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Modélisation et simulation du procédé de durcissement par induction appliqué à des pignons à chaîne-chauffage à double fréquence

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Al Salkhadi, Ahmad Abdulsalam Mohammad (2021). Modélisation et simulation du procédé de durcissement par induction appliqué à des pignons à chaîne-chauffage à double fréquence. Mémoire. Rimouski, Université du Québec à Rimouski, Département de mathématiques, informatique et génie, 99 p.

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Résumé

RÉSUMÉ: Le durcissement par induction est l'une des applications du traitement thermique par induction qui a de larges implémentations dans l'industrie, tels que la trempe, la normalisation, le recuit. Les applications les plus courantes du traitement thermique par induction sont le durcissement, en raison de ses avantages environnementaux, qualitatifs et économiques. Dans la trempe par induction, le traitement thermique dépend principalement du phénomène électromagnétique d'effet de peau car cette caractéristique principale a fait de la trempe par induction une méthode largement appliquée, notamment dans le domaine du traitement thermique des composantes des secteurs automobile et aérospatial. Grâce au phénomène d'effet de peau, la température est générée à l'intérieur de la pièce pour créer la structure martensitique uniquement sur une profondeur donnée sans contact avec la source de chaleur. Le processus de durcissement par induction est basé sur le couplage de divers phénomènes physiques complexes (électromagnétiques, thermiques et mécaniques), qui impliquent un grand nombre de paramètres mécaniques et géométriques affectant la microstructure finale de la pièce. Les caractéristiques mécaniques de la pièce traitée par le processus de trempe par induction dépendent principalement du modèle et de la profondeur du profil de dureté, qui dépend des paramètres du processus. L'une des caractéristiques les plus importantes de la trempe par induction est la possibilité d'automatiser le processus. Les simulations ont prouvé leur capacité à décrire complètement le processus de chauffage et à ajuster les paramètres du chauffage par induction, ce qui a conduit à la diminution des erreurs dans les méthodes d'essais dans l'industrie pour atteindre la profondeur et le modèle de durcissement requis. L'objectif de ce mémoire est de modéliser et simuler numériquement un pignon d'alliage AISI 4340 par un modèle 3D traité thermiquement. C'est le pignon ou le modèle qui est traité par induction à double fréquence séquentielle et simultanée en utilisant la méthode des éléments finis (MEF) pour résoudre les problèmes électromagnétiques et de transfert de chaleur. À travers cela, ce mémoire vise à étudier l'effet de l'utilisation de l'approche double fréquence séquentielle et simultanée sur le processus de durcissement par induction pour expliquer les caractéristiques et les avantages que chaque approche ajoute au processus pour obtenir un modèle de contour uniforme du profil de dureté. Ce mémoire comprend trois sections principales basées sur une simulation numérique qui a été réalisée sur le logiciel COMSOL Multiphysics. Ce mémoire combine l'étude et l'exploration des caractéristiques et des avantages de chaque approche et l'étude de la sensibilité du profil de dureté et du modèle de la distribution finale de la température en évaluant l'effet des paramètres (le temps de chauffage, la densité de courant imposée et l'écart axial d'un concentrateur de flux au-dessus et au-dessous du pignon) sur le profil de température et sur la variation de température entre le bord et les régions centrales et la variation de température entre la pointe et la racine en utilisant des outils statistiques. Ce mémoire illustre également l'effet des paramètres sur l'effet de bord et optimise ces paramètres pour réduire ce phénomène dans une approche double fréquence séquentielle. Ce mémoire présente des études numériques de la dureté par induction à double fréquence basées sur des simulations, car ces études ont prouvé que les approches à double fréquence séquentielle et simultanée sont meilleures, plus rapides, plus appropriées et économiques pour le durcissement des engrenages, pignons et autres composants mécaniques qui ont des formes géométriques complexes, dont le motif de contour du profil de dureté ne peut pas être obtenu par durcissement par induction en utilisant une fréquence unique. Ce mémoire ouvre la porte à l'industrie et à de nombreuses études futuristes basées sur l'utilisation de la double fréquence dans le processus de durcissement. -- Mot s) clé(s) en français : chauffage par induction, pignon, engrenages, séquentiel, simultané, double fréquence, FEM, acier 4340, effet de bord, ANOVA, contour, uniforme, concentrateur de flux. -- ABSTRACT: Induction hardening is one of the applications of induction heat treatment that has wide implementations in the industry, such as quenching, normalizing, annealing. The most common applications of induction heat treatment are hardening, because of its environmental, quality, and economic advantages. In induction hardening, the heat treatment mainly depends on the electromagnetic phenomenon of a skin effect because this main feature has made induction hardening a widely applied method, especially in the field of heat treatment of automotive and aerospace components. Through the skin effect phenomenon, the temperature is generated inside the part to create the martensitic structure only to a given depth without contact with the heat source. The induction hardening process is based on the coupling of various complex physical phenomena (electromagnetic, thermal, and mechanical), which involve a large number of mechanical and geometric parameters affecting the final microstructure of the part. The mechanical characteristics of the part treated by the induction hardening process depend mainly on the pattern and depth of the hardness profile, which depends on the process parameters. One of the most important features of induction hardening is the possibility to automate the process. Simulations have proven their ability to fully describe the heating process and adjust the parameters of induction heating, which has led to the reduction of errors in testing methods in the industry to achieve the required hardening depth and pattern.The objective of this thesis is to numerically model and simulate an AISI 4340 sprocket by a 3D heat-treated model. It is the sprocket or model that is treated by sequential and simultaneous dual-frequency induction using the finite element method (FEM) to solve the electromagnetic and heat transfer problems. Through this, this thesis aims to study the effect of using the sequential and simultaneous dual-frequency approach on the induction hardening process to explain the features and benefits that each approach adds to the process to achieve a uniform contour pattern of the hardness profile. This thesis includes three main sections based on a numerical simulation that was performed on COMSOL Multiphysics software. This thesis combines the study and exploration of the characteristics and advantages of each approach and the study of the sensitivity of the hardness profile and the final temperature distribution model by evaluating the effect of the parameters (heating time, imposed current density, and the axial gap of a flux concentrator over and below the sprocket) on the temperature profile and on the temperature variation between the edge and central regions and the temperature variation between the tip and the root using statistical tools. This thesis also illustrates the effect of parameters on the edge effect and optimizes these parameters to reduce this phenomenon in a sequential dual-frequency approach. This thesis presents numerical studies of dual-frequency induction hardening based on simulations, as these studies have proven that sequential and simultaneous dual-frequency approaches are better, faster, more appropriate, and economical for hardening gears, sprockets, and other mechanical components that have complex geometric shapes, whose hardness profile contour pattern cannot be achieved by induction hardening using a single frequency. This thesis opens the door to industry and many futuristic studies based on the use of dual-frequency in the hardening process. -- Mot(s) clé(s) en anglais : induction heating, pinion, gears, sequential, simultaneous, dual frequency, FEM, 4340 steel, edge effect, ANOVA, contour, uniform, flux concentrator.

Type de document : Thèse ou Mémoire (Mémoire)
Directeur(trice) de mémoire/thèse : Barka, Noureddine
Information complémentaire : Mémoire présenté dans le cadre du programme de maîtrise en ingénierie en vue de l'obtention du grade « maître ès sciences appliquées » (M.Sc.A.)
Mots-clés : Trempe par induction ; Métaux - Traitement thermique ; Acier - Traitement thermique ; Engrenages ; Modélisation tridimensionnelle ; Simulation par ordinateur.
Départements et unités départementales : Département de mathématiques, informatique et génie > Génie
Déposé par : DIUQAR UQAR
Date de dépôt : 17 mars 2022 17:59
Dernière modification : 17 mars 2022 17:59
URI : https://semaphore.uqar.ca/id/eprint/1976

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