Brevet FR2743738A1 — publié le 19970725

Procédé et disPositif Dour le Doinconnaqe des tôles iiétalliaues avec une consommation réduite d'énergie L' invention concerne un procédé et un dispositf pour le poinçonnage des tôles métalliques avec une consommation réduite d'énergie, en appliquant des chocs dynamiques sur le poinçon avec une des vitesses critiques, capable de produire l'effet CASTETTTN: decouvert par le le Professeur Universitaire N.D. POPESCU-CASTELLIN et presenté à la Conférence sur le COMPORTEMENT DES MATERIAUX à Kyoto (Japon) le 15-20 Août 1971 dans 1 'article"Experimental Research on the Resistance to Dynamic Shearing of Metals" .L'effet CASTEILIN est caractérisé par la consommation minimale d'énergie dans le processus de rupture du matériau, suite à une sollicitation dynamique de cisaillement. Dans le but de reduire la consommation d'énergie, le Professeur CASTEIJIN a établi une méthode pour déterminer les conditions nécessaires pour l'apparition de l'éffet CASTELLIN. Cet effet apparait si le choc dynamique utilisé dans les divers technologies d'usinage est appliqué avec une certaine vitesse, qu'on appele vitesse critique Vcr. Pour chaque matériau il y a une vitesse critique minimale avec laquelle le choc dynamique doit être appliqué pour produire l'éffet CASTELLIN . Cette vitesse a une valeur bien determinée qui depend des caractéristiques élastiques et de la densité du matériau usiné. On connait les méthodes de perforation des tôles métaliques par l'application d'un poinçon avec des forces de travail planes, où des forces avec action statique ou dynamique. Le desavantage de ces méthodes est qu'elles nécessitent une consommation élevée d'énergie, parceque la vitesse d'application de ces forces est différente de la valeur critique. La méthode Castellin est particulièrement destinée a établir des technologies appropriées à des machines comme: le tour, la fraiseuse, la raboteuse, etc. pour que dans le processus d'usinage la consommation d'énergie soit la plus réduite. Le procédé proposé dans l'invention élimine le désavantage mentionné auparavant. Dans le but de réduire la consommation d'énergie pour la perforation des tôles, on applique sur le poinçon utilisé, des chocs dynamiques, avec certaines vitesses, égales à une des vitesses critiques, l'énergie du choc ayant des valeurs caractéristiques, de façon que celle-ci se consomme en totalité dans le processus de perforation. Pour exécuter des trous avec le diamètre d, dans des tôles metalli- ques d'épaisseur h, avec une consommation réduite d'énergie, on utilise un poinçon sur lequel on applique des chocs dynamiques avec des vitesses critiques, capable de faire apparaître l'effet Castellin. Pour que la totalité du choc soit utilisée dans le processus, la force doit avoir une valeur caractéristique, sachant que pour chaque matériel il existe plusieurs vitesses critiques. La vitesse critique minimale (Vcr.l) avec laquelle le choc dynamique doit être appliqué pour produire l'effet Castellin, a une valeur bien déterminée pour chaaue matériau aui deend des caractéristiques élastiques (E et G) et de la densité du matériel usiné (y ): Les autres vitesses critiques supérieures, sont calculées avec la formule: Vcr.n = fi Vcr.1 (cm/s) (1) où n=1,2,3,4,.. Si par exemple n = 2 l'énergie du choc est le double de l'énergie critique. La taille du Vcr.l correspond aux caractéristiques élastiques et aux dimensions du métal usiné, égal à 450 cm/s pour l'acier et 435 cm/s pour 1 'aluminium laminé. La force des chocs doit être lancée d'une des hauteurs critiques pour obtenir ces vitesses: V2 cr. 1 Hcr.n = n Hcr.l = n ---------------- (2) 2g où : n = 1,2,3,4,... g = 981 cm/s2 - l'accélération de la chute libre. La vitesse critique avec laquelle on doit appliquer le choc dynamique peut être obtenue par les méthodes suivantes: 1) On lance un poids égal à Fcl sur le poinçon, de l'une des hauteurs critiques, calculée avec l'expression (2) 2) On utilise l'allongement d'un ressort éllicoidal, de constante élastique K, comprimé par un disque de masse m, de telle façon que la distance entre ses extrémités soit reduite d'une quantité X, déterminée par l'expression où n = 1,2,3,4,... Appliquant l'expression (2) on obtient les valeurs suivantes pour les hauteurs minimes critiques: 103 cm pour l'acier et 96 an pour l'aluminium laminé. Pour que la totalité de l'énergie du choc soit consommée dans le processus de perforation d'une tôle métallique d'acier, l'aire de la section latérale du trou étant Af = # dh (d = le diamètre du trou, h = l'épaisseur de la tôle) la force du choc formulée par N.D.PoPESCU-CASTELLIN s'exprimera : 1 + 1,5 2 Fc.1 = 17,66 # dh (4) ( 1 + )2 Dans cette relation, p est le coefficient de Poinsson qui correspond au matériel sollicité. L'énergie du choc aura l'expression: V2cr#n Fcr#1 nV2cr#1 Fcr#1#V2cr#1 Wcr#n=Fcr#n# = # = (daN#cm) (5) 2g n 2g 2g Dans le cas des tôles d'acier ou = 0,25 , en appliquant la formule (4) on obtient la force du choc qui assure 18 consommation totale de l'énergie du choc dynamique Fc#1 = 38,82 dh (6) Cette force, appliquée avec une vitesse critique Vcr.n, donne l'énergie du choc nécessaire pour perforer les tôles d'acier: Vscr.l Wch.n = 38.82 dh ------ = 4004 dh ( daNcm) (7) 2g (g= 981 cm/s2) Wch.n d'où on obtient : dh = (cm2) (8) 4004 m V2cr#n où : Wch.n = --------- 2 Dans la présente invention on utilise un poids cylindrique confectionné d'acier (le rayon de 4 ca, la hauteur de 5 c ) qui pesse 1.97 daN et d'une aasse u = 0,002 daN/cm .8'. Si on lance ce poids avec la vitesse critique minimale Vcr.l = 450 cm/s, l'expression (9) pour n=1, sera: Vch.1 = 202,50 (da N cm) (10) Vu l'expérssion (8), la totalité de l'énergie du choc dynamique sera consommée pour effectuer des trous de diamètre d, dans des tôles d'acier ayant l'épaisseur h, si dh a la valeur: 202,50 dh = ---------- = 0,05 cm2 (11) 4004,00 Il résulte qu'on peut obtenir des trous de diamètre d= 0,50 ci dans des tôles d'acier d'épaisseur h = 0,10 cm, si le choc dynamique est appliqué sur le poinçon avec la vitesse Vcr.1= 450 cm/s et si le poids de 1,97 daN est lancé sur le poinçon d'une hauteur Hcr.l = 103 cm. Dans le cas où le poinçon a une action statique, vu que l'effort unitaire tangentiel de rupture t r = 3200 daN/cm2, il résulte que pour effectuer Le même trou, on a besoin d'une force de 502,42 daN (//y dh r = 3,14.0,05.3200) c'est à dire de 255 fois plus forte que la force de 1,97 daN, lancée avec la vitesse critique minimale. Si le meme poids est appliqué sur le poinçon avec la deuxième vitesse critique Vcr.2 = 5 Vcr.1 = #2.450 = 636 cm/s, l'énergie du choc étant Wch.2 = 2 Wch.l = 2.202,50 = 405 daN.cm (obtenue si on lance le poids de 1,97 daN d'une hauteur Hcr.2 = 2.Hcr.1=206cm) on peut percer des trous avec les caractéristiques: 405 dh = -- = 0,10 cm2 (12) 4004 Dans ce cas, on peut réaliser des trous de diamètre d = 1,00 cm dans une tôle d'acier d'épaisseur h=0,10 cm et de diamètre d=0,50 cia pour une épaisseur de h = 0,20 cm. Les même vitesses pour l'application des chocs dynamiques peuvent être obtenues en utilisant l'allongement d'un ressort éllicoïdal,comprimé par un disque de masse m, de telle façon que la distance entre ses extrémités soit reduite avec la distance x, en utilisent un dispositif assez connu (son fonctionnement sera presenté dans la dernière partie).La vitesse d'application du choc est déterminée par l'expression La constante élastique(K) du ressort est calculée avec l'expression: G. d4 K = ----------- (14) 8.Dm .n où G est le module d'élasticité transversal du matériel du ressort, d est le diamètre de la section transversale du câble Dm est le diamètre moyen d'enroulement et n est le nombre des spirales actives du ressort. Pour exemplifier, on considère que le ressort éllicoidal a les caractéristiques suivantes G = 850.103daN/cma, d = 0,4 ci, Dm = 3,0 ci n = 10 spires actives, En appliquant l'experssion (14 > on obtient K = 10,0 daN/cm. Utilisant un poids de masse m=0,002 daN/cm.s2,on déduits du(13): Pour que le disque de masse m soit appliqué sur le poinçon avec la lère où la 2ème vitesse critique (Vcr.l=450 cm/s, ou Vcr.2= 636 cm/s, le ressort doit être comprimé avec Vcr.l 450 Xl = -------- = ---------- = 6,4 cm 70,71 70,71 (16) Vcr.2 636 X2 = ------- = --- ---- = 9,0 cm 70,71 70,71 Un exemple de réalisation de l'objet de l'invention est présenté sur les dessins en annexe: - Fig 1 représente la section longitudinale du dispositif pour le poinçonage des tôles. - Fig 2 représente l'appareil après l'application de la force F sur le couvercle. Le dispositif est constitué d'un poinçon(l), une tige cylindrique(2), un disque ou un poids (3), un cylindre (4), un ressort éllicoidal cylindrique (5) librement posé, deux cliquets (6a et 6b) qui pivotent sur un axe (c), un petit ressort (7), un couvercle (8), une pièce speciale (9), un épaulement de la tige(l0). Le poinçon (1), se trouve en position suspendue au-dessus du plateau de travail, par rapport auquel il se déplace perpendiculairement, le dit poinçon etant solidaire d'une tige cylindrique (2) prevue à sa partie supérieure d'un disque (3), coulissant dans un cylindre (4) et sur lequel s'appuie un ressort éllicoidal cylindrique (5). Le cylindre peut se déplacer verticallement et il est prevu d'un ressort (5) à l'interrieur qui se pose librement sur le disque(3) et se fixe à sa partie supérieure à la pièce speciale(9). Pendant le fonctionnement, le dispositif est placé sur la tôle qui doit être poinçonné. Le poinçon est soutenu par la tige. Au tour de la tige se trouve un poids qui glisse dans l'intérieur du cylindre (4). On appui l'appareil sur la tôle qui doit être poinçonnée avec une force de compression F F = K.x (17) où k est la constante élastique du ressort calculée à l'aide de l'expression G . d4 K = 8. Dm. n pour la valeur X1 = 6,4 cm On se refère à la Fig 2 : le couvercle (8) est enfillé à l'extremité supérieure du cylindre(4). La force F calculé à l'aide de l'expression F = K.x par l'application d'un poids de masse m, lancé d'un hauteur critique Hcr. sur le couvercle (8). fait descendre le cylindre (4) et la pièce speciale (9) qui est fixée à l'interrieur du cylindre (4) tout en comprimant le ressort (5) d'une quantitée qui,une fois atteinte fait pivoter les cliquets mobiles (6a,6b) sur l'ax (c) relâchant le disque (3) en le lancant sur l'épaulement (10) de la tige (7) avec une vitesse critique Vcr et une force de choc Fc.1 = 38.82 dh. Sous l'action des deux plans inclinés(9a et 9b) les 2 cliquets (6a et 6b) relâche le disque (3) ( quand le ressort a subit la compression X). Suite à la détente du ressort (5) le disque est lancé sur l'épaulement (10) de la tige (2) avec une vitesse critique qui correspond à la compression X du ressort (5). Pour X1= 450:70,71=6,4 cm la force de compression sera: F1 = 64 daN. Un fois le choc appliqué le petit ressort (7), (compriauné dans la phase initiale) se détend et le cylindre (4) revient dans sa position initiale, ainsi l'opération peut se répéter. REVENDICATIONS: 1. Procedé pour le poinçonnage des tôles sétalliques, capable de produire l'effet CASTELLIN pendant la rupture des matériaux sollicités dynamique au cisailleient, caractérisée en ce que, dans le but l'effectuer des trous de diamètre d, dans des tôles métalliques d'épaisseur h, avec une consommation reduite d'énergie, il utilise un poinçon sur@quel on applique des chocs dynamique avec la vitesse critique de 450 cm/s pour l'acier et de 435 cm/s pour l'aluainiui lainé, calculée avec l'expression Vcr.l= G 981/E (E et G sont les caractéristiqu élastiques du matériel usiné, 6 étant la densité). 2. Appareil pour la production des chocs dynamiques, nécessaires au poinçonnage des tôles métalliques caractérisé par le fait que, pour la aise en oeuvre du procedé selon la revendication 1 , il est coRtitué d'un poinçon (1), se trouvant en position suspendue au-dessus du plateau de travail par rapport auquel il se déplace perpendiculairement, le dit poinçon etant solidaire d'une tige cylindrique (2) pourvue à sa partie supérieure d'un disque (3) coulissant dans un cylindre (4) et sur lequel s'appuie un ressort éllicoïdal cylindrique (5) posé librement sur le disque (3) et fixé à sa partie supérieure à une pièce speciale (9), 3 Appareil selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il est placé sur la tôle qui doit être poinçonnée et, dans le but d'utilisée la totalitée d'énergie est actionné par l'application d'un poids de masse i lancé d'une hauteur critique Hcr avec une force de coipression: F = K.x , où K est la constante élastique du ressort, sur le couvercle (8). 4. Appareil selon la revendication 3 caractérisé en ce que la force F appliquée sur le couvercle ( 8) qui est enfilé à l'e > drémité supérieure du cylindre (4) comprime le ressort ( 5 ) d'une quantité: qui une fois atteinte fait pivoter les cliquets mobiles ( 6a et 6b ) sur l'axe (c) relâchant le disque (3) en le lancent sur l'épaulement ( 10) de la tige (2) avec une vitesse critique Vcr. et une force du choc: 1 + 1,5 p2 Fc. 1 = 17,66 ------------------------------ dh (1 +*)2 (ou d = diamètre du trou, h = I'épaisseur de la tôle ) qui fait descendre le couvercle (8) et la pièce spéciale (9) suite à quoi le petit ressort (7) se détends et le cylindre (4) revient dans sa position initiale et l'opération peut se répéter.