Contribution à la modélisation dynamique des machines de forges limitées en énergie et de leurs outils lors du forgeage pour la prédiction d’efficacité. Application a une presse à vis et un marteau pilon contre frappe

Contribution to the dynamic modelling of energy-driven forging machines and their tools during the forging process for efficiency prediction. Application to a screw press and a counterblow hammer

• Auteur / Autrice : Heyu Song
• Direction : Régis Bigot, Camille Durand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Procédés de fabrication - Génie mécanique
• Date : Soutenance le 17/09/2024
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LCFC - Laboratoire de Conception, Fabrication et Commande. Metz
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Foltête
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Régis Bigot, Camille Durand, Emmanuel Foltête, Guillaume Racineux, Mirentxu Dubar, Olivier Thomas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Racineux, Mirentxu Dubar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Efficacité

Métaux -- Traitement thermomécanique

Thèses et écrits académiques

Forgeage -- Appareils et matériel

Mots clés libres

Comportement des machines

Modèle dynamique

Efficacité

Simulation numérique

Presse à vis

Marteau pilon contre-Frappe

Machine behavior

Dynamic model

Efficiency

Numerical simulation

Screw press

Counterblow hammer

Résumé

Le défi avec les procédés de forgeage est d'obtenir des produits finis avec les dimensions souhaitées et une qualité métallurgique contrôlée. Cela nécessite une compréhension approfondie du chemin thermomécanique de la pièce forgée. Or ce chemin thermomécanique est influencé notamment par le comportement de la machine de forgeage. Mais l'instrumentation des marteaux pilons est difficile en raison des conditions de fonctionnement sévères impliquant des températures ainsi que des vitesses d'impact élevées. Malgré cela, un modèle dynamique avec des masses, des ressorts et des amortisseurs a récemment été déduit expérimentalement pour un marteau pilon à simple effet pendant la phase de forgeage. Ainsi, l'objectif de ce travail est de développer davantage la méthode d'identification d'un modèle dynamique, en l'appliquant à une presse à vis et à un marteau pilon contre-frappe, qui sont tous deux des machines de forgeage limitées en énergie. Le modèle dynamique d'une presse à vis est établi sur la base de données expérimentales enregistrées par des capteurs intégrés à la machine et aux outils. Plusieurs fonctions de couts et méthodes d'optimisation numérique ont été développées et évaluées pour l'identification des paramètres du modèle. Une méthodologie de dissociation du comportement de la machine et des outils est proposée et appliquée au comportement du système de production de la presse à vis. Grâce au modèle, l'efficacité d'un processus de forgeage multi-coups sous la presse à vis est prédite, ainsi que l'impact de la conception de l'outil sur l'efficacité du forgeage. Par ailleurs, le modèle dynamique d'un marteau pilon contre-frappe est déterminé permettant d'anticiper l'efficacité dans un processus de forgeage multi-coups sans la mise en œuvre d’une instrumentation intégrée au sein de la machine. Les modèles et outils d’identification développées permettent d’optimiser les gammes de forgeage ainsi que le choix de l'outil mais aussi le pilotage du processus de fabrication.

The challenge in forging processes is to obtain finished products with the desired dimensions and a controlled metallurgical quality. This requires a thorough understanding of the thermomechanical path experienced by the workpiece, which is influenced by the forging machine behavior. But the instrumentation of forging hammers is difficult due to the severe functioning conditions involving high temperatures and high impact speeds. Although recently a dynamic model with masses, springs and dampers, was experimentally deduced for a single acting hammer during the forging phase. Therefore, the aim of this work is to further develop the method to identify a dynamic model, applying it on a screw press and a counterblow hammer, which are both energy-driven forging machines. The dynamic model of a screw press is established based on experimental data recorded by press’s and tool’s integrated sensors. Several objectives functions and numerical optimization methods were developed and evaluated in order to identify model’s parameters. A methodology to dissociate the tool’s and the press’s behavior is proposed and applied to a screw press production system’s behavior. Thanks to the model, the efficiency of a multiple blow forging process under the screw press is predicted as well as the impact of the tool’s design on the forging efficiency. Besides, the dynamic model of a counterblow hammer is determined allowing to anticipate the efficiency in a multiple blow forging process without a machine’s integrated instrumentation. Thus, the model and the identification tools developed enable the optimization of forging sequences as well as of the tool choice but also the piloting of the fabrication process.