rapport bouchra (1)
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PROJET INDUSTRIEL DE FIN DETUDES
Prsent
Pour lobtention du titre :
Ingnieur dEtat Arts et Mtiers Par :
Bouchra ABOU EL ANOUAR
Titre:
Caractrisation & Etude des dfauts des ressorts lames
Jury :
M.R.KABIRI Directeur du projet (ENSAM)
M.M.NADIR Parrain du projet (FLEXI RESSORTS)
M. Rapporteur (ENSAM)
M. .Examinateur (ENSAM)
Anne universitaire 2011/2012
PIFE N :
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Rsum
Ce travail sinscrit dans la dmarche PDCA qui consiste l'amlioration continue
de la qualit dans lentreprise. Dans ce cadre, la socit FLEXI RESSORTS a
voulu optimiser ses non conformits au niveau du processus de fabrication des
ressorts lames.
Ainsi, pour la socit FLEXI RESSORTS, llimination des non conformits devient
capitale afin daugmenter la qualit des produits et fidliser le client. De plus, ltude et
loptimisation des paramtres de processus de fabrication est vitale pour maitriser et
normaliser le mode opratoire des ressorts lames. La rsolution de ces problmes a
t propose dans le cadre de mon projet de fin dtudes.
Le projet a t trait en adoptant diffrentes mthodes (PARETO, ISHIKAWA, PLAN
DEXPERIENCES) qui mnent la bonne expertise sur les dfauts et la proposition
adquate des solutions remdiant aux causes potentielles des ces dfauts, dont
lentreprise a valid pour une application sur terrain.
Mots cls
La dmarche PDCA ; La qualit ; Amlioration ; Non conformits ; Expertise ; PARETO ;
ISHIKAWA.
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Abstract
This work is part of the PDCA approach which consists in the continuous improvement of quality in
the company. In this context, the company wanted to optimize FLEXI RESSORTS its
nonconformities in the manufacturing process of leaf springs
Thus, for society FLEXI RESSORTS, the elimination of non-compliance becomes paramount in
order to increase product quality and customer loyalty. In addition, the study and optimization of
parameters of the manufacturing process is vital to master and standardize the procedure of leaf
springs. Solving these problems has been proposed as part of my graduation project.
The project was treated by adopting different methods (Pareto, Ishikawa, PLAN OF
EXPERIMENTS) that lead to the right expertise on defects and proposing adequate solutions
addressing the potential causes of these defects, which the company has validated application on land.
Keywords:
The PDCA approach; The quality improvement; No approvals; Expertise; PARETO; ISHIKAWA.
PDCA .
FLEXI RESSORTS .
FLEXI RESSORTS
.
. .
( )
.
PDCA .
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Remerciements
Cest avec un grand plaisir que je rserve ces lignes en gage dobligeance et de gratitude tous ceux
qui ont contribu de prs ou de loin llaboration et la russite de ce travail.
Je tiens exprimer ma profonde gratitude au Directeur Gnral de lEcole Nationale
Suprieure dArts et Mtiers, M. BOUIDIDA et au Directeur Adjoint M.
BENGHABRIT, ainsi qu tout le cadre administratif et professoral pour leur aide
et leur soutien.
Je tiens aussi tmoigner toute ma reconnaissance M. M.NADIR, encadrant industriel de
ce projet, qui m a prodigu ses directives prcieuses et ses conseils pertinents.
Mes vifs remerciements vont galement M.My.R.KABIRI, Professeur encadrant lEcole
Nationale Suprieure dArts et Mtiers, pour sa disponibilit et sa coordination, pour tout
lapport quil a donn ce projet par ses importantes contributions.
Une gratitude particulire aux membres du jury davoir accept dvaluer ce travail.
Un grand MERCI tous les agents de FLEXI RESSORTS qui mont soutenu durant la
priode de ce projet, spcialement Mlle.F.ATFI, qui ma aide avoir toutes les informations
techniques et professionnelles ainsi que laccs aux machines sur le chantier dont javais besoin.
Merci, enfin, toute personne qui m a offert loccasion de dcouvrir le monde du trava il,
dapprendre lesprit de ponctualit, de confirmer les techniques acquises et de nous prparer
affronter la vie active.
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Ddicace
Je ddie le fruit de ce travail
A mes Parents
A qui je doit ce que je suis et envers qui je demeurerai reconnaissant toute ma vie. Rien au monde ne pourrait compenser mme une partie des sacrifices que vous avez consentis. Vous vous tes investi moi transmettre les principes et les rgles les plus corrects et les plus sacrs. Vous avez toujours donn limage du bon exemple, et vous
avez toujours t une grande fiert pour moi. Puissiez-vous trouver dans cet humble travail le tmoignage de mes gratitudes et de mes reconnaissances et lexpression de mon estime et de mes remerciements les plus
sincres. Que Dieu vous protge et vous offre sant et longue vie.
A mes deux surs
Que vous trouverez dans ce mmoire lexpression de mes remerciements les plus chaleureux pour votre soutien et votre croyance en moi.
Je vous aime
A mon grand pre
Si tu mentends aujourdhui, sache que tu nous manques et que le vide nest pas combl
A Dieu le tout puissant, le Clment, le Glorieux, le Juste et le Gracieux
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Table des matires Introduction gnrale ........................................................................................................... 1
Partie 1 : Contexte gnrale de ltude
I. Prsentation de lOrganisme daccueil .......................................................................... 6
I.1. FLEXI RESSORTS .................................................................................................................... 6
I.2. Dmarche qualit FLEXI RESSORTS .......................................................................................... 6
II. Ressort lames .............................................................................................................. 7
II.1. Dfinition .......................................................................................................................................... 7
II.2. Proprits spcifiques...................................................................................................................... 7
II.3. Conception du ressort ..................................................................................................................... 8
III. Les aciers 55Cr3 et 50CrV4 ............................................................................................ 9
III.1. Composition chimique .................................................................................................................. 9
III.2. Domaine dexploitation des aciers 55Cr3 et 50CrV4................................................................ 9
III.3. Effets des lments dalliage ....................................................................................................... 10
IV. Description du processus de fabrication des ressorts lames .................................... 11
V. Problmatique industrielle et dmarche adopte ........................................................ 14
V.1. Contexte du projet ......................................................................................................................... 14
V.2. Mthodes lies au projet ............................................................................................................... 14
V.3. Objectifs du projet ......................................................................................................................... 14
V.3. Positionnement du projet ............................................................................................................. 15
Partie 2 : Dfauts de la forge
I. Synthse bibliographique ............................................................................................ 20
I.1. Forgeage chaud ............................................................................................................................. 20
I.2. Dfauts possibles lors des oprations de la forge ....................................................................... 21
II. Analyse PARETO ........................................................................................................ 22
II.1. Description de la procdure denregistrement des non-conformits ..................................... 22
II.2. Classification PARETO ................................................................................................................ 22
III. Identification des causes : Diagramme Ishikawa ....................................................... 24
III.1. Diamtre il non conforme ....................................................................................................... 24
III.2. Demi -longueur dveloppe non conforme ............................................................................. 25
III.4. Explication des causes ................................................................................................................ 26
IV. Temps de chauffe ........................................................................................................ 28
IV.1. Description du four ..................................................................................................................... 28
-
IV.2. Estimation du temps de chauffe ................................................................................................ 28
IV.3. Validation de la formule .............................................................................................................. 30
IV.4. Solution propose ........................................................................................................................ 30
V. Dgradation des outils ................................................................................................. 31
V.1. Synthse bibliographique ............................................................................................ 31
V.2. Effet de la dgradation de la broche ........................................................................................... 32
V.3. Solution propose .......................................................................................................................... 34
VI. Mthodes de contrles ................................................................................................. 36
Partie 3 : Dfauts du traitement thermique
I. Synthse bibliographique ............................................................................................ 40
I.1. Traitement thermique des nuances 55Cr3 et 50CrV4 ................................................................ 40
I.2. Dfauts possibles lors du traitement thermique ......................................................................... 43
II. Analyse PARETO ........................................................................................................ 44
II.1. Classification PARETO ................................................................................................................ 44
II.2. Flche non conforme .................................................................................................................... 45
II.3. Dformation des lames ................................................................................................................. 47
II .4. Rupture des lames ....................................................................................................................... 48
III. Etude exprimentale .................................................................................................... 51
III.1. Procdure dessai .......................................................................................................................... 51
III.2. Modlisation ................................................................................................................................ 51
III.3. Rsultats ........................................................................................................................................ 52
III.4. Discussion ..................................................................................................................................... 54
IV. Exploitation des rsultats ............................................................................................ 60
IV.1. Optimisation des paramtres du traitement thermique .......................................................... 60
Partie 1 : Bilan & Recommandations
I. Synthse des problmes dtects................................................................................. 64
II. Rcapitulatif ................................................................................................................. 64
II. Etude des gains ............................................................................................................ 66
II.1. Les gains quantitatifs ..................................................................................................................... 66
II.2. Les gains qualitatifs ........................................................................................................................ 68
Conclusion & Perspectives ................................................................................................ 69
Rfrences bibliographiques .............................................................................................. 73
Annexes ............................................................................................................................... 75
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Table des figures Figure 1: Four de forge....................................................................................................................... 11
Figure 2: Lames enroules .................................................................................................................. 12
Figure 3:Opration de cintrage lors du traitement thermique ................................................................ 12
Figure 4: Ressorts lames finis ........................................................................................................... 13
Figure 5: Diagramme Bte corne du projet ........................................................................................ 15
Figure 6: PARETO des non conformits enregistres entre Sep 11 et Fv 12 ........................................ 16
Figure 7:PARETO des non conformits gnres par la forge .............................................................. 22
Figure 8: Ishikawa du dfaut du diamtre de l'il ................................................................................. 24
Figure 9: Ishikawa du dfaut de la 1/2 longueur dveloppe ................................................................. 25
Figure 10: Four de la forge ................................................................................................................. 28
Figure 11: Diagramme fer-Carbone ..................................................................................................... 41
Figure 12:Diagramme TTT de l'acier 50CrV4 ...................................................................................... 42
Figure 13:PARETO des non conformits du traitement thermique ....................................................... 44
Figure 14: Lames flche non conforme ............................................................................................. 45
Figure 15: Ishikawa du dfaut de la flche ............................................................................................ 46
Figure 16: Lame dforme .................................................................................................................. 47
Figure 17: Lame casse ....................................................................................................................... 48
Figure 18: Ishikawa du dfaut de fissuration/rupture des lames ............................................................ 48
Figure 19: Squences de traitement thermique FLEXI RESSORTS .................................................... 53
Figure 20:Effet de chaque facteur sur la rponse .................................................................................. 55
Figure 21:Effet des interactions sur la rponse ..................................................................................... 56
Figure 22:Squences du traitement thermique optimis ........................................................................ 61
Table des tableaux
Tableau 1:Composition chimique des aciers 55Cr3 & 50CrV4 ................................................................9
Tableau 2: Nombre de non conformits par poste ............................................................................... 16
Tableau 3: Temprature de chauffe en forge FLEXI RESSORTS ....................................................... 26
Tableau 4: Rsultats des essais de validation......................................................................................... 30
Tableau 5: Avantages et inconvnients de la nitruration ........................................................................ 35
Tableau 6: Rsultats de l'analyse d'huile de trempe ............................................................................... 50
Tableau 7: Facteurs et Niveaux du plan d'expriences .......................................................................... 51
Tableau 8: Rsultats du plan d'expriences ........................................................................................... 52
Tableau 9: Rsultats des essais dans les conditions habituelles FLEXI RESSORTS ............................. 53
Tableau 10: Rsultats de calculs des effets et des interactions ................................................................ 54
Tableau 11: Nouveau rglage des paramtres du traitement thermique .................................................. 60
Tableau 12: Durets mesures aprs trempe et aprs revenu ................................................................. 60
Tableau 13: Rcapitulatif des solutions avec les services responsables de leur mise en plac ..................... 65
Tableau 14: Gains ralises en temps et en nergie ............................................................................... 67
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Projet fin dtudes ENSAM-FLEXI RESSORTS 2011/2012
Bouchra ABOU EL ANOUAR 1
Introduction gnrale
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Projet fin dtudes ENSAM-FLEXI RESSORTS 2011/2012
Bouchra ABOU EL ANOUAR 2
La dmarche d'Assurance Qualit fait appel la prvention et au progrs permanent dans les
domaines de l'organisation de la qualit, de l'obtention des performances du produit et de la
matrise des processus associs aux procds industriels.
De ce fait, les organismes sont devenus conscients de limportance dutiliser des systmes
efficaces et fiables, qui permettent la matrise des processus et par la suite lassurance qualit.
Cependant, le niveau de qualit optimal ne doit pas produire des cots inadquats (sur-qualit). La
qualit, au mme titre que n'importe quelle activit dans une entreprise a un cot, mais qui est
cens rduire le cot de non-qualit.
La socit FLEXI RESSORTS adopte une politique qualit qui se base sur lapproche PDCA et
loutil QRQC dans le but est de rduire toutes sources de non-qualit. Malgr les actions
damlioration continue du service qualit le taux de non conformits demeure encore ; 50 non
conformits en moyenne par mois ont t enregistrs dans les rapports mensuels du service. Ce
qui prsente une dpense norme qui retient lattention de la socit de telle manire que ce
problme a t pos, afin de cerner les causes probables et y apporter des solutions pour rduire
cette dpense.
Cest dans cette optique o sinscrit ce projet qui sintitule : Caractrisation des dfauts des
ressorts lames.
En pratique, les modes de dfaillance des ressorts lames sont divers et complexes tant donn
que les paramtres des modes opratoires sont difficiles maitriser. Aussi, le suivi et le contrle
adopt pour les lames aprs chaque tape de fabrication sont difficiles respecter minutieusement
avec les ressources matrielles et humaines dont dispose la socit.
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Projet fin dtudes ENSAM-FLEXI RESSORTS 2011/2012
Bouchra ABOU EL ANOUAR 3
Ainsi pour traiter ce sujet, nous avons dvelopp notre travail en 4 parties :
La premire partie prsente le contexte gnral du projet, la description de la socit au sein de
laquelle le stage sest droul ainsi que les outils et les mthodes appliques. Ensuite, lexploitation
des rsultats obtenus aprs le diagnostic de ltat actuel, va permettre de dterminer les postes
nvralgiques.
La deuxime partie traite le premier poste critique gnrant les non conformits qui la forge. Elle
sinscrit dans la dmarche dexpertise sur les dfauts majeurs, lidentification des causes
responsables et la proposition des remdes minimisant lapparition de ces dfauts.
La troisime partie, quant elle, dcrit les phases de la caractrisation et ltude des dfauts du
procd du traitement thermique. Ces phases se droulent dans une dmarche menant un
double objectif de trouver les causes et proposer les solutions tout en assurant la conformit du
processus du traitement thermique.
Enfin, dans la quatrime partie nous essayons de prsenter un bilan de notre tude ainsi que les
actions qui remdiant aux causes racines engendrant les non conformits au niveau du processus
de fabrication. En deuxime lieu, nous prsenterons les gains qualitatifs et quantitatifs dont
lentreprise va bnficier aprs la mise en place de ces actions.
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Partie 1
Contexte gnral de ltude
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Introduction
I. Prsentation de lOrganisme daccueil .......................................................................... 6
I.1. FLEXI RESSORTS .................................................................................................................... 6
I.2. Dmarche qualit FLEXI RESSORTS .......................................................................................... 6
II. Ressort lames .............................................................................................................. 7
II.1. Dfinition .......................................................................................................................................... 7
II.2. Proprits spcifiques...................................................................................................................... 7
II.3. Conception du ressort ..................................................................................................................... 8
III. Les aciers 55Cr3 et 50CrV4 ............................................................................................ 9
III.1. Composition chimique .................................................................................................................. 9
III.2. Domaine dexploitation des aciers 55Cr3 et 50CrV4................................................................ 9
III.3. Effets des lments dalliage ....................................................................................................... 10
IV. Description du processus de fabrication des ressorts lames .................................... 11
V. Problmatique industrielle et dmarche adopte ........................................................ 14
V.1. Contexte du projet ......................................................................................................................... 14
V.2. Mthodes lies au projet ............................................................................................................... 14
V.3. Objectifs du projet ......................................................................................................................... 14
V.3. Positionnement du projet ............................................................................................................. 15
Conclusion
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Introduction
Aprs une prsentation de lorganisme daccueil, nous prsenterons les ressorts lames ainsi que
les nuances dacier utilises. Nous dcrirons ensuite les diffrents procds du processus de
fabrication des ressorts lames.
La dernire partie sera consacre au cadre gnral du projet, ses objectifs ainsi que la dmarche
suivie pour sa ralisation.
I. Prsentation de lOrganisme daccueil
I.1. FLEXI RESSORTS
FLEXI RESSORTS est un fabricant qui sest forg rapidement une rputation en acier dans le
secteur, il est spcialis dans la fabrication des ressorts lames pour vhicules remorques, semi
remorques, remorques agraires et ferroviaires.
FLEXI RESSORTS a opt pour une stratgie d'investissement oriente vers la qualit. A cet
effet, elle dispose de machines rpondant aux normes de scurit et de qualit reconnues par les
plus grandes chanes de production. [1]
I.2. Dmarche qualit FLEXI RESSORTS
Afin damliorer le niveau de la qualit, et pour une attitude nouvelle face aux diffrents
problmes (industriels, fournisseurs...) FLEXI RESSORTS adopte la culture de QRQC, et de
PDCA.
QRQC (Quick Response Quality Control) Lapproche QRQC permet de dynamiser lorganisation de lusine ou du service, afin de produire
des rsultats rapides sur la qualit des produits et la qualit de fonctionnement des services. Elle
est base sur : la dtection, la communication, lanalyse et la vrification.
PDCA
Le PDCA est une mthode qui permet de conduire lamlioration dun produit ou dun processus.
Le cycle comporte quatre tapes : Plan, Do, Check, Act, et qui sont traduites par : Prparer,
Dvelopper, Comprendre, Agir.
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II. Ressort lames
II.1. Dfinition
Un ressort lames est un type de ressort o l'on utilise la flexibilit d'une ou plusieurs lames
mtalliques superposes et leur proprits lastiques pour absorber l'nergie mcanique, produire
un mouvement, exercer un effort ou un couple sur systme. Ce type de ressort est surtout utilis
pour la suspension de vhicules afin de ramener les roues dans leur position initiale aprs une
bosse ou un cahot (deux extrmits fixes). C'est aussi le dispositif retenu en organologie pour la
ralisation des ressorts de rappel de certaines clefs d'instruments vent comme la clarinette (une
extrmit fixe).
Ces ressorts sont bass sur le principe de la flexion de longues poutres minces de section
rectangulaire. Ils sont utiliss comme ressorts monobras (fixs une extrmit), ou comme
poutres simples (fixs aux deux extrmits). Les ressorts lames peuvent tre utiliss
indpendamment ou dans les ensembles (ressorts lamelles en bottes.
II.2. Proprits spcifiques
Ressorts seuls
appropri pour les charges petites et moyennes
caractristique de fonctionnement linaire
constante du ressort relativement petite
exigences des longueurs considrables, sinon ncessite un espace minimum
cots de production bas
Ressorts lames en bottes
appropri pour les charges plus leves
caractristique de fonctionnement thoriquement linaire (le frottement entre les
feuilles cause le cours hystrtique de la courbe de fonctionnement)
constante du ressort (rigidit) relativement plus leve
grand espace requis
exigence d'un entretien appropri (lubrification et propret)
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II.3. Conception du ressort
Les ressorts lames sont utiliss dans diffrentes conceptions et formes. Ils peuvent tre diviss
en trois groupes pour le calcul:
A. Ressorts simples avec un profil constant: les ressorts de formes rectangulaires, triangulaires ou
trapzodales
B. Ressorts simples avec un profil parabolique: d'habitude de forme rectangulaire, parfois les
ressorts sont plus pais au milieu et l'extrmit de la feuille
C. Ressorts lamelles en botte: construit en plusieurs conceptions. Ils utilisent des feuilles avec
un profil constant et parabolique, de forme rectangulaire, triangulaire ou trapzodale. Le
calcul prcis des ressorts en botte est trs complexe. Sur base des conditions assez simplifies,
ce calcul traite deux types de base des ressorts en bottes:
- Ressorts avec des lames de coupe constante, de forme triangulaire.
- Ressorts avec des lames de coupe constante, de forme rectangulaire. [2]
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III. Les aciers 55Cr3 et 50CrV4
III.1. Composition chimique
Les nuances dacier utilises pour la fabrication des ressorts sont 55Cr3 et 50CrV4. Le 55Cr3 est
utilis pour les ressorts conventionnels et 50CrV4 pour les ressorts paraboliques (Annexe 1). La
composition chimique de ces deux nuances est prsente dans la table ci-dessus :
Tableau 1:Composition chimique des aciers 55Cr3 & 50CrV4
III.2. Domaine dexploitation des aciers 55Cr3 et 50CrV4
Les aciers 55Cr3 et 50CrV4 sont trs indiqus pour tous les emplois dans lesquels llasticit, la
rsistance aux chocs, labrasion et lusure sont des facteurs importants. Le domaine dapplication
de ces aciers est celui de la fabrication des outils car ils prsentent les proprits suivantes :
Une grande duret,
Une bonne rsistance lusure,
Une absence de fragilit,
Une bonne rsistance aux chocs thermiques,
Une bonne trempabilit pour que la structure soit homogne sur de trs grandes paisseurs
aprs le traitement thermique de trempe
Les aciers 55Cr3 et 50CrV4 font aussi partie des aciers destins la fabrication des ressorts de
type divers (ressorts lames, barres de torsion, etc...) qui sont destins au secteur automobile et
aux transports lourds. Ces nuances sont utilises aussi pour des taux de travail levs. De plus, les
aciers 55Cr3 et 50CrV4 conviennent bien pour les sollicitations par chocs et peuvent tre ports
C%
Mn%
Si%
P% max
S% max
Cr%
V%
Ni%
55Cr3
0.52-0.59
0.7-1
0.15-0.4
0.035
0.035
0.6-0.9
-
-
50CrV4
0.74-0.55
0.7-1.1
0.15-0.4
0.035
0.035
0.9-1.2
0 .1-0.2
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Projet fin dtudes ENSAM-FLEXI RESSORTS 2011/2012
Bouchra ABOU EL ANOUAR 10
jusqu des tempratures de plus de 200C. Pour cette raison, ils prsentent le choix idal pour la
fabrication des ressorts lames.
III.3. Effets des lments dalliage
Lensemble des caractristiques exiges par le domaine dapplication des aciers 55Cr3 et 50CrV4
peut tre atteint grce aux lments dalliage numrs ci-dessous :
Influence du chrome
Cet lment joue un rle essentiel dans laugmentation de la trempabilit. Il facilite la trempe
en profondeur et augmente lpaisseur trempe. Presque tous les aciers en chrome se trempent
lhuile.
Il provoque, par ailleurs, un certain retard ladoucissement lors du revenu et soppose au
grossissement du grain lors de laustnitisation.
Les aciers au chrome ont une trs grande stabilit au revenu.
Influence de silicium
Avec une teneur voisine de 0,3% en masse, il est utilis comme dsoxydant dans lacier liquide
au stade final de llaboration. Il permet aussi de diminuer la stabilit des carbures, ce qui
diminue la fragilit du mtal.
Influence de vanadium (existant dans la nuance 50CrV4)
De petites quantits de vanadium amliorent certaines proprits de lacier tel que la duret,
rsistance lusure et rsistance la chaleur. En effet, le vanadium nest pas sans
inconvnients :
- Il retarde ladoucissement au revenu
- Aux hautes teneurs (>5%), il rend difficile la rectification de lacier. [3]
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IV. Description du processus de fabrication des ressorts lames
Les ressorts lames, grce aux frottements produits entre les lames lors de la dformation,
absorbent rapidement les sollicitations de grandes amplitudes. Ce type de ressort est gnralement
suffisant pour la suspension des vhicules marchandise.
Pour obtenir un ressort lames fini, les lames qui le composent subissent plusieurs oprations de
traitements mcaniques et thermiques visant leurs prodiguer les caractristiques mcaniques et
dimensionnelles requises.
Etape 1 : Dbitage
Cette tape consiste dcouper froid par cisaille les lames selon la longueur souhaite.
Etape 2 : Perage
Cette opration consiste raliser tous les trous pour lassemblage conus dans les lames ; elle est
ralise froid.
Etape 3 : la forge
Chauffage des lames
Figure 1: Four de forge
Oprations avant enroulement
Se ralisent toutes chaud sur des presses hydrauliques et se constituent de :
Dcoupe: cette tape consiste faire des dcoupes au niveau des extrmits de lame.
Poinonnage : cette opration consiste raliser des trous dans la section de la lame par
poinonnage.
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Bouchra ABOU EL ANOUAR 12
Laminage parabolique : cette phase est rserve aux ressorts lames paraboliques, elle sert
rduire la section de la lame au niveau de ses extrmits. Cette phase est ralise une
temprature du domaine austnitique de lacier.
Marquage : consiste graver le nom de la socit et du client ainsi que la dsignation.
Emboutissage
Opration de lenroulement
Cette tape consiste donner la forme dsire de louverture dil aux extrmits de la lame.
Figure 2: Lames enroules
Etape 5 : Traitement thermique
Le traitement thermique consiste chauffer les lames dans un four de chauffe brleurs gaz
rgul pendant une dure denviron une temprature 930C, pour atteindre la structure
austnitique de lacier.les lames circulent dans le four sur une chane une vitesse respectant la
dure fixe.
Aussitt sortie du four, la lame subie lopration de cambrage qui consiste former chaud la
lame sur une presse hydraulique selon la courbure de gabarit. La lame est ensuite prolonge dans
un bain dhuile pour subir la trempe une temprature < 60C. Cette trempe confre la lame la
structure martensitique et les proprits mcaniques de rsistance les plus leves.
Figure 3:Opration de cintrage lors du traitement thermique
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Les lames trempes subissent aprs un traitement de revenu dans le four de revenu 530C pour
remdier au problme de fragilit produite par la trempe en levant les proprits de ductilit aux
dpens de celles de rsistance.
Etape 5 : Traitement de surface par grenaillage
Le grenaillage consiste bombarder les surfaces des lames par grenailles en acier dur sous une
forte pression, afin dune part de nettoyer les surfaces oxydes par diffrents chauffages pour la
prparation la peinture, et dautre part de faire subir la surface un traitement mcanique de
dformation plastique par lintroduction des contraintes rsiduelles principalement de
compression, favorable lamlioration de la tenue en fatigue de la lame et au ralentissement de la
propagation des fissures si elles de forment.
Etape 6 : Assemblage des lames et accessoires
Etape 7 : Peinture
Cette phase consiste appliquer des couches de peinture selon les exigences de cahier des charges
sur laspect final des ressorts.
Figure 4: Ressorts lames finis
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V. Problmatique industrielle et dmarche adopte
V.1. Contexte du projet
Dans le cadre de sa politique de progrs et Consciente des dfis concurrentiels, FLEXI
RESSORTS a opt pour une stratgie d'investissement oriente vers la qualit. Cest dans cette
optique, que sinscrit ce projet qui a pour but loptimisation du mode de dfaillance dans le
processus de fabrication des ressorts de fabrication FLEXI RESSORTS.
Le traitement de ce sujet permettra dune part de dterminer tous les dfauts majeurs des ressorts
lames et didentifier leurs causes potentielles. Dautre part, mettre en place dune ou des
solution(s) afin de diminuer le nombre de pices non conformes.
V.2. Mthodes lies au projet
Pour raliser ce projet, la principale dmarche suivre est la roue de Deming (PDCA) qui consiste
Planifier, Dvelopper, Contrler et Ajuster.
Aussi, un ensemble de mthodes et outils daide la dcision ont t utilises durant tout le projet
savoir les 5M, Pareto, Plan dexpriences et autres.
V.3. Objectifs du projet
Pour illustrer et justifier les besoins de ce projet, nous nous sommes bass sur le diagramme Bte
corne ci-dessous :
-
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Figure 5: Diagramme Bte corne du projet
V.3. Positionnement du projet
Pour obtenir un ressort fini, les lames qui le composent subissent plusieurs oprations visant
leurs prodiguer les caractristiques mcaniques et dimensionnelles requises. Ces oprations
donnent naissance plusieurs dfauts qui rduisent la qualit souhaite des ressorts lames.
En effet, et pour de bien analyser la situation, un historique de 6mois (septembre 2011- Fvrier
2012) a t fait dans un premier lieu afin de recenser toutes les non conformits gnrs par le
processus de fabrication.
Le tableau suivant regroupe le nombre des non conformits enregistrs sur chaque poste :
A qui rend-il service ?
FLEXI RESSORTS
Sur quoi agit-il ?
Les ateliers de FLEXI
RESSORTS
Caractrisation & Etude des dfauts des
ressorts lames
Dans quel but ?
Standardiser une liste des dfauts des ressorts lames
Assurer la bonne comprhension des causes des ces dfauts
Rduire le taux de non-conformit lors de la fabrication des ressorts lames
-
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Tableau 2: Nombre de non conformits par poste
Classification PARETO
Au niveau du processus de fabrication des ressorts lames, la connaissance des postes gnrant
le plus de dfauts revient tracer le diagramme Pareto:
Figure 6: PARETO des non conformits enregistres entre Sep 11 et Fv 12
Interprtation
Lanalyse du diagramme Pareto met en vidence que les procds de forge et du traitement
thermique qui exposent 20% des postes du processus de fabrication prsentent 80% des non
conformits.
0,37
0,7
0,84 0,89 0,93
0,97
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
0
20
40
60
80
100
120 %
cum
ul
NB
de
NC
postes
PARETO de processus de fabrication
dfauts
%cumul
Postes
Nombre de non
conformit
Dbitage 13
Perage 42
Forge 111
TT 94
Peinture 17
Assemblage 12
-
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Conclusion
Dans cette partie, nous avons prsent lorganisme daccueil et la dmarche qualit suivie. Ensuite,
nous avons dfini les ressorts lames, les aciers utiliss ainsi que le processus de fabrication des
ressorts lames. Et pour clturer ce chapitre, nous avons introduit le sujet de point de vue
industriel ainsi que les mthodes lies sa ralisation.
Au dpart, lobjectif de ce projet tait dexpertiser sur les dfauts des ressorts lames. En effet, et
afin de focaliser cette tude, lanalyse PARETO montre une nette prdominance des dfauts dus
au poste de la forge et celui de traitement thermique. Donc, notre tude sera concentre sur les
dfauts gnrs par la forge et le traitement thermique.
-
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Partie 2 Dfauts de la forge
-
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Introduction
I. Synthse bibliographique ............................................................................................ 20
I.1. Forgeage chaud ............................................................................................................................. 20
I.2. Dfauts possibles lors des oprations de la forge ....................................................................... 21
II. Analyse PARETO ........................................................................................................ 22
II.1. Description de la procdure denregistrement des non-conformits ..................................... 22
II.2. Classification PARETO ................................................................................................................ 22
III. Identification des causes : Diagramme Ishikawa ....................................................... 24
III.1. Diamtre il non conforme ....................................................................................................... 24
III.2. Demi -longueur dveloppe non conforme ............................................................................. 25
III.4. Explication des causes ................................................................................................................ 26
IV. Temps de chauffe ........................................................................................................ 28
IV.1. Description du four ..................................................................................................................... 28
IV.2. Estimation du temps de chauffe ................................................................................................ 28
IV.3. Validation de la formule .............................................................................................................. 30
IV.4. Solution propose ........................................................................................................................ 30
V. Dgradation des outils ................................................................................................. 31
V.1. Synthse bibliographique ............................................................................................ 31
V.2. Effet de la dgradation de la broche ........................................................................................... 32
V.3. Solution propose .......................................................................................................................... 34
VI. Mthodes de contrles ................................................................................................. 36
Conclusion
-
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Introduction
Cette partie vient pour caractriser et tudier les non conformits issues de la forge. En effet,
nous cherchons identifier les causes majoritaires gnrant les dfauts majeurs lors des oprations
du forgeage des lames ressorts.
I. Synthse bibliographique
I.1. Forgeage chaud
La forge un terme gnrique pour dfinir un ensemble doprations de mise en forme des
matriaux. Le forgeage permet la production de pices mcaniques bauches ou finies dont les
hautes caractristiques sont trs recherches. Cette mise en forme seffectue chaud ou froid
mais toujours dans le domaine de la dformation plastique, cest--dire en exerant un effort
suprieur la contrainte dcoulement du matriau. Un lopin de gomtrie simple est dform
plastiquement entre deux matrices ou outils afin dobtenir la forme dsire. Les spcificits du
forgeage sont :
- Le matriau dform ou lopin subit une importante dformation plastique qui se traduit par un
changement notable de forme ou de section.
- La part dforme plastiquement est gnralement plus consquente que la part dforme
lastiquement : ainsi on nglige la restauration lastique aprs dformation.
La forge chaud est un procd de mise en forme prpondrant dans lindustrie du transport
(notamment laronautique et lautomobile). Ce procd permet la production de pices hautes
caractristiques mcaniques. Linconvnient majeur de ce procd est lendommagement des
outils, qui subissent des sollicitations trs importantes la fois sur le plan thermique, mcanique et
tribologique.
En rsum, le forgeage chaud est un procd de mise en forme par dformation plastique dun
matriau mtallique une temprature lgrement infrieure sa temprature de fusion (0,7 Tf
-
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Cette technique prsente deux principaux avantages :
- Elle permet dobtenir des pices dont les caractristiques dimensionnelles sont trs proches de
celles du produit fini,
- Elle confre au matriau une amlioration de ses proprits mcaniques dans certaines directions
(direction de corroyage). [4]
I.2. Dfauts possibles lors des oprations de la forge
A chaque opration de forgeage, des variations de temprature plus ou moins rapides ont lieu la
surface de la pice, ces gradients thermiques conduisent la fissuration des surfaces. En plus, les
sollicitations mcaniques et thermiques svres et les concentrations des contraintes provoquent
les ruptures brutales, la progression des fissures et la plastification superficielle associe des
fissures de fatigues thermique [5]. En effet, les dfauts de forge peuvent tre classs en :
Dfauts gomtriques : Manque de prcision gomtrique
Dfauts de point de vue mtallurgique
Dcarburation,
Grossissement du grain,
Tapure,
Surchauffe,
Oxydation.
Dfauts lis au procd dobtention
Criques,
Fissures progressives,
Ruptures brutales,
Bavures.
-
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II. Analyse PARETO
II.1. Description de la procdure denregistrement des non-conformits
Lenregistrement et la collecte des non conformits pour le service qualit de FLEXI RESSORTS
se fait quotidiennement aprs chaque opration du processus de fabrication. Des chantillons
alatoires sont observs, mesurs et compars avec les exigences du cahier des charges. Par
ailleurs, tout cart est enregistr dans des fiches et introduit dans la base des donnes afin de
communiquer les rsultats mensuels au responsable de la qualit.
Cependant, le systme denregistrement des non conformits comporte beaucoup de failles,
surtout en ce qui concerne la nomenclature des dfauts dtects.
Do la ncessit de refaire une panoplie dcrivant et normalisant la nomenclature des dfauts
(Annexe 2).
II.2. Classification PARETO
FLEXI RESSORTS, la forge est un procd qui gnre des dfauts majeurs au cours de la
fabrication des ressorts lames. (Annexe 1, dfauts de la forge)
Lhistorique denregistrement des non conformits (Annexe 2) de la forge ma permis de trier la
liste les dfauts comme suie :
Figure 7:PARETO des non conformits gnres par la forge
0,45
0,75 0,83 0,87
0,89 0,92 0,94 0,96 0,97 0,98
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
0
5
10
15
20
25
30
35
%cu
mu
l
NB
de
NC
DEFAUTS
PARETO DE FORGE
dfauts
%cumul
-
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Interprtations
Daprs ce diagramme PARETO, les dfauts qui prsentent une prdominance dans le poste de la
forge sont :
Diamtre il non conforme ; longueur dveloppe non conforme.
Comme le perage est le poste antrieur de la forge, alors il est jug ncessaire de lintroduire dans
ltude car il peut tre cause de certaines non-conformits de la forge.
PARETO des dfauts de perage
PARETO des non conformits gnres par le perage
Lanalyse 80/20 des dfauts de perage donne comme dfauts prdominant :
longueur non conforme le diamtre et position du trou non conforme.
Les rsultats du diagramme PARETO prouvent que la non-conformit de la longueur qui est
un dfaut rencontr frquemment lors de la forge est due principalement aux mauvaises
manipulations du perage.
0,35
0,58
0,72
0,86 0,93 0,97
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
0
2
4
6
8
10
12
14
16
1/2 longueur
NC
Diamtre trou NC
Position trou NC
lame non pere
Fraisage NC Bavures %
cum
ul
NB
de
NC
Dfauts
PARETO de Perage
dfauts
%cumul
-
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III. Identification des causes : Diagramme Ishikawa
III.1. Diamtre il non conforme
Figure 8: Ishikawa du dfaut du diamtre de l'il
- Composition chimique
- Rsistance aux hautes tempratures
- Prcision des outils de contrle
- Fiches de non-conformit mal
remplies
- Prcision de lenrouleuse
-Non qualifie
-Mal forme
- Pices trop chaudes
- Contact pice/outillage
-Temps de chauffe des lames
- Temprature de chauffe
- Etat de surface de la broche
Diamtre il NC
Machine Main duvre Milieu
Matriau Mthode
Mesure
-
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III.2. Demi -longueur dveloppe non conforme
Figure 9: Ishikawa du dfaut de la 1/2 longueur dveloppe
-Composition chimique
- Rsistances aux hautes tempratures
- Prcision des outils de contrle
- Fiches de non-conformit mal
remplies
- Rsultats de contrle du perage
- Prcision de lenrouleuse
- Prcision du perage du trou central
-Non qualifie
-Mal forme
- Pices trop chaudes
- Contact pice/outillage
- Conditions climat
-Temps de chauffe
- Temprature de chauffe
Longueur
dveloppe NC
Matriau Mthode
Mesure
Main duvre
Machine Milieu
-
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III.4. Explication des causes
Les causes potentielles des dfauts majeurs du procd de la forge sont lies en grande partie la
pratique manuelle. En effet, toute mauvaise manipulation de la part de la main duvre peut
gnrer tous les dfauts de la forge.
Dans la suite de cette tude, nous se focaliserons sur ltude des causes dorigine mthode. C'est-
-dire : Temprature de chauffe, Temps de chauffe, dgradation des outils.
Temprature de chauffe
Rappelons que le forgeage chaud est un procd de mise en forme par dformation plastique
dun matriau mtallique une temprature bien dtermine. En effet, La temprature de chauffe
dpend du matriau et des dimensions de la pice. Pour les nuances dacier 55Cr3 et 50CrV4
seffectue dans lintervalle : 850C
-
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Temps de chauffe
En rgle gnrale il ne faut pas forger une lame trop chaude, et surtout ne pas laisser la lame
chauffer inutilement dans la forge sans la forger, dans ce cas le grain grossit beaucoup et
inutilement. De plus une fois la lame est chaude, le grain continue de grossir mme si la
temprature diminue.
Donc, forger rgulirement ncessite une mtrise du temps de maintien dans le four afin dviter
les problmes de la surchauffe.
Dgradation des outils
La forge chaud permet dobtenir des pices dont les caractristiques dimensionnelles sont trs
proches de celles du produit fini. Cependant, elle conduit aux diffrents modes de dgradation des
outillages. Dans notre cas, loutil utilis pour la formation de lil est la broche. Do, lintrt de
se focaliser sur leffet de la dgradation de cet outil sur le diamtre de lil.
Rcapitulatif
Aprs avoir identifi les causes possibles gnrant les dfauts majeurs de la forge, nous avons
trouv ncessaire de focaliser notre tude sur lanalyse des deux causes suivantes :
Temps de chauffe ;
Dgradation de ltat de surface des broches
.
Donc, nous avons dtermin dans un premier lieu une formule permettant destimer le temps de
maintien dans le four en fonction des dimensions des lames et la temprature de chauffe. Ensuite,
et pour vrifier la deuxime cause, une srie dexpriences se met en place afin de quantifier leffet
de ltat des outils sur lapparition des dfauts.
-
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IV. Temps de chauffe
En rgle gnrale il ne faut pas forger une lame trop chaude, et surtout ne pas laisser la lame
chauffer inutilement dans la forge sans la forger, dans ce cas le grain grossit beaucoup et
inutilement. De plus une fois la lame est chaude, le grain continue de grossir mme si la
temprature diminue.
Donc, forger rgulirement ncessite une mtrise du temps de maintien dans le four afin dviter
les problmes de la surchauffe.
IV.1. Description du four
Le four utilis pour chauffer les lames est un four gaz(le propane PCI=22380Kcal/Kg)
rectangulaire. Le rendement de ce four (estim de 60%) est relativement faible vu lexcs d'excs
d'air.
Figure 10: Four de la forge
IV.2. Estimation du temps de chauffe
Rappelons le principe de fonctionnement du four gaz peut tre dcrit comme une
transformation de lnergie lectrique Wl en une nergie calorifique Q.
-
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Dans notre cas, les lments chauffer sont des lames qui doivent atteindre une temprature
suffisantes pour quelles soient forges.
On sait que : Wl= P*t
Donc, le temps de chauffe peut tre estim par la relation suivante :
t= Wl/ P
Avec : Wl= Qfour ; Q : chaleur dgage par le four
Sachant que: Qlame= Qfour * et Qlame = m* c * (Tfinale - Tinitiale)
Donc :
La formule peut tre aussi crite comme suit :
*[Lc*l*Ep*(Tfinale - Tinitiale)]
Application numrique
= 7850 Kg/m3 ; C=444 J/Kg.K ; = 60% ; P= 460 KW
Formule finale
[Lc*l*Ep *(Tfinale - Tinitiale)] (mn) (1)
-
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IV.3. Validation de la formule
Afin de valider la formule (1), nous avons besoin deffectuer une srie dessais consistant
changer les dimensions des lames, appliquer le temps de chauffe correspondant et mesurer le
comportement des lames aprs forgeage
Rsultats exprimentaux
Tableau 4: Rsultats des essais de validation
IV.4. Solution propose
Afin de mettre en place cette formule (1), nous proposons deux solutions :
Programmation de la formule de calcul du temps en se servant dun microcontrleur. Puis,
les variables (les tempratures el les dimensions des lames) sont entres manuellement par
loprateur.
Installation dun variateur de vitesse afin de rguler la vitesse de chaine transporteuse des
lames.
Vu la conception du four de la forge, la deuxime solution semblera plus adquate, conomique et
simple mettre en uvre.
Epaisseur
(mm)
Temprature
(K)
Dimensions
(mm)
Temps de
chauffe
(min)
Rsultats
Remarque
Lc l Dil LD
7 890 142 57 8 32.1 571.66 Rsultat conforme
11 900 167 60 12 48.12 803.9 Rsultat conforme
11 900 161 70 13 34.08 648.1 Rsultat conforme
-
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V. Dgradation des outils
V.1. Synthse bibliographique
Les outillages de forge chaud subissent de nombreux phnomnes tels que la fatigue,
loxydation,qui conduisent de multiples modes de dgradations, parfois concomitants.
Cependant, 80 % des rebuts doutillages sont lis lusure des cordons de bavure, traduisant
limportance du frottement dans ce procd de mise en forme.
La problmatique de la rduction des cots de production se fait ressentir plusieurs niveaux de
la fabrication. Un point essentiel concerne la rduction du cot d'outillage par pice forge. En
effet, le forgeron nutilise plus aujourdhui le marteau et lenclume, mais de gros outils de presse
pouvant peser jusqu plusieurs tonnes. On saperoit donc que les enjeux conomiques sont
importants.
Le cot du changement doutillage est en effet double. Il provient :
- dune part du prix de la matire premire ncessaire la fabrication des outils, leur traitement
de surface et leur usinage
- dautre part, de larrt des chanes de production lors du changement de loutillage.
Gnralement, le procd de forgeage chaud comprend trois tapes :
- Mise en contact brutale de la matrice et du lopin haute temprature,
- Suivie dune phase de mise en forme dont la dure dpend du procd et durant laquelle les
contraintes appliques loutil sont importantes,
- Et enfin refroidissement de loutil et jection de la pice.
Ce cycle est rpt plusieurs fois et lendommagement des outils de forge chaud se diversifie et
se complexifie dans limbrication des mcanismes dusure : fissuration par fatigue lie au cyclage
thermomcanique, changements microstructuraux et oxydation du fait du travail chaud, et enfin
la perte de ctes traduisant lusure induite par le frottement entre le lopin et la matrice.
Dans de telles configurations, la duret de lacier outil diminue. Les chocs mcaniques pendant
lopration de forgeage peuvent facilement produire de lusure abrasive et de la dformation
plastique. [6]
-
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V.2. Effet de la dgradation de la broche
Dans notre cas, nous allons tudier leffet de lusure des broches puisquelles prsentent loutil
utilis pour la formation dil des lames matraisse des ressorts. Donc, nous prsenterons dans la
suite de ce manuscrit une tude exprimentale consiste quantifier leffet de la dgradation de la
broche dur le diamtre de lil ainsi que la longueur dveloppe.
Procdure de lessai
Compte tenu de la diversit et la complexit des paramtres de la forge, la procdure dessai a t
scrupuleusement suivie. En effet, les prouvettes dessai sont des lames de nuance 55Cr3
(annexe 3) des rfrences et de dimensions diffrentes, les paramtres du four se rglent en
fonction des paisseurs des lames et lenroulement des illets se fait selon les fiches de rglage.
Cet essai aurait permis ltude du comportement du diamtre de lil en faisant varier loutil de
lenroulement : la broche (Broche use / Broche nouvelle).
Rponses
Ces essais permettront dillustrer leffet de ltat de dgradation des outils sur les dfauts
gomtriques de la forge, notamment le diamtre de lil et la longueur. Donc, les rponses de
seront donnes par la mesure de :
Diamtre de lil ;
longueur de la lame ;
Jeu entre lil et lame.
Valeurs de rfrences
En ce qui concerne le domaine exprimental, les valeurs de rfrence seront les valeurs de
fonctionnement classiquement utilises sur la chane de production. Cest dire, les dimensions
mentionnes sur le dessin de dfinition des ressorts, (Annexe 4).
Rsultats
-
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Tableau 4:Rsultats de l'effet de changement de l'outil de forge
Essai Tc (C)
tc (min)
Lc (mm)
Outil Diamtre de lil (mm) longueur dveloppe (mm) Jeu (mm)
D1 D2
D3 Dm Ld1 Ld2 Ld3 Ldm J1 J2 J3 Jm
Dsignation : 1 AV FORD K300
1
895
13
140
Us
31.12 serr
32.03 srr
31.61 oval
31.45 NC
572.6
570.16
573.6
572.12 C
1.9
1.15
1.5
1.51
2
895
13
140
Nouveau
32.13 rond
32.22 rond
32.02 rond
32.12 C
569.5
570.2
570.1
569.9 C
0.55
0.55
1.15
0.75
Dsignation : MERCEDESS 307 AR
3
900
16
205
Nouveau
47.9 rond
48.2 rond
48.1 rond
48.06 C
800.2
801.6
800.5
800.7 C
0.55
0.55
0.5
0.5
Dsignation : 1 AV MITSUBISHI FK
4
900
12
161
Us
34.79 oval
34.95 oval
34.58 oval
34.86 NC
653.84
652.87
652.94
653.2 NC
1.15
1.9
2.05
1.7
5
900
12
161
Nouveau
34.07 rond
33.94 rond
34.1 rond
34.03 C
650.17
651.66
651.8
651.1 C
0.55
0.55
1.15
0.75
-
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Discussion
Cette exprience appelle les commentaires suivants :
En fait, en premire observation, on pourrait penser que les modes de dgradation de loutillage
de la forge influencent la prcision dimensionnelle des lames, et plus particulirement le diamtre
de lil et la demi-longueur dveloppe.
Les non conformits du diamtre dil et de la demi-longueur dveloppe que les on observait
sur les lames au niveau de lenrouleuse (machine de formation des illets des extrmits des
lames) sont inexistant ou moins dtectes quand on utilise une broche neuve (non use). En
effet, la comparaison des rsultats des essais 1et 2 ou ceux des essais 3 et 4 prouve que plus loutil
(la broche) est neuf, plus la prcision augmente et les dfauts diminuent.
Cette constatation est galement vrifie quand on a pris un outil utilis pour la premire fois
(essai 4) et qui a donn des rsultats conformes avec le cahier des charges.
Au vu de ces rsultats, nous pouvons dduire que la qualit et la prcision dimensionnelle des
lames forges dpendent directement de ltat des outils. Donc, toute solution remdiant aux
problmes de la forge doit cible laugmentation de la dure de vie des outils.
V.3. Solution propose
Malgr que les outils subissent un traitement thermique, leur dure de vie demeure relativement
courte. Donc, afin de surmonter le problme de dgradation des outils et damliorer leur dure
de vie, nous choisissons le traitement thermochimique : la nitruration.
Lavantage principal de ce traitement par rapport aux autres techniques de durcissement de la
surface est la faible temprature du processus (500-600C). Les composants peuvent souvent tre
nitrures en condition durcie ou de revenu total sans affecter les proprits du cur. Un autre
avantage du processus a faible temprature est le risque de distorsion minimise. En consquence,
les pices peuvent tre usines leurs dimensions finales et ne ncessitent aucun travail de finition
onreux tel quun meulage ou redressage aprs la nitruration [7].
-
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Principe de la nitruration
Afin daugmenter la dure de vie des matrices de forge chaud, les forgerons ont de plus en plus
souvent recours lutilisation de traitement de surface comme la nitruration. Le terme nitruration
regroupe diffrents traitements thermochimiques faisant diffuser lazote (nitruration gazeuse,
nitruration ionique, nitruration plasma). La concentration en azote diminue de la surface traite
vers le cur o la concentration est nulle. La temprature de traitement est comprise entre 450C
et 600C en fonction de la nuance de lacier et des procds utiliss.
Les avantages et les inconvnients du traitement par nitruration sont rsums dans la table ci-
dessous :
Tableau 5: Avantages et inconvnients de la nitruration
Techniques de la nitruration
La nitruration conduit lobtention dun durcissement superficiel par diffusion dazote en gnral
sans traitement thermique conscutif. Lagent nitrurant peut tre :
Liquide : bains de sels fondus.
Solide : poudres.
Gazeux : ou lazote est actif ltat atomique (nitruration gazeuse classique) ou ltat
dions dans un plasma (nitruration ionique). [8]
Ces techniques se diffrencient en matire de cout dinvestissement, de temps de processus,
denvironnement, de scurit et de qualit. En effet, la technique la plus adapte pour les outils de
forge et prcisment les broches est la nitruration par un gaz.
Avantages Inconvnients
- faibles variations dimensionnelles si le
traitement est uniforme
- bonnes proprits mcaniques (duret,
frottement, fatigue)
- bonne rsistance la corrosion
- faible profondeur durcie
- traitement plus ou moins long (de quelques
heures quelques jours)
- paisseur de lusure admissible faible
- dformation admissible faible.
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VI. Mthodes de contrles
Comme nous avons dj signal, les dfauts de la forge notamment la non-conformit de la
longueur dveloppe sont provenus du poste antrieur qui est le perage. Donc, une
augmentation de la frquence des lames contrles donnera des rsultats plus exploitables.
Aussi, plus le nombre dchantillonnage est grand aprs les oprations de la forge plus le contrle
est plus significatifs. En effet, des solutions proposes ce niveau sont :
Un contrle des 5 premires lames, puis 1/10 lames se contrle.
Un contrle de 100% des diamtres de lil.
Une formation des oprateurs afin qui ils effectuent eux mmes le contrle des lames
forges.
Ladoption de la nouvelle nomenclature des dfauts pour les fiches denregistrement des
non conformits.
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Conclusion
Cette partie a t ddie ltude des dfauts de la forge. Dans un premier lieu, nous avons
dtermin les dfauts majeurs en se basant sur une analyse PARETO. Cette analyse nous a permis
de cerner le problme par le traitement du deux dfauts :
Non-conformit du diamtre de lil,
Non-conformit de la longueur dveloppe.
Puis, nous avons pass lidentification des causes potentielles laide des diagrammes
dIshikawa. En fait, les causes racines engendrant les dfauts de la forge sont lies
principalement :
au temps de chauffe,
la dgradation des outils.
Ensuite, et aprs avoir pu taler toutes les causes possibles, nous avons essay de proposer des
actions correctives pour y remdier. Donc, nous avons pu dtermin et valid la formule
permettant lestimation du temps de chauffe.
La poursuite de cette partie a t porte sur la vrification exprimentale de leffet de la
dgradation des outils de forge. Les essais effectus nous ont permis de mettre en vidence
linfluence de ltat de surface de la broche sur la qualit dimensionnelle des lames forges.
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Partie 3 Dfauts du traitement thermique
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Introduction
I. Synthse bibliographique ............................................................................................ 40
I.1. Traitement thermique des nuances 55Cr3 et 50CrV4 ................................................................ 40
I.2. Dfauts possibles lors du traitement thermique ......................................................................... 43
II. Analyse PARETO ........................................................................................................ 44
II.1. Classification PARETO ................................................................................................................ 44
II.2. Flche non conforme .................................................................................................................... 45
II.3. Dformation des lames ................................................................................................................. 47
II .4. Rupture des lames ....................................................................................................................... 48
III. Etude exprimentale .................................................................................................... 51
III.1. Procdure dessai .......................................................................................................................... 51
III.2. Modlisation ................................................................................................................................ 51
III.3. Rsultats ........................................................................................................................................ 52
III.4. Discussion ..................................................................................................................................... 54
IV. Exploitation des rsultats ............................................................................................ 60
IV.1. Optimisation des paramtres du traitement thermique .......................................................... 60
Conclusion
-
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Introduction
Aprs avoir trait les dfauts majeurs issus de la forge, cette partie sera consacre ltude du
traitement thermique comme tant le deuxime poste engendrant les dfauts critiques des ressorts
lames.
I. Synthse bibliographique
I.1. Traitement thermique des nuances 55Cr3 et 50CrV4
Les traitements thermiques sont constitus par un certain nombre d'oprations combines de
chauffage et de refroidissement ayant pour but :
D'amliorer les caractristiques des matriaux et rendre ceux-ci plus favorables un emploi
donn, partir des modifications suivantes :
- Augmentation de la rsistance la rupture et de la limit lastique Rem, Re, A % en
donnant une meilleure tenue de l'lment.
- Augmentation de la duret, permettant des pices de mieux rsister l'usure ou aux
chocs.
De rgnrer un mtal qui prsente un grain grossier (affiner les grains, homogniser la
structure) cas des matriaux ayant subit le forgeage.
De supprimer les tensions internes (crouissage) des matriaux avant subit une dformation
plastique froid (emboutissage, fluotournage).
Les donnes bibliographiques dcrivent le traitement thermique des aciers 55Cr3 et 50CrV4
comme suit :
Laustnitisation
Rappelons que laustnitisation est la transformation qui met en solution le carbone ainsi que les
lments dalliage prcipits sous forme de carbures. Pour ce faire, il est ncessaire de se placer
dans les conditions o le carbone est soluble dans le fer cest--dire de provoquer, par chauffage, la
transformation du fer en fer . Laustnitisation comporte deux tapes :
un chauffage jusqu la temprature dite temprature daustnitisation (et, de manire
incorrecte, temprature de trempe) ;
un maintien cette temprature.
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Pratiquement, la temprature daustnitisation se dtermine par la formule suivante Ac3 + 50 C
75 C [9]. Donc pour les aciers 55Cr3 et 50CrV4, elle est comprise entre 850C et 900C.
(Figure 6)
Figure 11: Diagramme fer-Carbone
Le refroidissement
Aprs austnitisation, les aciers austnitiss vont subir un refroidissement qui a pour but d'obtenir
une structure martensitique, donc viter une transformation perlitique. La transformation de
l'austnite doit commencer et se termine dans le domaine de la martensite.
Choix de la vitesse de refroidissement
Le meilleur refroidissement est celui qui se fait grande vitesse dans l'intervalle de temprature
AC1Ms.
Avec MS est la temprature de dbut de transformation martensitique qui peut tre
correctement estime l aide de la relation dAndrews :
M s ( C ) = 5 3 9 - 4 2 3 ( % C ) - 3 0 ( % M n ) - 1 8 ( % N i ) - 1 2 ( % C r ) - 7 , 5 ( % M o ) ( 1 )
Pour les nuances des aciers 55Cr3 et 50CrV4 : MS 360C.
Ce refroidissement est ralenti vers les basses tempratures dans le domaine de la transformation
martensitique. Une grande vitesse de refroidissement dans l'intervalle martensitique est indsirable
car elle accrot les contraintes rsiduelles et produit des tapures. [10]
Pour estimer la vitesse de refroidissement, on utilise la relation entre la temprature et le temps :
-
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T = f(logt) reprsente graphiquement. L'chelle logarithmique permet un talement convenable
des courbes de refroidissement rapide (Figure 7).
Figure 12:Diagramme TTT de l'acier 50CrV4
Choix du milieu de trempe
Le milieu de trempe doit assurer le refroidissement dans toute la section des pices, et l'obtention
d'une structure martensitique sans produire de dfauts tels que : tapures, dformations,
contraintes rsiduelles etc.
Gnralement, on utilise pour les bains de trempe, des liquides qui peuvent bouillir tels que leau,
les solutions aqueuses de sels et d'alcalins, les huiles. En effet, pour les aciers allis, on utilise
souvent des bains de l'huile. [11]
Donc la trempe permet de donner un maximum de duret l'acier HV = 700 800 Kp/mm ou
HRC = 60 65, ce qui donne une structure convenable pour le traitement de revenu.
-
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La trempe n'est pas un traitement thermique dfinitif, le plus souvent elle est suivie d'un revenu
destin diminuer la fragilit et les contraintes internes afin de donner l'acier les proprits
mcaniques appropries.
Le revenu
Aprs la trempe, on effectue un traitement thermique de revenu qui a pour but de corriger les
dfauts causs par la trempe (contraintes internes et fragilits). Le chauffage de l'acier tremp est
effectu une temprature infrieure AC1, (selon la rsistance exige), suivi d'un maintien
cette temprature et au refroidissement jusqu' la temprature ambiante.
Donc, pour les aciers 55Cr3 et 50CrV4, le revenu qui consiste un chauffage des pices trempes
entre 550C et 650C pendant une dure dune heure environ.
Le refroidissement aprs ce revenu se fait l'eau, ce qui contribue la formation en surface de
contraintes de compression rsiduelles qui lvent la limite de fatigue des ressorts. [12]
I.2. Dfauts possibles lors du traitement thermique
Les principaux dfauts provoqus par les traitements thermiques des pices peuvent tre rsums
en trois points :
- Contraintes propres : provoques par les gradients de temprature au chauffage et au
refroidissement entre les divers points de la pice. Pour le chauffage, il faudrait que la monte en
temprature dans le four soit faible. Pour le refroidissement, il faudrait que la vitesse soit faible
pour rduire le gradient de temprature, mais pas trop afin d'viter toute transformation
indsirable.
- Tapures (fissures) : elles se forment le plus souvent au cours de la trempe. Pour parer ce
dfaut incorrigible, on recommande lors du projet des pices, d'viter les saillies, les angles vifs, les
raccordements brusques etc., de refroidir modrment en utilisant une trempe deux bains.
- Dformations et gauchissements : concernent surtout les pices trempes cause du
refroidissement qui n'est pas homogne Au dbut, seules les couches externes se refroidissent et
donc se transforment en martensite, ce qui provoque des contraintes de traction sur le cur de la
pice qui est encore plastique. Puis les couches internes se transforment leur tour, la dilatation
correspondante, peut exercer sur les couches superficielles plus froides, donc peu plastiques, un
effort de traction, le cur tant en tat de compression [13].
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II. Analyse PARETO
II.1. Classification PARETO
Lhistorique denregistrement des dfauts du traitement thermique (Annexe 2, dfauts du
traitement thermique) nous a permis de recenser la liste les dfauts suivante :
Figure 13:PARETO des non conformits du traitement thermique
Interprtation
Lanalyse PARETO du poste de traitement thermique a donn comme dfauts majeurs :
Flche non conforme
Dformation de la lame
Rupture de la lame
Donc ltude de dfauts du traitement thermique revient traiter ces trois dfauts.
0,51
0,68
0,81
0,94 0,98
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0
10
20
30
40
50
60
Flche NC Dformation lame
Rupture lame Durete NC Traces des dents
%cu
mu
l
NB
de
NC
dfauts
PARETO de TT
dfauts
%cumul
-
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II.2. Flche non conforme
Le problme de la flche est d lopration du cintrage des lames. Rappelons que le cintrage est
lopration qui se passe durant le traitement thermique. Elle consiste former chaud la lame sur
une presse hydraulique selon un rayon de courbure donn.
Figure 14: Lames flche non conforme
En effet, Les rayons de courbures des lames sont diffrents selon le type des ressorts. Mais
lopration de cintrage FLEXI RESSORTS seffectue en gardant le mme gabarit pour
diffrentes lames. Ce problme est d labsence de donnes de la flche de chaque lame ainsi au
manque des gabarits.
En effet, la flche totale du ressort est la seule donne dont on dispose, chose qui prsente un
inconvnient aprs lassemblage du ressort. Pour remdier ce dfaut, les oprateurs ont tendance
ajuster la courbure des lames de ressorts froid et au coup du marteau. Ce qui attribue
lamorage des fissures et des criques.
Identification des causes : Diagramme Ishikawa
Pour mieux comprendre les causes racines de ces deux dfauts majeurs, une analyse Ishikawa a eu
lieu.
Lames
Gabarit
-
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Figure 15: Ishikawa du dfaut de la flche
Solutions proposes
La non-conformit de la flche des lames est due principalement au mal maitrise du calcul de la
flche correspondant chaque lame. Pour rsoudre ce problme, nous proposons le calcul et la
mention de la flche des lames dans les dessins de dfinition.
Cette solution a t dj propose dans le cadre dun projet.
Le problme de la flche rsulte aussi de linsuffisance des gabarits. Cest pour cette raison quil a
fallu investir afin dobtenir des gabarits pour tous types des lames. Ceci sera mis en place en
attendant que lentreprise investisse dans lobtention des nouveaux gabarits.
Ainsi, la mise en place dun mode opratoire clair, simple et accompagn dimages illustratives
pour simplifier la tche du choix et le montage des gabarits aux oprateurs et viter toute
mauvaise manipulation.
- Positionnement des lames dans
les cintres
-Non qualifie
-Mal forme
-Gabarit de cintrage
- Flche de chaque lame
Flche NC
Main duvre Machine
Mthode
-
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II.3. Dformation des lames
La dformation des lames se dtecte directement aprs la sortie du four daustnitisation. En fait,
cause du dcalage des plaques du four et de la grande dformabilit chaud, les lames se
trouvent coince entre les plaques et par consquent elles se dforment.
Figure 16: Lame dforme
En pratique, ce dfaut rsulte de labsence du suivie rgulier ou linsuffisance des actions de la
maintenance du four daustnitisation surtout avec laugmentation de la cadence (2 dmarrages du
traitement thermique par semaine au lieu dun seul).
Solutions proposes
Les oprations du suivie et de la maintenance du four daustnitisation semblent insuffisantes
surtout quand le traitement thermique se dmarre plus quune fois par semaine.
Donc, laugmentation de la frquence des suivies pour ce four sera la solution propose. En
effet, la vrification continue (avant chaque dmarrage) des plaques du four permet une
rduction remarquable de toute dformation des lames.
Do la mise en place immdiate de cette solution simple pour palier ce dfaut.
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II .4. Rupture des lames
La rupture ou la casse des lames est le dfaut le plus critique quon rencontre lors de la trempe, en
effet, ce dfaut nest pas d seulement au traitement thermique mais aussi aux conditions de
sollicitation rsulte des oprations de fabrication des lames ressort.
Figure 17: Lame casse
Identification des causes
Figure 18: Ishikawa du dfaut de fissuration/rupture des lames
-Composition chimique
-Taille des grains aprs la forge
- Prcision des fours
-Non qualifie
-Mal forms
- Gradient des tempratures au chauffage et au refroidissement
- Vitesses de refroidissement
- Concentration des contraintes
Mthode
Fissuration/
Rupture des lames
Main duvre Machines
Matriau
-
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Explication des causes
Comme nous avons dj signal, les causes possibles provoquant la casse des lames sont
multiples. Mais, nous allons, dans un premier temps se concentrer sur ltude des effets de : la
vitesse du refroidissement (Temprature dhuile de trempe) et la concentration des contraintes.
Pour la concentration des contraintes
Le trou dassemblage situ au milieu des lames contribue la concentration des contraintes,
chose qui facilite lapparition, lamorage ainsi que la propagation des fissures. Ces fissures
rsultent des procds antrieurs du traitement thermique notamment le perage. En fait, lors du
perage et cause du mauvais maintien des lames, les fissures sont gnres.
Actuellement, le perage seffectue dans la poinonneuse afin dviter les vibrations des lames lors
de leur perage. En effet, ce changement a donn des rsultats satisfaisants puisque les fissures
dues au perage ont tendance se rduire.
En ce qui concerne la vitesse du refroidissement
La rupture des lames lors de leur traitement thermique rsulte des chocs thermiques : chauffage
des tempratures de lordre de 850C puis immersion dans un bain dhuile de temprature
infrieure 60C. Ces gradients de tempratures au chauffage et au refroidissement mnent la
fissuration et par suite la rupture complte des lames.
Par ailleurs, des essais sont effectus (aux laboratoires Wessling) afin de vrifier linfluence de la
temprature de lhuile sur la vitesse de refroidissement.
Pour ce faire, deux chantillons sont tudis deux diffrentes tempratures dhuile (60C et
73C). Les rsultats mentionns pour les deux chantillons conduisent dduire que
laugmentation de la temprature dhuile ralentit la vitesse de refroidissement. (Tableau 6)
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Tableau 6: Rsultats de l'analyse d'huile de tremp