Développement de solutions de chauffage par conduction électrique pour l’emboutissage des aciers trempants : approche numérique et expérimentale

Development of electrical conduction heating solutions for hot stamping of quenchable steels : numerical and experimental approaches

• Auteur / Autrice : Nathan Demazel
• Direction : Hervé Laurent, Muriel Carin, Philippe Le Masson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 10/12/2018
• Etablissement(s) : Lorient
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche Dupuy de Lôme
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Le Niliot, Pascal Paillard, Luc Penazzi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Le Niliot, François Bay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux -- Traitement thermomécanique

Formage sous haute énergie

Acier -- Trempe

Modèles mathématiques

Emboutissage (travail des métaux)

Mots clés libres

Chauffage par conduction électrique

Chauffage direct par résistance

Effet Joule

Usibor®1500

Acier 22MnB5

Expansion biaxiale

Flan de forme

Electrical conduction heating

Direct resistance heating

Joule effect

Hot stamping

22MnB5 steel

Thermoelectric modeling

Biaxial expansion

Shape blank

Résumé

Pour réduire les émissions de gaz à effet de serre, les constructeurs automobiles cherchent à alléger lesvéhicules. L’Usibor®1500 permet de réduire les épaisseurs des pièces de structure grâce à ses propriétés mécaniques élevées obtenues suite au procédé d’emboutissage à chaud. Ce procédé comporte une chauffe où le flan (la tôle) est austénisé, puis mis en forme et trempé simultanément pour obtenir une structure entièrement martensitique qui confère des propriétés mécaniques élevées. Le projet ANR PRICECAT consiste à développer un procédé dans lequel la mise en forme se fait par multi- passes dans une presse unique. Dans ce cadre, l’objectif de la thèse est d’augmenter la vitesse de montée en température en utilisant la technologie de chauffe par conduction électrique. Cette technologie est adaptée pour la chauffe de flan rectangulaire, mais lorsque le flan est de forme quelconque, les variations de section mènent à une chauffe hétérogène incompatible avec l’obtention d’une structure entièrement martensitique. Or, les flans rencontrés dans l’industrie automobile ont des formes diverses. Il a donc été nécessaire de déterminer de nouvelles méthodes de chauffe par conduction électrique de flan de forme. Après une revue sur les différentes méthodes de chauffe par conduction électrique rencontrées dans la littérature, un modèle thermoélectrique a été développé sous COMSOL Multiphysics® et validé expérimentalement sur un cas de chauffage de flan rectangulaire. Ce modèle a permis d’analyser l’influence de divers paramètres de chauffe et a servi de base pour le développement de deux dispositifs de chauffe. La technologie de chauffe a ainsi été intégrée à un dispositif d’expansion biaxiale. Les essais ont montré qu’une chauffe homogène d’un flan circulaire était possible même lors de l’étape de mise en forme. Le modèle numérique a aussi conduit à une solution de chauffe où l’on discrétise le flan de forme en bande rectangulaire tout en minimisant la surface ajoutée. Cette méthode s’est concrétisée par la réalisation d’un démonstrateur à l’échelle 1 de chauffe de montant de baie.

To reduce greenhouse gas emissions, car makers are looking for innovative lightening solutions. Thanks to its very high mechanical properties, the quenchable boron steel Usibor®1500 allows to reduce thicknesses of structural parts. The use of this steel requires a specific forming process named hot stamping. In this process, the blank is heated to induce austenitization microstructure, followed by a forming and quenching step to obtain a completely martensitic structure which confers high mechanical properties on the part. The ANR PRICECAT project consists in developing a process which includes successive forming steps under the same press. In this context, the aim of this thesis is to increase the heating rate using electrical conduction. This technology is suitable for rectangular blank heating, but with a shape blank, the section variations lead to a heterogeneous heating incompatible with a completely martensitic structure. However, in automobile industry, parts have various shapes. So, it was necessary to determine new methods of heating shape blanks by electrical conduction. After a review of the electrical heating methods, a thermoelectric model was developed under COMSOL Multiphysics®. It was validated experimentally on a rectangular blank heating case. This model was used to analyze the influence of different heating parameters and to design two heating devices. Thus, the electrical conduction heating was first integrated to a biaxial expansion device. The tests showed that homogeneous heating of a circular blank is possible during heating and forming steps. The numerical model also led to another heating solution where the shape blank is converted into rectangular strips with minimization of the added surface. This method was used to build a heating demonstrator for a windscreen upright.