Brevet FR2590814A1 — publié le 19870605

La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif d'emboutissage de matériaux à faible allongement et plus particulièrement d'aciers à haute limite élastique, dénommés HLE. L'emboutissage des pièces de grandes dimensions se fait habituellement par étirage avec des presses à double effet, mécaniques ou hydrauliques. Ces appareils comportent essentiellement une matrice fixe et deux coulisseaux indépen- dants, un coulisseau central, appelé piston plongeur portant un poinçon, et un coulisseau extérieur réservé aux opérations de serre-flan, c'est-àdire maintien suffisant permettant par réaction l'étirage sous le poinçon. Les mouvements sont généralement les suivants: (1) descente rapide du serre- flan qui maintient une pression constante sur la tôle et l'empêche ainsi de se déplacer; (2) descente rapide du poin- çon jusqu'à mise en contact avec la tôle, puis (3) descente lente du poinçon pendant la phase d'emboutissage, sous éti- rage proprement dit.; et (4) remontée rapide du coulisseau central entrainant le serre-flan dans son ascension. La mise en oeuvre de cette technique classique qui re- pose sur l'aptitude à l'allongement des aciers extra-doux trouve cependant rapidement ses limites avec les aciers HLE en raison de leur coefficient d'allongement qui est très sérieusement réduit (environ au moins deux fois plus faible). La diminution de l'allongement possible rend pratique- ment obligatoire la consommation de métal en provenance de la zone périphérique sous serre-flan. Lors de l'opération d'emboutissage, cette réduction de la surface projetée du flan, nécessite pour éviter la for- mation de plis, une pression de serre-flan beaucoup plus élevée pour les aciers HLE que pour les aciers extra-doux. Cette pression élevée favorise le grippage, et pro- voque une usure rapide du serre-flan et des rayons entrée matrice. La seconde difficulté rencontrée pour l'emboutissage des aciers HLE provient du plissement de la tôle dans la par- tie centrale de l'embouti lors de l'attaque du poinçons. Cette tendance au plissement à forme de poinçon égale est d'autant plus marquee que la tôle est mince et sa ré- sistance élevée. Pour remédier à cette dernière difficulté, la Demande- resse a proposé dans son brevet français 84 07 678 un pro- cédé d'emboutissage sur coussin élastique placé comme sup- port dans une presse à double effet. Selon ce procédé on prévoit sur le premier coulisseau îo extérieur au moins une partie active en relief dont la forme correspond à la surface excédentaire par rapport au volume à former, cette partie active agissant sur la partie périphéri- que de la tôle elle-même en contact, par son autre face, avec le coussin élastique. Cette technique permet des emboutissages profonds à épaisseur pratiquement constante et est en particulier utili- sable pour des tôles extra-minces. Elle est cependant com- pliquée car elle nécessite la détermination précise des for- mes correspondant à la surface excédentaire, par des métho- des mathématiques complexes et ensuite l'usinage rigoureux de ces formes pour constituer les parties actives du premier coulisseau extérieur. Ces méthodes sophistiquées sont très lourdes à mettre en oeuvre et visent plus particulièrement les aciers extra- minces et en particulier pour emboutis profonds. On connait par ailleurs une technique d'emboutissage par retournement qui a jusqu'à présent été essentiellement, utilisée pour l'emboutissage profond d'aciers à fort allon- gement. Cette technique consiste à déformer par étapes succes- sives le flan de tôle en partant de sa périphérie, c'est-a- dire à tomber un bord. Elle autorise de très grandes défor- mations dans la mesure o à chaque étape les paramètres de réduction de la surface sous serre-flan agissent de façon à maintenir l'épaisseur de la tôle sensiblement constante. Cependant cette technique ne permettrait pas d'obtenir des formes complexes dans la partie centrale de l'embouti. En fait elle vise essentiellement l'obtention d'emboutis profonds de forme simple grâce à l'utilisation de déforma- tions périphériques successives réalisées par le tombage des bords. La présente invention vise à obtenir des pièces embou- ties de moyenne profondeur, mais de grandes surfaces telles que des pièces automobiles dont les parties centrales ne sont pratiquement jamais des formes de révolution, mais re- présentent des formes complexes non développables. Or ces formes complexes ne sont pas réalisables en une seule passe par un poinçon métallique sans risque de formation de plis et de bris de l'embouti. La présente invention vise un procédé d'emboutissage, de tôles en un matériau à faible allongement, sur une presse à double effet du type comportant-un coussin en un matériau élastique selon lequel on dispose la tôle à former sur un support, on applique un premier coulisseau extérieur sur la partie périphérique de la tôle, puis on applique un deuxième coulisseau central sur la partie centrale de la tôle, carac- térisé en ce qu'on dispose la partie périphérique de la tôle à former sur un serre-flan inférieur formant bas pour le coussin de matériau élastique et dont la face supérieure de maintien de la tôle est située à un niveau supérieur à celui de la face de travail du coussin élastique, on applique le premier coulisseau extérieur dont le corps a un diamètre in- férieur au serre-flan inférieur et qui comporte à sa péri- phérie un serre-flan supérieur coopérant avec le serre-flan inférieur pour serrer la tôle, on poursuit la descente du coulisseau extérieur contre le coussin élastique pour effec- tuer le tombage d'un bord du flan de tôle et on provoque le fluage de la masse du coussin élastique pour déformer la par- tie centrale de la tôle de façon à lui donner une surface sensiblement égale à la surface de la pièce finie à obtenir, puis on déplace le coulisseau central pour conformer les vo- lumes anguleux et la partie centrale de la tôle par fluage final du support. La caractéristique essentielle de l'invention réside dans le tombage d'un bord périphérique qui a pour objet de réduire le volume de métal à rétreindre et conduit en con- séquence à une diminution de la pression correspondant au poinçon, c'està-dire dans le cas de l'élastoformage sur coussin élastique selon la présente invention à une diminu- tion de la pression régnant dans ce coussin. En effet dans le procédé de l'invention la surface du coulisseau central en contact avec la tôle joue le rôle de fond de matrice et le coussin élastique en matériau fluable celui de poinçon appliquant la tôle dans le fond de matrice pour former les volumes anguleux. Les contraintes de traction et de compression étant sensiblement égales, le risque d'apparition de plis est sen- siblement réduit. Lorsque l'embouti à réaliser comporte dans la partie centrale des formes à angle vif ou de petits détails, on utilise alors un coulisseau extérieur dont la face de tra- vail en contact avec la tôle, formant matrice périphérique, comporte des parties actives telles que décrites dans le brevet FR 84 07 678 en combinaison avec l'opération de tomba- ge d'un bord selon la présente invention. On rappellera que ces parties actives déterminent dans la partie périphérique de la tôle adjacente au bord tombé disposée sous le coulisseau extérieur des formes qui compen- sent dans certaines zones de la pièce finie les surfaces excédentaires, à épaisseur inchangée de la tôle de départ, par rapport au volume à former. Suivant d'autres caractéristiques de l'invention: - on amène dans un premier temps le coulisseau central dans une position dans laquelle il limite la déformation de la partie centrale de la tôle sous l'effet du fluage du maté- riau de support; - le matériau constituant le support est un élastomère à fai- ble dureté shore, par exemple inférieure à 30 et de préfé- rence inférieure à 10; - après l'opération de formage proprement dite, on provoque une décompression du matériau constituant le support; - on refroidit la masse du matériau de support. L'invention a également pour objet un dispositif d'em- boutissage du type comprenant un support sur lequel est po- sée la tôle à former, un premier coulisseau extérieur, un deuxième coulisseau central et un coussin en un matériau élastique, caractérisé en ce que le support est constitué par un serre-flan périphérique inférieur formant bac pour le coussin de matériau élastique, et dont la surface de main- tien de la tôle est située à un niveau supérieur à celui du coussin élastique, le coulisseau extérieur comportant un corps de diamètre inférieur à celui du serre-flan inférieur pour pénétrer dans ce dernier en réalisant un tombage de bord du flan de tôle et atteindre le coussin de matériau é- lastique et provoquer son fluage, la partie extérieure du coulisseau extérieur portant un serre-flan périphérique su- périeur coopérant avec le serre-flan inférieur pour serrer la tôle, et le coulisseau central portant un fond de matrice. Selon une variante le coulisseau extérieur comporte sur sa face inférieure formant matrice périphérique au moins une partie active en relief dont la forme correspond à la surface excédentaire de la tôle, à épaisseur constante, par rapport au volume à former. Le matériau de support élastique est de préférence fa- cilement fluable, par exemple un élastomère ayant une dure- té shore A inférieure à 30 et de préférence inférieure à 10. Suivant d'autres caractéristiques: - il est prévu des organes qui, dans un premier temps,; sont en saillie dans la masse du matériau de support et qui dans un second temps, peuvent être rétractés, après l'ope- ration de formage, pour provoquer une décompression dudit matériau; - il est prévu des moyens de refroidissement dans la masse du matériau constituant le support: - il est prévu des moyens de décollage de la pièce finie du matériau de support. L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide des dessins annexés, qui en représentent deux modes de réalisation sur ces dessins: - les Fig. 1 à 5 sont des vues schématiques en coupe du dis- positif d'emboutissage selon l'invention, au cours des éta- pes successives du formage d'une pièce; - la Fig. 6 est une vue schématique en coupe-d'une variante du dispositif d'emboutissage selon l'invention représentée uniquement à l'étape préliminaire de mise en place de la tô-.! le à emboutir. Selon une première variante représentée aux Fig. 1 à 5 le dispositif de la Fig. 1 en position avant formage, com- prend les éléments constitutifs habituels d'une presse à double effet, et par conséquent seule la partie relative à l'invention est représentée. Un coulisseau extérieur 1 porte à sa partie extérieure un serre-flan périphérique supérieur 2 qui coopère avec un serre-flan périphérique inférieur 3 formant support sur le- quel on dispose une tôle 4 à emboutir. Le serre-flan périphérique inférieur 3 forme un bac dans lequel est logé un coussin élastique 5 occupant toute la surface de ce bac. La surface 6 de maintien de la tôle est située à un niveau supérieur à la face supérieure 7 de travail du coussin élastique. Le coulisseau extérieur 1 comporte un corps 8 dont le diamètre extérieur est inférieur au diamètre intérieur du serre-flan inférieur 3, de sorte que la face inférieure 9 du coulisseau extérieur en regard de la tôle 4, peut, en l'absence de cette dernière, pénétrer dans le serre-flan in- férieur 3 pour atteindre le coussin 5 de matériau élastique et provoquer son fluage. Le coulisseau central 10 porte un fond de matrice 11, la partie périphérique de la matrice étant constituée par la face inférieure 9 du coulisseau extérieur 1. Le coulisseau extérieur 1 et le coulisseau central 10 sont actionnés en synchronisme comme on le verra ci-après et jouent par leurs faces inférieures 9 et 1-1 le rôle de matrice, le coussin 5 en matériau élastique jouant en cours de fonctionnement le rôle de poinçon. Le coussin 5 en matériau élastique est constitué par un élastomère ayant une dureté shore A inférieure à 30 et de préférence inférieure à 10, une caractéristique très im- portante résidant dans le temps de retour rapide du maté- riau (de préférence inférieur à 1 seconde) à sa forme ini- tiale. On peut, par exemple,utiliser un matériau à base de silicone. Des organes rétractables 12 (chandelles ou vessies gonflables) font saillie dans le coussin élastique 5, et leur volume inséré représente approximativement le volume de détente de l'élastomère apres le formage. Le coussin 5 comporte des conduits 13 permettant la circulation d'un fluide de refroidissement tel que l'air comprimé. D'autres conduits 14, notamment lorsque l'air com- primé est utilisé, peuvent servir auidécollage de la pièce finie. Pour le refroidissement de la masse du coussin 5, on peut également prévoir des fils métalliques noyés ou une charge en poudre métallique améliorant la conductibilité thermique. La figure 2 représente l'étape de tombage du bord 20 de la pièce qui vient se loger dans l'espace annulaire 21 ménagé à l'extérieur du corps 8 du coulisseau extérieur 1 comme indiqué à la Fig; 1. Dans l'étape illustrée à la Fig. 2, on fait descendre le coulisseau extérieur 1, portant la matrice périphérique 9. Celle-ci entre en contact avec le flan de tôle 4 dont la partie périphérique est progressivement serrée entre les serre-flans supérieur 2 et inférieur 3 pour éviter son fes- tonnage. Au cours le sa descente, la matrice périphérique 9 forme un bord tombé 20 du flan de tôle et simultanément comprime par réaction le coussin élastomère 5. Ce dernier sous l'effet de cette action de compression périphérique agit par fluage sur la zone centrale du flan de tôle et provoque sa déformation. Le Gonflement de la partie centrale du flan de tôle est limité par le fond de matrice ll fixé au coulisseau cen- tral 10 afin d'éviter les déformations erratiques incontrô- lées dues à l'anisotropie du métal ou à des formes de pièces dissymétriques. La descente du coulisseau extérieur 1 por- tant la matrice périphérique 9 est limitée de façon telle que la déformation dans sa partie centrale du flan de tôle donne une surface sensiblement égale à celle de la pièce finie à obtenir. La figure 3 représente l'étape de conformation finale de la pièce. Le coulisseau central 10 portant le fond de matrice 11 descend à sa position basse et provoque le for- mage final de la partie centrale de la tôle 4, préformée au cours de l'opération précédente. Les contraintes de compression dues à l'appui du fond de matrice 11 sur le sommet de la tôle se transforment par l'action du coussin élastomère 5, agissant sur la face oppo- sée de la tôle, en contraintes de traction exercées sur tou- te la surface de la tôle non compensée par la présence du fond de matrice 11 et, provoquent le déplacement de cette tôle dans tout le volume disponible. Ces contraintes (compression, traction, tendent ainsi à s'annuler (au rendement près de l'élastomère) permettant ainsi la réalisation finale de la pièce avec un minimum de variation d'épaisseur. La figure 4 représente l'étape de décompression du coussin d'élastomère 5, par retrait des chandelles 12. Cette opération a pour but d'éviter la déformation de la pièce em- boutie par réaction de détente de l'élastomère. La figure 5 représente l'étape de libération de la pièce formée 21, par remontée simultanée des deux coulis- seaux 1 et 10 portant les matrices. Pour limiter l'échauffe- ment du coussin d'élastomère 5, notamment lors du travail en série, on fait circuler de l'air comprimé dans les con- duits 13. Le refroidissement de l'1élastomère 5 peut aussi être effectué lors de l'étape précédente de décompression (Fig.4). Par ailleurs, de l'air comprimé est envoyé par les conduits 14 pour permettre le décollage de la pièce 21. Selon une variante illustrée à la Fig.6, le coulisseau extérieur 1, porte une matrice périphérique 9 qui présente dans ses angles une forme appropriée en relief 22 venue de matière avec la matrice périphérique 9 (cette forme en re- lief 22 correspond à la surface excédentaire par rapport au volume à former de la pièce que l'on désire réaliser) et sa surface active est soigneusement polie afin de permettre le déplacement de l'excès de matière lors du formage; cette surface active peut aussi être traitée pour faciliter le glissement de la tôle. Cette variante est plus spécialement destinée à la réalisation de formes complexes à angles vifs de la partie centrale de l'embouti. L'emboutissage par retournement tel qu'il a été décrit précédemment avec son tombage de bord permet de diminuer la pression nécessaire au formage de la tôle en inversant le cycle traditionnel du poinçon. La pression qui s'exerçait uniquement pour le formage de la tôle sur l'équivalent des rayons d'entrée matrice, s'applique après cette inversion sur la totalité de la surface centrale de l'embouti. La pression nécessaire à ce pré-formage de la tôle est très faible (valeur comprise au maximum entre 10 et 20 bars (1 et 2 MPa). Ce régime de basse pression permet ainsi de former de grandes surfaces et de créer une nouvelle technique d'outil double-effets à matrice d'élastomère de faible dureté shore pouvant s'adapter sur les presses de carrosserie existantes. La première phase de l'opération d'emboutissage coni siste à réaliser le tombage des bords périphériques (Fig.2) du flan par le coulisseau extérieur I. La première phase voit simultanément la réalisation de la surface courbe de pré-formage qui provoque l'expansion de la tôle et évite ainsi la formation de plis. Il est important de noter que cette expansion est li- mitée de plusieurs façons: 1 ) Par le volume d'élastomère déplacé, ce qui définit la surface courbe de la tôle. 2 ) Par la proximité du poinçon qui évite la déformation er- ratique de la tôle, et ordonne la pré-déformation. 3 ) La retenue périphérique du flan de tôle est ajustée afin de limiter l'expansion bi-axiale de la tôle à une valeur faible 3 a 5 Z, cette valeur évite la formation de plis. La courbure de la surface étant principalement obtenue par le cintrage multidirectionnel de la tôle, ce qui permet lors de l'opération de conformation seconde et dernière pha- se de l'opération d'emboutissage qui modifiera ces cintrages, une très grande potentialité de réarrangement des formes. ll R E V E N D I C A T I ONS 1 - Procédé d'emboutissage de tôles en un matériau à faible allongement, sur une presse à double effet du type comportant un coussin (5) en un matériau élastique, selon lequel on dispose la tôle à former sur un support, on appli- que un premier coulisseau extérieur (1) sur la partie péri- phérique de la tôle (4), puis on applique un deuxième cou- lisseau central (10) sur la partie centrale de la tôle, ca- ractérisé en ce qu'on dispose la partie périphérique de la tôle à former sur un serre-flan inférieur (3) formant bac pour le coussin (5) de matériau élastique et dont la face supérieure (6) de maintien de la tôle est située à un niveau supérieur à celui de la face de travail (7) du coussin élas- tique (5), on applique le premier coulisseau extérieur dont le corps (8) a un diamètre inférieur au serre-flan inférieur (3) et qui comporte à sa périphérie un serre-flan supérieur (2) coopérant avec le serre-flan inférieur (3) pour serrer la tôle (4), on poursuit la descente du coulisseau extérieur (1) contre le coussin élastique pour effectuer le tombage d'un bord (20) du flan de tôle et on provoque le fluage de la masse du coussin élastique pour déformer la partie cen- trale de la tôle de façon à lui donner une surface sensible- ment égale à la surface de la pièce finie à obtenir, puis on déplace le coulisseau central (10) pour conformer les vo- lumes anguleux et la partie centrale de la tôle par fluage final du support. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on forme la partie périphérique de la tôle (4) adja- cente au bord tombé (20) à l'aide d'au moins une partie ac- tive de la matrice périphérique (9) portée par le coulis- seau extérieur (I) de façon à compenser dans certaines zones de la pièce finie les surfaces excédentaires, à épaisseur inchangée de la tôle départ, par rapport au volume à former lors du déplacement simultané du coulisseau central (10). 3 - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on amène dans un premier temps le coulisseau central (10) dans une position dans laquelle il limite la déforma- tion de la partie centrale de la tôle sous l'effet du flua- ge du matériau de support. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau constituant le coussin élastique (5) est un élastomère à faible dureté shore. - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élastomère a une dureté shore inférieure à 30 et de préférence inférieure à 10. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, après l'opération de formage proprement dite, on provoque une décompression du matériau constituant le coussin élastique (5). 7- - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on refroidit la masse du ma- tériau constituant le coussin élastique.- 8 - Dispositif d'emboutissage du type comprenant un support sur lequel est posée la tôle (4) à former, un pre- mier coulisseau extérieur (1), un deuxième coulisseau cen- tral (10), et un coussin (5) en un matériau élastique, ca- ractérisé en ce que le support est constitué par un serre- flan périphérique inférieur (3) formant bac pour le coussin de matériau élastique, et dont la surface (6) de maintien de la tôle est située à un niveau supérieur à celui de la face de travail (7) du coussin élastique (5), le coulisseau extérieur (1) comportant un corps (8) de diamètre inférieur à celui du serre-flan inférieur (3) pour pénétrer dans ce dernier en réalisant un tombage de bord (20) du flan de tô- le et atteindre le coussin de matériau élastique et provo- quer son fluage, la partie extérieure du coulisseau exté- rieur portant un serre-flan périphérique supérieur (2) coo- pérant avec le serre-flan inférieur (3) pour serrer la tôle, et le coulisseau central portant un fond de matrice (11). 9 - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le coulisseau extérieur (1) comporte sur sa face inférieure formant matrice périphérique (9) au moins une partie active (22) en relief dont la forme correspond à la surface excédentaire de la tôle, à épaisseur constante, par rappprt au volume à former. - Dispositif selon la revendication 8 ou 9, carac- térisé en ce que le matériau du coussin élastique (5) est un élastomère ayant une dureté shore A de préférence infé- rieure à 30. ll - Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 8 à 10, caractérisé en ce qu'il est prévu des organes (12) qui dans un premier temps sont en saillie dans la mas- se du coussin élastique (5) et qui, dans un second temps peuvent être rétractés, après l'opération de formage. 12 - Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 8 à 11, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens de refroidissement (13) dans la masse de matériau constituant le coussin élastique. 13 - Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 8 à 12, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens de décollage (14) de la pièce finie du coussin élastique (5);