Conception optimale d'un test d'extrusion directe pour l'investigation et l'identification par analyse inverse des propriétés tribologiques des matériaux métalliques utilisés dans le forgeage volumique à froid

Optimal design of a direct extrusion test for the investigation and the identification by inverse analysis of tribological properties of metallic materials used in cold bulk forming

• Auteur / Autrice : Duc Thien Pham
• Direction : Adinel Gavrus
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes1996-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Surfaces à courbure constante

Usure (mécanique)

Tribologie (technologie)

Frottement

Extrusion (mécanique)

Résumé

Dans l’industrie de la mise en forme des matériaux métalliques, le frottement joue un rôle très important. Cependant, il est difficile à contrôler totalement, notamment dans les procédés complexes où le taux de nouvelles surfaces générées lors de la déformation plastique est important. La thèse propose d’identifier par analyse inverse les propriétés tribologiques du matériau, directement à partir de la courbe donnant la force en fonction du déplacement pour un procédé d'extrusion directe. La conception d’une filière d’extrusion, avec des dimensions optimales pour maximiser l’influence du frottement a été faite à l’aide de calculs analytiques en se basant sur des critères particuliers tels que: la capacité maximale de la presse, la maximisation de la longueur de frottement, le rapport entre la puissance de frottement et la puissance de déformation et la limite du taux de réduction pour éviter l’endommagement du matériau. Comme dans le procédé d’extrusion il existe un certain couplage entre l’influence des paramètres rhéologiques et des paramètres tribologiques, des tests de compression d’éprouvettes «haltères» ont été réalisés dans une première étape afin d’identifier la loi de comportement rhéologique du matériau. La conception du test proposé a été validée par des simulations numériques avec FORGE2®. Les simulations numériques ont été également effectuées pour analyser la sensibilité des paramètres rhéologiques et tribologiques du matériau sur la force d’extrusion. L’influence de la géométrie de la filière sur la courbe de force a été examinée en détail. Une campagne d’essais a été réalisée pour l’alliage d’aluminium AA5083. La loi de comportement du matériau a été en conséquence identifiée par analyse inverse à partir de la courbe expérimentale donnant la force de compression des éprouvettes «haltères». Dans une deuxième étape, les propriétés tribologiques du matériau pour différents modèles de frottement ont été ensuite identifiées par analyse inverse à partir de la courbe donnant la force d’extrusion. La méthode d’identification par analyse inverse a été enfin validée par la simulation d’un procédé industriel d’extrusion. La campagne d’études expérimentales a été complétée par la caractérisation du matériau par des mesures de dureté, des mesures de diffraction des rayons X et des mesures de diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD) afin de mettre en évidence l’évolution de la surface des pièces après la déformation plastique. Les résultats indiquent que le frottement a une influence importante sur l’évolution des orientations cristallines de la surface du matériau extrudé.

In the industry of metal forming, friction plays a very important role. However, it is difficult to control completely this phenomenon, especially in the complex processes where the rate of the new surface generated during the plastic deformation is important. The thesis proposes to identify by inverse analysis the tribological properties of material, directly starting from the curve of the load versus the displacement of a direct extrusion process. The design of an extrusion die, with optimal dimensions to maximize the influence of friction, was carried out using analytical calculations based on particular criteria such as: the maximum capacity of the press, the maximization of the friction length and of the ratio between the friction power and the deformation power, the limit of the reduction rate to avoid damage of the material. Since in the extrusion process there is a certain coupling between the influence of the rheological parameters and the tribological parameters, compression tests using "dumbbells" specimens were carried out in a first stage in order to identify the rheological behavior law of the material. The design of the proposed test has been validated by numerical simulations using FORGE2®. The numerical simulations were also performed in order to analyze the sensitivity of rheological and tribological parameters of the material on the extrusion load. The influence of the geometry of the die on the extrusion load curve has been examined in detail. A campaign of tests was carried out for the AA5083 aluminum alloy. The behavior law of the material was consequently identified by inverse analysis starting from the experimental load curve of compression tests using "dumbbells" specimens. In a second step, the tribological properties of the material for different friction models were then identified by inverse analysis starting from the extrusion load curve. The method of identification by inverse analysis was finally validated by the simulation of an industrial extrusion process. The campaign of experimental studies has been completed by the characterization of the material by measurements of hardness, X-ray diffraction measurements and electron backscattered diffraction (EBSD) measurements in order to highlight the evolution of the surface of the extruded specimen after the plastic deformation. The results indicate that friction has an important influence on the evolution of crystal orientations of the surface of the extruded material.