EP0985466B1 - Procede de fabrication d'un outil d'emboutissage en beton hydraulique couvert au moins partiellement d'une coque metallique - Google Patents
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- EP0985466B1 EP0985466B1 EP99402211A EP99402211A EP0985466B1 EP 0985466 B1 EP0985466 B1 EP 0985466B1 EP 99402211 A EP99402211 A EP 99402211A EP 99402211 A EP99402211 A EP 99402211A EP 0985466 B1 EP0985466 B1 EP 0985466B1
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- concrete
- shell
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D37/00—Tools as parts of machines covered by this subclass
- B21D37/20—Making tools by operations not covered by a single other subclass
Definitions
- the invention relates to stamping tools for concrete steel sheets. hydraulics and the manufacturing processes of these tools.
- Stamping consists of making, from a precut sheet of thin metal called “blank”, a piece of complex shape not developable called “stamped”.
- a stamping installation includes several stamping tools : a "punch” with a “head”, a “matrix” with a “bottom” and a “Hold-down”; the punch head and the die bottom are shaped according to the complex shape of the stamp to be obtained, and in a complementary shape adapted to be able to obtain a complete nesting of the punch head in the bottom of the matrix.
- stamping tools For the production of stampings in large series, one generally uses stamping tools in cast iron or steel.
- stampings for small and medium series, we can use less expensive stamping tools, for example resin, directly molded or machined according to the shape of the tool, or in hydraulic concrete or resin poured onto a surface gel coat.
- stamping tools for example resin, directly molded or machined according to the shape of the tool, or in hydraulic concrete or resin poured onto a surface gel coat.
- the metallic “skin” or “shell” then serves as a support for the concrete. hydraulic or resin and forms, at least partially, the "surface working ”of the tool which comes into contact with the sheet during stamping.
- the metal shell can be prepared by stamping, by projection of metallic particles as described in document FR 2 669 842, for example electrodeposition, or by vapor deposition, or even by other methods.
- This metal shell is generally more than 1 mm thick.
- the invention relates to a hydraulic concrete stamping tool with of a metallic skin.
- the metal shell and concrete have very mechanical characteristics different; during a stamping cycle, especially at the end of the cycle, the shell-concrete interface is stressed by very high shear stresses important, especially in areas with a small radius of curvature; these heavy loads can cause local breaks in the connection between concrete and hull, which limits the performance of the tool.
- bonding is a bonding technique well suited to concrete resin, it is poorly suited to hydraulic concrete because, when pouring concrete hydraulic on a layer of glue, the water of the concrete composition would prevent obtaining a sufficiently resistant bond at the adhesive-concrete interface.
- the invention aims to economically improve the shell-concrete connection a hydraulic concrete stamping tool and improve performance of this tool.
- liquid glue phase designates an applicable conventional glue in liquid form.
- solid phase refers to anchors which are homogeneously dispersed in the bonding composition.
- aggregates can be used classic minerals, which is very economical; to further strengthen the shell-concrete connection, preferably aggregates of the same type than those of the concrete composition; the granulometry of the aggregates of the bonding composition is suitable for the aggregates to emerge partially of the liquid phase of the bonding composition, after application.
- the invention also relates to a hydraulic concrete stamping tool whose surface intended to come into contact with the sheet blank to be stamped is covered, at least partially, of a metal shell linked to the concrete, capable of being obtained by the method according to the invention, characterized in that said shell is linked to the concrete to using a layer of adhesive, mechanical anchoring means being inserted in part in concrete, and partly in said layer of glue.
- the process for manufacturing a stamping tool according to the invention therefore mainly comprises the following stages: preparation of the shell metallic, preparation of a concrete casting mold integrating this shell, preparation of a concrete composition, preparation and application of a bonding composition for the concrete-shell connection, concrete pouring, solidification of the concrete and crosslinking of the adhesive, demoulding of the concrete.
- a matrix composite material can be used organic, prepared for example from a thermosetting resin added charges; if these charges are conductive, one can obtain a composite material conducting the electric current.
- One of the sides of the replica must therefore correspond to the shape predetermined stamped; the state of this surface will condition that of the surface of the stamping tool and also the ease of replica-shell separation, usually after pouring concrete; so it is particularly important to control this surface condition, and surface treatments, such as polishing, can be useful for this purpose.
- the material used to make the replica is not conductive, it the face of the replica which corresponds to the form of the stamped, so that, by immersing this surface in a electroplating bath, you can pass an electroplating current between this surface and a counter-electrode immersed in the bath.
- the surface can be made conductive for example by applying a layer of conductive paint or by chemical or physical deposition of a conductive material (silver or palladium, for example); preferably, the conductive material includes graphite.
- a conductive material silver or palladium, for example
- the thickness of the deposited layer is too great with regard to dimensional tolerances of the tool, it will be advisable to carry out a strips the surface of the replica to a depth corresponding to that paint layer; the surface quality of the deposited layer is also important than that of the replica as previously described.
- the next step includes a suitable plating operation for coating the conductive surface with a thick metallic layer suitable for forming the metal shell of the stamping tool.
- nickel, or copper, or alloys of these can be used metals such as nickel-cobalt alloys.
- the thickness of the metal shell depends on the shape of the stamping, the mechanical characteristics of the tool concrete and the metal of its shell, and planned conditions for using the tool; so for example, shapes stamping complexes, with small radii of curvature, range cause significant stress on the hull and require thickness more important; the thickness which should be given to the shell can be evaluated by methods known per se which will not be described here in detail; this thickness is generally greater than 1 mm.
- Electroplating conditions such as composition and bath temperature, such as current density and charge electrodeposition are adapted in a manner known per se depending on the composition and thickness of the metal layer to be deposited; this deposited layer forms the metal shell of the stamping tool.
- baths are preferably used containing mainly sulfamate and nickel chloride, and acid boric; can be added to these baths organic additives suitable for improve the mechanical properties of the metal shell.
- the deposit for the start of electrodeposition being intended to constitute the surface working of the stamping tool the deposit conditions are particularly important during this phase; in particular, in the event of low conductivity of the conductive layer of the replica and / or so as to obtain a good quality homogeneous plating with low roughness, a very low current density should be applied during this phase, much less than 1 A / dm2; the current density is then increased according to the performances authorized by the bath and within the limits of internal constraints permitted in the thickness deposited.
- Baths containing nickel sulfamate allow to reach high deposition rates, which reduces manufacturing costs.
- a mold is then prepared for the tool stamping, the metal shell being used as the bottom or element of mold, "internal" side facing the inside of the mold; other elements of molding are arranged on the periphery of the shell so as to form a mold adapted to the dimensions of the stamping tool to be manufactured; these others elements can be fixed on the replica of the hull.
- compositions of hydraulic concrete suitable for the manufacture of a stamping tool it's about in general of composition called "BHP" or High Performance Concrete which contain, in addition to the conventional components of concrete, namely a binder hydraulic and aggregates, fumed silica and a superplasticizer.
- the aggregates are for example made up of sand and / or gravel.
- the complete solidification of these concretes can be obtained by storage at room temperature for at least 28 days; she can also be obtained in an accelerated manner by heat treatment.
- the concrete preparation composition that is used contains reinforcing fibers; these metallic fibers allow limit the propagation of cracks in concrete, which increases its resistance to compression, especially tensile and fatigue and further improve the performance of the stamping tool.
- a bonding composition is then prepared and applied to the face internal metal shell, bottom or mold element.
- this adhesive is based on thermosetting polymers, for example of epoxy type; these types of glues are generally two-component, the mixing of the organic components being carried out just before the application; preferably, this adhesive is suitable for crosslinking completely under the conditions of concrete solidification.
- thermoplastics because the shell-concrete cohesion of the tool could be degraded by overheating of the stamping tool in use at high rate, which would seriously affect the performance of this tool.
- the mechanical anchoring means have at least one dimension which extends perpendicular to the surface of the metal shell so as to protrude from the surface of the liquid phase of the bonding composition after application on this hull, so that, after pouring the concrete, these anchoring means are partially embedded in the adhesive layer and for the other part in concrete.
- the bonding composition To apply the bonding composition, one generally starts with coat the inside of the metal shell with a uniform layer of glue classic in the fluid state and the anchoring means are then applied by causing the adhesive layer to penetrate in the fluid state; it is very important that these anchoring means are partially embedded in the adhesive layer and the other part emerges from the free surface of the glue layer so that be able to be embedded later in concrete; after pouring the concrete, the anchoring means must be inserted both into the thickness of the layer of glue and into concrete.
- the dimension of the anchoring means which extends perpendicular to the surface of the shell or to the surface of the layer of glue is greater than the thickness of the layer of glue applied.
- the advantage of using a wire or trellis as an anchor is that the anchoring elements carried by this wire or this mesh are regularly pre-divided.
- the glue then provides a chemical bond between the shell and the concrete, then that the mechanical anchoring means essentially provide a connection mechanical since they are embedded both in the crosslinked adhesive layer and in solidified concrete.
- the advantage of using aggregates as anchors is that the distances between anchor points are very small, especially when the average diameter of these aggregates is relatively small, ie by example between 1.5 and 3 times the thickness of the liquid phase of the collage composition, after application.
- the replica when the replica is made of polymer material and / or when the conductive layer applied to this replica is based on graphite, this separation is facilitated.
- a hydraulic concrete stamping tool is thus obtained, adapted to the preparation of stamps of predetermined shape from sheet metal blanks, tool whose surface intended to come into contact with the sheet blank to be stamped is covered, at least partially, with a metal shell.
- Tool manufacturing can be completed by light machining to correct the dimensions of the tool if necessary and / or by treating the surface working to harden it and / or to adapt its roughness and / or to improve the effect of lubrication in stamping.
- the stamping tool that is obtained offers significantly improved performance compared to those of the same type of art because the bond between the hull and the concrete is very strong, in particular to shear stresses; improving the resistance of this connection with respect to the prior art is illustrated in Example 1 below.
- stamping machines usable for larger production series stampings and / or stampings of more complex shapes, i.e. shapes with small radii of curvature.
- the purpose of this example is to illustrate the effect of solid anchoring means added to the glue on the resistance of the connection between the shell of a tool stamping and the concrete that is poured into this shell.
- the metal plate 2 is made of a bare sheet steel of thickness 1.5 mm; the plate is degreased using trichlorethylene.
- one of the faces of the plate 2 is coated with glue, the coating method being adapted to the type of glue used (see below).
- the mechanical anchoring means are applied.
- the collage composition then includes the glue itself and the mechanical anchoring means.
- the preparation of the assembly then differs depending on whether it is assembly on "old” concrete or assembly on “wet” concrete.
- the bond 3 between block 1 and plate 2 is then provided by the bonding composition.
- connection 3 between block 1 and plate 2 is then provided by the bonding composition.
- the measurement of the shear strength of the connecting joint 3 is then carried out as follows: by holding the block 1 between a support 4 under its lower face and another support 5 on its upper face, a vertical force F is applied to the plate 2 (see arrow in FIG. 1) and the breaking force F r of the joint of the joint 3 is measured.
- the stress on the joint 3 is then essentially in shear.
- test # 16 to 18 and # 22 to 24 The performances obtained with other adhesives on wet concrete (tests # 16 to 18 and # 22 to 24) may be slightly higher but still insufficient to withstand the heavy loads between the concrete and the hull metal of a stamping tool.
- tests no. 4 to 6 and no. 13 to 15, in accordance with the invention show that the composite bonds according to the invention resist much better shear that "glue" connections according to the prior art, on wet concrete (tests n ° 1 to 3 and n ° 16 to 24); the invention therefore relates to the use of a bonding composition comprising mechanical anchoring means such as aggregates (tests n ° 4 to 6) or metal nails (tests n ° 13 to 15).
- An advantage of the composite bond according to the invention lies in the reliability of the resistance of this link: the dispersion of the test results effect on composite bond is indeed much lower than that of results of tests carried out on conventional bonded bond (see Table I); this advantage therefore improves the reliability of stamping tools manufactured according to the invention.
- the face 7 is then made conductive by application a very thin layer of conductive paint containing particles silver: the replica 6 is then provided with a conductive film 8 on its surface 7; the thickness of the conductive film 8 is of the order of a micrometer.
- the conductive film 8 is therefore coated a layer of nickel, which will form the metal shell 9 of the tool stamping.
- nickel is reputed to be strongly adherent; after depositing nickel, we glue a strain gauge on the uncoated side of the sheet and measure using this gauge the relaxation that appears when you remove by EDM of the successive layers of the nickel deposit.
- the aggregates are therefore here formed by the sand of the mortar and the gravel.
- compositions for stamping tool Concrete fibers Mortar gravels Water W / C fluidizersGypsum # 1 0 1270 1250 200 0.41 1.35 (0.3%) # 2 36 (0.5%) 1250 1133 200 0.42 4.75 (1%) # 3 72 (1%) 1500 480 240 0.42 5.7 (1%)
- the W / C ratio designates the weight of water divided by the weight of cement.
- Example 1 two types of bonding composition are used: first corresponding to tests n ° 4 to 6, and the second corresponding to tests 13 to 15; the bonding composition is prepared and applied to the metal plate 2.
- metal inserts 10 and 11 are positioned.
- the concrete composition is then poured into the mold formed by the shell 9 supported by the replica 6, then the concrete is vibrated in the fluid state at using a vibrating needle suitable for this purpose.
- the shell 9 forms the mold corresponding to the shape of the tool to manufacture, there are no other molding elements here, and therefore there is no subsequent release step.
- the concrete is then allowed to set under the following conditions: storage for 28 days in a constant temperature atmosphere ( ⁇ 21 ° C) and constant humidity (around 95%), protecting from desiccation of fresh concrete surfaces exposed to the atmosphere.
- Test pieces of the same concrete are prepared under conditions identical, to assess the mechanical properties.
- the withdrawal at 30 days is of the order of 0.05 mm / m for the three concrete compositions.
- This table illustrates the reinforcing effect of the fibers introduced into the concrete composition.
- the replica 6 After casting and solidification, the replica 6 is separated from the hull metal 9 secured to the solidified concrete part 12, and the tool is obtained stamping as shown in Figure 4.
- Figure 4 illustrates the connection between the concrete part 12 and the shell 9 provided by the bonding composition comprising crosslinked glue 13 and aggregates 14.
- the inserts and the part of the surface of the tool which is concrete are machined in order to obtain the desired dimensions and centering; shell 9 electroformed does requires no special treatment before using the tool in press stamping.
- a particularly efficient stamping tool is thus obtained, very resistant to wear and allowing high-speed stamped quality.
- stamping tools obtained were tested on an industrial press and have given satisfaction under conventional stamping conditions; the tests have shown that a single tool can perform several hundred thousands of stamps.
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Description
L'invention concerne les outils d'emboutissage de tôles d'acier en béton
hydraulique et les procédés de fabrication de ces outils.
L'emboutissage consiste à fabriquer, à partir d'une feuille prédécoupée de
métal de faible épaisseur appelée « flan », une pièce de forme complexe non
développable appelée « embouti ».
Une installation d'emboutissage comporte plusieurs outils d'emboutissage
: un « poinçon» doté d'une « tête », une « matrice » dotée d'un « fond» et un
« serre-flan» ; la tête de poinçon et le fond de matrice sont façonnés selon la
forme complexe de l'embouti à obtenir, et selon une forme complémentaire
adaptée pour pouvoir obtenir un emboítement complet de la tête de poinçon
dans le fond de matrice.
Pour obtenir un embouti selon l'empreinte du fond de matrice (ou de la
tête de poinçon) à partir d'un flan prédécoupé, pendant que l'on maintient le
flan dans le serre-flan, à l'aide de la tête de poinçon, on entraíne le flan vers le
fond de matrice jusqu'à engagement et emboítement complet de la tête dans le
fond.
Pour la production d'emboutis en grande série, on utilise généralement
des outils d'emboutissage en fonte ou en acier.
Pour la production d'emboutis en petite et moyenne série, on peut utiliser
des outils d'emboutissage moins onéreux, par exemple en résine, directement
moulée ou usinée selon la forme de l'outil, ou en béton hydraulique ou de
résine coulé sur un « gel coat » (en langue anglaise) de surface.
Cependant, étant donné les faibles caractéristiques mécaniques de ces
matériaux au niveau de la « surface travaillante » de ces outils, ces outils
s'usent rapidement au contact des tôles à emboutir, ce qui conduit à des séries
trop courtes d'emboutissage.
Pour améliorer l'état de surface et la résistance à l'usure de ces outils, il
est donc nécessaire de renforcer ces matériaux, au niveau des surfaces
travaillantes, en les dotant d'une « peau » ou « coque» métallique, comme
décrit par exemple :
- dans le document FR 2 669 842 pour du béton de résine,
- dans le document US 1 935 916 pour du béton hydraulique,
- ou dans l'article intitulé « A functional approach to die and process development : the « composite » die and hydroforming »- Auteurs : G.GALLINARO - Revue : ATA - Ingegneria Automotoristica, Novembre-Décembre 1997, vol.50, n°11/12, pp.635-646.
La « peau» ou « coque » métallique sert alors de support au béton
hydraulique ou de résine et forme, au moins partiellement, la « surface
travaillante » de l'outil qui vient au contact de la tôle en cours d'emboutissage.
La coque métallique peut être préparée par emboutissage, par projection
de particules métalliques comme décrit dans le document FR 2 669 842, par
électrodéposition, ou par dépôt en phase vapeur, voire par d'autres méthodes.
Cette coque métallique présente en général plus de 1 mm d'épaisseur.
L'invention concerne un outil d'emboutissage en béton hydraulique doté
d'une peau métallique.
Pour fabriquer un outil d'emboutissage en béton hydraulique dont la
surface destinée à venir au contact du flan de tôle à emboutir est couverte au
moins partiellement d'un coque métallique, on connaít un procédé comprenant
les étapes consistant à :
- préparer une coque métallique présentant une face dite « externe » correspondant à la forme prédéterminée de l'embouti et une face opposée dite « interne »,
- préparer un moule pour l'outil d'emboutissage en utilisant ladite coque comme fond ou élément de moule, face interne tournée vers l'intérieur du moule, et en utilisant, le cas échéant, d'autres éléments de moulage,
- couler dans ledit moule une composition de préparation dudit béton, et solidifier ladite composition,
- démouler ladite composition solidifiée en enlevant les éventuels autres éléments de moulage, tout en maintenant la coque en place liée par collage au béton solidifié.
La coque métallique et le béton ont des caractéristiques mécaniques très
différentes ; au cours d'un cycle d'emboutissage, notamment en fin de cycle,
l'interface coque-béton est sollicité par des contraintes de cisaillement très
importantes, notamment dans les zones présentant un petit rayon de courbure ;
ces fortes sollicitations peuvent provoquer des ruptures locales de liaison entre
le béton et la coque, ce qui limite les performances de l'outil.
Pour renforcer la liaison coque-béton dans le cas où on utilise du béton de
résine, selon le document FR 2 669 842, avant de couler le béton de résine, on
coule une couche intermédiaire de résine de liaison compatible avec la résine
du béton (voire page 4, lignes 27 à 32).
Pour renforcer la liaison coque-béton dans le cas où on utilise du béton
hydraulique, selon le document US 1 935 916, la face interne de la coque
métallique est dotée de moyens mécaniques d'ancrage du béton (voir page 2,
lignes 61 à 67) ; préalablement au coulage du béton, on n'applique pas de
composition de collage.
Si le collage est une technique de liaison bien adaptée au béton de
résine, elle est mal adaptée au béton hydraulique car, en coulant du béton
hydraulique sur une couche de colle, l'eau de la composition de béton
empêcherait d'obtenir une liaison suffisamment résistante à l'interface colle-béton.
On a effet constaté que la liaison entre une colle et un béton « frais » ou
« humide » présentait en général des performances bien moindres, en termes
de résistance au cisaillement, que la liaison entre la même colle et un béton
« ancien », c'est à dire béton « pris » et sec : l'exemple 1 ci-après illustre cette
dégradation de performance.
On est donc dissuadé d'utiliser la technique de collage lorsqu'on utilise du
béton hydraulique.
Par ailleurs, le document US 1 935 916 décrit des moyens mécaniques
d'ancrage directement arrimés à la coque métallique (référence 16 sur les
figures) ; un tel mode de liaison coque-béton est donc très onéreux.
L'invention a pour but d'améliorer économiquement la liaison coque-béton
d'un outil d'emboutissage en béton hydraulique et d'améliorer les performances
de cet outil.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un outil
d'emboutissage en béton hydraulique, adapté à la préparation d'emboutis de
forme prédéterminée à partir de flans de tôle, outil dont la surface destinée à
venir au contact du flan de tôle à emboutir est couverte au moins partiellement
d'une coque métallique, comprenant les étapes consistant à :
- préparer ladite coque métallique de manière à ce qu'elle présente une face dite « externe » correspondant à la forme prédéterminée de l'embouti et une face opposée dite « interne »,
- préparer un moule pour l'outil d'emboutissage en prenant ladite coque comme fond ou élément de moule, face interne tournée vers l'intérieur du moule,
- couler dans ledit moule une composition de préparation dudit béton comprenant des granulats,
- solidifier ladite composition,
Le terme « phase liquide de colle » désigne une colle classique applicable
sous forme liquide.
Le terme « phase solide » désigne des éléments d'ancrage qui sont
dispersés de manière homogène dans la composition de collage.
Grâce à ce procédé de fabrication, on obtient une liaison économique et
très résistante entre la coque métallique et le béton.
Comme moyen mécanique d'ancrage, on peut utiliser des granulats
minéraux classiques, ce qui est très économique ; pour renforcer encore la
liaison coque-béton, on utilise de préférence des granulats de même nature
que ceux de la composition de béton ; la granulométrie des granulats de la
composition de collage est adaptée pour que les granulats émergent
partiellement de la phase liquide de la composition de collage, après
application.
D'autres caractéristiques avantageuses du procédé selon l'invention sont
indiquées dans les revendications dépendantes.
Dans le cas où la coque est préparée par électrodéposition, l'invention
peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- l'étape de préparation de la coque comprend les étapes consistant à :
- réaliser une réplique présentant une surface correspondant à la forme prédéterminée de l'embouti,
- le cas échéant, rendre conductrice ladite surface de la réplique,
- revêtir ladite surface de réplique ou, le cas échéant, ladite surface conductrice, d'une couche métallique par électrodéposition jusqu'à former une coque métallique, la face interne de la coque correspondant alors au dépôt métallique de fin d'électrodéposition.
- ladite couche métallique est à base de nickel et l'électrodéposition est réalisée dans un bain d'électrodéposition à base de sulfamate de nickel.
- ladite couche métallique est à base de cuivre.
- ladite réplique est en matériau polymère et/ou la surface conductrice de la réplique comprend du graphite.
L'invention a également pour objet un outil d'emboutissage en béton hydraulique
dont la surface destinée à venir au contact du flan de tôle à emboutir est couverte, au
moins partiellement, d'une coque métallique liée au béton, susceptible d'être obtenu
par le procédé selon l'invention, caractérisé en ce que ladite coque est liée au béton à
l'aide d'une couche de colle, des moyens mécaniques d'ancrage étant insérés en partie
dans le béton, et en partie dans ladite couche de colle.
D'autres caractéristiques avantageuses de l'outil d'emboutissage selon
l'invention sont indiquées dans les revendications dépendantes.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre
où la coque est préparée par électrodéposition, cette description étant donnée
à titre d'exemple non limitatif.
Les exemples qui suivent cette description servent à l'illustrer plus
précisément, toujours à titre non limitatif et en référence :
- à la figure 1 qui est un schéma de principe des essais de cisaillement de l'exemple 1.
- aux figures 2 à 4 qui correspondent à différentes étapes de fabrication d'un outil d'emboutissage par le procédé selon l'invention tel que décrit à l'exemple 2 : figure 2 : réalisation de la réplique - figure 3 : fabrication de la coque - figure 4 : outil d'emboutissage selon l'invention.
Le procédé de fabrication d'outil d'emboutissage selon l'invention
comprend donc principalement les étapes suivantes : préparation de la coque
métallique, préparation d'un moule de coulée du béton intégrant cette coque,
préparation d'une composition de béton, préparation et application d'une
composition de collage pour la liaison béton-coque, coulée du béton,
solidification du béton et réticulation de la colle, démoulage du béton.
Pour préparer une coque métallique par électrodéposition ou
électroformage, le document DE 40 21 384 décrit un procédé comprenant les
étapes consistant à :
- réaliser une réplique présentant une surface correspondant à la forme prédéterminée de l'embouti,
- le cas échéant, rendre conductrice ladite surface de la réplique,
- revêtir ladite surface conductrice d'une couche métallique par électrodéposition jusqu'à former une coque métallique,
On peut réaliser une réplique par exemple en pré-découpant un bloc de
matériau tendre puis en l'usinant pour l'amener exactement et précisément aux
dimensions souhaitées.
Comme matériau tendre, on peut utiliser un matériau composite à matrice
organique, préparé par exemple à partir d'une résine thermodurcissable
additionnée de charges ; si ces charges sont conductrices, on peut obtenir un
matériau composite conducteur du courant électrique.
On peut également réaliser une réplique par moulage sur un « maítre-modèle
» d'une résine, d'un béton de résine ou d'un béton hydraulique sur un
« gel-coat » (en langue anglaise) ou de tout autre matériau compatible avec les
contraintes de l'électroformage ; ces contraintes concernent en particulier la
température et la chimie du bain d'électrodéposition et l'état de surface de la
réplique.
L'une des faces de la réplique doit donc correspondre à la forme
prédéterminée de l'embouti ; l'état de cette surface va conditionner celui de la
surface de l'outil d'emboutissage et aussi la facilité de séparation réplique-coque,
généralement après coulée du béton ; il est donc particulièrement
important de contrôler cet état de surface, et des traitements de surface,
comme par exemple de polissage, peuvent se révéler utiles à cette fin.
Afin de garantir la géométrie de la pièce électroformée, et en particulier
lorsque le dépôt électrolytique est réalisé dans un bain à température différente
de la température ambiante, pour la réplique, il convient d'utiliser un matériau
dont le coefficient de dilatation est proche de celui du métal de la coque, ou de
tenir compte de ce coefficent dans les dimensions initiales de la réplique.
Ainsi, il est courant de réaliser des coques en cuivre dans des bains
d'électrodéposition à température ambiante, alors que les coques en nickel
sont préparées par électrodéposition à des températures en général plus
élevées de l'ordre de 55°C.
Si le matériau utilisé pour réaliser la réplique n'est pas conducteur, il
convient alors de rendre conductrice la face de la réplique qui correspond à la
forme de l'embouti, de manière à ce que, en plongeant cette surface dans un
bain d'électrodéposition, on puisse faire passer un courant d'électrodéposition
entre cette surface et une contre-électrode plongée dans le bain.
On peut rendre la surface conductrice par exemple par application d'une
couche de peinture conductrice ou par dépôt chimique ou physique d'un
matériau conducteur (argent ou palladium, par exemple) ; de préférence, le
matériau conducteur comprend du graphite.
Si l'épaisseur de la couche déposée est trop importante au regard des
tolérances dimensionnelles de l'outil, il conviendra d'effectuer auparavant une
dépouille de la surface de la réplique sur une profondeur correspondant à celle
de la couche de peinture ; la qualité de surface de la couche déposée est aussi
importante que celle de la réplique comme précédemment décrit.
Afin de limiter l'épaisseur de cette couche et d'obtenir une surface
conductrice reproduisant plus fidèlement celle de la réplique, on préfère
procéder par dépôt chimique ou physique, plutôt que par peinture.
L'étape suivante comprend une opération d'électrodéposition adaptée
pour revêtir la surface conductrice d'une couche métallique d'une épaisseur
apte à former la coque métallique de l'outil d'emboutissage.
Comme matériau d'électrodéposition apte à former une coque d'outil
d'emboutissage, on peut utiliser du nickel, ou du cuivre, ou des alliages de ces
métaux comme de alliages de nickel-cobalt.
L'épaisseur de la coque métallique est fonction de la forme de l'embouti,
des caractéristiques mécaniques du béton de l'outil et du métal de sa coque, et
des conditions prévues d'utilisation de l'outil ; ainsi par exemple, des formes
complexes d'embouti, présentant de faibles rayons de courbure, vont
provoquer des contraintes importantes sur la coque et nécessiter une épaisseur
plus importante ; l'épaisseur qu'il convient de donner à la coque peut être
évaluée par des méthodes connue en elles-mêmes qui ne seront pas décrites
ici en détail ; cette épaisseur est en général supérieure à 1 mm.
Pour l'électrodéposition, on plonge donc la surface conductrice dans un
bain d'électrodéposition et on fait passer un courant d'électrodéposition entre
cette surface et une contre-électrode plongée dans le bain.
Les conditions d'électrodéposition, comme la composition et la
température du bain, comme la densité de courant et la charge
d'électrodéposition sont adaptées d'une manière connue en elle-même en
fonction de la composition et de l'épaisseur de la couche métallique à déposer ;
cette couche déposée forme la coque métallique de l'outil d'emboutissage.
Ainsi, dans le cas de coques en nickel, on utilise de préférence des bains
contenant principalement du sulfamate et du chlorure de nickel, et de l'acide
borique ; on peut ajouter à ces bains des additifs organiques adaptés pour
améliorer les propriétés mécaniques de la coque métallique.
Le dépôt de début d'électrodéposition étant destiné à constituer la surface
travaillante de l'outil d'emboutissage, les conditions de dépôt sont
particulièrement importantes pendant cette phase ; en particulier, en cas de
faible conductivité de la couche conductrice de la réplique et/ou de manière à
obtenir une électrodéposition homogène de bonne qualité et de faible rugosité,
il convient d'appliquer pendant cette phase une densité de courant très faible,
très inférieure à 1 A/dm2 ; on augmente ensuite la densité de courant selon les
performances autorisées par le bain et selon les limites de contraintes internes
autorisées dans l'épaisseur déposée.
Les bains contenant du sulfamate de nickel permettent d'atteindre des
vitesses de dépôt élevées, ce qui permet de diminuer le coûts de fabrication.
Pour des densités de courant moyennes généralement inférieures à 10
A/dm2, on peut ainsi obtenir des couches métalliques épaisses de nickel
présentant une dureté Vickers comprise entre 150 et 250 HV, une contrainte
limite d'élasticité comprise entre 250 et 660 MPa, une contrainte limite de
rupture comprise entre 370 et 1050 MPa.
L'addition de cobalt dans le bain permet d'augmenter la dureté du métal
obtenu ; l'augmentation de la densité de-courant provoque en général une
diminution de la dureté.
Après électrodéposition, on obtient une coque métallique appliquée contre
la réplique par sa face dite « externe », la surface libre de la coque constituant
la face dite « interne » de la coque qui correspond à l'épaisseur de couche
métallique déposée en fin d'électrodéposition.
A ce stade, on peut séparer la coque de la réplique ; on préfère
cependant effectuer cette séparation ultérieurement.
A partir d'éléments de moulage, on prépare alors un moule pour l'outil
d'emboutissage, la coque métallique étant utilisée comme fond ou élément de
moule, face « interne » tournée vers l'intérieur du moule ; d'autres éléments de
moulage sont disposés sur le pourtour de la coque de manière à former un
moule adapté aux dimensions de l'outil d'emboutissage à fabriquer ; ces autres
éléments peuvent être fixés sur la réplique de la coque.
On prépare alors d'une manière connue en elle-même une composition de
béton hydraulique adaptée à la fabrication d'un outil d'emboutissage ; il s'agit
en général de composition dites « BHP » ou Béton Hautes Performances qui
contiennent, outre les composants classiques du béton, à savoir un liant
hydraulique et des granulats, de la silice pyrogénée et un superplastifiant.
Les granulats sont par exemple constitués de sable et/ou de graviers.
Pour ces compositions « BHP », la proportion d'eau de gâchage et le
retrait à la solidification sont très faibles.
La solidification complète de ces bétons peut être obtenue par stockage à
température ambiante pendant au moins 28 jours ; elle peut également être
obtenue de manière accélérée par traitement thermique.
Pour ces compositions, après solidification complète, on obtient des
bétons dont la contrainte limite de rupture dépasse 50 MPa en compression et
7 MPa en traction.
De préférence, la composition de préparation de béton qu'on utilise
contient des fibres de renforcement ; ces fibres métalliques permettent de
limiter les propagations de fissures dans le béton, ce qui permet d'augmenter
sa résistance à la compression, surtout à la traction et à la fatigue et
d'améliorer encore les performances de l'outil d'emboutissage.
On prépare et on applique ensuite une composition de collage sur la face
interne de la coque métallique, en fond ou en élément de moule.
On procède par exemple comme décrit dans les essais n°4 à 6, ou n°13 à
15 de l'exemple 1 ; selon ces essais conformes à l'invention, pour préparer la
composition de collage, on disperse, dans la phase liquide constituée par une
colle classique adaptée au collage sur béton, une phase solide adaptée pour
former des moyens mécaniques d'ancrage au béton.
De préférence, cette colle est à base de polymères thermodurcissables,
par exemple de type époxy ; ces types de colles sont généralement bi-composants,
le mélange des composants organiques étant effectué juste avant
l'application ; de préférence, cette colle est adaptée pour réticuler
complètement dans les conditions de solidification du béton.
Il convient d'éviter l'utilisation de colles à base de polymères
thermoplastiques, car la cohésion coque-béton de l'outil risquerait d'être
dégradée par l'échauffement de l'outil d'emboutissage en cours d'utilisation à
cadence élevée, ce qui nuirait gravement aux performances de cet outil.
Les moyens mécaniques d'ancrage ont au moins une dimension qui
s'étend perpendiculairement à la surface de la coque métallique de manière à
dépasser de la surface de la phase liquide de la composition de collage après
application sur cette coque, de façon à ce que, après coulée du béton, ces
moyens d'ancrage soient noyés pour une partie dans la couche de colle et pour
l'autre partie dans le béton.
Comme moyens mécaniques d'ancrage, on peut utiliser :
- des éléments isolés, comme les granulats minéraux ou les clous métalliques cités en exemple 1 ;
- un fil « bi-dimensionnel » du type « fil de fer barbelé » ou un treillis « tri-dimensionnel », présentant des éléments régulièrement espacés s'étendant transversalement à la direction générale respectivement du fil ou du treillis, dont au moins une extrémité est destinée à être noyée dans le béton.
L'utilisation de granulats présente un avantage économique et un
avantage sur le plan de l'ancrage dans le béton, notamment quand ces
granulats sont de même nature que ceux du béton.
Pour appliquer la composition de collage, on commence en général par
enduire la face interne de la coque métallique d'une couche uniforme de colle
classique à l'état fluide et on applique ensuite les moyens d'ancrage en les
faisant pénétrer dans la couche de colle à l'état fluide ; il est très important que
ces moyens d'ancrage soient noyés pour une partie dans la couche de colle et
que l'autre partie émerge de la surface libre de la couche de colle de manière à
pouvoir être noyée ultérieurement dans le béton ; après coulage du béton, les
moyens d'ancrage doivent se trouver insérés à la fois dans l'épaisseur de la
couche de colle et dans le béton.
De préférence, la dimension des moyens d'ancrage qui s'étend
perpendiculairement à la surface de la coque ou à la surface de la couche de
colle est supérieure à l'épaisseur de la couche de colle appliquée.
Dans le cas de l'utilisation d'éléments d'ancrage isolés, on applique de
préférence ces éléments en les répartissant d'une manière uniforme sur et
dans la couche de colle.
L'avantage de l'utilisation d'un fil ou d'un treillis comme moyen d'ancrage
est que les éléments d'ancrage portés par ce fil ou ce treillis sont régulièrement
pré-répartis.
On peut ensuite procéder à l'opération de coulage de la composition de
béton dans le moule.
Avant coulage :
- selon la nature de la colle classique utilisée, on peut, d'une manière connue en elle-même, laisser réticuler partiellement la colle ;
- si besoin, on peut prévoir des armatures de renforcement du béton et des inserts métalliques que l'on dispose alors dans le moule.
On coule ensuite la composition de béton dans le moule, on fait vibrer le
béton à l'état fluide de manière à le dégazer et à le densifier, puis on laisse
solidifier ce béton d'une manière connue en elle-même et adaptée à la
composition de béton utilisée ; dans les conditions de solidification, la colle de
la composition de collage est complètement réticulée.
Après solidification ou au moins après début de solidification, alors que la
colle de la composition de collage est complètement réticulée, on peut
démouler en enlevant si nécessaire les autres éléments de moulage, sauf la
coque métallique qui est solidarisée par collage et ancrage avec le béton.
Lorsque la colle est adaptée pour réticuler complètement dans les
conditions de solidification du béton, il n'est pas nécessaire de prévoir une
étape séparée de réticulation après coulage du béton.
La colle assure alors une liaison chimique entre la coque et le béton, alors
que les moyens mécaniques d'ancrage assurent essentiellement une liaison
mécanique puisqu'ils sont noyés à la fois dans la couche de colle réticulée et
dans le béton solidifié.
L'avantage à utiliser des granulats comme moyens d'ancrage est que les
distances entre les points d'ancrage sont très faibles, notamment lorsque le
diamètre moyen de ces granulats est relativement faible, c'est à dire par
exemple compris entre 1,5 et 3 fois l'épaisseur de la phase liquide de la
composition de collage, après application.
On peut aussi utiliser des granulats non seulement de même nature mais
aussi de même granulométrie que ceux de la composition de béton, ce qui est
plus économique.
Il convient également, si cela n'a pas encore été fait, de séparer la
réplique de la coque métallique, ce qui découvre la surface externe de la coque
qui correspond à la surface travaillante de l'outil d'emboutissage.
Avantageusement, lorsque la réplique est en matériau polymère et/ou
lorsque la couche conductrice appliquée sur cette réplique est à base de
graphite, cette séparation est facilitée.
On obtient ainsi un outil d'emboutissage en béton hydraulique, adapté à la
préparation d'emboutis de forme prédéterminée à partir de flans de tôle, outil
dont la surface destinée à venir au contact du flan de tôle à emboutir est
couverte, au moins partiellement, d'un coque métallique.
La fabrication de l'outil peut être complétée par un léger usinage pour
corriger si besoin les dimensions de l'outil et/ou par un traitement de la surface
travaillante pour la durcir et/ou pour adapter sa rugosité et/ou pour améliorer
l'effet de la lubrification en emboutissage.
On peut pratiquer sur la coque métallique de l'outil les mêmes traitements
de surface que ceux qu'on utilise sur des outils d'emboutissage classiques en
fonte ; pour des traitements thermiques, il convient de veiller à ne pas atteindre
des températures qui risqueraient de détériorer la colle réticulée de la
composition de collage qui assure la liaison entre la coque et le béton.
Grâce à l'invention, l'outil d'emboutissage qu'on obtient offre des
performances nettement améliorées par rapport à ceux de même type de l'art
antérieur, parce que la liaison entre la coque et le béton est très résistante,
notamment aux contraintes de cisaillement ; l'amélioration de la résistance de
cette liaison par rapport à l'art antérieur est illustrée à l'exemple 1 ci-dessous.
Grâce à l'invention, on peut fabriquer, à coût réduit, des outils
d'emboutissage utilisables pour des séries plus importantes de fabrication
d'emboutis et/ou pour des emboutis de formes plus complexes, c'est à dire des
formes présentant de petits rayons de courbure.
Les exemples suivants complètent la description.
Cet exemple a pour but d'illustrer l'effet des moyens solides d'ancrage
ajoutés à la colle sur la résistance de la liaison entre la coque d'un outil
d'emboutissage et le béton que l'on coule dans cette coque.
Pour évaluer cet effet, on mesure la résistance au cisaillement de joints de
colle appliqués entre un bloc en béton et une plaque métallique selon le
protocole défini en §1 ci-dessous, pour plusieurs types de joints collés définis
en §2 ci-dessous ; les résultats sont reportés au §3.
Le principe de la mesure est illustré à la figure 1.
La plaque métallique 2 est constituée d'une tôle d'acier nu d'épaisseur 1,5
mm ; la plaque est dégraissée à l'aide de trichloréthylène.
Après avoir, le cas échéant, mélangé les différents composants de la
colle, on enduit de colle l'une des faces de la plaque 2, le mode d'enduction
étant adapté au type de colle utilisé (voir ci-après).
On applique ensuite, le cas échéant, les moyens mécaniques d'ancrage
selon l'invention (voir ci-après) ; la composition de collage comprend alors la
colle elle-même et les moyens mécaniques d'ancrage.
La préparation de l'assemblage diffère alors selon qu'il s'agit
d'assemblage sur béton « ancien » ou d'assemblage sur béton « humide ».
A partir de la composition de béton n°1 (sans fibres) décrite à l'exemple 2
(Tableau III), on prépare un bloc de béton 1 à faces parallèles ; après maintien
au moins 28 jours en salle de conservation, le bloc obtenu présente une
résistance à la compression de l'ordre de 55 MPa.
Pour obtenir l'assemblage, on applique alors la plaque 2 encollée sur l'une
des faces du bloc 1.
Après séchage dans des conditions adaptées à la colle utilisée, la liaison
3 entre le bloc 1 et la plaque 2 est alors assurée par la composition de collage.
Sur la face encollée de la plaque 2, et après un début de polymérisation
de la colle (1 à 2 heures suivant le type de colle utilisée), on moule un bloc 1 de
béton à partir d'une composition de béton identique à celle décrite au
paragraphe 1.1.1 ci-dessus.
Après vibrage de la composition à l'état fluide, on laisse prendre le béton
en masse et sécher dans les mêmes conditions que celles décrites au
paragraphe 1.1.1 ci-dessus, c'est à dire qu'on maintient l'assemblage au moins
28 jours en salle de conservation.
Comme au paragraphe 1.1.1, la liaison 3 entre le bloc 1 et la plaque 2 est
alors assurée par la composition de collage.
On effectue alors la mesure de résistance au cisaillement du joint de
liaison 3 de la manière suivante : en maintenant le bloc 1 entre un appui 4 sous
sa face inférieure et un autre appui 5 sur sa face supérieure, on applique une
force F verticale à la plaque 2 (voir flèche sur la figure 1) et on mesure la force
de rupture Fr de la liaison du joint 3.
La sollicitation du joint 3 est alors essentiellement en cisaillement.
Pour obtenir une évaluation plus précise de la résistance au cisaillement
d'un joint 3 de liaison, on réalise au moins trois assemblages à l'aide du même
joint de liaison et on mesure la résistance à la rupture Fr1, Fr2, Fr3 de chaque
assemblage ; la moyenne des trois mesures obtenues donne une évaluation
plus précise de la résistance au cisaillement du joint 3.
Le choix d'une tôle métallique en acier s'explique comme suit : des essais
de rupture ont été préalablement effectués en prenant, comme plaque
métallique, des plaques électroformées dans les mêmes conditions que celles
de la coque métallique de l'outil d'emboutissage selon l'invention ; on a alors
observé que la rupture de la liaison du joint de colle se faisait toujours à
l'interface béton-colle ; on a donc déduit que des mesures effectuées à l'aide
de plaque métalliques en acier donneraient les mêmes résultats que celles
effectuées sur des plaques électroformées ; pour simplifier les essais, on a
donc effectué ensuite la plupart des mesures sur des plaques d'acier.
Trois colles ont été testées :
- « Sikadur 31 »® de la Société SIKA : il s'agit d'une colle époxy bi-composants, adaptée au collage de métaux et de béton frais sur béton ancien ; cette colle peut être considérée comme un mortier de résine ; cette colle est appliquée à l'aide d'une raclette à dents triangulaires de 2 mm de hauteur.
- « Sikadur Imprégnation »® de la Société SIKA : colle époxy bi-composants, fluide, adaptée au collage de béton frais sur béton ancien et à la reprise de bétonnage ; il s'agit d'une résine pure s'imprégnant bien dans le béton ; cette colle est appliquée au pinceau.
- « Mybond Epiphen »® 1800 » de la Société LAMBIOTTE : résine époxy bi-composants, fluide ; il s'agit d'une résine pure généralement employée pour la fabrication de composites stratifiés et de bétons de résine ; cette colle est appliquée sur 1 à 2 mm d'épaisseur par coulage dans un moule dont le fond est la plaque métallique ; avant application sur la plaque, on laisse réticuler partiellement pendant 2 heures environ, de manière à obtenir une colle de viscosité plus élevée mais encore suffisamment fluide pour être coulée dans le moule.
Trois types de liaisons composites ont été testées sur béton « humide », les
deux dernières correspondant à des compositions de collage selon l'invention :
- Double couche de colle : colle « Sikadur 31 » + « Sikadur Imprégnation » : on applique d'abord sur la plaque métallique une couche de « Sikadur 31 », on laisse cette colle réticuler partiellement pendant environ 2 h, puis on applique sur cette couche partiellement réticulée une couche de « Sikadur Imprégnation », bien adaptée au collage sur matériaux poreux.
- colle « Sikadur 31 » + liaison « minérale » : la polymérisation de la colle étant plus difficile en milieu humide, l'objectif poursuivi est de compléter la liaison par des liaisons mécaniques de même nature que le béton ; après application de la couche de colle sur la plaque métallique, on disperse des granulats sur cette couche, avant le début de polymérisation ; le diamètre moyen des granulats est largement supérieur à l'épaisseur de la couche de colle appliquée ; le taux de couverture des granulats dispersés est adapté pour que l'espace moyen entre les granulats soit du même ordre de grandeur que la taille moyenne des granulats ; on fait pénétrer les granulats dans la couche de colle.
- colle « Sikadur 31 » + liaison « métallique » : la polymérisation de la colle étant plus difficile en milieu humide, l'objectif poursuivi est de compléter la liaison par des liaisons métalliques comparables à des armatures de béton ; après application de la couche de colle sur la plaque métallique et avant le début de polymérisation, on disperse des clous de 40 mm de long environ sur cette couche, en noyant la tête de ces clous dans la couche de colle , la direction générale des clous étant transversale à la surface de la plaque ; le taux de couverture des clous dispersés est adapté pour que l'espacement minimum entre chaque clou soit supérieur au diamètre minimum des graviers du béton.
Les résultats obtenus ainsi que le type et la localisation de la rupture
après test sont reportés au tableau I ci-dessous.
| Résistance au cisaillement de différentes liaisons béton-métal. | |||
| Type de LIAISON | essai n° | Effort à la rupture (kN) | Type et localisation de rupture |
| Sikadur 31 | 25 | 11,5 | à l'interface colle/béton ancien |
| sur béton | 26 | 14,4 | idem |
| « ancien » | 27 | 17,2 | idem |
| Sikadur 31 | 1 | 7,9 | progressive - à l'interface colle/béton |
| sur béton | 2 | 9,2 | idem |
| « humide » | 3 | 6,5 | idem |
| Sikadur | 22 | 8,6 | à l'interface colle/acier |
| Imprégnation sur | 23 | 6,3 | idem |
| béton « humide » | 24 | 10,1 | idem |
| Résine Lambiotte | 16 | 9,4 | à l'interface colle/acier |
| sur béton | 17 | 13,5 | idem |
| « humide » | 18 | 10,2 | idem |
| Sikadur 31 + | 19 | 10,6 | progressive - à l'interface colle/colle |
| Imprégnation ... sur | 20 | 15,5 | idem |
| béton « humide » | 21 | 14,3 | idem |
| Sikadur 31 + liaison | 4 | 19,2 | à l'interface colle/acier et colle/béton |
| « minérales » sur | 5 | 18,2 | à l'interface colle/béton |
| béton « humide » | 6 | 19,4 | à l'interface colle/acier |
| Sikadur 31 + liaison | 13 | 20,3 | à l'interface colle/acier |
| « métalliques » sur | 14 | 22,6 | idem |
| béton « humide » | 15 | 22,6 | idem |
La comparaison des résultats des essais n°1, 2 et 3 à ceux des essais
n°25, 26 et 27 montre bien qu'une colle appliquée sur béton « frais » ou
« humide » présente en général des performances bien moindres, en termes
de résistance au cisaillement, que la même colle appliquée sur béton
« ancien », c'est à dire béton « pris » et sec.
C'est précisément un but essentiel de l'invention que d'éviter ou de
compenser cette détérioration des performances.
Les performances obtenues avec d'autres colles sur béton humide (essais
n°16 à 18 et n°22 à 24) peuvent être légèrement supérieures mais encore
insuffisantes pour supporter les fortes sollicitations entre le béton et la coque
métallique d'un outil d'emboutissage.
C'est également un but de l'invention que de proposer une liaison béton-métal
résistant beaucoup mieux au cisaillement.
Ainsi les essais n°4 à 6 et n°13 à 15, conformes à l'invention, montrent
que les liaisons composites selon l'invention résistent beaucoup mieux au
cisaillement que les liaisons « colle » selon l'art antérieur, sur béton humide
(essais n°1 à 3 et n°16 à 24) ; l'invention porte donc sur l'utilisation d'une
composition de collage comprenant des moyens mécaniques d'ancrage comme
des granulats (essais n°4 à 6) ou des clous métalliques (essais n°13 à 15).
En utilisant ce type de liaison composite pour la fabrication d'un outil
d'emboutissage en béton doté d'une coque métallique, on améliore
sensiblement la cohésion entre la coque et le béton et, par conséquent, les
performances de l'outil.
Un avantage de la liaison composite selon l'invention réside dans la
fiabilité de la résistance de cette liaison : la dispersion des résultats des essais
effectués sur liaison composite est en effet beaucoup plus faible que celle des
résultats des essais effectués sur liaison collée classique (voir Tableau I) ; cet
avantage améliore donc la fiabilité des outils d'emboutissage fabriqués selon
l'invention.
Cet exemple a pour but d'illustrer la fabrication d'un moule en béton
hydraulique selon l'invention, en référence aux figures 2 à 4.
On pré-découpe un bloc de matériau tendre puis on l'usine pour l'amener
exactement et précisément aux dimensions souhaitées et de manière à ce
qu'une des faces 7 corresponde à la forme prédéterminée de l'embouti.
Comme matériau tendre, on peut prendre l'un des matériaux polymère
décrits au Tableau II ci-dessous.
| Exemples de matériaux polymères pour la réplique. | |||
| Polymère de base : poly- Référence commerciale : | -carbonate Lexan® | époxy LAB 900 | -uréthanne Ren Shape® 540 |
| Caractéristiques Société : | Axson | CIBA | |
| Masse volumique (g/cm3) | 1,2 | 1,62 | 1,65 |
| Absorption d'eau à 24 h : | 0,3 % | 0,2 % | 0 |
| Résistance en compression (MPa) | 77 | 120 | 73 |
| Allongement à la rupture (%) | 60-100 | 50 | 90 |
| Module d'élasticité en flexion (GPa) | 2,24 | 4,5 | 5 |
| Dureté | M70 - R118 | 88 Shore D | 90 Shore D |
| Température de résistance à la chaleur (°C) (Tg : transition vitreuse) | 120 | 123 (Tg) | 110 (Tg) |
| Coefficient dilatation thermique (/°C) | 70.10-6 | 55.10-6 | 45.10-6 |
| Action des acides faibles | nulle | - | résistant |
| Action des acides forts | attaque lente | - | attaque |
Les matériaux décrits dans ce tableau Il présentent les caractéristiques
suivantes :
- coefficient de dilatation supérieur mais relativement proche de celui du nickel (17.10-6 environ) dans la gamme de température 20 - 100°C,
- densité supérieure à 1 kg/dm3 pour faciliter l'immersion dans le bain d'électrodéposition, température de transition vitreuse largement supérieure à la température d'utilisation du bain, bonne résistance à l'action chimique acide du bain et au gonflement à l'eau,
- bonne usinabilité à cause des propriétés mécaniques (résistance à la compression, allongement à la rupture, dureté).
- excellent état de surface après usinage, notamment au niveau de la rugosité et de la porosité, ce qui facilite la séparation coque-réplique.
Après dégraissage, on rend ensuite la face 7 conductrice par application
d'une couche très fine d'une peinture conductrice contenant des particules
d'argent : la réplique 6 est alors dotée d'un film conducteur 8 sur sa surface 7 ;
l'épaisseur du film conducteur 8 est de l'ordre du micromètre.
On peut également utiliser une peinture contenant des particules de
graphite, ce qui facilite la séparation coque-réplique.
Par électrodéposition dans un bain, on revêt donc le film conducteur 8
d'une couche de nickel, qui formera la coque métallique 9 de l'outil
d'emboutissage.
Composition du bain d'électrodéposition :
- acide borique H3BO3 : 80 g/l
- chlorure de nickel, NiCl2, 6 H2O 5 à 10 g/l
- sulfamate de nickel Ni(NH2 SO3)2 200 g/l
... de manière à obtenir |Ni2+| = 40 g/l - agent mouillant <1% en poids
Conditions d'électrodéposition :
- Bain : 4,2 < pH < 4,8 et température comprise entre 50 et 55°C,
- densité de courant : 0,1 A/dm2 au début, portée progressivement à 5 A/dm2.
Caractéristiques mécaniques du nickel obtenu :
- contrainte limite d'élasticité (à 0,2%) : 485 MPa,
- Module d'élasticité : 182,5 GPa,
- contrainte limite à la rupture : 840 MPa,
- Allongement à la rupture : 8,3 %
- dureté sur la face externe (vers film 8) : 210 HV
- dureté sur la face interne (fond de moule) 238 HV
On a également évalué la valeur des contraintes résiduelles dans
l'épaisseur de la couche de nickel en effectuant des mesures sur des couches
déposées dans les mêmes conditions, mais sur une tôle d'acier.
Sur ce substrat et contrairement au film conducteur 8 ou à la surface de la
réplique 7, le nickel est réputé fortement adhérent ; après dépôt de nickel, on
colle sur la face non revêtue de la tôle une jauge de déformation et on mesure
à l'aide de cette jauge la relaxation qui apparaít lorsqu'on enlève par
électroérosion des couches successives du dépôt de nickel.
Ces mesures ont permis d'estimer que les contraintes résiduelles sont
comprises entre 90 et 150 MPa en traction.
Le faible niveau des contraintes résiduelles permet de limiter les risques
de « décollements » de certaines zones de la coque par rapport à la réplique
en cours d'électrodéposition ou avant coulée du béton, ce qui permet de mieux
garantir encore le respect des tolérances géométriques de la surface
travaillante de l'outil.
Après électrodéposition, on obtient donc sur la réplique 6, une coque
métallique 9 présentant une face dite « externe » au contact du film conducteur
8 et une face opposée dite « interne ».
Compte tenu de la forme de la coque 9 décrite à la figure 3, aucun
élément de moulage n'est ici à rajouter pour former le moule de coulée du
béton.
On prépare des compositions avec les constituants suivants :
- liant hydraulique de type ciment et sable : mortier dénommé Clavex ® Lanko 701 de la Société LAFARGE ; ce mortier est déjà formulé avec des additifs limitant le retrait comme de la silice pyrogénée.
- graviers de granulométrie comprise entre 3 et 8 mm,
- fibres de renforcement : fibres de fonte amorphe se présentant sous forme de rubans souples très minces de dimensions 15 x 1 x 0,03 mm environ, dénommées Fibralex de la Société SEVA.
- fluidifiant ou agent superplastifiant : dénommé Sikament FF86 de la Société SIKA.
- eau de gâchage.
Les granulats sont donc ici formés par le sable du mortier et les graviers.
On prépare trois types de composition différant par les proportions de ces
constituants, comme indiqué au tableau III.
| Compositions de béton pour outil d'emboutissage. | ||||||
| Béton | Fibres | Mortier | Graviers | Eau | E/C | Fluidifiant |
| n°1 | 0 | 1270 | 1250 | 200 | 0,41 | 1,35 (0,3%) |
| n°2 | 36 (0,5%) | 1250 | 1133 | 200 | 0,42 | 4,75 (1%) |
| n°3 | 72 (1%) | 1500 | 480 | 240 | 0,42 | 5,7 (1%) |
Dans ce Tableau III, les proportions sont indiquées en masse volumique
(kg/m3), les chiffres en parenthèses indiquent :
- dans la colonne « fibres », le volume de fibres par rapport au volume de béton,
- dans la colonne « fluidifiant », le volume de fluidifiant par rapport au volume de ciment.
La rapport E/C désigne le poids d'eau divisé par le poids de ciment.
Dans l'exemple 1, on utilise deux types de composition de collage : la
première correspondant aux essais n°4 à 6, et la seconde correspondant aux
essais n°13 à 15 ; la composition de collage est préparée et appliquée sur la
plaque métallique 2.
On utilise ici de la même façon soit la première soit la deuxième
composition de collage, sur la coque métallique 9 toujours supportée par la
réplique 6.
Avant coulage, on positionne des inserts métalliques 10 et 11.
On coule ensuite la composition de béton dans le moule formé par la
coque 9 supportée par la réplique 6, puis on fait vibrer le béton à l'état fluide à
l'aide d'une aiguille vibrante adaptée à cet effet.
Comme la coque 9 forme le moule correspondant à la forme de l'outil à
fabriquer, il n'y a pas, ici, d'autres éléments de moulage et il n'y a donc pas
d'étape ultérieure de démoulage.
On laisse ensuite prendre le béton dans les conditions suivantes :
conservation pendant 28 jours en atmosphère à température constante (≈
21°C) et taux d'humidité constante (95% environ), en protégeant de la
dessiccation les surfaces de béton frais exposées à l'atmosphère.
On prépare des éprouvettes du même béton dans des conditions
identiques, pour évaluer les propriétés mécaniques.
On constate que le retrait à 30 jours est de l'ordre de 0,05 mm/m pour les
trois compositions de béton.
On évalue les propriétés mécaniques de la manière suivante :
- résistance à la compression σ max.c : sur des éprouvettes de diamètre 110 mm et de longueur 220 mm ;
- résistance en traction σ max.t1 : par des essais de flexion (de type « trois points ») à déplacement imposé sur des éprouvettes de dimensions : 70 x 70 x 280 mm ;
- résistance en traction σ max.t2 : par des essais de flexion (de type « trois points ») à force imposée sur des éprouvettes pré-entaillées de dimensions : 47 x 70 x 280 mm ; ces essais sont effectués à un an.
- module d'élasticité en compression Ec et en flexion Ef.
Les résultats obtenus sont reportés au Tableau IV pour chaque
composition de béton (cf. §3 ci-dessus)
| Propriétés mécaniques des bétons du Tab.lll. | |||||
| Béton | smaxc (MPa) | smax t 1 (MPa) | smax t 2 (MPa) | Ec (GPa) | Et (GPa) |
| n°1 | 55,5 | 8,5 | 9,4 | 33,6 | 43,4 |
| n°2 | 67,5 | 10,6 | 11,1 | 34,5 | 46,7 |
| n°3 | 62,7 | 17,1 | 16,4 | 37,3 | 45,6 |
Ce tableau illustre l'effet renforçateur des fibres introduites dans la
composition de béton.
Après coulée et solidification, on sépare la réplique 6 de la coque
métallique 9 solidaire de la pièce en béton solidifié 12, et on obtient l'outil
d'emboutissage tel que représenté à la figure 4.
La figure 4 illustre la liaison entre la pièce en béton 12 et la coque 9
assurée par la composition de collage comprenant de la colle réticulée 13 et
des granulats 14.
La combinaison de l'effet chimique de liaison assuré par la colle 13 et de
l'effet mécanique de liaison assuré par les granulats 14 permet d'atteindre une
très forte cohésion de la coque 9 et de la pièce en béton.
Les inserts et la partie de la surface de l'outil qui est en béton sont usinés
afin d'obtenir les cotes et les centrages souhaités ; la coque 9 électroformée ne
nécessite aucun traitement particulier avant utilisation de l'outil sous presse
d'emboutissage.
On obtient ainsi un outil d'emboutissage particulièrement performant,
résistant très bien à l'usure et permettant de réaliser à grandes cadences des
emboutis de qualité.
Une étude complète sur le frottement en emboutissage et en particulier
sur l'effet du nickel comme matériau de surface d'outil a montré qu'on obtenait
des conditions de frottement pratiquement équivalentes avec un matériau de
surface d'outil en acier et avec un matériau de surface d'outil en nickel
électroformé ; sur une tôle d'acier simplement revêtue d'un film de lubrification
de protection temporaire contre la corrosion, le coefficient de frottement a été
estimé à 0,22 environ.
Les outils d'emboutissage obtenus ont été testés sur presse industrielle et
ont donné satisfaction dans des conditions classiques d'emboutissage ; les
tests ont montré qu'un même outil permettait de réaliser plusieurs centaines de
milliers d'emboutis.
Claims (16)
- Procédé de fabrication d'un outil d'emboutissage en béton hydraulique (12), adapté à la préparation d'emboutis de forme prédéterminée à partir de flans de tôle, outil dont la surface destinée à venir au contact du flan de tôle à emboutir est couverte au moins partiellement d'une coque métallique (9), comprenant les étapes consistant à :caractérisé en ce que, préalablement à l'étape de coulage, on applique, sur ladite face interne, une composition de collage comprenant une phase liquide de colle et une phase solide adaptée pour former des moyens mécaniques d'ancrage (14) au béton.préparer ladite coque métallique (9) de manière à ce qu'elle présente une face dite « externe » correspondant à la forme prédéterminée de l'embouti et une face opposée dite « interne »,préparer un moule pour l'outil d'emboutissage en prenant ladite coque (9) comme fond ou élément de moule, face interne tournée vers l'intérieur du moule,couler dans ledit moule une composition de préparation dudit béton comprenant des granulats,solidifier ladite composition,
- Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite phase solide de la composition de collage est formée par des granulats.
- Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que les granulats de la composition de collage sont de même nature que ceux de la composition de béton.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la dimension desdits moyens d'ancrage (14) qui s'étend perpendiculairement à la surface de la coque (9) est supérieure à l'épaisseur de la phase liquide (13) de la composition de collage appliquée.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que, pour appliquer ladite composition de collage, on applique d'abord la phase liquide (13) de la composition de collage, puis on applique lesdits moyens d'ancrage (14) en les faisant pénétrer partiellement dans ladite phase liquide (13).
- Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'on applique les moyens d'ancrage (14) de manière à ce qu'ils émergent partiellement de la surface libre de ladite phase liquide (13).
- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la phase liquide (13) de la composition de collage est thermodurcissable dans les conditions de solidification de ladite composition de béton.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite composition de préparation de béton contient des fibres de renforcement.
- Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite coque (9) est préparée par électrodéposition.
- Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que ladite préparation de coque comprend les étapes consistant à :la face interne de la coque (9) correspondant alors au dépôt métallique de fin d'électrodéposition.réaliser une réplique (6) présentant une surface (7) correspondant à la forme prédéterminée de l'embouti,le cas échéant, rendre conductrice ladite surface (7) de la réplique (6),revêtir ladite surface (7) ou, le cas échéant, ladite surface conductrice (8), d'une couche métallique par électrodéposition jusqu'à former une coque métallique (9),
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 10, caractérisé en ce que ladite couche métallique est à base de nickel et en ce que ladite électrodéposition est réalisée dans un bain d'électrodéposition contenant essentiellement du sulfamate de nickel.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 10, caractérisé en ce que ladite couche métallique est à base de cuivre.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que ladite réplique (6) est en matériau polymère.
- Outil d'emboutissage en béton hydraulique dont la surface destinée à venir au contact du flan de tôle à emboutir est couverte, au moins partiellement, d'une coque métallique (9) liée au béton (12), susceptible d'être obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite coque (9) est liée au béton (12) à l'aide d'une couche de colle, des moyens (14) mécaniques d'ancrage étant insérés en partie dans le béton (12), et en partie dans ladite couche de colle.
- Outil selon la revendication 14, caractérisé en ce que les moyens mécaniques d'ancrage (14) sont des granulats.
- Outil selon la revendication 15 caractérisé en ce que lesdits granulats sont de même nature que ceux du béton.
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