Detection of deviations origins in a heat treatment process using Proper Orthogonal Decomposition (POD) basis

International audienceIt is well know that the heat treatment step of gearbox cogwheel induces distortions of the parts. In addition, some deviations of this deformation are often observed, due to unknown changes of process parameters. These deviations, and more precisely the detection of their origin, are the subject of this paper. We propose here a methodology based on the projection of measurements after heat treatment on a POD (Proper Orthogonal Decomposition) basis, extracted from FEM computations. This information about deviation origin can help correct incriminated process parameters

Anticipation des déformations lors du traitement thermique de pignons de boîtes de vitesses

Two main strategies exist to manufacture gears, depending the respective order of finishing and heat treatment. Renault mainly uses a process where heat treatment follows finishing. Due to this, gear tooth distortion can not be corrected after quenching and thus has to be analysed in detail. Regardless of these two strategies, production development can be divided in two phases : process set up and series production. Each phase has its own problem. For the first, it will be useful to know beforehand the distortion during heat treament and other steps. We present some current phenomenological models of heat treatment process. A list of input parameters is done. Next, the use of numerical simulation is examined. A good qualitative correlation is observed between numerical and experimental results. Nevertheless, due to the complexity of input data and the determination of boundary conditions, another methodology is proposed structured around a data base containing the deformations of all gears manufactured in the factories. This methodology is implemented in a software and used at all Renault locations. Once this set up is finished, the part enters into series production. A second problem occurs : the nominal process deviation. For example, slight material changes, variations in machining conditions, modifications of heat treatment and so on can be responsible for these deviations. We mainly focuse here on dimensional deviations but this method could be applied to other ones. When production is stopped, these deviations have to be rapidly identified. This is why we propose here the methodology fundamentals to recognise the deviation origin from the part deformation. A numerical basis of all the deviations is created by applying a Proper Orthogonal Decomposition on numerical simulations. The projection of the real part deformation on this basis can help us to identify the deviation origin and so reduce time needed to analyse the problem.Il existe deux stratégies principales pour fabriquer des engrenages, liées à l'ordre d'enchaînement de l'usinage de finition et du traitement thermique. Dans le cas qui nous occupe ici chez Renault, la majorité des pièces produites adopte un processus où le traitement thermique termine la gamme de fabrication, ce qui n'autorise aucune modification de la géométrie de la denture en sortie de trempe. Il est donc primordial d'analyser les déformations qui apparaissent lors de cette étape. Indépendamment de ces stratégies de fabrication, la vie d'une pièce peut être divisée en deux phases : la mise au point et la vie série. Chaque période génère des problématiques séparées. Pour la première, il est utile de connaître au préalable la déformation de la pièce lors du traitement thermique, voire des autres opérations de la gamme. Un état de l'art des modélisations phénoménologiques actuelles est donc dressé, ainsi qu'une liste des données nécessaires au calcul. L'applicabilité de la simulation numérique à ce problème est alors étudiée. Une bonne corrélation qualitative a été observée entre simulation et données expérimentales. Cependant, étant donné la complexité des donnée nécessaires et la détermination des conditions aux limites, une autre possibilité a également été développée, structurée autour d'une base de données recensant les déformations des engrenages de chaque site. Cette méthodologie a été implémentée dans une application qui est maintenant utilisée sur tous les sites de mécanique Renault. Une fois cette mise au point terminée, la pièce entre dans la deuxième phase, la vie série. Celle-ci voit apparaître alors un second type de problème : la dérive du processus nominal. Cette dérive peut être occasionnée par exemple par une matière légèrement modifiée, des conditions d'usinage optimisées ou une variation du traitement thermique qui échappe aux contrôles classiques mis en place. Nous nous attachons ici principalement aux dérives qui provoquent une variation dimensionnelle de la pièce mais le principe peut être appliqué à d'autres variations. Retrouver le plus rapidement possible l'origine d'une telle dérive et la corriger alors que la production est arrêtée est impératif. Nous proposons donc ici les fondements d'une méthode permettant de reconnaître l'origine d'une dérive identifiée à partir de la seule mesure de la déformation de la pièce. Une base des dérives possibles est créée en réalisant une décomposition modale (POD) des simulations numériques représentant les variations du process. En projetant la mesure réelle sur cette base, nous sommes ainsi capables d'identifier l'origine de la dérive et donc de réduire les délais d'analyse du problème

Anticipation des déformations lors du traitement thermique de pignons de boîte de vitesses

PARIS-MINES ParisTech (751062310) / SudocSudocFranceF

Anticipation of gears distortions caused by heat treatments

http://link.aip.org/link/?APCPCS/907/1221/1International audienceThe aim of this work is to improve gearbox cogwheel manufacturing, by anticipating distortions induced by the heat treatment. To anticipate these distortions, corrections are made at the last step of the manufacturing sequence, before the heat treatment. Such an anticipation strategy based on a data base is already used in production. It could be supplemented by numerical simulations of different parts for various process conditions. One problem is the large scattering of distortions during industrial heat treatment, even within a given batch of wheels. Since there is not a unique set of boundary conditions which can be used for describing the process for a whole batch of parts, it is necessary to perform many simulations with different heat transfer coefficients for example, in order to obtain a description of the potential scattering within a batch and estimate an average response of a representative part of a batch.The final goal is to use a simplified model which will allow to perform a large number of simulations within a reasonable time, and to obtain a global picture of all the deformations of the parts of a batch.First, the state variables for a complex metallurgical, thermal and mechanical model are investigated, and the possibilities of model reduction are mentioned. A sensitivity analysis is also carried out by varying the initial and the boundary conditions. Some of these effects are studied through simple simulations for various heat transfer coefficients, thicknesses of the carbon layer due to carburizing, or TTT-diagrams features, while others are analysed thanks to tests in real conditions. Results are presented here with a focus on heat transfer coefficients. The analysis of the potential impact of machining techniques on distortions would require further development. The sensitivity analysis helps understanding the material behaviour and the impact of interface parameters, and identifying the parameters on which one needs to focus in order to evaluate the scattering of distortions within a batc