L’IDENTIFICATION ET LA QUALIFICATION DES DEFORMATIONS EN TRAITEMENT THERMIQUE

La norme NF EN 10052 [AFN94] définit la déformation au cours des traitements thermiques par « toute altération de la forme et des cotes initiales d’un produit ferreux ». Ainsi, les dimensions d’un produit diffèrent de celles de la géométrie nominale et parfaite (celle du dessin de définition). La déformation correspond à une variation relative (donc adimensionnelle) d’une ou plusieurs dimensions d’une pièce. Les termes de « mode de déformation » et de « distorsion » sont couramment utilisés pour désigner les changements de forme, caractérisables par l’empreinte géométrique qu’ils laissent sur la pièce. La modélisation mathématique de l’empreinte permet de quantifier le mode de déformation, par une valeur exprimée en unité de longueur. Un mode de déformation comme une distorsion est ainsi la conséquence géométrique des phénomènes physiques, à l’origine de la déformation. Dans l’optique d’identifier puis de qualifier de faibles modifications dimensionnelles, les caractéristiques géométriques, appelées aussi « grandeurs physiques dimensionnelles » [BOU87] sont ici étudiées. Obtenues par la mesure, leurs connaissances et à terme, leurs prédictions, constituent l’axe le plus intéressant dans l’amélioration de la qualité dimensionnelle du produit traité thermiquement. Puis, les deuxième et troisième parties portent sur les approches existantes pour identifier et modéliser les modes de déformations d’un produit mécanique traité thermiquement : l’approche inductive et l’approche déductive.

DEFORMATIONS EN TRAITEMENT THERMIQUE

Chaque étape du processus de fabrication d’un produit mécanique génère des déformations. Celles-ci sont inhérentes aux procédés de mise en forme, comme par exemple le forgeage, le pliage, et ces déformations sont visibles à l’œil. Cependant, d’autres déformations, non voulues et non visibles à l’œil, sont causées par d’autres procédés, comme les traitements thermiques. Pour en comprendre l’origine, ces déformations font l’objet de travaux de recherches afin de les modéliser et les minimiser. Néanmoins, à cause de la complexité de tout processus de fabrication, aucune fonction analytique n’a été développée jusqu’à présent pour modéliser les déformations le long de la chaîne de fabrication [KLE06]. Ainsi, pour minimiser les déformations non désirées, les recherches se limitent, la plupart du temps, à l’optimisation de certains paramètres liés à chaque procédé. Comme l’affirme Zoch [ZOC06], les changements dimensionnels après traitement thermique dépendent de l’histoire de la pièce au cours de sa production. Ce nouveau point de vue est appelé « Distortion Engineering », littéralement traduisible par « Ingénierie de la Distorsion ». C’est cette vision que soutient le ministère allemand de la Recherche à l’université de Brême dans un vaste projet en cours, entrepris depuis 2001. Mené en collaboration avec des entreprises, le but est d’identifier les raisons intrinsèques des déformations de composants en acier (bagues de roulements, arbres, etc.) subissant un traitement thermique (Figure I – 1).

Les phénomènes évoqués précédemment ont une influence sur les déformations qui est propre à un processus de fabrication d’un élément mécanique. Pour faire émerger les phénomènes d’influence du procédé de traitement thermique, Zoch [ZOC06] a eu recours à des simulations avec une méthode d’évaluation statistique, ici les plans d’expériences. Appliqué à une cage de roulement à bille, il se trouve que l’origine principale du défaut de cylindricité est la présence de contraintes résiduelles dans le matériau, avant traitement thermique (Figure I – 3). Ensuite, loin derrière, suivent les ségrégations, le traitement thermique et la géométrie considérée. Dans le cadre des traitements thermiques, l’étude des déformations fait l’objet de recherches scientifiques depuis près de cent ans, mais sa connaissance et les actions correctives pour la minimiser sont incomplètes et se limitent souvent à des facteurs d’influence isolés [ZOC06]. Seuls les mécanismes de la thermique, mécanique et matériau sont connus actuellement. Selon [LEV93], il est possible de regrouper les modes de déformations dus aux traitements thermiques en deux catégories précisant leur origine (Figure I – 4) : le changement de volume et le changement de forme. Le changement de volume provient des transformations de structure du métal (organisation des atomes en mailles cristallines caractéristiques) lors de la chauffe et du refroidissement. Cette dilatation volumique peut être connue et contrôlée (Figure I – 4).