Brevet FR2352602A1 — publié le 19771223

La présente invention se rapporte à la technique de formage de feuilles de métaux ductiles pour en faire des pièces ou corps pouvant avoir différentes formes. Elle concerne plus particulire- ment le formage des matières connues sous k nom de "alliages su perplastiques" qui possèdent une grande ductilité ou une faible contrainte d'écoulement, bien qu'elle soit également applicable aux matériaux ou matières normales qui peuvent être rendus suffisamment faciles à étirer à des températures élevées, par exemple comme certains alliages d'aluminium de type classique. Le simple processus de formage ou de conformation sous vide (ou de conformation effectuée par pression différentielle) dans un moule femelle convient pour des formes uniforme ment arrondies qui ne sont pas trop profondes, mais tend à donner des produits présentant des variations appréciables d'épaisseur, La conforma- tion sur un moule mâle soit sous vide, soitpr d'autre techniques utilisant une-pression différentielle ou en faisant avancer un organe mâle contre une feuille plate ou ébauche serrée periphériquement permet. en général de réaliser des formes plus profondes avec une épaisseur uniforme acceptable mais la profondeur de la pièce qui peut être conformée sans gaspillage est limitee, car le flan doit être beaucoup plus grand que la surface projetée de la pièce, et en présence de coins aigus ou de formes angulaires, il est difficile d'éviter un plissement et un amincissement excessif locaux du métal dans certaines régions par rapport à d'autres. L'invention a pour objet un procédé pour déformer une feuille en métal superplastique ou autre métal ductile initialement plane serrée autour de sa périphérie capable de se prêter a' la realisation de pièces relativement profondes et complexes, en particulier de formes asymétriques, tout en maintenant au minimum les défauts mentionnés ci-dessus et en évitant un trop grand gaspillage de la matière. Suivant l'invention, un procédé de formage ou conformation de pièces galbées à partir d'une feuille d'un métal .ductile consiste à serrer la périphérie de la feuille dans un plan donné, à lui appliquer une pression différentielle pour la repousser en contact au moins partiel avec une ou plusieurs surfaces de moulage se trouvant du côté de la feuille qui est alors soumise à la pres sion la plus basse, la feuille e > tant ainsi partiellement conforméef e, à faire avancer un moule mâle vers le côté opposé de la feuille pour qu'il passe au moins partiellement à travers le plan de serrage et à inverser les conditions d'application de la pression pour que la feuille vienne au contact de ce moule et épouse fina liement les contours de ce dernier. C'est ainsi, par exemple, que la ou les surfaces du moule, qu'on peut appeler moule de préformage, peuvent être constituées d'une seule surface d'un moule femelle et avoir une forme relativement simple. Ledit moule est rétracté de préférence et la différence de pression reduite à zéro avant que la pression dans la direction opposée ne soit appliquée et que le moule tle ne soit avance de préférence dans et au delà du plan de serrage avant l'application de la pression inverse. L'avance du moule mâle est,de préférence,*elle qu'il pousse la feuille et provoque une déformation et une redistribution importantes de la matière de ladite feuille avant que la pression inverse ne soit appliquée. L'avance se poursuit alors, ais eventuellement à une vitesse inférieure. A titre de variante, la pression inverse peut être appliquée juste avant que le moule mâle entre en contact avec ladite feuille. Le procédé est particulièrement approprié pour réaliser des pièces de forme rectangulaire ou de nature asymétrique. Le moule de préformage dans lequel la feuille est tout d'abord sollicitée a un profil tel qu'il donne à la préforme une configuration ébauchée qui tend vers la forme finale. Au lieu d'etre un moule femelle, les premières surfaces de moulage pourraient simplement comprendre une surface plate contre laquelle la feuille est sollicitée, éven- tuellement avec l'assistance de surfaces de guidage latérales, et peuvent également comporter des saillies males pour faciliter la conformation de la préforme. Du fait que la phase initiale consiste à créer une préforme qui est déjà étirée, la forme finale peut mieux épouser les contours du moule que jusqu'à présent, sans variations localisées excessives de ltépaisseur. De plus, la première surface du moulage peut être elle-même avancée vers la préforme, lors de la première application de pression différentielle, de façon à l'aplatir dans une certaine mesure. La préforme ou ébauche en forme de "cloche" a naturellement tendance à avoir une épaisseur de paroi qui est supérieure près du plan de serrage et inférieure au-dessus de son dôme ou sommet et le contact avec la première surface de moulage aide à contrecarrer ce phénomène. Pour éviter un plissement, surtout lors de la conformation d'une pièce comportant, vus en plan, des angles saillants, par exemple une forme rectangulaire, il est important que la feuille soit retenue par le dispositif de serrage ou par une plaque séparée, qu'on peut appeler "plaque d'ébauche" pour définir une surface active limitée qui forme l'ébauche initiale oll préforme, cette surface active ayant un pourtour qui dégage tout juste le pourtour du corps ou de la pièce à former. Conformément à une autre particularité de l'invention, l'é- bauche est également serrée ou maintenue de ul'autre cotéd'une ligne qui est proche du périmètre de l'organe mâle (contrairement aux dispositifs de la technique antérieure dont la section de l'organe mâle est nettement inférieure à la périphérie serrée) et ainsi å mesure que le moule mâle s'avance à travers le plan de serrage, une surface de plus en plus grande est exposée à la pression différentielle inversée et, au fur et à mesure que la feuille est étirée par l'avance du moule mâle, les parties minces de la feuille sont progressivement bloquées contre les surfaces latérales de ce dernier en limitant l'amincissement supplémentaire de ces régions. Les retenues mentionnées ci-dessus peuvent être obtenues en donnant à l'ouverture de la plaque de serrage du côté opposé à la plaque "d'ébauche" un pourtour correspondant, mais légèrement supérieur, à la section du moule mâle, ou il peut etre prévu également une plaque d'appui fixe, ainsi qu'une plaque d'ébauche fixe, toutes deux séparées des plaques de serrage, de façon que pour différents travaux, chaque moule mâle comporte des plaques d'appui et d'ébauche complémentaires associées, tandis que les plaques de serrage peuvent rester inchangées et comporter des ouvertures de forme normalisée. Lorsqu'il a été fait mention du mouvement d'avance du moule mâle vers la feuille, il est entendu qu'il s'agit ici d'un mouvement relatif et qu'on entend également par cette phase que le moule mâle peut rester immobile et que la feuille soit déplacée par rapport à lui. La pression qui est appliquée aux différents stades n'est pas nécessairement la même, mais peut être modifiée progressivement pendant le cycle de fonctionnement. De même, la vitesse de déplacement du moule, lorsque le ou chaque moule est mobile, peut être modifiée au cours du cycle opératoire. En établissant une relation entre la variation de la pression différentielle et le mouvement du ou des moules, on peut déterminer les endroits de la feuille où celle-ci entre en contact avec le moule. C'est ainsi, par exemple, que dans le cas du moule mâle, on peut faire avancer celti-ci dans le côté concave de la feuille-bombée et qu'à l'instant approprié, on peut appliquer la pression différentielle à la feuille de façon qu'elle soit poussée contre le moule.Suivant l'instant choisi et la pression appliquée, la région de la feuille qui se bloque contre la région terminale du moule est plus grande ou plus petite et le degré d'étirage de la feuille pour l'ajuster autour des côtés du moule varie de façon correspondante. L'invention est plus complètement décrite ci-après, simplement à titre d'exemples d'ailleurs, en regard des dessins annexés sur lesquels :- Les fig. l-et 5 représentent les phases successives du formage d'une pièce ou corps galbé selon l'invention. La fig. 6 représente schématiquement à une échelle plus grande une variante de l'appareil permettant d'atteindre le même résultat. Les fig. 7, 8, 9 et 10 représentent les phases successives du formage d'une pièce à l'aide de l'appareil que montre la fig.6. La fig. Il est une vue semblable à la fig. 6 montrant l'appa- reil avec à la fois une plaque d'ébauche et une plaque d'appui. La fig. 12 est une vue schématique en plan des éléments représentés sur la fig. 11. En se référant tout d'abord à la fig. 1, une feuille 1 en alliage de métal superplastique est serrée entre deux plaques ajourées 2 et 3. A la plaque 3 est fixée une enveloppe 4 en forme de cloche qui définit avec la feuille 1 une cavité fermée. A l'intérieur de cette cavité se trouve une table 5 destinée à supporter amoviblement un moule mâle 6 qui a la forme que l'objet à réaliser avec la feuille 1 doit finalement acquérir. La table 5 peut être déplacée dans une direction perpendiculaire au plan de la feuille 1 par une tige 7 passant à travers un joint monté dans la paroi de l'enveloppe 4 et actionnée, par exemple, pneumatiquement ou hydrauliquement. Une seconde enveloppe 8 similaire à l'enveloppe 4 est scellée & la plaque de serrage 2 pour délimiter une seconde cavité du coté de la feuille 1 opposé au moule 6. Dans cette seconde cavité se trouve une table 9 mobile sur une tige 10 dans une direction perpendiculaire au plan de la feuille 1. En fait, les tiges 7 et 10 peuvent être coaxiales. La table 9 supporte un moule femelle 11, qu'on appellera "moule de préformage", qui possède une forme concave ne correspondant pas à la forme finale de l'objet, riais à celle d'une ébauche ou préforme intermédiaire qui est conçue de manière à assurer une déformation initiale de la feuille destinée à corriger autant que possible à l'avance tous les défauts ou déformations qui pourraient autrement se produire lors du formage final de la feuille selon le profil du moule 6. Si l'on examine tout d'abord la position représentée sur la fig. 1, on voit qu'une pression différentielle est appliquée & la feuille 1 par l'admission d'un fluide (de préférence de l'air) à une pression supérieure à la pression atmosphérique dans 1'en- veloppe 4 pour repousser la feuille au contact du moule de préformage 11. Ceci correspond à la position représentée sur la fig.2 A la fin de cette phase, on fait cesser la pression différentielle. La table 9 est alors ramenée en arrière en même temps que la table 5 est avancée comme indiqué par les flèches sur la fig. 2 pour rapprocher l'autre moule 6 de la feuille I, le moule faisant ainsi partiellement saillie & travers le plan de serrage de la feuille. De préférence, le moule mâle 6 entre en contact avec une grande surface de la feuille partiellement conformée ou au moins le long de lignes plutôt qu'avec un ou plusieurs points individuels, et continue às'avancer et à déformer la feuille, en redistribuant la atire de la feuille dans une mesure importante, en particulier en la repoussant vers les régions qui doivent former les coins les plus éloignes de la pièce finale, tout ceci se produisant avant l'inversion de la pression. Une pression différentielle est alors appliquée à la feuille 1 dans la direction opposée par rapport à celle précédemment appliquée (par exemple en mettant l'enveloppe 4 sous vide et en admettant de l'air comprimé dans l'enveloppe 8) pour mettre la feuille en contact intime avec le moule 6, en conformant la feuille selon le profil du moule, comme indiqué sur la fig. 3. Entretemps, l'avance du moule 6 se poursuit. La pression et la vitesse d'avance du moule mâle peuvent être mises en corrélation et etre programmées individuellement pour assurer le degré d'étirage désiré de la feuille, tandis qu'elle suit les contours du moule 6. La progression vers la forme finale est représentée sur les fig .4 et 5. On remarquera que la feuille ne doit pas subir une inversion totale de sa forme initiale convexe ou concave lors de l'applica- tion de la pression inverse. Bien au contraire, la forme initiale créée par le moule de préformage est simplement développée et améliorée par le moule final. t Les plaques de serrage 2 et 3 dans l'exemple représenté comme portent des ouvertures qui épousent les formes des plus grandes sections droites des moules il et 6, respectivement, avec un jeu suffisant pour admettre l'épaisseur de la feuille entre elles. En pratique, les fonctions de serrage et de définition des formes des ouvertures peuvent être remplies par des éléments séparés, ce qui facilite le changement des plaques ajourées quand un changement de moule est nécessaire. Ceci est expliqué ci-après en regard des fig. 11 et 12. En outre, les bords internes des plaques ajourées seront conformées, par exemple par l'incorporation de lèvres ou rebords s'étendant axialement pour aider la feuille à épouser la forme des moules, comme décrit ci-après en regard de la fig. 6. La fig. 6 représente une variante qui n'utilise pas de moule femelle complet pour conformer la préforme. Bien au contraire, il est prevt une surface plane 11' contre laquelle la feuille 1 est par par 1t différence de pression. Lorsque l'ébauche bombée que forme la feuille entre en contact avec cette surface, sa partie centrale est aplatie, de sorte que la poursuite de l'action de la pression a pour effet de 11 étaler latéralement.La friction entre la surface 11-' et la région de la feuille qui est en contact avec elle limite l'étirage supplémentaire de cette région, en l'empêchant de venir excessivement mince, tandis que les parties qui ne sont pas encore en contact avec la surface 11' continuent à s'étirer, ce qui permet d'obtenir une épaisseur globale de la préforme plus uniforme qu'en effectuant simplement le formage d'une ébauche en forme de cloche. A la fin de cette phase opératoire, la pression différentielle est ramenée à zéro. Un étalement latéral excessif est empêché par un rebord de guidage 2' qui, dans l'exemple représenté, est solidaire du bord interne de la plaque de serrage 2, bien qu'en général, il soit de préférence un élément séparé. La fig. 6 montre aussi en pointillé en 12 comment la surface r11 peut même supporter une ou plusieurs saillies locales qui enfoncent la surface de la feuille pour former des régions locales rentrantes. Ces saillies peuvent également être prévues dans le moule femelle que montrent les fig. 1 à 5. Alors, quand le moule mâle est avancé et que la différence de pression inverse est appliquée, comme dans la variante des fig. 1 à 5, ces parties rentrantes possèdent déjà partiellement leur forme correcte pour remplir exactement des évidements, tels que celui désigné par 6', du moule mâle et dans toute la mesure du possible, sans plissement ni rupture.De cette manière, il est psssible de réaliser des formes relativement complexes comprenant une ou plusieurs régions rentrantes, ce qui n'était pas possible avec les procédés connus en utilisant simplement un seul moule contre lequel la feuille est repoussée. Avec ces procédés connus, la feuille forme simplement un pont en travers de l'évidement et quand la pression est appliquée, elle risque de créer des plis ou, ce qui est plus grave, de provoquer un amincissement excessif et éventuellement une rupture. Dans la forme de réalisation que montre la fig. 6, la surface 111 peut demeurer toujours fixe. De préférence cependant, après son entrée en contact avec l'ébauche, comme représenté sur la fig.7, elle est avancée (comme le montre la fig. 8) pour accentuer la phase de préformage, puis elle est rétractée pour permettre au sommet du moule mâle 6 de dépasser le plan initial de la surface Il'. Sur la fig. 9, le moule mâle 6 s'est avancé à travers le plan de serrage et est entré en contact avec la préforme pour commencer à la déformer. Ensuite, la pression différentielle inverse est appliquée et la feuille est poussée en contact intime avec le moule mâle qui continue à s'avancer (la surface Il ayant été ramenée en arrière entretemps) jusqu'à une position finale représentée par la fig. 10. Comme dans la première forme de réalisation, la synchronisation de l'instant d'application de la pression inverse par rapport à l'avance du moule 6 et les variations ultérieures de la pression différentielle et de la vitesse d'avance peuvent etre réglées pour satisfaire aux besoins. Dans le cas le plus simple, la pression différentielle demeure constante pendant l'avance du moule 6 et la vitessedavance demeure également constante,mais après l'interruption de l'avance du moule, la pression peut être augmentée de façon que la feuille 1 épouse chaque détail du moule. Si l'on examine maintenant les fig. 11 et 12, on voit qu'elles représentent des plaques ajourées, séparées des plaques de serrage 2 et 3 pour assurer un mouvement correct de la feuille tandis qu'elle subit l'étirage. Au-dessus du plan de serrage, c'est- & dire du même côté que la première surface de moulage il, se trouve une plaque ajourée 13 que l'on appelle plaque d'ébauche dont l'ouverture n'est que légèrement plus grande que les dimensions maximales de la pièce requise finie. Ainsi, lorsque la première pression est appliquée, la zone active, c'est- & dire la zone de la feuille qui s'étire pour former l'ébauche, est limitée sensiblement au pourtour (vu en plan) de la forme finale.En l'absence d'une telle plaque, ébauche occuperait une plus grande zone et après l'avance partielle du moule mâle, immédiatement avant 1'ap- plication de la pression inverse, elle pendrait à l'écart du moule en un drapé" de plus grand rayon de courbure comme celui représenté en pointillé en D sur la fig. il et par suite, l'application de la pression inverse engendrerait une forte tension dans la matière et à moins d'être appliquée très lentement, elle se tradui rait par des contraintes excessives et éventuellement par une rupture. La plaque d'ébauche nta pas besoin de suivre étroitement le profil, vu en plan, de la pièce, tant qu'il épouse les coins convexes. La fig. 12 montre en plan une pièce A avec coins rentrants et le profil de l'ouverture d'une plaque d'ébauche convenable est représenté en B. La fonction de la plaque d'ébauche 13 peut, comme indiqué dans ce qui précède, être remplie par la plaque de serrage supérieure 2, mais elle pourrait être remplie également par une partie de la surface de moulage femelle ou elle pourrait être au moins fixée à la surface du moule au lieu de l'être aux plaques de serrage. D'autre part, au-dessous du plan de serrage, une plaque d'appui 14 suit exactement le contour de la pièce avec un petit jeu. La configuration de la plaque d'appui 14 est représentée par C sur la fig. 12. On conçoit qu'en l'absence d'une pareille plaque, l'application de la pression inverse se traduirait par un bombement de la feuille vers le bas au-dessous du plan de serrage, comme indiqué en pointillé en E sur la fig. il. Le jeu maximum admissible entre la plaque d'appui et le moule mâle 6 a peu d'importance,mais de façon générale, il ne doit pas être supérieur à deux ou trois fois l'épaisseur de la feuille. On sait qu'une ébauche soufflée librement en forme de cloche ne présente pas une épaisseur uniforme, mais est plus mince à la partie bombée ou sommet que sur les cotés. Quand cette ébauche entre en contact avec la surface il ou autre moule femelle, la friction entre le sommet de l'ébauche et cette surface a tendance à limiter l'amincissement supplémentaire de cette région. Toutefois, si un moule mâle devait être simplement avancé dans la préforme, la région des côtés de cette. dernière la plus voisine de son sommet, qui est déjà plus mince que les régions plus proches de la racine, serait amincie davantage par suite de l'étirage par le moule mâle et risquerait de subir une rupture. La combinaison des phases d'inversion de pression et d'application de la plaque d'appui 14 donne la certitude que cette tendance est contrecarrée pour la raison suivante :- Au fur et à mesure que le moule mâle s'avance, une région de plus en plus grande des côtés du moule, c'est- & dire la région faisant saillie à travers le plan de serrage, est exposée à la pression différentielle, et la matière constituant la feuille est bloquée contre les côtés du moule mâle 6 progressivement du sommet ou extrémité libre vers le bas.Ainsi, chaque zone annulaire incrémentielle de la feuille, au fur et & mesure qu'elle entre en contact de frottement avec les côtés du moule mâle, est retenue au moins en partie à l'encontre d'un allongement axial supplémentaire et l'allongement est limité aux régions plus épaisses qui ne sont pas encore serrées ou bloquées contre les côtés du moule. Grâce à une corrélation appropriée de la vitesse d'avance et de l'application de la pression inverse, il est possible d'obtenir une épaisseur de paroi finale sensiblement uniforme. Après que le moule mâle a été arrêté, la pression peut être augmentée pendant une période limitée pour que la feuille épouse chaque détail du moule. Bien que la température n'ait pas été mentionnée ci-dessus, on conçoit que le procédé décrit doit normalement être exécuté à une température élevée appropriée à l'alliage utilisé. Dans certains cas, il est possible de mettre en oeuvre le procédé à la température ambiante. Les modalités d'exécution du procédé et les détails de réalisation de l'appareil peuvent être modifies, sans s'écarter de l'invention, dans le domaine des équivalences techniques. REVENDICATIONS 1.- Procédé de formage d'une pièce galbée à partir d'une feuille de métal ductile consistant à serrer la périphérie de cette feuille dans un plan de serrage donné, à appliquer une pression différentielle à la feuille pour la mettre au moins en contact partiel avec une ou des surfaces de moulage femelles se trouvant du caté de la feuille qui est alors à la pression la plus basse et à utiliser également un organe de formage mâle pour le mettre en contact avec l'autre face de la feuille, procédé ca ractérisé en ce que la feuille (1) est tout d'abord sollicitée par une pression différentielle d'un fluide contra la surface de moulage femelle (11), puis un moule mâle (6) est avancé vers le côté opposé de la feuille (1) pour faire saillie au oins par- tiellement à travers le plan de serrage, des conditions de pression inverse étant appliquées pour obliger la feuille (1) a venir en contact avec le moule (6) et à épouser les contours du noule (6). 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la surface de moulage (ll) ou les surfaces (11,2') et h feuille (r) sont mutuellement séparées avant l'application de la pression différentielle inverse. 3.- Procédé suivant la revendication I ou 2, caractérisé en ce que la surface de moulage est celle d'un moule femelle simple (11). 4.- Procédé suivant la revendication I ou 2, caractérisé en ce que la surface de moulage est une surface plane (il') 5.- Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la surface de moulage (ll) est assistée par une autre surface de moulage affectant la-forme d'un rebord de guidage (2') adjacent à la partie serrée de la feuille (1). 6.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la ou les surfaces de moulage (ll) comprennent une partie saillante (12) destinée à former une partie rentrante (6') sur la feuille (1) partiellement conformée. 7.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la surface de moulage (11) ou au moins des surfaces (il) est déplacée perpendiculairement au plan de serrage pendant la première application de la pression différentielle. 8.- Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la surface de moulage (ll) est avancée vers le plan de serrage pendant la première application de la pression différentielle. 9.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications l à 8 caractérisé en ce que la feuille (1) est supportée par une plaque ajourée (13) du même côté du plan de serrage que celui où se trouve la première surface de moulage (il), l'ouverture (B) de la plaque (13) suivant exactement le contour (A) d'au moins les parties convexes du profil dans un plan parallèle au plan de serrage de la pièce à former. 10.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la feuille (1) est supportée (plaque 14) étroitement autour du périmètre du moule mâle (6) au moins du côté à partir duquel le moule mâle (6) est avancé, pendant l'avance de ce moule mâle dans des conditions d'application de la pression inverse. 11.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérizé en ce que le moule mâle (6) est astreint à entrer en contact avec la feuille (1) partiellement formée et à la déformer avant que la pression inverse ne soit appliquée. 12.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la pression inverse est appliquée juste avant le contact entre la feuille (1) partiellement conformée et le moule mâle (6). 13.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le moule mâle (6) est avancé après son entrée en contact avec la feuille (1) partiellement conformée. 14. - Appareil pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend deux enveloppes (4,8) définissant des cavités avec des éléments (2,3) pour serrer entre eux une feuille plane (l) de métal ductile, un dispositif pour appliquer une pression différentielle de fluide entre les enveloppes, et les éléments (5,9) dans chaque enveloppe pour supporter une surface de moulage respective (6,11) et des organes (7,10) pour déplacer au moins une des surfaces de moulage (6,11) dans une direction perpendiculaire au plan de serrage. 15. - Pièce galbée obtenue par le procédé suivant l'une quelconque des revendications I à 13 et le cas échéant à l'aide de l'appareil suivant la revendication (14).