Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Cet article présente quelques fondamentaux de la conception des laminoirs et des gammes de laminage à l'aide de résultats de la modélisation thermique et mécanique. Il se restreint au 2D et aux produits plats, renvoyant à la documentation pour les très importants aspects 3D et pour les produits longs. L'étude par la méthode des tranches de l'effet du diamètre des cylindres, de la réduction, des tensions de bande sur les contraintes, forces et couples, sur l'aplatissement des cylindres, éclaire les choix technologiques des différents laminoirs, fonctions des caractéristiques des produits. Il faut recourir aux éléments finis pour comprendre les hétérogénéités et leurs effets thermiques ou métallurgiques, les contraintes résiduelles, et les mesures prises pour maîtriser les défauts associés.
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The present article explains the basics of rolling mills and roll pass design using results from thermal and mechanical modelling. It is mostly restricted to a 2D vision and to flat products, referring the reader to the documentation for the very important 3D aspects and for long products. The Slab Method is used to describe the effects of roll diameter, thickness reduction or strip tensions on stresses, roll load and torque, and thus clarifies technological choices for different rolling mills in relation with the characteristics of their products. The Finite Element Method is needed to unveil heterogeneities and their thermal or metallurgical consequences, the generation of residual stresses and the measures taken to keep the related defects under control.
Auteur(s)
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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
Les laminoirs présentent une très grande diversité. La raison est que les produits laminés forment eux-mêmes des familles très différentes par leurs géométries (produits longs et produits plats, tubes, anneaux…), leurs dimensions (de la tôle épaisse pour construction navale à la feuille mince aluminium pour usage alimentaire), par les métaux et alliages utilisés (il en est peu qui ne soient laminés), les températures bien sûr (laminage à froid, chaud, et le chaud de l'aluminium n'est pas celui des aciers). Cela conduit à une diversité d'efforts, de domaines de température, de précisions requises qui demande évidemment des outils et des machines très différentes.
Au-delà de ces différences, le comportement de tous ces produits laminés et le comportement des laminoirs suivent des lois immuables, celles de la déformation plastique des métaux, celles de la déformation élastique des structures et celles des transferts thermiques. L'ambition de ce texte est de mettre en évidence les traits communs à toutes les opérations de laminage conférés par ces lois universelles, tout en montrant comment ces lois physiques, répondant chacune à leur façon aux échelles de taille et aux échelles de temps présentes dans les laminoirs, conduisent à des comportements très typés.
Nous détaillons donc des résultats sur la mécanique et la thermique du laminage de produits plats exclusivement, car plus simples à analyser, donc plus pédagogiques. Nous les comparons à la pratique, nous montrons comment divers types de modèles permettent de passer d’une vision générale du procédé à un regard plus intime sur le comportement de ce système complexe. L’objectif est d’expliquer pourquoi on choisit tel type de cage pour une opération de laminage donnée, comment l’imbrication de considérations économiques et d’arguments techniques conduit à la conception d’une gamme différente pour des métaux différents, et comment ces choix conditionnent ensuite la qualité des produits. Au-delà de la technique immédiate, on rend plus concret le choix d’une modélisation adaptée à un objectif donné. In fine, on souhaite faire ressortir un état des lieux de la connaissance théorique et des méthodes de modélisation utilisées pour faire progresser les procédés de laminage.
Un glossaire, un tableau de symboles et un tableau d'indices sont présentés en fin d'article.
L'expertise technique et scientifique de référence
KEYWORDS
rolling | metal forming | mechanical modelling and applications
VERSIONS
- Version archivée 1 de mars 2003 par Pierre MONTMITONNET
DOI (Digital Object Identifier)
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Glossaire5. Conclusion et perspectives
D’ores et déjà, on peut considérer que pour toutes les opérations de laminage stricto sensu, divers logiciels (éléments finis) sont capables de décrire parfaitement les champs de déformation, contraintes, contraintes résiduelles, températures, pour une passe donnée. Ces avancées ont considérablement fait progresser la compréhension de ces phénomènes thermomécaniques. Chaque fois que l’on peut négliger les effets d’extrémité, on dispose de logiciels stationnaires, peu coûteux en temps, industriellement applicables, rendant possible l’enchaînement des passes. S’il faut encore rester critique face aux résultats (et il le faut toujours !), c’est parce que les données d’entrée, et tout particulièrement le coefficient de frottement et le coefficient de transfert thermique de contact sont piètrement connus. Les propriétés mécaniques le sont mieux, mais on peut soupçonner que la détermination de l’anisotropie, ou l’influence des grandes vitesses de déformation à froid, reste insuffisante.
Ce texte consacré à la vision 2D du laminage des tôles, et d'ailleurs largement illustré par la méthode des tranches, a présenté les bases de la mécanique du couple tôle – cylindre et leur application à la compréhension de la logique de conception des laminoirs. Si ces bases sont bien établies, il reste quelques chantiers de taille même en 2D. C’est, comme toujours en modélisation, du côté des couplages qu’il faut les chercher.
Un des axes majeurs en développement concerne la tribologie. D'une part, dans les cas très sensibles au frottement, il peut être important de bien calculer la contrainte locale de frottement, cela demande de fonder sa détermination sur les mécanismes physiques, interactions microplastiques et formation du film lubrifiant . D'autre part, outre le frottement local, ces modèles renseignent sur l'état...
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Conclusion et perspectives
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - Al SALEHI (F.A.R.), FIRBANK (T.C.), LANCASTER (P.R.) - An experimental determination of the roll pressure distributions in cold rolling. - Int. J. Mech. Sci. 15 693-710 (1973).
-
(2) - JESWIET (J.), CAO (X.K.) - The effect of aspect ratio upon friction and normal forces in strip rolling. - J. Mater. Process. Technol. 45 99-104 (1994).
-
(3) - NILSSON (A.), JONSSON (N.-G.) - Contact Pressures and Frictional Forces in The Roll Gap During Symmetric and Asymmetric Hot Rolling. - Proc. 4th Int. Conf. on Tribology in Manufacturing Processes (ICTMP 2010, Nice, France. MONTMITONNET (P.) and FELDER (E.), éditeurs. Transvalor-Presses des Mines, pp. 859-868 (June 13th-15th).
-
(4) - GUILLERAULT (J.-Ph.) - Les cages multicylindres. - CIT Rev. Mét. 141-152 (février 1988).
-
(5) - SOLA (G.) - Contribution à la modélisation thermomécanique tridimensionnelle par éléments finis du laminage à chaud des tubes : calcul multicage. - Thèse de Doctorat en...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
La modélisation du laminage peut être abordée par la plupart des grands codes de calcul de structure du marché. Par ailleurs, les principales entreprises métallurgiques intéressées ont développé des logiciels dédiés, de type MT, UBM ou FEM, stationnaires ou non, qui bien sûr ne sont pas disponibles en libre service.
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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 traitée régulièrement dans toutes les conférences qui traitent des procédés de fabrication des métaux : NUMIFORM, ESAFORM Metal Forming, AMPT…
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Le principal de la recherche sur le laminage et sa modélisation s'effectue bien sûr dans les laboratoires des entreprises métallurgiques. En France, les principaux laboratoires publics actifs sur les modèles de laminage et sur les problèmes qu'ils servent à étudier sont peu nombreux. Sans être exhaustif, nous citerons (par ordre alphabétique) :
CEMEF – Centre de Mise en Forme des Matériaux, MINES ParisTech.
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