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RÉSUMÉ
L'article se propose de montrer quels types de modèles sont requis pour comprendre, individuellement ou dans leurs interactions, les divers processus liés à la déformation du métal dans un laminoir, pour les optimiser, pour corriger les défauts afin de baisser les coûts. Pour ce faire, il examine les spécificités du procédé, ses enjeux, classe les défauts en géométriques, métallurgiques et de surface et liste les champs disciplinaires requis pour la modélisation. Sans en détailler la dérivation ni les équations, il analyse les hypothèses des modèles existants au regard des réalités physiques et tente de juger de leur apport pratique, avéré ou potentiel.
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Pierre MONTMITONNET : Directeur de Recherches au CNRS - Centre de Mise en Forme des Matériaux (CEMEF), UMR CNRS 7635, MINES ParisTech, PSL, Sophia-Antipolis, France
INTRODUCTION
Engagée dans une course sans fin à la productivité et à la qualité, l’industrie du laminage fait grande consommation de modèles de toutes sortes. Des modèles « on line » sur ordinateur servant en direct à la conduite de fours ou de laminoirs, aux logiciels « off line » les plus sophistiqués, tournant sur ordinateurs parallèles de dernière génération et destinés à l’accroissement des connaissances techniques, tous les degrés de complexité sont représentés, beaucoup de champs disciplinaires aussi : thermique, mécanique des fluides, mécanique des solides, acoustique et vibrations, mécanique des matériaux, physique du solide, génie chimique, corrosion…
L’article se propose de montrer quels types de modèles sont requis pour comprendre, individuellement ou dans leurs interactions, les divers processus liés à la déformation du métal dans un laminoir, dans le but de les optimiser afin de baisser les coûts, objectif final de toutes ces analyses. Il n’est pas question ici de détailler la dérivation ni les équations de ces modèles (que l’on trouvera dans les références citées), mais d’analyser leurs hypothèses au regard des réalités physiques, et par là de juger de leurs apports pratiques, avérés ou potentiels.
Il est rare que l'on modélise le laminage pour le pur plaisir de la connaissance. On cherche généralement à comprendre pour améliorer le procédé, assurer la qualité du produit, rendre plus rentable une installation, guider les futurs investissements. Il convient donc d'optimiser le rapport qualité / prix de la modélisation elle-même. La première étape de cet article consiste donc à catégoriser les multiples opérations de laminage (produits plats / longs, laminage à chaud / à froid, produits minces / épais) qui présentent des caractéristiques thermomécaniques bien spécifiques et relèvent de ce fait de méthodes différentes de modélisation. Les défauts (géométriques, métallurgiques, de surface) qu'il faut corriger constituent la seconde étape de l'analyse, qui débouche sur un panorama des sujets de modélisation et des domaines de la physique auxquels il sera fait appel. Il reste alors à analyser les méthodes mathématiques qui répondent à ces cahiers des charges, en fonction de la nature précise des objectifs (modèles stationnaires / modélisation des extrémités), des variables auxquelles on veut avoir accès, du temps disponible (modèles « on line » très rapides / modèles « off line » de connaissance) et de la qualité des données physiques dont on peut disposer.
Un glossaire et un tableau de symboles sont présentés en fin d'article.
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- Version archivée 1 de juin 2002 par Pierre MONTMITONNET
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Défauts de laminage : que modéliser et pourquoi ?Article inclus dans l'offre
"Mise en forme des métaux et fonderie"
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1. Choix fondamentaux
1.1 Définitions
Le laminage, opération d’une grande diversité, peut se résumer par la définition suivante :
Opération de mise en forme par déformation plastique, destinée à réduire la section d’un produit de grande longueur, par passage entre deux ou plusieurs outils axisymétriques tournant autour de leur axe ; c’est la rotation des outils qui entraîne le produit dans l’emprise par l’intermédiaire du frottement.
Le laminage est une opération fondamentale en métallurgie, qui voit passer environ 90 % de tout le métal produit, tous métaux et alliages confondus. Quelques exemples d’installations de laminage sont donnés sur la figure 1.
Le laminage vient après l’élaboration du métal puis la coulée, le plus souvent continue maintenant. Si l’on oublie quelques laminages « exotiques » (laminage d’anneaux et de roues, laminage/retour de barres à forger), il se scinde en :
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laminage de produits longs (barres, fils, tubes, poutrelles, rails…), où les deux dimensions de la section, du même ordre de grandeur en général, sont petites devant la longueur ; les outils sont le plus souvent des cylindres cannelés (figure 1 a , 1 b ) ;
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laminage de produits plats (tôles, bandes et feuillards), où l’épaisseur est petite devant la largeur, elle-même très inférieure à la longueur. Les outils sont des objets axisymétriques presque cylindriques (au bombé de rectification près) (figure 1 c , 1 d ).
Le laminage fournit surtout des demi-produits, mais avec des exceptions notables : tôles fortes, poutrelles et rails, certains tubes… Les autres produits longs sont destinés à l’usinage (barres), au tréfilage (fil machine), au forgeage ; quant aux produits plats, ils vont vers des opérations de mise en forme des métaux en feuilles (emboutissage, découpe fine, repoussage et fluotournage).
On trouvera dans la rubrique « Élaboration et recyclage des métaux » la description des usines, ateliers et laminoirs utilisés dans le cas de la sidérurgie ;...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - ROBERTS (W.L.) - Hot Rolling of steels. Manufacturing Engineering and Materials Processing Series. - Vol. 10. Marcel Dekker, New York (1983).
-
(2) - CARRUTH (M.A.), ALLWOOD (J.M.) - The development of a hot rolling process for variable cross-section I-beams. - J. Mat. Process. Tech. 212, 8 1640-1653 (2012).
-
(3) - MEYER (A.), WIETBROCK (B.), HIRT (G.) - Increasing of the drawing depth using tailor rolled blanks – Numerical and experimental analysis. - Int. J. Machine Tools & Manuf. 48 522-531 (2008).
-
(4) - YUN (I.S.), WILSON (W.R.D.), EHMANN (K.F.) - Review of chatter studies in cold rolling. - Int. J. Mach. Tools & Manuf. 38, 1499-1530 (1998).
-
(5) - NGO (Q.T.) - Thermo-elasto-plastic uncoupling model of width variation for online application in automotive cold rolling process. - Thèse de Doctorat, Université Paris-Est (2015).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Les International Rolling Conferences (IRC), qui ont lieu tous les 3 ans, sont le principal lieu de rencontre pour ceux qui s'intéressent au laminage, mais la modélisation du laminage est également traitée régulièrement dans toutes les conférences qui traitent des procédés de fabrication des métaux : NUMIFORM, ESAFORM, Metal Forming, AMPT…
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