Les chercheurs de Timken Vikram Bedekar (à gauche) et Rohit Voothaluru visent à améliorer les processus de fabrication des roulements en utilisant des neutrons au HB-2B de HFIR. Crédit :ORNL/Geneviève Martin
Les roulements sont utilisés dans de nombreuses applications courantes telles que les roues, exercices, et même des jouets comme le populaire fidget spinner. Ces applications et d'autres similaires s'appuient sur des roulements pour permettre une fluidité, mouvement efficace pour des millions de rotations.
Des chercheurs de The Timken Company, un des principaux fabricants internationaux de roulements, utilisent la diffusion de neutrons au laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'Énergie (DOE) pour prolonger la durée de vie des roulements en acquérant une meilleure compréhension de la façon dont les contraintes résiduelles internes créées pendant le processus de fabrication affectent leurs performances.
Les roulements sont fabriqués avec précision pour avoir des tolérances serrées et s'adapter parfaitement et sont conçus pour durer de nombreuses années sous des charges extrêmes et une utilisation et un fonctionnement intensifs. La performance est particulièrement importante dans des domaines comme l'aérospatiale et l'exploitation minière où la sécurité est vitale. Cependant, les contraintes résiduelles, qui sont de petites déformations élastiques internes dans la structure du matériau, peuvent avoir un impact significatif sur la réduction de la durée de vie et de la fiabilité d'un roulement.
« Les contraintes résiduelles sont générées principalement par le procédé de fabrication, " dit Vikram Bedekar, un spécialiste des matériaux chez Timken. "Tous les processus par lesquels ils passent - le remodelage et l'exposition à une chaleur élevée - créent un stress résiduel. Si vous avez beaucoup de stress, la pièce peut se déformer. Cela pourrait déformer tellement que vous ne pouvez pas utiliser ou récupérer la pièce."
En général, la fabrication des roulements commence avec de l'acier formé à la forme d'un anneau. Prochain, un tour est utilisé pour obtenir la taille désirée. À ce moment, la partie est toujours "verte, " dit Bedekar, ce qui signifie qu'il est toujours considéré comme mou et n'est pas prêt à l'emploi. Un traitement thermique est ensuite appliqué pour durcir le matériau. Finalement, la pièce est finie à l'aide d'un tour ou d'une meuleuse pour éliminer l'excès de matière.
Les neutrons fournissent aux chercheurs des informations uniques sur la structure atomique d'un matériau en raison de leurs propriétés hautement pénétrantes. Précédemment, les chercheurs utilisaient des rayons X de laboratoire pour examiner les roulements, mais les chercheurs n'ont pu sonder que jusqu'à 200 microns à l'intérieur d'un roulement. Les neutrons leur donnent la capacité de regarder des sections entières de roulements à de plus grandes profondeurs.
Grands roulements Timken couramment utilisés dans les applications industrielles. Parce que les neutrons sont très pénétrants, ils peuvent sonder les métaux plus profondément que des méthodes similaires telles que les rayons X. Chaque roulement provient d'une étape différente du processus de fabrication. Crédit :ORNL/Geneviève Martin
« Les rayons X standard ne sont pas assez puissants pour parcourir une section, " a déclaré Bedekar. " Les neutrons sont le seul moyen de le traverser et de voir à l'intérieur. "
En utilisant l'installation de cartographie des contraintes résiduelles neutroniques (NRSF2), HB-2B, au réacteur isotopique à haut flux de l'ORNL (HFIR), les chercheurs ont pu cartographier les différentes contraintes internes à chaque étape du processus de fabrication. Les données neutroniques leur ont permis d'observer comment l'état de contrainte d'un roulement change à chaque itération. Les chercheurs disent avoir choisi d'utiliser NRSF2 car il est particulièrement adapté à ce type d'expérience.
"Nous cherchions ce que nous pouvons faire en termes de cartographie des contraintes résiduelles, " a déclaré Rohit Voothaluru, un spécialiste du développement de produits chez Timken. "Nous sommes venus à NRSF2 parce que nous pensions que nous pouvions caractériser toute la gamme d'échantillons et voir les contraintes résiduelles."
L'équipe indique qu'elle a l'intention d'utiliser les données de cartographie des contraintes résiduelles pour améliorer ses modèles de calcul afin d'améliorer les prévisions de contraintes internes et d'optimiser les processus de fabrication.
"Finalement, nous pouvons adapter le traitement ou adapter la contrainte résiduelle aux performances souhaitées du roulement, " dit Bedekar.
« Nous avons aujourd'hui un modèle informatique qui peut fournir une direction qualitative, " a déclaré Voothaluru. " Mais pour avoir un modèle quantitatif plus fondamentalement basé sur la physique réelle du processus, tout en capturant en temps réel la déformation résiduelle du sous-sol, est quelque chose qui nécessite une validation empirique approfondie. Nous voulons valider notre modèle et le faire passer au niveau supérieur."
