EP2257651A1 - Procede de formage a partir de flan en materiau trempant avec refroidissement differentiel - Google Patents

Procede de formage a partir de flan en materiau trempant avec refroidissement differentiel

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EP2257651A1
EP2257651A1 EP09715243A EP09715243A EP2257651A1 EP 2257651 A1 EP2257651 A1 EP 2257651A1 EP 09715243 A EP09715243 A EP 09715243A EP 09715243 A EP09715243 A EP 09715243A EP 2257651 A1 EP2257651 A1 EP 2257651A1
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EP
European Patent Office
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stamping tool
blank
punch
mpa
zone
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EP09715243A
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German (de)
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EP2257651B1 (fr
Inventor
Jean Jacques Lety
Stéphane Anquetil
Laurent Barromes
Sophie Sebrier
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ThyssenKrupp Sofedit SAS
Original Assignee
ThyssenKrupp Sofedit SAS
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Publication date
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Publication of EP2257651B1 publication Critical patent/EP2257651B1/fr
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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
    • B21D37/16—Heating or cooling
    • 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
    • B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
    • B21D22/02—Stamping using rigid devices or tools
    • B21D22/022—Stamping using rigid devices or tools by heating the blank or stamping associated with heat treatment
    • 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
    • B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
    • B21D22/20—Deep-drawing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/62—Quenching devices
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/62—Quenching devices
    • C21D1/673—Quenching devices for die quenching

Definitions

  • the present invention relates to hot forming processes with cooling. More particularly, the present invention relates to hot forming processes from blank of quenching material with differential cooling.
  • a quenching process with quenching of a piece of quenching material in the same tool is known and is described in JP 2005-205416.
  • a blank is shaped by a stamping tool. After stamping, while the piece is still held in the tool, quenching is performed by contact between the tool and the stamped blank. In addition to this contact is made a cold water circulation in pipes provided for this purpose in the stamping tool which accelerates the cooling.
  • this type of parts is made in two or more parts by different forming and cooling processes.
  • the two or more parts are then bonded by welding techniques well known to those skilled in the art.
  • the method used today is therefore expensive in time and equipment.
  • the weld portion is an area of weakness presenting a risk to the user during an impact.
  • US 5,916,389 also discloses such a method in which a steel object is obtained.
  • This steel object is composed of different parts whose material is in different structural states; some parts are hardened, others remain ductile.
  • - heating elements can be provided in a punch and a die of a stamping tool
  • US 2002/0104591 discloses a method in which a foot-medium is formed with two parts having different mechanical properties.
  • a first part corresponding to the upper part of the foot-medium has a martensitic structure with a mechanical strength beyond 1400N / mm 2 .
  • a second portion corresponding to the lower part of the foot-medium has a ferritic-pearlitic structure and a mechanical strength of less than 850N / mm 2 (about 500N / mm 2 ) and an elongation of less than 25% (preferably 20%) .
  • the lower part having remained ductile is protected from heat when heated to austenitic temperature.
  • the lower part of the foot-medium is not in an austenitic state at the end of the heating and therefore can not be tempered to obtain a martensitic structure.
  • This method has the following disadvantage: when the blank remains in the oven longer than the required time (even a time slightly longer), the transition zone between the hardened and unhardened parts may widen.
  • a first variant consists in practically producing the same method as that described in document US 2002/0104591;
  • a second variant consists in using a stamping tool having cooling means where quenching is desired;
  • the stamping tool has different parts made of different materials, having different thermal conductivity values.
  • the inventors have tried to obtain quenched steel parts having the desired mechanical properties by using low conductivity materials (for example concrete having a conductivity of the order of 2 W.m -1 .K -1 ) for the stamping tool. The results obtained were not convincing. Also, a low conductivity of the material does not prevent the first parts in production from being quenched since they are in contact with the cold tool.
  • DE 10 2006 019 395 A1 discloses a method in which the stamping tool comprises a die, a punch and a blank holder.
  • the three elements of the stamping tool can be heated to different temperatures. Nevertheless only examples where the three parts are heated to an identical temperature are given.
  • the method consists in heating the stamping tool to a temperature of between 200 and 650 ° C.
  • the elongation A 8 o is approximately 5%, and the mechanical strength is above 1500 MPa.
  • the elongation A 80 is greater than 5.8% and mechanical strength below 1500 MPa.
  • the mechanical strength is 820 MPa and the elongation A 80 is 10%.
  • This method although operating for the tubes, is not applicable to the forming of a blank because of the difference in geometry.
  • Another auxiliary object of the present invention is to confer different properties of mechanical strength and elongation of the material to different parts of the same room, as sought by those skilled in the art.
  • the present invention provides a stamping tool for forming and cooling a steel part from a blank, the tool comprising:
  • the punch and the die each comprising:
  • T 100 (6 - L), with L> 0.2 and 400 ⁇ T ⁇ 600; L being expressed in mm and T in 0 C.
  • stamping tool On a forming face of the first part of the punch is provided at least one projection;
  • the heating means In the first part of the matrix, are provided at least in part the heating means;
  • the stamping tool has a set of air between the cold zone and the hot zone.
  • the present invention also provides a method of forming and cooling using the stamping tool according to any one of the preceding claims, the method comprising the steps of: - heating the blank to an austenitic temperature;
  • the hot zone of the stamping tool is brought to a temperature above 400 0 C by the heating means.
  • the heating temperature of the hot zone of the stamping tool is below about 600 0 C;
  • cooling is carried out at a speed of between about 5 ° C / sec and about 15 ° C / sec;
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a first part of the stamping tool comprising heating means
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a second part of the stamping tool
  • FIG. 4 is a schematic view of a foot-medium made according to the invention. In the remainder of the description, the elongation values at break are understood as test values obtained on a specimen A 80 .
  • the stamping tool 1 comprises a set of punches 2 and a set of dies 3.
  • the set of punches 2 and the set of dies will hereinafter be called respectively the punch 2 and the die 3.
  • the matrix 3 has a recess generally complementary to a relief of the punch 2. The complementarity of this recess and the relief gives a heated blank 6 a specific shape.
  • the punch 2 and the die 3 comprise at least two parts 21, 22; 31, 32 corresponding to at least two zones: a hot zone 11 and a cold zone 12.
  • This tolerance is a maximum of 0.2 mm.
  • a set of air then corresponds to a distance L greater than 0.2 mm.
  • heating elements 4 In a first portion 21 of the punch 2 corresponding to the hot zone 11 are provided heating elements 4. Alternatively, in a first portion 31 of the die 3 corresponding to the hot zone 11 are also provided heating elements 4.
  • the heating elements 4 are therefore provided either only in the punch 2, or only in the die 3, or in both at once.
  • These heating elements 4 make it possible to bring the hot zone 11 to a temperature greater than 400 ° C. and preferably below 600 ° C.
  • the heating elements 4 are chosen from heating cartridges, induction heating devices and thermal sheaths.
  • Thermal ducts and induction heaters can conform to curved shapes.
  • the first parts (respectively 21 and 31) of the punch 2 and the die 3 corresponding to the hot zone 11 will be described below.
  • the punch 2 and the die 3 each have a forming face (respectively 21f and 3If).
  • the forming face 21f of the punch 2 is not complementary to the forming face 31f of the die 3 so as to leave an air gap 7, defining a distance L between the punch 2 and the blank 6 and between the die 3 and the blank 6.
  • This air gap 7 is less than about 2 mm.
  • the punch 2 then has on the forming face 21f at least one projection 211 which abuts against the forming face 31f of the die 2 (as shown in Figure 2).
  • This projection 211 has a maximum height of about 2 mm maximum.
  • this projection 211 may be present not on the forming face 21f of the punch 2 but on that 31f of the die 3.
  • At least one protrusion 211 is present both on the forming face 21f of the punch 2 and 31f of the matrix 3. These projections 211 are then facing one opposite the other or no.
  • the punch 2 and the die 3 have forming faces 21f, 31f substantially complementary to one another.
  • the forming face 21f of the punch 2 has a surface of which a section has a substantially ⁇ shape
  • the forming face 31f of the die 3 also has a surface of which a section has a substantially ⁇ shape, so that the punch 2 can be inserted into the die 3.
  • the punch 2 and the die 3 have substantially complementary shapes (as illustrated in FIG. 3). That is to say that the punch 2 and the die 3 each have a forming face 21f, 31f complementary to that 31f, 21f of the other, to the nearest thickness.
  • cooling systems for example water circulation circuits.
  • the blank to be formed 6 is made of steel, for example a boron steel
  • the material of the blank 6 is not limited to boron steels, it can be any type of steel suitable for the manufacture of the workpiece.
  • the blank 6 is raised to a temperature beyond which the steel structure becomes austenitic. Then the blank 6 is placed in the stamping tool 1 for forming.
  • the stamping tool 1 is closed on the blank 6 making contact, at least partially, the blank 6, the punch 2 and the matrix 3. In the first embodiment, there is contact only :
  • the hot zone 11 of the stamping tool 1 is brought to a temperature above about 400 ° C. and below about 600 ° C.
  • the necessary air gap 7 is connected to the temperature T of the hot zone 11 by the following formula:
  • T 100 (6 - L), with L> 0.2 and 400 ⁇ T ⁇ 600; L being expressed in mm and T in 0 C.
  • the heating of the hot zone 11 of the stamping tool 1 as well as the air gap 7 contribute to a descent in temperature at a speed of between about 5 ° C./sec and about 15 ° C./sec. from a starting temperature of about 900 ° C. and an end temperature of between about 400 ° C. and about 600 ° C.
  • the structure of the steel of the blank 6 therefore does not become hard (martensitic) but ductile with a mechanical strength of between about 450 MPa and about 800 MPa; and an elongation greater than about 15%.
  • the hot zone 11 of the stamping tool 1 there is contact between the hot zone 11 of the stamping tool 1 and the blank 6, and it is brought to a temperature of about 600 ° C.
  • the steel of the blank does not become hard (martensitic) but ductile with a mechanical strength of between about 450 MPa and about 800 MPa; and an elongation of from about 15% to about 20%.
  • the blank 6 is formed by the closure of the stamping tool 1; the punch 2 and the die 3 coming into contact with the blank 6 on their respective forming face 21f, 31f.
  • Quenching is carried out, that is to say a cooling with a descent of temperature whose speed is between about 27 ° C./sec and about 100 ° C./sec, between a start temperature of about 900 ° C. and an end temperature of about 250 ° C.
  • the cold zone is maintained at a temperature of at least the forming time.
  • the mechanical strength is between about 1200 MPa and about 1700 MPa; and the elongation is from about 3% to about 7%.
  • Stamping a blank 6 with differentiated tempering wherein the drawing tool is brought to a temperature of 400 0 C and comprises an air game 7 2 mm, gives the piece a forced mechanical strength of about 610 MPa and an 80 % elongation of about 19.4%.
  • a stamping of a blank 6 with differentiated quenching in which the stamping tool is heated to a temperature of 500 ° C. and comprises an air gap 7 of 1 mm, gives the forced part a mechanical strength of about 570 MPa and an 80 % elongation of about 21%.
  • the formed part has a transition zone in which the hardness of the material goes from 250 Hv (hot zone) to 450
  • This transition zone on the final piece is of the order of 20 mm.
  • the stamping tool 1 is kept closed long enough (pressing time) for the structure of the material to undergo the desired transformation.
  • the pressing time is equivalent to the time required for quenching the cold part; i.e., between about 5 and about 15 seconds.
  • Other operations are possible in the stamping tool at the same time as forming and cooling: trimming (cutting of the part in the press tool), calibration (finishing in order to obtain the right shape).
  • a foot-medium is formed from a blank 6 of steel.
  • a foot-medium 9 is a part having a generally I-shaped shape (with wheelbase) intended to be placed between the front door and the rear door of a vehicle. Specifically, the foot-medium 9 has a central portion 9a extending generally vertically and two ends (upper 9b and lower 9c), each ending with a T (T tumbled for the lower end). The foot-medium 9 has a cross section generally in ⁇ .
  • the foot-medium 9 does not have homogeneous mechanical characteristics.
  • it is sought to give a first upper portion 92, said cold portion, a high mechanical strength (between about 1200 MPa and about 1700 MPa) and a low elongation (between about 3% and about 7%) to obtain anti-intrusion properties (to protect the passenger); and a second lower portion 91, said hot portion, a lower mechanical strength (between about 450 MPa and about 800 MPa) and a greater elongation (greater than about 15%, to obtain absorption properties of energy in case of shock.
  • the hot part 91 of the foot-medium 9 deforms and absorbs the energy of the shock.
  • an automobile manufacturer manufactures the part in two parts separately having different mechanical properties as described above with two different manufacturing processes. The two parts are then joined together, creating a zone of weakness between the two parts.
  • the foot-medium 9 is made in one piece, which avoids the need for assembly, for example by laser, and thus eliminates this area of weakness.
  • a blank 6 of steel is heated to an austenitic temperature and then placed in the stamping tool 1.
  • the punch 2 and the die 3 have forming faces 21f, 31f capable of conferring the shape of the foot-medium 9 finished to the blank 6 steel.
  • the punch 2 and the die 3 are made in two zones (11, 21, 31; 12, 22, 32).
  • the cold zone 12 corresponds to the upper part 92 of the central foot 9
  • the hot zone 11 corresponds to the lower part 91 of the central foot 9.
  • the temperatures of the hot 11 and cold zones 12 are respectively between about 400 ° C and about 600 0 C and between about 50 0 C and about 150 0 C.
  • the hot zone 11 is then maintained at about 600 ° C. and the cold zone 12 between about 50 ° C. and about 150 ° C.
  • the cooling rate is between about 27 ° C / sec and about 100 ° C / sec.
  • the cooling rate is between about 5 ° C / sec and about 15 ° C / sec.
  • This zone corresponds to a transition zone 93 of the formed part not exceeding 450Hv.
  • This zone has a length of about 20 mm (this zone is exaggerated in FIG. 4).
  • the hardness of the material goes from about 250 Hv near the hot portion 91 to about 450 Hv near the cold portion 92.
  • the hot part 91 has a mechanical strength of between about 450 MPa and about 800 MPa; and an elongation greater than 7% and preferably above about 15%.
  • the cold part 92 has a mechanical strength of between about 1200 MPa and about 1700 MPa; and an elongation of from about 3% to about 7%.
  • the invention is not limited to the production of foot-media.
  • the invention makes it possible to obtain stamped parts comprising parts that have different mechanical properties (anti-intrusion and energy absorption).
  • the method according to the invention eliminates the traditional step of income after stamping.

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Abstract

Outil d'emboutissage (1) pour le formage et le refroidissement d'une pièce en acier à partir d'un flan (6), l'outil comprenant : - au moins un poinçon (2); et - au moins une matrice (3); le poinçon et la matrice comprenant chacun : - au moins une première partie (21, 31) correspondant à une zone chaude (11) de l'outil d'emboutissage; et - au moins une deuxième partie (22, 32) correspondant à une zone froide (12) de l'outil d'emboutissage; dans la zone froide, la deuxième partie du poinçon et la deuxième partie de la matrice venant au contact du flan quand l'outil d'emboutissage est fermé; et caractérisé en ce que, dans la zone chaude de l'outil d'emboutissage sont prévus des moyens de chauffe aptes à porter cette zone chaude à une température au-dessus d'environ 400°C; et en ce que dans la zone chaude, une distance (L) en sus d'une épaisseur flan (e) est prévue entre le poinçon et la matrice quand l'outil d'emboutissage est fermé, est liée à la température (T) de la zone chaude et est donnée par la formule : T = 100.(6 - L), avec L > 0,2 et 400 < T < 600; L étant exprimé en mm et T en °C.

Description

PROCEDE DE FORMAGE A PARTIR DE FLAN EN MATERIAU TREMPANT AVEC REFROIDISSEMENT DIFFERENTIEL
La présente invention concerne les procédés de formation à chaud avec refroidissement. Plus particulièrement, la présente invention concerne les procédés de formation à chaud à partir de flan en matériau trempant avec refroidissement différentiel.
Un procédé d'emboutissage avec trempe d'une pièce en matériau trempant dans un même outil est connu et est décrit dans le document JP 2005-205416. Dans ce procédé, un flan est mis en forme grâce à un outil d'emboutissage. Après emboutissage, alors que la pièce est encore maintenue dans l'outil, une trempe est réalisée par contact entre l'outil et le flan embouti. En plus de ce contact est réalisée une circulation d'eau froide dans des tuyaux prévus à cet effet dans l'outil d'emboutissage ce qui permet d'accélérer le refroidissement.
Cependant pour certaine pièce en acier, il serait utile de pouvoir réaliser une trempe uniquement sur une partie de la pièce. Par exemple, dans le domaine de l'automobile, il serait avantageux de pouvoir réaliser un pied-milieu présentant des zones avec des caractéristiques mécaniques différentes. Ainsi certaines zones peuvent être rendues ou conservées ductiles afin d'améliorer l'absorption des chocs lors d'une collision.
Aujourd'hui, ce type de pièces est réalisé en deux ou plusieurs parties par des procédés de formage et refroidissement différents. Les deux ou plusieurs parties sont ensuite collées par des techniques de soudure bien connues de l'homme du métier.
Le procédé aujourd'hui utilisé est donc coûteux en temps et en équipement. De plus, la partie de soudure constitue une zone de fragilité présentant un risque pour l'utilisateur lors d'un choc.
Le document US 5,916,389 décrit également un tel procédé dans lequel un objet en acier est obtenu. Cet objet en acier est composé de différentes parties dont le matériau est dans des états structurels différents ; certaines parties sont durcies, d'autres restent ductiles.
Afin de conserver une structure plus ductile de l'acier à certains endroits, plusieurs possibilités sont proposées : - des éléments de chauffe peuvent être prévus dans un poinçon et une matrice d'un outil d'emboutissage ; ou
- des renfoncements sont prévus dans le poinçon et la matrice de l'outil d'emboutissage, de sorte que lorsque le poinçon et la matrice viennent au contact du flan en acier, il n'y a pas de contact là où il y a des renfoncements ; c'est-à-dire là où l'acier doit rester ductile.
Cependant, les propriétés mécaniques en fin de fabrication dépendent étroitement de la vitesse de refroidissement. L'utilisation seule des moyens de chauffe ou l'utilisation seule des renfoncements ne permettent pas d'obtenir les résultats escomptés sur les propriétés mécaniques.
Le document US 2002/0104591 décrit un procédé dans lequel un pied-milieu est formé avec deux parties ayant des propriétés mécaniques différentes. Une première partie correspondant à la partie supérieure du pied-milieu a une structure martensitique avec une résistance mécanique au-delà de 1400N/mm2. Une deuxième partie correspondant à la partie inférieure du pied-milieu a une structure ferritique-perlitique et une résistance mécanique inférieure à 850N/mm2 (environ 500N/mm2) et un allongement de moins de 25% (de préférence de 20%). Afin d'obtenir un pied-milieu ayant deux parties avec des propriétés mécaniques différentes, la partie basse devant restée ductile est protégée de la chaleur lors de la chauffe à une température austénitique. Ainsi, la partie inférieure du pied-milieu ne se trouve pas dans un état austénitique à la fin de la chauffe et donc ne pourra être trempée pour obtenir une structure martensitique.
Ce procédé présente le désavantage suivant : lorsque le flan reste dans le four plus longtemps que le temps requis (même un temps légèrement plus long), la zone de transition entre les parties trempée et non trempée risque de s'élargir.
Le document US 2002/0113041 décrit un procédé de formage à chaud avec refroidissement différentiel, présentant plusieurs variantes :
- une première variante consiste à réaliser à peu de choses près le même procédé que celui décrit dans le document US 2002/0104591 ;
- une deuxième variante consiste à utiliser un outil d'emboutissage présentant des moyens de refroidissement là où une trempe est souhaitée ;
- dans une troisième variante, l'outil d'emboutissage présente différentes parties en matériaux différents, ayant des valeurs de conductivité thermique différentes. Les inventeurs ont essayé d'obtenir des pièces en acier trempé présentant les propriétés mécaniques désirées en utilisant des matériaux à conductivité faible (par exemple du béton ayant une conductivité de l'ordre de 2W.m~1.K~1) pour l'outil d'emboutissage. Les résultats obtenus n'ont pas été probants. Également, une faible conductivité du matériau n'empêche pas les premières pièces en production d'être trempées puisque celles-ci sont au contact de l'outil froid.
Le document DE 10 2006 019 395 Al décrit un procédé, dans lequel, l'outil d'emboutissage comprend une matrice, un poinçon et un serre-flan. Les trois éléments de l'outil d'emboutissage peuvent être chauffés à des températures différentes. Néanmoins seuls des exemples où les trois pièces sont chauffées à une température identique sont donnés. Le procédé consiste à chauffer l'outil d'emboutissage à une température comprise entre 200 et 6500C. Pour une température en-deçà de 2000C, l'allongement A8o est d'environ 5 %, et la résistance mécanique au-dessus de 1500 MPa. Pour une température au-dessus de 2000C, l'allongement A80 est supérieur à 5.8 % et la résistance mécanique en-deçà de 1500 MPa. Pour une température de 4000C, la résistance mécanique est de 820 MPa et l'allongement A80 de 10 %.
Lorsqu'il y a une descente de température de 7900C à 3900C, une vitesse de refroidissement d'environ 80 à 115 K/s est mesurée (il semblerait que cela est valable pour une température d'outil au- dessus de 2000C). La structure de l'acier est alors martensitique à grain fin. Pour une température d'outil en-dessous de 2000C, une vitesse de refroidissement d'environ 80 à 480 K/s est mesurée. Dans ce cas, la structure de l'acier est martensitique à grain grossier.
Néanmoins, les conditions dans lesquelles ont été réalisés ces essais ne permettent pas d'obtenir les propriétés mécaniques souhaitées, à savoir un allongement A80 supérieur à environ 15% et une résistance mécaniques Rm supérieure à 500 MPa. Ce n'est qu'au prix d'une sélection des conditions de refroidissement que les inventeurs ont réussi à obtenir un objet en acier trempé et dont les propriétés mécaniques sont satisfaisantes.
Les inventeurs ont déposé une demande de brevet le 1er août 2007 sous le numéro 07/56863. Dans cette demande est décrit un procédé de formage à chaud avec trempe différentiel à partir de tube, dans lequel, un tube est chauffé jusqu'à une température d'austénitisation puis formé et refroidi dans un outil d'emboutissage, présentant des moyens de chauffe, par injection d'un fluide de refroidissement à travers la cavité du tube. Ces moyens de chauffe permettent d'empêcher, à certains endroits, la matière de devenir martensitique.
Ce procédé, bien que fonctionnant pour les tubes, n'est pas applicable au formage d'un flan à cause de la différence de géométrie.
Un but de la présente invention est de proposer un procédé permettant d'obtenir une pièce emboutie à partir d'un flan en acier et dont les caractéristiques mécaniques peuvent couvrir toute une gamme de caractéristiques mécaniques possibles entre celles d'un acier non traité et celles d'un acier trempé. Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé ne nécessitant pas d'étape traditionnelle de revenu d'une pièce emboutie et trempée.
Un autre but auxiliaire de la présente invention est de conférer différentes propriétés de résistance mécanique et d'allongement du matériau à différentes parties d'une même pièce, telles que recherchées par l'homme du métier.
Dans ce but, la présente invention propose un outil d'emboutissage pour le formage et le refroidissement d'une pièce en acier à partir d'un flan, l'outil comprenant :
- au moins un poinçon ; et
- au moins une matrice ; le poinçon et la matrice comprenant chacun :
- au moins une première partie correspondant à une zone chaude de l'outil d'emboutissage ; et
- au moins une deuxième partie correspondant à une zone froide de l'outil d'emboutissage ; dans la zone froide, la deuxième partie du poinçon et la deuxième partie de la matrice venant au contact du flan quand l'outil d'emboutissage est fermé ; et caractérisé en ce que, dans la zone chaude de l'outil d'emboutissage, sont prévus des moyens de chauffe aptes à porter cette zone chaude à une température au-dessus d'environ 4000C ; et en ce que dans la zone chaude, une distance en sus d'une épaisseur flan est prévue entre le poinçon et la matrice quand l'outil d'emboutissage est fermé, est liée à la température (T) de la zone chaude et est donnée par la formule :
T = 100.(6 - L), avec L > 0,2 et 400 < T < 600 ; L étant exprimé en mm et T en 0C.
D'autres caractéristiques préférées mais non limitatives de cet outil d'emboutissage sont : - sur une face de formage de la première partie du poinçon est prévue au moins une saillie ;
- sur une face de formage de la première partie de la matrice est prévue au moins une saillie ; - dans la première partie du poinçon, sont prévus au moins en partie les moyens de chauffe ;
- dans la première partie de la matrice, sont prévus au moins en partie les moyens de chauffe ;
- l'outil d'emboutissage présente un jeu d'air entre la zone froide et la zone chaude.
La présente invention propose également un procédé de formage et refroidissement utilisant l'outil d'emboutissage selon l'une quelconque des revendications précédentes, le procédé comprenant les étapes consistant à : - chauffer le flan à une température austénitique ;
- placer le flan dans l'outil d'emboutissage ;
- fermer l'outil d'emboutissage sur le flan ; et
- retirer la pièce formée de l'outil d'emboutissage ; caractérisé en ce que la zone chaude de l'outil d'emboutissage est portée à une température au-dessus de 4000C grâce aux moyens de chauffe.
D'autres caractéristiques préférées mais non limitatives de ce procédé sont :
- la température de chauffe de la zone chaude de l'outil d'emboutissage est en dessous d'environ 6000C ;
- dans la zone chaude, un refroidissement est effectué à une vitesse comprise entre environ 5°C/sec et environ 15°C/sec ;
- dans la zone froide, un refroidissement est effectué à une vitesse comprise entre environ 27°C/sec et environ 100°C/sec. D'autres caractéristiques, buts et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui suit et s'appuyant sur les dessins donnés à titre d'exemple, parmi lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique en perspective d'un outil d'emboutissage selon la présente invention ;
- la figure 2 est une vue schématique en coupe transversale d'une première partie de l'outil d'emboutissage comprenant des moyens de chauffe ;
- la figure 3 est une vue schématique en coupe transversale d'une deuxième partie de l'outil d'emboutissage ;
- la figure 4 est une vue schématique d'un pied-milieu réalisé conformément à l'invention. Dans la suite de la description, les valeurs d'allongement à la rupture se comprennent comme des valeurs d'essai obtenues sur une éprouvette A80.
En référence à la figure 1 sera ci-après décrit un outil d'emboutissage 1 selon l'invention. L'outil d'emboutissage 1 comporte un ensemble de poinçons 2 et un ensemble de matrices 3. L'ensemble de poinçons 2 et l'ensemble de matrices seront ci-après appelés respectivement le poinçon 2 et la matrice 3.
La matrice 3 possède un renfoncement généralement complémentaire à un relief du poinçon 2. La complémentarité de ce renfoncement et du relief confère à un flan 6 chauffé une forme déterminée.
Le poinçon 2 et la matrice 3 comporte au moins deux parties 21, 22 ; 31, 32 correspondant à au moins deux zones : une zone chaude 11 et une zone froide 12.
Dans la suite de la description, on entend par jeu d'air une distance L en plus d'une épaisseur du flan 6 entre la matrice 3 et le poinçon 2. C'est-à-dire, si l'épaisseur du flan 6 est e, une distance d entre la matrice et le poinçon quand l'outil d'emboutissage 1 est fermée est : d = L + e. Aussi, on considérera par la suite qu'il y a jeu d'air dès lors que la distance L est supérieure à une valeur de tolérance d'usinage nécessaire pour que le poinçon 2 et la matrice 3 puisque s'emboutir.
Cette tolérance est d'au maximum 0,2 mm. Un jeu d'air correspond alors à une distance L supérieure à 0,2 mm.
On dira par ailleurs, qu'il y a contact entre l'outil d'emboutissage 1 et le flan 6 si L est inférieure à 0,2 mm.
Dans une première partie 21 du poinçon 2 correspondant à la zone chaude 11 sont prévus des éléments de chauffe 4. En variante, dans une première partie 31 de la matrice 3 correspondant à la zone chaude 11 sont également prévus des éléments de chauffe 4.
Les éléments de chauffe 4 sont donc prévus soit uniquement dans le poinçon 2, soit uniquement dans la matrice 3, soit dans les deux à la fois.
Ces éléments de chauffe 4 permettent de porter la zone chaude 11 à une température supérieure à 4000C et de préférence en dessous de 6000C.
Les éléments de chauffe 4 sont choisis parmi des cartouches chauffantes, des dispositifs de chauffe à induction, des gaines thermiques.
L'utilisation de cartouches chauffantes est principalement bien adaptée pour des outils d'emboutissage droit sans trop de courbe.
Les gaines thermiques et les dispositifs de chauffe à induction peuvent quant à eux épouser des formes courbes.
En référence à la figure 2, seront décrites ci-après les premières parties (respectivement 21 et 31) du poinçon 2 et de la matrice 3 correspondant à la zone chaude 11.
Dans une première variante, le poinçon 2 et la matrice 3 présentent chacun une face de formage (respectivement 21f et 3If).
La face de formage 21f du poinçon 2 n'est pas complémentaire à la face de formage 31f de la matrice 3 de façon à laisser un jeu d'air 7, définissant une distance L, entre le poinçon 2 et le flan 6 et entre la matrice 3 et le flan 6. Ce jeu d'air 7 est inférieur à environ 2 mm.
Le poinçon 2 présente alors sur la face de formage 21f au moins une saillie 211 qui vient en butée contre la face de formage 31f de la matrice 2 (comme le montre la figure 2). Cette saillie 211 a une hauteur maximale d'environ 2 mm maximum.
En sous-variante, cette saillie 211 peut être présente non sur la face de formage 21f du poinçon 2 mais sur celle 31f de la matrice 3.
En sous-variante encore, au moins une saillie 211 est présente à la fois sur la face de formage 21f du poinçon 2 et celle 31f de la matrice 3. Ces saillies 211 sont alors en regard l'une en face de l'autre ou non.
Dans une deuxième variante, le poinçon 2 et la matrice 3 présentent des faces de formage 21f, 31f sensiblement complémentaires l'une par rapport à l'autre. Ainsi, si par exemple la face de formage 21f du poinçon 2 présente une surface dont une section a une forme sensiblement en Ω, la face de formage 31f de la matrice 3 présente également une surface dont une section a une forme sensiblement en Ω, de sorte que le poinçon 2 puisse s'insérer dans la matrice 3. Lorsque l'outil d'emboutissage 1 est fermé, il ne reste alors plus qu'un espace réduit dont l'épaisseur est comblée par le flan 6 lors du formage.
Dans des parties 22 et 32, respectivement du poinçon 2 et de la matrice 3, correspondant à la zone froide 12, le poinçon 2 et la matrice 3 ont des formes sensiblement complémentaires (comme illustré sur la figure 3). C'est-à-dire que le poinçon 2 et la matrice 3 présentent chacun une face de formage 21f, 31f complémentaire à celle 31f, 21f de l'autre, à l'épaisseur près.
En sous-variante, dans les deuxièmes parties 22, 32 du poinçon 2 et de la matrice 3, sont prévus des systèmes de refroidissement, par exemple des circuits de circulation d'eau. Lorsque l'outil d'emboutissage 1 est refermé sur le flan 6 à former, il n'y a pas de jeu présent entre le flan d'un côté et les deuxièmes parties 22, 32 du poinçon 2 et de la matrice 3 d'un autre côté.
Ci-après est décrit un procédé selon l'invention. Le flan à former 6 est en acier, par exemple en un acier au bore
(normes NF EN 10083-1, -2 et -3). Mais le matériau du flan 6 n'est pas limité aux aciers au bore, il peut être en tout type d'acier adéquat pour la fabrication de la pièce à former.
Le flan 6 est porté à une température au-delà de laquelle la structure de l'acier devient austénitique. Puis le flan 6 est disposé dans l'outil d'emboutissage 1 pour le formage.
Lors du formage, l'outil d'emboutissage 1 est refermé sur le flan 6 faisant venir au contact, au moins partiel, du flan 6, le poinçon 2 et la matrice 3. Dans la première variante, il n'y a contact que :
- entre le flan 6 et le poinçon 2 là où il y a une saillie 211 ; et/ou
- entre le flan 6 et la matrice 3 là où il y a une saillie 211 ; et/ou
- entre le flan et la face 31f de formage de la matrice 3 ; et/ou
- entre le flan et la face 21f de formage du poinçon 2 ; selon la sous-variante de réalisation de la zone chaude 11 de l'outil d'emboutissage 1 employée ; et il ne peut y avoir contact à la fois entre le flan 6 et la totalité de la face de formage 21f du poinçon 2 et entre le flan 6 et la totalité de la face de formage 31f de la matrice 3.
Dans cette première variante, la zone chaude 11 de l'outil d'emboutissage 1 est portée à une température au-dessus de 4000C environ et en dessous de 6000C environ.
Le jeu d'air 7 nécessaire est relié à la température T de la zone chaude 11 par la formule suivante :
T = 100.(6 - L), avec L > 0,2 et 400 < T < 600 ; L étant exprimé en mm et T en 0C. La chauffe de la zone chaude 11 de l'outil d'emboutissage 1 ainsi que le jeu d'air 7 concourent à permettre une descente en température à une vitesse comprise entre environ 5°C/sec et environ 15°C/sec, à partir d'une température de début d'environ 9000C et une température de fin comprise entre environ 400 0C et environ 6000C. La structure de l'acier du flan 6 ne devient donc pas dure (martensitique) mais ductile avec une résistance mécanique comprise entre environ 450 MPa et environ 800 MPa ; et un allongement supérieur à environ 15%. Dans la deuxième variante, il y a contact entre la zone chaude 11 de l'outil d'emboutissage 1 et le flan 6, et elle est portée à une température d'environ 6000C. Lorsque l'outil d'emboutissage 1 est portée à cette température, l'acier du flan ne devient pas dur (martensitique) mais ductile avec une résistance mécanique comprise entre environ 450 MPa et environ 800 MPa ; et un allongement compris entre environ 15% et environ 20%.
Dans la zone froide 12, le flan 6 est formé par la fermeture de l'outil d'emboutissage 1 ; le poinçon 2 et la matrice 3 venant au contact du flan 6 sur leur face de formage 21f, 31f respective. Une trempe est effectuée, c'est-à-dire un refroidissement avec une descente de température dont la vitesse est comprise entre environ 27°C/sec et environ 100°C/sec, entre une température de début d'environ 9000C et une température de fin d'environ 2500C. La zone froide est maintenue à une température de ... au moins le temps du formage. Dans cette zone froide 12, la résistance mécanique est comprise entre environ 1200 MPa et environ 1700 MPa ; et l'allongement est compris entre environ 3% et environ 7%.
Des tests réalisés par les inventeurs de l'invention ont montré qu'un emboutissage d'un flan 6 avec trempe différentiée, dans lequel l'outil d'emboutissage est porté à une température de 2500C et comprend un jeu d'air 7 de 2 mm, confère à la pièce forcée une résistance mécanique d'environ 770 MPa et un allongement A8o d'environ 10,5%.
Un emboutissage d'un flan 6 avec trempe différentiée, dans lequel l'outil d'emboutissage est porté à une température de 4000C et comprend un jeu d'air 7 de 2 mm, confère à la pièce forcée une résistance mécanique d'environ 610 MPa et un allongement A80 d'environ 19,4%.
Un emboutissage d'un flan 6 avec trempe différentiée, dans lequel l'outil d'emboutissage est porté à une température de 5000C et comprend un jeu d'air 7 de 1 mm, confère à la pièce forcée une résistance mécanique d'environ 570 MPa et un allongement A80 d'environ 21%.
En variante, entre la zone froide 12 et la zone chaude 11 de l'outil d'emboutissage 1 est prévu un jeu d'air 8 inférieur à 2 mm Au niveau de cette zone 8, la pièce formée présente une zone de transition dans laquelle la dureté du matériau passe de 250 Hv (zone chaude) à 450
Hv (zone froide).
Cette zone de transition sur la pièce finale est de l'ordre de 20 mm.
L'outil d'emboutissage 1 est maintenu suffisamment longtemps fermé (temps de pressage) pour que la structure du matériau subisse la transformation souhaitée.
Le temps de pressage est équivalent au temps nécessaire pour la trempe de la partie froide ; c'est-à-dire comprise entre environ 5 et environ 15 secondes. D'autres opérations sont réalisables dans l'outil d'emboutissage en même temps que le formage et le refroidissement : détourage (découpe de la pièce dans l'outil sous presse), calibrage (finition afin d'obtenir la bonne forme).
Un exemple d'application est ci-après donné, à titre purement illustratif. Un pied-milieu est formé à partir d'un flan 6 en acier.
Un pied-milieu 9 est une pièce ayant une forme globalement en I (avec empattement) destiné à être placé entre la porte avant et la porte arrière d'un véhicule. Plus précisément, le pied-milieu 9 comporte une partie centrale 9a s'étendant globalement verticalement et deux extrémités (supérieure 9b et inférieure 9c), chacune se terminant par un T (T culbuté pour l'extrémité inférieure). Le pied-milieu 9 présente une section transversale globalement en Ω.
Il est avantageux pour la sécurité d'un utilisateur du véhicule que le pied-milieu 9 ne présente pas de caractéristiques mécaniques homogènes. De préférence, on cherche à conférer à une première partie supérieure 92, dite partie froide, une résistance mécanique élevée (entre environ 1200 MPa et environ 1700 MPa) et un allongement faible (entre environ 3% et environ 7%) afin d'obtenir des propriétés d'anti-intrusion (pour protéger le passager) ; et à une deuxième partie inférieure 91, dite partie chaude, une résistance mécanique plus faible (entre environ 450 MPa et environ 800 MPa) et un allongement plus important (supérieur à environ 15%, afin d'obtenir des propriétés d'absorption d'énergie en cas de choc.
Ainsi, lors d'une collision entre véhicules ou lors d'un choc entre le véhicule et un obstacle, la partie chaude 91 du pied-milieu 9 se déforme et absorbe l'énergie du choc. Aujourd'hui, afin d'obtenir un tel pied-milieu, un constructeur d'automobile fabrique la pièce en deux parties séparément présentant des propriétés mécaniques différentes telles que décrites ci-dessus avec deux procédés différents de fabrication. Les deux parties sont ensuite rapportées l'une sur l'autre par assemblage, créant ainsi une zone de fragilité entre les deux parties.
Dans l'invention, le pied-milieu 9 est réalisé en une seule pièce, ce qui évite de recourir à un assemblement, par exemple par laser, et donc permet de supprimer cette zone de fragilité.
Un flan 6 en acier est chauffé à une température austénitique puis placé dans l'outil d'emboutissage 1. Le poinçon 2 et la matrice 3 présentent des faces de formage 21f, 31f aptes à conférer la forme du pied-milieu 9 fini au flan 6 en acier. Le poinçon 2 et la matrice 3 sont réalisés en deux zones (11, 21, 31 ; 12, 22, 32). La zone froide 12 correspond à la partie supérieure 92 du pied-milieu 9, la zone chaude 11 correspond à la partie inférieure 91 du pied-milieu 9. Lorsque l'outil d'emboutissage 1 est complètement refermé sur le flan 6 pour le formage, la distance d poinçon 2 matrice 3 est définie dans la zone chaude selon la première variante de l'invention par : d = L + e, où L est le jeu d'air 7 et e l'épaisseur du flan 6. Dans la zone froide 12, il y a contact entre le poinçon 2 et le flan 6 ainsi qu'entre la matrice 3 et le flan 6. Les températures des zones chaude 11 et froide 12 sont comprises respectivement entre environ 400°c et environ 6000C et entre environ 500C et environ 1500C.
Selon la deuxième variante de l'invention, il y a contact entre le poinçon 2 et la le flan 6 et entre la matrice 3 et le flan 6 dans les deux zones. La zone chaude 11 est alors maintenue à environ 6000C et la zone froide 12 entre environ 500C et environ 1500C.
Le fait de refermer l'outil d'emboutissage 1 sur le flan 6 entraîne le refroidissement de l'acier. Dans la zone froide 12, la vitesse de refroidissement est comprise entre environ 27°C/sec et environ 100°C/sec.
Dans la zone chaude 11, la vitesse de refroidissement est comprise entre environ 5°C/sec et environ 15°C/sec.
Entre les deux zones 11, 12 de l'outil d'emboutissage 1, est prévu un jeu d'air 8 inférieur à 2 mm. A cette zone correspond une zone de transition 93 de la pièce formée n'excédant pas 450Hv. Cette zone a une longueur d'environ 20mm (cette zone est exagérée sur la figure 4). Dans cette zone de transition 93, la dureté du matériau passe d'environ 250 Hv près de la partie chaude 91 à environ 450 Hv près de la partie froide 92. La partie chaude 91 présente une résistance mécanique comprise entre environ 450 MPa et environ 800 MPa ; et un allongement supérieur à 7% et de préférence au-dessus d'environ 15%.
La partie froide 92 présente une résistance mécanique comprise entre environ 1200 MPa et environ 1700 MPa ; et un allongement compris entre environ 3% et environ 7%.
L'invention n'est pas limitée à la production de pieds-milieux. Ainsi, l'invention permet d'obtenir des pièces emboutis comportant des parties qui ont des propriétés mécaniques différentes (anti-intrusion et absorption d'énergie). Aussi, le procédé selon l'invention permet de s'affranchir de l'étape traditionnelle de revenu après emboutissage.
Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux formes de réalisation décrites ci-dessus, mais l'homme du métier saura y apporter de nombreuses variantes ou modifications.

Claims

REVENDICATIONS
1. Outil d'emboutissage (1) pour le formage et le refroidissement d'une pièce en acier à partir d'un flan (6), l'outil comprenant : - au moins un poinçon (2) ; et
- au moins une matrice (3) ; le poinçon et la matrice comprenant chacun :
- au moins une première partie (21, 31) correspondant à une zone chaude (11) de l'outil d'emboutissage ; et - au moins une deuxième partie (22, 32) correspondant à une zone froide (12) de l'outil d'emboutissage ; dans la zone froide, la deuxième partie du poinçon et la deuxième partie de la matrice venant au contact du flan quand l'outil d'emboutissage est fermé ; et caractérisé en ce que, dans la zone chaude de l'outil d'emboutissage, sont prévus des moyens de chauffe (4) aptes à porter cette zone chaude à une température au-dessus d'environ 4000C ; et en ce que dans la zone chaude, une distance (L) en sus d'une épaisseur flan (e) est prévue entre le poinçon et la matrice quand l'outil d'emboutissage est fermé, est liée à la température (T) de la zone chaude et est donnée par la formule : T = 100.(6 - L), avec L > 0,2 et 400 < T < 600 ; L étant exprimé en mm et T en 0C.
2. Outil d'emboutissage selon la revendication précédente, caractérisé en ce que sur une face de formage (2If) de la première partie du poinçon est prévue au moins une saillie (211).
3. Outil d'emboutissage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que sur une face de formage (3If) de la première partie de la matrice est prévue au moins une saillie (211).
4. Outil d'emboutissage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans la première partie du poinçon, sont prévus au moins en partie les moyens de chauffe.
5. Outil d'emboutissage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans la première partie de la matrice, sont prévus au moins en partie les moyens de chauffe.
6. Outil d'emboutissage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il présente un jeu d'air (8) entre la zone froide et la zone chaude.
7. Procédé de formage et refroidissement utilisant l'outil d'emboutissage selon l'une quelconque des revendications précédentes, le procédé comprenant les étapes consistant à :
- chauffer le flan à une température austénitique ;
- placer le flan dans l'outil d'emboutissage ;
- fermer l'outil d'emboutissage sur le flan ; et - retirer la pièce formée de l'outil d'emboutissage ; caractérisé en ce que la zone chaude de l'outil d'emboutissage est portée à une température au-dessus de 4000C grâce aux moyens de chauffe.
8. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la température de chauffe de la zone chaude de l'outil d'emboutissage est en dessous d'environ 6000C.
9. Procédé selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que dans la zone chaude, un refroidissement est effectué à une vitesse comprise entre environ 5°C/sec et environ 15°C/sec.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que dans la zone froide, un refroidissement est effectué à une vitesse comprise entre environ 27°C/sec et environ 100°C/sec.
11. Pied-milieu (9) pour véhicule, comprenant une partie globalement verticale (9a) et deux extrémités en T (9b et 9c) ; caractérisé en ce qu'une première partie supérieure (92) du pied- milieu possède une résistance mécanique comprise entre environ 1200 MPa et environ 1700 MPa et un allongement compris entre environ 3% et environ 7% ; en ce qu'une deuxième partie inférieure (91) du pied-milieu possède une résistance mécanique comprise entre environ 450 MPa et environ 800 MPa et un allongement supérieur à environ 15% ; et en ce que le pied-milieu présente une zone de transition (93) d'une longueur de 20 mm entre la première partie supérieure et la deuxième partie inférieure, la dureté du matériau dans cette zone variant d'environ 250 Hv près de la deuxième partie inférieure et environ 450 Hv près de la première partie supérieure.
12. Pied-milieu selon la revendication précédente et fabriqué suivant le procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10.
13. Pièce en acier trempé comprenant : - une première partie (92) possédant une résistance mécanique comprise entre environ 1200 MPa et environ 1700 MPa et un allongement compris entre environ 3% et environ 7% ;
- une deuxième partie (91) possédant une résistance mécanique comprise entre environ 450 MPa et environ 800 MPa et un allongement supérieur à environ 15% ; caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une zone de transition (93) d'une longueur d'environ 20 mm entre la première partie et la deuxième partie, la dureté du matériau dans cette zone variant d'environ 250 Hv près de la deuxième partie et environ 450 Hv près de la première partie.
14. Pièce en acier trempé selon la revendication précédente et fabriquée suivant le procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10.
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