Approche multi physique du contact frottant en grande déformation plastique : prédiction numérique du grippage d'alliages d'aluminium en mise en forme à froid

Multiphysics approach of rubbing contact in large plastic strain : numerical prediction of aluminium alloys galling in cold forming

• Auteur / Autrice : Oussama Filali
• Direction : Laurent Dubar, André Dubois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 15/12/2020
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'automatique, de mécanique et d'informatique industrielles et humaines (Valenciennes, Nord ; 1994-...)
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Mohammed Nouari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Dubar, André Dubois, Philippe Picart, Caroline Richard, Cédric Hubert, Philippe Moreau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Picart, Caroline Richard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fatigue

Aluminium -- Alliages

Forgeage

Mots clés libres

Grippage

Aluminium 6082

Endommagement

Rugosité

Lubrification

Mise en forme à froid

Frottement

Galling

Aluminum 6082

Damage

Roughness

Lubrication

Cold forming

Friction

Résumé

La thèse propose une nouvelle approche pour prédire le défaut de grippage rencontré lors de la mise en forme des alliages d’aluminium à froid. De nombreuses études expérimentales montrent que ce défaut de grippage est fortement lié aux conditions de contact et de frottement, et est notamment fonction de la rugosité des outils de fabrication. Les modèles permettant de prédire l’apparition de ce défaut sont rares et reposent généralement sur des observables indirects, tel que les champs de pression ou de température, sans prendre explicitement en compte l’influence des facteurs de premier ordre que sont la lubrification et l’état de surface des matériaux en contact. La méthodologie proposée de nos travaux repose sur l’hypothèse que le défaut apparait lorsque la matière de la pièce au voisinage de sa surface de contact atteint un niveau d’endommagement critique. Toutefois, dans une étude précédente, il a été montré que les modèles d’endommagement reposant exclusivement sur la pression hydrostatique, tels que les modèles GTN ou de Lemaitre, n’étaient capable de prédire l’endommagement qu’à condition de modéliser la rugosité des surfaces. Cela conduit à des simulations numériques multi-échelles très couteuses en temps de calcul et incompatibles avec la modélisation de procédés industriels réels. Pour contourner cette difficulté, la présente étude propose d’utiliser des modèles d’endommagement prenant en compte les effets de cisaillement générés par le contact frottant. L’influence de la rugosité repose alors sur un choix pertinent de la loi de frottement. Dans un premier temps, un chapitre bibliographique traite des modèles d’endommagement. Une attention particulière est portée aux modèles utilisant le paramètre de Lode afin de prendre en compte l’effet des contraintes de cisaillement sur l’évolution des variables d’endommagement. Dans un second temps une revue bibliographique des modèles de frottement et de lubrification est présentée. L’étude met notamment en avant les modèles reposant sur une approche mésoscopique de la lubrification, avec la modélisation de l’écrasement des rugosités lors du contact frottant. A l’issue de ces chapitres, le modèle d’endommagement développé de L. Xue et un modèle de lubrification prenant explicitement en compte la valeur des rugosités des surfaces sont utilisés pour prédire le grippage dans différentes configurations de contact. Dans un premier temps cette méthodologie numérique est appliquée à l’étude du procédé d’étirage plan de plaques en alliage d’aluminium 6082-T4. Puis la méthodologie est appliquée à un contact pion/plan sur des plaques en alliage 6082-T6. Enfin un procédé de filage avant de lopins cylindriques est étudiés avec les mêmes outils numériques. Ces différentes configurations sont testées avec ou sans lubrifiant et avec des outils ayant différentes valeurs de rugosités. Les résultats montrent que la procédure proposée permet dans la majorité des cas testés de prédire l’apparition du défaut, que ce soit dans des configurations avec ou sans lubrifiant. Les prédictions sont néanmoins optimistes, les distances de glissement avant l’apparition du grippage numérique étant généralement supérieure aux distances mesurées expérimentalement. Les résultats sont toutefois prometteurs et un certain nombre de perspectives sont présentées afin d’améliorer la précision de la méthodologie proposée.

The thesis proposes a new approach to predict the galling defect encountered during cold forming of aluminum alloys. Numerous experimental studies show that this defect is strongly linked to the conditions of contact and friction and is a function of the roughness of the manufacturing tools. Models to predict the appearance of this defect are rare and are generally based on indirect observables, such as pressure or temperature fields, without explicitly taking into account the influence of first-order factors such as lubrication and 'surface condition of the materials in contact. The proposed methodology of our work assumes that the defect appears when the material of the part near its contact surface reaches a critical level of damage. However, in a previous study, it was shown that damage models based exclusively on hydrostatic pressure, such as GTN or Lemaitre models, were only able to predict damage if they model roughness. surfaces. This leads to multi-scale numerical simulations which are very costly in terms of computation time and incompatible with the modeling of real industrial processes. To get around this difficulty, the present study proposes to use damage models considering the shear effects generated by the friction contact. The influence of roughness is then based on a relevant choice of the friction law. First, a bibliographical chapter deals with damage models. Particular attention is paid to models using the Lode parameter to consider the effect of shear stresses on the evolution of damage variables. Secondly, a bibliographical review of friction and lubrication models is presented. The study notably highlights models based on a mesoscopic approach to lubrication, with the modeling of the crushing of roughness during rubbing contact. At the end of these chapters, the damage model developed by L. Xue and a lubrication model explicitly considering the value of surface roughness is used to predict seizure in different contact configurations. Initially, this numerical methodology is applied to the study of the flat drawing process of 6082-T4 aluminum alloy plates. Then the methodology is applied to a pion / plane contact on 6082-T6 alloy plates. Finally, a process for spinning before cylindrical slips is studied with the same digital tools. These different configurations are tested with or without lubricant and with tools having different roughness values. The results show that the proposed procedure allows in most of the cases tested to predict the appearance of the defect, whether in configurations with or without lubricant. The predictions are nevertheless optimistic, the slip distances before the onset of digital seizure being generally greater than the distances measured experimentally. The results are however promising, and several perspectives are presented to improve the precision of the proposed methodology.