FR2626975A1 - Dispositif de bipoinconnement et procede pour sa mise en oeuvre - Google Patents

Abstract

Le dispositif de bipoinçonnement de l'éprouvette 2 comporte deux poinçons 21, 22 disposés en vis-à-vis de chaque côté de l'éprouvette 2 et dont les faces en regard 24, 25 sont planes, parallèles, symétriques et présentent chacune deux grands côtés parallèles entre eux, et des moyens 3 pour appliquer un effort de compression réglable tendant à rapprocher les deux poinçons, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte des moyens 26 de mesure en continu de la valeur du déplacement relatif des deux poinçons et des moyens 16 de mesure en continu de l'effort de compression. On effectue le bipoinçonnement en une seule passe, et on détermine en permanence, pendant l'écrasement, l'évolution de l'épaisseur écrasée en fonction de la contrainte de compression appliquée sur l'éprouvette. L'invention est particulièrement destinée à déterminer les caractéristiques rhéologiques de matériaux tels que les métaux, et les caractéristiques tribologiques à l'interface matériau-poinçon.

Description

DISPOSITIF DE BIPOINCONNEMENT ET PROCEDE
POUR SA MISE EN OEUVRE
La présente invention concerne un dispositif de bipoinçonnement et un procédé, mettant ce dispositif en oeuvre, pour déterminer les caractéristiques rhéoiogiques d'un matériau ou les caractéristiques tribologiques à l'interface matériau/ outil.

On connait diverses techniques utilisées pour l'étude des phénomènes de déformation plastique des matériaux. Parmi celles-ci, les tests rhéologiques concernent l'étude des écoulements sous contrainte, et dans ces tests, le frottement a une influence négligeable. Les tests dits "ambivalents", combinant les aspects rhéologique et tribologique sont essentiellement des tests de compression, car leurs résultats dépendent du frottement entre le matériau et les outils le comprimant. Dans ces tests, les déformations et les vitesses de déformation peuvent atteindre des valeurs importantes.

Dans les tests de compression, l'essai de bipoinçonnement, de par son principe qui consiste à écraser une tôle, et de par son domaine de déformation, est l'essai le plus représentatif du laminage à froid, et se trouve donc particulièrement adapté à la caractérisation des aciers laminés à froid, et à l'étude du frottement aux interfaces métal-outil.

Plus précisément, l'essai de bipoinçonnement consiste à écraser partiellement une éprouvette en tôle de forme rectangulaire allongée entre deux poinçons présentant des faces en regard planes rectangulaires symétriques et parallèles, et à déterminer en fonction des charges appliquées et déformations mesurées, les caractéristiques et contraintes d'écoulement du matériau constitutif de l'éprouvette d'essai.

Cet essai était peu employé jusqu'à présent du fait du temps important nécessaire pour la détermination de la contrainte d'écoulement d'un matériau, et plus particulièrement d'un métal. En effet, la méthodologie appliquée selon l'art antérieur consiste à pratiquer un écrasement sous un effort donné, puis à mesurer l'épaisseur résultante de l'éprouvette.

Cette méthode conduit à réaliser de 100 à 150 indentations (i.e. écrasements) en faisant varier les efforts pour obtenir, par exemple, une courbe représentant, avec suffisamment de précision, la contrainte moyenne d'écrasement en fonction de l'épaisseur écrasée.

Les résultats obtenus ne peuvent être concluants que si les caractéristiques du matériau et de la lubrification sont identiques au niveau de chaque indentation, ce qui suppose que le métal des éprouvettes doit être parfaitement homogène et le lubrifiant, et son application, parfaitement réguliers, sous peine d'obtenir des points aberrants, voire une forte dispersion, dans le tracé de la courbe caractéristique.

Outre ces inconvénients, le matériel utilisé est couramment peu pratique d'emploi, et, les efforts mis en jeu étant importants, les déformations propres de la presse utilisée ainsi que des outils et supports d'outils, ne sont pas négligeables et risquent d'engendrer des défauts de parallélisme et d'alignement des poinçons, surtout lorsque l'on travaille dans la zone de forte déformation (écrasement de plus de 80 %).

La présente invention se propose de résoudre les différents problèmes évoqués ci-dessus, et particulièrement de réduire le temps nécessaire à la caractérisation d'un matériau, de façon à pouvoir utiliser facilement la bonne similitude entre l'essai de bipoinçonnement et le laminage, sans qu'il soit nécessaire de réaliser de nombreuses opérations répétitives pour effectuer le test complet d'un matériau.

Avec ces objectifs en vue, l'objet de la présente invention est un dispositif de bipoinçonnement d'une éprouvette comprenant un châssis supportant deux poinçons disposés en vis à vis de chaque côté de l'éprouvette et dont les faces en regard sont planes, parallèles, symétriques et présentent chacune deux grands côtés parallèles entre eux, et des moyens pour appliquer un effort de compression réglable tendant à rapprocher les deux poinçons, dispositif caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mesure en continu de la valeur du déplacement relatif des deux poinçons et de l'effort de compression.

Selon une disposition particulière de l'invention, le dispositif comporte également des moyens de calculs permettant de déterminer en permanence l'écartement réel des deux poinçons en tenant compte du cédage, c'est à dire des déformations élastiques respectives des poinçons et de leurs supports lorsque l'effort de compression est appliqué.

Selon une autre disposition, le dispositif comporte aussi des moyens pour exercer un effort de traction appliqué à l'éprouvette de façon symétrique (ou éventuellement dissymétrique) des deux côtés du poinçon, perpendiculairement à ltef- fort de compression, et aux grands côtés des faces, en regard des poinçons, et des moyens permettant de réguler ledit effort de traction en fonction de l'écra sement de l'éprouvette.

L'invention concerne aussi un procédé de bipoinçonnement utilisant le dispositif décrit ci-dessus, appliqué à la détermination des paramètres caractéristiques du comportement d'un matériau lbrs de sa déformation plastique plane sous contrainte de compression, caractérisé en ce que on place entre les deux poinçons, une zone d'une éprouvette de forme allongée dudit matériau, on commande le rapprochement des deux poinçons pour écraser ladite zone, on mesure, en permanence pendant l'écrasement, l'effort de compression et le déplacement relatif des organes de support des poinçons, et on en déduit une relation caractéristique de la contrainte de compression du matériau en fonction de sa déformation plastique.

Selon une disposition particulière de l'invention, appliquée plus spécialement à la détermination de la contrainte d'écoulement du matériau, on utilise une lubrification spécifique destinée à minimiser le frottement à l'interface outilsmatériau et cela jusqu'aux fortes déformations.

Selon une disposition particulière de l'invention, appliquée plus spécialement à des écrasements importants, on détermine l'épaisseur écrasée instantanément à partir de la mesure du déplacement en tenant compte du cédage des poinçons et de leurs organes de support.

Selon une autre disposition particulière, on détermine la contrainte de compression en tenant compte de la variation, provoquée par l'écrasement, de la surface de contact entre éprouvette et poinçon.

Selon une autre disposition encore, simultanément à l'écrasement, on exerce sur l'éprouvette, perpendiculairement à l'effort de serrage et aux grands côtés des faces en regard des poinçons, un effort de traction régulé en fonction de l'écrasement pour maintenir, par exemple, une contrainte de traction préalablement déterminée dans la zone écrasée.

Un avantage du procédé et du dispositif selon l'invention est de pouvoir effectuer un test de bipoinçonnement complet en quelques minutes, alors que, selon la technique antérieure, il fallait plusieurs heures pour obtenir le même résultat (ceci étant dû au fait que lors d'un écrasement, si l'effort était bien connu, l'épaisseur instantanée ne l'était pas , il fallait après chaque indentation sous effort, relâcher cet effort, écarter les poinçons et retirer l'éprouvette pour pouvoir mesurer l'épaisseur de la zone écrasée).

Un autre avantage du procédé selon l'invention réside dans le fait que l'on peut aisément l'utiliser pour déterminer des caractéristiques dans le domaine des fortes déformations puisque les moyens de calcul du dispositif permettent, en calculant le cédage des organes de support des poinçons en fonction de l'effort appliqué, de corriger de la valeur de ce cédage, la valeur de la mesure du déplacement des organes de support des poinçons, pour obtenir la valeur réelle de l'écrasement de l'éprouvette.

Un avantage particulier du procédé consistant à exercer une traction sur l'éprouvette simultanément à l'écrasement, est que l'on accroît encore ainsi la similitude du test avec le laminage à froid sous traction des produits plats. La régulation de l'effort de traction en fonction de l'écrasement améliore encore la similitude en permettant, par exemple, d'exercer de part et d'autre de la zone indentée, des contraintes de traction constantes pendant la durée de l'écrasement, ce qui est le cas dans l'opération de laminage où le produit, entre deux cages successives et pour une section constante, est soumis à un effort de traction sensiblement constant.

Un autre avantage du bipoinçonnement en une seule passe est que ce procédé permet de déterminer les caractéristiques tribologiques de l'écoulement du matériau testé à l'interface matériau- poinçon, et ceci par exemple en fonction de la vitesse d'écrasement ou du mode de lubrification à cet interface. On comprend facilement l'intérêt d'un tel test pour caractériser les lubrifiants utilisés dans des opérations de laminage.

Il est à noter que ces derniers tests ne pouvaient être menés selon les techniques connues de bipoinçonnement en plusieurs passes. En effet, il est quasi impossible de reproduire exactement les mêmes conditions de lubrification lors d'écrasements successifs d'éprouvettes différentes. La caractérisation du frottement à l'interface éprouvette-outil est donc grandement facilitée par le dispositif et le procédé selon l'invention.

D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description, qui va suivre, d'un dispositif de bipoinçonnement conforme à l'invention et de sa mise en oeuvre.

On se reportera aux dessins annexés dans lesquels
- la fig. 1 est une vue partielle en coupe longitudinale du dispositif, et
- la fig. 2 est une vue partielle de dessus, avec un arraché montrant la forme du poinçon inférieur.

Le dispositif de bipoinçonnement représenté à la figure 1 est destiné à être placé sur le plateau inférieur 1 d'une presse qui fournira l'effort d'écrasement de l'éprouvette 2 par l'intermédiaire de sa machoire supérieure 3. Les autres éléments de la presse ne présentent pas de caractéristiques particulières. Toutefois, il est nécessaire qu'elle possède des moyens permettant de régler la vitesse de descente de la machoire 3. Bien évidemment, la force disponible devra être suffisante pour procéder aux tests envisagés. Dans l'application qui sera décrite plus loin, on utilise une presse hydraulique pouvant fournir un effort de 500 kN nécessaire pour le bipoinçonnement à froid d'éprouvettes en tôle de section voisine de 35 x5 mm avec des poinçons de largeur 3 à 10 mm.

Le dispositif comporte un support d'appareillage 11 sur lequel est fixée une plaque de guidage inférieure 12 qui porte le porte-poinçon inférieur 13. La plaque de guidage inférieure 12 est rectangulaire et comporte quatre alésages recevant en ajustement serré, les colonnes de guidage 14 sur lesquelles coulisse sans jeu la plaque de guidage supérieure 15. Cette plaque de guidage supérieure 15 comporte un alésage central à travers lequel passe le corps d'épreuve du capteur d'effort 16.

Ce capteur d'effort est lui-même lié rigidement à la plaque supérieure de guidage par une carcasse tubulaire 17 qui assure à la fois son centrage par rapport au poinçon inférieur, et la protection du capteur 16, et permet de réduire la hauteur des colonnes 14, ce qui leur donne une meilleure rigidité. La face supérieure du capteur comporte un fraisage dans lequel est logée une bille 18, elle-même surmontée par un chapeau fraisé, sur lequel vient porter la face inférieure de la machoire 3. Cette disposition est essentiellement destinée à éviter l'application d'un effort désaxé sur le corps d'épreuve au cas où la face inférieure de la machoire 3 ne serait pas parfaitement orthogonale à la direction de déplacement du poinçon.

Le corps d'épreuve du capteur 16 porte à sa partie inférieure le porte-poinçon supérieur 20. Les porte-poinçons inférieur 13 et supérieur 20 portent respectivement les poinçons inférieur 21 et supérieur 22. Les poinçons 21, 22 sont fixés dans le porte-poinçons par une plaquette 23 (non représentée sur la figure 1) qui détermine leur position de façon que leurs faces en regards (24, 25) soient précisément parallèles, allignées dans la même direction perpendiculaire à la direction longitudinale de l'éprouvette. Les faces 24, 25 sont planes, rectangulaires. La longueur de ces faces (i.e. : la largeur du poinçon) est telle qu'elle soit toujours supérieure à la largeur de l'éprouvette, même lorsque l'éprouvette est élargie, du fait de son écrasement. La largeur des faces 24, 25 (i.e.

l'épaisseur des poinçons) est généralement faible par rapport à la largeur de l'éprouvette, et donc par rapport à leur lon gueur. Cette caractéristique est essentielle pour pouvoir, lors de l'essai de bipoinçonnement, assimiler la déformation de la zone d'éprouvette écrasée, à une déformation plane dans un plan perpendiculaire aux faces 24, 25 des poinçons et parallèle à la direction longitudinale de l'éprouvette.

Les poinçons 21, 22 sont réalisés en un matériau dur tel que du carbure fritté, pour réduire au maximum leur cédage, c'est à dire leur déformation sous charge.

Les quatre colonnes de guidage 14 dépassent au-dessus de la plaque de guidage supérieure, et les extrémités de deux de ces colonnes, diagonalement opposées, portent le noyau de capteurs électromagnétiques de déplacement 26, eux-mêmes liés rigidement à la plaque de guidage supérieure 15. D'autres types de capteurs peuvent convenir mais la disposition indiquée cidessus est préférée car elle permet de s'affranchir d'éventuels petits écarts de parallélisme entre les plaques supérieures et inférieures lors de leur mouvement relatif, garantissant ainsi une mesure précise du déplacement au niveau de l'axe vertical passant par le centre des poinçons.

De chaque côté de l'ensemble décrit ci-dessus, destiné à assurer la compression de l'éprouvette, sont placés deux ensembles d'organes 30 destinés à assurer la traction de celleci. Chacun de ces ensembles comprend un vérin hydraulique 31 alimenté à partir d'une source de pression régulée. Le corps du vérin est monté coulissant verticalement entre deux glissières 33 et est muni d'un dispositif de réglage én hauteur 34. Ce dispositif permet en fait de régler en hauteur l'ensemble des organes 30 pour que la face inférieure de l'éprouvette 2, une fois celle-ci mise en place, affleure la face supérieure 24 du poinçon inférieur 21.

L'extrémité de la tige 32 du vérin porte un capteur 35 pour mesurer l'effort de traction exercé par le vérin. Ce capteur est lui-même lié à une tête de traction 40 portant un système de pincement 41 pour pincer les extrémités de l'éprou- vette 2. Le système de pincement est constitué par une came moletée 42 constituant le mors mobile, articulée sur la tête de traction 40 et actionnée par un vérin 43. Le mors fixe est constitué par une plaquette striée 44, réglable en hauteur au moyen de la vis 45, pour permettre d'ajuster le système de pincement à des éprouvettes de différentes épaisseurs.

Pour éviter-une rotation de la tige 32 du vérin, celle-ci porte, intercalée au niveau du capteur 35, une patte de guidage 36 portant un téton 37 coulissant dans une rainure 38, parallèle à la direction de la traction, d'un guide 39 fixé sur le support 11.

Accessoirement, les porte-poinçons 13, 20 sont entourés de colliers chauffants 51, 52, et l'éprouvette peut être munie de résistances chauffantes plates 53, 54. Ces divers éléments de chauffage sont prévus pour permettre la réalisation d'essais de bipoinçonnement à chaud, en assurant une température sensiblement constante de l'éprouvette, surtout au niveau des poin çons, ce qui nécessite le chauffage de ceux-ci par les colliers chauffants 51, 52, par l'intermédiaire des supports de poinçons 20, 13. De plus, les plaques de céramique isolantes 55, 56 sont interposées entre les porte-poinçons 13, 20 et, d'une part la plaque de guidage inférieure 52, d'autre part le corps d'épreuve du capteur d'effort 16.

Le dispositif comporte par ailleurs des moyens de calcul, non représentés, auxquels sont reliés les différents capteurs d'effort 16, 35 et de déplacement 26. Ces moyens de calcul comportent en mémoire des modèles mathématiques permettant de prendre en compte, dans la détermination des contraintes imposées à l'éprouvette, certains facteurs non directement mesurables, tels que la variation de la surface de contact poinçon-éprouvette, la réduction de la section de l'éprouvette pendant l'écrasement, et le cédage des organes soumis aux efforts.

On pourra se reporter pour plus de détails sur les algorythmes de calcul utilisés dans lesdits modèles au document : "Determination of the stress-strain curve using the flat-die plane compression test ; M. KISSEL,C. Fromholz ; 4 th International
Steel Rolling Conference ; vol. 2 ; Deauville, France, June 1-3, 1987."On remarque, en ce qui concerne la prise en compte du cédage, que, du fait de la disposition particulière des capteurs de déplacement, le cédage résulte uniquement de la compression du corps d'épreuve 16 et des poinçons et porte-poin çons, et il est donc faible mais non négligeable pour des efforts importants.

Les moyens de calculs sont, par ailleurs, reliés à des moyens de régulation des efforts fournis par la presse et les vérins de traction, en fonction des efforts et des déplacements mesurés et des facteurs calculés d'après les modèles mathématiques.

On va maintenant décrire, à titre d'exemple, le procédé utilisé pour réaliser un test de bipoinçonnement sous traction à l'aide du dispositif décrit ci-dessus.

L'éprouvette d'acier à caractériser se présente sous la forme d'une bande allongée, plate 2. Celle-ci est placée dans le dispositif, ses extrémités insérées dans les moyens de pincement, après réglage éventuel des vis 45 en fonction de l'épaisseur de l'éprouvette.

On règle alors la hauteur de celle-ci, au moyen du réglage de hauteur 34 des vérins de traction 31, pour que sa face inférieure repose sans effort sur le poinçon inférieur 21. Les interfaces éprouvettes-poinçons sont lubrifiés, par exemple par enrobage de l'éprouvette par un ruban de téflon. On commande alors l'écrasement et simultanément la traction, en régulant la vitesse d'écrasement, et l'effort de traction en fonction de l'épaisseur de la zone écrasée. Simultanément, les indications des différents capteurs sont prises en compte en permanence par le calculateur pour asservir les mouvements et efforts des vérins de traction et du vérin de la presse.Il est à noter que les efforts de traction exercés par les vérins 31 ne sont pas forcément égaux en valeur absolue et peuvent donc entraîner une dissymétrie des contraintes de traction au niveaude l'indentation, cette dissymétrie pouvant être souhaitée pour des essais particuliers (par exemple simulation de laminage.)
Pour déterminer la loi de contrainte d'écoulement du métal constitutif de l'éprouvette, le bi-poinçonnement est effectué sans traction (traction nulle) en cherchant, par une lubrification adéquate, à annuler le frottement à l'interface éprouvette-poinçon. On utilisera notamment à cet effet une application directe sur l'éprouvette d'un gel du type utilisé lors de contrôles ultrasoniques, celui-ci étant ensuite recouvert d'une pluralité de couches de ruban téflon.Le calculateur calcule les coordonnées des différents points de la courbe représentant la contrainte en fonction de l'écrasement.

L'application de la traction sur l'éprouvette permet de simuler plus précisément le laminage, et en particulier permet d'étudier les caractéristiques de la déformation (variation de largeur dans la zone indentée selon l'effort de traction exercé sur l'éprouvette), et les caractéristiques d'anisotropie du matériau constitutif.

Le bi-poinçonnement en une seule passe permet également de déterminer les caractéristiques tribologiques à l'interface éprouvette-poinçons, en fonction du lubrifiant et du mode de lubrification, et plus particulièrement l'évolution du coefficient de frottement au cours de l'indentation. Dans ce test, le lubrifiant est placé entre éprouvette et poinçons. L'enregistrement des valeurs des efforts de compression et éventuellement de traction, et de l'écrasement, et la connaissance, obtenue préalablement, de la contrainte d'écoulement du matériau constitutif de l'éprouvette permettent d'en déduire une courbe représentative du frottement en fonction de l'écrasement. Cette courbe permet de caractériser le lubrifiant utilisé, et également d'évaluer l'influence de l'état de surface de l'échantillon ou des poinçons.

Grâce aux colliers et résistances chauffants décrits précédemment, on peut aussi procéder à des tests de bipoinçonnement à chaud.

Lors de tests réalisés avec de faibles déformations (simulations de type "skin-pass"), le déplacement pris en compte par les capteurs est très faible et la précision de la mesure est insuffisante. Pour améliorer celle-ci, on peut déterminer l'écartement en mesurant l'allongement de l'éprouvette entre deux points situés sur celle-ci, de part et d'autre des poinçons.

Dans ce cas, un modèle mathématique supplémentaire introduit dans le calculateur permet de calculer l'écrasement en fonction de l'allongement. L'épaisseur des poinçons étant généralement nettement plus élevée que l'épaisseur de l'éprouvette, l'allongement de l'éprouvette est supérieur à son écrasement et la précision relative de la mesure est augmentée.

Le procédé peut bien évidemment s'appliquer à la carac térisation de matériaux divers autres que l'acier, en particulier les autres métaux, ou les matières plastiques.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de bipoinçonnement d'une éprouvette comportant un châssis supportant deux poinçons (21, 22) disposés en vis à vis de chaque côté de l-léprouvette (2) et dont les faces en regard (24, 25) sont planes, parallèles, symétriques et présentent chacune deux grands côtés parallèles entre eux, et des moyens (3) pour appliquer un effort de compression réglable tendant à rapprocher les deux poinçons, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (26) de mesure en continu de la valeur du déplacement relatif des deux poinçons et des moyens (16) de mesure en continu de l'effort de compression.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de calcul permettant de déterminer en permanence l'écartement réel instantané des deux poin çons en tenant compte du cédage des poinçons et de leurs moyens de support lorsque l'effort de compression est appliqué.

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (31) pour exercer sur l'éprouvette un effort de traction symétrique ou non des deux côtés des poinçons, perpendiculairement à l'effort de compression et aux grands côtés des faces en regard des poinçons, et des moyens pour réguler ledit effort de traction en fonction de l'écrasement de l'éprouvette.

4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de chauffage (51, 52, 53, 54) pour chauffer l'éprouvette et les poinçons et supports de poinçons.

5. Procédé de bipoinçonnement utilisant le dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, appliqué à la détermination de paramètres caractéristiques du comportement d'un matériau lors de la déformation plastique plane sous contrainte de compression, caractérisé en ce que on place entre les deux poinçons (21, 22) une zone d'une éprouvette de forme allongée (2) dudit matériau, on commande le rapprochement des deux poin çons pour écraser ladite zone, on mesure en permanence pendant l'écrasement, l'effort de compression et le déplacement relatif des poinçons, et on en déduit une relation caractéristique de l'épaisseur écrasée en fonction de la contrainte de compression.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que on détermine l'épaisseur écrasée à partir de la mesure du déplacement des poinçons, en tenant compte du cédage des organes de support des poinçons.

7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que on détermine la contrainte de compression en tenant compte de la variation, provoquée par l'écrasement, de la surface de contact entre éprouvette et poinçon.

8. Procédé selon la revendication 5, appliqué à la détermination de la contrainte d'écoulement dudit matériau, caractérisé en ce qu'on utilise à l'interface outil-matériau une lubrification spécifique destinée à minimiser le frottement.

9. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, simultanément à l'écrasement, on exerce sur l'éprouvette, perpendiculairement à l'effort de serrage et aux grands côtés des faces en regard des poinçons, des efforts de traction régulés en fonction de l'écrasement pour maintenir une contrainte

de traction préalablement déterminée dans la zone écrasée.

10. Procédé selon la revendication 5, appliqué à la détermination des caractéristiques tribologiques à l'interface éprouvette-poinçon, caractérisé en ce que, préalablement à l'écrasement, on place un lubrifiant quelconque à cet interface, la courbe représentative du frottement en fonction de l'écrasement étant alors représentative dudit lubrifiant et/ou de l'interface.