WO2015092185A1 - Procede d'emboutissage de pieces presentant des angles saillants a faible rayon - Google Patents

Procede d'emboutissage de pieces presentant des angles saillants a faible rayon Download PDF

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Daniel Schlatter
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Peugeot Citroen Automobiles Sa
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    • B21D37/08—Dies with different parts for several steps in a process

Definitions

  • the present invention relates to a method and a tool for stamping a sheet material for shaping a piece of non-developable geometry.
  • connection radius For a stamped part made from a conventional steel of 0.5 mm thick, locally having a connection between two disoriented zones of 20 °, the outer part of the connection radius can not be physically less than 1 .5 mm (for disorientations below about 150 °, the external form of attachment is very close to a sector of circle, hence the term "connection radius" used in this document), and this same if the punch radius takes a value of zero, rendering obsolete a reasoning based on a geometric "offset" of constant thickness.
  • the invention described in this document solves this problem of limiting the connecting radii of the salient angles, thus enabling the realization of stamped geometries having sharp angles with low radii, or even zero.
  • the principle of the invention is to stamp a sheet of constant thickness, and at the end of stamping stroke, to make on an outer face of the sheet a connection of a small radius by applying locally, on the inner face of the sheet a force constraining the material of the pressed sheet to a plating on the outside.
  • the outer face of the sheet typically corresponds to its convex face, the important point however is that it is normally the visible side.
  • the force forcing the material of the pressed sheet to be pressed at the small radius connection on its outer face is applied at a speed greater than the closing speed of the stamping press at the end of stamping race.
  • the force applied locally is obtained by using a stamping tool operated by a stamping press, the tool having the side in contact with the underside of the sheet, an additional form for example integral with the carrier tool.
  • the volume of this additional shape is substantially equal to the volume of material to be moved to obtain the desired connection radius.
  • the additional shape has at its top a cylindrical portion.
  • the additional shape can be integrated into the carrier tool, usually the punch but also to a matrix, or a movable member of the stamping tool, blade type or counter-form .
  • this movable member will advantageously be displaced by means of a cam, a slider or an independent jack.
  • the blade or movable counter-form can be moved in a direction the same or different from the main axis of stamping.
  • the additional form that applies the force is movable relative to the carrier tool: it is advantageously in the retracted position during the stamping of the general shape of the part, until the moment when the material sheet is contact with the punch and the die ("closed tool" phase in conventional stamping). Then, while maintaining the contact between the stamped material, and the carrier tool, the additional shape is driven by a translation whose displacement stroke allows, by compensation of local thinning and constraints due to the conservation of volume, which allows to press the stamped material in the gap located in the outer part, the material thus displaced allowing the realization of a connection having a very small radius or zero.
  • the direction of movement of the mobile additional shape is chosen near the bisectors of the two disoriented areas concerned by the low radius connection. This variant thus makes it possible to produce low-radius projecting angles, including those whose bisector of the connected surfaces is very different from the main stamping axis.
  • the displacement of the additional mobile form can be controlled by a mechanical device, hydraulic or pneumatic, dependent or independent of the stroke of the stamping press.
  • FIG. 1 an example of forming according to the prior art (FIG. 1A) and according to a first embodiment of the invention of a connection zone using a stamping tool whose punch is provided with a additional form, the forming being illustrated before ( Figure 1B) ( Figure 1B to update) and after the total closure of the stamping tool ( Figure 1 C)
  • FIG. 1 -A illustrates the stamping process according to the prior art, with a sheet material 2 having a constant thickness 21 is stamped by means of a stamping tool whose press consists of a punch 1 and a die 3 having substantially complementary shapes.
  • the matrix 3 comprises a zone 33 corresponding to the formation of a protruding zone on the formed sheet material.
  • the sheet 2 tends to marry at this zone 33 a circle of radius 22, which tangents the directions of the matrix 3 on each side of this zone 33, the zone 31 constituting a blank space not occupied by the sheet 2.
  • FIG. 1B illustrates the method according to the invention making it possible to avoid this empty space and to obtain the desired geometry including at the level of the zone 33.
  • the punch 1 is provided with an additional shape 4 in the area facing the zone 33 by the addition of an additional form 4, having in its projecting part a radius of curvature January.
  • the additional shape may not be rounded but rather angular, close to the radius of curvature of the zone 33.
  • the volume of this additional shape advantageously corresponds to the volume of material to be moved to obtain the desired small projecting radius.
  • the profile of this additional shape is advantageously chosen such that it promotes the local displacement of material, by favoring shearing and by limiting the large displacements of deformed material (symmetrical or non-symmetrical shape, depending on the orientation of the connection zone by relative to the stamping axis).
  • This additional form is made to withstand the high pressures associated with the local displacement of material at the end of stamping: it will be obtained by machining and / or local metallurgical swelling and / or adjustment, in a resistant material, for example the base material of the tool and / or insert insert and / or local topcoat and / or surface treatment increasing the toughness of this tool part.
  • the lubrication may be adapted to promote the local displacement of deformed material and prevent the occurrence of possible seizures on the tool and / or premature wear.
  • the invention provides a second improvement for the part produced: its geometry is more accurate than in conventional stamping because the distortions due to the elastic return phenomenon are reduced. Indeed, the additional shape realizes a local displacement of material at the end of stamping stroke, which increases the plastic deformation of the area considered.
  • the springback after stamping of the connection zone is less important than in conventional stamping (local opening or closing of 1 to 2 degrees, reduced by at least half thanks to the additional local lamination).
  • Figures 2A, 2B and 2C show examples of possible geometries for the additional form.
  • the additional shape has a smaller radius so that it forms a sphere projecting from the rest of the punch.
  • the section of the additional shape is constituted by a circle sector, connected to the punch with cut edges. The choice of the type of geometry of the additional shape will normally be made according to criteria related to the technique of making and developing the tooling.
  • the top of the shape of the additional shape is rounded, without this being an imperative: it is the ability of the additional shape geometry to apply the force generating the local displacement of material to outside, by favoring shearing and by limiting large displacements of deformed material, which remains predominant.
  • the additional form 4 is not integral with the carrier tool (punch 1 in the figure or die or blade or against mobile form), but movable relative to the carrier tool 1, said additional mobile form 4 being actuated a mechanical, hydraulic or pneumatic device.
  • the additional shape 4 in a direction different from the direction of movement of the carrier tool (punch 1 in the figure or matrix or blade or against mobile form) and / or direction general closure of the stamping tool, and particularly preferably in a direction of movement near the bisectors of the two disoriented areas concerned by the connection.
  • this additional mobile form 4 will be moved between a retracted position ( Figure 3A), used during the stamping of the general shape of the part, and a projecting position ( Figure 3B), reached after the general closure. of the press.
  • the speed of displacement of this additional mobile form may advantageously be greater than the average speed of the carrier tool and / or the main slide of the press (dynamic operation)

Abstract

La présente invention se rapporte à un procédé et à un outil d'emboutissage d'un matériau en feuille. Selon l'invention, on procède à la mise en forme d'une feuille (2) d'épaisseur constante par emboutissage, et en fin de course d'emboutissage, on réalise sur une face extérieure de la feuille un raccordement d'un faible rayon en appliquant localement, sur la face intérieure de la feuille (2), une force contraignant la matière de la feuille emboutie à un plaquage côté extérieur.

Description

PROCEDE ET OUTIL D'EMBOUTISSAGE DE PIECES PRESENTANT DES ANGLES
SAILLANTS A FAIBLE RAYON
[oooi] La présente invention revendique la priorité de la demande française 1362829 déposée le 17 décembre 2013 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.
[ooo2] La présente invention se rapporte à un procédé et à un outil d'emboutissage d'un matériau en feuille pour la mise en forme d'une pièce de géométrie non-développable.
[ooo3] Pour de nombreuses pièces, réalisées par emboutissage de matériaux en feuille, utilisées dans des secteurs tels que les transports routiers ou ferroviaires, le bâtiment, l'industrie, le ménager, l'électro-ménager, l'électronique, il est souhaitable, pour des raisons esthétiques et/ou fonctionnelles, de réaliser des formes présentant localement des angles saillants, avec de très faibles rayons de raccordement, voire des rayons de valeur nulle.
[ooo4] La technique classique d'emboutissage est basée sur le principe de mise en forme d'une feuille de matériau mince d'épaisseur constante, conformée contre une matrice par un poinçon, le côté de la feuille en contact avec la matrice étant sa partie externe. On ne peut toutefois obtenir une géométrie finale non-développable avec des angles saillants à faible rayon. A titre d'exemple, pour une pièce emboutie réalisée à partir d'un d'acier classique de 0.5 mm d'épaisseur, présentant localement un raccordement entre deux zones désorientées de 20° , le rayon de raccordement en partie externe ne pourra être physiquement inférieur à 1 .5 mm (pour des désorientations inférieures environ 150° , la forme externe de raccadement est très proche d'un secteur de cercle, d'où l'appellation « rayon de raccordement » utilisée dans ce document), et ceci même si le rayon de poinçon prend une valeur nulle, rendant caduque tout un raisonnement basé sur un « offset » géométrique à épaisseur constante.
[ooo5] Les approches expérimentales (réalisation et mesure de pièces physiques), analytiques (basées sur le déplacement de la fibre neutre locale) ou numériques (calculs par la méthode des éléments finis notamment) permettent de déterminer les valeurs de raccordement minimales admissibles, en fonction des matériaux (nuance, épaisseur, caractéristiques mécaniques) et des outils (orientation, habillage de la pièce à réaliser, conditions de retenue périphériques, déformations initiales, angles et rayons locaux des outils, conditions de frottement,...). [ooo6] Des alternatives consistant à emboutir la zone de raccordement en plusieurs opérations et/ou réduire le rayon de la zone de raccordement après emboutissage (usinage, frappe, ...) ne sont pas satisfaisantes, tant du point de vue esthétique que du point de vue économique.
[ooo7] Cette impossibilité à réaliser des angles saillants à faible rayons par emboutissage classique limite donc les concepteurs de pièces embouties.
[ooo8] L'invention décrite dans ce document permet de résoudre ce problème de limitation des rayons de raccordement des angles saillants, permettant ainsi la réalisation de géométries embouties présentant des angles saillants à faible rayons, voire nuls. [ooo9] Le principe de l'invention consiste à emboutir une feuille d'épaisseur constante, et en fin de course d'emboutissage, à réaliser sur une face extérieure de la feuille un raccordement d'un faible rayon en appliquant localement, sur la face intérieure de la feuille une force contraignant la matière de la feuille emboutie à un plaquage côté extérieur. [ooi o] La face extérieure de la feuille correspond typiquement à sa face convexe, le point important toutefois étant qu'il s'agit bien normalement de la face visible.
[ooi i ] La force appliquée localement, compte tenu de sa judicieuse distribution, permet de compenser l'amincissement local de la feuille et de contrer les contraintes dues à la conservation de volume. Ainsi, sur la partie extérieure de la feuille, la matière ainsi déplacée permet la réalisation d'un raccordement local présentant un rayon extérieur très faible, voire nul. Ce raccordement local est réalisé en une seule passe d'emboutissage. En outre, il n'est pas limité par les contraintes d'emboutissage classique précédemment décrites. [0012] Dans une variante, la force contraignant la matière de la feuille emboutie à se plaquer au niveau du raccordement de faible rayon sur sa face extérieure est appliquée selon une direction différente de la direction principale d'emboutissage.
[ooi3] Dans une variante, la force contraignant la matière de la feuille emboutie à se plaquer au niveau du raccordement de faible rayon sur sa face extérieure est appliquée à une vitesse supérieure à la vitesse de fermeture de la presse d'emboutissage en fin de course d'emboutissage.
[ooi4] Selon un mode de réalisation de l'invention, la force appliquée localement est obtenue en utilisant un outil d'emboutissage actionné par une presse d'emboutissage, l'outil comportant du côté en contact avec la face inférieure de la feuille, une forme additionnelle par exemple solidaire de l'outil porteur.
[ooi5] Avantageusement, le volume de cette forme additionnelle est sensiblement égal au volume de matière à déplacer pour obtenir le rayon de raccordement souhaité.
[ooi6] Dans une variante, la forme additionnelle comporte en son sommet une partie cylindrique.
[ooi7] Comme indiqué précédemment, la forme additionnelle peut être intégrée à l'outil porteur, le plus souvent au poinçon mais également à une matrice, ou encore un organe mobile de l'outil d'emboutissage, de type lame ou contre-forme. De manière conventionnelle, cet organe mobile sera avantageusement déplacé au moyen d'une came, d'un coulisseau ou encore d'un vérin indépendant.
[ooi8] La lame ou contre-forme mobile peut être déplacée suivant une direction identique ou différente de l'axe principal d'emboutissage.
[ooi9] Dans une variante, la forme additionnelle qui applique la force est mobile par rapport à l'outil porteur : elle est avantageusement en position reculée pendant l'emboutissage de la forme générale de la pièce, jusqu'au moment où le matériau en feuille est contact avec le poinçon et la matrice (phase « outil fermé » en emboutissage classique). Ensuite, tout en maintenant le contact entre le matériau embouti, et l'outil porteur, la forme additionnelle est animée d'une translation dont la course de déplacement permet, par compensation de l'amincissement local et des contraintes dues à la conservation de volume, ce qui permet de plaquer la matière emboutie dans l'interstice situé en partie extérieure, la matière ainsi déplacée permettant la réalisation d'un raccordement présentant un rayon très faible, voire nul.
[0020] La direction du déplacement de la forme additionnelle mobile est choisie à proximité des bissectrices des deux zones désorientées concernées par le raccordement à faible rayon. Cette variante permet ainsi de réaliser des angles saillants à faible rayon, y compris ceux dont la bissectrice des surfaces raccordées est très différente de l'axe principal d'emboutissage.
[0021 ] Le déplacement de la forme additionnelle mobile, pourvue un guidage précis et robuste, peut être commandé par un dispositif mécanique, hydraulique ou pneumatique, dépendant ou indépendant de la course de la presse d'emboutissage.
[0022] La vitesse de déplacement de la forme additionnelle mobile peut être similaire à celle du coulisseau de presse, ou beaucoup plus rapide, favorisant ainsi un fonctionnement en mode « dynamique ». [oo23] D'autres détails et caractéristiques avantageuses de l'invention ressortent de la description détaillée faite ci-après en référence aux figures annexées qui montrent :
• Figures 1 : un exemple de formage selon l'art antérieur (figure 1 A) et selon un premier mode de réalisation de l'invention d'une zone de raccordement en utilisant un outil d'emboutissage dont le poinçon est pourvu d'une forme additionnelle, le formage étant illustré avant (Figure 1 B) (figure 1B à mettre à jour) et après la fermeture totale de l'outil d'emboutissage (figure 1 C)
• Figures 2A, 2B et 2C : des exemples de géométrie de formes additionnelles
• Figures 3 : un exemple de formage selon un autre mode de réalisation de l'invention, en rendant mobile la forme additionnelle, par rapport à l'outil porteur, le formage étant illustré juste avant la fermeture de l'outil, avec la forme additionnelle en position reculée (Figure 3A) puis lorsque l'outil est fermé, avec la forme additionnelle en position avancée (Figure 3B) [0024] La figure 1 -A illustre le procédé d'emboutissage selon l'art antérieur, avec un matériau 2 en feuille présentant une épaisseur constante 21 est embouti au moyen d'un outil d'emboutissage dont la presse est constituée d'un poinçon 1 et d'une matrice 3 ayant des formes essentiellement complémentaires. [0025] La matrice 3 comporte une zone 33 correspondant à la formation d'une zone saillante sur le matériau en feuille formé. A l'instant de la fermeture de la presse, même si on utilisait un poinçon ayant une forme rigoureusement complémentaire à celle de la matrice, la feuille 2 tend à épouser au niveau de cette zone 33 un cercle de rayon 22, qui tangente les directions générales de la matrice 3 de chaque côté de cette zone 33, la zone 31 constituant un espace vide non occupé par la feuille 2.
[0026] La figure 1 B illustre le procédé selon l'invention permettant d'éviter cette espace vide et d'obtenir la géométrie souhaitée y compris au niveau de la zone 33. Pour créer une force locale complémentaire, le poinçon 1 est pourvu d'une forme additionnelle 4 dans la zone en regard de la zone 33 par l'addition d'une forme additionnelle 4, présentant dans sa partie saillante un rayon de courbure 1 1 . Dans d'autres cas, la forme additionnelle peut ne pas être arrondie mais au contraire anguleuse, voisin du rayon de courbure de la zone 33.
[0027] Le volume de cette forme additionnelle correspond avantageusement au volume de matière à déplacer pour obtenir le petit rayon saillant souhaité. Le profil de cette forme additionnelle est avantageusement choisi tel qu'il favorise le déplacement local de matière, en privilégiant le cisaillement et en limitant les grands déplacements de matière déformée (forme symétrique ou non symétrique, suivant l'orientation de la zone de raccordement par rapport à l'axe d'emboutissage). Pour limiter l'amincissement et les épaississements locaux excessifs du matériau en feuille, on peut éventuellement prévoir que la forme additionnelle comporte un sommet arrondi, permettant ainsi de rester en deçà des limites de ductilité admissibles par le matériau déformé. Les dimensions géométriques de cette forme additionnelle sont donc notamment choisies en tenant compte des paramètres suivants : nature et épaisseur de la tôle, rayon extérieur final souhaité, angles de désorientation des surfaces raccordées et de leurs positions par rapport à l'axe d'emboutissage principal. [0028] Cette forme additionnelle est réalisée de manière à résister aux fortes pressions liées au déplacement local de matière en fin d'emboutissage : elle sera obtenue par usinage et/ou gonflement métallurgique local et/ou ajustement, dans un matériau résistant, par exemple le matériau de base de l'outil et/ou un insert rapporté et/ou un rechargement local et/ou un traitement superficiel augmentant la ténacité de cette partie d'outil. La lubrification sera éventuellement adaptée pour favoriser le déplacement local de matériau déformé et prévenir de l'apparition d'éventuels grippages sur l'outil et/ou usure prématurée.
[oo29] Comme le montre la figure 1 C, lors de la fin de la phase d'emboutissage, cette forme additionnelle 4 exerce une force qui plaque la feuille 2 sur la matrice 3, également dans la zone 33.
[oo3o] Le déplacement local de la matière en fin de course d'emboutissage nécessite une énergie supérieure à celle requise en emboutissage classique, sans atteindre les niveaux requis en estampage local (à titre indicatif, suivant la nature du matériau embouti, la puissance par longueur de raccordement à rayon nul estampé est multipliée par 3 à 8 par rapport à la puissance nécessaire en emboutissage classique) : la conception de l'outil devra cependant prendre en compte cette puissance supplémentaire (épaisseur des toiles d'outils, épaisseurs et positionnement des nervures d'outil, éventuelle anticipation des déformées sous effort) ; d'autre part, la presse d'emboutissage devra disposer de la puissance nécessaire en fin de course.
[0031 ] L'invention apporte une deuxième amélioration pour la pièce réalisée : sa géométrie est plus précise qu'en emboutissage classique, car les distorsions dues au phénomène de retour élastique sont réduites. En effet, la forme additionnelle réalise un déplacement local de matière en fin de course d'emboutissage, qui augmente la déformation plastique de la zone considérée. Le retour élastique après emboutissage de la zone de raccordement est moins important qu'en emboutissage classique (ouverture ou fermeture locale de 1 à 2 degrés, réduits au minimum de moitié grâce à la plastification locale supplémentaire).
[0032] Les figures 2A, 2B et 2C présentent des exemples de géométries possibles pour la forme additionnelle. On peut ainsi avoir comme dans le cas de la figure 2A une forme arrondie dans sa partie saillante raccordée en pente douce au poinçon. Dans la variante de la figure 2B, la forme additionnelle présente un rayon plus petit de sorte qu'elle forme une sphère en saillie du reste du poinçon. Enfin dans la figure 3B, la section de la forme additionnelle est constituée par un secteur de cercle, raccordé au poinçon avec des pans coupés. Le choix du type de géométrie de la forme additionnelle sera normalement effectué suivant des critères liés à la technique de réalisation et de mise au point de l'outillage. On notera que dans les exemples présentés, le sommet de la forme de la forme additionnelle est arrondi, sans que cela soit un impératif : c'est l'aptitude de la géométrie de forme additionnelle à appliquer la force générant le déplacement local de matière à l'extérieur, en privilégiant le cisaillement et en limitant les grands déplacements de matière déformée, qui reste prépondérant.
[0033] Dans une variante tout particulièrement préférée présentée dans les figures 3A et 3B, la forme additionnelle 4 n'est pas solidaire de l'outil porteur (poinçon 1 sur la figure ou matrice ou lame ou contre-forme mobile), mais mobile par rapport à l'outil porteur 1 , ladite forme additionnelle mobile 4 étant actionnée un dispositif mécanique, hydraulique ou pneumatique.
[0034] Ainsi, il devient possible de déplacer la forme additionnelle 4 selon une direction différente de la direction de déplacement de l'outil porteur (poinçon 1 sur la figure ou matrice ou lame ou contre-forme mobile) et/ou de la direction générale de fermeture de l'outil d'emboutissage, et notamment de façon préférée suivant une direction du déplacement proches des bissectrices des deux zones désorientées concernées par le raccordement.
[0035] De préférence encore, cette forme additionnelle mobile 4 sera déplacée entre une position reculée (figure 3A), utilisée pendant l'emboutissage de la forme générale de la pièce, et une position saillante (figure 3B), atteinte après la fermeture générale de la presse. En outre, la vitesse de déplacement de cette forme additionnelle mobile pourra être avantageusement supérieure à la vitesse moyenne de l'outil porteur et/ou du coulisseau principal de la presse (fonctionnement en dynamique)

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de mise en forme d'une feuille (2) d'épaisseur constante par emboutissage, caractérisé en ce qu'en fin de course d'emboutissage, on réalise sur une face extérieure de la feuille un raccordement d'un faible rayon en appliquant localement, sur la face intérieure de la feuille (2), une force contraignant la matière de la feuille emboutie à un plaquage côté extérieur.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisée en ce que la force contraignant la matière de la feuille emboutie à se plaquer au niveau du raccordement de faible rayon sur sa face extérieure est appliquée selon une direction différente de la direction principale d'emboutissage.
3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que la force contraignant la matière de la feuille emboutie à se plaquer au niveau du raccordement de faible rayon sur sa face extérieure est appliquée à une vitesse supérieure à la vitesse de fermeture de la presse d'emboutissage en fin de course d'emboutissage.
4. Outil d'emboutissage pour la mise en œuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'il comporte, du côté en contact avec la face intérieure de la feuille, une forme additionnelle (4).
5. Outil d'emboutissage selon la revendication 4, caractérisé en ce que le volume de ladite forme additionnelle (4) est sensiblement égal au volume de matière à déplacer pour obtenir le rayon de raccordement souhaité.
6. Outil d'emboutissage selon la revendication 5, caractérisé en ce que la géométrie de la forme additionnelle (4) est telle qu'elle permet de compenser l'amincissement local de la feuille et de contrer les contraintes dues à la conservation de volume.
7. Outil d'emboutissage selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la forme additionnelle (4) comporte en son sommet une partie cylindrique.
8. Outil d'emboutissage selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que la forme additionnelle (4) est intégrée à un outil porteur, choisi parmi un poinçon, une matrice ou un organe mobile de l'outil d'emboutissage, de type lame ou contre-forme.
9. Outil d'emboutissage selon la revendication selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que la forme additionnelle (4) est mobile par rapport à un outil porteur choisi parmi un poinçon, une matrice ou un organe mobile de l'outil d'emboutissage, de type lame ou contre-forme.
10. Outil d'emboutissage selon la revendication 9, caractérisée en ce que la forme additionnelle (4) peut être déplacée entre une position reculée, utilisée pendant l'emboutissage de la forme générale de la pièce, et une position saillante utilisée en fin de course d'emboutissage.
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