Simulation par éléments finis du forgeage des métaux : application à la frappe à froid de boulons d’acier

Finite element simulation of metal forging. Application to the cold heading of steel fasteners

¹ Département de génie physique et de génie des matériaux, École Polytechnique de Montréal, Québec, Canada
² Advanced Technology, Ivaco Rolling Mills, L’Orignal, Ontario, Canada

Résumé

Cet article présente quelques éléments théoriques puis l’utilisation pratique de Forge2^®, qui est un code d’éléments finis, pour simuler l’écoulement plastique instationnaire des métaux lors du forgeage de pièces axisymétriques ou en déformation plane. Les aspects pratiques sont illustrés par la simulation et l’analyse des résultats d’une séquence de frappe à froid de boulons d’acier. Ces calculs mettent en évidence la possibilité de prédire les risques de rupture ductile (en particulier sur le pourtour de la tête des boulons) grâce à l’évolution d’un paramètre d’endommagement basé sur une combinaison de déformation et de contrainte de tension. La calibration du critère de rupture (endommagement critique) pour différents matériaux permettra de choisir le matériau le plus économique qui peut être forgé sans risque de rupture dans une application donnée.

Abstract

This paper presents some theoretical elements and the practical use of Forge2^®, a finite element software for modelling unsteady plastic flow of metals during the forging of axisymmetrical or plane-strain parts. The practical use is illustrated by modelling the forging sequence of a cold-headed steel fastener. The computations show that it is possible to predict the risks of ductile fracture (especially around the bolt head) using the evolution of a damage parameter combining the effects of strain and tensile stress. By calibrating the fracture criterion (critical damage) for different materials, the engineer can choose a cost effective material that can be forged without failure in a given application.