Tribologie du laminage à froid de tôles = Tribology in metal forming

Free access articleInternational audienceLe laminage dépend de manière critique du frottement et de la lubrification, tant pour le contrôle du procédé que pour la qualité du produit fini. Pechiney et Usinor ont donc entrepris en 1995, en partenariat avec le CNRS, un ambitieux projet regroupant sept laboratoires publics autour de l'Irsid et du Centre de Recherches de Voreppe, sur les deux grands domaines de la lubrification : mécanique de la formation du film lubrifiant entre surfaces rugueuses déformables, et formation des films limites (tribochimie), en vue de construire un modèle de laminage incluant un modèle de frottement prédictif et local. Ce sont les efforts et les résultats de ce CPR (Contrat de Programme de Recherches) « Mise en Forme des Matériaux : contact métal-outil-lubrifiant qui sont décrits dans ce numéro et un numéro ultérieur de Science et Génie des Matériaux = Strip rolling processes depend critically on friction and lubrication for process control as well as for strip quality. Pechiney and Usinor companies have therefore joined with CNRS (National Scientific Research Centre of France) to build an ambitious project gathering seven French public laboratories and their own research centres, Irsid and Centre de Recherches de Voreppe. The two major fields of lubrication were addressed: the formation of fluid lubricant films between rough deformable surfaces, and the formation of boundary films (tribochemistry). The final purpose was to derive a model of rolling processes including a predictive, local friction model. This issue and a future issue of Science et Génie des Matériaux present the efforts and the results of this Research Programme Contract "Materials forming: metal - tools - lubricant contact"

Frottement et lubrification en mise en forme = Numerical modelling of lubricated foil rolling

Free access articleInternational audienceUn modèle de lubrification en laminage à froid de tôle a été adapté au laminage en très faible épaisseur. Il prend en compte l'évolution de la géométrie des aspérités et de la pression du lubrifiant le long de l'emprise. Le frottement entre le cylindre et la rugosité de la tôle est représenté au choix par les modèles de Coulomb ou de Tresca. Dans le premier cas, la contrainte de cisaillement est limitée par la contrainte d'écoulement en cisaillement de la tôle. On introduit une nouvelle modification à ces lois standard pour simuler le frottement glissant dans les zones de réduction et le frottement collant dans la zone neutre centrale. On examine les variations de force de laminage, d'épaisseur de film lubrifiant et d'aire réelle de contact avec la vitesse de laminage, pour des conditions typiques du laminage d'aluminium en feuille mince, de 50 à 25 μm. = A model of lubricated cold strip rolling is extended to the thin foil case. The model considers the evolution of asperity geometry and lubricant pressure through the bite. Friction between the roll and the asperities on the strip is modelled using the Coulomb and Tresca friction factor approaches. The shear stress in the Coulomb friction model is limited to the shear yield stress of the strip. A novel modification to these standard friction laws is used to mimic slipping friction in the reduction regions and sticking friction in a central neutral zone. The variation of rolling load, lubricant film thickness and asperity contact area with rolling speed is examined, for conditions typical of rolling aluminium foil from a thickness of 50 to 25 $\mu$m

From steady-state to cyclic metal forming processes

Reprinted with permission from AIP Conf. Proc. May 17, 2007 Volume 908, pp. 209-214 MATERIALS PROCESSING AND DESIGN; Modeling, Simulation and Applications; NUMIFORM '07; Proceedings of the 9th International Conference on Numerical Methods in Industrial Forming Processes; doi:10.1063/1.2740813. Copyright 2007 American Institute of Physics. This article may be downloaded for personal use only. Any other use requires prior permission of the author and the American Institute of PhysicsInternational audienceContinuous processes often exhibit a high proportion of steady state, and have been modeled with steady-state formulations for thirty years, resulting in very CPU-time efficient computations. On the other hand, incremental forming processes generally remain a challenge for FEM software, because of the local nature of deformation compared with the size of the part to be formed, and of the large number of deformation steps needed. Among them however, certain semi-continuous metal forming processes can be characterized as periodic, or cyclic. In this case, an efficient computational strategy can be derived from the ideas behind the steady-state models. This will be illustrated with the example of pilgering, a seamless tube cold rolling process

Application of the arbitrary lagrangian eulerian formulation to the numerical simulation of stationary forming processes with dominant tangential material motion

International audienceIn this paper, an Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) formulation has been developed for 3D FEM simulations of quasi-stationary metal forming processes (such as drawing, rolling, extrusion ...). In such a formulation, the mesh is updated independently from the material motion, allowing the mesh to be continuously optimized. It is however difficult in 3D to relocate mesh nodes such that the movement of the material domain boundaries can be followed. In general, it is achieved by setting the normal component of the mesh velocity equal to the normal component of the material velocity for each boundary node. This initial choice was found unsatisfactory for processes with dominant tangential velocity. For such cases, a new procedure has been implemented in the FORGE3 (R) software [1]. The surface nodes are projected onto the intermediate surface computed at the end of the Lagrangian virtual updating stage. Different strategies are developed to project the nodes, according to the topological entities they belong to (vertices, edges, plane or curved surfaces). A comparison for wire and bar drawing processes is provided between a standard Updated Lagrangian formulation [1] and the present ALE formulation, showing very similar results (geometry shape, drawing stress, strain rates ...)

Tribological study of a press-fit assembling process

International audienceA particular case of press-fitting of two metal parts is studied, with high fit interference inducing high contact pressures and plastic deformation of the bushing and collar. Furthermore, the female piece is polymer-coated by cataphoresis, and the coating evolution by damage and wear during sliding promotes significant changes of friction with sliding length. These particular frictional properties impact the structural mechanics behaviour of the system during assembling

Méthode multi-échelle pour la modélisation du flambage des tôles minces sous contraintes résiduelles - Application au laminage

National audienceDans le laminage à froid, l'apparition d'une distribution hétérogène de contraintes résiduelles peut engendrer le flambage de la tôle laminée, entraînant un " défaut de planéité ". L'objectif est de définir un modèle macroscopique simple décrivant les modes et amplitudes de flambage d'une tôle sous l'effet des contraintes résiduelles issues du laminage. Le présent article présente une nouvelle méthode bi-échelle [1,2] comme une alternative du modèle de flambage développé dans [10-13]. Elle utilise un développement en séries de Fourier, pour résoudre les équations de Von Karman (flambage des tôles minces). Couplé avec le modèle de laminage Lam3/Tec3, cette technique a le potentiel de détecter la charge critique et le mode de flambage, puis de décrire l'état post-flambé de la tôle (amplitude des défauts, redistribution des contraintes)

Manifested flatness defect prediction in cold rolling of thin strips

International audienceFlatness defects in thin strip cold rolling are a consequence of roll thermo-elastic deformation, from which heterogeneous strip plastic deformation results. When flatness defects manifest on line, buckling reorganizes the stress field in the pre- and post-bite areas. Comparison with flatness roll measurement requires this effect to be taken into account. A coupled Finite Element Method (FEM) approach is used here to compute stresses and strains in-bite as well as out-of-bite. The detection of buckled (non-flat) areas is demonstrated for a very thin strip cold rolling case. The model is then applied here to two questions, namely the impact on flatness of the heterogeneous temperature field and the effect of friction on optimal setting of a flatness actuator, Work Roll Bending

PVD coated mill rolls for cold rolling of stainless steel strips - Tribological and mechanical laboratory tests

Voir : PVD Coated Mill Rolls for Cold Rolling of Stainless Steel Strips: Tribological and Mechanical Laboratory Tests, Ould C., Badiche X., Montmitonnet P., Gachon Y., Dans Proceedings of NAMRI/SME - 40th NAMRC - North American Manufacturing Research Conference, Notre-Dame, Indiana : États-Unis (2012) - http://hal-ensmp.archives-ouvertes.fr/hal-00724779International audienceThe cost of rolling is determined in particular by productivity and lifetime of rolls before regrinding. Adhesive wear of the sheet gives rise to transfer on the roll surface. Its occurrence depends on rolling conditions and is one of the determining factors of the maximal reduction for a given rolling speed. Abrasive wear of the roll is the second factor for roll lifetime. Both phenomena are strongly related to tribological and mechanical characteristics of the surface layer of rolls. Stainless steel is known for its high adhesiveness. Coatings with good tribological properties could help extend the roll service. In this paper, the potential of different PVD coatings (CrN, TiN and TiBN) is explored. The impact of these coatings on influential phenomena during rolling is analyzed thanks to well-adapted tribological and mechanical laboratory tests. The results show that TiN has a good potential in cold rolling of stainless steel strips

Etude tribologique de l'emmanchement en force dans des tôles embouties

http://hdl.handle.net/2042/37177International audienceL'emmanchement en force à la presse est une opération conditionnée par le frottement: c'est lui qui explique la force nécessaire à l'emmanchement, c'est lui qui détermine la force de démanchement. Après une analyse succincte de la mécanique de l'opération, nous montrons comment la surface des pièces est transformée par ce contact glissant sévère. Sur la base de ces analyses mécaniques, des essais tribologiques simulant ce contact sont proposés pour reproduire ces transformations dans des conditions plus aisément dépouillables

Etude expérimentale et modélisation de l'évolution couplée du frottement et de l'usure dans un contact entre une surface métallique et un revêtement polymère

International audienceDans une jonction statique, le frottement a la particularité de devoir atteindre un fort niveau en fin d'assemblage, car il représente la majeure partie de la force de résistance de la jonction en service. Ce niveau de frottement est conféré par le procédé d'assemblage. Nous nous intéressons ici aux relations entre frottement et usure pour un assemblage polymère - métal caractérisé par un contact sous haute pression (localement, plus de 500 MPa), mais à basse vitesse (quelques mm.s-1) et avec une faible longueur de glissement (inférieure à 10 mm). Pour simuler ce contact, des essais tribologiques en régime linéaire alternatif ont été mis au point, dans lequel ont été utilisés des objets les plus proche possible des pièces réelles. Le polymère est celui qui reste en contact permanent, le métal voyant, lui, défiler la zone de contact. Le frottement augmente fortement au début de l'essai, puis se stabilise. En observant les surfaces en microscopie optique et électronique, on montre qu'une forte usure du polymère se produit, et que les particules d'usure se déposent pour une grande part dans la rugosité de la surface métallique. Des essais complémentaires montrent que ce piégeage de particules d'usure est la cause principale de l'augmentation du frottement. Un paramètre essentiel est la rugosité du métal, dont l'usure et la croissance du frottement sont fonctions croissantes. La croissance du frottement est modélisée sur la base du concept de troisième corps et d'un bilan de la circulation des particules d'usure. La comparaison aux courbes expérimentales de frottement montre la pertinence de ce modèle