Identification of Local Lubrication Regimes on Textured Surfaces by 3D Roughness Curvature Radius

This paper proposes a new method of 3D roughness peaks curvature radius calculation and its application to tribological contact analysis as a characteristic signature of tribological contact. This method is introduced through the classical approach of calculation of radius of asperity in 2D. Actually, the proposed approach provides a generalization of Nowicki's method [ ], depending on horizontal lines intercepting the studied profile. Here, the basic idea consists in intercepting the rough surface by a horizontal plane and to calculate the cross section area without including “islands into islands”, i.e. the small peaks enclosed in bigger ones. Then, taking into account the maximal value of the height amplitude of the roughness included into this area, an appropriate algorithm is proposed, without requiring the classical hypothesis of derivability, which may be unstable when applied to engineering surfaces. This methodology is validated on simulated surfaces, and applied to engineering surfaces created experimentally, with a laboratory aluminium strip drawing process. The regions of the textured and lubricated specimens surface are analysed, and the results gives interesting prospects to qualitatively identify the local lubrication regimes: regions with high curvature radii correspond to severe contact (boundary/mixed lubrication regime) while regions with low curvature radii correspond to hydrodynamic lubrication regime

Effects of Contact Pressure, Plastic Strain and Sliding Velocity on Sticking in Cold Forging of Aluminium Billet

AbstractHot rolling of stainless steel is one of the most important steps in manufacturing process regarding surface quality of the product. Stabilised ferritic stainless steels are widely used in automotive and cosmetic appliances but are also concerned by sticking phenomenon. These grades, having high dry corrosion and creep resistance, are enriched in specific chemical elements such as Cr, Nb or Ti, limiting also slab oxidation during hot rolling. Nevertheless, the mastered oxidation of slab surface is a way to protect metal surface from direct contact with rolls. In order to better understand initiation of sticking, a first campaign was based on topography and rolls surface state wear analysis. This study revealed that sticking initiation is not due to the presence of roll scratches which depth is higher than oxide layer thickness. Indeed, the probability that roll scratches are deeper than oxide layer thickness is very low. In a second time, a pilot was designed, reproducing tribological conditions of a roll bite, to better understand mechanisms that initiate sticking. Keeping in mind the importance of rolls and slab surface state, this pilot is able to use specimen taking from industrial products, having the original oxide layer surface. This second study highlighted the major role of silicon oxides on scale adherence and the high heterogeneity of this scale layer in thickness and in chemical composition

Caractérisation de la tribologie des procédés de mise en forme à haute température

Les procédés de mises en forme à chaud sont fortement sensibles aux conditions de contact et de frottement. La connaissance de ces conditions de frottement est rendue difficile à cause des températures extrêmes rencontrées dans ce type de procédés (supérieures à 1000°C lors de la mise en forme des aciers). Ce papier présente le banc d'essais tribologiques développé au LAMIH afin de répondre à cette problématique. Le banc d'essais a été conçu de façon à reproduire une large gamme de pressions de contact, de vitesses de glissement et de températures. Dans un premier temps, la méthodologie utilisée pour régler l'essai de frottement permettant de simuler des conditions de contact respectueuses de celles rencontrées sur site industrielle est présentée. Ensuite, un ensemble de trois campagnes d'essais distinctes est présentés. La première campagne est réalisée pour étudier les effets de la composition des lubrifiants à base de graphite sur les conditions de frottement en forgeage à chaud. Une attention particulière est portée au volume de lubrifiant déposé sur l'outil, à la taille des particules de graphite et à la quantité d'agents de liaison. Ces premiers résultats montrent que le banc d'essai est suffisamment sensible pour distinguer les propriétés de deux lubrifiants a priori identiques. La deuxième campagne vise à quantifier l'aptitude de deux lubrifiants blancs à réduire le frottement et à protéger la surface de l'outil. Le premier lubrifiant blanc est à base de sel minéral, le second à base de sel organique. Les essais sont effectués à 1200 °C sur des échantillons d'acier AISI 4820, avec des frotteurs en acier nitruré AISI H11. Les résultats montrent que les lubrifiants blancs testés conduisent à un coefficient de frottement comparable à ceux mesurés pour les lubrifiants à base de graphite. Toutefois, dans les conditions testées, les lubrifiants blancs perdent leur capacité à réduire le frottement dès que les longueurs de glissement deviennent supérieures à 10 mm, alors que les lubrifiants à base de graphite peuvent subir une longueur de glissement supérieure à 30 mm. La dernière campagne est menée pour qualifier un nouveau revêtement sol-gel déposé sur à outil en acier AISI H13. Les essais sont effectués à 1100 ° C sur des échantillons d'acier AISI 4820. Après chaque essai, la capacité du revêtement à réduire le frottement et à empêcher le transfert de métal des éprouvettes vers l'outil revêtues est établie. Les résultats montrent que les revêtements sol-gel testés réduisent le frottement et possèdent une bonne aptitude à retarder les transferts de matière, mais imposent des conditions de dépôt qui peuvent nuire à la tenue mécanique de l'outil (chute de la dureté)

Finite element modelling of orthogonal cutting: sensitivity analysis of material and contact parameters

International audienc

Measurement of friction in a cold extrusion operation: Study by numerical simulation of four friction tests

International audienceThe measurement of friction in the industrial metal working operations is a complex problem because the friction test must impose at the tool/metal interface conditions similar to those in the industrial operations. So in the European Network VIF (Virtual Intelligent Forging), a workshop (WP3) was held to evaluate friction condition in cold forging by using numerical simulation and experimental methods. It was chosen an industrial cold extrusion operation, in which a low carbon steel bar, covered with phosphate layer and soap, was drawn, cropped and then formed by extrusion. In order to know the friction condition in this industrial extrusion operation, four kinds of friction tests, forward extrusion, double-cup extrusion, upsetting-sliding test and T-shape compression were carried out in four labs, IPU, DIMEG, LAMIH and CEMEF, respectively. In a first preliminary step we simulate the drawing and extrusion operations in order to estimate the contact conditions in extrusion along the container and the die surfaces. Then by numerical simulation we estimate the contact conditions in the friction tests and define the parameters of the tests which insure the better similarity with the industrial operation. In the next step experiments will be performed in order to compare the results of these various friction tests

Vers la caractérisation du collage des alliages d'aluminium en mise en forme à froid

Les alliages d'aluminium sont des matériaux qui ont une forte tendance aux collages lors de leur mise en forme : une rupture du film lubrifiant séparant la pièce et l'outil peut avoir des conséquences dramatiques sur l'opération de formage (rayures et fissures en surface de la pièce, encrassement et détérioration des outils, etc.). Les travaux présentés étudient les mécanismes de collage d'un alliage d'aluminium 6082 lors de sa mise en forme à froid. Dans un premier temps, une méthodologie expérimentale utilisant le banc d'essai Upsetting-Sliding Test est proposée. Elle permet simuler en laboratoire des conditions de contact proches de celles rencontrées en industries. Une campagne d'essais est réalisée, sollicitant le matériau sous diverses conditions de pression de contact, de vitesse de glissement et de lubrification. Les analyses métallurgiques et mécaniques de cette campagne permettent d'établir un lien entre les conditions de contact d'une part et le transfert de matière sur les outils d'autre part. Les résultats montrent que l'apparition du collage ne se traduit pas par une augmentation importante du coefficient de frottement. Un mécanisme d'apparition du collage de l'aluminium sur les outils en forge à froid est alors proposé. Dans un second temps, l'aptitude à prédire l'apparition du collage des alliages d'aluminium est étudiée à l'aide de quatre modèles d'endommagement et de rupture usuels. Dans cette approche simplifiée, le film lubrifiant n'est pas modélisé, ni les forces d'adhésions. Un ensemble de simulations numériques est mené pour quantifier l'influence des conditions de contact rencontrées lors des essais UST sur l'état d'endommagement des éprouvettes au voisinage de leur surface. Les résultats montrent que le coefficient de frottement seul n'est pas suffisant pour rendre en compte de la sévérité du contact et qu'une approche multiéchelle est nécessaire pour simuler l'effet de la rugosité des outils sur l'apparition des premiers transferts de matière

Etudes expérimentales et numériques d'un jet de particules : application au freinage ferroviaire

Les transports ferrés urbains, bien que considérés comme une alternative écologique au transport individuel, font aujourd'hui l'objet d'un intérêt grandissant en matière de risque pour la santé et d'exposition aux particules fines. Des campagnes de mesures aux particules fines (PM) effectuées dans plusieurs réseaux souterrains de métropoles mondiales ont révélé des niveaux relativement élevés. Ces mesures se basent sur des taux moyens mesurés principalement en stations et ne permettent pas d'identifier précisément la provenance des particules. L'objectif principal de ce travail est d'apporter, par voie expérimentale, des éléments permettant d'améliorer les modèles numériques prédictifs de transport et de comportement des particules issues du freinage d'un matériel roulant. Un certain nombre d'études ont été réalisées sur le sujet en écoulement multiphasique mais peu d'entre elles ont été menées sur les particules d'usure et aucune ne s'est attaquée au problème du comportement dynamique des particules et de leur interaction avec un écoulement turbulent autour d'un équipement ferroviaire. Cette étude vise à tester numériquement le « Suspension balance Model » (SBM), modèle basé sur les phénomènes de migration de particules dans un écoulement. Une configuration canonique d'écoulement est définie (jet de particules en couche limite) en vue de procéder à une validation expérimentale par méthodes optiques. L'interaction du jet avec un écoulement de type couche limite est analysée en vue de comparer les champs de vitesse et de concentration issus de la modélisation et de l'expérience. Ces essais sont réalisés dans un canal hydraulique avec injection de particules calibrées

Stratégie numérique et expérimentale pour la maîtrise de l'Usinage à Grande Vitesse

L'usinage à grande vitesse présente de nombreux avantages par rapport à l'usinage conventionnel, mais reste soumis aux contraintes économiques et écologiques. L'optimisation des paramètres de coupe doit permettre d'accroître la productivité, de réduire l'usure des outils et d'assurer la qualité de la pièce usinée. Cette démarche nécessite de développer des approches numériques perspicaces de l'interface outil-copeau. Cela impose de déterminer précisément le comportement rhéologique des antagonistes et d'établir des modèles de frottement objectifs. En parallèle, des essais expérimentaux du procédé doivent permettre d'obtenir des données fiables pour garantir la pertinence des valeurs prédites par les modèles numériques. Dans les approches numériques pour l'usinage à grande vitesse, le comportement rhéologique des matériaux usinés est généralement décrit par une loi de Johnson Cook et le frottement à l'interface par un coefficient constant de type Coulomb. Il est ici proposé de déterminer une loi de frottement à paramètres multiples au moyen de deux tribomètres spécifiques. La méthodologie proposée utilise des modèles numériques des deux types d'essais tribologiques afin de déterminer une valeur de coefficient de frottement de type Coulomb associée à la pression locale, à la température et à la vitesse de glissement au sein du contact. La réalisation de nombreux essais permet d'estimer une loi de frottement dépendante des conditions locales dans le contact. L'implémentation de cette loi dans un modèle numérique permet donc d'affecter une valeur de frottement spécifique en fonction des variables locales de pression, de vitesse de glissement et de température au sein du contact outil-copeau. Des études ont montré que des phénomènes de recristallisation dynamique apparaissent lors de l'usinage dans l'interface outil-copeau. La loi de Johnson Cook ne permet pas de considérer ces phénomènes. Des modèles rhéologiques spécifiques basés sur la métallurgie sont introduits pour tenir compte de ces phénomènes de recristallisation dynamique. Deux modèles empiriques proposés par Kim [Kim03] et Lurdos [Lur08] sont étudiés. D'autres essais spécifiques sont réalisés sur un banc d'essai de coupe orthogonale afin de juger de l'objectivité de ces approches. Enfin, un modèle éléments finis de la coupe orthogonale à deux dimensions est développé avec le logiciel Abaqus Explicit en utilisant une formulation ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian). Ce modèle peut alors prédire la formation des copeaux, les températures d'interface, les longueurs de contact et les forces de coupe. Il est finalement montré dans cette étude qu'il est nécessaire de prendre en compte une loi de frottement à paramètres multiples qui tient compte des pressions, de la température et des vitesses de glissement locales et d'intégrer une loi de comportement rhéologique à base métallurgique pour aboutir à une simulation numérique objective de l'usinage à grande vitesse

Mechanical characterization of a prototype a-C:Cr,Si and its tribological behavior at high temperature

The results of the mechanical and tribological characterization of a prototype a-C:Cr, Si sputtered coating are presented. The hardness and the elastic modulus of the coated system have been determined by means of nanoindentation taking into account the actual architecture of the bi-layer coating. Both mechanical properties were recorded continuously versus the indentation depth, h, up to approximately 2000 nm, at a constant indentation rate and maximum applied loads of 700 mN. The results were analyzed by means of the Oliver and Pharr method and modeled on the basis of novel approach proposed recently by some of the authors. Wear tests were conducted at 25 °C, 400 °C and 450 °C against alumina, employing a contact pressure of 540 MPa. Characterization of the worn surfaces by SEM and elemental X-ray mapping has also been carried out. A wear rate as low as 1.2×10−18 m3/N m was determined for the coating tested at 25 °C, which is approximately one order of magnitude and three times less than those found from the tests performed at 400 °C and 450 °C, respectively. It has been determined that the a-C:Cr,Si coating exhibits a very good wear resistance even at temperatures up to 450 °C, as consequence of the Si and Cr oxides formed due to the oxidation process. Also, it has found that at this temperature, a continuous oxide film is formed, which reduces the wear rate of the coated system in comparison to that determined at 400 °C. However, the volume increase due to the oxidation process at 450 °C and the elimination of CO2, Ar and H2O vapors, induces a severe surface cracking of the coating

Stratégie d'étude de la baisse des températures de forgeage appliquée à un alliage de cuivre Cu-Ni-Si

La baisse des températures de forgeage représenterait une source d'économie d'énergie importante pour les industries. Cependant, une telle modi?cation ne peut être sans conséquence sur la faisabilité d'un procédé. Cette communication présente la stratégie scienti?que développée pour répondre à cette problématique appliquée à une pièce forgée en alliage Cu-Ni-Si. La première phase de cette stratégie a consisté à caractériser le matériau et le procédé de forgeage effectifs. L'analyse ?ne de l'ensemble de ces résultats a démontré l'existence d'un fort couplage matériau-procédé. Pour aller vers l'optimisation du procédé, la connaissance des limites de formabilité du ma tériau sollicité dans les conditions de forgeage de la pièce est essentielle. Une boucle d'optimisation couplant un modèle numérique du procédé et une étude de formabilité permettrait d'identi?er les températures minimales admissibles par le procédé