modélisation du procédé de trempe au laser appliqué à des composantes mécaniques complexes

237 Pages·2015·15.54 MB·French

UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À RIMOUSKI
MODÉLISATION DU PROCÉDÉ DE TREMPE AU LASER
APPLIQUÉ À DES COMPOSANTES MÉCANIQUES
COMPLEXES
Mémoire présenté
dans le cadre du programme de maîtrise en ingénierie
en vue de l'obtention du grade de maître ès sciences appliquées (M.Sc.A.)
PAR
© GABRIEL CARON-GUILLEMETTE
Septembre 2013
UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À RlMOUSKI
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exemplaire.
Il
Composition du jury:
Noureddine Barka, président du jury, Université du Québec à Rimouski
Jean Brousseau, directeur de recherche, Université du Québec à Rimouski
Mohammad Jahazi, examinateur externe, École de technologie supérieure
Mathieu Foster, Solutions Novika inc.
Dépôt initial le 26 avril 2013 Dépôt final le 5 septembre 2013
IV
REMERCIEMENTS
l'aimerais en tout premier lieu remercier monsieur Jean Brousseau, directeur de ce
projet de recherche, pour son support indéniable, ses conseils éclairés, sa disponibilité et
pour m'avoir donné l'opportunité de travailler sur ce projet.
Je remercie l'entreprise Solutions Novika inc., plus particulièrement Lorraine Blais,
Mathieu Foster et Patrick Martel pour avoir mis à ma disposition les moyens nécessaires à
la réalisation des essais expérimentaux.
Je remercie également le personnel du département de mathématiques, informatique
et de génie de l'UQAR, tout particulièrement Abderrazak El Ouafi, Richard Lafrance,
Charles-Alexandre Drapeau et Louis Bernier pour l'aide fournie. l'aimerais également
remercier le professeur Noureddine Barka pour son optimisme continu, son appui et ses
judicieux conseils.
Je tiens à remercier chaleureusement ma famille qui m'a constamment soutenu et
encouragé dans ma démarche académique.
Finalement, un grand merci à mes collègues pour les multiples coups de pouce et
pour le dynamisme des discussions.
VIII
RÉSUMÉ
Le durcissement des aciers au laser constitue l'une des approches les pl us précises
de l'industrie. Ce procédé de traitement thermique requiert le développement de recette
d'application pour accommoder chaque type de composante mécanique à traiter. Cette
étude se concentre sur la modélisation et la simulation des flux thenniques issue de
l'interaction d'un laser avec une pièce d'acier. On y développe une fonction numérique
permettant de modéliser automatiquement et avec précision un faisceau laser parcourant
des surfaces complexes, telle que la denture d'une roue dentée.
L'étude se concentre sur la modélisation par éléments finis du procédé de trempe au
laser. Deux approches de modélisation sont mises sur pied et permettent de simuler des
situations simples sous le logiciel COMSOL. Ces approches sont validées
numériquement en reproduisant les essais d'études tierces.
La fonction numérique est développée sous le logiciel MA TLAB en se basant sur
l'une de ces approches. Elle est élaborée afin de modéliser le passage du laser sur les
surfaces variables d'une géométrie 3D tout en incluant les déformations du faisceau laser
et les variations du coefficient d'absorption en fonction des conditions d'interaction
laser/surface.
La fonction est validée à l'aide d'une série d'expérimentations utilisant un laser fibre
et des spécimens en acier AISI 4340. On y observe du même coup la dynamique du
coefficient d'absorption sous différentes conditions d'opération et d'angle d'incidence. Les
essais sont validés sur la base des températures de surface et sur les dimensions des zones
durcies. Les modèles développés pennettent de prédire avec un écart relatif d'environ 2%
la profondeur et la largeur des zones trempées. Ces essais sont également l'occasion de
mettre à l'épreuve la trempe autogène rendue possible grâce aux caractéristiques du laser.
En dernier lieu, nous démontrons le potentiel de la fonction numérique développée
en utilisant celle-ci pour simuler la trempe sur la denture d'une crémaillère. Il est
démontré qu'en ajustant la puissance de manière adéquate, nous sommes en mesure
d'obtenir une trempe uniforme tout au long de la denture.
Mots clés: laser, trempe, modélisation, roue dentée, éléments finis, déplacement du
faisceau laser, coefficient d'absorption, AISI 4340
x
A BSTRACT
Lasers are ideal tools for various material processing. Inherent characteristics of
light energy allow an easy control over the delivery and thus provide high-quality results.
Due to the recent technological advances, transformation hardening with laser have seen
a growing interest. Each part to be heat treated by laser require the development of
recipes in order to achieve desired resuIts. Numerical modeling allows to simulate the
process with great accuracy, thus reducing the need of experiments. This study focuses on
the modeling and simulation of thermal fiow resulting trom the interaction between laser
beam and workpiece. A numerical function is developed to accurately and automatically
model a laser beam traversing complex surfaces, such as the gear tooth.
First, a literature review covers the modeling of laser hardening. It reviews the
different technics, factors inherent within the process and the state of CUITent knowledge.
A particular interest is done over the laser hardening of AISI 4340 steel and on
application of the process on small spur gears. Subsequently, the basic princip les of the
process are exposed as wells as the parameters and mechanisms that are taking place.
After this overview, the study focuses on numerical modeling using finite-element
method. Two modeling approaches are established and used to simulate simple situations
with COMSOL software. These approaches are numerically validated by reproducing
tests found in Iiterature.
The numerical function is developed in MAT LAB based on one of these
approaches. lt is developed to model the passage of the laser on the surface of a 3D
component while including deformations of the laser beam and the variations of the
absorption coefficient according to the conditions of interaction laser / surface.
The function is validated by a series of experiments using a fiber laser and fiat
specimens made of AISI 4340. We observe the dynamics of the absorption coefficient
un der different operating conditions (power, speed and incidence angle). The tests are
validated based on surface temperatures and the dimensions of the hardened zones. The
developed models can predict the size of the treatment with a relative error of 2%. These
tests are also an opportunity to verify the self-quenching capabilities of AISI 4340 made
possible by the inherent characteristics of the laser process.
Keywords : laser, hardening, spur gear, numerical modeling, finite element method,
moving heat source, AISI 4340