verrous de l’emboutissage à chaud : le projet
PRICECAT
Bien que connu depuis une quarantaine d’années, l’emboutissage à chaud des aciers n’a fait l’objet de revues scientifiques que récemment et les études portent principa- lement sur la nuance 22MnB5. Les recherches se sont focalisées sur le comportement mécanique, thermique et métallurgique de cet acier et le choix des "bons" paramètres d’emboutissage pour avoir des pièces fonctionnelles et notamment à gradient de proprié- tés [Karbasian+2010;Bruschi+2014;Merklein+2015]. Comme évoqué précédemment, l’emboutissage à chaud de tôles pré-alliées (revêtement déjà déposé) se déroule en quatre étapes (figure 1.4) :
— l’austénitisation, c’est à dire la chauffe de la tôle à la température d’austénitisation (à 900◦C pendant 5 min [Merklein+2015])
— le transfert sous la presse
— l’emboutissage et la trempe qui correspondent à la mise en forme de la tôle et au refroidissement dans les outils de presse
— le découpage (détourage, poinçonnage)
Le procédé de découpage mécanique consiste à séparer en deux une tôle dans un plan orthogonal à celui de la tôle par contact avec deux outils générant le cisaillement nécessaire à sa rupture. Selon Maillard [Maillard2009], le terme découpage est général. En réalité, il regroupe plusieurs opérations qui sont définies selon Maillard [Maillard2009] par la géométrie de la forme à produire suivant qu’il s’agit d’un contour ouvert (cisaillage) ou fermé (poinçonnage). Les définitions établies par Maillard sont fournies au chapitre 2.
Figure 1.4 – Illustration du procédé de fabrication d’une pièce de structure automobile à haute résistance mécanique pour différentes variantes du détourage3
Chacune des étapes précédemment décrites fait l’objet d’un verrou technologique qui limite l’emboutissage à chaud à la fabrication de pièces de géométries "simples" et aux véhicules haut de gamme. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du contrat PRocédé Industriel Compact d’Emboutissage des Aciers Trempant porté par ArcelorMittal, intégré au programme MATériaux et PROcédés (2013) et financée par l’Agence Nationale de la Recherche qui vise à lever ces verrous (référence du projet : ANR-13-RMNP-0009). Les
acteurs du projet sont issus du monde industriel (ArcelorMittal, SREM technologies et SMP) et du monde académique (IRDL de l’Université de Bretagne Sud à Lorient et ARMINES-ICA à Albi).
La pièce industrielle de structure étudiée dans ce projet est un montant de baie. C’est une pièce de structure reliant l’avant du véhicule au pied milieu, encadrant le haut de la portière (figure 1.5).
Montant de baie
Figure 1.5 – Structure d’un véhicule de tourisme. Orange : pièces obtenues par
emboutissage à chaud d’USIBOR ®et de DUCTIBOR ®4
1.3.1 Premier verrou : optimisation de la chauffe du flan
Actuellement, l’étape d’austénitisation est réalisée par des fours en ligne de 30 m à 40 m de long ce qui représente un coût d’investissement important et limite le temps d’opération. En effet, la tôle est portée à la température AC3 pendant 5 min [Karbasian+2010]. Lepremier lot du projet (réalisé par l’IRDL et SREM technologies) consiste à développer une solution de chauffe rapide par l’utilisation de l’effet Joule et optimiser la chauffe du flan.
1.3.2 Second verrou : validation des cycles
thermomécaniques subis par la pièce
En ce qui concerne la mise en forme et la trempe, la difficulté réside dans la prédiction de la métallurgie finale de la pièce quant aux niveaux de déformations liées aux vitesses de refroidissement. Le second lot (réalisé par l’IRDL et ArcelorMittal) a pour but de valider expérimentalement, par des essais thermo-mécaniques, la prédiction de la métallurgie dans des zones critiques d’un point de vue des déformations du montant de baie faite à partir d’une simulation de sa mise en forme sur un logiciel éléments finis "métier".
1.3.3 Troisième verrou : compréhension des mécanismes
de dégradation des lames de découpage à chaud
L’objet du troisième lot (réalisé par ARMINES-ICA et SMP) et de cette thèse est la compréhension des mécanismes de dégradation des lames de découpage à chaud. Après la mise en forme, la pièce doit être détourée pour lui donner sa forme finale (figure 1.4).La figure 1.6 présente les méthodes de découpage possibles pour détourer une pièce emboutie à chaud.
L’approche industrielle historique consistait à découper la tôle à température ambiante après l’emboutissage (figure 1.6.A). Néanmoins, la martensite formée après trempe conférant à la tôle une très haute résistance mécanique (pour le 22MnB5 de 1500 MPa selon Karbasian [Karbasian+2010]) génère des efforts de découpe importants et use de manière prématurée les lames de découpe. De plus, dans le cadre du découpage à froid, l’intégration d’une étape d’encochage ou d’ajourage entre deux étapes d’emboutissage permettait d’améliorer la formabilité de la pièce.
Actuellement, les découpages après trempe sont réalisés grâce à un laser qui fait fondre la tôle de manière localisée en se déplaçant sur le pourtour de la pièce (figure 1.6.B). Donc, le temps de découpe est lié au périmètre de la pièce et ne permet pas d’avoir des temps de production compatibles avec la production de véhicules d’entrée et de moyenne gamme [Agence Nationale de la Recherche].
Un brevet datant de 2009 déposé par Hielscher de Benteler Automobiltechnik GMBH [Hielscher2009] propose d’intégrer aux presses d’emboutissage à chaud une fonction de découpage mécanique avant la fin de la trempe sous presse (figure1.6.C). C’est à dire intégrer une découpe à chaud de la tôle : c’est l’opération étudiée dans cette thèse.Elle s’intéresse principalement aux opérations de découpage de géométries aux contours ouverts comme le cisaillage ou l’encochage.
Ancienne solution Solution actuelle
Découpage mécanique à froid
Découpage laser Découpage mécanique
à chaud Cette thèse
A B C
Figure 1.6 – Méthodes de découpage pour détourer une pièce emboutie à chaud. (A) Découpage mécanique à froid. (B) Découpage laser. (C) Découpage à chaud
1.3.4 Quatrième verrou : conception d’un outil
multi-étapes
La mise en forme des pièces aux formes complexes, ne peut se faire en une seule étape. Le développement de lignes de presses ayant plusieurs postes (dit outils à suivre) est donc nécessaire. Le quatrième lot (réalisé par SMP et ArcelorMittal) vise donc à développer numériquement un démonstrateur intégrant les étapes de chauffe, d’emboutissage, de découpe mécanique à chaud et de trempe permettant de former le montant de baie.