Abstrait : Au cours d'un essai d'emboutissage de rouleaux coniques avec un équipement de frappe à froid importé à quatre-stations à haute vitesse-, des défauts typiques sont apparus, notamment des fissures transversales des flans coupés, des fissures superficielles sur le diamètre extérieur du rouleau et le chanfrein, ainsi que des plis d'emboutissage sur les faces du chanfrein. L’analyse des causes profondes confirme que tous ces défauts proviennent d’une mauvaise qualité des matières premières. Après l'optimisation technique du fil machine GCr15 recuit sphéroïdisé dédié à la frappe à froid à grande vitesse -, le produit répond pleinement aux exigences pratiques de production.

Mots clés: roulement à rouleaux coniques ; rouleau conique ; machine de frappe à froid à grande-vitesse ; Acier à roulement GCr15 ; défaut; analyse des échecs

1 processus d'usinage d'une machine de frappe à froid à haute vitesse à quatre-stations-

Pour améliorer la capacité d'estampage des rouleaux coniques d'un diamètre extérieur supérieur à 20 mm, une machine de frappe à froid importée à quatre-stations à haute-vitesse est adoptée. L'équipement offre une productivité élevée à une cadence d'estampage allant jusqu'à 100 pièces par minute et produit des rouleaux de haute -précision sans bavure après le formage. Néanmoins, la matière première de cette machine doit être du fil machine recuit sphéroïdisé, tandis que les principaux fabricants nationaux d'aciers spéciaux ne fournissent que de l'acier GCr15 au-dessus de Φ20 mm sous forme de barres pleines. Après négociation, un fournisseur d'acier spécial fournit du fil machine recuit sphéroïdisé personnalisé pour ce processus de frappe à froid.

Les principales exigences techniques pour le fil machine d'essai sont les suivantes : traité par double étirage et double pelage avec finition de surface ; microstructure de recuit sphéroïdisée classée Grade 2~4 selon GB/T18254-2002 ; dureté contrôlée à 170~185 HB. Un écrouissage sévère se produit lors d'une déformation à froid multi-passes, ce qui empêche le formage ultérieur, d'où l'exigence de dureté relativement faible. La profondeur de décarburation de la surface unilatérale ne doit pas dépasser 0,8 % du diamètre nominal de l'acier ; la tolérance dimensionnelle du diamètre de la tige est de 0 ~ −0,05 mm, les spécifications restantes étant conformes aux accords techniques d'achat pertinents.

L'estampage des rouleaux coniques sur la machine de frappe à froid à quatre-stations couvre quatre postes de travail séquentiels : cisaillement des ébauches → refoulement final → pré-formage → formage de finition, avec le schéma de formage illustré à la figure 1.

Figure 1 Diagramme schématique du processus de formage d'estampage à quatre-stations

Cisaillement à blanc : Le cisaillement de flans de type manchon-génère des flans présentant une déformation mineure et des faces d'extrémité approximativement perpendiculaires à la ligne axiale du flan.

Fini de bouleverser: Nivele les faces d'extrémité inégales du flan perpendiculairement à l'axe, unifie la longueur du flan et bouleverse le cercle extérieur du flan.

Pré-formage : Façonne grossièrement le contour conique, réduit la petite dimension de l'extrémité, forme une cavité concave sur la grande face d'extrémité - et élargit le diamètre extérieur vers l'extérieur.

Terminer le formage: Finalise les dimensions du rouleau selon la tolérance spécifiée.

Une déformation importante et un écrouissage remarquable ont lieu sur le chanfrein de grande-extrémité, le diamètre extérieur, la face d'extrémité des grandes et petites extrémités et le chanfrein de petite-extrémité tout au long du formage. La variation de dureté des rouleaux finis à différentes positions est répertoriée dans le tableau 1. Par rapport aux rouleaux de presses mécaniques à station unique-, les produits de cette machine présentent une précision dimensionnelle supérieure, éliminant les processus post-tels que l'élimination des bavures, le meulage doux du diamètre extérieur et le meulage doux de la face d'extrémité, ce qui améliore considérablement le taux d'utilisation des matières premières.

Tableau 1 Variation de dureté du rouleau estampé à différentes positions (unité : HB)

2 Analyse des défauts des rouleaux coniques emboutis

Lors du formage de rouleaux coniques comme illustré sur la figure 1, les défauts récurrents comprennent des fissures transversales des flans cisaillés, des fissures de surface axiale sur le diamètre extérieur et le chanfrein des grandes extrémités, ainsi que des défauts de pliage sur les surfaces de chanfrein. Après une inspection systématique de l'équipement, des matrices et des matières premières, la mauvaise qualité du fil d'acier d'essai est vérifiée comme étant la cause première.

2.1 Fissuration transversale des flans cisaillés

Des fissures transversales parallèles au plan de cisaillement se produisent fréquemment sur les ébauches cisaillées au poste de découpe, déclenchant un arrêt d'urgence et une alarme de la machine de frappe à froid. Les échantillons métallographiques découpés dans des flans fissurés sont gravés avec une solution alcoolique d'acide nitrique à 2%. L'observation microscopique révèle une perlite lamellaire massive ainsi que des particules grossières de carbure (Figure 2). Conformément à la norme GB/T18254-2002 pour l'acier à roulements au chrome à haute teneur en carbone, la microstructure sphéroïdisée est surchauffée et classée au-dessus du grade 6. La dureté globale des ébauches fissurées est mesurée à 187 HB via le testeur de dureté Brinell.

L'inspection par échantillonnage de la tête, du milieu et de la queue de la même bobine de fil révèle une microstructure de recuit incohérente : des structures sphéroïdisées de grade 4, 5 et 6 coexistent, avec une dureté allant de 184 HB à 189 HB. Une microstructure sphéroïdisée non qualifiée, en particulier un excès de perlite lamellaire, réduit considérablement la ductilité de l'acier. La contrainte de traction concentrée près du plan de cisaillement lors de la découpe du flan initie une fissuration transversale du flan.

Figure 2 : Microstructure de recuit sphéroïdisée d'un flan fissuré transversalement

2.2 Fissures de surface sur le grand diamètre extérieur des extrémités et le chanfrein des rouleaux

Les fissures de surface axiale se trouvent généralement sur le grand diamètre extérieur des extrémités et sur le chanfrein des rouleaux finis, avec des fissures partielles s'étendant sur les faces d'extrémité. L'inspection par magnétoscopie sur les pièces finies accumule une poudre magnétique abondante aux emplacements des chanfreins aux extrémités les plus importantes. Après un décapage à chaud (acide chlorhydrique industriel concentré à 50 % + 50 % d'eau, trempé à 70 degrés pendant 30 min), de fines microfissures axiales denses émergent sur les surfaces de chanfrein. Peu de microfissures identiques existent sur le petit chanfrein d'extrémité-.

Les rouleaux présentant des fissures axiales de -diamètre extérieur sont sectionnés perpendiculairement à la direction des fissures pour une analyse métallographique. La micrographie montre des fissures divisées en deux couches : la couche externe de fissures grossières avec décarburation de surface et la couche interne de fissures fines exempte de décarburation (Figure 3). L'inspection de la microstructure du fil machine brut identifie une couche décarburée continue de 0,3 à 0,4 mm de profondeur sur la surface de l'acier (Figure 4), ainsi que des fissures axiales profondes dispersées et de nombreuses rayures superficielles peu profondes.

Une expansion radiale importante vers l'extérieur se produit au niveau du grand diamètre extérieur des extrémités et du chanfrein lors du formage à froid, accompagnée d'un écrouissage intense et d'une ductilité détériorée. Les défauts de surface préexistants (fissures/rayures) à l'intérieur de la couche décarburée avec de la perlite lamellaire se propagent dans des fissures macroscopiques sous contrainte de formation ; la région décarburée autour des fissures hérite des défauts de surface d'origine de la matière première tandis que les sections de fissures non décarburées se développent à partir de la propagation des fissures lors de l'emboutissage. En revanche, la formation des petites extrémités s'effectue via une déformation par retrait vers l'intérieur qui limite l'expansion des fissures.

Figure 3 : Morphologie de la section transversale-de la fissure axiale sur le diamètre extérieur du rouleau estampé

Figure 4 : Couche d'acier brut décarburée avec microfissures d'oxyde intergranulaire sur la surface supérieure

Les fissures et rayures peu profondes sur la surface extérieure du rouleau sont éliminées lors des opérations de meulage ultérieures, tandis que les surfaces de chanfrein restent non meulées et conservent de minuscules défauts, ce qui entraîne une accumulation de poudre magnétique lors de l'inspection finale MPI.

2.3 Défaut de pliage d'emboutissage sur le chanfrein du rouleau

L'inspection visuelle des rouleaux formés détecte les défauts de pliage répartis symétriquement le long de l'axe central sur les chanfreins des grandes-extrémités et des petites-extrémités. Les dommages aux matrices sont exclus après le dépannage ; le pliage provient d'un "excès de métal" supplémentaire sur l'extrémité brute locale généré lors de la procédure de cisaillement.

La section transversale fracturée-de l'ébauche cisaillée présente un contour d'ellipse approximatif, avec une force de cisaillement alignée le long de l'axe mineur de l'ellipse. Une zone métallique en excès déchirée de 1 à 2 mm de large existe aux deux extrémités de l'axe principal, différant de la surface de cisaillement nette ailleurs (Figure 5). Les données statistiques indiquent qu'aucun pliage de chanfrein ne se produit lorsque la dureté de la matière première est d'environ 192 HB ; le pliage apparaît systématiquement pour les matières premières inférieures à 190 HB en raison d'une ductilité excessive entraînant des bavures déchirées/un excès de métal sur l'extrémité brute pendant la coupe. Par conséquent, la faible dureté de base de l’acier brut provoque une déchirure irrégulière des bords et un pliage du chanfrein ultérieur après le formage.

3 Test d'amélioration et de vérification de la qualité des matières premières

Le traçage des défauts conclut à quatre inconvénients critiques du fil machine d'essai initial : (1) microstructure de recuit sphéroïdisé inégal non conforme ; (2) Couche décarburée de surface invalide sur-d'épaisseur ; (3) Fissures et rayures superficielles aléatoires sur l’acier ; (4) Dureté de recuit sphéroïdisée sous-dimensionnée.

Figure 5 : Schéma des zones métalliques en excès déchirées-sur la surface de fracture cisaillée

Les spécifications techniques révisées pour le fil machine qualifié sont formulées comme ci-dessous :

Microstructure de recuit sphéroïdisée contrôlée dans les niveaux 2 à 4 avec une structure uniforme sur une bobine à fil unique ;

Décarburation de surface nulle sur l'acier fini ;

Aucune fissure de surface ou rayure mécanique n'est autorisée ;

Dureté recuite sphéroïdisée régulée de 195 HB à 207 HB ; les autres éléments techniques restent inchangés.

Le fournisseur réapprovisionne le fil d'essai conforme aux spécifications mises à jour : structure sphéroïdisée de grade 2, dureté globale 203 HB, surface entièrement sans décarburation-sans fissures ni rayures. Le test d'emboutissage par lots avec une matière première améliorée élimine tous les défauts de formage précédents, et la machine de frappe à froid à quatre-stations à haute vitesse-reprend une production normale et stable.

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