Offre de Thèse : Modélisation tribologique du laminage à froid d’alliages légers.

Le laminage à froid a pour but de réduire l’épaisseur, d’augmenter les propriétés mécaniques et de contrôler l’état de surface. Le laminage est par ailleurs un procédé à outils moteurs (les cylindres), le coefficient de frottement ne doit donc pas descendre trop bas. Pour gérer ces contraintes, on utilise des huiles dont la viscosité est choisie pour faire travailler l’interface dans le régime mixte de lubrification. Il y a donc une composante hydrodynamique du frottement, mais aussi une composante chimique, de régime limite, au pro rata de l’aire réelle de contact.
Cette dernière est un résultat du modèle de lubrification mixte qui a été développé dans les années 1990 et couplé à un modèle de laminage [1]. Elle détermine le niveau de frottement (Fig. 1) mais à travers la donnée « arbitraire » d’un coefficient de frottement représentatif des zones en contact limite. C’est une limitation majeure de la prédictivité de ce modèle et c’est l’objectif de cette thèse que de la repousser.
Or le frottement limite dépend de manière aiguë de la température puisque les additifs du lubrifiant sont des molécules polaires (alcools et acides gras) qui se désorbent passé une température critique. C’est une des principales limitations du duo (réduction, vitesse de laminage), c’est-à-dire de la productivité. Un modèle de régime limite doit comporter un calcul efficace et précis des cartes de température au voisinage de l’interface, tant du côté tôle que du côté cylindres.
La montée de la température et la désorption des additifs sont d’autre part les facteurs déclenchants, pour une partie des alliages légers, du phénomène de transfert adhésif [2] formant une couche épaisse et rugueuse sur les cylindres (Fig. 2), qui entraîne à son tour une dérive majeure du frottement qui interdit des conditions stables de laminage.
Il faut donc contrôler la température de cette interface tribologique et pour cela, une solution connue, utilisée sur une partie des laminoirs, est d’utiliser une émulsion à base aqueuse - comme en usinage par exemple. Outre qu’elle abaisse la température, elle provoque un effet de « sous-alimentation » (starvation en anglais) qui peut servir à contrôler le niveau d’hydrodynamisme et par là, l’aspect de surface mais qui fait aussi peser un risque de sous-lubrification. Il est donc important de bien en comprendre les ressorts pour contrôler ses effets [3,4].

Les travaux proposés se placent donc au carrefour de la thermique du système bande-cylindre, de l’adhésion métal-métal en contact lubrifié, de la théorie de la lubrification et de la modélisation en tribologie. Le but pratique pour l’entreprise est de doter un logiciel existant de laminage couplé lubrification des capacités de prédire et d’intégrer ces mécanismes qui conditionnent la valeur du frottement sur les zones en contact « limite ». Le programme de travail comporte :

1) la modélisation thermique couplée bande – cylindre : méthode des différences finies, sachant que la déformation plastique de la bande est la source de chaleur principale, le frottement à l’interface la source secondaire et que le transfert thermique se fait à grand nombre de Péclet (advection dominante). Une attention particulière sera portée à la validation, par des mesures sur laminoir pilote.

2) la refonte du modèle de lubrification, de son organisation informatique, en vue d’une plus grande robustesse et efficacité.

3) Sur la base de l’épaisseur de film lubrifiant, de la température de surface et d’un modèle simple d’endommagement de surface, une analyse du transfert adhésif à l’instar de [5], en termes d’existence ainsi que de rugosité. Cette dernière servira, à l’aide de modèles tribologiques adéquats entre surfaces rugueuses [6], à déterminer la composante « limite » du frottement dans le cas où les conditions critiques de formation de la couche de transfert sont atteintes.

4) L’ensemble de ces modèles et conclusions fera l’objet d’expériences de validation comportant des essais tribologiques en laboratoire, des essais sur laminoir pilote doté des mesures nécessaires, en particulier thermiques, et de l’analyse de mesures en production.

Figure 1 : exemple de résultats obtenus grâce à un modèle couplé laminage-lubrification : paramètres microscopiques à gauche, macroscopiques à droite (courbe de Stribeck et glissement en avant).

Figure 2 - (a) couche de transfert mesurée par rugosimétrie sur un cylindre ayant laminé une tôle d’Al 5052 ; la zone rugueuse en surépaisseur correspond à la trace de laminage de la bande, de 30 mm de largeur.

Figure 2 - (b) conséquence sur la tôle : « écailles de collage », résultat du labourage de la surface par la couche de transfert.

Références bibliographiques :
[1] N. Marsault, P.Montmitonnet, P. Deneuville, P. Gratacos: Un modèle de laminage lubrifié en régime mixte. Revue de Métallurgie - Science et Génie des Matériaux 98, 5 (Mai 2001) 423-433
[2] P. Montmitonnet, E. Felder: Usure, transfert et conséquences. De l'observation à la modélisation. Les Techniques de l'Ingénieur, TRI 504 (2017)
[3] W.R.D. Wilson, Y. Sakaguchi, S.R. Schmid: A mixed flow model for lubrication with emulsions. Tribology Trans. 37, 3 (1994) 543-551
[4] S. Cassarini: Modélisation du film lubrifiant dans la zone d’entrée pour la lubrification par émulsion en laminage à froid. Thèse de Doctorat en Sciences et Génie de Matériaux, Ecole des Mines de Paris (2007)
[5] O. Filali : Approche multiphysique du contact frottant en grande déformation plastique : prédiction numérique du grippage d’alliages d’aluminium en mise en forme à froid. Thèse, UPHF (2020)
[6] W.R.D. Wilson: Friction models for metal forming in the boundary lubrication regime. J. Engg. Mat. Technol. (Trans. ASME) 113, 1 (1991) 60-68