Brevet FR2655576A1 — publié le 19910614

s 4.i 2655576 L'invention concerne la fabrication de récipients de forme générale tronconique, par emboutissage d'un flan de tôle, notamment en acier et de faible épaisseur Elle concerne plus particulièrement la fabrication de récipients à forte conicité, c'est-à-dire dont la paroi latérale est largement évasée du côté de l'ouverture du récipient. Selon des procédés classiques de fabrication de ce type de récipient, on réalise successivement plusieurs séquences d'emboutissage qui déforment progressivement le flan initial jusqu'à obtention du produit final Ces procédés, nécessitant donc l'utilisation de plusieurs outils d'emboutissage, un par séquence, et plusieurs opérations pour réaliser un récipient, entraînent un coût de fabrication important. Pour réduire ces coûts, il a déjà été proposé d'emboutir des récipients tronconiques en une seule passe, en utilisant un poinçon et une matrice tronconiques De tels procédés ont toutefois tendance à provoquer un bombé et des plissements de la paroi latérale conique du récipient, du fait de l'important brin libre inhérent à ce type de procédé Il est rappelé que le brin libre est la zone annulaire du flan située entre le poinçon et la matrice, qui n'est ni au contact du poinçon ni au contact de la matrice au cours de l'emboutissage, c'est-à-dire, dans le cas de poinçon et matrice tronconiques et juste avant la fin de l'emboutissage, pratiquement toute la paroi latérale du récipient. Pour notamment éviter ces plissements, il a été proposé, par le document US 3302441, de réduire ce brin libre en utilisant un poinçon constitué de plusieurs bagues annulaires concentriques et coulissant les unes dans les autres Dans ce cas l'emboutissage est conduit de manière à déformer en premier lieu par la bague annulaire externe du poinçon, une première zone annulaire du flan pour mettre en forme la partie tronconique de plus grand diamètre du récipient, c'est-à-dire la partie la plus proche de l'ouverture du récipient, puis à déformer successivement, au moyen de bagues annulaires de diamètres décroissants, des zones annulaires du flan correspondantes pour former des parties tronconiques du récipient de diamètres également décroissants, jusqu'à la fin de l'opération d'emboutissage, o toute la paroi tronconique du récipient embouti est appliqué sur la matrice par les différentes bagues annulaire du poinçon Par ce procédé, le brin libre en cours d'emboutissage est en effet considérablement réduit, puisque constitué uniquement desdites zones annulaires dont la largeur est sensiblement divisée, par rapport au cas précédent, par le nombre de bagues annulaires du poinçon. Toutefois ce procédé présente l'inconvénient de limiter fortement, dès le début de l'emboutissage, l'écoulement du métal constituant le flan entre la matrice et la bague externe du poinçon. De ce fait, les déformations ultérieures provoquées par les autres bagues de diamètre décroissant provoquent un étirement important du métal dans la zone centrale du flan, qui peut conduire à sa rupture, notamment dans le cas d'un flan de faible épaisseur De plus des arrachements peuvent se produire par un frottement important de la zone déformée du flan entre la matrice et la bague externe du poinçon. Le but de la présente invention est de remédier à ces problèmes et de permettre la fabrication de récipients de forme générale tronconique par emboutissage de flans de tôle de faible ou très faible épaisseur, notamment en acier. = -Avec ces objectifs en vue, la présente invention a pour objet un procédé d'emboutissage d'un flan de tâle pour la fabrication en une passe d'un récipient de forme générale tronconique, l'expression forme tronconique devant être comprise comme concernant non seulement des récipients de section circulaire, mais aussi des récipients de section de forme générale polygonale, et dont la section dans un plan passant par le centre du récipient peut être globalement rectiligne ou curviligne de concavité ou convexité plus ou moins accentuée. Selon l'invention ce procédé est caractérisé en ce qu'on utilise un outil d'emboutissage comprenant un poinçon tronconique et une matrice comportant des bagues concentriques mobiles perpendiculaire- ment au plan du flan, on déforme successivement des zones annulaires concentriques du flan en commençant par celle de plus petite dimension, chaque zone annulaire étant maintenue pressée vers le poinçon par une bague correspondante à partir du moment o ladite zone est au contact du poinçon et jusqu'à la fin de l'emboutissage, chaque zone annulaire étant par ailleurs en appui sur une bague correspon- dante tant que la zone annulaire adjacente interne n'est pas appliquée sur le poinçon. Grâce à l'invention, on peut fabriquer, par emboutissage en une seule passe, des récipients de forme tronconique en tôle de faible épaisseur, pratiquement sans risque de rupture du flan En effet, la déformation du flan intervenant en premier lieu dans sa partie centrale, proche du fond du récipient, les déformations successives ultérieures des zones de diamètre croissant n'interviennent pratiquement pas sur le métal déjà déformé des zones de plus petites dimensions, et n'ont donc pas tendance à l'étirer excessivement, évitant ainsi les ruptures qui surviennent couramment au plus près du nez du poinçon dans les procédés selon l'Art Antérieur Par contre le métal nécessaire pour absorber ces déformations est librement, sous réserve de la pression exercée par le serre-flan, amené des zones périphériques du flan Il est ainsi possible de contrôler aisément les déformations par étirement du métal en adaptant les pressions exercées sur le flan embouti par les différentes bagues de la matrice et par le serre-flan. Il en résulte de plus, par rapport à un emboutissage en plusieurs passes, un gain sur les dimensions du flan, puisque l'étirement du métal qui le constitue peut être contrôlé et donc optimisé. Selon une disposition particulière de l'invention, -chaque zone annulaire est maintenue sensiblement dans le plan du flan tant que la zone annulaire adjacente interne n'est pas appliquée sur le poinçon. Cette disposition particulière permet, outre le fait de contenir en permanence le brin libre par contact du flan sur les bagues annulaires de la matrice, de maintenir fermement pressée entre poinçon et matrice chaque zone annulaire emboutie avant que la zone adjacente vers l'extérieur ne commence à être déformée par l'action du poinçon et la bague de matrice correspondante L'influence de la déformation d'une zone annulaire sur les zones adjacentes vers l'intérieur est alors encore réduite. Toutefois, les bagues peuvent aussi se déplacer légèrement en accompagnant la zone du flan en brin libre, sous l'effet d'une pression moindre exercée sur lesdites bagues, cette pression étant adaptée aux caractéristiques de flambage du matériau constitutif du flan On peut d'ailleurs admettre que, en cours d'emboutissage, une zone annulaire du flan ne soit pas totalement pressée par la bague correspondante sur le poinçon lorsque la zone annulaire adjacente externe commence à être déformée Même dans ce cas, en cours d'emboutissage, la zone du flan en brin libre diminue progressivement 4 2655576 ce qui a pour effet de réduire les risques de plissement. Cependant, le blocage séquentiel du flan sur le poinçon, provoqué par les bagues de dimension croissante, crée un étirement d'autant plus important que le brin libre diminue, et l'épaisseur des parois coniques en est d'autant plus constante. Selon une autre disposition particulière le poinçon comporte sur sa surface conique un ou des décrochements circonférentiels, et des gradins correspondants sont formés sur la paroi du récipient en cours d'emboutissage entre deux zones annulaires adjacentes de ladite paroi, successivement lors de la mise en contact d'une zone annulaire sur le poinçon par la bague correspondante. Cette disposition permet de réaliser un récipient présentant sur sa paroi latérale conique des gradins qui, outre leur aspect esthétique, constituent des renforts de la paroi De plus la formation de ces gradins crée à la fin de la déformation de chaque zone annulaire une tension supplémentaire du métal dans ladite zone annulaire, qui participe à la suppression des éventuels plissements. Dans le même but, il est également possible, en utilisant un poinçon comportant des gradins, d'amener en cours d'emboutissage chaque zone annulaire du flan au contact de la zone correspondante du poinçon par la bague de matrice correspondante sans former le gradin, le contact étant alors seulement linéaire sur l'angle du gradin, et de former simultanément tous les gradins en fin d'emboutissage par une augmentation simultanée de la pression exercée par les bagues de la matrice. L'invention a aussi pour objet un dispositif d'emboutissage pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus, ce dispositif étant caractérisé en ce que la matrice comporte des bagues concentriques mobiles selon la direction du déplacement du poinçon, et des moyens de pression pour exercer sur lesdites bagues un effort prédéterminé en direction du poinçon, la surface annulaire frontale desdites bagues ayant une forme complémentaire de la surface annulaire du poinçon qui * lui fait face axialement. Selon une disposition particulière, les moyens de pression comportent des éléments élastiques, tels que des ressorts, déterminés pour exercer sur chaque bague de la matrice un effort fonction de la profondeur de pénétration du poinçon dans la matrice. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la 2655576 description qui va être faite à titre d'exemple d'un dispositif et du procédé de mise en oeuvre conforme à l'invention, pour la fabrication de récipients largement évasés tels que des assiettes, en tôle d'acier de 0,18 à 0,21 mm d'épaisseur. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels les figures la à if représentent en demi-coupe axiale le dis- positif d'emboutissage et le flan lors de différentes phases successives de l'emboutissage d'une assiette à gradins, la figure 2 montre une variante du dispositif en fin d'embou- tissage d'une autre forme d'assiette, la figure 3 montre une autre variante appliquée à l'emboutis- sage d'assiettes à paroi latérale lisse, la figure 4 montre une autre variante encore appliquée à l'emboutissage d'assiettes à paroi latérale de section incurvée. L'outil d'emboutissage représenté sur les différentes figures comporte une matrice 1, un poinçon tronconique 2 et un serre-flan 3. La matrice 1 est liée de manière connue en soi à un plateau supérieur 4 d'une presse d'emboutissage De même le poinçon est lié à un plateau inférieur 5 de ladite presse Le serre-flan 3 est monté coulissant sur le plateau inférieur 5, des moyens non représentés étant prévus pour exercer une pression sur le serre-flan 3 en direction de la matrice 1. Entre le serre-flan 3 et le poinçon 2 est intercalé une bague de découpe 6, destinée notamment à effectuer en fin d'emboutissage la découpe périphérique du bord du récipient. La matrice 1 comporte une bague fixe 7 fixée rigidement au plateau supérieur 4 de la presse, et plusieurs bagues concentriques 8, 9, 10, trois dans l'exemple représenté La bague centrale 10 est, dans cet exemple, un disque dont la face 11 en regard du poinçon comporte une zone centrale 12 plane entourée d'une zone tronconique 13, cette bague centrale 10 étant destiné à former le fond du récipient et la partie de la paroi latérale de celui-ci adjacente audit fond. Comme on le comprendra par la suite, ce disque pourrait être remplacé par une bague annulaire présentant une surface conique identique à la surface 13, et un contre-poinçon central prévu pour former, en collaboration avec la partie centrale du poinçon, le fond du récipient La surface de la zone centrale 12 ou du contre-poinçon pourrait aussi être conformée de manière à donner au fond de la boîte un relief particulier. 6 2655576 Les bagues concentriques 8, 9, 10 sont montées coulissantes l'une par rapport à l'autre, et poussées en permanence vers le poinçon par des moyens de pression tels que des ressort 14, 15, 16 Ces bagues, dont le débattement maximum est déterminé en fonction de la profondeur d'emboutissage, sont par ailleurs retenues par des butées 17, 18, 19 limitant leur déplacement en direction du poinçon, de manière que les extrémités inférieurs de ces bagues soient toutes sensiblement dans le même plan avant l'emboutissage. Par ailleurs lesdits ressorts sont déterminés pour chaque bague de manière à pouvoir exercer sur le flan embouti un effort suffisant pour plaquer sur le poinçon la zone annulaire du flan qui se trouve lors de l'emboutissage en regard de ladite bague. Chaque bague comporte une surface tronconique 20, 21, 13 de même conicité que les surfaces annulaires 20 ', 21 ', 13 ' du poinçon situées respectivement en vis-à-vis La bague coulissante externe 8, c'est-à-dire celle ayant le plus grand diamètre, comporte par ailleurs une surface sensiblement plane 22, adjacente à sa surface tronconique , située en visà-vis d'une surface 22-' de la bague de découpe 6, et comprenant préférentiellement une prohéminence ou jonc annulaire 23. Une cuvette annulaire 23 ' de profil correspondant est réalisée dans la bague de découpe 6 Ledit jonc 23 et ladite cuvette 23 ' sont notamment destinés à former sur le bord du récipient une nervure périphérique constituant une piste de thermoscellage pour le soudage ultérieur d'un couvercle d'obturation du récipient Cette disposition permet de plus d'assurer la planéité, en fin d'emboutissage, de ladite piste de thermoscellage, ce qui garantit la continuité et donc l'étanchéité, de la soudure lors de la fermeture du récipient. Les surfaces annulaires coniques 20 ', 21 ',13 ' du poinçon sont par ailleurs reliées par des décrochements 24, 25, qui forment, avec lesdites surfaces annulaires, des gradins circonférentiels, lesdits décrochements étant situés vis-à-vis des surfaces de guidage entre les bagues de la matrice. En liaison avec les figures la à 1 f, représentant les différentes phases d'emboutissage, on va maintenant décrire le procédé d'emboutissage d'un flan 30 de tôle pour former un récipient tronconique de forte conicité tel qu'une assiette. Dans la première phase, représentée à la figure la, le flan 30 est mis en place entre la matrice et le poinçon écartés l'un de 7 2655576 l'autre, le flan reposant sur le serre-flan 3 et la bague de découpe 6, maintenus en position haute par les moyens de mise en pression du serreflan Les bagues coulissantes 8, 9 et 10 sont poussées vers le bas par les ressorts 14, 15, 16, les extrémités inférieures de ces bagues et de la bague fixe 7 de la matrice étant sensiblement dans le même plan horizontal. Le plateau supérieur 4 de la presse est alors poussé vers le bas, jusqu'à ce que la bague fixe 7 de la matrice arrive au contact du flan et presse celui-ci contre le serre-flan 3. Dans cette deuxième phase représentée à la figure lb, la périphérie du flan se trouve donc serrée entre la bague fixe 7 de la matrice et le serre-flan 3, et la zone annulaire 31 du flan située entre la bague externe 8 de la matrice et la bague de découpe 6 est déformée par le jonc 23, l'effort exercée sur ladite bague externe 8 par les ressorts 14 étant suffisante pour empêcher ou limiter son recul, vers le haut Outre la fonction relatée précédemment, de formage de la piste de thermoscellage, le jonc 23 associé à la cuvette 23 ' -participe ainsi, en complément à la pression exercée par le serre-flan, à la retenue de la périphérie du flan, par un pliage et dépliage successifs de celle-ci, lors du glissement du flan entre la bague externe et la bague de découpe, au cours des phases suivantes de l'emboutissage. Dans cette deuxième phase, les extrémités inférieures des bagues 9 et 10 sont juste au contact du flan et dès lors participent au maintien du brin libre, comme indiqué précédemment. Le plateau supérieur 4 continuant à être poussé vers le bas, le flan commence alors à être embouti dans sa partie centrale par l'interaction de la bague centrale 10 avec le poinçon 2. En fin de cette troisième phase, représentée la figure le, la zone annulaire 32 du flan adjacente au fond du récipient est emboutie et pressée entre la surface conique 13 de la bague centrale 10 et la surface correspondante 13 ' du poinçon par l'effort exercé sur ladite bague centrale 10 par les ressorts 16. On remarquera que lors de cette déformation du flan, la périphérie du flan a glissé radialement entre la bague fixe 7 de la matrice et le serre- flan 3, et entre la bague externe 8 et la bague de découpe 6, le jonc 23 participant à la régularité de ce glissement sur toute la périphérie du flan. La descente du plateau supérieur se poursuivant, le poinçon continue de pénétrer dans la matrice en repoussant, relativement à celle-ci, la bague centrale 10 vers le haut et en comprimant les ressorts 16. Au cours de cette quatrième phase, le flan continue à être déformé, le brin libre restant étant soutenu par l'extrémité inférieure de la bague coulissante 9 adjacente à la bague centrale 10. L'effort exercé par les ressorts 15 sur cette bague 9, appelée par la suite bague médiane, est suffisant pour éviter son recul par rapport à la bague externe 8, le brin libre du flan restant alors dans le plan horizontal d'origine du flan Un certain recul de cette bague médiane peut cependant être accepté dans la mesure o, malgré ce recul, la déformation du brin libre reste contenue par la pression exercée par l'extrémité inférieure de ladite bague médiane. En fin de cette quatrième phase, représentée à la figure ld, la zone annulaire 33 du flan, adjacente à la zone annulaire 32, est emboutie et pressée, entre la surface conique 21 de la bague médiane 9 et la surface correspondante 21 ' du poinçon, par l'effort exercé sur ladite bague médiane 9 par les ressorts 15 Simultanément, du fait du décrochement 25 reliant les surfaces 21 ' et 13 ' du poinçon, un gradin est formé entre les zones annulaires 32 et 33 du flan. La cinquième phase est effectuée de manière similaire à la quatrième phase, par poursuite de la descente du plateau supérieur 4, la poursuite de la pénétration du poinçon dans la matrice provoquant le coulissement de la bague médiane 9 dans la bague externe 8 La zone annulaire conique 34 de plus grand diamètre est alors déformée puis serrée entre la surface conique 20 de la bague externe 8 et la surface correspondante 20 ' du poinçon, ainsi que représentée à la figure le, le gradin 36 étant alors formé de manière similaire au gradin 35. On remarquera que, à la fin de cette cinquième phase, la bague de découpe 6 est amenée en butée sur le plateau inférieur 5 et les surfaces supérieures 8 ',9 ',10 ' des bagues 8,9 et 10 sont situées dans un même plan. De ce fait, lors de la sixième et dernière phase de l'emboutissage, ces surfaces viennent simultanément en butée sur le plateau supérieur 4, ainsi que représenté à la figure 1 f Cette sixième phase est une phase de découpe de la périphérie du récipient, cette découpe étant réalisée, lors de la pénétration finale du poinçon dans la matrice, par la bague de découpe 6 qui, étant en butée sur le plateau inférieur 5, se déplace, relativement à la bague fixe 7 de la matrice, simultanément au poinçon, et, en coopération avec cette bague fixe 7, cisaille le bord 37 du flan. En fin de cette sixième phase, l'emboutissage du récipient est terminé et il peut être évacué de l'outil d'emboutissage, de manière connue en soi, après remontée du plateau supérieur 4 et retour des différentes bagues dans leur position de départ représentée à la figure la. Ainsi que cela a déjà été indiqué, le formage des gradins 35, 36 permet de créer une tension supplémentaire du métal du flan qui parti- cipe à la suppression d'éventuels plissements subsistants Dans la description qui vient d'être faite, les gradins sont formés successivement, à la fin de la quatrième et de la cinquième phase d'emboutissage On comprendra aisément que le même effet serait obtenu si tous les gradins étaient formés simultanément en fin d'emboutissage Cela pourrait résulter du fait que, volontairement ou non, la pression exercée sur une bague, par exemple -la bague médiane 9, était insuffisante pour former le gradin correspondant Dans ce cas d'ailleurs la zone annulaire 33 du flan ne serait pas totalement pressée entre le poinçon et la bague 9 en fin de quatrième phase Elle serait cependant maintenue contre le poinçon à proximité du décrochement 25 lors de la quatrième phase, et à proximité du décrochement 24 lors de la cinquième phase. Les figures 2, 3 et 4 montrent en position de fin d'emboutissage différentes variantes du dispositif, destinés chacune à emboutir des assiettes de formes différentes. Dans la variante représentée à la figure 2, les gradins 35 ', 36 ', au lieu d'être formés par des décrochements cylindriques tels que ceux décrits précédemment, sont formés par des décrochements plans dans des plans parallèles On comprendra aisément que les extrémités inférieures des bagues coulissantes sont adaptées en conséquence, et que le procédé sera conduit de manière similaire à ce qui a été décrit précédemment. Il en est de même pour les variantes représentées à la figure 3, o la paroi conique 38 de l'assiette est lisse, sans gradins, la génératrice de la paroi latérale étant rectiligne, et à la figure 4, o la paroi 39 est constituée de plusieurs zones tronconiques de 2655576 conicité croissante vers la périphérie du récipient, la génératrice de la paroi étant alors globalement incurvée. Bien entendu, la forme de la paroi du récipient n'est pas limitée aux différentes configurations représentées uniquement à titre d'exemple En particulier, l'invention s'applique également à la fabrication de récipients de section horizontale non circulaire, la forme du poinçon et des différentes bagues coulissantes étant adaptée en conséquence. Le procédé et le dispositif selon l'invention sont particulièrement adaptés à l'emboutissage de flans de tôle en acier de faible épaisseur, notamment inférieure à 0,2 mm et de caractéristiques mécaniques élevées (Re> 450 M Pa), mais peuvent bien entendu être mis en oeuvre pour l'emboutissage de tôles plus épaisses ou en métal différent Ils permettent notamment la fabrication de récipients de formes variées, la pente des parois, la profondeur du récipient, et ses dimensions pouvant varier largement, la forme des outils et notamment le nombre de bagues étant adaptés en conséquence. REVENDICATIONS 1) Procédé d'emboutissage d'un flan ( 30) de tôle pour la fabrication en une passe d'un récipient de forme générale tronconique, caractérisé en ce qu'on utilise un outil d'emboutissage comprenant un poinçon tronconique ( 2) et une matrice ( 1) comportant des bagues concentriques ( 8,9,10) mobiles perpendiculairement au plan du flan, on déforme successivement des zones annulaires ( 32,33,34) concentriques du flan en commençant par celle de plus petite dimension, chaque zone annulaire ( 32,33,34) étant maintenue pressée vers le poinçon par une bague correspondante (respectivement 10,9,8) à partir du moment o ladite zone est au contact du poinçon et jusqu'à la fin de l'emboutissage, chaque zone annulaire étant par ailleurs en appui sur une bague correspondante tant que la zone annulaire adjacente interne n'est pas appliquée sur le poinçon. 2) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque zone annulaire est maintenue sensiblement dans le plan du flan tant que la zone annulaire adjacente interne n'est pas appliquée sur le poinçon. 3) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le poinçon comporte sur sa surface conique un ou des décrochements ( 24,25) circonférentiels, et des gradins ( 35,36) correspondants sont formés sur la paroi du récipient en cours d'emboutissage entre deux zones annulaires adjacentes du récipient, successivement lors de la mise en contact d'une zone annulaire sur le poinçon par la bague correspondante. 4) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le poinçon comporte sur sa surface conique des décrochements circonfé- rentiels et des gradins correspondants sont formés simultanément en fin d'emboutissage sur la paroi du récipient. 5) Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que on forme sur une zone périphérique plane du flan constituant le bord du récipient embouti une nervure ( 31) périphérique. 6) Récipient de forme générale tronconique, en tôle d'acier de faible épaisseur obtenu par le procédé selon l'une des revendications 12 2655576 1 à 5, caractérisé en ce que la génératrice de sa paroi latérale est rectiligne. 7) Récipient de forme générale tronconique, en tôle d'acier de faible épaisseur, obtenu par le procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la génératrice de sa paroi latérale est incurvée. 8) Récipient de forme générale tronconique, en tôle d'acier de faible épaisseur, obtenu par le procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que sa surface comporte un ou des gradins circonférentiels. 9) Dispositif d'emboutissage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendicatons 1 à 5, comportant un poinçon ( 2) de forme tronconique et une matrice ( 1), caractérisé en ce que la matrice comporte des bagues ( 8,9,10) concentriques mobiles selon la direction du déplacement du poinçon, et des moyens de pression ( 14,15,16) pour exercer sur lesdites bagues un effort prédéterminé en direction du poinçon, chacune des surfaces annulaires frontales ( 20 ',21 ',13) desdites bagues ayant une forme complémentaire de la-surface annulaire ( 20 ',21 ',13 ') du poinçon qui lui fait face axialement 10) Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits moyens de pression comportent des éléments élastiques tels que des ressorts ( 14,15,16). 11) Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits moyens de pression sont déterminés pour chaque bague de manière à exercer sur le flan embouti un effort suffisant pour plaquer la zone annulaire correspondante du flan sur le poinçon.