Aspects technologiques

La d´ecoupe par poin¸connage est un proc´ed´e de fabrication tr`es largement employ´e dans l’industrie. Il permet en effet d’obtenir des pi`eces de formes tr`es ´elabor´ees en un nombre de passes tr`es r´eduit. Ceci est particuli`erement vrai pour les grandes s´eries dans les domaines de la construction automobile, du g´enie ´electrique et de l’´electro-nique. Ces techniques permettent ´egalement lorsqu’elles sont associ´ees avec des tech-niques de soudure ou collage de fabriquer des ensembles composites, multimat´eriaux propices au gain de poids et `a l’´economie de mat´eriau on´ereux [Pallett and Lark,

2.2.1.1 Evolution des technologies^´

Le terme de d´ecoupe d´esigne le cisaillement d’une tˆole par une lame, en g´en´eral pour une g´eom´etrie droite. La tˆole est maintenue par un serre-flanc sur une table dont le bord est aiguis´e. Cet ensemble est aussi appel´e guillotine, cf figure 2.1.

Figure 2.1 – Sch´ema d’outillage de guillotinage

Le poin¸connage d´esigne la d´ecoupe de formes plus ou moins complexes dans une tˆole, la partie utile pouvant ˆetre soit la tˆole, soit la chute. L’outil est compos´e d’un poin¸con et d’une matrice sur laquelle repose la tˆole. Suivant le type d’outillage, il existe ou non des syst`emes de serre-flanc, cf figure 2.2(a). Ces dispositifs de d´ecou-page sont mont´es en g´en´eral sur des presses hydrauliques dimensionn´ees en fonction des efforts `a d´evelopper pour d´ecouper la pi`ece et des cadences de production.

Au cours des ann´ees 70 les qualit´es de d´ecoupe ont ´et´e am´elior´ees par la m´ethode dite de d´ecoupage fin, qui utilise en plus du serre-flanc des dents, appel´ees joncs de retenue, pour retenir la tˆole dans le montage, cf figure 2.2(b). Pour ´eviter le bomb´e excessif de la partie d´ecoup´ee, on utilise des contre-poin¸cons qui accompagnent celle-ci au cours de la descente du poin¸con en exer¸cant un effort, g´en´eralement par l’in-term´ediaire de ressorts.

2.2.1.2 Qualit´e de la d´ecoupe

Le crit`ere principal pour qualifier la qualit´e d’une d´ecoupe r´eside dans le respect ou non de la g´eom´etrie attendue. On distingue ainsi plusieurs zones caract´eristiques (voir figure2.3) :

– la bavure doit ˆetre la plus r´eduite possible, par exemple pour pouvoir empiler des pi`eces correctement ;

– la zone cisaill´ee lisse doit ˆetre la plus ´etendue possible, pour respecter la g´eo-m´etrie attendue, par exemple le diam`etre d’un trou pour un poin¸connage cir-culaire ;

– le rayon de d´ecoupe et la zone arrach´ee doivent ˆetre r´eduits pour ne pas fragi-liser les pi`eces.

FACE 1 FACE 2 POINCON SERRE-FLANC MATRICE TOLE

(a) Poin¸connage standard

POINCON SERRE-FLANC MATRICE TOLE CONTRE-POINCON JONC DE RETENUE (b) Poin¸connage fin

Figure 2.2 – Sch´emas d’outillages de poin¸connage (le poin¸con est entraˆın´e par une presse et le contre-poin¸con g´en´eralement par des ressorts - non repr´esent´es)

Bavure Epaisseur

Rayon de découpe Zone lisse Partie arrachée

Figure 2.3 – Sch´ema d’un bord de d´ecoupe

Outre ces consid´erations g´eom´etriques, la qualit´e de la d´ecoupe de tˆoles aura des cons´equences sur leur comportement ult´erieur : ainsi la dur´ee de vie en fatigue d’une pi`ece d´ecoup´ee d´epend des param`etres de d´ecoupe [Cervenka et al., 1990]. Dans le cas des tˆoles magn´etiques les caract´eristiques magn´etiques sont ´egalement affect´ees [Ossart et al., 2000].

De nombreuses ´etudes syst´ematiques ont ´et´e men´ees dans les ann´ees 50 puis au cours des ann´ees 70 lors de l’apparition du d´ecoupage fin, afin de d´egager l’influence des mat´eriaux usin´es, de la g´eom´etrie de l’ensemble poin¸con-matrice et du frottement dans le serre-flanc sur les formes de d´ecoupe obtenues [Chabenat and Martin,1978].

2.2.2 Etude de l’effort de d´^´ ecoupe

Les auteurs se sont d’abord focalis´es sur l’´evolution de l’effort en cours de d´ecou-page. C’est en effet l’effort maximal atteint au cours de l’op´eration qui va permettre de dimensionner la presse sur laquelle est mont´ee le poin¸con. C’est ´egalement

l’´evo-lution de la courbe effort-d´eplacement avec l’usure de l’outillage qui peut qualifier la qualit´e de la d´ecoupe en temps r´eel.

2.2.2.1 Analyses exp´erimentales

On peut corr´eler les diff´erentes phases de la courbe effort-d´eplacement avec la progression de la d´ecoupe (voir paragraphe 2.5.1 et figure 2.13). Cette courbe varie consid´erablement en fonction du mat´eriau d´ecoup´e, des jeux et de l’usure des outils [Maillard,1991] [Samuel,1998] (voir figure 2.4). L’usure a pour effet d’augmenter le jeu entre poin¸con et matrice, ce qui diminue l’effort maximal en cours de d´ecoupe et retarde la rupture finale de la pi`ece. La g´eom´etrie des outils intervient ´egalement dans le processus. L’influence des rayons de coupe du poin¸con (Rp) et de la matrice (Rd) est visible sur la courbe effort-d´eplacement, voir figure2.4. L’usure a aussi pour cons´equence d’´emousser les arˆetes des outils et d’augmenter les rayons de coupe (Rp) et (Rd).

Figure 2.4 – ´Evolution de l’effort en fonction du d´eplacement du poin¸con, pour un jeu ´egal `a 2% (figure gauche) et `a 23% (figure droite) de l’´epaisseur de la tˆole. (a) acier lamin´e `a froid, Rp=Rd=0,2mm ; (b) acier lamin´e `a froid, Rp=Rd=0,4mm ; (c) acier recuit, Rp=Rd=0,2mm ; (d) acier recuit, Rp=Rd=0,4mm ; d’apr`es [Samuel,

1998]

2.2.2.2 Etudes analytiques^´

Certains auteurs utilisent l’analyse limite afin d’estimer l’effort de poin¸connage. Pour le cas de l’indentation d’un solide plastique semi-infini de limite d’´elasticit´e 2k, par un poin¸con rigide cylindrique de diam`etre d, un premier mod`ele permet d’estimer la pression de contact moyenne par [Szczepi´nski, 1967] :

et l’effort par :

F = ^{2, 85.2k}

πd ^{. (2.2)}

Ce r´esultat utilise l’analyse propos´ee par Hill et correspond `a l’effort en d´ebut de plastification, ou en cours pour un mat´eriau plastique parfait [Hill,1950].

Il faut attendre les travaux d’Atkins [Atkins,1980] pour avoir une nouvelle esti-mation de cet effort `a partir de l’analyse de la forme de la zone cisaill´ee. La d´eforma-tion de cisaillement est suppos´ee concentr´ee dans une zone rectangulaire adjacente au bord de d´ecoupe, le reste de la tˆole ne subissant pas de d´eformation plastique. L’int´erˆet de cette m´ethode est qu’elle permet d’introduire des donn´ees caract´eris-tiques du mat´eriau d´ecoup´e et de l’outillage dans le calcul de l’effort de poin¸connage F suppos´e vertical. Celui-ci peut alors s’exprimer en fonction de la profondeur de p´en´etration du poin¸con dans la tˆole, not´ee u :

F = πd[t0− (1 − 2f)u]τ0(u/w)ⁿ. (2.3)

Dans cette expression, d repr´esente le diam`etre du poin¸con, t₀ l’´epaisseur de la tˆole d´ecoup´ee, f le coefficient de frottement entre le poin¸con et la tˆole, τ0 la limite initiale de cisaillement en contrainte, n l’exposant de la loi d’´ecrouissage et w la largeur de la bande cisaill´ee pour un poin¸con circulaire. On peut alors calculer la valeur de l’enfoncement du poin¸con pour l’effort maximal upic :

u_pic = nt₀/(1 + n)(1 − 2f). (2.4)

Enfin, en mod´elisant la zone cisaill´ee par un ensemble de poutres ind´ependantes, Zhou et al. parviennent `a introduire la propagation de la fissure dans le calcul de l’effort de cisaillement. Ce mod`ele astucieux donne des r´esultats remarquables, souvent plus corrects que de nombreux calculs par la m´ethode des ´el´ements finis [Zhou and Wierzbicki, 1996]. Cette analyse sera d´etaill´ee par la suite (paragraphe ??).

2.2.3 Etude des champs de d´^´ eformations, de contraintes et