Mise en forme d’un ‘U’ et retour élastique _______________________ VI-1

VI. Mise en forme d’un ‘U’ et retour élastique _______________________ VI-1

VI.A. Mise en forme d’un ‘U’ par emboutissage _________________________ VI-2

VI.A.1. Le processus traditionnel d’emboutissage _______________________________ VI-2 VI.A.2. Inconvénients liés au procédé _________________________________________ VI-3 VI.A.3. Protocoles de mise en forme par emboutissage au LaMCoS _________________ VI-3

VI.B. Résultats expérimentaux ______________________________________ VI-11

VI.B.1. Contexte ________________________________________________________ VI-11 VI.B.2. Retour élastique __________________________________________________ VI-11 VI.B.3. Formes des emboutis non laminés après retour élastique __________________ VI-11 VI.B.4. Formes des emboutis laminés après retour élastique _____________________ VI-13 VI.B.5. Efforts développés pendant la mise en forme ____________________________ VI-14

VI.C. Résultats numériques ________________________________________ VI-15

VI.C.1. Forme du ‘U’ de Numisheet 93 _______________________________________ VI-15 VI.C.2. Forme ‘U 2010’ ___________________________________________________ VI-19 VI.C.3. Forme ‘U rouleau’ _________________________________________________ VI-22

VI.D. Comparaison des résultats ____________________________________ VI-29

VI.D.1. Résultats des expériences __________________________________________ VI-29 VI.D.2. Remarques sur les résultats numériques _______________________________ VI-30 VI.D.3. Comparaison des efforts de mise en forme _____________________________ VI-32

Vu la concurrence entre les constructeurs à qui importent énormément les aspects confidentiels de leurs pièces industrielles afin d’innover et d’être à même de rester compétitifs, il est difficile aux chercheurs de disposer des données industrielles réelles relatives à la mise en forme des « produits» provenant de ces constructeurs.

Afin de valider de manière expérimentale les solides-coques SB8γ24, SB9γ25, SB8DK24 et SB9DK25 formulés dans ce document pour la simulation des mises en forme avec un amincissement voulu de l’épaisseur des structures plates et minces, deux dispositifs pour emboutir sans et avec laminage, propriétés de LaMCoS, vont permettre d’avoir des résultats expérimentaux auxquels seront confrontés les résultats numériques fournis par les codes où sont implémentés ces éléments de type solide coque SB8γ24, SB9γ25, SB8DK24 et SB9DK25.

Cette comparaison, entre les résultats expérimentaux et numériques des formes obtenues par emboutissage (et des efforts développés) – avec et sans laminage – après le retour élastique, va permettre de valider définitivement ces éléments solides-coques si une similarité entre ces résultats est constatée.

Il n’est pas fortuit de présenter au préalable les dispositifs utiles aux opérations de mises en forme par l’emboutissage avant de procéder à l’analyse des résultats.

VI.A. Mise en forme d’un ‘U’ par emboutissage

VI.A.1. Le processus traditionnel d’emboutissage

Ce principe est fondé sur la déformation plastique à froid d’un produit initial plat (tôle) pour obtenir la forme souhaitée. L’emboutissage se pratique à l’aide de presses à emboutir de forte puissance munies d’outillages spéciaux qui comportent générale-ment trois pièces :

• une matrice, en creux, épouse la forme extérieure de la pièce

• un poinçon, en relief, épouse sa forme intérieure en préservant l’épaisseur de la tôle

• un serre-flan entoure le poinçon, s’applique contre le pourtour de la matrice et maintient la tôle pendant le processus créant aussi des efforts de retenue. L’opération d’emboutissage classique se fait en 4 phases comme indiquées sur la figure V-1 ci-après :

• Phase 1 : poinçon et serre flan sont relevés. La tôle, généralement lubrifiée, est posée sur la matrice.

• Phase 2 : le serre flan est descendu et vient appliquer une pression bien déterminée, afin de maintenir la tôle.

• Phase 3 : le poinçon descend et déforme la tôle de façon plastique en l’appliquant éventuellement contre le fond de la matrice.

• Phase 4 : le poinçon et le serre flan se relèvent ; la pièce conserve la forme acquise (limite d’élasticité dépassée) au retour élastique près.

Phase 1 Phase 2 Phase 3 Phase 4 Figure VI-1 Les quatre phases d’une opération d’emboutissage classique VI.A.2. Inconvénients liés au procédé

Un tel procédé nécessite de prendre des précautions et pose certains problèmes techniques :

• L’entrée de la matrice doit être très arrondie et polie pour éviter toute déchirure du métal et pour optimiser le comportement des zones de rétreint ; aucun angle ne doit être vif et un parfait état de surface est primordial : la mise au point de tels outils est une opération très spécialisée et très coûteuse notamment pour les pièces d'aspect.

• Une étude de retour élastique peut être nécessaire pour s’assurer de la possibilité d'assemblage final.

• Les opérations d'emboutissage posent de gros problèmes de frottement, d'usure et de lubrification.

VI.A.3. Protocoles de mise en forme par emboutissage au LaMCoS VI.A.3.a) Ancien montage

Depuis presque deux décennies, les opérations d’emboutissage ‘simples’ ainsi que d’autres opérations de mises en forme comme le pliage, le sertissage sont effectuées au laboratoire LaMCoS sur le dispositif expérimental [3] monté sur la machine de traction-compression SCHENK 250 KN (voir figure VI-2 ci-après).

L’outillage d’emboutissage, monté sur la machine de traction-compression, est composé :

• d’un poinçon solidaire du mors supérieur mobile de la machine de traction ;

• de deux blocs matrices mobiles sur le plateau du banc afin de permettre un jeu poinçon matrice variable ;

• de quatre plateaux matrices appairées supportant des rayons d’entrée matrice de 2, 4, 10 et 15 mm ;

• de deux serre-flans positionnés par des cales de surépaisseur et bloqués géométriquement par des écrous inférieurs et supérieurs. Ils n’exercent pas de pression sur la tôle ;

• d’une barrette de serrage sur un des serre-flans, qui peut être abaissée et bloquer le flan contre la matrice ;

Grâce à ce dispositif, plusieurs campagnes d’expériences ont été menées pour l’analyse d’emboutissage et de retour élastique sur divers matériaux dont celles menées pour la thèse [2].

En définissant le paramètre « jeu sur épaisseur » comme le rapport du jeu entre le poinçon et la matrice par l’épaisseur de l’éprouvette, les conclusions tirées de [2] stipulent que plus le rapport jeu sur épaisseur est grand, plus prononcé est le retour élastique décrit par un rayon résiduel sur le mur de l’éprouvette après l’emboutissage (voir figure VI-3 ci-après, à droite).

(1) Influence du «jeu sur épaisseur» sur le rayon de courbure résiduel

Pour connaître les rayons de courbure résiduels Rres, on identifie sur l’embouti trois zones présentant une histoire de déformation différente après avoir noté que Rm est le rayon d’entrée matrice, Rp est le rayon du poinçon et e l’épaisseur de l’éprouvette (figure V-3, à gauche) :

• La zone 1 est pliée à Rm + e/2

• La zone 2 est pliée à Rm + e/2 puis dépliée à l’infini • La zone 3 est pliée à Rp + e/2

Des mesures sont faites avec une machine tridimensionnelle (une méthode parmi d’autres) sur la seconde zone de l’embouti après le retour élastique. Une autre méthode consiste à numériser le profil de la pièce à l’aide d’un scanner et à mesurer le rayon de courbure à l’aide d’un logiciel CAO. Cette deuxième méthode sera utilisée pour évaluer l’influence du laminage sur le retour élastique dans le cas de notre étude (paragraphe V.B suivant).

Caméra

Matrices Poinçon

Miroir

Figure VI-2 Montage de l’outillage sur la machine de traction Serre-flan

Figure VI-3 Zones de mêmes histoires de déformation et rayons résiduels des murs

(2) Phénomène de rebond et rayon d’entrée matrice

Avec ce montage (figure VI-2), d’autres phénomènes influencent le retour élastique. On peut citer entre autres le phénomène de rebond dont il faut gérer le ‘rayon de rebond’ (voir figure VI-4).

Le retour élastique diminue pour des petits rayons d’entrée matrice [7] à cause du phénomène de rebond (figure VI-3 et VI-4). La tôle ne suit pas exactement la géométrie de l’entrée matrice car la déviation géométrique occasionnée est non négligeable devant la valeur du rayon. Pour les pliages sur les grands rayons, cette déviation devient négligeable et la tôle suit correctement l’outillage.

La figure VI-4 ci-après montre la formation d’un rayon de ‘rebond’ qui ne peut être mesuré avec précision mais dont l’estimation permet de dire qu’il est d’autant plus petit que le jeu sur épaisseur est faible. Cette courbure, inverse de celle du rayon matrice, diminue le retour élastique.

Dans [4] ont été évoquées les limites de ce dispositif expérimental (figure VI-4). Cet appareil n’a pas été conçu pour supporter des fortes charges comme lors de l’emboutissage avec laminage par exemple. Pour des jeux supérieurs à l’épaisseur, il n’y a pas de problème mais dès que ce paramètre doit être diminué pour assurer un emboutissage avec laminage alors les problèmes surgissent telle l’inadéquation du dispositif de serrage de la matrice sur les mors de la machine de traction. Il y a des risques de translation des parties de la matrice lors des opérations avec laminage.

Rayon de rebond

rebond

Et comme les résultats donnés par les éléments finis élaborés dans ce document doivent être confirmés ou infirmés par des résultats issus des expériences d’emboutissage avec laminage (jeu poinçon-matrice inférieur à l’épaisseur de la tôle), il n’est pas indiqué d’utiliser l’appareil d’emboutissage décrit précédemment à cause des mouvements de translation dus aux glissements et au manque de rigidité [4].

Un nouveau dispositif a été conçu et fabriqué en 2010 [1] dans le but d’opérer des mises en forme qu’on voudrait accompagnées de la diminution d’épaisseur. En outre, il est prévu pour s’affranchir du coefficient de frottement difficile à quantifier. Cet appareillage, indiqué pour l’emboutissage avec laminage, est décrit ci-après.