CA2066438A1 - Procede d'amelioration de l'emboutissabilite d'une tole ou d'un flan de tole metallique - Google Patents
Procede d'amelioration de l'emboutissabilite d'une tole ou d'un flan de tole metalliqueInfo
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Abstract
2066438 9103334 PCTABS00104 Ce procédé est caractérisé en ce que, avant emboutissage, on dépose sur les outils d'emboutissage ou sur la tôle un sel d'un métal alcalin choisi dans le groupe formé par Li, Na, K et d'un anion chimiquement inerte à l'égard du métal constitutif de la tôle choisi parmi les phosphates. Le dépôt de sel est préférentiellement réalisé par application sur les outils ou sur la tôle d'une solution dudit sel.
Description
~ 0 91/0333~ PCT/FR90/~06~3 "
PROCEDE D'AMELIORATION D- L'EMBOU~ISSABILITE D'UNF TOLE OU
D'UN FLAN DE TOLE METALLIQUE
La présente invention concerne un procédé d'amélioration de l'emboutissabilité de tales ou flans de tales métalliques notam-ment en acier et la mise en oeuvre de ce procéde soit lors del'emboutissage, soit préalablement par tr~itement de la tale des-tinée à être emboutie. Elle concerne aussi la tale ainsi traitée.
Le principe bien connu de l'emboutissage consiste à déformer plastiquement un flan de tôle maintenu à sa périphérie entre une matrice et un serre-flan au moyen d'un poin~on, la matrice et le poinc,on ayant une configuration déterminée en fonction de la forme désirée du produit embouti.
Le poin~on, la matrice et le serre-flan qui sont les organes mis au contact du flan lors de l'opération d'emboutissage, seront appelés dans leur ensemble par la suite outils d'emboutissage.
Dans les procédés de mise en forme pa déformation plastique, tels que l'emboutissage, le coefficient de frottement tôle-outil joue un rôle important. Il peut limiter la capacité de déformation de la tale, et conduire à des ruptures du flan s'il est trop elevé.
La lubrification, l'état de surface et la nature des outils sont des paramètres sur lesquels on peut agir pour diminuer le frottement.
Lors de l'emboutissage, ia surface de contact de ces oùtils avec le flan est lubrifiée, généralement par un lubrifiant liquide ou huile d'emboutissage pour faciliter la déformation du flan, réduire le coefficient de frottement entre flan et outils et limi-ter ainsi les risques de grippage et de rupture du flan.
Toutefois cette lubrification n'est pas toujours suffisante pour éviter le grippage et la rupture du flan de tale, notamment lorsque la pression d'emboutissage est importante.
Pour résoudre ces problèmes, il a dejà été proposé de réali-ser un traitement de surface de la tôle à emboutir. On connaît en particulier des procédés de conversion chimique de la surface de la tôle, tels que la phosphatation, qui permettent d'abaisser le coefficient de frottement tôle-outil et favorisent ainsi la mise ~
.,: :
en forme du flan Un tel traitement est toutefois cou-teux, et ne peut etre appliqué à toutes les tôles à être embouties.
On connaît ainsi par le document US-A-3 390 562, un procédé d'emboutissage selon lequel on utilise une composition lubrifiante constituée d'une huile et de sels. Mais cette composition ne peut être homogène. Il en résulte que la capacité lubrifiante d'un tel produit n'est pas constante en tout point de la tôle, car le sel n'est pas uniformément réparti à sa surface, ce qui perturbe l'operation d'emboutissage.
aussi Un inconvénient de ces procédés réside/~ans Ie fait q~'ils provoquent ~ne modification des caractéristiques chimiques d'une couche de métal à la surface de la tole. Aussi minime soit-elle, cette couche persistant en surface après mise en forme de la plèce peut s'avérer gênante pour l'utilisation de la pièce obtenue. Il peut nota~ment y avoir incompatibilité entre les caract~ristiques de surface obtenues et des traitements chimiques souhaités après mise en forme. D'autres inconvénients quant à l'utilisation des pièces après mise en forme, peuvent aussi être rédhibitoires. Par - exemple, la phosphatation des tôles constitue une gêne amportante lors du soudage des pièces qui y ont été soumises.
Un autre inconvénient de ces procédés réside dans la lourdeur et le coût des installations industrielles nécessaires pour ces traitements de surface, Une installation de phosphatation de tôle~
est couteuse autant par l'importance du matériel constituti~, que par ses forts besoins énergétiques. De plus, les procédés de con-version -chimique impliquent une durée minimale de traitement et donc, pour un traitement sur une ligne de fabrication continue, une longueur et un encombrement importants de 1'installation de traitement.
D'autres tentatives ont été faites par ailleurs pour amélio- , rer les carsctéristiques lubrifiantes des huiles d'emboutissage.
Cependant, le risque de grippage subsiste, surtout dans le~ zones soumises à de fortes pressions, telles que les bords de outils, où la lubrification par de telles huiles peut s'av~rer insuffi-sante.
FEUll LE DE REMPLAg::E~ lE,~l La présente invention a pour but de résoudre ces différents problèmes et de supprimer les inconvénients précités.
Avec ces objectifs en w e l'inven~ion a pour objet un procédé
d'amélioration de l'emboutissabilité de tales ou flans de tales S métalliques notamment en ~cier, nu ou revêtu, caractérisé en ce que, avant emboutissage'/on depose sur la tôle, ou sur l'outil dlemboutlqssage~/un sel d'un métal alcalin choisi dans le groupe formé par Li, Na, K, et d'un anion chimiquement inerte à l'égard ..
F~tLLI~ E REMPL~C:EM
~;U~ iEFT
du metal constitutif de la tôle, choisi parmi les phos-phates, le dépôt dudit sel étant réalisé par application sur lesdits outils ou ladite tôle d'une solution dudit sel à l'exclusion d'une huile.
Selon une première application, le procédé est mis en oeuvre lors de l'emboutissage de flans de tôle métallique, au moyen d'ou-tils d'emboutissage comprenant une matrice, un serre-flan et un poinc,on, et le dépôt est réalise par application sur les outils d'une solution ~udit sel.
Selon une vari~nte de l'invention, l'application de ladite solution est faite sur les outils préalablement dégraissés. On peut ensuite procéder au séchage des outils. On peut alor~ soit huiler les outils par un lubrifiant d'emboutissage, avant de pro-céder à l'emboutissage du flan, soit emboutir directement le flan de tôle préalablement huilé.
Selon une autre variante, l'application du sel ou de la solu-tion est réalisée sur les outils préalablement huiles, L'application de la solution peut être préférentiellement réalisée par dépôt de gouttes de ladite solution, réparties sur les outils ou localisées dans certaines zones de ceux-ci particu-- lièrement susceptibles de grippage, telles que les surfsces en regard de la matrice et du serre-flan, ou les zones les plus anguleuses des outils.
Grâce ~ l'invention, les risques de grippage et de rupture du flan peuYent être considérablement réduits, voire supprimés. De plus la pression du serre-flan peut être augmentée sans accroitre ce risque, ce qui améliore le confinement des bords du flan entre la matrice et le serre-flan et évite la formation de plis ou ondu-lationis sur ces bords. De plus encorej l'application dudit sel évite, dans le cas où un grippage se produirait quand même ~u cours d'une op~ration d'emboutissage, l'adh~sion sur les outils des grippures, c'est-~- dire des traces du métal const~tutif de la tôle emboutie et arrachée de celle-ci lors de l'éventuel grippage.
FE~lllLLE DE REP~PLACEMENT
SU~S~E;ET :~
3a En conséquence, la pièce emboutie lors de l'opération suivante ne risque pas d'être détérioree par des grippures adhérentes aux outils.
Une explication proposée par les inventeurs a l'amélioration de l'emboutissage observée, est que le sel dépose sur l'outil constitue un agent saponifiant qui provoque par réaction avec -.,.~ ,/ , ~.
... : ~-FE~UI~LF Dil~ REMPLAGEMENT
SU~TlT~ SH~ET
~ PCT/FR90/0()643 . ,*~.~, }, I'huile d'emboutissage un savon, cette réaction se produisant notamment grâce aux conditions de pression et de température creées au niveau des surfaces de contact outil-flan lors de l'em-boutissage.
5Selon une autre application du procédé, le dépôt de sel peut être effectué sur la tôle avant emboutissage, ou même lors de sa fabrication.
L'invention a donc aussi pour objet une tôle métallique caractérisée en ce qu'elle comporte sur au moins une face un film d'un produit saponifiant provoquant la for~ation d'un savon par réaction avec une huile, cette huile étant du type de celles uti-lisées co~munément lors des opérations d'emboutissage. On notera qu'ici et dans la suite de ce mémoire le terme "emboutissage" sera utilisé pour désigner de manière générale tous les procédés de mise en forme par déformation plastique des tôles.
Préférentiellement, ledit produit est un sel d'un métal alca-lin choisi dans le groupe formé par Na, K, Li, déposé à la surface ~de la tôle à raison de plus de lO milligrammes par m~ de surface et moins de lOO mg/m'. - -20Préférentiellement encore, ledit sel est un sel d'un anion chimiquement inerte à l'égard du metal constitutif de la tôle choisi parmi les phosphates.
Un autre objet de l'invention est un procédé de réalisation de la tôle ci-dessus, ce procédé étant caractérisé en ce qu'on dépose le sel de métal alcalin par application sur la surface de la tôle d'une solution aqueuse dudit sel puis on sèche la tole ainsi traitée, pour évaporer le solvant.
Préférentiellement cette solution contient de 10 à 100 g dudit sel par litre d'eau.
30Préférentiellement encore, la solution comprend des ions potassium, phosphate et des ions hydronium, et elle est neutrali-see.
L'application de la solution sur la tôle pourra notamment être réalisée par aspersion, immersion ou enduction, la tôle étant séchée immédiatement après application de la solution.
La présente invention, prise dans l'une de ses différentes ~o 91/03334 PCT/FR90/006~3 b :7 ~ 3 ~ ~J ~
dispositions exposées ci-dessus, permet de réduire considérable-ment la valeur du coefficient de frottement tôle-outil lors de l'emboutissage, et ceci que les tôles soient, préalablement au traitement, nues ou revêtues par exemple zinguées.
Par rapport aux tôles précédem~ent citées, traitées par con-version chimique de leurs surfaces, les tôles selon l'invention se révèlent très économiques. Leur procédé de fabrication permet de réaliser un gain de place appréciable quant à l'installation nécessaire à sa mise en oeuvre.
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la àescription qui va être faite à titre d'exemple d'une part d'es-sais mettant en oeuvre un procéde conforme à l'invention dans le cas où on dépose ledit sel sur les outils d'emboutissage, d'autre part d'essais comparatifs de tôles traitées selon l'invention et soumises ensuite à emboutissage.
On se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est un graphique montrant deux courbes repré-sentatives du coefficient de frottement en fonction de la pres-sion, ces courbes étant établies dans les mêmes conditions opéra-toires pour des tôles respectivement traitées et non traitées ;
- la figure 2 est un graphique montrant pour différents essais, la variation de pression P de serre-flan provoquant la rupture du flan, en fonction de la quantitié Q de sel déposé sur la tôle, exprimée en mg de potassium par m~.
On va d'abord décrire les essais réalisés en déposant le sel sur les outils d'emboutissage.
Ces essais ont été réalisés ~vec un outillage classique d'emboutissage sur des flans de tôle nue et de tôle électrozin-guée sur une face.
Le dépôt de sel sur les outils a été réalisé par application d'une solution de K~PO~, 2H~O diluée dans de l'eau à des concen-trations de 5 à 20 grammes par litre.
Plusieurs essais ont été réalisés, consistant à emboutir plusieurs flans avec le même outillage dans des conditions opéra-toires différen~es, le rapport du diamètre du flan au diamètre du poinfon étant dans tous les cas de 2,1.
~0 91/0333~ P~T/FR90/006~3 ~,~s Pour chaque essai, on a recherché la force de serre-flan nécessaire pour obtenir la rupture d~l flan.
Pour chaque nuance de tôle, nue ou revêtue sur une face, les essais suivants ont été réalises :
- emboutissage selon le procédé classique, sans application de la solution de X,PO "
- emboutissage selon l'invention, avec application de la solution de K3PO~ sur le poinc,on, la matrice et le serre-flan propres et préalablement dégraissés, et selon deux méthodes, l'une consis-tant à emboutir le flan sans séchage préalable de l'outil posté-rieurement à l'application et laissant donc subsister sur les outils un excès d'eau, et l'autre consistant à emboutir le flan après séchage de l'outil, - emboutissage selon l'invention, avec application de la solution sur les outils préalablement huilés.
Les résultats de ces essais sont indiqués dans le tableau ci-dessous, où la force de serre-flan nécessaire pour obtenir la rup-ture du flan a été indiquée pour chacun des essais precites :
Conditions K3PO,,-, 2HIO sur outil ~PO~,2H~O IGain : Nuances classiques propre et dégraissé sur outil en _ en excès d'eau après séchage huilé %
Tôle nue 180 kN 240 kN240 kN 240 kN 33 _ .
Tôle revêtue . ~ :
1 face 120 kN 180 kN180 kN 1~,0 kN 50 ~evêtement .
côté Matrice D'autres essais ont également éte réalisés pour déterminer la quantité de sel à déposer sur les outils, nécessaire pour obtenir une a~élioration notable de 1'emboutissabilité par rap-port aux procédés classiques.
On peut remarquer que grâce au procédé selon l'invention, la - ' . . . :
:: ,:, ,. ,: , . . . ,. i . ,:
W o 91/03334 '~ 3 ~ PCT/FR90/006~3 : .
force de serre-flan à la rupture du flan est augmentée de 33 %
dans le cas de l'emboutissage d'un flan de tôle nue, et de 50 dans le cas de tôle revêtue.
Le procédé selon l'invention permet d'augmenter considéra-blement la force de serre-flan avant rupture, et donc la latitude de réglage de la presse d'emboutissage. Ainsi grâce au procédé
selon l'invention, on peut augmenter la force de serre-flan, sans augmenter le risque de grippage et de rupture, et donc par exem-ple réaliser en une seule passe des pièces embouties plus profon-des que dans les procédés d'emboutissage selon l'art antérieur,ou réduire la formation de plis ou ondulations dans ces pièces.
Les résultats de ces essais sont consignés dans le tableau ci-dessous, qui indique, pour chaque nuance de tôle et dans les deux cas d'emboutissage selon l'invention, avec application de sel sur les outils préalablement dégraissés, la concentration de potassium en milligramme par m' de surface des outils. Dans ces essais, on a déposé sur les outils une quantite constante de solution, en changeant la concentration en potassium de cette solution.
Concentration en potassium en mg/m' . .
sur outil Nuances Après séchage/
En excès d'eau évaporation du surplus d'eau .
Tôle nue 350 200 Tôle revêtue 150 I 100 -On peut ainsi constater que dans le cas d'un séchage après application de la solution sur les outils, et donc évaporation de l'eau en excès, la quantité de K3PO4, H,O nécessaire est notable-ment diminuée par rapport au cas où l'emboutissage est réalisé
sans séchage préalable des outils.
Les inventeurs ont par ailleurs constaté lors de ces essais, U'O 91/03334 PCT/FRgO/00643 que 1'emploi d'une solution peu concentrée en potassium et donc, à
quantité égale de sel déposé, une plus grande quantité de solu-tion, et donc d'eau, utilisée, retarde l'action du sel et provoque un effet de ventouse entre matrice et serre-flan gênant lors de l'emboutissage.
Il est donc préférable de procéder à un séchage au moins par-tiel des outils après application de la solution, tant pour rédui-re la quantité de sel nécessaire, que pour améliorer l'emboutissa-bilité, ce séchage étant préférentiellement réalisé par de l'air chaud pulsé.
Les inventeurs ont également constaté que l'amélioration de l'emboutissabilité par la mise en oeuvre du procédé selon l'inven-tion est pratiquement immédiate lors de 1'emboutissage de tôle revêtue, alors qu'avec les flans de tôle nue, cette amélioration n'apparait qu'après emboutissage, réalisé avec une pression de serre-flan réduite, de quelques flans.
D'autres essais encore ont permis de déterminer la durabilité
de l'effet de l'application du sel sur l'outil. Pour cela, il a été procédé à une application préalable de la solution, puis plu-sieurs flans ont été successivement emboutis sans renouvellementde l'application, l'emboutissage étant alors realisé avec une for-ce de serre-flan correspondant à environ la moitié du gain possi-ble déterminé par la première série d'essais (soit environ 210 kN
pour la tôle nue). On a pu ainsi emboutir sans rupture de 5 à 6 flans de tôle nue et de 10 à 12 flans de tôle revêtue.
En conséquence de ces essais, il s'est révélé préférable, lors d'une campagne d'emboutissage selon le procédé de l'inven-tion, d'employer une solution de forte concentration pour démarrer plus rapidement le processus conduisant à l'amélioration de l'em-boutissabilité, et, notamment dans le cas d'emboutissage de tôle nue, de réduire la pression de serre-flan par rapport à la pres-sion recherchée en cours de cette campagne, sur les deux ou trois -premiers flans emboutis apres l'application initiale de la solu-tion.
Bien entendu, dans le cas de l'application de la solution sur les outils préalablement dégraissés, cette application ne supprime ' ~ ',' ~' ' . .. ' ;;'; . ' , ' ' `' W O 91/0333~ PfC~/FR90/00643 "~iJ~3!,f~
pas la né~essité d'une lubrification, celle-ci pouvant être réali-sée soit en lubrifiant l'outil après application de la solution, soit en utilisant des flans de tôle préalablement huilés.
On va maintenant décrire des essais réalisés par application S de sel sur la tôle, puis emboutissage de flans de la tôle ainsi traitée.
Le procédé selon l'invention a été expérimenté sur des tôles nues et sur des tôles revêtues (zinguées). Les inventeurs ont observé une amélioration plus sensible des caractéristiques d'em-boutissage pour les tôles revêtues.
Les expériences menées par les inventeurs en laboratoire et sur installations indus.rielles ont montré que des tôles non trai-tées sollicitées en emboutissage cassent à une faible pression de serre-flan (40 bars) alors que ces mêmes tôles traitées selon l'invention permettent d'atteindre des pressions de serre-flan de 140 bars avant rupture.
Il en resulte non seulement la possibilité de réaliser des emboutis sous forte pression, mais encore un accroissement impor-tant de la latitude d'emboutissage, c'est-à-dire de la fourchette de pression du serre-flan, limitée vers les pressions basses par l'apparition de plis de la forme emboutie, et vers les pressions hautes par la déchirure du flan.
Le tableau ci-dessous illustre les résultats obtenus lors d'essais d'emboutissage d'échantillons obtenus par cinq prélève-ments. La moitie des échantillons (A) des prélèvements 1, 2 et ~
ayant été traitée au laboratoire, et les echantillons (B) des pré- -lèvements 4 et 5 traités sur lignes de fabrication industrielle.
Chaque échantillon est un flan de tôle d'acier sur lequel est déposé du phosphate de sodium, en enduisant la surface de la tôle d'une solution aqueuse contenant 60 g de phosphate de sodium par litre, de manière que la quantité de phosphate de sodium soit de 20 mg/m', puis en séchant la tôle, et enfin en la revêtant d'une huile de protection ordinaire.
.
,.- , . . ., . ~ . .. .. .. . .. . . .. . . . . . . .
; d Repère Pression de serre-flan pour laquelle il y a casse (bars) S~ns traitement Avec tra1tement ..
1 40 - > 100 1 40 . > 140 1 40 A - > 140
PROCEDE D'AMELIORATION D- L'EMBOU~ISSABILITE D'UNF TOLE OU
D'UN FLAN DE TOLE METALLIQUE
La présente invention concerne un procédé d'amélioration de l'emboutissabilité de tales ou flans de tales métalliques notam-ment en acier et la mise en oeuvre de ce procéde soit lors del'emboutissage, soit préalablement par tr~itement de la tale des-tinée à être emboutie. Elle concerne aussi la tale ainsi traitée.
Le principe bien connu de l'emboutissage consiste à déformer plastiquement un flan de tôle maintenu à sa périphérie entre une matrice et un serre-flan au moyen d'un poin~on, la matrice et le poinc,on ayant une configuration déterminée en fonction de la forme désirée du produit embouti.
Le poin~on, la matrice et le serre-flan qui sont les organes mis au contact du flan lors de l'opération d'emboutissage, seront appelés dans leur ensemble par la suite outils d'emboutissage.
Dans les procédés de mise en forme pa déformation plastique, tels que l'emboutissage, le coefficient de frottement tôle-outil joue un rôle important. Il peut limiter la capacité de déformation de la tale, et conduire à des ruptures du flan s'il est trop elevé.
La lubrification, l'état de surface et la nature des outils sont des paramètres sur lesquels on peut agir pour diminuer le frottement.
Lors de l'emboutissage, ia surface de contact de ces oùtils avec le flan est lubrifiée, généralement par un lubrifiant liquide ou huile d'emboutissage pour faciliter la déformation du flan, réduire le coefficient de frottement entre flan et outils et limi-ter ainsi les risques de grippage et de rupture du flan.
Toutefois cette lubrification n'est pas toujours suffisante pour éviter le grippage et la rupture du flan de tale, notamment lorsque la pression d'emboutissage est importante.
Pour résoudre ces problèmes, il a dejà été proposé de réali-ser un traitement de surface de la tôle à emboutir. On connaît en particulier des procédés de conversion chimique de la surface de la tôle, tels que la phosphatation, qui permettent d'abaisser le coefficient de frottement tôle-outil et favorisent ainsi la mise ~
.,: :
en forme du flan Un tel traitement est toutefois cou-teux, et ne peut etre appliqué à toutes les tôles à être embouties.
On connaît ainsi par le document US-A-3 390 562, un procédé d'emboutissage selon lequel on utilise une composition lubrifiante constituée d'une huile et de sels. Mais cette composition ne peut être homogène. Il en résulte que la capacité lubrifiante d'un tel produit n'est pas constante en tout point de la tôle, car le sel n'est pas uniformément réparti à sa surface, ce qui perturbe l'operation d'emboutissage.
aussi Un inconvénient de ces procédés réside/~ans Ie fait q~'ils provoquent ~ne modification des caractéristiques chimiques d'une couche de métal à la surface de la tole. Aussi minime soit-elle, cette couche persistant en surface après mise en forme de la plèce peut s'avérer gênante pour l'utilisation de la pièce obtenue. Il peut nota~ment y avoir incompatibilité entre les caract~ristiques de surface obtenues et des traitements chimiques souhaités après mise en forme. D'autres inconvénients quant à l'utilisation des pièces après mise en forme, peuvent aussi être rédhibitoires. Par - exemple, la phosphatation des tôles constitue une gêne amportante lors du soudage des pièces qui y ont été soumises.
Un autre inconvénient de ces procédés réside dans la lourdeur et le coût des installations industrielles nécessaires pour ces traitements de surface, Une installation de phosphatation de tôle~
est couteuse autant par l'importance du matériel constituti~, que par ses forts besoins énergétiques. De plus, les procédés de con-version -chimique impliquent une durée minimale de traitement et donc, pour un traitement sur une ligne de fabrication continue, une longueur et un encombrement importants de 1'installation de traitement.
D'autres tentatives ont été faites par ailleurs pour amélio- , rer les carsctéristiques lubrifiantes des huiles d'emboutissage.
Cependant, le risque de grippage subsiste, surtout dans le~ zones soumises à de fortes pressions, telles que les bords de outils, où la lubrification par de telles huiles peut s'av~rer insuffi-sante.
FEUll LE DE REMPLAg::E~ lE,~l La présente invention a pour but de résoudre ces différents problèmes et de supprimer les inconvénients précités.
Avec ces objectifs en w e l'inven~ion a pour objet un procédé
d'amélioration de l'emboutissabilité de tales ou flans de tales S métalliques notamment en ~cier, nu ou revêtu, caractérisé en ce que, avant emboutissage'/on depose sur la tôle, ou sur l'outil dlemboutlqssage~/un sel d'un métal alcalin choisi dans le groupe formé par Li, Na, K, et d'un anion chimiquement inerte à l'égard ..
F~tLLI~ E REMPL~C:EM
~;U~ iEFT
du metal constitutif de la tôle, choisi parmi les phos-phates, le dépôt dudit sel étant réalisé par application sur lesdits outils ou ladite tôle d'une solution dudit sel à l'exclusion d'une huile.
Selon une première application, le procédé est mis en oeuvre lors de l'emboutissage de flans de tôle métallique, au moyen d'ou-tils d'emboutissage comprenant une matrice, un serre-flan et un poinc,on, et le dépôt est réalise par application sur les outils d'une solution ~udit sel.
Selon une vari~nte de l'invention, l'application de ladite solution est faite sur les outils préalablement dégraissés. On peut ensuite procéder au séchage des outils. On peut alor~ soit huiler les outils par un lubrifiant d'emboutissage, avant de pro-céder à l'emboutissage du flan, soit emboutir directement le flan de tôle préalablement huilé.
Selon une autre variante, l'application du sel ou de la solu-tion est réalisée sur les outils préalablement huiles, L'application de la solution peut être préférentiellement réalisée par dépôt de gouttes de ladite solution, réparties sur les outils ou localisées dans certaines zones de ceux-ci particu-- lièrement susceptibles de grippage, telles que les surfsces en regard de la matrice et du serre-flan, ou les zones les plus anguleuses des outils.
Grâce ~ l'invention, les risques de grippage et de rupture du flan peuYent être considérablement réduits, voire supprimés. De plus la pression du serre-flan peut être augmentée sans accroitre ce risque, ce qui améliore le confinement des bords du flan entre la matrice et le serre-flan et évite la formation de plis ou ondu-lationis sur ces bords. De plus encorej l'application dudit sel évite, dans le cas où un grippage se produirait quand même ~u cours d'une op~ration d'emboutissage, l'adh~sion sur les outils des grippures, c'est-~- dire des traces du métal const~tutif de la tôle emboutie et arrachée de celle-ci lors de l'éventuel grippage.
FE~lllLLE DE REP~PLACEMENT
SU~S~E;ET :~
3a En conséquence, la pièce emboutie lors de l'opération suivante ne risque pas d'être détérioree par des grippures adhérentes aux outils.
Une explication proposée par les inventeurs a l'amélioration de l'emboutissage observée, est que le sel dépose sur l'outil constitue un agent saponifiant qui provoque par réaction avec -.,.~ ,/ , ~.
... : ~-FE~UI~LF Dil~ REMPLAGEMENT
SU~TlT~ SH~ET
~ PCT/FR90/0()643 . ,*~.~, }, I'huile d'emboutissage un savon, cette réaction se produisant notamment grâce aux conditions de pression et de température creées au niveau des surfaces de contact outil-flan lors de l'em-boutissage.
5Selon une autre application du procédé, le dépôt de sel peut être effectué sur la tôle avant emboutissage, ou même lors de sa fabrication.
L'invention a donc aussi pour objet une tôle métallique caractérisée en ce qu'elle comporte sur au moins une face un film d'un produit saponifiant provoquant la for~ation d'un savon par réaction avec une huile, cette huile étant du type de celles uti-lisées co~munément lors des opérations d'emboutissage. On notera qu'ici et dans la suite de ce mémoire le terme "emboutissage" sera utilisé pour désigner de manière générale tous les procédés de mise en forme par déformation plastique des tôles.
Préférentiellement, ledit produit est un sel d'un métal alca-lin choisi dans le groupe formé par Na, K, Li, déposé à la surface ~de la tôle à raison de plus de lO milligrammes par m~ de surface et moins de lOO mg/m'. - -20Préférentiellement encore, ledit sel est un sel d'un anion chimiquement inerte à l'égard du metal constitutif de la tôle choisi parmi les phosphates.
Un autre objet de l'invention est un procédé de réalisation de la tôle ci-dessus, ce procédé étant caractérisé en ce qu'on dépose le sel de métal alcalin par application sur la surface de la tôle d'une solution aqueuse dudit sel puis on sèche la tole ainsi traitée, pour évaporer le solvant.
Préférentiellement cette solution contient de 10 à 100 g dudit sel par litre d'eau.
30Préférentiellement encore, la solution comprend des ions potassium, phosphate et des ions hydronium, et elle est neutrali-see.
L'application de la solution sur la tôle pourra notamment être réalisée par aspersion, immersion ou enduction, la tôle étant séchée immédiatement après application de la solution.
La présente invention, prise dans l'une de ses différentes ~o 91/03334 PCT/FR90/006~3 b :7 ~ 3 ~ ~J ~
dispositions exposées ci-dessus, permet de réduire considérable-ment la valeur du coefficient de frottement tôle-outil lors de l'emboutissage, et ceci que les tôles soient, préalablement au traitement, nues ou revêtues par exemple zinguées.
Par rapport aux tôles précédem~ent citées, traitées par con-version chimique de leurs surfaces, les tôles selon l'invention se révèlent très économiques. Leur procédé de fabrication permet de réaliser un gain de place appréciable quant à l'installation nécessaire à sa mise en oeuvre.
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la àescription qui va être faite à titre d'exemple d'une part d'es-sais mettant en oeuvre un procéde conforme à l'invention dans le cas où on dépose ledit sel sur les outils d'emboutissage, d'autre part d'essais comparatifs de tôles traitées selon l'invention et soumises ensuite à emboutissage.
On se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est un graphique montrant deux courbes repré-sentatives du coefficient de frottement en fonction de la pres-sion, ces courbes étant établies dans les mêmes conditions opéra-toires pour des tôles respectivement traitées et non traitées ;
- la figure 2 est un graphique montrant pour différents essais, la variation de pression P de serre-flan provoquant la rupture du flan, en fonction de la quantitié Q de sel déposé sur la tôle, exprimée en mg de potassium par m~.
On va d'abord décrire les essais réalisés en déposant le sel sur les outils d'emboutissage.
Ces essais ont été réalisés ~vec un outillage classique d'emboutissage sur des flans de tôle nue et de tôle électrozin-guée sur une face.
Le dépôt de sel sur les outils a été réalisé par application d'une solution de K~PO~, 2H~O diluée dans de l'eau à des concen-trations de 5 à 20 grammes par litre.
Plusieurs essais ont été réalisés, consistant à emboutir plusieurs flans avec le même outillage dans des conditions opéra-toires différen~es, le rapport du diamètre du flan au diamètre du poinfon étant dans tous les cas de 2,1.
~0 91/0333~ P~T/FR90/006~3 ~,~s Pour chaque essai, on a recherché la force de serre-flan nécessaire pour obtenir la rupture d~l flan.
Pour chaque nuance de tôle, nue ou revêtue sur une face, les essais suivants ont été réalises :
- emboutissage selon le procédé classique, sans application de la solution de X,PO "
- emboutissage selon l'invention, avec application de la solution de K3PO~ sur le poinc,on, la matrice et le serre-flan propres et préalablement dégraissés, et selon deux méthodes, l'une consis-tant à emboutir le flan sans séchage préalable de l'outil posté-rieurement à l'application et laissant donc subsister sur les outils un excès d'eau, et l'autre consistant à emboutir le flan après séchage de l'outil, - emboutissage selon l'invention, avec application de la solution sur les outils préalablement huilés.
Les résultats de ces essais sont indiqués dans le tableau ci-dessous, où la force de serre-flan nécessaire pour obtenir la rup-ture du flan a été indiquée pour chacun des essais precites :
Conditions K3PO,,-, 2HIO sur outil ~PO~,2H~O IGain : Nuances classiques propre et dégraissé sur outil en _ en excès d'eau après séchage huilé %
Tôle nue 180 kN 240 kN240 kN 240 kN 33 _ .
Tôle revêtue . ~ :
1 face 120 kN 180 kN180 kN 1~,0 kN 50 ~evêtement .
côté Matrice D'autres essais ont également éte réalisés pour déterminer la quantité de sel à déposer sur les outils, nécessaire pour obtenir une a~élioration notable de 1'emboutissabilité par rap-port aux procédés classiques.
On peut remarquer que grâce au procédé selon l'invention, la - ' . . . :
:: ,:, ,. ,: , . . . ,. i . ,:
W o 91/03334 '~ 3 ~ PCT/FR90/006~3 : .
force de serre-flan à la rupture du flan est augmentée de 33 %
dans le cas de l'emboutissage d'un flan de tôle nue, et de 50 dans le cas de tôle revêtue.
Le procédé selon l'invention permet d'augmenter considéra-blement la force de serre-flan avant rupture, et donc la latitude de réglage de la presse d'emboutissage. Ainsi grâce au procédé
selon l'invention, on peut augmenter la force de serre-flan, sans augmenter le risque de grippage et de rupture, et donc par exem-ple réaliser en une seule passe des pièces embouties plus profon-des que dans les procédés d'emboutissage selon l'art antérieur,ou réduire la formation de plis ou ondulations dans ces pièces.
Les résultats de ces essais sont consignés dans le tableau ci-dessous, qui indique, pour chaque nuance de tôle et dans les deux cas d'emboutissage selon l'invention, avec application de sel sur les outils préalablement dégraissés, la concentration de potassium en milligramme par m' de surface des outils. Dans ces essais, on a déposé sur les outils une quantite constante de solution, en changeant la concentration en potassium de cette solution.
Concentration en potassium en mg/m' . .
sur outil Nuances Après séchage/
En excès d'eau évaporation du surplus d'eau .
Tôle nue 350 200 Tôle revêtue 150 I 100 -On peut ainsi constater que dans le cas d'un séchage après application de la solution sur les outils, et donc évaporation de l'eau en excès, la quantité de K3PO4, H,O nécessaire est notable-ment diminuée par rapport au cas où l'emboutissage est réalisé
sans séchage préalable des outils.
Les inventeurs ont par ailleurs constaté lors de ces essais, U'O 91/03334 PCT/FRgO/00643 que 1'emploi d'une solution peu concentrée en potassium et donc, à
quantité égale de sel déposé, une plus grande quantité de solu-tion, et donc d'eau, utilisée, retarde l'action du sel et provoque un effet de ventouse entre matrice et serre-flan gênant lors de l'emboutissage.
Il est donc préférable de procéder à un séchage au moins par-tiel des outils après application de la solution, tant pour rédui-re la quantité de sel nécessaire, que pour améliorer l'emboutissa-bilité, ce séchage étant préférentiellement réalisé par de l'air chaud pulsé.
Les inventeurs ont également constaté que l'amélioration de l'emboutissabilité par la mise en oeuvre du procédé selon l'inven-tion est pratiquement immédiate lors de 1'emboutissage de tôle revêtue, alors qu'avec les flans de tôle nue, cette amélioration n'apparait qu'après emboutissage, réalisé avec une pression de serre-flan réduite, de quelques flans.
D'autres essais encore ont permis de déterminer la durabilité
de l'effet de l'application du sel sur l'outil. Pour cela, il a été procédé à une application préalable de la solution, puis plu-sieurs flans ont été successivement emboutis sans renouvellementde l'application, l'emboutissage étant alors realisé avec une for-ce de serre-flan correspondant à environ la moitié du gain possi-ble déterminé par la première série d'essais (soit environ 210 kN
pour la tôle nue). On a pu ainsi emboutir sans rupture de 5 à 6 flans de tôle nue et de 10 à 12 flans de tôle revêtue.
En conséquence de ces essais, il s'est révélé préférable, lors d'une campagne d'emboutissage selon le procédé de l'inven-tion, d'employer une solution de forte concentration pour démarrer plus rapidement le processus conduisant à l'amélioration de l'em-boutissabilité, et, notamment dans le cas d'emboutissage de tôle nue, de réduire la pression de serre-flan par rapport à la pres-sion recherchée en cours de cette campagne, sur les deux ou trois -premiers flans emboutis apres l'application initiale de la solu-tion.
Bien entendu, dans le cas de l'application de la solution sur les outils préalablement dégraissés, cette application ne supprime ' ~ ',' ~' ' . .. ' ;;'; . ' , ' ' `' W O 91/0333~ PfC~/FR90/00643 "~iJ~3!,f~
pas la né~essité d'une lubrification, celle-ci pouvant être réali-sée soit en lubrifiant l'outil après application de la solution, soit en utilisant des flans de tôle préalablement huilés.
On va maintenant décrire des essais réalisés par application S de sel sur la tôle, puis emboutissage de flans de la tôle ainsi traitée.
Le procédé selon l'invention a été expérimenté sur des tôles nues et sur des tôles revêtues (zinguées). Les inventeurs ont observé une amélioration plus sensible des caractéristiques d'em-boutissage pour les tôles revêtues.
Les expériences menées par les inventeurs en laboratoire et sur installations indus.rielles ont montré que des tôles non trai-tées sollicitées en emboutissage cassent à une faible pression de serre-flan (40 bars) alors que ces mêmes tôles traitées selon l'invention permettent d'atteindre des pressions de serre-flan de 140 bars avant rupture.
Il en resulte non seulement la possibilité de réaliser des emboutis sous forte pression, mais encore un accroissement impor-tant de la latitude d'emboutissage, c'est-à-dire de la fourchette de pression du serre-flan, limitée vers les pressions basses par l'apparition de plis de la forme emboutie, et vers les pressions hautes par la déchirure du flan.
Le tableau ci-dessous illustre les résultats obtenus lors d'essais d'emboutissage d'échantillons obtenus par cinq prélève-ments. La moitie des échantillons (A) des prélèvements 1, 2 et ~
ayant été traitée au laboratoire, et les echantillons (B) des pré- -lèvements 4 et 5 traités sur lignes de fabrication industrielle.
Chaque échantillon est un flan de tôle d'acier sur lequel est déposé du phosphate de sodium, en enduisant la surface de la tôle d'une solution aqueuse contenant 60 g de phosphate de sodium par litre, de manière que la quantité de phosphate de sodium soit de 20 mg/m', puis en séchant la tôle, et enfin en la revêtant d'une huile de protection ordinaire.
.
,.- , . . ., . ~ . .. .. .. . .. . . .. . . . . . . .
; d Repère Pression de serre-flan pour laquelle il y a casse (bars) S~ns traitement Avec tra1tement ..
1 40 - > 100 1 40 . > 140 1 40 A - > 140
2 40 120 . '.
4 60 - 160 .:~
4 60 160 : :
. 5 40 140 .~ S 40 . - 160 ..
D'autres essais on~.permis d'obtenir.les courbes du graphique . de la figure-l représentant la variation du coefficient de frotte-ment en fonction de la pression. Ces courbes ont été obtenues par mesure sur un tribomètre classique à surfaces parallèles, avec des tôles électrozinguées double face dont le revêtement a une épais-seur de 10 ~m.
On constate facilement que dans le cas de la tôle traitée, le ~:
coefficient de frottement est globalement nettement plus faible que dans le cas de la tôle non traitée. .
;. Le graphique de la figure 2 montre le résultat d'autres essais réalisés en faisant varier la quantité Q de.sel, ici du phosphate de potassium de formule K,PO~, déposé sur la tôle (sur .. .une seule face), exprimée en mg de potassium par m'. ;.
On constate que pour des quantitées inférieures à environ 5 mg/m', les valeurs de pression P de serre-flan conduisant à la rupture du flan sont dispersées, avec de nombreux cas de rupture pour des pressions voisines de 40 bars, alors que pour des quanti-~o 91/03334 ,~ PCT/FR90/00643 tés supérieures à 5 mg/m~, on n'observe aucune rupture jusqu'à 120bars.
Il est rappelé que dans le cas où le dépot de sel est réalisé
sur la tôle, ou sur le flan, ce traitement ne supprime bien évi-S demment pas l'obligation de huiler les tôles avant emboutissage,puisque l'amélioration de l'emboutissabilité obtenue grace à l'in-vention résulte de la combinaison des produits déposés conformé-ment a l'invention et de l'huile utilisée communément lors de l'opération d'emboutissage. ;
,. . . .
4 60 - 160 .:~
4 60 160 : :
. 5 40 140 .~ S 40 . - 160 ..
D'autres essais on~.permis d'obtenir.les courbes du graphique . de la figure-l représentant la variation du coefficient de frotte-ment en fonction de la pression. Ces courbes ont été obtenues par mesure sur un tribomètre classique à surfaces parallèles, avec des tôles électrozinguées double face dont le revêtement a une épais-seur de 10 ~m.
On constate facilement que dans le cas de la tôle traitée, le ~:
coefficient de frottement est globalement nettement plus faible que dans le cas de la tôle non traitée. .
;. Le graphique de la figure 2 montre le résultat d'autres essais réalisés en faisant varier la quantité Q de.sel, ici du phosphate de potassium de formule K,PO~, déposé sur la tôle (sur .. .une seule face), exprimée en mg de potassium par m'. ;.
On constate que pour des quantitées inférieures à environ 5 mg/m', les valeurs de pression P de serre-flan conduisant à la rupture du flan sont dispersées, avec de nombreux cas de rupture pour des pressions voisines de 40 bars, alors que pour des quanti-~o 91/03334 ,~ PCT/FR90/00643 tés supérieures à 5 mg/m~, on n'observe aucune rupture jusqu'à 120bars.
Il est rappelé que dans le cas où le dépot de sel est réalisé
sur la tôle, ou sur le flan, ce traitement ne supprime bien évi-S demment pas l'obligation de huiler les tôles avant emboutissage,puisque l'amélioration de l'emboutissabilité obtenue grace à l'in-vention résulte de la combinaison des produits déposés conformé-ment a l'invention et de l'huile utilisée communément lors de l'opération d'emboutissage. ;
,. . . .
Claims (13)
comme il suit:
1. Procédé cl amélioration de l'emboutissabilité
de tôles ou flans de tôles métalliques notamment en acier, nu ou revêtu, caractérisé en ce que, avant embou-tissage à froid, on dépose sur les outils d'emboutissage uniguement, un sel d'un métal alcalin choisi dans le groupe forme par Li, Na, K et d'un anion chimiquement inerte à 1 égard du métal constitutif de la tôle, choisi parmi les phosphates, le dépôt dudit sel étant réalisé
par application sur lesdits outils ou ladite tôle d'une solution dudit sel à l'exclusion d'une huile.
de tôles ou flans de tôles métalliques notamment en acier, nu ou revêtu, caractérisé en ce que, avant embou-tissage à froid, on dépose sur les outils d'emboutissage uniguement, un sel d'un métal alcalin choisi dans le groupe forme par Li, Na, K et d'un anion chimiquement inerte à 1 égard du métal constitutif de la tôle, choisi parmi les phosphates, le dépôt dudit sel étant réalisé
par application sur lesdits outils ou ladite tôle d'une solution dudit sel à l'exclusion d'une huile.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé
en ce que l'application de la solution est localisée dans certaines zones des outils.
en ce que l'application de la solution est localisée dans certaines zones des outils.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendica-tions 1 et 2, caractérisé en ce que le dépôt de sel est réalisé sur les outils préalablement dégraissés.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé
en ce que on sèche au moins partiellement les outils après application de la solution.
en ce que on sèche au moins partiellement les outils après application de la solution.
5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé
en ce que on huile les outils après application de la solution et/ou séchage.
en ce que on huile les outils après application de la solution et/ou séchage.
6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé
en ce que on emboutit un flan de tôle préalablement huilé.
en ce que on emboutit un flan de tôle préalablement huilé.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'application de la solution est réalisée sur les outils huilés.
8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé
en ce que on procède à l'application par dépôt de gout-tes de la solution réparties sur les outils.
en ce que on procède à l'application par dépôt de gout-tes de la solution réparties sur les outils.
9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé
en ce que après une application de la solution, on em-boutit plusieurs flans avant de procéder à une nouvelle application.
en ce que après une application de la solution, on em-boutit plusieurs flans avant de procéder à une nouvelle application.
10. Utilisation pour améliorer l'emboutissabi-lité à froid de tôles ou flans de tôles métalliques notamment en acier, nu ou revêtu, d'une solution aqueu-se, exempte d'huile, d'un sel de métal alcalin choisi dans le groupe formé par Li, Na, K et d'un anion chimi-quement inerte à l'égard du métal constitutif de la tôle, choisi parmi les phosphates.
11. Utilisation pour améliorer l'emboutissabi-lité à froid de tôles ou flans de tôles métalliques notamment en acier, nu ou revêtu, d'une solution aqueu-se, exempte d'huile, contenant des ions potassium, so-dium ou lithium, des ions phosphates chimiquement iner-tes à l'égard du métal constitutif de la tôle, et des ions hydronium.
12. Utilisation pour améliorer l'emboutissabi-lité à froid de tôles ou flans de tôles métalliques notamment en acier, nu ou revêtu, d'une solution aqueuse de phosphate de potassium, exempte d'huile et contenant 5 à 20 g/l de K3 PO4,2H2O.
13. Utilisation pour améliorer l'emboutissabi-lité à froid de tôles ou flans de tôles notamment en acier, nu ou revêtu, d'une solution aqueuse, exempte d'huile, de phosphate de potassium de formule K3 PO4 , la solution étant déposée sur la tôle puis séchée, la quan-tité de sel uniformément déposée, exprimée en mg de potassium par m2, étant supérieure à 5.
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