EP1718425B1 - Presse hybride pour le formage de pieces de fortes dimensions - Google Patents

Presse hybride pour le formage de pieces de fortes dimensions Download PDF

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EP1718425B1
EP1718425B1 EP05726416A EP05726416A EP1718425B1 EP 1718425 B1 EP1718425 B1 EP 1718425B1 EP 05726416 A EP05726416 A EP 05726416A EP 05726416 A EP05726416 A EP 05726416A EP 1718425 B1 EP1718425 B1 EP 1718425B1
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high energy
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Philippe Aubert
Didier Sabourin
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J9/00—Forging presses
    • B21J9/02—Special design or construction
    • B21J9/06—Swaging presses; Upsetting presses
    • B21J9/08—Swaging presses; Upsetting presses equipped with devices for heating the work-piece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J1/00—Preparing metal stock or similar ancillary operations prior, during or post forging, e.g. heating or cooling
    • B21J1/06—Heating or cooling methods or arrangements specially adapted for performing forging or pressing operations

Definitions

  • the invention relates to the forming or forging of large dimensions, in particular of large thickness. More particularly it relates to a press for forming thick parts comprising a frame supporting two dies and actuating means for clamping the workpiece to be formed between these two dies so that they follow the shape. It also relates to a method of forming a large part, particularly a large thickness by means of such a press.
  • One currently known technique for putting a part in shape consists in inserting it between two dies and then deforming it so that the part matches the shape of this matrix to obtain a desired geometry.
  • This proven technique has the effect of generating stresses in the room, even micro-cracks, which can cause accelerated aging.
  • the possibilities of deformation are limited by the characteristics of the material since it must be placed in the plastic field thereof, without reaching the break.
  • the geometry obtained is difficult to master and requires a great deal of experience.
  • Another currently known technique is to send shocks generated by a laser to the surface of the room. Very short pulses and high energy hit the surface of the room. The energy of the laser is absorbed by the material to a very small thickness. The affected area is then transformed into a plasma whose trigger generates a shock wave in the material. This wave can be used to harden the surface of the material or deform it if the energy is sufficient. The shortness of the impulse means that there is no heat transfer.
  • This method is more flexible than the previous one in that it is not necessary to manufacture a template for each piece to be formed. It is more precise insofar as each pulse generates only a minimal deformation. On the other hand, it is slower.
  • the laser energy is thus distributed and punctually less important than that of a laser focused on a point. She can not claim to put the piece in shape alone.
  • a heating laser can deform a room to the extent that a heat input, whatever its origin, can deform a room. Nevertheless, the deformations are not very predictable, except to be realized between templates. AT the extreme, such a method can lead to melt the material which can then be shaped by a mold.
  • the first method makes it possible to increase the possibilities of deformation of the part but is not suitable for forming parts of great thickness. Indeed, the hydroforming applies only to hollow bodies (tubes) or plates whose thickness does not exceed 3mm.
  • the second method is also not suitable for shaping thick parts.
  • the invention relates to a press and a method that overcomes the drawbacks of the prior art.
  • the frame supports at least one pulsed laser to generate localized impacts of high energy on the surface of the part.
  • press forming makes it possible to approach the desired shape very quickly while the laser makes it possible to ensure its finishing in a very precise manner.
  • the laser operates in pulse shock mode without heat transfer, so without adding residual stresses.
  • Impulse shocks alone can modify the shape of the part according to a pre-established and repeatable geometry.
  • the press and the laser can be used consecutively or, preferably, simultaneously.
  • the press must have at least one passage formed in one of the dies to allow the passage of high energy laser pulses through the matrix.
  • the simultaneous use of the laser and the press makes it possible to use a press of smaller size, with equal capacity or even, with equal dimension, increases the capacities of the press without having to move the workpiece.
  • the tools used can be simplified.
  • the dies can be replaced by simple formatting tools placed at the end of cylinders that press the part to be shaped.
  • a thick forming part 2 is placed between a lower die 4 and an upper die 6.
  • the dies 4 and 6 are brought closer to each other by actuating means such as jacks 8.
  • the piece 2 deforms so as to match the shape of the matrices 4 and 6.
  • this technique has the effect of generating stresses in the room, which can be translate by the appearance of micro-cracks.
  • the possibilities of deformation are limited and the geometry obtained is difficult to control.
  • a part to be formed designated in its initial state by the reference 2a, comprises an upper surface 10 and a lower surface 12 (according to FIG. 2) whose surface 10 receives impacts, represented diagrammatically by the arrows 14, emitted by a laser 16.
  • These pulses are localized, very short and of high energy. Typically their duration is a few tens of nanoseconds, and their energy some GW / cm2.
  • the energy of the laser 16 is absorbed by the material to a very small thickness.
  • the area involved is transformed into a plasma whose trigger generates a shock wave in the material. This wave can be used to harden the surface of the material or deform it if the energy is sufficient.
  • the shortness of the impulse means that there is no heat transfer.
  • index b the part in its final state.
  • the surface 10, directed towards the laser beam 14, has a concave shape while the surface 12, located opposite the laser beam has a convex shape.
  • complex shapes can also be obtained.
  • This laser forming method is described, in particular, in the articles “Convex laser forming with high certainty” (Wenchuan I and Y. Lawrence Yao, Department of Mechanical Engineering, Columbia University, New York, NY 10 027) and “Optimal and robust design of laser forming process "(Chao Liu and Y. Lawrence Yao, Department of Mechanical Engineering at Columbia University New York, NY 10 027).
  • This technique is more flexible than the mechanical deformation process described with reference to Figure 1 in that it is not necessary to manufacture a template for each room or each type of room to be treated. It is also more accurate insofar as each pulse generates only a minimal deformation. On the other hand, it is less fast. As a result, it is not suitable for mass production of parts.
  • the laser 16 comprises a frame 3, a lower die 4 and an upper die 6 and a laser 16 emitting a beam 14 mounted on the frame 3.
  • the laser 16 may be of solid type (based on neodymium, Yttrium, Itherbium, etc.) or dyes with a frequency of the order of 1Khz. Both techniques can be used consecutively. In this case, the mechanical deformation forming process is used first to quickly obtain a blank of the workpiece. Then the finish to obtain precise dimensions is achieved by the laser forming process. This second means is used to obtain an extremely precise form. It does not induce heat transfer in the room.
  • both techniques are used simultaneously.
  • at least one of the matrices 4 and 6 has a passage opening 18 for the laser beam 14. This passage has been symbolized in FIG. 3 by an opening 18 in the upper die 4.
  • the passage of Laser beam can be obtained by any method, for example by optical fibers or by mirrors for directing the pulses to precisely selected areas of the workpiece 2.
  • the part 2 can undergo heating so as to reduce the stresses induced by the shaping.
  • the piece thus formed can then gain in life.
  • This heating can be induced by a conventional means or by laser if it is desired a very localized heating.
  • the laser working in thermal regime, designated by the reference 20, is not the same as that which generates the shocks. The characteristics of these lasers are different.
  • the combination of the two techniques makes it possible, thanks to the laser 16, to reduce the capacity of the press to be used. Similarly, the tools used can be simplified.
  • the matrices 4 and 6 can be replaced by simple formatting tools placed at the end of jacks that press the part 2.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Shaping Metal By Deep-Drawing, Or The Like (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Description

  • L'invention se rapporte au formage ou au forgeage de pièces de fortes dimensions, en particulier de forte épaisseur. Plus particulièrement elle concerne une presse pour le formage de pièces de forte épaisseur comprenant un bâti supportant deux matrices et des moyens d'actionnement pour serrer la pièce à former entre ces deux matrices de manière à ce qu'elles en épousent la forme. Elle concerne également un procédé de formage d'une pièce de fortes dimensions en particulier de forte épaisseur au moyen d'une telle presse.
  • Une technique actuellement connue pour mettre une pièce en forme consiste à l'insérer entre deux matrices puis à la déformer de manière que la pièce épouse la forme de cette matrice pour obtenir une géométrie souhaitée. Cette technique éprouvée a pour effet de générer des contraintes dans la pièce, voire des micro-fissures, ce qui peut engendrer un vieillissement accéléré. De plus, les possibilités de déformation sont limitées par les caractéristiques du matériau puisqu'il faut se placer dans le domaine plastique de celui-ci, sans atteindre la rupture. La géométrie obtenue est difficile à maîtriser et nécessite une grande expérience.
  • Une autre technique actuellement connue consiste à envoyer des chocs générés par un laser à la surface de la pièce. Des impulsions très brèves et de forte énergie viennent frapper la surface de la pièce. L'énergie du laser est absorbée par le matériau sur une épaisseur très faible. La zone affectée est alors transformée en un plasma dont la détente génère une onde de choc dans le matériau. Cette onde peut être utilisée pour durcir la surface du matériau ou la déformer si l'énergie est suffisante. La brièveté de l'impulsion fait qu'il n'y a pas de transfert thermique. Ce procédé est plus flexible que le précédent dans la mesure où il n'est pas nécessaire de fabriquer un gabarit pour chaque pièce à former. Il est plus précis dans la mesure où chaque impulsion ne génère qu'une déformation minime. En revanche, il est moins rapide.
  • On connaît ( WO 99/01239 , preambule de la revendication 1) un dispositif associant une presse classique (matrice et poinçon) à un laser de chauffage. La pièce est chauffée par l'intermédiaire d'un prisme, de lentilles et d'un jeu de miroirs de manière à former une ligne laser à la surface de la pièce.
  • L'énergie du laser est ainsi répartie et ponctuellement moins importante que celle d'un laser focalisé sur un point. Elle ne peut prétendre à mettre seule la pièce en forme.
  • Bien évidemment, un laser de chauffage peut déformer une pièce dans la mesure où un apport de chaleur, quelle que soit son origine, peut déformer une pièce. Néanmoins, les déformations sont peu prédictibles, sauf à être réalisées entre gabarits. A l'extrême, une telle méthode peut conduire à fondre la matière qui peut alors être mise en forme par un moule.
  • On connaît par ailleurs ( WO 03/053607 ) un procédé d'hydroformage dans lequel certaines zones de la pièce à former, par exemple des zones qui subissent une déformation importante, sont chauffées localement au moyen d'un faisceau laser.
  • On connaît également ( US 6,515,253 ) un procédé pour usiner en continu une bande de tôle dans lequel un faisceau laser est utilisé pour restaurer partiellement les propriétés mécaniques du métal ou pour effectuer certaines opérations telles que la découpe d'orifices.
  • Le premier procédé permet d'accroître les possibilités de déformation de la pièce mais n'est pas adapté au formage de pièces de forte épaisseur. En effet, l'hydroformage ne s'applique qu'à des corps creux (tubes) ou à des plaques dont l'épaisseur ne dépasse pas 3mm. Le second procédé n'est pas non plus adapté à la mise en forme de pièces de forte épaisseur.
  • L'invention a pour objet une presse et un procédé qui remédient aux inconvénients de l'art antérieur.
  • Ce résultat est atteint par le fait que le bâti supporte au moins un laser impulsionnel pour générer des impacts localisés de forte énergie sur la surface de la pièce.
  • Le procédé de formage se caractérise par les étapes suivantes :
    • on insère la pièce à former entre les deux matrices ;
    • on rapproche les deux matrices l'une de l'autre de manière à ce que la pièce épouse les formes des matrices ;
    • on met en forme la surface de la pièce par des impacts de laser localisés et de forte énergie.
  • Ainsi, le formage sous presse permet d'approcher très rapidement la forme souhaitée tandis que le laser permet d'assurer sa finition de manière très précise. Le laser fonctionne en régime de chocs impulsionnels sans transfert thermique, donc sans ajouter de contraintes résiduelles. Les chocs impulsionnels permettent à eux seuls de modifier la forme de la pièce selon une géométrie pré-établie et répétable.
  • La presse et le laser peuvent être utilisés de manière consécutive ou, de préférence, simultanément. Dans ce cas la presse doit comporter au moins un passage formé dans l'une des matrices pour permettre le passage des impulsions de forte énergie du laser à travers la matrice.
  • L'utilisation simultanée du laser et de la presse permet d'utiliser une presse de dimension plus réduite, à capacité égale ou encore, à dimension égale, augmente les capacités de la presse sans avoir à déplacer la pièce.
  • En outre, l'outillage utilisé peut être simplifié. Les matrices peuvent être remplacées par de simples outils de mise en forme placés au bout de vérins qui viennent appuyer sur la pièce à mettre en forme.
  • D'autre caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif en référence aux figures annexées. Sur ces figures :
    • la figure 1 illustre un procédé de formage classique sous presse ;
    • la figure 2 illustre un procédé de formage laser conforme à l'art antérieur ;
    • la figure 3 illustre une presse hybride conforme à l'invention.
  • Sur la figure 1, une pièce à former 2 de forte épaisseur est placée entre une matrice inférieure 4 et une matrice supérieure 6. Les matrices 4 et 6 sont rapprochées l'une de l'autre par des moyens d'actionnement tels que des vérins hydrauliques schématisés par les flèches 8. La pièce 2 se déforme de manière à épouser la forme des matrices 4 et 6. Toutefois, comme on l'a expliqué précédemment, cette technique a pour effet de générer des contraintes dans la pièce, lesquelles peuvent se traduire par l'apparition de micro-fissures. De plus, les possibilités de déformation sont limitées et la géométrie obtenue est difficile à maîtriser.
  • Sur la figure 2, une pièce à former, désignée dans son état initial par la référence 2a, comporte une surface supérieure 10 et une surface inférieure 12 (selon la figure 2) dont la surface 10 reçoit des impacts, schématisées par les flèches 14, émises par un laser 16. Ces impulsions sont localisées, très brèves et de forte énergie. Typiquement leur durée est de quelques dizaines de nanosecondes, et leur énergie de quelque GW/cm2.
  • L'énergie du laser 16 est absorbée par le matériau sur une épaisseur très faible. La zone impliquée est transformée en un plasma dont la détente génère une onde de choc dans le matériau. Cette onde peut être utilisée pour durcir la surface du matériau ou la déformer si l'énergie est suffisante. La brièveté de l'impulsion fait qu'il n'y a pas de transfert thermique.
  • On a désigné par la référence "indice b" la pièce dans son état final. La surface 10, dirigée vers le faisceau laser 14, présente une forme concave tandis que la surface 12, située à l'opposé du faisceau laser présente une forme convexe. Naturellement, des formes complexes peuvent également être obtenues. Ce procédé de formage par laser est décrit, notamment, dans les articles "Convex laser forming with high certainty" (Wenchuan I and Y. Lawrence Yao, Department of Mechanical Engineering, Columbia University, New-York, NY 10 027) et "Optimal and robust design of laser forming process" (Chao Liu and Y. Lawrence Yao, Department of Mechanical Engineering Columbia University New-york, NY 10 027).
  • Cette technique est plus flexible que le procédé de déformation mécanique décrit en référence à la figure 1 dans la mesure où il n'est pas nécessaire de fabriquer un gabarit pour chaque pièce ou chaque type de pièce à traiter. Elle est également plus précise dans la mesure où chaque impulsion ne génère qu'une déformation minime. En revanche elle est moins rapide. Par suite, elle n'est pas adaptée à une fabrication de pièce en série.
  • La technique de l'invention représentée sur la figure 3 utilise à la fois le procédé de pressage classique décrit en référence à la figure 1 et le procédé de formage par laser décrit en référence à la figure 2.
  • A cet effet, elle comprend un bâti 3, une matrice inférieure 4 et une matrice supérieure 6 et un laser 16 émettant un faisceau 14 monté sur le bâti 3. Le laser 16 peut être de type à solide (à base de Néodyme, d'Yttrium, d'Itherbium, etc.) ou à colorants avec une fréquence de l'ordre de 1Khz. Les deux techniques peuvent être utilisées consécutivement. Dans ce cas, le procédé de formage par déformation mécanique est utilisé en premier pour obtenir rapidement une ébauche de la pièce. Puis la finition permettant d'obtenir des dimensions précises est réalisée par le procédé de formage par laser. Ce second moyen est utilisé pour obtenir une forme extrêmement précise. Il n'induit pas de transfert thermique dans la pièce.
  • Dans une variante préférée du procédé, les deux techniques sont utilisées simultanément. Dans ce cas, l'une au moins des matrices 4 et 6 comporte une ouverture de passage 18 pour le faisceau laser 14. Ce passage a été symbolisé sur la figure 3 par une ouverture 18 dans la matrice supérieure 4. Toutefois, le passage du faisceau laser peut être obtenu par tout procédé, par exemple par des fibres optiques ou par des miroirs permettant de diriger les impulsions vers des zones choisies précisément de la pièce à former 2.
  • En complément du formage par laser, la pièce 2 peut subir un chauffage de manière à réduire les contraintes induites par la mise en forme. La pièce ainsi formée peut alors gagner en durée de vie. Ce chauffage peut être induit par un moyen classique ou par laser si l'on souhaite un chauffage très localisé. Le laser qui travaille en régime thermique, désigné par la référence 20, n'est pas le même que celui qui génère les chocs. Les caractéristiques de ces lasers sont différentes.
  • L'association des deux techniques permet, grâce au laser 16, de diminuer la capacité de la presse à utiliser. De même, l'outillage utilisé peut être simplifié. Les matrices 4 et 6 peuvent être remplacées par de simples outils de mise en forme placés au bout de vérins qui viennent appuyer sur la pièce 2.

Claims (9)

  1. Presse pour le formage de pièces de fortes dimensions, comprenant deux matrices (4,6) et des moyens d'actionnement (8) pour serrer la pièce (2) à former entre ces deux matrices, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un laser impulsionnel de mise en forme (16) pour générer impacts localisés et de forte énergie (14) sur la surface (10) de la pièce (2).
  2. Presse selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un passage (18) pour permettre le passage des impacts localisés et de forte énergie (14) à travers la matrice.
  3. Presse selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le laser est adapté à émettre des impulsions dont la durée est comprise entre 10 et 100 nanosecondes et dont 'énergie est comprise entre 1 et 10 GW/cm2.
  4. Procédé de formage d'une pièce de forte épaisseur au moyen d'une presse selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par les étapes successives suivantes :
    - on insère la pièce à former (2) entre les deux matrices (4, 6) de la presse ;
    - on rapproche les deux matrices (4, 6) l'une de l'autre de manière à ce que la pièce épouse les formes des matrices ;
    - on met en forme la surface (10) de la pièce (2) par des impacts de laser impulsionnel localisés et de forte énergie.
  5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce l'on frappe la surface (10) de la pièce (2) par des impacts de laser localisés et de forte énergie en même temps que l'on rapproche les deux matrices l'une de l'autre.
  6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on rapproche d'abord les deux matrices (4, 6) l'une de l'autre de manière à mettre en forme une ébauche de la pièce (2) à former puis en ce que l'on frappe la surface (10) de cette ébauche par des impacts laser (14) localisés et de forte énergie.
  7. Procédé selon l'une des revendications 4 à 5, caractérisé en ce que l'on chauffe la pièce à former durant l'étape de mise en forme.
  8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on chauffe la pièce à former (2) au moyen d'un laser de chauffe (20).
  9. Presse selon l'une des revendications 1 à 3 ou procédé selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que le laser impulsionnel (14) est de type à solide ou à colorants ayant une fréquence de l'ordre de 1Khz.
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