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découpées-
pliées et traitées thermiquement
SEMINAIRE BODYCOTE L’AIR LIQUIDE
18 et 19 octobre 2012
Mécanismes et paramètres Mécanismes et paramètres
influents dans la déformation des pièces découpées-pliées et traitées
thermiquement
André MAILLARD et Marc BUVRON
découpées-
pliées et traitées thermiquement
Pièces mise en forme sous presse et traitées thermiquement
Comment obtenir une meilleure maitrise géométrique des
pièces mises en forme sous presse et traitées thermiquement ?
Besoin de maitrise géométrique
pièces mises en forme sous presse et traitées thermiquement ?
Anticiper et réduire les problèmes de :
• déformations des pièces (changements de forme et / ou de volume),
• non respect des tolérances.
découpées-
pliées et traitées thermiquement
Différentes réponses :
1. Fournir une solution à tous les problèmes de déformations : il y a un trop grand nombre de cas !
Problème des déformations des pièces mises en forme et traitées thermiquement
a un trop grand nombre de cas !
1. Développer des connaissances permettant de faciliter le
dialogue entre spécialistes de métiers différents pour qu’ils
puissent discuter utilement ensemble.
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pliées et traitées thermiquement
Connaissances pour aider à faire comprendre, aux différents intervenants dans le processus de fabrication, les particularités du métier qu’il ne connaît pas, ou peu, pour pouvoir développer des actions d’amélioration concertées de la fabrication des pièces.
entre Découpeurs-emboutisseurs et Traiteurs à façon
la fabrication des pièces.
Domaine restreint aux pièces en aciers au carbone ou
faiblement alliés ; plates pliées ou embouties sur presses
obtenues par tous types de procédés de mise en forme et
dont les propriétés mécaniques sont acquises par les
traitements thermiques ou thermochimiques.
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forme sous presse et destinées au traitement thermique
Metalis
Metalis
Loupot
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pliées et traitées thermiquement
Causes des déformations : paramètres multiples
Tolérances géométriques des pièces : importance, analyse Formes des pièces : pièces
ouvertes, fermées ou plates Aciers tôle : plus ou moins Aciers tôle : plus ou moins
trempables
Procédés de mise en forme : par exemple, l’importance de la
gamme
Procédés de traitements
thermiques : types et moyens Importance de la gamme de
formage
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pliées et traitées thermiquement
Notion de contraintes résiduelles
Cas des contraintes résiduelles insérées lors des opérations de mise en forme sous presse :
influence de la gamme de mise en forme
de mise en forme
Etats de contrainte dans un pli selon la gamme de
mise en forme
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Notion de contraintes résiduelles
Cas des contraintes résiduelles insérées lors de l’opération de
traitement thermique (hors changement structural ou plasticité de transformation)
Début du chauffage :
La surface se dilate avant le cœur, provoquant une mise en compression de la surface et des déformations atteignant le domaine plastique
(plastification).
Fin du chauffage :
Le cœur arrivé à température, se dilate à son tour et provoque une inversion du sens des contraintes. La plastification de
surface bloque une partie de cette inversion et produit des contraintes
résiduelles de traction.
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Mécanismes principaux à l’origine des déformations des pièces :
• Relaxation des contraintes résiduelles,
Mécanismes de déformation
• Relaxation des contraintes résiduelles,
• Fluage,
• Changements de structures,
• Plasticité de transformation.
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Relaxation des contraintes
Mécanismes de déformation
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Mesure des contraintes :
• Dans la tôle avant formage,
• Après mise en forme sous presse,
• Après traitement
Contrainte σ
L
(MPa)
Incertitude générale
Mécanismes de déformation
Mise en évidence de la relaxation des contraintes
• Après traitement thermique.
Tôle : C75S, e=1,2mm Pièce pliée
Traitement de recuit
réalisé à 600°C pendant 4 heures à l’air.
(MPa) générale
Tôle brute -35 8
Tôle brute après recuit 15 12
Echantillon mis en forme avant
recuit face intérieure -239 37
Echantillon mis en forme avant
recuit face extérieure 200 16
Echantillon mis en forme après
recuit face intérieure 22 21
Echantillon mis en forme après
recuit face extérieure 11 11
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Fluage
Le fluage apparait aux températures élevées, lorsqu’un matériau est soumis à une contrainte, inférieure ou supérieure à la limite d’élasticité. Le fluage consiste en une déformation plastique évoluant au cours du temps
Mécanismes de déformation
fluage consiste en une déformation plastique évoluant au cours du temps sans qu’il y ait nécessairement d’évolution du niveau des contraintes.
Exemples de contraintes : poids d’une pièce (traitement sur un lit de
pièces), poids de plusieurs pièces superposées (traitement sur plusieurs lits
de pièces ou en vrac),
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Importance du fluage
1 lit
Recuit sous vide à 850°C
pendant 3 h et refroidissement lent jusqu’à 350°C.
Mécanismes de déformation
Particularités des pièces en tôle
les mécanismes de fluage et de relaxation des contraintes devraient avoir,
Plusieurs lits
1 Lit variation moyenne faible de 4’38’’ en fermeture.
Plusieurs lits variation moyenne forte et inverse : 14’33’’ en ouverture.
mécanisme de fluage important dans le cas
de présentation des pièces sur plusieurs lits
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Changement de structure
Mécanismes de déformation
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Plasticité de transformation
Contrainte Ilots de
martensite (gris)
Mécanismes de déformation
Si la pièce subit une contrainte qui peut être son poids propre, le
poids des pièces au-dessus d’elle dans un panier de traitement, la
Contrainte Zones
plastifiées
dans un panier de traitement, la
pression d’un montage…, la zone
plastifiée s’oriente dans la direction
de la contrainte et une déformation
par changement de forme apparait.
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pliées et traitées
thermiquement Paramètres de mise en forme
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pliées et traitées
thermiquement Influence des paramètres de mise en forme
Paramètres Description Causes Influence*
Tôle Matière première travaillée sous presse. - Anisotropie plane.
- Contraintes résiduelles initiales.
- Défauts géométriques.
- Variations des caractéristiques géométriques et mécaniques dans la norme.
- Position de la bobine refendue par rapport à la bobine mère (centre ou
1
1 2
2
2 rapport à la bobine mère (centre ou
rive).
Dérouleur Déroulage de la bobine de tôle pour alimenter la presse.
- Contraintes résiduelles de
l’enroulage.
0-1 Redresseur Successions de pliages-dépliages pour la
mise à plat de la tôle.
- Contraintes résiduelles créées. 1
Boucle tampon
Réserve de tôle en forme de boucle avant l’amenage.
/ 0
Amenage Mécanisme permettant de réaliser une avance précise de la bande (maxi ± 0,3) entre chaque coup de presse.
/ 0
Outil Gamme de formage
Succession logique et optimisée des opérations de mise en forme.
- Absence d’un poste de conformation.
- Forts gradients de contraintes résiduelles.
3
3
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entre chaque coup de presse.
Outil Gamme de formage
Succession logique et optimisée des opérations de mise en forme.
- Absence d’un poste de conformation.
- Forts gradients de contraintes résiduelles.
3 3 Découpage Opération mécanique
(cisaillement) dont l’objet est de séparer la matière.
- Ecrouissage du bord découpé.
- Déformation de la pièce (galbe).
- Bavure.
1 2 0-1 Pliage Opération de formage
limitant les
déformations au rayon
- Fort gradient de contraintes résiduelles.
- Rayon et angle de pliage
3 2
Influence des paramètres de mise en forme
déformations au rayon de pliage et dont la ligne de pliage est rectiligne.
- Rayon et angle de pliage
- Ecart de précision dimensionnelle après formage.
2 1-2
Emboutissage Opération de formage concernant des formes de pièce « non développables » et provoquant des déformations sur des surfaces (contrairement au pliage).
- Fort gradient de contraintes résiduelles sur des formes fermées.
- Fort gradient de contraintes résiduelles sur des formes ouvertes.
- Amincissements/épaississements ?
0-1 3 1
Frappes/
Conformations
Réduction d’épaisseur par écrasement entre 2 parties d’outil.
- Contraintes résiduelles créées. 1-2
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au pliage).
Frappes/
Conformations
Réduction d’épaisseur par écrasement entre 2 parties d’outil.
- Contraintes résiduelles créées. 1-2
Presse Machine permettant d’actionner l’outil, de fournir les efforts nécessaires à la réalisation des opérations de formage et de travailler à la cadence de production
- Rigidité de la presse et/ou guidage insuffisants.
- Réglages Point mort bas.
1 2
Influence des paramètres de mise en forme
de travailler à la cadence de production visée.
Lubrification / revêtement
Huile déposée sur la tôle et destinée à gérer les frottements entre la tôle et l’outil.
- Déformations.
- Grippage.
- Usure.
2 3 2 Maintenance
curative ou préventive
Dégradation, normalement lente, de l’outil du fait des contacts répétés entre la tôle et l’outil.
- Arrondi des rayons d’outil.
- Augmentation des jeux poinçon- matrice.
2
2
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pliées et traitées thermiquement
Paramètres de Traitement
thermique
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Influence des paramètres de traitement thermique
Paramètres Description Causes Influence
Chauffage Apparition de contraintes résiduelles d’origine thermique
Vitesse de chauffage trop élevée 1 Relaxation des contraintes
résiduelles d’origine mécanique
Contraintes issues de la matière initiale et de la mise en forme
3 Changement de volume de la pièce Transformation ferrite-perlite en austénite 0 Austénitisation Poursuite de la relaxation des
contraintes résiduelles
Contraintes issues de la matière et de la mise en forme et contraintes issues du chauffage
0-1 contraintes résiduelles forme et contraintes issues du chauffage
Changement de volume de la pièce Poursuite de la transformation ferrite-perlite en austénite
0 Changement de forme de la pièce Fluage à haute température d’autant plus important
que le rapport longueur/épaisseur est important.
Fonction des paramètres de traitement (durée, température, positionnement)
2-3
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Paramètres Description Causes Influence
Refroidissement Apparition de contraintes résiduelles d’origine thermique
Refroidissement rapide fonction du milieu de refroidissement
2-3
Changement de forme de pièce
Plasticité de transformation austénite en martensite 3 Refroidissement hétérogène
Fonction de la forme et du positionnement des pièces
1-2 Changement de volume de pièce Transformation austénite en martensite 2
Influence des paramètres de traitement thermique
Changement de volume de pièce Transformation austénite en martensite 2 Revenu Apparition lors du revenu de
contraintes résiduelles d’origine thermique
Chauffage ou refroidissement rapide 0
Relaxation des contraintes résiduelles
Contraintes résiduelles formées lors de la trempe Contraintes résiduelles d’origine thermique apparues
lors de la montée à température du revenu
2 0-1 Changement de volume Transformation progressive de la martensite en
structure de revenu
1
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Démarche de résolution de problème
Méthode d’analyse des causes (factuel)
FICHE DEFAUT
Nom du défaut Nom de la pièce Réf.1 Réf.2 Réf.3 Cote 6,10 non
conforme
Lame ressort 9486982
Description de la pièce
Type de pièce Fonction ressort
Type de forme Pliage simple Dimensions de la
pièce
78 x 27 x 14 mm
Matière Type de matière C75S Epaisseur (mm) 1,2
Process presse Presse Automatique
Type d’outil A suivre
Cadence / Série 30000p/mois
Mise en bande / Mode opératoire Moyens de détection
après traitement thermique.
Passage sur gabarit de type OK/NOK
Remarques
Défaut persistant, malgré une 1
èremesure de réduction des tolérances de la gamme de contrôle, d’un facteur 2, en sortie de presse.
Causes Solutions envisageables Solutions
retenues
Plan pièce : Tolérances du plan trop serrées.
Des réserves avaient été émises lors de l’analyse fonctionnelle, à l’étape du devis.
Voir avec le client la possibilité d’élargissement des tolérances. Connaître, avant ça, la dispersion actuelle sur les pièces.
Process traitement thermique
Four Four continu à tapis
Type de TTH (trempe-revenu)
Trempe bainitique.
Transport pièce (tapis rangé ou vrac, panier, …)
Les pièces sont disposées en vrac pour former plusieurs couches de pièces sur une épaisseur totale de 30mm.
Gamme de TTH /
Classification du Défaut pièce Type de défaut Géométrique défaut
Apparence / Description
La cote H, de valeur nominale de la patte, égale à 6,10mm, peut être trop forte ou trop faible et dépasser les tolérances du plan pièce. Dans ce type de défaut, la patte reste plate.
Matière tôle. Dispersion des caractéristiques de la matière de la tôle : caractéristiques
géométriques (épaisseur, Ra), caractéristiques mécaniques (Rm, Re, A), structure métallurgique, composition chimique.
Process de formage sous presse :
-
Usure du rayon d’attaque au pliage.
-
Variation de la lubrification changeant la répartition des déformations au pliage.
-
Pénétration variable du poinçon de pliage :
.
préparation de l’outil : calages d’outil ayant variés, jeux mal respectés, …
.réglage sur presse : pliage en l’air ou à
la frappe.
-
Incidents en cours de fabrication : changement de réglages, problème de
Si cette cause est validée, une solution pourrait être de restreindre le cahier des charges ou de
privilégier une source unique d’approvisionnement.
Rechercher les causes les plus probables, au sens du métier de la mise en forme, en intégrant les facteurs influents pour le traitement thermique comme, la façon de plastifier dans le pli, la constance de cette plastification au cours de la fabrication.
Maintenir la géométrie de l’outillage aux cotes initiales.
Etablir une procédure de maintenance préventive.
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Démarche de résolution de problème
Analyse statistique
Approche d’analyse des
causes des écarts de
géométrie des pièces :
basée sur la norme NF
X06-037 de décembre
X06-037 de décembre
2008.
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pliées et traitées thermiquement
Recommandations pour aider à la maitrise des déformations
Matière initiale : lotir autant que possible, homogénéité, trempabilité, sens de laminage, taille des grains, …
Conception : symétriser, éviter les entailles, rigidifier, fractionner en plusieurs pièces, fermer les formes, essais de faisabilité, …
Mise en forme : gamme réduisant les contraintes résiduelles, stabilité des paramètres (réglage, usure, lubrifiant), faire un faux, réglage par lots matière, …
Traitement thermique : température et temps de maintien limités, optimiser le milieu de trempe, favoriser les faibles gradients
thermiques, adapter le placement des pièces, ajuster la gamme de
TTH, …
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