Brevet FR2060428A1 — publié le 19710618

Dans l'étirage et l'emboutissage des corps cylindriques à parois minces, tels que des conteneurs sans soudure en acier, on a recherché des procédés de réalisation de parois minces, comportant un nombre d'étapes de formage plus réduites, et avec des rendements de production accrus. 5 La déformation plastique obtenue dans ce genre de processus de travail du métal est limitée par deux facteurs : la fissuration et l'instabilité, du fait de changements des conditions de frottement, qui sont bien connus des spécialistes. Ces limitations peuvent être largement dépassées par le procédé de l'invention. 10 La présente invention réalise un dispositif de fabrication, de conteneurs étirés et emboutis selon un principe de frottement différentiel, afin d'obtenir de grands amincissements avec un nombre plus réduit de matrices, ce qui entraîne une meilleure répartition du métal dans la paroi du conteneur. L'invention englobe de plus un matériau d'ébauche ayant un revêtement; .qui 15 assure la résistance à l'oxydation d'emmagasinage, aussi bien que le frottement différentiel dans un processus d'emboutissage. L'invention a pour objet principal une feuille d'acier à revêtements, permettant d'obtenir un maximum de réduction ou d'amincissement de parois à l'emboutissage par une matrice unique. 20 L'invention a également pour objet un procédé d'étirage et dbnboutissage de conteneurs sans soudure, à partir d'une ébauche de feuilles d'acier, ayant des revêtements superficiels métalliques, d'onctuosité, ou aptitude au glissement différente,. Ce procédé permet également d'obtenir des articles cylindriques 25 à parois minces, qui sont revêtus sur leurs deux côtés d'un revêtement métallique. Ces résultats sont obtenus à l'aide d'un substrat d'acier à revêtemente superficiel de matériau métallique dont le glissement est différent sur les deux côtés. La feuille ainsi revêtue assure les coefficients de 30 frottement différents entre les côtés poinçon et matrice du matériau d'ébauche. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, et des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une coupe longitudinale d'une partie d'un appareil utilisé pour la conformation d'articles selon l'invention ; 35 - la figure 2 est un diagramme des contraintes exercées sur un élément d'un article conformé selon l'invention ; - la figure 3 est une courbe représentant l'effet de frottement différentiel sur la réduction maximale de paroi ; et 70 32489 2 2060428 - la figure 4 est une courbe représentant l'effet de l'angle de matrice sur la réduction maximale d'épaisseur de paroi. L'étude du mécanisme de l'emboutissage de corps cylindrique à parois minces, indique qu'il existe des avantages potentiels lorsque les 5 . conditions de frottement différentiel sont réalisées. Il apparaît de manière caractéristique, que de grandes réductions par emboutissage peuvent être obtenues:avec une seule matrice. La mise au point expérimentale a conduit à des procédés pratiques d'obtention du frottement différentiel à l'emboutissage. 10 La figure 1 est un diagramme schématique indiquant les contraintes exercées dans l'emboutissage de Ta paroi d'un corps cylindrique avec un poinçon mobile 10, et une matrica fixe 11 ; un poinçdn fixe et une matrice mobile peuvent aussi donner lé même état de contraintes dans la zone de déformation, bien que du point de vue pratique, le poinçon mobile soit plus 15 avantageux. L'intervalle radial entre le poinçon et la matrice d'emboutissage est moindre que l'épaisseur du matériau Hg introduit. Sn conséquence, l'épaisseur du matériau est réduite dans son déplacement à travers la matrice. On peut admettre que la modification du diamètre moyen du corps de Dg à en conséquence de l'emboutissage de paroi, est négligeable 20 et donc que la contrainte circonférentielle ou de frettage est très réduite. On admettra donc que la déformation du matériau est produite eous des conditions de contrainte plane. La pression normale p (figure 2) est suppposée être identique. sur les deux côtés matrice et poinçon, la paroi de corps étant très minca. 25 De plus, on supposera que la contrainte longitudinale (fz et la pression normale p sont prédominantes. Ce qui suppose cependant que l'angle ou dépouille oc est petit. On supposera aussi que la contrainte de tension longitudinale fâz est uniformément répartie dans la paroi du corps. Il apparaît que la contrainte de tension longitudinale C.Z assure la réduction maximale possible 30 de parois. Le matériau pénètre dams la matrice à une vitesse VA et, après emboutissage, la quitte à la vitesse VB. Une caractéristique importante de ce processus d'emboutissage est le déplacement du poinçon relativement à la fois au matériau subissant la déformation et à la matrice d'emboutissage qui est*fixe. En conséquence, la vitesse VP du poinçon en toute section de la 35 zone de déformation abcd est supérieure à celle du matériau subissant la déformation. Lorsque l'emboutissage est terminé, le matériau et la matrice se déplacent simultanément à la même vitesse, c'est-à-dire que VB égale VP. 70 32489 3 2060428 Ainsi, une vitesse relative est réalisée sur le côté poinçon, dans le matériau déformé, et qui est en sens inverse du déplacement du poinçon, ce qui engendre une contrainte de cisaillementfp par friction, entre le matériau et le poinçon dans le sens de déplacement de celui-ci. En conséquence, 5 l'effort de frottement du à cette contrainte de cisaillementTp facilite le processus d'emboutissage, en devenant une composante négative de l'effort total d'emboutissage. L'effort de frottement abaisse ainsi certaines des contraintes de tension (PZ dans la paroi du corps, qui sont la cause de rupture. On doit souligner que, inversement, la contrainte Td de cisaillement par ; composante de l'effort du poinçorç résultant de la contrainte de cisaillement TP, augmènte par rapport à la composante de l'effort du poinçon résultant de la contrainte "Td de cisaillement. La réduction possible, par passe d'emboutissage, est limitée par 20 la résistance à la tension du matériau du côté de sortie de la matrice La réduction maximale sera atteinte quand la contrainte de tension de la paroi du corps atteint la valeur de la contrainte d'écoulement du matériau, en plan. Si la valeur de la contrainte de paroi sous tension dépasse la valeur de la contrainte d'écoulement du matériau en plan, la rupture surviendra 25 alors au début del'emboutissage. Les conditions de profilage et de frottement de la matrice ont une influence importante sur la réduction maximale de paroi. Lorsque le frottement du poinçon est supérieur à celui de la matrice, des angles de dépouille plus petits de la matrice permettent des réductions d'épaisseur de paroi. 30 La rupture survient également dans une passe d'emboutissage, après déformation partielle de la paroi latérale,étant due évidemment aux modifications de conditions de frottement, amenée par la détérioration des conditions de graissage dans le processus d'emboutissage. La rupture du film de lubrifiant semble toujours apparaître sur le côté extérieur du corps. Dans le processus 35 d'emboutissage, la déformation est plus brutale sur le côté matrice que sur le côté poinçon. De plus, le manque de lubrification apparaît survenir vers la fin de la passe d'emboutissage. On déduit de ce qui précède que le coefficient de frottement augmente avec la progression de l'emboutissage et avec un taux plus élevé du côté matrice que du côté poinçon. La technique antérieure 70 32489 4 2060428 a établi que le coefficient de frottement augmente avec l'accrois-sement de réduction de paroi et cet accroissement est vraisemblablement plus grand sur le côté matrice. Il est donc clair que ]e frottement différentiel ne reste pas constant pendant une passe d'emboutissage, et qu'à tout stade 5 donné de l'emboutissage, ce coefficient de frottement du côté matrice augmente, depuis sa valeur initiale,plus que la contrepartie du côté poinçon. Il en résulte ■ un abaissement de la réduction maximale possible de paroi et.. ainsi les fractures de paroi après emboutissage partiel. Il est également reconnu que l'épaississement progressif de paroi latérale pendant l'étirage 10 de cuvette entraîne l'accroissement de contrainte d'emboutissage dans sa progression, qui crée également les conditions entraînant la rupture, de la paroi latérale du récipient,comme indiqué plus haut. 15 l'invention, comprend un substrat d'acier, revêtu d'un placage métallique résistant à la corrosion sur un côté et ayant une onctuosité, ou glissement, qui n'est pas supérieure à celle du substrat et un placage métallique résistant à la corrosion sur une autre face, de plus grande onctuosité. Par le terme "pla.cage métallique ayant une plus haute onctuosité", on 20 désigne un revêtement métallique ayant une onctuosité sensiblement supérieure à celle du substrat d'acier. De façon générale, l'onctuosité d'un film solide ou revêtement métallique mince est fonction de sa résistance au cisaillement et de son épaisseur. Parmi les revêtements métalliques ayant une plus grande onctuosité que celle de l'acier, on peut citer l.'étain, le zinc, le cuivre,etc. 25 Les revêtements ayant une onctuosité,qui n'est pas supérieure à celle du substrat de base, et les revêtements ayant une onctuosité supérieure, peuvent être constitués par des revêtements de même métal appliqués en épaisseur différente sur le substrat d'acier, ou peuvent être constitués de métaux différents. Des essais ont été effectués sur des revêtements métalliques 30 divers, résistants à la corrosion et ductiles, de laiton, zinc, cuivre, étain, chrome-oxyde de chrome et autres. La plus.grande partie de ces .travaux d'expérimentation ont porté sur les revêtements d'étaîn du fait des grandes possibilités de ce genre de revêtement pour les récipients destinés aux aliments et aux boissons. 35 Le revêtement des deux côtés d'une feuille métallique avec des quantités égales de métal, pour obtenir la résistance à la corrosion sur ces deux côtés, et aussi pour préparer les surfaces destinées à l'émaillage, sont bien connus. Cependant, comme indiqué sur le tableau I, les quantités égales La feuille d'acier mise au point pour constituer les ébauches utilisées dans l'étirage et l'emboutissage de conteneurs sans soudure selon A 70 32489 5 2060428 ey d'étain telles que par exemple 10.- g /m des deux côtés, entraînent une réduction convenable de la paroi d'environ 36 %. La nouvelle invention permet d'attendre des réductions supérieures à 50 t». L'effet de lîépaisseur du revêtement d'étain sur des réductions de 5 paroi a été étudié avec des revêtements d'ébauche en tôle noire, d'un seul o côté, avec un placage . d'étain de 2, 5, 10, 15, 20, 27 et 36 g/m etwlran. Les ébauches ont été alors étirées et embouties pour former des corps cylindriques par des dispositifs connus, la surface de tôle noire non revêtue étant du côté poinçon. Un lubrifiant à base de savon a été amené ■ L0 dans la presse, pour atteindre le graissage voulu pendant l'emboutissage. Le film effectif de luteLfiant dans la déformation plastique doit comporter deux qualités importantes : • assurer un film de faible résistance au cisaillement afin de réduire le frottement et empêcher l'écalllage pendant la conformation. Comme L5 indiqué, plus haut, l'étain assure un revêtement de résistance faible au cisaillement,.qui facilite grandement l'obtention des conditions requises de lubrification dans le procédé d'emboutissage. Un placage sain d'étain nécessite un genre de lubrifications pendant l'emboutissage, qui évite efficacement l'écaillage. Le lubrifiant !0 à base de savon utilisé avec l'étain,et d'autres revêtements métalliques', contient jusqu'à 95 % d'eau, et permet d'éviter l'écaillage à'1':emboutissage. Ce graissage aide également à dissiper la chaleur engendrée dans l'outillage par la déformation plastique. Les résultats portés sur le tableau I indiquent qu'oie réduction de paroi atteignant 62 % est possible. Il est clair que l'accrois- !5 sement de l'épaisseur du revêtement au-dessus de 20 g/m; ne donne pas d'accroissement sensible de la réduction maximale de paroi. En conséquence, de la résistance inadéquate à la corrosion d'une surface en tôle noire, des essais ont été effectués pour établir l'importance du revêtement sur le côté poinçon d'une feuille, pour améliorer la résistance iO à la corrosion sans modifier sensiblement les conditions différentielles de frottement pendant l'emboutissage. Diverses ébauches en tôle noire ont été 2 2 enduites d'étain de manière différente, avec 5 g/m et 10 g/m environ de revêtement d'étain sur un côté, et des taux variables de revêtements d'étain sur l'autre côté comme indiqué sur le tableau I et la figure 3. Les ébauches 5 étaient alors étirées préalablement en cuvette peu profonde, et ensuite embouties dans une seule matrice par un dispositif classique, la surface de revêtements plus mince étant sur le côté poinçon. Des taux de revêtements d'étain atteignant environ 0,1 g/m sur ce côté poinçon de l'ébauche ê COPY 70 32489 6 2060428 ne modifiait pas de façon appréciable les conditions différentes de frottement pendant l'emboutissage et ainsi les réductions sensiblement pareilles de paroi étaient obtenues avec des échantillons à revêtements de 5 à 10 g/m environ. D'autres essais de taux différents de revêtements d'étain comme 5 indiqué sur le tableau I, montrent que des réductions avantageuses sont obtenues sans tenir compte de l'épaisseur du revêtement aussi longtemps que la différence d'onctuosité entre le côté matrice et le côté poinçon est sensible. L'utilisation possible du conteneur indique le taux de revêtement qui doit être utilisé tout en obtenant l'économie qui doit être 10 envisagée. Les résultats d'autres revêtements métalliques de l'étain, comprenant le zinc, le cuivre, le nickel sont indiqués également sur le tableau I. Les résultats indiquent que les effets des taux différents de revêtements réalisés avec d'autres métaux étaient sensiblement les mêmes que ceux obtenus avec 15 l'étain. Il doit être soulignéque lorsque les taux de revêments étaient les mêmes sur les deux côtés de la feuille, compte non tenu du genre de revêtement, la réduction d'épaisseur à travers aas seule matrice d'emboutissage est sensiblement moindre, que dans les essais avec différents taux de revêtements côté matrice-poinçon. 20 De plus, des essais ont été effectués sur des ébauchets enduites 2 sur un côté avec 10 g/m . „-j d'étain et de l'autre côté avec du chrome. Le .revêtement de chrome était très mince et, par exemple, de 1/10 de naa, et. du fait de la discontinuité inhérente à ce revêtement mince, un revêtement d'oxyde de chrome était ajouté pour assurer une surface continue résistant 25 à la corrosion. La surface chrcme-axyde de chrome était appliquée du côté du poinçon de l'ébauche, et coœne prévu les résultats d'essais étaient équivalents à ceux obtenus par le revêtement différentiel d'étain. Il est logique de prévoir que l'application du revêtement chrome-oxyde de chrome, en combinaison avec d'autres revêtements métalliques, tels que par exemple 30 cuivre, zinc et nickel, conduirait à des résultats similaires. L'analyse théorique des frottements différents dans l'emboutissage des corps cylindriques à parois minces, indique que des angles de dépouille plus faibles de matrice donnent ces réductions -maximales d'épaisseur de paroi. Avec les angles de dépouille plus faibles, la surface sur laquelle les 35 contraintes de cisaillement par frottement,à la surface de contact matériau-matrice, augmente., et ainsi la composante de l'effort de friction à l'effort total d'emboutissage est augmentée» Ceci a pour effet de diminuer la contrainte à la tension de paroi, entraînant la rupture de paroi latérale. 70 32439 7 2060428 L'effet de l'angle de dépoiiUle de matrice sur la réduction maximale de paroi, dans des conditions de friction différentielles, est représenté sur la figure 4. Les conditions différentielles de friction étaient obtenues par l'application de lOg'm environ de revêtement d'étain 5 sur un seul côté de l'ébauche. Les résultats indiquent que la réduction maximale de paroi augmente lorsque l'angle de dépouille de matrice est réduit 3e 8 à 4". Cependant, lorsque cet angle diminue, l'expansion élastique radiale de la matrice est augmentée. Ce résultat est attribué aux pressions normales plus élevées aux angles les plus faibles de matrice. Il a été 10 trouvé ainsi qu'un angle de dépouille de 2° entraîne une expansion radiale excessive de la matrice, et en conséquence, que la réduction maximale possible, de paroi tombe au-dessous de celle obtenue avec un angle de 4°. Il doit être souligné que les limitations imposées à la réduction maximale de paroi possible,lorsqu'un angle de dépouille de 2° est utilisé, sont .dues 15 à l'augmentation d'expansion radiale de la matrice et non à la rupture de la paroi latérale. Cependant, avec un angle de dépouille supérieur à 2°, le maximum possible de réduction de paroi est limité par'la rupture de la paroi latérale. Les résultats de la figure 4 indiquent qu'un angle a de dépouille de 4 à 6° est optimal. Ceci est vrai, que la surface de l'entrée 20 de matrice soit perpendiculaire comme représenté sur la figure 1, ou que cette surface soit incurvée, auquel cas l'angle d'entrée est celui de la corde de l'arc,- compris entre le point de contact 'a' du matériau pénétrant dans la matrice 11 d'emboutissage et le point "c' où la partie droite de la matrice rencontre l'arc, à l'ouverture de sortie de la matrice. 25 II est évident que le nouveau procédé décrit ci-dessus pour constituer des conteneurs sans soudure à revêtement, en partant d'ébauches de feiilles d'acier, avec un revêtement métallique sur un côté de celles-ci, ayant une onctuosité, ou glissement, qui n'est pas supérieure à celle du substrat et un revêtement métallique sur l'autre côté, d'onctuosité supérieure, 30 eEt à la fois pratique et économique. Le procédé présente l'avantage de ne nécessiter qu'un nombre réduit de phases d'emboutissage, à l'aide d'une seule matrice, ce qui réduit la course de la presse, et en conséquence, augmente les taux de production. Un autre avantage très important de l'invention est qu'avec le procédé, la zone de la bride du conteneur, peut être laissée 35 sensiblement plus épaisse que le corps de celui-ci, et ainsi,la réduction de travail de durcissement de la zone de bride, obtenue par le processus, élimine les possibilités de rupture de cette bride. Ce nouveau procédé peut être appliqué à l'étirage et à l'emboutissage 70 32489 8 2060428 de tout article sensiblement cylindrique sans soudure à paroi mince, ayec la combinaison voulue de revêtements assurant la différence de taux, entre le côté matrice et le côté poinçon,requise, et ou le revêtement du côté poinçon présente une onctuosité qui n'est pas supérieure à celle du substrat, 5 et le revêtement du côté matrice est d'onctuosité sensiblement supérieure à celle de ce substrat. CO PY touuunu x vtcMuuiiuue u epctia SjeUT B pOSSXDJLeS^ Taux de revêtement de l'ébauche (g/"12) ' Genre de revêtement Revêtement d'étain Epaisseur de revêtement d'étain Revêtement différentiel d'étain Revêtement étain-chrome Revêtement de zinc Revêtement de cuivre Côté matrice 10 2 5 10 15 20 27 36 10 10 10 10 5 5 5 5 5 5 2 10 5 5 5 5 5 Côté poinçon 10 Néant Néant 0,2 0,4 1 0 0,7 1,4 . 2,3 3,1 5 1 0,1 mm Néant 0,4 0,5 Néant 0,4 Dépouille de Epaisseur avant Epaisseur ap?rès matrice (degré) Presse emboutissage (mm) emboutissage (mm) Bliss 2,7 6 6 6 6 6 6 6 8 8 8 8 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 Bliss ii u u u u u Swift u (2) II II II II II II 11 II Bliss Bliss Bliss u Bliss u 2,7 2,7 2,7 2,7 2,7 2,7 2,7 2,5 2,5. 2,5 2.5 2.6 2,6 2,6 2,6 2,6 2,6 2.6 2.7 2,7-2,7 2,7 2,7 2,7 1,7 1,15 1,15 1,15 1,15 1 1 1 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,35 1,35 1,6 1,6 1,10 1,15 1,3 1,3 1,65 1,3 1,3 Pourcentage de réduction 36 57 57 57 57 62* 62 62 55 55 55 55* 56 56 49 49 40 40 57 57 51 51 39 51 51 O l\D 4> CX> VO [\D O CT\ O ro CD O ■S 70 32489 10 2060428 REVENDICATIONS 1. Article ai tôle d'acier comprenant un substrat d'acier revêtu d'un placage métallique sur un premier côté, ce placage ayant une onctuosité, ou caractéristique de glissement supérieure à celle du substrat, et un placage 5 métallique sur l'autre côté, d'onctuosité supérieure. 2. Article selon la revendication 1, dans lequel au moins l'un des placages métalliques est résistant à la corrosion. 3. Article selon la revendication 1, dans lequel le placage métallique air le premier côté est en étain, ayant une épaisseur correspondant 2 10 à moins de 1 g'/m et le placage métallique de l'autre côté est également 2 ' en étain d'épaisseur, correspondant à 2 à 15 g /m environ. 4. Article selon la revendication 1, dans lequel le placage métallique du premier côté est en étain ayant une épaisseur correspondant à 2 2 à 15 g/m environ et le placage métallique, de l'autre côté est d'un 15 complexe chrome-oxyde de chrome. 5. Procédé de réalisation d'un conteneur sans soudure plaqué, à partir d'une ébauche en tôle d'acier, ayant un placage métallique sur un premier côté, dont 1'onctuosité^ou caractéristique de glissement, est inférieure à celle du substrat et un placage métallique sur l'autre côté 20 d'onctuosité supérieure, ce procédé étant caractérisé par les étapes de : -étirage de ladite ébauche plaquée pour constituer une cuvette dégrossie, et -emboutissage de cette cuvette dégrossie, dans au moins une matrice, le placage d'onctuosité supérieure étant au contact de ladite 25 matrice. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel au moins l'un des placages métalliques est résistant à la corrosion. 7. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le placage métallique d'un premier côté est de l'étain ayant une épaisseur correspondant 2 30 à 1 g/m ou moins, et le piacsge métallique de l'autre côté est également 2 ' de l'étain ayant une épaisseur correspnndant à 2 à 15 g/m environ. 8. Procédé selon la revendication. 5, dans lequel le revêtement métallique du premier côté est de l'étain ayant une épaisseur correspondant 2 à entre 2 et 15 g/m environ et le placage métallique de l'autre côté 35 est un complexe chrome-oxyde de chrome. 9. > Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, dans lequel la réduction d'épaisseur de paroi latérale de ladite cuvette dégrossie est d'au moins50% par par passage à travers une seule matrice d'emboutissage. 70 32489 ii 2060428 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, dans lequel ladite matrice d'emboutissage de cuvette dégrossie a une dépouille dont l'angle .avec la paroi de celle-ci est compris entre 4 et 6°. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 10,. dans lequel ledit conteneur est sensiblement cylindrique. 12. • Article en métal sans soudure à paroi mince, étiré et embouti, caractérisé en ce que le métal comprend un substrat en acier, avec un placage métallique, ayant une onctuosité inférieure à celle du substrat, sur la paroi intérieure, et un placage métallique d'onctuosité plus élevé sur l'extérieur. . 13. Article selon la revendication 11, dans lequel ledit placage métallique intérieur est un complexe chrome-oxyde de chrome. 14. Article selon la revendication 11, dans lequel ledit placage métallique extérieur est de l'étain. 15. Conteneur en métal sans soudure, dans lequel le métal est composé d'un substrat d'acier, revêtu d'un complexe chrome-oxyde 'de chrome, sur sa surface intérieure, et d'étain sur la surface extérieure. COPY i