Neste trabalho é realizado um estudo teórico-experimental do processo de forjamento a quente em matriz fechada de peças tubulares, denominadas comercialmente por flanges. O material utilizado para fabricação das peças é a liga de alumínio AA 6351. Normalmente, tais peças são forjadas a partir de billets maciços e os furos centrais são, posteriormente, usinados. Desta forma, este trabalho visa o estudo do uso de billets vazados em substituição aos maciços minimizando a perda de material e força necessária para o forjamento que podem ser relativamente significativos dependendo do peso, geometria da peça, e tamanho do lote produzido. O processo de forjamento foi planejado e executado com auxilio de softwares, onde o projeto do ferramental foi realizado em programa de CAD 3D da empresa SolidWorks, e a simulação numérica computacional, aplicada para predizer o comportamento do material no final do forjamento, no programa Simufact. Forming 11.0. Foram analisados, por simulação numérica computacional, dados como a estimativa da força necessária para forjar a peça em estudo, preenchimento da matriz, escoamento do material e as deformações finais. Utilizam-se cálculos analíticos, baseados na Teoria Elementar da Plasticidade (TEP), para estimar a força necessária para o forjamento. Os resultados obtidos experimentalmente validam a utilização de métodos numéricos e analíticos para desenvolvimento de processos de forjamento. Os resultados de força obtidos utilizando o modelo matemático da Teoria Elementar da Plasticidade (TEP) foram os que mais se distanciaram da força real necessária para o forjamento, no caso do billet maciço foi de 2706 kN, enquanto que a força utilizada no experimento foi de 3432 kN e com a utilização do billet vazado a força calculada pela TEP foi de 2579 kN e a real foi de 2451 kN. Já a simulação indica valores necessários de 2432 kN para o billet vazado e 2814 kN para o billet maciço. Conclui-se, então, que com a utilização de billets vazados a força para o forjamento e o material utilizado são inferiores, assim, comprovando sua vantagem em relação ao processo de fabricação convencional. / In this paper is done a theoretical-experimental study of the hot forging process in closed die of tubular components, commercially known as flanges. The material used for the manufacture process of the pieces is AA6351. These pieces are usually forged from massive billets and the central holes are subsequently machined. In this way, this paper aims the use of hollow billets instead of the massive ones, minimizing the loss of material and strength used in forging that can be relatively significant depending on the weight, geometry of the piece and size of the batch produced. The forging process was planned and done with the help of software where the tooling project is performed in CAD 3D from Solidworks, and the computer numerical simulation applied to predict the material behavior at the final of the forging process in Simufact Forming 11.0. Data as strength, die filling, material draining and final deformation are analyzed by computer numerical simulation. Analytical calculation, based on the Plasticity Elementary Theory (TEP), are performed in order to estimate the necessary strength for the forging process. The results, experimentally obtained, validate the use of numerical and analytical methods in forging process development. The strength results obtained using the mathematical model of Plasticity Elementary Theory, were the farthest from the real required strength used in forging. As with the massive billet, the strength was 2706 kN while the strength used in the experiment was 3432 kN and using de hollow billet the estimated strength calculated by the TEP was 2579 kN while the real one was 2451 kN. Yet, the simulation indicates required values of 2432 kN for the hollow billet and 2814 kN for the massive billet. We can therefore conclude that when using hollow billets the strength required in forging and the used material are inferior, thus proving its advantage in relation to the conventional manufacture process.

L’alliage Ti-5553 destiné à la fabrication des trains d’atterrissage suit au cours de sa mise en forme, un schéma thermomécanique assez complexe composé par des étapes de forgeage successives dans les domaines monophasé β et biphasé α+β. Ainsi dans le but de rendre possible l’optimisation de ses gammes de forgeage, un important développement des connaissances sur la rhéologie et sur les évolutions microstructurales au cours du traitement thermomécanique est donc nécessaire pour l’entreprise Messier Bugatti Dowty. L’objectif ici est de déterminer expérimentalement la rhéologie et de modéliser le comportement mécanique ainsi que la caractérisation des microstructures de l’alliage Ti-5553 au cours des séquences de déformations dans les domaines et. La détermination expérimentale de la rhéologie à chaud de l’alliage Ti-5553 a été réalisée d’une part au moyen d’essais de compression uniaxiale dans les domaines biphasé et monophasé, ce qui a permis d’identifier une loi de comportement du matériau dans le domaine pour les deux états "billette" et "pièce forgée", de décrire le comportement rhéologique du Ti-5553 dans les domaines de température, de vitesse et de déformation comprises respectivement entre 720 et 990 °C ; 0,001 et 1 s–1 ; 0,1 et 1,2. C’est ainsi qu’un modèle rhéologique a été proposé, basé sur la Loi de Hansel et Spittle qui prend en compte l’évolution de la contrainte d’écoulement du matériau en fonction de la vitesse de déformation et de la température.Par ailleurs, les analyses microstructurales réalisées en microscopie optique, aux rayon X, au MEB et en EBSD ont permis de caractériser les tailles des grains  et , des textures des états initiaux et de déformés, et de mettre en évidence un phénomène de précipitation dynamique de la phase . / Ti-5553 alloy used for landing gear manufacturing has a complex thermomechanical diagram during hot working process which consists of successive forging steps in the single phase β and the two phase α+β regions. For this purpose, in order to optimize theTi-5553 forging process in Messier-Bugatti-Dowty Company, significant development of knowledge of rheology and the microstructural evolution during thermomechanical processing is necessary. The aims of this work are: i) to find out experimentally the rheology, ii) to model the mechanical behavior, and iii) to characterize the microstructural changes during different strain sequences in theα+β and β regions.Uniaxial compression tests were carried out in order to determine the rheology of the Ti-5553 alloy in the single and the two-phase region. The latter provide the behavior of the alloy in the two initial states, “billet” and “as forget”. This information was used to determine the rheological behavior of the material in the temperature range 720 to 990 ˚C, strain rate range 0.001 to 1 s-1 and strains in the range 0.1 to 1.2. A rheological model of the material behavior based on Hansel-Spittle equations was proposed which takes into account the dependence of the flow behavior of the material with strain rate and temperature.Moreover, characterisation methods such as optical, scanning electron microscopies, X-rays and EBSD analyses were used to examine the microstructures in the initial state (undeformed) and the deformed material. These techniques allowed the measurement of alpha and beta grain sizes as well as the texture of the material at different conditions (undeformed and deformed material). The results also indicated that a dynamic α-phase precipitation phenomenon in the material can take place during the hot working process.

Une nouvelle approche appelée “Approche Pseudo Inverse” (API) est développée pour la modélisation du procédé de forgeage à froid des pièces axisymétriques. L'API est basée sur la connaissance de la forme de la pièce finale. Certaines configurations intermédiaires « réalistes » ont été introduites dans l'API pour considérer le chemin de déformations. Elles sont créées géométriquement sans traitement de contact et ensuite corrigées par la méthode de surface libre afin de respecter l'équilibre, les conditions aux limites et la condition d'incompressibilité. Un nouvel algorithme direct de plasticité est développé, conduisant à une méthode d'intégration plastique très rapide, précise et robuste même dans le cas de très grands incréments de déformations. Un modèle d'endommagement en déformation, est couplé à la plasticité et implémenté dans l'API. Les validations numériques montrent que l'API donne des résultats très proches des résultats de l'approche incrémentale mais en utilisant beaucoup moins de temps de calcul.L'API est adoptée comme solveur du forgeage pour la conception et l'optimisation des préformes du forgeage multi-passes. La rapidité et la robustesse de l'API rendent la procédure d'optimisation très performante. Une nouvelle technique est développée pour générer automatiquement le contour initial d'un outil de préforme pour la procédure d'optimisation. Les variables de conception sont les positions verticales des points de contrôle des courbes B-spline définissant les formes des outils de préforme. Notre optimisation multi-objectif consiste à minimiser la variation de la déformation plastique équivalente dans la pièce finale et la force du poinçon au cours du forgeage. Un algorithme génétique et un algorithme de recuit simulé sont utilisés pour trouver les points d'optimum de Pareto. Pour réduire le nombre de simulations de forgeage, un méta-modèle de substitution basé sur la méthode de krigeage est adopté pour établir une surface de réponse approximative. Les résultats obtenus par l'API en utilisant les outils de préforme optimaux issues de l'optimisation sont comparés à ceux obtenus par les approches incrémentales classiques pour montrer l'efficacité et les limites de l'API. La procédure d'optimisation combinée avec l'API peut être un outil numérique rapide et performant pour la conception et l'optimisation des outillages de préforme. / A new method called “Pseudo Inverse Approach” (PIA) is developed for the axi-symmetrical cold forging modelling. The PIA is based on the knowledge of the final part shape. Some « realistic » intermediate configurations are introduced in the PIA to consider the deformation path. They are created geometrically without contact treatment, and then corrected by using a free surface method in order to satisfy the equilibrium, the boundary conditions and the metal incompressibility. A new direct algorithm of plasticity is proposed, leading to a very fast, accurate and robust plastic integration method even in the case of very large strain increments. An isotropic damage model in deformation is coupled with the plasticity and implemented in the PIA. Numerical tests have shown that the Pseudo Inverse Approach gives very close results to those obtained by the incremental approach, but using much less calculation time.The PIA is adopted as forging solver for the design and optimization of preform tools in the multi-stage forging process. The rapidity and robustness of the PIA make the optimization procedure very powerful. A new method is developed to automatically generate the initial preform tool shape for the optimization procedure. The design variables are the vertical positions of the control points of B-spline curves describing the preform tool shape. Our multi-objective optimization is to minimize the equivalent plastic strain in the final part and the punch force during the forging process. The Genetic algorithm and Simulated Annealing algorithm are used to find optimal Pareto points. To reduce the number of forging simulations, a surrogate meta-model based on the kriging method is adopted to build an approximate response surface. The results obtained by the PIA using the optimal preform tools issued from the optimization procedure are compared to those obtained by using the classical incremental approaches to show the effectiveness and limitations of the PIA. The optimization procedure combined with the PIA can be a rapid and powerful tool for the design and optimization of the preform tools.

Les pièces métalliques constituant le circuit primaire des installations nucléaires sont élaborées par forgeage à chaud. Pendant ce procédé, les transformations microstructurales induites par la déformation et les recuits déterminent une partie des propriétés mécaniques des produits finaux. L’orientation de la microstructure lors du processus de fabrication nécessite une connaissance précise des mécanismes physiques qui opèrent dans le matériau. Dans le cas de la déformation à chaud de l’acier austénitique 304L, ces modifications microstructurales dépendent de la recristallisation dynamique discontinue (DDRX) et de la recristallisation post-dynamique (PDRX). L’objet de ce projet est : (i) l’étude de la DDRX et de la PDRX dans les conditions de déformation du procédé de forgeage, (ii) l’étude de l’influence d’un ajout de niobium sur ces mécanismes, (iii) la modélisation de ces mécanismes afin de prédire les caractéristiques de la microstructure (moyenne et distribution de la taille des grains) à l’issue d’un procédé multipasses. Dans le cadre de l’étude, les conditions de déformation rencontrées lors du forgeage à chaud sont reproduites à l’aide d’essais de torsion sur des matériaux modèles contenant des teneurs en niobium différentes. La caractérisation et la modélisation des microstructures a permis de comprendre les effets respectifs de la température, de la vitesse de déformation ainsi que de l’ajout de niobium sur les mécanismes de la DDRX et de la PDRX. Dans cette étude, une nouvelle approche semi-topologique de l’hypothèse champs moyens est développée afin de permettre la prédiction de distributions de la taille de grain cohérentes avec les données expérimentales. / Cooling system of nuclear power plants is constituted of metallic parts obtained by hot forging. Thus during the manufacturing process, the microstructural trans- formations induced by the deformation and annealing process define partially the mechanical properties of the final products. A sharp knowledge of the physical mechanisms generated within the material is required to handle the microstructure. In the case of hot deformation of 304L austenitic stainless steel, the microstructural modifications depend on the discontinuous dynamic recrystallization (DDRX) and the post-dynamic recrystallization (PDRX). The aim of this project is: (i) the study of the DDRX and the PDRX under the conditions of deformation inherent in the forging process, (ii) the study of the influence of niobium addition on these mechanisms, (iii) the modeling of these me- chanisms in order to predict the microstructure characteristics (mean grain size and distribution) following a multipass process. As part of the research, the deformation conditions experienced during the hot forging process are replicated through torsion tests with model materials containing various niobium concentrations. Characterization and modeling of microstructures enable to understand the respective e ects of temperature, strain rate as well as niobium addittion on the DDRX and PDRX mechanisms. In this study, a new topological approach of mean-field hypothesis is developed in order to allow the prediction of realistic grain size distributions.

Der Beitrag befasst sich mit einem Überblick über das Forschungsprojekt SiPro, im Rahmen der Förderung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimapolitik. Ziel des Projektes ist es, einen Durchbruch in der horizontalen Datenintegration entlang der Prozesskette Gießen, Schmieden, Wärmebehandlung und den nachfolgenden Prozessen, wie Walzen, Gesenkschmieden und Ziehen zu erreichen. Ausgehend davon ist eine Optimierung der Prozesse möglich, was letztendlich zur Einsparung des Energieeinsatzes und damit zu einer verbesserten Wettbewerbsfähigkeit verbunden mit einer Reduzierung des CO2-Ausstoßes führt.