) are presented. The analysis and observation means are briefly exposed. The third chapter concerns the essential validation of the tribometer by the analysis of its response in terms of the surface temperature evaluation and the spiral trajectory analytical modelling. The fourth and final chapter gives all the experimental results and their discussion such: § The Usibor 1500P surface analysis for a better understanding of its tribological behaviour. § The coefficient of friction for the different couples of materials. § The characterization and analysis of the various types of pin and disc wear. After that, a discussion on the coefficient of friction is done. Then, a numerical model of pin on disc in open trajectory system is proposed. The objective is to predict a friction law formulation according to the experimental conditions. Lastly, pin and disc wear mechanisms are proposed and the importance of the tribosystem is shown. Some practical recommendations are finally proposed from this work.
Abstract FR:
L'emboutissage à chaud est un procédé de plus en plus utilisé dans le secteur automobile, notamment pour la mise en forme de tôles en acier aluminié et trempable : l'Usibor 1500P. Dans ce procédé, les outils de mise en forme sont fortement sollicités par des contraintes thermique, mécanique et métallurgique. Ces sollicitations sont couplées et agissent en synergie ce qui rend difficile la maîtrise du frottement et de l'usure qui en résulte. La connaissance des phénomènes tribologiques intervenant à l'interface entre la tôle et l'outil devient alors très importante d'une part pour pouvoir maîtriser l'énergie dissipée par les forces mises en jeu, et d'autre part, pour contrôler la dérive, au cours du temps, de la géométrie des outils qui influe directement sur la qualité de l'état de surface des tôles embouties. C'est cette problématique qui est abordée dans cette étude dans une démarche scientifique pluridisciplinaire à caractère technologique. Dans ce travail, le premier chapitre concerne une étude bibliographique portant sur le procédé de mise en forme par emboutissage des matériaux métalliques et en particulier l'emboutissage à chaud avec trempe dans les outils de l'acier, ici l'acier revêtu Usibor 1500P. Les aspects procédé, mécanique, tribologique et simulation expérimentale de l'emboutissage sont abordés. Le deuxième chapitre traite de la méthodologie expérimentale et notamment de l'appareillage qu'il a fallu concevoir et réaliser pour répondre au cahier des charges. Le tribomètre à haute température en contact ouvert pion sur disque, conçu et réalisé pour cette étude, est décrit. Les matériaux outils (relatifs aux pions) ainsi que le matériau produit (en Usibor 1500P) sont présentés. Les moyens d'observations et d'analyses sont brièvement exposés. Le troisième chapitre est consacré à la validation indispensable du tribomètre par l'analyse de sa réponse en terme de détermination de la température de surface et de la modélisation analytique de la trajectoire spiralée décrite par le pion. Le quatrième et dernier chapitre présente tout d'abord les résultats obtenus ainsi que leur discussion : § Les analyses de surface de l'acier Usibor 1500P pour permettre de mieux comprendre son comportement tribologique. § Les résultats en terme du coefficient de frottement des différents couples de matériaux. § La caractérisation et l'analyse des différents types d'usure des pions et des disques. Une discussion est alors menée sur le coefficient de frottement et sur les facteurs l'influençant. Un modèle numérique du système pion/disque en trajectoire ouverte est proposé dans le but de pouvoir prédire une formulation de loi de frottement en fonction des conditions expérimentales. Enfin, des mécanismes d'usure des pions et des disques en Usibor sont proposés en mettant l'accent sur l'importance du tribosystème et donc sur la réponse d'un couple de matériaux donné en terme d'usure et de frottement suivant les conditions de sollicitations. Quelques recommandations pratiques déduites de ce travail sont aussi proposées.