Contribution à l'étude de la résistance thermique de contact et à sa modélisation à travers l'écrasement de l'interface tôle-outil dans la mise en forme à chaud de tôles d'acier

Contribution to the study of thermal contact resistance and its modelling in the case of the crushing of the sheet-tool interface in the hot forming of sheet steel

• Auteur / Autrice : Guy Kaza
• Direction : Gilles Dour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acier -- Traitement thermique

Travail de la tôle

Mots clés libres

Résistance thermique de contact

Aire de contact

Rugosité

Aspérités

Résumé

Nous avons mené une étude exploratoire sur l'évaluation en mise en forme à chaud de la résistance thermique de contact (RTC) tôle/outil pour mieux en appréhender les relations avec les paramètres que sont la pression et la rugosité. L'importance de la RTC dans des applications telles que l'emboutissage à chaud vient du fait qu'elle contrôle directement les échanges de chaleur et indirectement les propriétés finales des pièces. L'étude a porté sur la faisabilité de la mesure de la RTC entre un acier à outil X38CrMoV5 et une tôle d'acier pour l'emboutissage à chaud en l'occurrence la nuance 22MnB5. Deux moyens développés au LETEE et à l'ICA-Albi ont permis d'évaluer l'influence de la pression de contact sur la RTC respectivement en régime thermique établi pour le LETEE et transitoire pour l'ICA-Albi. La gamme de pressions comprises entre 4 et 80MPa explorées sur le moyen du LETEE a permis de mesurer une RTC qui diminue en ordre de grandeur de 2 ×10-4 à 6 ×10-5 m2KW-1. L'étude de l'effet de la rugosité à travers deux états de surface (poli et rectifié) sur les échantillons en X38CrMoV5, a montré des valeurs de RTC légèrement plus importantes sur les échantillons rectifiés. La tendance de la RTC à diminuer quand la pression augmente, a été confirmée sur le moyen de l'ICA-Albi, soit en variations comprises entre 3. 4 ×10-4 m2KW-1 et 2. 7 ×10-4 m2KW-1 pour des pressions allant de 40 à 160 MPa. Comparativement, les valeurs obtenues sont en moyenne deux fois supérieures à celles mesurées au LETEE et les variations sont plus faibles. La RTC a ensuite fait l'objet d'une modélisation en deux étapes. La première étape a porté sur la mise en place d'un modèle d'écrasement des aspérités tenant compte de leur comportement rhéologique (élastique, plastique ou élastoplastique) pour évaluer l'aire de contact. La deuxième étape a consisté ensuite à définir une relation entre la RTC et la pression de contact à partir d'un modèle prédéfini liant l'aire de contact à la RTC. À partir du modèle de conductance obtenu, la simulation du contact tôle/outil sous ABAQUSTM, nous a permis de reproduire des températures en fonction de la pression de contact, avec des écarts maximaux de 5 °C par rapport aux températures expérimentales.

An exploratory study has been conducted to estimate the thermal contact resistance (TCR) in hot forming at the sheet/tool interface, in order to understand its relationships with pressure and surface roughness parameters. The importance of the TCR in applications such as hot stamping comes from the fact that it controls the heat exchanges directly and has an indirect effect on the properties of the final parts. The study is focused on the feasibility of measuring the TCR between a tool made of X38CrMoV5 steel and a steel sheet made especially for hot stamping. The grade of sheet used in the study is 22MnB5 grade. Two facilities developed at the LETEE and at ICA-Albi have helped to assess the influence of contact pressure on TCR in constant thermal conditions for the LETEE and transient conditions for the ICA-Albi respectively. A range of pressures between 4 and 80 MPa has been explored on the LETEE facility. A decrease in TCR from 2 × 10-4 to 6 × 10-5 m2KW-1 in order of magnitude was measured. The influence of surface roughness has been investigated through two surface states on X38CrMoV5 tool samples: one is a ground surface and the other is a polished state. The results showed slightly larger values of TCR for rectified samples. The trend of decreasing TCR with an increase in pressure has been confirmed on the ICA-Albi facility. Variations between 3. 4 × 10-4 m2KW-1 and 2. 7 × 10-4 m2KW-1 have been measured for a range of pressures from 40 to 160 MPa. In comparison, the values obtained are on average twice as high than those measured at the LETEE and with lower measurement variations. The TCR has then been subject to a two steps modelling process. The first step is focused on site crushing of asperities taking into account their rheological behavior (elastic, plastic or elastoplastic) to assess the contact area. The second step consisted in defining a relationship between the TCR and the contact pressure from a predefined model, linking the contact area to the TCR. From the resulting conductance model, a simulation of contact has been conducted under ABAQUSTM. By simulation, the evolution of temperatures according to contact pressure has been reproduced with a maximum deviation of 5°C from experimental temperature measurements.