Étude de sensibilité de distribution du courant de Foucault et du profil de température des disques et d'engrenages droits en acier AISI-4340 traités par induction en utilisant des concentrateurs de flux

Issamatou, Nasser (2022). Étude de sensibilité de distribution du courant de Foucault et du profil de température des disques et d'engrenages droits en acier AISI-4340 traités par induction en utilisant des concentrateurs de flux. Mémoire. Rimouski, Université du Québec à Rimouski, Département de mathématiques, informatique et génie, 105 p.

Prévisualisation

PDF Télécharger (3MB) | Prévisualisation

Résumé

RÉSUMÉ : Le traitement thermique superficiel par induction est un procédé de fabrication qui permet de produire la microstructure martensitique à haute compression à la surface de la pièce traitée afin d'augmenter la dureté superficielle, d'améliorer la résistance de tenue à l'usure et de fatigue et de maintenir le noyau ductile. Ce procédé est purement écologique, sans émission de gaz ou de fumées toxiques dans l'environnement. Néanmoins, le traitement d'une pièce mécanique par induction fait intervenir plusieurs facteurs et paramètres de contrôle du processus, notamment les propriétés du matériau, les paramètres et géométries de la machine et les conditions de chauffage. Afin d'exploiter correctement les ressources de ce procédé, il est nécessaire de développer des stratégies pour contrôler et ajuster les paramètres afin de produire avec précision les caractéristiques souhaitées de la surface durcie sans avoir recours au traditionnel processus d'essais et d'erreurs, long et coûteux. L'objectif du projet consiste à analyser les paramètres machines et géométries sur la distribution finale de températures afin de développer des modèles simples capables de prédire les températures et le profil de dureté avec une bonne précision pour des pièces mécaniques en acier AISI 4340 chauffées par induction en présence de concentrateurs de flux. Pour ce faire, une approche en trois phases a été adoptée. La première phase a consisté à la modélisation et la simulation par la méthode des éléments finis d'un modèle 2D axisymétrique avec le logiciel COMSOL afin d'analyser les effets de paramètres machines et géométries sur la profondeur de pénétration de courant induit pour un disque. Les paramètres impliqués comprennent la puissance machine, le temps de chauffe, l'écart entre la pièce et l'induction et l'écart entre les concentrateurs de flux et la pièce. Les résultats obtenus de cette étude ont permis d'établir les modèles de prédiction de profondeur de pénétration avec une précision de plus de 96%. La seconde phase a permis de mener une étude de sensibilité sur les profondeurs durcies pour développer les modèles fiables capables de prédire les profils de dureté en fonction de paramètres impliqués d'un disque en utilisant la même approche de la première phase. Les modèles proposés sont validés par des essais expérimentaux. Les résultats de simulation obtenus ont démontré un bon accord avec ceux obtenus par expérimentation. Enfin, la troisième phase a consisté à étudier les effets de variation de paramètres machines sur la distribution finale de température dans un engrenage droit chauffé par induction à doubles fréquences avec concentrateurs de flux. Un modèle 3D a été mis en œuvre par la méthode des éléments finis. Les paramètres machines impliqués sont, la densité de courant imposée dans l'inducteur et le temps de chauffage de deux fréquences (MF et HF). Les résultats obtenus ont conduit à des modèles capables de prédire les températures avec une haute précision dans un engrenage droit. -- Mot(s) clé(s) en français : Traitement thermique par induction, concentrateurs de flux, profil de dureté, acier AISI 4340, ANOVA, modèles de prédiction, méthode des éléments finis (FEM). --
ABSTRACT : Surface induction heat treatment is a manufacturing process that produces the high compression martensitic microstructure on the surface of the treated part to increase the surface hardness, improve the wear and fatigue resistance and maintain the ductile core. This process is purely environmentally friendly, with no emission of toxic gases or fumes into the environment. Nevertheless, the treatment of a mechanical part by induction involves several factors and process control parameters, including material properties, machine parameters and geometries and heating conditions. In order to properly exploit the resources of this process, it is necessary to develop strategies to control and adjust the parameters to accurately produce the desired characteristics of the cured surface without resorting to the traditional time-consuming and costly trial and error process. The objective of the project is to analyze the machine and geometry parameters on the final temperature distribution in order to develop simple models capable of predicting the temperatures and hardness profile with good accuracy for mechanical parts made of AISI 4340 steel heated by induction in the presence of flux concentrators. For this purpose, a three-phase approach was adopted. The first phase consisted in the modeling and simulation by the finite element method of a 2D axisymmetric model with COMSOL software in order to analyze the effects of machine parameters and geometries on the induced current penetration depth for a disk. The parameters involved include, machine power, heating time, part to induction gap and flux concentrator to part gap. The results obtained from this study allowed the establishment of penetration depth prediction models with an accuracy of more than 96%. The second phase conducted a sensitivity study on hardened depths to develop reliable models capable of predicting hardness profiles as a function of involved parameters of a disc using the same approach of the first phase. The proposed models are validated by experimental tests. The simulation results obtained showed a good agreement with those obtained by experimentation. Finally, the third phase consisted in studying the effects of machine parameters variation on the final temperature distribution in a spur gear heated by dual frequency induction with flux concentrators. A 3D model was implemented using the finite element method. The machine parameters involved are, the current density imposed in the inductor and the heating time of two frequencies (MF and HF). The results obtained have led to models capable of predicting temperatures with high accuracy in a spur gear. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Induction heat treatment, Flux concentrators, Hardness profile, AISI 4340 steel, ANOVA, Prediction models, Finite element method (FEM).

Type de document :	Thèse ou mémoire de l'UQAR (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 de maître ès sciences appliquées (M. Sc. A.).
Mots-clés :	Acier; Traitement thermique; Trempe par induction; Dureté; Aciers alliés; Modèles mathématiques; Profil; Température; Concentrateurs de flux; Aisi-4340.
Départements et unités départementales :	Département de mathématiques, informatique et génie > Génie
Déposé par :	DIUQAR UQAR
Date de dépôt :	02 mars 2023 19:58
Dernière modification :	02 mars 2023 19:58
URI :	https://semaphore.uqar.ca/id/eprint/2104

Actions (administrateurs uniquement)

Éditer la notice