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HAL Id: pastel-00002049 https://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00002049 Submitted on 9 Feb 2007 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Compréhension et modélisation des mécanismes de lubrification lors du tréfilage des aciers inoxydables avec des savons secs Carole Levrau To cite this version: Carole Levrau. Compréhension et modélisation des mécanismes de lubrification lors du tréfilage des aciers inoxydables avec des savons secs. Sciences de l’ingénieur [physics]. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2006. Français. <pastel-00002049> ECOLE NATIONALE SUPERIEURE DES MINES DE PARIS Ecole doctorale 364 : Sciences fondamentales et appliquées N° attribué par la bibliothèque |_|_|_|_|_|_|_|_|_|_| THÈSE Soutenue publiquement par Carole LEVRAU le 5 mai 2006 pour l’obtention du grade de DOCTEUR en SCIENCES ET GÉNIE DES MATÉRIAUX COMPREHENSION ET MODELISATION DES MECANISMES DE LUBRIFICATION LORS DU TREFILAGE DES ACIERS INOXYDABLES AVEC LES SAVONS SECS Directeur de thèse : Eric FELDER Jury Messieurs J. C BOYER Rapporteur L. DUBAR Rapporteur E. FELDER Examinateur M. MANTEL Examinateur P. MONTMITONNET Examinateur N. TRUONG DINH Examinateur REMERCIEMENTS Je remercie le CEMEF et l’Ecole des Mines de Paris de m’avoir accueillie et permis de mener ce travail de thèse durant ces trois années. Je remercie tout particulièrement mon directeur de thèse, Eric Felder, pour son accompagnement et ses précieux conseils qui ont largement contribué à l’aboutissement de ce travail. De la même manière, je remercie Pierre Montmitonnet de m’avoir fait profiter de ses connaissances sur les savons de tréfilage. Je tiens également à remercier les partenaires industriels de cette thèse, à savoir les deux initiateurs du projet, Marc Mantel -UGITECH- et Nguyen Truong -CONDAT-, pour leur forte implication dans ce projet et la qualité de leur suivi. Dans le cadre de leur participation à mon jury de thèse, je remercie à nouveau M. Mantel, M. Montmitonnet et M .Truong, ainsi que M. Boyer et M. Dubar qui ont accepté d’être rapporteurs. Je remercie toutes les personnes que j’ai été amenée à côtoyer lors de mes déplacements pour leur accueil, leur participation active à l’étude, leur disponibilité et leur sympathie. Enfin, je remercie tous ceux du CEMEF avec lesquels j’ai évolué au cours de ces années, pour leur collaboration à cette étude et leur sympathie. Sommaire SOMMAIRE Introduction .................................................................................................................... 1 Chapitre 1 : Présentation du tréfilage et de la lubrification par les savons secs ...... 5 1.Préambule .................................................................................................................................. 2. Le tréfilage ............................................................................................................................... 2.1. La préparation de surface ............................................................................................ 2.2. Le revêtement de surface ............................................................................................ 2.3. Outils et équipements industriels du tréfilage .............................................................. 2.3.1.La machine simple 2.3.1. Les machines multiples 2.4. La finition : nettoyage et traitements thermiques ....................................................... 2.5. Les observables du tréfilage : force, frottement et température ................................. 2.5.1. La force : modèles analytiques et simulation numérique 2.5.2. Le frottement 2.5.3. La température 3. La lubrification par les savons de tréfilage ............................................................................... 3.1. Quelques rappels sur les régimes de lubrification et les familles de lubrifiants .......... 3.2. Les savons .................................................................................................................... 3.2.1.Composition des savons 3.2.2. Fabrication des savons 3.2.3.Utilisation des savons 3.2.4. Caractérisation des savons : de la structure aux propriétés physiques et rhéologiques 3.3. Tréfilage expérimental ................................................................................................. 3.4. La modélisation de la lubrification du tréfilage .......................................................... 3.4.1. Au départ... L'équation de Reynolds 3.4.2. Modèle de Tattersall 3.4.3 Modèle de Felder 3.4.4. Modèle de Montmitonnet 4. Conclusion de l'étude bibliographique ...................................................................................... 7 7 7 8 8 11 11 17 17 18 25 28 32 Chapitre 2 : Méthodes d'approche pour l'analyse de la lubrification du tréfilage .. 33 1.Description de la passe de référence .......................................................................................... 1.1. Le fil ............................................................................................................................. 1.2. La filière ....................................................................................................................... 1.3. Le lubrifiant ................................................................................................................. 1.4. La vitesse de tréfilage .................................................................................................. 1.4.1. Tréfilage "basses vitesses" sur banc de traction 1.4.2. Tréfileuse monopasse "moyennes vitesses" 1.4.3. Tréfileuse monopasse "grandes vitesses" 2. Méthodes d'approche pour la caractérisation des savons de tréfilage ...................................... 2.1. Mesure de la force de tréfilage .................................................................................... 2.1.1. Reproductibilité des mesures de force 2.1.2. Etude du "bruit" relatif à la mesure de la force de tréfilage 35 35 36 36 36 39 39 Sommaire 2.2. Mesures des températures de filière ............................................................................. 2.2.1. Corrélation entre les températures mesurées par les deux thermocouples 2.2.2. Reproductibilité des mesures de températures 2.3. Mesure du poids de couche superficielle ..................................................................... 2.4. Mesure de la rugosité du fil ........................................................................................ 2.5. Observation et analyse chimique de la couche superficielle ....................................... 2.5.1. Observation de la répartition du revêtement sur le fil 2.5.2. Observation de la rugosité du fil 2.6. Bilan des méthodes d'approche .................................................................................... 3. Intérêt de ces méthodes pour l'étude de la lubrification par les savons .................................... 4. Application à l'analyse du tréfilage industriel .......................................................................... 4.1. Etude expérimentale d'une opération de tréfilage multi passes ............................... 4.2. Représentativité du tréfilage mono passe vis-à-vis du procédé industriel ............... 42 45 46 46 51 51 52 52 55 Chapitre 3 : Analyse thermomécanique d'une passe de tréfilage 1. Caractérisation de la rhéologie de l'acier .................................................................................. 1.1. Essais de traction conventionnels ............................................................................. 1.1.1. Essais à température ambiante 1.1.2. Essais entre 25°C et 150°C 1.2. Essai de masse tombante .......................................................................................... 2. Une méthode d'identification de la rhéologie du métal et de la tribologie du lubrifiant grâce à un modèle thermomécanique élémentaire ................................................................................. 2.1. Contrainte de tréfilage............................................................................................... 2.2. Echauffement du fil ................................................................................................. 2.3. Modèle thermomécanique élémentaire ..................................................................... 2.3.1. Identification du travail de déformation plastique du fil et estimation de la température maximale atteinte 2.3.2. Estimation des cissions de frottement des savons de tréfilage 2.4. Application du modèle aux essais de tréfilage (conditions de référence) ................ 2.5. Pertinence des résultats obtenus .............................................................................. 2.6. Extension du modèle aux essais de tréfilage (hors conditions de référence) ........... 2.6.1. Tréfilage du fil-machine 2.6.2. Tréfilage du fil 2,2mm : Effet de la vitesse 2.7. Limites du modèle .................................................................................................... 3. Modélisation avec un code de calcul par éléments finis FORGE2® ....................................... 3.1. Mise en données pour les calculs ............................................................................. 3.2. Corrélation méthode des tranches/simulation numérique avec un cas simple ......... 3.2.1. Principe de la corrélation 3.2.2. Influence de la géométrie de la filière 3.2.3. Influence de l'angle et du frottement sur la contrainte de tréfilage 3.3. Prise en compte de l'écrouissage du fil ..................................................................... 3.3.1. Estimation du travail de déformation plastique du fil 3.3.2. Estimation du coefficient de Tresca 3.3.3. Estimation de la température maximale du fil 3.4. Calcul thermique dans la filière ................................................................................ 4. Conclusion ................................................................................................................................ 5. Synthèse : Application du modèle thermomécanique à une opération de tréfilage multipasses industrielle ................................................................................................................. 58 58 63 64 64 65 68 69 71 72 75 75 76 76 78 82 84 86 Sommaire Chapitre 4 : Caractérisation des savons de tréfilage .................................................. 88 1. Présentation des savons de tréfilage ......................................................................................... 1.1. Caractéristiques générales ........................................................................................... 1.2. Masse volumique ......................................................................................................... 2. Etude structurale par DSC ........................................................................................................ 2.1. Principe de l'essai ......................................................................................................... 2.2. Enthalpogrammes des savons de tréfilage ................................................................... 2.2.1. Enthalpogrammes des charges minérales 2.2.2. Enthalpogrammes des savons purs 2.2.3. Enthalpogrammes des savons chargés 2.3. Conclusion sur la DSC ................................................................................................ 3. Rhéologie des savons ................................................................................................................ 3.1. Rhéologie capillaire .................................................................................................... 3.1.1. Principe de l'essai 3.1.2. Résultats 3.1.3. Conclusion sur la rhéologie capillaire 3.2. Mélangeur .................................................................................................................... 3.2.1. Principe de l'essai 3.2.2. Résultats 3.2.3. Conclusion sur le mélangeur 3.3. Essais de tréfilage "basses vitesses" ............................................................................. 3.3.1. Déroulement des essais 3.3.2. Influence de la vitesse de tréfilage 3.3.3. Influence de la température du savon 3.3.4. Conclusion sur les essais de tréfilage "basses vitesses" 4. Synthèse des résultats ............................................................................................................... 90 90 90 91 92 92 97 98 98 105 116 125 Chapitre 5 : Tréfilage expérimental : Etude de l'influence des paramètres relatifs au savon et au procédé sur la lubrification 126 1. Préambule sur le revêtement salin ............................................................................................ 1.1. Variabilité de recouvrement du fil par le dépôt salin ................................................... 1.2. Influence du revêtement salin lors d'une opération de tréfilage monopasse ................ 1.2.1. Tréfilage sans savon 1.2.2. Tréfilage sans revêtement de surface 1.2.3. Vieillissement du revêtement salin et conséquence sur le déroulement du tréfilage 2. Influence de la vitesse sur la qualité de la lubrification .......................................................... 3. Influence des paramètres relatifs au savon sur la qualité de la lubrification ............................ 3.1. Composition .......................................................... ...................................................... 3.1.1. Performances des savons de référence 3.1.2. Effet de la teneur en matière grasse 3.1.3. Formulations sodiques fortement chargées 3.2. Granulométrie .......................................................... ................................................... 4. Influence des paramètres relatifs au procédé sur la qualité de la lubrification ......................... 4.1. Le fil ............................................................................................................................. 4.1.1. Etat de surface du fil 128 128 130 133 136 136 141 144 144 Sommaire 4.1.2. Propriétés mécaniques du fil 4.2. La filière ....................................................................................................................... 4.2.1. Angle de filière 4.2.2. Etat de surface de la filière 4.3.3. Utilisation d'un dispositif de mise en pression 5. Synthèse des essais de tréfilage ................................................................................................ 5.1. Impact des conditions de tréfilage sur le poids de couche ................................. 5.2. Impact des conditions de tréfilage sur les contraintes et températures .............. 5.3. uploads/Geographie/ comprehension-et-modelisation-des-mecanismes-de-lubrification-lors-du-trefilage-des-aciers-inoxydables-avec-des-savons-secs.pdf