FR2999965A1 - Dispositif et procede de formage par emboutissage a grande vitesse - Google Patents
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Abstract
L'invention vise un dispositif de formage par emboutissage d'une feuille métallique (14) incurvée, ledit dispositif comportant : - un poinçon (11) en matériau déformable et sensiblement incompressible - un marteau (12), adapté à percuter le poinçon (11) selon l'axe longitudinal (Z), - des moyens de génération d'un champ magnétique (13), adaptés à imprimer au marteau (12) une vitesse (Vz) supérieure à une valeur prédéterminée selon cette direction (Z). Le dispositif comporte une matrice (10) de forme prédéterminée, sensiblement à symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal (Z) et en ce que le poinçon (11) présente une symétrie de révolution autour de l'axe longitudinal (Z), adapté à être disposé face à la matrice (10). Le poinçon (11) présente une dimension longitudinale (H) du même ordre de grandeur que sa dimension (R) perpendiculaire à l'axe longitudinal (Z). L'invention vise également un procédé de formage par emboutissage utilisant un dispositif tel qu'exposé.
Description
La présente invention relève du domaine du formage de matériaux. Elle vise plus particulièrement un dispositif et un procédé de formage de pièces métalliques par emboutissage.
Préambule et art antérieur Dans l'industrie de pointe (secteurs aéronautique, spatial, automobile ou autres industries manufacturières), la précision requise et nécessaire lors de la mise en forme de pièces peut être élevée et les techniques mises en place pour répondre à ces exigences sont de plus en plus complexes.
Lorsqu'une pièce métallique doit-être mise en forme, l'emboutissage est très souvent la méthode choisie, car cette méthode est robuste et très bien maîtrisée. L'emboutissage consiste en une déformation plastique d'une plaque de matériau, sous l'action d'une pression, de manière à donner à la plaque la forme d'un moule prédéterminé. Même si la technique est généralement utilisée sur des matériaux métalliques (acier, aluminium etc.), elle est également applicable à de nombreux matériaux plastiques tels que PVC, polyéthylène, polycarbonate etc. L'une des variantes de mise en oeuvre du formage par emboutissage est le procédé dit d'élastoformage (procédé GUERIN), dont le principe est d'appliquer une contrainte sur un élastomère (par exemple au moyen d'un vérin) qui joue alors le rôle de poinçon ou de matrice. L'élastomère transmet la pression qu'il subit, sur la plaque à déformer, dont il épouse la forme lors de l'emboutissage. On connait notamment dans ce domaine la demande de brevet EP 0 376 808 (lsoform, 1988), relative à un procédé et dispositif d'emboutissage de matériau en feuille avec poinçon deformable sous plongeur. Cependant, un désavantage de cette méthode réside dans le fait qu'on ne peut effectuer que des emboutissages peu profonds dans des métaux légers, de faibles épaisseurs (par exemple : l'aluminium). En pratique, le procédé est limité par une épaisseur de tôle de 1.5 mm. Un autre désavantage de cette méthode de mise en forme est celui du retour élastique qui se produit après relâchement de la pièce à former. Cet effet est plus ou moins important selon le matériau considéré et peut s'avérer problématique lorsqu'il n'est plus négligeable devant la précision attendue. On connait également le brevet US7954357 qui divulgue un procédé et un dispositif d'emboutissage de matériau en feuille plane avec poinçon deformable de forme sensiblement plane. Exposé de l'invention La présente invention a notamment pour but d'apporter une solution efficace permettant de réduire notablement le retour élastique et d'appliquer le principe d'élastoformage à des métaux tels que l'acier ou l'inconel et/ou d'épaisseur importante. L'invention vise en premier lieu un dispositif de formage par emboutissage d'une feuille métallique incurvée, ledit dispositif comportant : - un poinçon en matériau deformable et sensiblement incompressible - un marteau, adapté à percuter le poinçon selon l'axe longitudinal (Z), - des moyens de génération d'un champ magnétique, adaptés à imprimer au marteau une vitesse (Vz) supérieure à une valeur prédéterminée selon cette direction (Z). Le dispositif comporte une matrice de forme prédéterminée, sensiblement à symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal (Z) et en ce que le poinçon présente une symétrie de révolution autour de l'axe longitudinal (Z), adapté à être disposé face à la matrice, Dans un mode de réalisation particulier, le poinçon présente une dimension longitudinale (H) supérieure ou égale, ou du même ordre de grandeur que sa dimension radiale (R) perpendiculaire à l'axe longitudinal. De la sorte, ledit poinçon se déforme au moins radialement suite à une percussion axiale par le marteau, et est ainsi capable de former une feuille métallique disposée notamment sur la périphérie dudit poinçon.
Ceci vient en opposition avec les dispositifs existant de formage par emboutissage, dans lesquels le poinçon se déforme axialement suite à un impact axial du marteau, et vient former une feuille métallique disposée uniquement selon l'extrémité longitudinale dudit poinçon. Les moyens de génération de champ magnétique communiquent au poinçon une accélération d'intensité préalablement choisie pendant une durée limitée, pour générer une vitesse de percussion élevée. On comprend que l'effet de ce dispositif est de permettre l'application, à grande vitesse (permise par le caractère électromagnétique de la force créée), d'une pression sur le poinçon, de manière à ce qu'il déforme très rapidement la feuille métallique en correspondance avec la forme de la matrice sur laquelle elle est appliquée. Le dispositif comporte avantageusement des moyens d'imprimer au marteau une vitesse axiale (Vz) supérieure ou égale à une vitesse axiale minimale (Vz_min) permettant d'obtenir une déformation plastique de la feuille métallique. La vitesse axiale (Vz) est supérieure à 20m/s dans un mode de 15 réalisation particulier. Dans un mode de réalisation particulier, le poinçon est réalisé en élastomère incompressible présentant un coefficient de Poisson proche de 0.5. En effet, il a été observé de manière surprenante que lorsque l'élastomère est sollicité par un marteau (les moyens de percussion) se 20 déplaçant à grande vitesse, l'élastomère présente un comportement viscoélastique, qui entraîne, d'une part, un formage plus efficace (c'est-à-dire plus conforme à la matrice) de la pièce, et, d'autre part, une diminution du retour élastique de la pièce formée. On entend par matériau deformable et sensiblement incompressible des 25 matériaux de type élastomère, adaptés à une utilisation comme coussin d'élastoformage. Dans un autre mode réalisation, le matériau deformable et incompressible pourrait être constitué d'un liquide entouré d'une enveloppe souple. De tels matériaux sont bien connus de l'homme du métier. Dans un mode de réalisation particulier, le fond de la matrice forme une 30 butée pour la face avant du poinçon.
L'invention vise sous un second aspect un ensemble de formage comportant un dispositif de formage tel qu'exposé, et une matrice de forme prédéterminée, sensiblement à symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal (Z), caractérisé en ce que la distance G entre la feuille et la matrice est non nulle. En effet, la vitesse de percussion radiale VR de l'ensemble poinçon et feuille métallique sur la matrice est proportionnelle au cube de cette distance G. lorsque la vitesse radiale est suffisante, la feuille métallique présente un comportement plastique et vient épouser complètement la forme de la face interne de la matrice. L'invention vise sous encore un autre aspect un procédé de déformation par emboutissage d'une feuille métallique incurvée, utilisant un ensemble tel qu'exposé ci-dessus, le procédé comportant des étapes suivantes : - placement de la feuille métallique au sein de la matrice, - placement du poinçon à l'intérieur de la feuille métallique, - génération d'un champ magnétique imprimant au marteau une vitesse (Vz) supérieure à une valeur prédéterminée selon cette direction (Z), - percussion du marteau sur le poinçon selon l'axe longitudinal (Z), - déformation radia le du poinçon à une vitesse d'impact radiale VR suffisante pour obtenir une déformation plastique de la feuille métallique. Avantageusement, la matrice est réalisée de manière à présenter une distance G entre la feuille métallique et la matrice non nulle.
Présentation des figures Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux appréciés grâce à la description qui suit, description qui expose les caractéristiques de l'invention au travers d'un exemple non limitatif d'application. La description s'appuie sur les figures annexées qui représentent : Figure la : une vue schématique des éléments impliqués dans le dispositif d'élastoformage utilisé avec une matrice creuse, avant formage, selon un premier mode de réalisation Figure lb : une vue agrandie d'un détail de la figure la Figure 2: une vue de ces mêmes éléments, en cours de formage. Figure 3: une vue de ces mêmes éléments, après formage. Figure 4: une vue schématique des éléments impliqués dans le dispositif d'élastoformage utilisé avec une matrice creuse, avant formage, selon un autre mode de réalisation Figure 5: une vue de dessus en coupe de ces mêmes éléments. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention On note tout d'abord que les figures ne sont pas à l'échelle. Dans la suite de la description, on utilise le terme de feuille métallique pour désigner la pièce à former, mais l'invention vise plus généralement une plaque mince en matériau plastique, métallique ou autre. Une plaque est dite mince lorsqu'une de ses dimensions est nettement inférieure aux deux autres, typiquement d'au moins un ordre de grandeur. Dans un exemple de mise en oeuvre du dispositif, celui-ci est associé à une matrice 10. Il comporte par ailleurs un poinçon 11 en élastomère, un marteau 12 et un dispositif de génération de champ magnétique 13 (dont seule la bobine est schématisée sur les figures). Ce dispositif est adapté pour créer un champ magnétique de haute puissance qui puisse générer une forte accélération au marteau 12, de telle sorte qu'il percute le poinçon à grande vitesse. Avantageusement, le marteau 12 est indépendant du dispositif de génération de champs magnétique 13. La matrice 10, le poinçon 11 et le marteau 12 sont ici supposés présenter une symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal Z. La matrice 10 présente sensiblement la forme d'un cylindre creux fermé en son extrémité supérieure par un fond 15, et comportant latéralement une gorge 16, ici de section triangulaire. Le poinçon 11 est schématisé par un volume cylindrique de rayon légèrement inférieur à celui de la matrice 10. Le marteau 12 présente ici un rayon supposé globalement identique à celui du poinçon 11, et venant prendre appui sur sa face inférieure 17.
Une feuille métallique 14, ici de forme cylindrique fermée en son extrémité supérieure, est insérée dans la matrice 10, et reçoit le poinçon 11 dans son volume intérieur. On comprend que plus généralement, la feuille métallique 14 mise en place au sein de la matrice est incurvée à simple courbure, la matrice étant de forme concave à symétrie de révolution autour d'un axe Z, et le poinçon étant de forme sensiblement complémentaire. La feuille métallique 14 est représentée en figure la comme venant épouser la forme de l'extrémité du poinçon 11. Dans une variante de réalisation, la feuille métallique est de forme cylindrique fermée, et ne vient épouser que la partie latérale du poinçon 10. Dans une autre variante, illustrée par la figure 4, la feuille métallique 14 est de forme cylindrique ouverte à son extrémité supérieure. Dans une autre variante illustrée à la figure 5, la feuille métallique 14 est de forme cylindrique ouverte et vient épouser une partie seulement de la surface latérale du poinçon 11.
Il est à noter que, dans le présent exemple de réalisation, le poinçon 11 est au contact de la feuille métallique 14 sur la majeure partie d'une face de celle-ci, avant mise en marche du dispositif de formage. La feuille métallique 14 est éloignée de la matrice 10 d'une distance G (illustrée sur la figure 1 b) non nulle.
Dans une variante moins avantageuse de mise en oeuvre (non représentée), la feuille métallique 14 est au contact de la matrice 10 avant mise en marche du dispositif de formage et éloignée du poinçon 12 d'une distance non nulle. Le poinçon 11 est supposé réalisé ici en un élastomère incompressible (coefficient de Poisson proche de 0.5), c'est-à-dire que sa déformation s'effectue à volume constant. Par ailleurs, on suppose que la feuille métallique 14 est suffisamment fine pour ne pas avoir d'influence sur la déformation de du poinçon 11. Dans le présent exemple de réalisation, et tel qu'on le voit figure 1 a, le fond 15 de la matrice 10 forme une butée pour la face avant du poinçon 11. On entend par là que ce fond 15 ne comporte pas de lumière traversante.
Le marteau 12 est de matériau et caractéristiques connus de l'homme du métier, et donc non détaillés plus avant ici. Mode de fonctionnement La bobine du dispositif de génération de champ magnétique 13 génère un champ magnétique qui déplace le marteau 12 vers le poinçon 11 en élastomère. Le poinçon 11 va donc se comprimer axialement et, par son incompressibilité et le fond 15 de la matrice, sera alors contraint de se déformer radialement et uniformément, ce qui permet le formage de la feuille métallique 14 placée entre le poinçon 11 et la matrice 10. Dans un exemple non limitatif de mise en oeuvre, la feuille métallique 14 à former se présente sous la forme d'un cylindre en acier 15-5PH de diamètre 38mm. Le poinçon 11 est un cylindre en élastomère (polyuréthanne 90 shores A) de rayon R = 19 mm et hauteur H = 15 mm. Le moule, c'est-à-dire la face 15 interne de la matrice 10, présente un rayon 21mm. La distance G entre la matrice 10 et la feuille 14 est G = 2mm (voir figure lb). La vitesse d'impact axiale Vz du marteau 12 sur l'élastomère 11 a été mesurée à 34m/s. Cette vitesse d'impact axiale Vz est liée aux conditions géométriques et aux propriétés du matériau constituant la feuille métallique 14. 20 La vitesse d'impact axiale Vz est calculée pour permettre la plastification de ladite feuille métallique 14. Il est possible d'estimer la vitesse d'impact radiale VR (vitesse de percussion radiale) de l'ensemble poinçon 11 et feuille métallique 14 sur la matrice 10 en utilisant la formule d'obtention suivante : 25 v Vz R H G3 (1) R 2 Rz dans laquelle VR désigne la vitesse radiale, Vz la vitesse de déplacement axiale (imprimée par le marteau 12), R/H le rapport d'aspect du poinçon 11, et G/R le rapport de la distance G (entre la feuille 14 et la matrice 10) au rayon R du poinçon 11. La vitesse axiale Vz_min minimale à communiquer au marteau 12 30 est celle qui permet d'obtenir une déformation plastique de la feuille métallique 14 ("plastification" de la feuille métallique).
Le dispositif de formage comporte donc des moyens de piloter cette vitesse axiale Vz, en fonction de l'épaisseur de la feuille métallique 14 à former, de manière à ce que cette vitesse axiale Vz du marteau soit supérieure à la vitesse axiale minimale Vz_min ainsi déterminée.
Il est à noter que la vitesse d'impact radiale VR est directement proportionnelle à la vitesse axiale Vz, et les remarques précédentes s'appliquent donc également à la vitesse radiale. On obtient, avec les données numériques de l'exemple présent, une vitesse d'impact radiale VR estimée de 30m/s. Le ratio entre VR et Vz est alors Io de 88%. Lors de l'impact du marteau 12 sur l'élastomère 11, le choc génère une onde de pression dynamique dont la vitesse de propagation dans l'élastomère est largement supérieure à la vitesse d'impact VR. La feuille métallique est alors poussée par la déformation radiale du poinçon vers la face interne de la 15 matrice 10. De plus, lorsque la feuille métallique 14 entre initialement en contact de la matrice 10, sous l'effet de la déformation du poinçon 11, il demeure certaines zones qui ne sont pas en contact avec le moule (notamment la gorge 16). C'est en particulier le cas pour les zones où la matrice 10 présente des géométries 20 de plus grande profondeur (par exemple des gravures décoratives ou des géométries fonctionnelles). Le poinçon 11 en élastomère et la feuille métallique 14 continuent à se déformer localement et leur vitesse de déformation est susceptible d'être largement supérieure à la vitesse de déformation radiale VR lors de l'impact. 25 On observe une déformation plastique de la feuille métallique 14 lorsque la pression engendrée à l'impact est supérieure à limite d'élasticité d'Hugoniot., La feuille métallique 14 vient alors épouser complètement la forme de la matrice 10, notamment la forme de la gorge 16. Cette déformation plastique de la pièce métallique 14 intervient dans le cas où la vitesse de percussion radiale 30 VR vérifie l'équation suivante : s.ci EL - 1 - V f 1 ± 1 < VR (2) . _Ze Z f _ 2 99996 5 9 dans laquelle GEL est la limite d'élasticité de le feuille 14, Ze l'impédance acoustique de la matrice 10, Zf l'impédance acoustique de la feuille métallique 14, vf est le coefficient de Poisson de la feuille métallique 14, s un facteur de sécurité supérieur ou égale à 1, (valant 1.1 dans le présent exemple nullement 5 limitatif de mise en oeuvre). Ce critère de déformation plastique se traduit en condition sur la vitesse axiale Vz du marteau 12 au moment de l'impact sur le poinçon 11 (par utilisation de l'équation 1). Les moyens de génération d'un champ magnétique sont donc dimensionnés pour procurer au marteau 12 une vitesse de percussion axiale Vz supérieure à ce seuil. La vitesse Vz sera donc préférentiellement comprise entre 20 et 200m/s. Le procédé de déformation par emboutissage d'une feuille métallique 14 incurvée, comporte, dans le présent exemple non limitatif de mise en oeuvre, les étapes suivantes : - placement de la feuille métallique 14 au sein de la matrice 10, - placement du poinçon 11 à l'intérieur de la feuille métallique 14, - génération d'un champ magnétique imprimant au marteau 12 une vitesse (Vz) supérieure à une valeur prédéterminée selon cette direction (Z), - percussion du marteau 12 sur le poinçon 11 selon l'axe longitudinal (Z), - déformation radia le du poinçon 12 à une vitesse d'impact radiale VR suffisante pour obtenir une déformation plastique de la feuille métallique 14.
Avantages Un tel dispositif présente ainsi l'avantage de réduire considérablement les phénomènes de retour élastique, et permet de former par élastoformage des pièces en tôle d'épaisseur supérieure à 1,5mm, dans la mesure où la vitesse communiquée au marteau permet d'obtenir une vitesse d'impact radiale permettant d'amener la feuille métallique dans son domaine de déformation plastique. Variantes Les exemples précédents ont été donnés à titre illustratif et ne sont pas exhaustifs. On pourra en particulier réaliser l'invention en formant une feuille métallique 14 de dimensions sensiblement identiques à celles de la matrice 10. Le poinçon 11 en élastomère aura, dans ce cas, des dimensions sensiblement moindres afin de maintenir une distance non nulle entre le poinçon et la feuille.
Claims (8)
- REVENDICATIONS1. Dispositif de formage par emboutissage d'une feuille métallique (14) incurvée, ledit dispositif comportant : - un poinçon (11) en matériau deformable et sensiblement incompressible - un marteau (12), adapté à percuter le poinçon (11) selon l'axe longitudinal (Z), - des moyens de génération d'un champ magnétique (13), adaptés à imprimer au marteau (12) une vitesse (Vz) supérieure à une valeur prédéterminée selon cette direction (Z), caractérisé en ce que le dispositif comporte une matrice (10) de forme prédéterminée, sensiblement à symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal (Z) et en ce que le poinçon (11) présente une symétrie de révolution autour de l'axe longitudinal (Z), adapté à être disposé face à la matrice (10).
- 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le poinçon (11) présente une dimension longitudinale (H) du même ordre de grandeur que sa dimension radiale (R), perpendiculaire à l'axe longitudinal.
- 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'imprimer au marteau (12) une vitesse axiale (Vz) supérieure ou égale à une vitesse axiale minimale (Vz_min) permettant d'obtenir une déformation plastique de la feuille métallique (14).
- 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la vitesse axiale (Vz) est supérieure à 20m/s.
- 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le poinçon (11) est réalisé en élastomère incompressible présentant un coefficient de Poisson proche de 0.5.
- 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le fond (15) de la matrice (10) forme une butée pour la face avant du poinçon (11).
- 7. Procédé de déformation par emboutissage d'une feuille métallique (14) incurvée, utilisant un dispositif de formage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le procédé comporte des étapes suivantes : - placement de la feuille métallique (14) au sein de la matrice (10), - placement du poinçon (11) à l'intérieur de la feuille métallique (14), - génération d'un champ magnétique imprimant au marteau (12) une vitesse (Vz) supérieure à une valeur prédéterminée (Vz_min) selon cette direction (Z), - percussion du marteau (12) sur le poinçon (11) selon l'axe longitudinal (Z), - déformation radia le du poinçon (12) à une vitesse d'impact radiale VR suffisante pour obtenir une déformation plastique de la feuille métallique (14).
- 8. Procédé de déformation par emboutissage selon la revendication 7, caractérisé en ce que la matrice (10) est réalisée de manière à présenter une distance G entre la feuille métallique (14) et la matrice (10) non nulle.
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