Brevet FR2723867A1 — publié le 19960301

PROCEDE D'EMBOUTISSAGE HYDRAULIQUE A VOLUME CONSTANT DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne l'emboutissage hydraulique de pièces ou de flans métalliques, c'est-à-dire l'emboutissage où la contre pression est appliquée au moyen d'un liquide, par exemple de l'eau. L'invention s'applique à la fabrication de n'importe quelle pièce à emboutir à partir d'une tôle, notamment de grandes dimensions. Art antérieur et problème posé Les principaux procédés de formage ou d'emboutissage hydraulique connus sont - le formage hydraulique avec membrane, appelé hydroformage ; - le formage hydraulique avec joint d'étanchéité et régulation de pression, et - le formage sur film d'eau, appelé aquadrawformage, qui ne nécessite ni joint, ni régulation de pression, dans sa version traditionnelle. Ces procédés de formage hydrauliques présentent les avantages suivants, vis-à-vis de l'emboutissage conventionnel - Le rapport d'emboutissage est élevé (on rappelle que le rapport d'emboutissage est le rapport du diamètre de la pièce de départ au diamètre du poinçon d'emboutissage). En effet, en emboutissage conventionnel, des efforts de frottement apparaissent au niveau du rayon de la matrice d'emboutissage. Dans le cas du formage hydraulique, la suppression ou la diminution de ces efforts permet d'emboutir les tôles avec des rapports d'emboutissage supérieurs à 2,5, alors que ce rapport ne dépasse pas 2 en emboutissage classique. - Le formage hydraulique permet la réalisation de bossages et de formes complexes. En effet, l'existence d'une contre pression élevée permet de plaquer fortement la tôle contre le poinçon et de reproduire fidèlement sur celle-ci tous ces bossages et formes complexes. Tous ces procédés de formage hydrauliques consistent à emboutir une tôle métallique avec un poinçon métallique, cependant une contre pression est appliquée dans le même temps sur l'autre face de la tôle. Dans la version la plus élémentaire qu'est l'aquadrawformage, la loi de pression résulte simplement de la compression de l'eau dans la cavité de la matrice et de certains paramètres opératoires, tels que les jeux, les fuites, ... De ce fait, la pression peut être réglée en fonction du cycle d'emboutissage. Dans ces trois cas de formage hydraulique, il subsiste un inconvénient majeur : les efforts d'emboutissage à mettre en oeuvre sont nettement plus élevés que l'effort strictement nécessaire à la déformation de la matière. En effet, le déplacement d'un poinçon d'emboutissage de section S perpendiculaire à l'axe de déplacement en présence d'une contre pression de fluide P suppose un effort F égal à F=SxP, c'est-à-dire proportionnel à la section et à la pression. L'effort total mis en oeuvre est la somme de l'effort d'emboutissage plus cet effort dû à la contre pression. Compte tenu des niveaux de pression nécessaires à la mise en forme par les procédés de formage hydraulique (150 à 200 bars pour l'aluminium et 600 à 700 pour l'acier inoxydable), l'effort d'emboutissage devient négligeable devant l'effort de contre pression (environ 1/5). Il s'en suit qu'il est indispendable d'utiliser des machines très puissantes pour pouvoir fabriquer des pièces par un procédé de formage hydraulique. De plus, cette puissance est proportionnelle à la vitesse V d'emboutissage, c'est-à-dire de descente du poinçon. Il s'en suit qu'on est rapidement limité à une vitesse V relativement faible (faible cadence de fabrication) ou une surface d'emboutissage S faible également. L'invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de formage hydraulique évitant la mise en oeuvre de cet effort de contre pression pour être équivalent à des procédés ne mettant en oeuvre que l'effort d'emboutissage tel que les procédés d'emboutissage conventionnels. Résumé de 1invention A cet effet, l'objet principal de l'invention est un procédé d'emboutissage hydraulique d'un flan métallique consistant à placer le flan sur une matrice possédant une chambre centrale, pour permettre l'emboutissage au moyen d'un poinçon pénétrant dans la chambre de la matrice et agissant sur une première face du flan, en utilisant une contre pression hydraulique prévue sur la deuxième face du flan par un liquide placé dans la chambre de la matrice. Selon l'invention - le volume de la chambre est constant, ou presque constant, et - le poinçon est fixe par rapport à un bâti et la matrice est mobile en translation pour que le poinçon pénètre dans la chambre de la matrice. Dans la réalisation principale de l'invention, le fond de la chambre est constitué d'un piston fixe coulissant axialement par rapport et dans la matrice, ce piston étant d'une section équivalente à celle du poinçon. Ceci permet d'obtenir un volume constant dans la chambre centrale de la matrice. De préférence, la matrice est constituée d'une filière ou outil placée sur une pièce mobile. Elle se complète avantageusement de serre-flans pour fixer le flan, mobiles avec la matrice. Une première réalisation de ces serre-flans prévoit qu'ils soient serrés contre la matrice par des vérins montés fixes sur la matrice. Dans une deuxième réalisation, les serre-flans sont serrés contre la matrice par des vérins montés fixes sur le bâti de la machine. La matrice peut être montée mobile au moyen de vérins verticaux montés fixes sur le piston fixe. Dans ce cas, la tige du vérin peut être fixée soit sur le pied du piston, soit sur le bâti. Pour permettre de s'adapter à des formes plus ou moins complexes de pièces à fabriquer, le piston fixe peut être prévu en plusieurs parties. Dans le cas où des parties de la pièce ne sont pas à déformer, on peut prévoir que le piston possède des parois d'isolement surmontées d'un joint pour venir au contact avec la deuxième surface du flan et isoler ainsi ces parties à ne pas déformer, dans le but de limiter l'effort de contre pression mis en oeuvre et encaissé par le bâti. Dans une variante où l'ensemble est placé horizontalement, il est envisagé de rendre fixe la matrice et l'ensemble du piston, du poinçon et du bâti mobile en translation. Liste des figures L'invention et ses différentes caractéristiques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante accompagnée de plusieurs figures qui représentent respectivement - figure 1, une réalisation schématique d'une machine mettant en oeuvre le procédé selon l'invention ; - figures 2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F, six étapes du procédé selon l'invention ; - figure 3, en coupe, un schéma relatif au dimensionnement du piston fixe - figure 4, une deuxième réalisation possible de la machine mettant en oeuvre le procédé selon l'invention ; - figure 5, en coupe, une variante de réalisation du piston - figure 6, une variante de réalisation du piston de la machine mettant en oeuvre le procédé selon 1 invention ; et - figure 7, une variante de la machine mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. Description détaillée de quelques réalisations de l'invention En référence à la figure 1, un flan métallique 1 va être embouti au moyen du procédé selon l'invention dans une machine dont le bâti est repéré 2. Les éléments principaux et fonctionnels de la machine sont un poinçon 3, un piston fixe 4, une matrice mobile 5 et un (ou des) serre-flans 10. Le poinçon 3 est monté fixe sur le bâti 2. En d'autres termes, sa surface opérationnelle 31 est placée sur la partie inférieure du poinçon fixe 3. En dessous de ce dernier est placée la matrice 5. Entre les deux, doit être placé le flan 1. On comprend qu'un mouvement relatif vertical du poinçon 3 ou de la matrice 5 l'un par rapport à l'autre aboutira à une déformation du flan 1 coincé entre ces deux éléments. Ce mouvement relatif peut être obtenu au moyen de vérins 12 montés fixes sur la matrice 5. Le positionnement de ce flan 1 est réalisé à l'aide des serre-flans 10 montés mobiles en translation verticale par rapport à la matrice 5. Cette dernière peut être réalisée de préférence en deux parties composées d'une pièce mobile principale 6 et d'un outil ou filière 7 placé au centre et dessus la partie mobile 6. Ces deux pièces possèdent chacune une cavité pour former une chambre centrale 8 de contre pression dans laquelle se trouve en partie le piston fixe 4. La matrice 5 est montée mobile en translation par rapport au bâti 2. La réalisation décrite sur la figure 1, montre l'utilisation de vérins verticaux 12 placés de manière fixe par rapport au pied 13 du piston fixe 4. Ainsi, cette matrice peut être montée et descendue par rapport au piston fixe 4. Ce dernier peut donc pénétrer à l'intérieur de cette matrice 5. Des joints d'étanchéité 9 sont utilisés entre ces deux pièces. On comprend ainsi que, si la matrice 5 monte, le poinçoin fixe 3 pénètre dans la chambre 8, tandis que le piston fixe 4 s'en retire. Ainsi, le volume global de la chambre centrale reste à peu près constant. On comprend ainsi que la force de contre pression engendrée par l'eau dans la chambre 8 est toujours la même et n'augmente pas lors du mouvement relatif de la matrice 5 par rapport au piston fixe 3. De plus, cette contre pression est encaissée en majeure partie par le piston fixe 4 dont la surface où la section S est relativement importante et est juste inférieure à celle de la chambre 8. Ainsi, cette force de contre pression hydraulique est fixe et est encaissée par le piston fixe 4 et le bâti 2 de la machine. Au contraire, dans les systèmes selon l'art antérieur, cette force de contre pression qui doit être vaincue par le piston mobile oblige à utiliser des machines très puissantes pour pouvoir apporter l'énergie nécessaire à la descente du poinçon à une vitesse suffisante. La matrice 5 et les serre-flans 10 sont donc déplacés au moyen des vérins verticaux 12 de la matrice 5. La force nécessaire pour ce déplacement correspond à la force pure de déformation du flan métallique 1, augmentée d'une éventuelle petite différence due aux écarts de section entre le piston fixe 4 et le poinçon fixe 3. Cette différence pourra être positive ou négative par choix de construction. On note également que, en tant qu'emboutissage hydraulique, le procédé selon l'invention bénéficie des suppressions importantes d'efforts de frottement du flan métallique 1 coincé contre la filière 7, puisque l'eau peut s'évacuer par cet intervalle et former un film réduisant considérablement ces frottements. En se reportant à la figure 2A, la première étape du procédé selon l'invention consiste à placer le flan métallique 1 sur la matrice mobile 5. Celle-ci est écartée du poinçon fixe 3. Le plein d'eau est fait dans la chambre centrale 8. La deuxième étape est représentée par la figure 2B. Le serre-flan 10 a été descendu, grâce aux vérins 11. Le flan 1 est donc serré entre le ou les serreflan(s) 10 et la matrice mobile 5. La pression à l'intérieur de la chambre centrale est ensuite établie par des moyens non représentés. L'eau exerce donc une force très importante sur la surface inférieure 1I du flan 1, quitte à le déformer en le bombant. Le flan 1 peut ainsi être en contact avec le poinçon fixe 3 par sa surface supérieure 1S. La troisième étape, représentée par la figure 2C, montre le début du mouvement relatif de l'ensemble de la matrice 5 et du ou des serre-flan(s) 10 vers le haut, par rapport au bâti 2, au poinçon fixe 3 et au piston fixe 4. Le flan 1 est ainsi déformé par la pénétration du poinçon 3 dans la chambre centrale 8. La surface de déformation 31 commence à donner la forme à la surface supérieure 1S du flan 1. Le piston fixe 4 coulisse à travers le fond 5F de la matrice mobile 5, les joints d'étanchéité 9 permettant le maintien de la pression à l'intérieur de la chambre centrale 8. En référence à la figure 2D, le phénomène de déformation est terminé. On note que le piston fixe 4 continue à coulisser à travers le fond 5F de la matrice mobile 5, le volume à l'intérieur de la cavité centrale restant à peu près constant. Les vérins verticaux 12, fixés par exemple sur le pied 13 du piston fixe 4 permettent ce mouvement. On note que la contre pression de l'eau dans la chambre centrale 8 permet toujours de contrecarrer la résistance statique de pénétration du poinçon fixe 3 dans le flan 1. C'est le bâti 2 qui encaisse les efforts statiques retransmis par le poinçon fixe 3 et le piston fixe 4, alors que dans les procédés selon l'art antérieur, cette force de déformation est dynamique puisque le poinçon est mobile et demande donc une grande puissance. Au contraire, dans le système selon l'invention, seule la puissance nécessaire à remonter l'ensemble de la matrice 5, du serre-flan 10 et du flan 1 est fournie. La figure 2E montre la phase suivante consistant à retirer le flan 1 déformé du poinçon fixe 3. Pour obtenir ce résultat, la pression à l'intérieur de la chambre 8 étant retombée, les vérins verticaux 12 de la matrice 5 sont actionnés dans le sens inverse. En d'autres termes, l'ensemble du flan 1, de la matrice 5 et du ou des serre-flan(s) 10 est redescendu avec vidange de la chambre 8. La figure 2F montre le desserrage du ou des serreflan (s) 10 par rapport à la matrice 5 au moyen des vérins 11. La matrice 5 redescend donc vers le pied 13 du piston fixe 4. Le flan 1 déformé et constituant l'objet à fabriquer repose sur le piston fixe 4. La figure 3 montre le dimensionnement idéal du piston 4 par rapport à la surface déformée du flan 1. En effet, on s'efforce de choisir la section de ce piston fixe 4 égale à la section de cette surface déformée du flan 1. En effet, pour obtenir une telle déformation, la section de la surface inférieure 1I du flan 1 devant être déformée doit être égale à la surface du piston fixe 4 de diamètre D. Ainsi, la force nécessaire à la déformation du flan 1 se retransmet sur l'eau de la chambre centrale 8 sur cette surface. Il importe donc de choisir le piston fixe 4 avec une section équivalente pour que cette force de déformation soit contrecarrée par le piston fixe 4 et que le volume de la chambre 8 soit constant. On note que la déformation du flan 1 dépend également de la forme interne de la matrice 5, et en particulier de l'outillage ou filière 7. La figure 4 montre une variante de réalisation concernant la fixation des vérins verticaux 11 et 12. En effet, les vérins 11 destinés à descendre ou monter le ou les serre-flan(s) 10, et par là même le flan et la matrice mobile 5, sont fixés sur la partie supérieure 2S du bâti 2. Les vérins verticaux 12 destinés à faire monter la matrice mobile 5 sont fixés sur la partie inférieure 21 du bâti 2. Dans ce cas, lors de la remontée de la matrice mobile 5, du flan 1 devant être déformé et du ou des serre-flan(s) 10, les vérins 11 doivent fonctionner en même temps que les vérins 12, en sens inverse, grâce à un asservissement. On peut imaginer de fabriquer des pièces dont les formes sont relativement complexes et pour lesquelles le piston fixe ne peut pas avoir une forme unique en un seul bloc, comme le montre la figure 5. On peut ainsi envisager plusieurs pistons 14 de forme et donc de section différentes. Ces sections et formes sont choisies en fonction des formes à obtenir sur le flan. La somme de leurs sections doit être à peu près égale à la somme des surfaces déformées sur le flan pour pouvoir garder un volume d'eau constant pendant la déformation du flan et contrecarrer de manière à peu près égale la force de contre pression de l'eau. La figure 6 montre une autre réalisation d'un piston fixe 24 réalisé avec une base 15 creuse, à l'intérieur de laquelle est fixée une partie supérieure 16 dont la surface supérieure 16S est en contact avec la surface inférieure 1I du flan, lors de toute la déformation du flan 1. En effet, on constitue ainsi une ou plusieurs paroi(s) d'isolement. Ce cas s'applique lorsqu'une grande partie de la surface du flan 1 ne doit pas être déformée. Il n'est donc pas utile d'exercer une pression, sur la surface 1S du flan 1 de même qu'il n'est pas utile d'exercer une contre pression sur la surface inférieure 1I de ce même flan. On dispose donc de joints 17 sur ces parois d'isolement, que peuvent constituer la surface supérieure 16S de la pièce supérieure 16, pour éviter à l'eau de venir exercer sa pression sur la section ainsi isolée du flan 1. Un ressort 18 peut compléter le dispositif pour assurer le contact permanent entre la partie supérieure 16 et le flan 1. Dans une version axe vertical tel que décrit, on peut imaginer d'inverser les positions relatives du piston 4 et du poinçon 3 et d'avoir ainsi une chambre 8 au dessus du flan. Le cycle des mouvements relatifs décrit dans les figures 2A à 2F sera légèrement différent mais ne modifie en rien le principe du procédé. Dans la variante à axe horizontal et flan vertical, en référence à la figure 7, le montage des figures précédentes est basculé de 90 . Les pièces ont donc un mouvement horizontal les unes par rapport aux autres. Le deuxième changement principal est que la matrice 35 est fixe. C'est l'ensemble du bâti 32, du piston fixe 34 et du poinçon 33 fixe qui se déplace horizontalement. En effet, compte tenu du fait que le mouvement est horizontal, le poids de ces pièces en mouvement peut être beaucoup plus important et il peut donc être envisagé de les installer ainsi horizontalement. Le bâti 32 de la machine coulisse sur la base 50 de la machine au moyen de paliers de translation, soit hydrauliques, soit mécaniques. On prévoit une canalisation 36 d'arrivée de l'eau débouchant dans la chambre centrale 38 de la matrice 35. Une purge 39 complète cet ensemble. En effet, la chambre centrale devra être remplie après que le flan 31 soit placé contre la matrice 35. La purge 39 permet de faire le plein entièrement de la chambre centrale 38. Les vérins d'actionnement 42 de la matrice se trouvent horizontaux, de même que les vérins 41 d'actionnement du ou des serre-flan(s) 40. Avantages de l'invention 1) Tous les efforts importants générés par la pression de l'eau sont reportés sur des pièces fixes telles que le bâti 2, le poinçon fixe 3, le piston fixe 4. 2) Les énergies nécessaires reviennent donc à des valeurs normales et habituelles pour l'emboutissage traditionnel. 3) Ce procédé s' avère d'autant plus intéressant que les sections sont importantes et les pressions de fonctionnement élévées. 4) L'application de ce procédé peut être envisagée sur des machines existantes, compte tenu du faible nombre d'éléments nécessaire à sa mise en oeuvre. REVENDICATIONS 1. Procédé d'emboutissage hydraulique d'un flan métallique (1) consistant à placer le flan sur une matrice (5) qui possède une chambre centrale (8) pour permettre l'emboutissage du flan (1) au moyen d'un poinçon (3) pénétrant dans la chambre (8) de la matrice (5) et agissant sur une première surface supérieure (1S) du flan (1), et à exercer une contre pression hydraulique sur une deuxième surface (1I) du flan (1) par un liquide placé dans la chambre centrale (8), caractérisé en ce que - le volume de la chambre (8) est sensiblement constant, et - le poinçon (3) est fixe par rapport à un bâti (2) de la machine utilisée et la matrice (5) est mobile en translation pour que le poinçon fixe (3) pénètre dans la chambre (8). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fond de la chambre (8) est constitué d'un piston fixe (4) coulissant axialement par rapport et dans la matrice (5), ce piston fixe (4) étant d'une section équivalente à celle du poinçon fixe (3). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice (5) est constituée d'une filière (ou outil) (7) placée sur une pièce mobile (6). 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise au moins un serre-flan (10) pour fixer le flan (1) sur la matrice (5). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le ou les serre-flan(s) (10) sont serrés contre la matrice (5) par des vérins verticaux (11) montés sur la matrice (5). 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le ou les serre-flan(s) (10) sont serrés contre la matrice (5) par des vérins verticaux (11) montés sur le bâti (2) de la machine 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice (5) est mobile au moyen de vérins verticaux (12) montés fixés sur le piston fixe (4). 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le corps des vérins (12) est fixé sur le pied (13) du piston fixe (4). 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le corps des vérins verticaux (12) est monté fixé sur le bâti (2). 10. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le piston fixe est formé de plusieurs parties (14). 11. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le piston fixe (24) possède des parois d'isolement (16S) surmontées de joints (17) pour venir en contact avec la deuxième surface (1I) du flan (1) et isoler ainsi des parties de celui-ci à ne pas déformer. 12. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mouvement relatif du poinçon fixe (3) par rapport à la matrice (5) est vertical. 13. Procédé d'emboutissage hydraulique d'un flan métallique (31) consistant à placer le flan contre une matrice (35) qui possède une chambre centrale (38) pour permettre l'emboutissage horizontal du flan (31) au moyen d'un poinçon (33) pénétrant dans la chambre (38) de la matrice (35) et agissant sur une première surface du flan (31), et à exercer une contre pression hydraulique sur une deuxième surface du flan (31) par un liquide placé dans la chambre centrale (38), caractérisé en ce que - le volume de la chambre (38) est sensiblement constant, et - le poinçon (33) est fixé sur le bâti (32) de la machine, l'ensemble étant mobile en translation et la matrice (35) est fixe en translation par rapport à cet ensemble pour que le poinçon fixe (33) pénètre dans la chambre (38).