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Société Nouvelles
Analyse des fissures de fatigue causées par les dommages causés par la raffinage dans les pièces blanches forgées de précision
Introduction
Dans le domaine des engrenages forgés de précision, il existe un dicton bien connu : "80 % de la durée de vie d'un engrenage est déterminée par ses lignes de forgeage". Les lignes de forgeage sont l'"épine dorsale invisible" des engrenages, et leur intégrité détermine directement si l'engrenage peut résister à un fonctionnement à forte charge à long terme. Les ébauches forgées de précision présentent des lignes de métal naturelles réparties le long du profil et du contour de la dent, ce qui améliore considérablement la résistance à la flexion du pied de la dent. Cependant, une fois que ces lignes de forgeage sont coupées, brisées ou perturbées — comme du béton armé dépourvu de barres d'acier — même les engrenages de haute précision ne pourront pas résister aux charges de fatigue. Dans les cas de défaillance pratique, les fissures de fatigue prématurées causées par les dommages aux lignes de forgeage sont devenues un danger caché typique dans les engrenages utilisés pour le transport ferroviaire, les machines de construction haut de gamme et les applications aérospatiales.
Que sont les lignes de forgeage dans les ébauches d'engrenages forgés de précision ?
Lorsque le métal est façonné par forgeage, ses grains internes sont étirés dans la direction de la déformation plastique, formant des "lignes fibreuses" continues — ce sont les lignes de forgeage du métal. Leur fonction est similaire au grain d'un tronc d'arbre : le matériau présente une résistance élevée lorsque la force est appliquée dans le sens du grain, mais a tendance à se fissurer lorsque la force est exercée transversalement aux grains.
Il existe des différences évidentes dans la structure des grains et la répartition des lignes de forgeage entre les pièces moulées, les pièces forgées et les pièces usinées :
- Pièces moulées: N'ont pas d'écoulement de grain ou une répartition aléatoire des grains, ce qui entraîne de mauvaises propriétés mécaniques et une résistance inégale.
- Pièces forgées: Présentent des lignes de grain alignées qui suivent le contour de la pièce, ce qui améliore considérablement la résistance à la fatigue et la capacité de charge de la pièce.
- Pièces usinées: Leur direction d'écoulement du grain est déterminée par le trajet rectiligne de la machine-outil, ce qui ne correspond pas à la direction de la contrainte des zones clés de l'engrenage.
Pour les engrenages, la contrainte de flexion maximale au pied de la dent agit généralement dans la direction de flexion tangentielle, ce qui correspond à l'arc de transition du pied de la dent. Pour obtenir la durée de vie la plus longue possible, la direction des lignes de forgeage de précision au pied de la dent doit être "dans la même direction" ou "le long de la direction" de la contrainte de flexion. Toute déviation, interruption ou discontinuité des lignes de forgeage créera des zones naturellement affaiblies dans le matériau.
Problème central : Incompatibilité entre la direction des lignes de forgeage et la direction de la contrainte au pied de la dent
En raison de problèmes tels qu'une conception de moule déraisonnable, un écoulement de métal inégal et une pression insuffisante du matériau pendant le processus de forgeage de précision, les lignes de forgeage souffrent souvent de diverses anomalies, notamment la déviation, l'interruption, la courbure en forme de S, la turbulence transversale et le pliage structurel. Lorsque la direction de la contrainte de flexion maximale au pied de la dent forme un angle avec la direction des lignes de forgeage, de graves conséquences s'ensuivent :
- Une chute soudaine de la résistance à la fatigue locale.
- Les fissures se déclenchent à l'intersection des lignes de forgeage discontinues.
- La durée de vie de l'engrenage est réduite de 30 % à 70 % par rapport aux engrenages normaux.
- Une rupture de la dent peut survenir en quelques dizaines d'heures dans des conditions de forte charge.
Principaux types et caractéristiques des dommages aux lignes de forgeage
- Coupe transversale des lignes de forgeage (la plus dangereuse): Les lignes de forgeage sont coupées, présentant une forme de défaut en coupe transversale. Tout comme couper le grain du bois, la résistance de la zone coupée chute brutalement, et les fissures de fatigue se déclenchent généralement ici.
- Déviation des lignes de forgeage (incompatibilité de direction): La direction des lignes de forgeage forme un angle avec la direction de la contrainte de flexion du pied de la dent. Cela crée une zone d'amorçage précoce des fissures, réduisant considérablement la durée de vie à la fatigue du pied de la dent.
- Lignes de forgeage turbulentes (en forme de vortex): Les lignes de forgeage sont tordues de manière irrégulière avec des directions chaotiques. Cela équivaut à la présence d'un grand nombre de microfissures dans le matériau, augmentant considérablement la probabilité de piqûres, de fissuration par fatigue et d'écaillage.
- Inclusions non métalliques allongées le long des lignes de forgeage: Les inclusions sont disposées le long des lignes de forgeage, endommageant la continuité de la structure métallique. Semblable aux "barres d'acier affaiblies dans le béton", ce défaut est extrêmement dangereux dans les scénarios de fatigue à faible cycle.
Caractéristiques typiques des fissures de fatigue prématurées
Les surfaces de rupture des engrenages défaillants présentent généralement des caractéristiques distinctes qui indiquent des dommages liés aux lignes de forgeage :
- Marques de plage: Ce sont des preuves de la propagation stable des fissures à long terme.
- Amorçage des fissures aux interruptions des lignes de forgeage: Le point de départ des fissures se situe presque toujours à l'endroit où les lignes de forgeage sont discontinues.
- Déviation ou virage des fissures le long des lignes de forgeage: Les fissures ont tendance à se propager le long de la direction des lignes de forgeage endommagées.
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