Effets des paramètres machine sur le profil durci dans le traitement thermique superficiel par induction de pièces à géométries complexes

RÉSUMÉ: Les traitements thermiques superficiels sont des techniques de traitement thermique visant à améliorer la performance en service de divers composants mécaniques par le durcissement des zones critiques superficielles en utilisant des apports thermiques brefs et localisés. Parmi ces techniques, le chauffage par induction est bien connu pour sa capacité en termes de densité de puissance permettant de produire des bons profils de dureté de surface sans engendrer des déformations indésirables. Les caractéristiques mécaniques de la surface durcie par induction sont influencées par les propriétés physicochimiques du matériau à traiter et par plusieurs paramètres et conditions de chauffage. Pour être en mesure d’exploiter correctement les ressources offertes par ce procédé, il est nécessaire de développer des stratégies permettant de contrôler ces paramètres de manière à produire avec précision les caractéristiques désirées pour la surface durcie sans recourir au traditionnel long et couteux processus essai-erreur. L’objectif du projet consiste à analyser les relations de dépendance entre les profils durcis et les paramètres du procédé dans le but d’établir des modèles simples permettant de prédire ces profils pour des pièces mécaniques en acier AISI 4340 ayant des géométries complexes. Pour développer des modèles prédictifs consistants, une approche en trois phases a été adoptée. La première phase a consisté à étudier les effets de la variation des paramètres machine sur le profil de dureté pour une géométrie simple en utilisant un modèle bidimensionnel axisymétrique dans lequel le comportement de la température à la surface est évalué en fonction de la puissance induite, de la durée de chauffe et des attributs dimensions et géométrique de l'inducteur. Les résultats obtenus dans cette phase ont conduit à l’identification des variables les plus pertinentes à exploiter pour la modélisation dans le cas de pièces de géométries complexes. La seconde phase a permis d’approfondir l’analyse par l’introduction des effets de la fréquence d’induction sur la profondeur durcie en utilisant un modèle 3D appliqué à des cannelures à flancs parallèles stationnaire. Cette phase a permis d’enrichir le premier modèle et de le valider expérimentalement. Enfin, la troisième phase a permis d’introduire les effets de la vitesse de balayage suivant l’axe de la pièce sur le profil durci pour mieux contrôler le profil de dureté dans le cas de pièces de grandes dimensions. Le modèle obtenu a été appliqué avec succès pour des cannelures à flancs parallèles. Au cours des trois phases, les résultats obtenus se sont avérés très satisfaisants et ont montré une concordance remarquable entre les profils durcis prédis et les mesures expérimentales. -- Mot(s) clé(s) en français : Traitement thermique superficiel par induction, Profil de dureté, paramètres machine, acier AISI 4340, cannelures à flancs parallèles, modèles de prédiction, méthode des éléments finis, simulation 3D. -- ABSTRACT: Superficial heat treatments are heat treatment techniques that aim to improve the performance of various mechanical components by hardening superficial critical areas using brief and localized heating pulses. Among these techniques, the induction heating, well known for its capacity in terms of power density to achieve the temperatures needed to produce interesting surface hardened profiles without producing undesirable distortions. The mechanical characteristics of the hardened surface are affected by the physicochemical properties of the material to be treated and by several parameters and heating conditions. To be able to use properly the offered resources by this method, it is necessary to develop strategies to control these parameters to produce the desired characteristics of the hardened surface without using the traditional long and expensive process of trial and error. The project objective is to analyze the dependencies between the hardened profile and process parameters in order to establish simple models to predict hardness profile in the case of the treatment of mechanical parts made of AISI 4340 steel that have complex geometries. To produce a robust predictive model, a three-phase approach is adopted. The first phase consists to examine the effects of variation of the machine parameters on the hardness profile for a simple geometry using a simple axisymmetric two-dimensional model in which the temperature behavior at the surface are evaluated based on the induced power, heating time and geometric and dimension attributes of the inductor. The obtained results in this phase led to the identification of the most relevant variables to use for modeling in the case of parts with complex geometry. The second phase allowed for further analysis by the introduction of the effects of the frequency of the induced current on the hardened depth using a 3D model applied to stationary parallel fluted flanks. This phase enhanced and validated experimentally the first model for complex surfaces. The third phase introduce the effects of the heat source motion speed along the axis of the heated part on the hardened profile to be able to better control the hardness in the case of scanning based induction heating or in the case of large parts. The resulting model is applied successfully for parallel splines with large dimensions. During the three phases, the results reveal remarkable agreement between predictive modelling results and experimental measurements. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Induction surface hardening, hardening profile, machine parameters, AISI 4340 steel, spline shafts, predictive model, finite element method, 3D simulation