Formage assisté par vibrations

L’utilisation de vibrations dans les procédés de formage a suscité de nombreuses recherches depuis près de soixante ans. Dans leur article fondateur de 1955, Blaha et Langenecker [12, 13] appliquent, grâce à un résonateur, des vibrations sinusoïdales ultraso- niques (jusqu’à 800 kHz) superposées lors d’un essai de traction de différents matériaux. Une réduction significative de la résistance de traction est présentée sur la figure 1.3 pour les cristaux de zinc et d’aluminium.Sur la figure 1.3a, la courbe montre une réduction nette de contrainte entre le point A et B quand des vibrations ultrasoniques sont appliquées à des cristaux de zinc, en plus d’une force de traction. En B, les vibrations sont supprimées et une augmentation nette de contrainte est observée jusqu’au point A’. Le protocole est répété jusqu’à ce que l’essai de traction s’achève. La tendance à la diminution de contrainte des points A, A’, A” est causée par l’augmentation de température de procédé en raison de l’échauffement du dispositif ultrasonique au cours du temps. La figure 1.3b présente le résultat sur des cristaux d’aluminium quand des vibrations ultrasoniques sont appliquées de A à B et un choc en C. Dans ce cas, une réduction considérable est aussi enregistrée. Des résultats similaires ont été obtenus pour des expériences avec des fréquences plus basses (de 10 à 15 kHz). Depuis lors, d’autres chercheurs ont reproduit ce phénomène sur différents procédés de formage. En plus de la réduction de l’effort moyen durant le procédé, l’utilisation des vibrations donne d’autres avantages selon certains auteurs, tels que l’amélioration des qualités des surfaces. Pour comprendre mieux l’influence des vibrations sur le formage, nous allons décrire brièvement ces applications de vibrations dans quelques procédés de formage, telles le tréfilage, l’emboutissage, l’extrusion.

Tréfilage assisté par vibrations

L’avantage potentiel des vibrations pour le formage a été étudié sur les processus de tréfilage et étirage des tubes par R. Pohlman et E. Lehfeldt [4]. Le schéma d’essai est présenté sur la figure 1.4a. L’échantillon est soumis à une vibration à 21 kHz appliquée par un transducteur magnéto-strictif selon la direction de tréfilage. Une réduction de la force appliquée est montrée sur la figure 1.4b pour le tréfilage d’un fil en cuivre de 2,27 mm à 2,07 mm. La réduction de force est attribuée à la réduction de frottement externe entre le fil et l’outillage et celle du frottement interne du matériau, qui peut s’expliquer par la superposition de contraintes acoustiques sur la contrainte statique. En plus, une étude métallographique montre qu’il n’y a pas de changement de l’état de surface et des tests de micro dureté ne permettent pas de mettre en évidence de modification des propriétés physiques du fil.

Le procédé de tréfilage a été étudié ultérieurement par différents auteurs [14–19]. Winsper et Sansome [14] ont utilisé un système expérimental présenté sur la figure 1.5a, qui est simplifié sur la figure 1.5b, pour étudier l’influence des paramètres des vibrations longitudinales sur la force du procédé de tréfilage. Le tréfilage est réalisé par un tambour en superposant des vibrations par un oscillateur électro-hydraulique. Selon cette étude, la réduction de la force moyenne est dépendante de l’amplitude mais indépendante de la fréquence des vibrations (de 50 Hz à 500 Hz). D’après les résultats montrés sur la figure 1.6a, la force moyenne de tréfilage de l’acier doux est réduite à une même valeur avec différentes fréquences sous une même amplitude de vibration. Si l’amplitude des vibrations est constante et la vitesse de tréfilage augmente, la variation de force est réduite et la valeur maximale de force approche la force mesurée dans le cas sans vibrations (voir la figure 1.6b). Une réduction négligeable de la limite d’élasticité et du coefficient de frottement est constatée dans la plage étudiée de fréquence.Une étude sur l’influence de la direction des vibrations appliquées sur la matrice de tréfilage a été réalisée par Marakawa et al. [19]. Ces auteurs ont étudié les effets du tréfilage assisté par vibrations ultrasoniques radiales (RVD) et axiales (AVD), et les ont comparés au tréfilage conventionnel (CD). Le résultat présenté sur la figure 1.10 a prouvé que la vitesse critique de tréfilage avec RVD est presque 10 fois plus grande que celle avec AVD. En plus, quand les vibrations sont appliquées radialement à la matrice, une meilleure qualité de surface est trouvée, similaire au cas de tréfilage avec une bonne lubrification. Ces résultats sont confirmés dans une autre étude de Hayashi et al.