Contribution to characterization of metal forming machines: application to screw presses

Finite Element analyses are established in the metal forming industry, with the aim to fulfill three objectives: predict tooling lifetime, predict the energy required to obtain the desired part and predict the thermomechanical path leading to the optimal microstructure. Currently, simulations allow good predictions regarding forging operations with currently used material, like steel, but concerning high performing materials, significant difference are observed between numerical and experimental results. This study aims at understanding this disparity between numerical and experimental results, for screw presses. Different methods have been employed to determine the press stiffness, using fast cameras and 3D tracking points systems

Contribution à la caractérisation des moyens de mise en forme : application aux presses à vis

The metal forming industry uses more and more numerical simulation, and especially the Finite Element software Forge®, with the aim to fulfill 3 main objectives: predict tooling lifetime, predict the amount of energy required to obtain the part desired and predict the thermomechanical path leading to the optimal final microstructure. Currently, numerical simulations allow good predictions regarding forging operations with currently used material, like steel. But to remain competitive forging industries cannot work only with steel, and have to innovate by developing new forging process for high performance material. But concerning the forging operations of these new high performing material, significant difference are observed between numerical and experimental results. In particular regarding the prediction of energy required to correctly forge a part. This study aims at understanding this disparity between numerical and experimental results, in the special case of screw presses. For that, the first step describes the functioning of screw presses but also the screw presses model implemented into the Forge software. Experimental results of upsetting tests in 2 different conditions have then been compared to results obtained numerically by simulating the corresponding forging tests. Significant differences are observed, and the necessity to define a stiffness coefficient for the press is highlighted. Two methods have been carried out to determine the stiffness of the press, a theoretical one and an experimental one. Concerning the experimental one, external tools of acquisition like a rapid camera and a 3D tracking points system have been used to analyze the press behavior during blows. Finally, stiffness values obtained with the two different methods are compared

Contribution à la caractérisation des moyens de mise en forme : Application aux presses à vis

L'industrie de la forge utilise de plus en plus la simulation numérique, et notamment le logiciel Eléments Finis Forge®, et ce pour répondre à 3 objectifs principaux: prédire la casse des outillages, prédire la quantité d'énergie nécessaire pour arriver à la mise en forme souhaitée d'une pièce et prédire le chemin thermomécanique adéquat pour obtenir une microstructure finale optimale. Actuellement la simulation numérique permet de bonnes prédictions pour ce qui concerne la mise en forme de matériaux couramment utilisés comme les aciers. Mais pour rester compétitives les forges ne peuvent plus se permettre de forger uniquement des aciers et doivent innover notamment en mettant au point des procédés de forgeage pour des matériaux à haute valeur ajoutée. Or pour la mise en forme de ces nouveaux matériaux à hautes performances, des différences significatives sont observées entre les prédictions obtenues par simulation et les résultats de l'expérimentation. Notamment pour ce qui concerne la prédiction de l'énergie nécessaire à la mise en forme d'une pièce. Cette étude cherche donc à comprendre d'où vient cette disparité entre les résultats numériques et expérimentaux, dans le cas particulier des presses à vis. Pour cela, la première étape est d'abord de bien comprendre le fonctionnement des presses à vis, mais aussi de comprendre le modèle de presse à vis implémenté dans le logiciel Forge. Des résultats expérimentaux d'essais de refoulement dans 2 cas distincts sont ensuite comparés aux résultats obtenus par simulation numérique des mêmes essais. Des différences significatives apparaissent, et la nécessité de la définition de raideur de presse est mise en évidence. Deux méthodes ont été mise en ?uvre pour déterminer la raideur de presse, une théorique et une expérimentale. Pour la méthode expérimentale des outils d'acquisition extérieurs comme une caméra rapide et un système de suivi de points dans l'espace ont été utilisé pour capter le comportement de la presse lors des frappes. Les valeurs des raideurs obtenues sont finalement comparées

Vers l’asservissement du pilotage en énergie d'une opération de forgeage : développement d'un métamodèle prédictif pour un jumeau numérique

In the aeronautical sector, because parts are mainly of large dimensions and in high performance materials, products are forged in small batches. Forming these complex parts requires energy-controlled production means, such as screw presses or, more generally, forging hammer. With these machines, several successive strokes are necessary to obtain the parts desired geometry and mechanical characteristics. However, for these small quantities, the automation of the manufacturing process is not necessarily possible or profitable and consequently, the control of the machine remains dependent on the know-how of the operators, in particular with regard to the quantity of energy to be delivered blow after blow, the temperature, the lubrication conditions, etc. The main challenge is to provide flexibility and robustness particularly adapted to small batches, thus limiting the impact of process parameters variability on the part final quality. To reach that goal, the implementation of a digital twin is proposed. The objective of the project is to develop a digital twin in the context of forming materials on an energy-controlled screw press. The scientific challenge is to obtain an accurate, predictive and reactive twin that will allow real-time control of the process as well as access to information that cannot be measured during the manufacturing process. A methodology for the creation of a predictive meta-model based on a calibrated numerical simulation and updated by machine learning is proposed. This meta-model will compose the digital twin. Our approach is validated on a case study: the uni-axial compression of a copper cylinder. Finally, the following development phases of the digital twin are presented

Modélisation d’une presse à vis pour la prédiction de l’efficacité lors du forgeage

L'économie d'énergie est devenue un véritable enjeu dans la gestion des procédés et a conduit à l'analyse de la consommation d’énergie des machines de forgeage, et ce à des fins d'optimisation. Dans ses travaux, on s’intéresse à la quantité et à la façon dont l'énergie est dissipée par une presse à vis lors d’opérations de forgeage de produits massifs. Un modèle masse-ressort-amortisseur, image du système composé de la machine et de ses outils, est associé au modèle rhéologique du matériau à déformer pour décrire les opérations de forgeage avec ce système de production. Le modèle du système machine-outil est ici caractérisé uniquement pour la phase de forgeage. Les paramètres du modèle sont identifiés grâce à des mesures expérimentales de plusieurs variables du processus lors d'une frappe à vide, c’est-à-dire outil contre outil, sans lopin. Ainsi, les paramètres identifiés sont spécifiquement adaptés au système machine-outil étudié. Ensuite, les prédictions du modèle sont validées par des essais de refoulement de cylindres de cuivre à froid. Le modèle prédit avec précision les variables du processus forgeage pour des frappes consécutives. La diminution de l'efficacité du processus ainsi que la transition de chocs inélastiques vers des chocs élastiques, après plusieurs frappes sur une même pièce sont également prédites par le modèle. Cette méthode offre une nouvelle solution dédiée qui permet aux forgerons de prévoir la quantité d'énergie de forgeage dissipée par leurs machines. L'approche développée dans cet article concerne une presse à vis mais peut être transférée à d'autres machines pilotées en énergie, comme les marteaux pilons

A FE Billet Model and a Spring-Mass-Damper Model for the Simulation of Dynamic Forging Process: Application to a Screw Press

In forging processes, the determination of blow efficiency is very important, as it quantifies the part of the stroke energy actually transmitted to the billet. Thus, forging processes should be deeply analyzed in order to better understand the stroke energy conversion, accurately estimate blows efficiency and thus better predict process parameters. In this paper, a spring-mass-damper vibration model is proposed to describe forming operations of a screw press. Parameters specially adapted to the machine-tools system are identified thanks to a stroke without billet. Thereafter, the experimental upsetting of a copper cylinder is realized, and two independent numerical simulations are performed. First, the billet upsetting is simulated by FE simulation with no consideration of the elastic and damping effect due to the machine-tools behavior in order to determine a relation between the load and the billet height. Then, forging load from the FE simulation is used to perform another simulation of the forging process with the spring-mass-damping model. Results show that the model is relevant to simulate load and ram displacement. Moreover, simulation can predict the distribution of the energy during the simulation and the blow efficiency can be calculated. This new way to obtain blow efficiency might improve productivity in process development and provide a better understanding of energy driven machine

A new tailored solution to predict blow efficiency and energy consumption of hammer-forging machines

Energy saving has become a real issue in process management and has led to the analysis of the energy consumption of forging machines, for the purpose of optimization. This study focuses on the amount of energy lost due to machine behaviour during the forming process. A spring-mass-damping model of the machine and tools system is associated with a billet model to describe hammer-forming operations only during the forging phase. Themodel parameters are identifiedwith experimental measurements of process variables during a stroke, providing parameters specifically adapted to the machine-tools system. Then, model predictions are validated by the experimental upsetting of steel and aluminium billets. The model accurately predicts forging process variables for consecutive blows with different materials. The decrease in process efficiency and the evolution from inelastic to elastic blows after several strokes on the same billet are also predicted by the model. This methodology provides a new, tailored solution that enables forging manufacturers to predict the forging energy consumption of their own machines. The approach developed in this work concerns gravity drop hammers but is also transferable to other energy-driven machines

Vers la modélisation d’une presse à vis : développement d’un modèle statique élastique

The increasing use of superalloys in the forging industry induces the development of new manufacturing processes. These new processes are set up thanks to Finite Element simulation. But regarding the prediction of the energy required to form a part in superalloys, significant differences are observed between numerical and experimental results. In our vision, this can be explained by the fact that forging machines models implemented in Finite Element software are not enough detailed. Thus, this study focuses on the particular case of a forging machine limited in energy: a screw press. This work is a first step toward a complete and detailed modelling of the screw press. To begin, a purely static elastic model of the press uprights has been developed, and this model was validated by comparison with a Finite Element model of the uprights. Then, this Finite Elements model has been made more complex by adding the cross-head of the press. This model has been validated thanks to experiences carried out with the help of a 3D tracking points system, allowing us to analyze the press behavior during blows.Région Grand Est Manoir Industrie Bouzonvill

Développement d’un jumeau numérique pour le pilotage en énergie d’une opération de forgeage

Depuis plusieurs années, les processus de fabrication sont progressivement automatisés pour améliorer leur répétabilité et leur reproductibilité. Parallèlement, des optimisations sont apportées afin d’améliorer la robustesse des procédés, pour limiter l’impact des variabilités des paramètres du processus sur la qualité finale de la pièce. Sur des petites séries, comme cela est le cas dans le secteur aéronautique par exemple, cette démarche d’automatisation et d’amélioration de la robustesse n’est pas nécessairement rentable. En effet, même si les gammes sont rigoureusement préparées en bureau des méthodes, la production reste majoritairement tributaire du savoir-faire des opérateurs. Pourtant, les accréditations qualité comme NADCAP (National Aerospace and Defense Contractors Accreditation Program) demandent à tracer le respect des procédures. Or cette demande de traçage qualité est peu compatible avec un processus où les prises de décision de l’opérateur jouent un rôle majeur. Ces dernières années, avec l’apparition des concepts de l’usine du futur (tels que la personnalisation de masse, la robotisation des procédés, l’acquisition et le traitement d’un grand nombre d’informations, le développement des jumeaux numériques, etc.), l’enjeu est de pouvoir apporter de la flexibilité et de la robustesse particulièrement adaptées à la petite série. Dans ce contexte, le Laboratoire de Conception – Fabrication – Commande (LCFC) à Metz, avec son partenaire le CETIM, dans le cadre du laboratoire commun, le Laboratoire de Mise en Forme des Matériaux (LaMFM) ont, entre autres, pour préoccupation d’industrialiser ces concepts dans les entreprises de forge et de mise en forme de la matière. Dans ce cadre, un projet de thèse sur la création d’un jumeau numérique pour le pilotage d’une opération de forgeage en énergie a démarré en octobre 2021