Développement d'un système intelligent de gestion du cycle de vie des matrices de forgeage à froid basé sur des données réelles

Aug 18, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 13297 (2022) Citer cet article

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Les matrices de forgeage à froid sont fabriquées selon le processus d'ajustement par retrait pour résister à des charges de pression élevées, mais une rupture par fatigue finit par se produire en raison de contraintes de compression répétées. Le cycle de vie jusqu'à la rupture par fatigue a été défini comme la durée de vie limite, et des tentatives ont été faites pour prédire la durée de vie de la matrice sur la base de la méthode des éléments finis. Cependant, une prévision précise était impossible en raison de variables environnementales incontrôlables. Par conséquent, il est impossible de déterminer clairement le cycle de remplacement des matrices, ce qui entraîne des conséquences négatives telles qu'une mauvaise qualité, des retards de production et une augmentation des coûts. Divers facteurs environnementaux affectant la prévision du cycle de vie de la matrice entraînent une augmentation ou une diminution de la charge de formage, qui est une variable importante qui détermine le cycle de vie de la matrice. Dans cette étude, un système de surveillance des données de charge générées par les installations de forgeage a été développé sur la base d'un capteur piézoélectrique. De plus, le cycle de vie des matrices a été prédit avec plus de précision grâce aux données de charge de formage mesurées en temps réel, et un système de gestion de la durée de vie des matrices capable de déterminer le cycle de remplacement des matrices a été appliqué à la chaîne de production de pièces de direction automobile.

L'industrie manufacturière dans la société moderne est confrontée à divers problèmes dus à l'augmentation excessive des coûts de fabrication, notamment les coûts des matériaux et de la main-d'œuvre, aux fluctuations rapides de la demande, aux investissements excessifs en équipements et aux ressources de production excédentaires1. En particulier, à mesure que les réglementations sur les émissions de carbone sont renforcées2, les spécifications requises du produit final évoluent de diverses manières, parallèlement à l'amélioration et à l'innovation du processus de fabrication3. Pour améliorer le rendement énergétique des automobiles, il est nécessaire de réduire le poids de toutes les pièces4 ; simultanément, les facteurs non environnementaux doivent être exclus du processus de fabrication. Par conséquent, l’industrie manufacturière a été confrontée au défi d’atteindre simultanément le respect de l’environnement, une qualité élevée et un faible coût. Pour surmonter cette situation, des efforts sont déployés pour améliorer l'efficacité du processus de fabrication grâce à diverses tentatives, telles que la mise en place d'une structure de production à faible coût et l'expansion du processus automatisé. Ce flux a conduit à la vague de la quatrième révolution industrielle qui a débuté en Allemagne5 et accélère un changement de paradigme dans l’industrie manufacturière. L'innovation dans le secteur manufacturier fait référence à l'hyperconnexion centrée sur les données de processus et comprend l'analyse et l'utilisation du big data, de l'Internet des objets (IoT), de la fabrication addictive, de la simulation et des systèmes d'intégration horizontale et verticale6.

Dans cette étude, dans le cadre du changement de paradigme en matière d’innovation manufacturière, des données provenant du processus de fabrication de pièces de direction automobile ont été collectées. Sur cette base, la durée de vie de la matrice de forgeage a été prédite avec plus de précision. De plus, on a tenté de maximiser l'efficacité du processus de fabrication en surveillant le cycle de remplacement des matrices par l'opérateur. La rotule de la figure 1 est reliée à la rotule extérieure (OBJ), l'un des systèmes de direction des automobiles, et joue un rôle dans la garantie de la mobilité dans diverses directions.

Pièces de rotule d'un système de direction7,8,9,10.

Les goujons à rotule sont fabriqués selon un processus de forgeage à froid en plusieurs étapes, au cours duquel des matériaux en vrac sont pressés plusieurs fois dans un espace fermé pour former un produit final. Les opérations de forgeage consistent à mettre en forme la pièce par déformation plastique de la matière première, comprimée entre un poinçon et une matrice11. En particulier, le processus de forgeage à froid peut garantir une résistance élevée et une précision de forme élevée en déformant le matériau à température ambiante12. Dans ce processus, la matrice est soumise à plusieurs reprises à une charge de compression élevée, et le matériau de la matrice atteint la limite de fatigue et est endommagé13. Cela entraîne une augmentation des coûts de processus14, par exemple une diminution de la productivité et une augmentation du taux de défauts dus à la rupture et au remplacement de la matrice. Des études ont été menées pour prédire la durée de vie des matrices de forgeage à froid et réduire les coûts de processus. La façon la plus courante de prédire la durée de vie d’une matrice de forgeage à froid est d’utiliser la FEM. Cependant, ces méthodes ne prédisent pas quantitativement la durée de vie limite, mais restent dans une analyse qualitative13,15. D'autre part, certaines études sont menées selon lesquelles la rupture de la matrice de forgeage est causée par une fissuration par fatigue14,16,17. Tanrıkulu a calculé la limite de fatigue du matériau de la matrice de forgeage à froid et a présenté une formule empirique pour prédire la durée de vie limite de la matrice en fonction de la valeur de contrainte agissant sur la matrice par simulation numérique18. De plus, des études similaires visant à prédire la durée de vie des matrices de forgeage à froid se poursuivent19,20,21,22,23.