Étude du profil de dureté et de l'effet de bord des disques et engrenages droits traités thermiquement par induction en utilisant les concentrateurs de flux : prédiction et optimisation numérique et expérimentale

RÉSUMÉ: Le traitement thermique par induction est l'alternative économique et éprouvée aux procédés thermochimiques visant à améliorer la résistance à l'usure et à la fatigue des pièces mécaniques. La rapidité du processus et sa capacité à traiter localement des composantes mécaniques ayant des formes géométriques complexes font de lui un puissant outil commercial pour les industriels. Le procédé de durcissement par induction est basé sur le couplage physique complexe des phénomènes électromagnétiques et de transfert de chaleur et fait intervenir un nombre important de paramètres de contrôles indépendants. Les caractéristiques mécaniques de la région traitée par induction dépendent principalement de la forme et de la profondeur du profil durcie, qui dépendent elles-mêmes des paramètres de contrôle du procédé. Ainsi, il est toujours nécessaire d'inspecter et de maitriser l'effet de ces paramètres afin de construire le meilleur profil de dureté possible répondant aux exigences spécifiques d'exploitation. L'objectif de ce projet consiste alors à l'étude des paramètres électromagnétiques, mécaniques et géométriques intervenant en chauffage par induction, et destiné en particulier à l'étude de l'effet de bord, dans le cas exclusif des géométries tridimensionnelles axisymétriques et appliquées à l'acier 4340. L'approche proposée dans ce projet est structurée en trois grandes parties combinant la simulation, la planification d'expérience, l'analyse statistique, les réseaux de neurones, l'expérimentation et l'optimisation afin de créer un modèle prédictif de profil durci et optimiser l'effet de bord en fonction des paramètres de contrôle de procédé, et en utilisant entre autres les concentrateurs de flux électromagnétiques. À partir des équations de Maxwell et de transfert de chaleur, les phénomènes physiques ont été modélisés en simplifiant les lois de comportement des matériaux et en introduisant la densité de courant externe. Le problème a été abordé par la méthode des éléments finis avec des modèles en 2D et en 3D et mise en œuvre dans le logiciel COMSOL. Une compagne de simulation, d'essais expérimentaux et de mesures de profil durci a été réalisée à chaque partie de projet, et a permis de valider avec succès les hypothèses de la modélisation et de vérifier la qualité des résultats fournis par la simulation. Ce travail a permis de mettre à la disposition de l'industrie des recettes simples et fiables destinées à concevoir des profils durcis plus optimisés et de produire des composantes mécaniques industrielles de haute performance. -- Mot(s) clé(s) en français : Traitement thermique par induction, Acier 4340, Profil de dureté, Effet de bord, Concentrateurs de flux, Engrenages, Réseaux de neurones, ANOVA, Optimisation. -- ABSTRACT: Induction heat treatment is the economical and proven alternative to thermochemical processes used to improve the wear and fatigue resistance of mechanical parts. The speed of the process and its ability to treat locally mechanical components with complex shapes and geometries make it a powerful tool for industrial manufacturers. The induction hardening process is based on the complex physical coupling of both electromagnetism and heat transfer phenomena, which involve a large number of independent control parameters. The mechanical characteristics of the treated part after induction hardening depend mainly on the shape and depth of the hardness profile, which itself depends on the process control parameters. Thus, it is always necessary to inspect and control the effect of these parameters in order to build the best possible hardness profile meeting the specific operating requirements. The objective of this project is then to study the electromagnetic, mechanical and geometrical parameters involved in induction heating, including the study of the edge effect behavior, in the case of three-dimensional axisymmetric geometries, and applied to 4340 steel components. The approach proposed in this project is structured in three main parts combining simulation, experience planning, statistical analysis, neural networks, experimentation and optimization; to create a predictive model of hardened profile, and to optimize the edge effect according to the process control parameters, with the use of electromagnetic flux concentrators. From Maxwell's equations and heat transfer, physical phenomena were modelled by simplifying the behavior laws of materials and introducing the external current density. The problem was approached by the finite element method using 2D and 3D models and was implemented in the COMSOL software. A set of simulation, of experimental testing and hardness profile measurements were carried out at each step of the project, and successfully validated the modeling assumptions and verified the quality of the results provided by the simulation. This work has thus made it possible for the industry engineers and manufacturers to use simple and reliable recipes for designing more optimized hardness profiles and to produce mechanical components with high performance. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Induction heat treatment, 4340 Steel, Hardness profile, Edge effect, Flux concentrators, Gears, Neural networks, ANOVA, Optimization