Understanding and modelling of lubrication mechanisms during stainless steel wire-drawing with dry soaps
Compréhension et modélisation des mécanismes de lubrification lors du tréfilage des aciers inoxydables avec des savons secs
Résumé
Dry wire-drawing is a cold metal working process during which one reduces the wire diameter by plastic deformation, by pulling it trough a die, with a powdered lubricant, called soap, which is a mixture of fat matter and mineral additives. Numerous reductions and high speeds lead to hard work conditions for the soap: a non-optimized lubrication induces a soap thickness which is too thin and produces scratches on the wire, wire rupture and increases the die wear. This work is a study of lubrication mechanisms which occur during stainless steel wire drawing with sodium and calcium soaps. It's focused on experiments set on a single wire-drawing device and on the development of methods allowing experimental and theoretical characterization. Residual weight of soap film, force and die temperature measurements and also drawn wire surface SEM observations allow the analysis of the influence of soap compositions (nature of additives and fat matter) and process parameters (speed, die geometry and roughness, coating and roughness of the wire) on lubrication. Results show the interest of using well-filled sodium soap. They also confirm that high die and wire roughness, a low die angle and a pressure device have positive effects on lubrication contrary to speed which is a critical parameter. Soap characterization (DSC, capillary rheometer, mixer, low-speed wire drawing) is used to study the evolution of the soaps' behaviour with temperature but the link between physical and rheological properties and their performances during process is only partially established. A force and temperature thermomechanical model based on experimental results allows to estimate wire plastic deformation work, die and wire heating and friction shear stresses. The finite-elements code, Forge2®, is used to validate this approach. A lubrication analysis allows to estimate soap film thickness for plastic (low temperature) or viscoplastic (high temperature) behaviour. It allows to interpret the influence of process parameters on results. On another side, one shows how the developed method can be applied to the study of industrial multipass wire drawing.
Le tréfilage à sec est un procédé de mise en forme à froid des métaux où on réduit le diamètre d'un fil, par déformation plastique, en le tirant à travers l'orifice calibré d'une filière, en présence d'un lubrifiant sec pulvérulent, appelé savon, qui est composé de matière grasse et de charges minérales. Les réductions multiples et les vitesses élevées imposent au savon des conditions de travail très sévères : une lubrification non optimisée induit une épaisseur de savon entre fil et filière insuffisante et produit des rayures sur le fil, sa rupture ou une usure rapide des filières. Ce travail étudie les mécanismes de lubrification lors du tréfilage d'un acier inoxydable par des savons industriels de sodium et de calcium. Il est centré sur la mise en œuvre d'essais sur tréfileuse instrumentée monopasse autour desquels ont été développés divers moyens d'investigation expérimentaux et théoriques. Les mesures de poids de couche, force de tréfilage et températures de filière ainsi que les observations MEB du fil tréfilé brut et nettoyé permettent d'analyser l'influence sur la lubrification des formulations de savon (nature des charges et de la matière grasse) et des paramètres du procédé (vitesse, géométrie et rugosité de filière, revêtement et rugosité du fil). Les résultats obtenus montrent l'intérêt d'utiliser des savons sodiques très chargés. Ils confirment également l'effet favorable d'une rugosité élevée pour le fil et la filière, d'un angle de filière faible, d'une filière-pression et le fait que la vitesse est un paramètre critique. Les essais de caractérisation des savons (DSC, rhéométrie capillaire, malaxage, tréfilage basse vitesse) sont mis en œuvre pour étudier l'évolution de leur comportement avec la température mais le lien entre leurs propriétés physiques et rhéologiques et les performances en tréfilage n'est que très partiellement établi. Un modèle thermomécanique de force et de températures permet, à partir des résultats expérimentaux, d'estimer le travail de déformation plastique du fil, l'échauffement maximal du fil et de la filière et la cission de frottement. Le code de calcul par éléments finis Forge2® est utilisé afin de valider cette approche. Un modèle d'analyse de la lubrification permet d'estimer l'épaisseur du film lubrifiant suivant que celui-ci adopte un comportement plastique (basse température) ou viscoplastique (haute température). Il permet d'interpréter l'influence des paramètres du procédé sur les résultats expérimentaux obtenus. En parallèle, nous montrons comment la méthodologie développée peut être appliquée à l'étude du tréfilage industriel multipasse.
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