Étude de sensibilité du profil de dureté des engrenages traités thermiquement par induction en fonction des paramètres machine

Résumé

De nos jours, les procédés de traitement thermique par induction sont de plus en plus employés dans l’industrie automobile et aéronautique pour améliorer la performance en service de divers composants mécaniques tels que les engrenages. En effet, par son chauffage sélectif, le procédé permet de générer un profil de dureté en surface et de produire des contraintes résiduelles de compression favorables pour le comportement en fatigue sans engendrer des distorsions trop importantes. Le durcissement en surface par induction est réalisé à l’aide d’un chauffage électromagnétique suivi d’une trempe rapide. La dureté en surface, la profondeur durcie et les contraintes résiduelles de compression générées pendant le durcissement par induction dépendent des paramètres machine (puissance machine, fréquence de traitement, durée du préchauffage et du chauffage, vitesse de refroidissement et conception de l’inducteur et de la douche). La très grande complexité des phénomènes en jeu et l'état actuel des connaissances font en sorte qu'il n'y a pas de modèles numériques ou empiriques capables de prédire le profil de dureté et les contraintes résiduelles avec un niveau de précision suffisant pour être utilisés à des fins de développement industriel. C'est pourquoi les industriels doivent établir les paramètres des traitements thermiques par induction par essais et erreurs, méthode couteuse et fastidieuse. Dans cette optique, le présent projet vise la réalisation d'une étude de sensibilité du profil de dureté de barreaux cylindriques et d'engrenages à denture droite traités thermiquement par induction à l’aide de modèles numériques par éléments finis et d'une campagne d'essais expérimentaux. Cette étude de sensibilité est vue comme une première étape vers le développement de modèles de prédiction. L'étude cherche principalement à évaluer l'effet des propriétés des matériaux et des paramètres machine sur le profil de dureté. Comme le chauffage par induction est très rapide, il est raisonnable de penser que les propriétés du matériau sont différentes de celles mesurées dans des conditions d'équilibre thermodynamique. Pour cette raison, l'étude tente de qualifier l'effet de variations de propriétés matérielles sur la température en surface en utilisant le modèle 2D axisymétrique. Les résultats montrent que la perméabilité magnétique relative est la propriété qui influence le plus les températures en surface et que la variation de cette propriété a un effet important sur le profil de dureté. Les effets de la chaleur spécifique et de la conductivité électrique sont plutôt faibles, et la conductivité thermique a un effet faible sur le modèle développé. De plus, la variation des températures d’austénitisation dans les marges spécifiquement choisies n’a pas d’effet considérable sur le modèle développé. Par conséquent, l’utilisation des propriétés du matériau à l’équilibre thermodynamique était suffisante pour mettre en place des modèles de prédiction des tendances. Ensuite, l’étude de sensibilité globale du profil de dureté en fonction des paramètres machine a permis, dans un premier temps, de comparer les deux cas de chauffe à moyenne (MF) et à haute fréquence (HF) en les appliquant à un disque et à une roue dentée et de déterminer l’effet de la densité du courant imposé et du temps de chauffe sur le profil de dureté obtenu en utilisant les résultats de la simulation. Il appert que l’effet de bord est moins grand dans le cas MF que dans le cas HF. En outre, le modèle 2D permet de confirmer que la chauffe MF transforme plus la racine de la denture, alors que la chauffe HF transforme en premier lieu la région de la tête de la denture. Finalement, les modèles de régression développés ont permis d’estimer les températures en surface et les profondeurs durcies en fonction du temps de chauffe et de la puissance reçue par la pièce. Les tests expérimentaux réalisés sur des disques et sur des roues dentées ayant les mêmes dimensions extérieures ont confirmé une nette concordance entre les profils de dureté mesurés et ceux obtenus par simulation. De plus, puisque la puissance transmise par la machine à l’inducteur n’est pas connue et qu’il est difficile de mesurer le courant dans l’inducteur, il était question de chercher une méthode conduisant à une concordance entre la simulation et l’expérimentation. En effet, les tests réalisés ont permis la calibration des modèles développés en évaluant le ratio entre la puissance reçue par la pièce et celle fournie par la machine. Ainsi, les modèles calibrés sont capables de prédire les tendances globales du profil de dureté en fonction des paramètres machine même si on utilise les propriétés des matériaux à l’équilibre thermodynamiques. Finalement, une analyse de sensibilité locale a été exécutée en variant légèrement les paramètres machine autour des valeurs nominales conduisant à un profil de dureté bien déterminé. Basée sur des outils statistiques d’analyse de variance, cette étude a montré que le profil de dureté est très sensible à des variations faibles de la puissance machine et du temps de chauffe dans le cas du disque. En ce qui concerne les engrenages et en considérant le mode de chauffe à doubles fréquences séquentielle, la puissance HF et le temps de chauffe HF sont les paramètres qui affectent le plus le profil de dureté. Quoique l'étude ait porté sur des géométries spécifiques et un matériau donné, il ressort de cela que les modèles développés peuvent être utilisés pour développer des pièces mécaniques et qu'ils permettent de diminuer le temps de développement. La plus grande contribution de ce travail est d'avoir permis d'apprécier l'écart entre la théorie, la simulation et la pratique. Il a donc permis de jeter les bases nécessaires pour aboutir à un modèle plus général et robuste capable de prendre en charge les interactions entre les paramètres machine, les variables dimensionnelles et les propriétés du matériau. La précision du modèle pourrait être améliorée grandement en considérant la mesure du courant dans l’inducteur durant la chauffe et des propriétés des matériaux hors équilibre thermodynamique.

Date	9 mai 2011
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Philippe Bocher (Directeur(-trice)) & Jean Brousseau (Codirecteur(-trice))