Etude expérimentale et simulation de l emboutissage à chaud des aciers trempables

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1 Etude expérimentale et simulation de l emboutissage à chaud des aciers trempables L. Garcia Aranda 1, Y. Chastel 1, J. Fernandez Pascual 2 1 Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris (CEMEF), B.P. 207, Sophia Antipolis cedex, France. Tél :33(0) / Fax : 33(0) / 2 Arcelor R&D, Centre de Recherche des Produits à Chaud (CRPC) Sollac, Fos Sur Mer13776, France. Tél :33(0) / Fax : 33(0) / RÉSUMÉ. L emboutissage à chaud de tôles d acier trempable est un procédé de mise en forme non isotherme. L effet de la température sur la formabilité est étudié pour l Usibor 1500 pré revêtu, un acier micro-allié au bore. Des essais sur des pièces d automobile ont été réalisés. Les outils ont été équipés avec des thermocouples et la tôle gravée éléctrolytiquement pour mesurer les champs de déformation. Ces essais ont été ensuite simulés avec le code éléments finis Forge 2. Le comportement du matériau a été obtenu à partir d essais de traction sur une machine Gleeble Dans le but d obtenir des données sur la formabilité du matériau, des essais d emboutissage à chaud avec un poinçon hémisphérique ont été réalisés. Le champ de déformation a été mesuré et validé avec la simulation. MOTS-CLÉS : emboutissage à chaud, acier trempable, simulation numérique.

2 1. Introduction Dans l industrie automobile, un acier doit combiner une bonne aptitude au formage avec de bonnes caractéristiques mécaniques après traitement thermique. Arcelor a développé un acier au bore revêtu pour traitement thermique (USIBOR 1500) qui peut être mis en forme par emboutissage à chaud. Le procédé d emboutissage à chaud présente plusieurs avantages par rapport à l emboutissage standard, car des géométries complexes peuvent être obtenues et le retour élastique peut être contrôlé. Une tôle est ainsi portée à haute température (dans le domaine austénitique), puis amenée dans une presse d emboutissage où elle est presque simultanément mise en forme et trempée au contact des outils qui restent à des températures bien plus basses. La vitesse de refroidissement est critique pour obtenir la microstructure désirée (martensite), et donc des propriétés mécaniques optimales pour la pièce finie. 2. Etude expérimentale Trois types d essais sont décrits dans ce travail. Le premier a pour but de caractériser le comportement rhéologique de l acier trempable Usibor Le deuxième est un essai d emboutissage en laboratoire pour obtenir des informations sur la formabilité, et le dernier est un essai de mise en forme d une pièce semiindustrielle Essais rhéologiques La mise en forme est faite en phase austénitique pour des raisons de ductilité, c est à dire entre 900 C et 400 C, donc dans un temps limité. Pour obtenir la loi de comportement du matériau dans cette phase, il faut de façon similaire que la transformation bainitique soit évitée; pour ceci deux conditions doivent être satisfaites : La vitesse de refroidissement doit être supérieure à 27 C/s. Le temps écoulé dans l ensemble des opérations de refroidissement et de l essai de traction doit être assez court pour ne pas transformer en bainite. Ces conditions sont difficiles à obtenir avec des essais conventionnels. Des essais de traction ont été réalisés avec une machine Gleeble 3800 (Gleeble 3800) à l Université de Padoue. Les conditions d essai et la géométrie de l éprouvette sont montrées sur les figures 1 et 2 respectivement. La température est mesurée avec deux thermocouples soudés au milieu et à l extrémité de l éprouvette. Le contrôle du gradient de température est obtenu en envoyant un jet d air régulé au moyen d une électrovalve. Figure 1. Conditions d essai. Figure 2. Géométrie de l éprouvette (unité :mm) 2

3 2.2. Emboutissage de godets hémisphériques Ces essais doivent reproduire le cycle thermique et mécanique du procédé en termes de vitesse de refroidissement et de temps total limité pour éviter la transformation bainitique. Un dispositif expérimental a été mis au point au CEMEF (figure 3) pour réaliser des essais d emboutissage à chaud avec un poinçon hémisphérique. Pour ces essais, des tôles en Usibor 1500 revêtu de dimension 160mm x 160mm, ont été utilisées. Pour éviter l avalement de la tôle, les éprouvettes sont pré-formées avec un jonc ; la pression du serre - flan est assurée par deux vérins pneumatiques (figure 3). L éprouvette est chauffée dans un four à 900 C jusqu à austénitisation; elle est ensuite transportée sur le dispositif expérimental où elle est emboutie avec le poinçon hémisphérique. Les conditions d essai ont été choisies pour reproduire celles du procédé industriel: la vitesse de descente du poinçon est de 6mm/s et la course totale a été estimée à 29mm pour étudier la striction. Les zones de la tôle qui sont en contact Figure 3. Dispositif d essai pour l emboutissage à chaud. avec les outils pendant l essai refroidissent plus rapidement ; ceci produit un gradient dans la tôle et une localisation des déformations dans les zones qui restent plus chaudes, i.e. le brin libre. Pour contrôler ce gradient de température, la tôle est refroidie par un jet d azote régulé par une électrovanne ; celle-ci est commandée par deux thermocouples situés sur le brin libre et sur le poinçon. L objectif de ces essais est de mesurer le champ de déformation dans la tôle et plus précisément dans la zone de rupture. Les mesures des déformations ont été réalisées en utilisant le système de corrélation d images tridimensionnel Aramis [Gom 2002] Emboutissage à chaud d un renfort de pied milieu Les essais sur des pièces et outils complexes fournissent des données de variations de température et les points de contact entre la tôle et les outils. Ces données doivent permettre de valider le code de simulation. Un dispositif de mesure de température a été mis au point par le CEMEF (figure 4). Plusieurs unités de ce dispositif ont été installées sur les outils (photo 1). Des essais de mise en forme d un renfort de pied milieu d une automobile ont été réalisés au CRPC, centre de recherche Arcelor à Fos sur Mer. Sur la photo 2, on peut observer les outils utilisés pour réaliser les essais. La tôle est réchauffée jusqu à son austénitisation, puis mise en forme sous une presse hydraulique. Plusieurs valeurs de température initiale et de vitesse de mise en forme ont été testées. La température initiale est obtenue avec un pyromètre qui pointe sur la tôle au début de l essai. Figure 4. Dispositif de mesure de température. Photo 1. Outils utilisés pour les essais. 3

4 3. Résultats 3.1. Essais de formabilité Un motif a été gravé éléctrolytiquement sur les échantillons. La figure 5 Section analysée présente une éprouvette déformée. La distance sommet du poinçon - fracture est de 25 mm. L essai a été analysé avec le logiciel Aramis qui compare les images avant et après le cycle thermomécanique. Ce système fournit une carte de déformation et réduction de l épaisseur de la section choisie [Gom 2002], [Knockaert 2001], [Garcia Aranda 2002]. Les principaux modes de déformation sont des combinaisons d expansion biaxiale et de déformation plane. Figure 5. Eprouvette déformée Des simulations de cet essai d emboutissage à chaud avec poinçon hémisphérique ont été réalisées avec le code éléments finis Forge 2. Ce code permet de coupler un calcul thermique et métallurgique pour un comportement élasto-viscoplastique du matériau [Aliaga 2000]. Une comparaison entre les résultats obtenus avec Aramis et Forge2 en termes d amincissement et de valeurs de déformation a été effectuée pour valider la simulation (Garcia Aranda 2002) Emboutissage à chaud d un pied milieu Une pièce P5 emboutie est présentée M11 sur la photo 2 les repères M9 indiquent les positions M8 des différents dispositifs P4 de mesure de température dans le cas de l essai considéré. La figure 6 montre l évolution de température en ces points. La température au Photo 2. Pièce formée. Figure 6. Evolution des températures. moment de la mise en contact outil /tôle ne peut pas être obtenue car le temps de réponse des thermocouples est trop long, mais on obtient des informations précises sur les points et le moment de contact de la tôle avec les outils. Simulation de l emboutissage à chaud d un pied milieu Avec les données obtenues lors d essais précédents, des simulations en 2D du procédé d emboutissage à chaud d un pied milieu ont été réalisées avec Forge 2. Les points de contact entre la tôle et les outils pendant l opération de mise en forme pour une section de la pièce sont présentés figure 7. La figure 8 montre l évolution de la température en ces points de contact. Les conditions de calcul sont les suivantes : Module de Young E = 146 GPa, coefficient de Poisson ν=0.3. Une loi de comportement de type Nortonhoff Figure 7. Points de contact pendant l emboutissage Figure 8. Evolution de température aux points de contact n m σ = Kε & ε e a été utilisée pour décrire le comportement viscoplastique β T 4

5 du matériau. Les coefficients K, n, m, β ont été identifiés à partir des essais de traction décrits au paragraphe 2.1. Un coefficient de Coulomb de 0.13 a été utilisé pour le frottement. Le coefficient de transfert thermique entre les outils et la tôle a été estimé à partir d essais de transfert thermique en une dimension. Un méthode inverse utilisant le logiciel Forge 2 a été utilisée pour analyser les résultats. Pour cette simulation, une valeur de 600 W/mm 2 a été utilisée. 4. Conclusions L emboutissage à chaud de l acier trempable Usibor 1500 a été étudié. Afin de simuler cette opération, plusieurs types d essais ont été réalisés : - Des essais de traction avec une machine d essai Gleeble 3800 pour obtenir le comportement rhéologique de l acier dans sa phase austénitique. - Des essais d emboutissage à chaud avec un poinçon hémisphérique afin d obtenir des informations sur la formabilité de l acier. - Des essais pré-industriels d emboutissage à chaud d un renfort de pied milieu d automobile. - Des simulations en 2D de la mise en forme du renfort de pied milieu, réalisées avec les données obtenues à partir des essais précédents. 5. Perspectives - La réalisation d essais rhéologiques avec une machine de torsion spécifique développée au CEMEF (TOTEM) utilisant le chauffage par effet Joule. - Des tests de formabilité avec des échantillons en sablier, ayant pour objectif de balayer les différents modes de déformations : de la traction uniaxiale à la déformation biaxiale [Nakazima 68]. - Des analyses supplémentaires des essais pre-industriels, en termes de mesure de déformations et de retour élastique. Ces analyses fourniront des résultats pour la comparaison des expériences avec la simulation. - Des simulations en 3D de la mise en forme du pied milieu à l aide des codes ABAQUS et Forge 3 avec un couplage thermomécanique et métallurgique. 6. Remerciements Les auteurs souhaitent remercier les personnes suivantes pour leur contribution aux travaux réalisés : Gilbert Fiorucci, Suzanne Jacomet, Alain Le Floc h, Francis Fournier, Erick Brotons et Marc Bouyssou du CEMEF, Dr. Tommaso Dal Negro de l Université de Padoue et Jean Marc Ranson, Michel Tosi et Richard Gasquez de Arcelor Innovation. 7. Bibliographie Aliaga C., «Simulation numérique par éléments finis en 3D du comportement thermomécanique au cours du traitement thermique d aciers: application à la trempe de pièces forgées ou coulées». PhD thesis, Ecole des Mines de Paris- CEMEF, Sophia Antipolis, France, (2000). Garcia Aranda L., Chastel Y., Fernandez Pascual J. «Modelling hot stamping of quenchable steels», 5th International ESAFORM Conference on Material Forming, Krakow, April 14-17, (2002). Knockaert R., «Etude expérimentale et numérique de la localisation de la déformation lors de la mise en forme de produits minces». PhD thesis, Ecole des Mines de Paris CEMEF, Sophia Antipolis, France, (2001). Nakazima K., Kikuma T. and Hasura K. «Study on the formability of steel sheets». Yamata technical Report, Vol. 264 (1968)

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