Brevet FR2751570A1 — publié le 19980130

PROCEDE DE DECOUPAGE D1UNE PIECE DANS UN FLAN DE TOLE. La présente invention concerne le découpage d'une pièce dans un flan de tôle. Le découpage de pièces dans un flan de tôle est souvent réalisé sur un dispositif à découper comportant essentiellement des organes à arêtes tranchantes, déplaçables l'un vers l'autre. Généralement les dispositifs à découper comportent également un serre-flan permettant de maintenir le flan de tôle en position entre la matrice et le poinçon. Les organes à arêtes tranchantes sont formés, d'une part, par un poinçon de forme correspondante au périmètre à découper dont le mouvement est asservi à celui d'un coulisseau mobile et, d'autre part, par une matrice fixe. La matrice comporte une empreinte de forme conjuguée audit poinçon pour obtenir la découpe désirée. Le poinçon et la matrice sont, en règle générale, métalliques et en particulier réalisés en acier à outil pour découper les tôles métalliques et le plus souvent en carbure. Cette technique de découpage de pièces dans un flan de tôle au moyen d'un dispositif comportant un poinçon et une matrice est très souvent utilisée, par exemple pour réaliser les divers éléments constitutifs du stator des moteurs électriques, ou encore pour réaliser les circuits magnétiques, ou encore dans le domaine automobile dans le cadre de la réalisation de trous pour alléger les structures. Un des inconvénients majeurs de cette technique de découpage réside dans l'usure rapide du poinçon et de la matrice ce qui diminue considérablement la durée de vie de ces outils. Cette usure est due à l'effort de découpage important qu'il est nécessaire de fournir pour découper la pièce et à l'effet de frottement qui se produit entre le bord de la découpe réalisée dans le flan de tôle et le poinçon, au moment de la descente et de la remontée dudit poinçon. Cette usure est d'autant plus importante et rapide que l'acier constitutif de la tôle est difficile à découper. Ainsi par exemple, les aciers dont le rapport entre la limite d'élasticité et la charge à la rupture Re/Rm est inférieur à 0,8 et dont l'allongement pour-cent à la rupture A% est supérieur à 30, sont très difficiles à découper, et les aciers dont le rapport ReIRm est compris entre 0,9 et 1 et dont l'allongement pour-cent à la rupture est inférieur à 20 sont plus faciles à découper. Cette usure est également fonction de la géométrie de la pièce à découper. En effet, les pièces dont la forme est très tourmentée et présente des angles vifs, par exemple du type stator d'un moteur électrique, sont plus difficiles à découper que des pièces de forme géométrique simple. Dans le cas de la découpe d'une pièce dans un acier présentant des caractéristiques mécaniques le rendant difficile à découper ou d'une pièce à géométrie complexe du type "dentelle", on se heurte à un problème de frottements importants entre le bord de la découpe et le poinçon, et on est contraint d'exercer un effort très important pour faire passer le poinçon et pour l'extraire de la tôle après découpe. Ceci introduit des contraintes importantes dans la tôle et ces contraintes en se relaxant induisent une déformation de la pièce réalisée, ce qui oblige souvent à la rebuter, surtout lorsqu'il s'agit de pièces de précision comme des stators de moteur électrique ou des circuits magnétiques. De plus, I'augmentation des efforts de frottement lors de la découpe accroît l'usure dudit poinçon et de la matrice. Pour éviter ce problème de frottements importants entre le métal découpé et les parties actives du poinçon et de la matrice, on augmente généralement le jeu entre ledit poinçon et la matrice. Mais lorsque l'on augmente le jeu entre le poinçon et la matrice, on se heurte à deux types de problèmes. D'abord, dès que l'arête tranchante des outils commence à s'user légèrement, on crée une bavure sur le bord de la découpe ce qui oblige également à rebuter les pièces réalisées. Ensuite, cette augmentation du jeu entre le poinçon et la matrice accroît de manière significative la composante horizontale des contraintes générées dans la tôle, c'est à dire les contraintes de traction. Cette augmentation des contraintes de traction a des conséquences sur la géométrie des pièces et accroît les risques d'apparition de micro fissures au niveau du bord de découpe. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en fournissant un procédé de découpage qui permette de prolonger la durée de vie du poinçon et de la matrice, en réduisant de manière significative l'effort de découpage et l'effet de frottement, tout en conservant un jeu très faible entre le poinçon et la matrice. La présente invention a ainsi pour objet un procédé de découpage d'une pièce dans un flan de tôle au moyen de deux organes déplaçables l'un vers l'autre et comportant des arêtes tranchantes, un poinçon et une matrice, caractérisé en ce qu'il consiste à plaquer le flan de tôle contre la matrice, à réaliser une indentation d'une profondeur p déterminée, et à réaliser la découpe de ladite pièce dans ledit flan de tôle. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - le procédé consiste à plaquer le flan de tôle contre la matrice, à réaliser une indentation d'une profondeur p déterminée au moyen d'un poinçon d'indentation, et à réaliser la découpe de la pièce dans la tôle au moyen d'un poinçon de découpe; - le procédé consiste à plaquer le flan de tôle contre la matrice, à réaliser une indentation d'une profondeur p déterminée au moyen du poinçon, à relever ledit poinçon, et à réaliser la découpe de la pièce dans la tôle au moyen dudit poinçon; - la profondeur p de l'indentation est comprise entre 0 416(1 e~1s279E) 0 0,05E et 0,416(1 - e-1,279E).011E E étant l'épaisseur du flan de tôle (1). Les caractéristiques et avantages apparaîtront mieux à la suite de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure I est une vue schématique en élévation d'un dispositif de découpage pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, - la figure 2 est une vue schématique montrant la phase de réalisation de l'indentation sur le flan de tôle, - la figure 3 représente une courbe montrant le domaine de profondeur de l'indentation en fonction de l'épaisseur du flan de tôle à découper, - les figures 4a à 4c sont des vues schématiques du bord de découpe de la tôle selon les procédés de découpage utilisés. Le dispositif de découpage représenté sur la figure 1 est constitué par un dispositif de type connue utilisable pour la découpe d'un flan de tôle 1. Ce dispositif comporte deux organes à arêtes tranchantes, déplaçables l'un vers l'autre qui sont formés, d'une part, par un poinçon 2 dont le mouvement est asservi à celui d'un coulisseau mobile 3 et de forme correspondante au périmètre à découper et, d'autre part, par une matrice 4 liée à une table fixe 5 et de forme conjuguée audit poinçon 2 pour obtenir la découpe désirée. Dans l'exemple de réalisation représenté, le dispositif de découpe comporte également un serre-flan 6 pour plaquer le flan de tôle 1 sur la matrice 4. Le poinçon 2 et la matrice 4 comportent chacun une arête tranchante respectivement 7 et 8 destinée à coopérer l'un avec l'autre au moment de la descente dudit poinçon pour découper le flan de tôle 1. La pièce peut être constituée soit par la partie découpée 1a dans le flan de tôle 1, la partie restante I b du flan de tôle constituant la chute, soit par la partie restante lb dudit flan de tôle 1, la partie découpée la constituant la chute. Le procédé selon la présente invention consiste: - à plaquer le flan de tôle 1 contre la matrice 4, - à réaliser une indentation 9 d'une profondeur p déterminée, -et à réaliser la découpe de ladite pièce dans ledit flan de tôle 1. Comme représenté sur la figure 2, le serre-flan 6 et le poinçon 2 descendent sous l'action du coulisseau. Le serre-flan plaque le flan de tôle 1 sur la matrice 4 et le poinçon 2 entre en contact avec le flan de tôle 1. La course du poinçon 2 est maîtrisée afin de ne réaliser qu'une indentation 9 sur le flan de tôle, c'est à dire de déformer le flan de tôle 1 sans en effectuer la découpe. La profondeur p de l'indentation 9 est comprise entre 0,416(1 - el279E) - 0,05E et 0,416(1 - el279E) + 0,1 E E étant l'épaisseur du flan de tôle 1. Comme on peut le constater sur la figure 2, la représentation graphique de la profondeur p de l'indentation 9 a été volontairement exagérée dans un soucis de clarté de représentation. Ce n'est qu'après avoir réalisé une indentation 9 sur le flan de tôle 1 que l'on réalise le découpage dudit flan de tôle par les arêtes tranchantes 7 et 8. L'indentation 9 réalisée préalablement à l'opération de découpe permet de modifier localement les caractéristiques mécaniques du métal constitutif du flan de tôle afin d'améliorer son découpage final. Selon un premier mode de réalisation, on peut utiliser deux poinçons 2 différents, le premier étant exclusivement réservé à l'opération d'indentation du flan de tôle 1 et le second étant exclusivement réservé à l'opération de découpe du flan de tôle 1 après indentation. Dans ce cas le procédé selon la présente invention consiste: - à plaquer le flan de tôle 1 contre la matrice 4, - à réaliser une indentation 9 d'une profondeur p déterminée au moyen d'un poinçon d'indentation, - à réaliser la découpe de la pièce dans la tôle I au moyen d'un poinçon de découpe. Ce mode de réalisation permet, lorsque l'étape d'indentation et l'étape de découpe sont réalisés sur deux dispositifs différents, de conserver une cadence de découpe identique à la cadence du procédé de l'état de la technique dans lequel on réalise la découpe en une seule étape. Selon un second mode de réalisation, on peut utiliser le même poinçon 2 pour réaliser l'opération d'indentation du flan de tôle 1 et l'opération de découpe du flan de tôle 1 après indentation. Dans ce cas le procédé selon la présente invention consiste: - à plaquer le flan de tôle 1 contre la matrice 4, - à réaliser une indentation 9 d'une profondeur p déterminée au moyen du poinçon 2, - à relever ledit poinçon 2, - à réaliser la découpe de la pièce dans la tôle 1 au moyen dudit poinçon 2. Ce mode de réalisation permet de réaliser la découpe selon le procédé de l'invention sans nécessiter d'investir dans un dispositif à découper plus complexe. Des essais ont été réalisés et ont permis de montrer l'influence du procédé de découpage selon l'invention sur l'usure des outils de découpe. Ces essais ont consisté à réaliser une découpe sur des flans de tôle de différents types d'acier en faisant varier la profondeur de l'indentation 9 réalisée avant découpage. Dans la phase de découpage du flan de tôle 1, L'énergie dissipée par frottement sur la partie latérale du poinçon 2 a été mesurée. Cette énergie dissipée est représentative de la propension à l'usure dudit poinçon. Le tableau ci-dessous regroupe les compositions en % poids et les caractéristiques mécaniques (en sens travers) des différents types d'acier essayés. Acier C N Si Al Mn P Ni Cr S Re Rm Re/Rm A% (MPa) (MPa) A 0,004 0,004 2,9 0,38 0,19 - . , 387 535 0,72 25 B 0,003 0,005 1,26 0,094 0,283 0,05 - 0,003 295 426 0,68 36 C 0,002 - 0,345 - 0,407 0,175 - - 0,005 321 436 0,73 35 D 0,002 - 1,34 - 1,275 0,013 0,003 299 432 0,69 35 E 0,004 - 0,321 0,002 0,372 0,170 - 0,007 255 397 0,64 37 F 0,029 0,006 0,007 0,057 0,177 0,005 0,015 0,032 - 295 351 0,84 31 L'acier de type A est un acier électrique, la tôle ayant subi un recuit final. Cette tôle est recouverte d'un revêtement du type constitué d'une ou plusieures résines organiques comportant un polymère inorganique (vernis de classe C5 selon la classification ASTM A 345), d'épaisseur comprise entre 1 et 2 microns. L'acier de type B est un acier qui présente un palier de limite élastique égal à 2,2% et la tôle a également subi un recuit final. L'acier C est également revêtu d'un vernis de classe C5. Le tableau ci-après donne les résultats expérimentaux obtenus en fonction de la profondeur p de l'indentation 9. Les essais ont été réalisés sur un dispositif dont le poinçon 2 est en carbure, de diamètre égal à 12 mm, et la matrice 4, également en carbure, de diamètre égal à 12,05 mm, soit un jeu j entre le poinçon 2 et la matrice 4 égal à 0,05 mm. Type d'acier Epaisseur E Profondeur p Energie de la tôle de l'inden- dissipée tation en mm en kJ/mm A 0,2 0 158 A 0,2 0,10 96 A 0,35 0 1215 A 0,35 0,15 875 B 0,5 0 2451 B 0,5 0,20 1928 C 0,65 0 3647 C 0,65 0,10 2772 C 0,65 0,20 2898 C 0,65 0,30 2182 C 0,65 0,40 3336 D 0,65 0 3161 D 0,65 0,25 2518 E 1,00 0 5134 E 1,00 0,20 5170 E 1,00 0,30 3728 E 1,00 0,35 3415 E 1,00 0,40 2807 F 1,00 0 5035 F 1,00 0,30 4609 D'autres essais ont été réalisés, dont les résultats sont reproduits dans le tableau ci- après. Ces essais ont été réalisés sur un dispositif dont le poinçon 2 est en carbure, de diamètre égal à 50 mm, et la matrice 4, également en carbure, de diamètre égal à 50,05 mm, soit un jeu j entre le poinçon 2 et la matrice 4 égal à 0,05 mm. Type d'acier Epaisseur E Profondeur p Hauteur Energie de la tôle de l'inden- cisaillée en dissipée tation en mm mm en kJ/mm C 0,65 0 0,55 904 C 0,65 0,10 0,53 709 C 0,65 0,20 0,47 635 C 0,65 0,25 0,41 C 0,65 0,35 0,35 C 0,65 0,30 712 C 0,65 0,40 696 E 1 0 0,88 1496 E 1 0,20 0,84 1231 E 1 0,25 0,8 E I 0,30 0,79 1231 E 1 0,35 1207 E 1 0,4 1368 On constate une diminution significative de l'énergie dissipée par frottement sur la partie latérale du poinçon lorsque l'on réalise la découpe selon le procédé de découpage selon l'invention. La valeur de cette énergie dissipée est fonction de la profondeur p de l'indentation réalisée. En effet, si l'on observe en détail par exemple le cas de la tôle en acier de type C, cette énergie est égale à 3647 kJ/mm lorsque l'on réalise la découpe selon le procédé de découpe de l'état de la technique sans indentation préalable (p = 0) et celle-ci diminue en fonction de la profondeur p de l'indentation, pour atteindre un minimum égal à 2182 kJ/mm, soit une diminution de 60%, pour une indentation dont la profondeur est égale à 0,30 mm. Ensuite, cette énergie augmente si on dépasse un certain seuil de profondeur de l'indentation. Les nombreux essais réalisés, dont seulement une petite partie est reproduite dans le tableau ci-avant, ont permis de déterminer une valeur optimale de la profondeur p de l'indentation, qui permet de diminuer de manière significative l'usure des outils de découpe. Cette valeur p est fonction de l'épaisseur E du flan de tôle à découper doit de préférence être comprise entre 0,416(1 - e-l279E) - 0,05E et 0,416(1 - e-1279E) + 0,1E (voir domaine hachuré sur la figure 3). On constate également en analysant les valeurs de la hauteur cisaillée du bord de découpe, que celle-ci diminue selon la valeur de la profondeur p de l'indentation. Ce phénomène mérite une explication détaillée. Lorsque l'on réalise la découpe d'un flan de tôle 1 au moyen d'un dispositif comportant un poinçon et une matrice à arêtes tranchantes, le bord de découpe présente deux zones: une première zone 10 cisaillée située coté poinçon, et une seconde zone Il rompue située côté matrice. Lorsque l'on effectue la découpe avec un jeu j entre le poinçon et la matrice faible, de l'ordre de 0,05 mm pour un diamètre moyen du poinçon égal à 50 mm, sans réaliser d'indentation préalable, la zone cisaillée 10 est grande, présentant une hauteur H de l'ordre de 70% de l'épaisseur du flan de tôle, et la zone rompue 11 est petite, de l'ordre de 30% de l'épaisseur du flan de tôle. Cette zone rompue 11 présente un profil général sensiblement droit et dans le prolongement de la zone cisaillée 10 (voir figure 4a). Dans le cas du découpage de flans de tôle en un acier dont les caractéristiques mécaniques sont défavorables, il est connu d'augmenter le jeu j entre le poinçon et la matrice, la valeur de ce jeu j étant alors de l'ordre de 15% de l'épaisseur de la tôle pour un diamètre moyen du poinçon égal à 50 mm. Dans ce cas, la zone cisaillée 10 est moins importante, présentant une hauteur H généralement inférieure à 50% de l'épaisseur du flan de tôle, et la zone rompue 11 est plus importante, généralement supérieure à 50% de l'épaisseur du flan de tôle. De plus, la zone cisaillée 10 présente un bombé important 12 au niveau de son raccordement avec la face principale du flan de tôle, et la zone rompue 11 est oblique (voir figure 4b). L'utilisation du procédé de découpage selon l'invention dans lequel on réalise préalablement une indentation sur le flan de tôle permet de conserver un jeu faible entre le poinçon et la matrice malgré les caractéristiques de l'acier défavorables à l'opération de découpage, tout en obtenant un bord de découpe qui présente une zone cisaillée 10 qui reste importante, sans bombé au niveau de son raccordement avec la face principale du flan de tôle, et dont la zone rompue 11 reste droite dans le prolongement de la zone cisaillée 10 (voir figure 4c). Comme on peut le constater dans le tableau récapitulatif des essais réalisés, le procédé de découpage selon l'invention donne des résultats quelque soit le type d'acier utilisé, que le flan de tôle soit nu (cas des aciers B, D, E et F) ou revêtu (cas des aciers A et C). Ce procédé de découpage est également particulièrement intéressant dans le cas des aciers dits magnétiques, car l'utilisation de ce procédé permet, à caractéristiques mécaniques de l'acier égales, de réaliser la découpe avec un jeu j entre le poinçon et la matrice plus faible, ce qui permet de moins dégrader les propriétés magnétiques du flan de tôle. REVENDICATIONS 1 - Procédé de découpage d'une pièce dans un flan de tôle (1) au moyen de deux organes déplaçables l'un vers l'autre et comportant des arêtes tranchantes, un poinçon (2) et une matrice (4), caractérisé en ce qu'il consiste: - à plaquer le flan de tôle (1) contre la matrice (4), - à réaliser une indentation (9) d'une profondeur p déterminée, -et à réaliser la découpe de ladite pièce dans ledit flan de tôle (1). 2 - Procédé de découpage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste: - à plaquer le flan de tôle (1) contre la matrice (4), - à réaliser une indentation (9) d'une profondeur p déterminée au moyen d'un poinçon d'indentation, - à réaliser la découpe de la pièce dans la tôle (1) au moyen d'un poinçon de découpe. 3- Procédé de découpage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste: - à plaquer le flan de tôle (1) contre la matrice (4), - à réaliser une indentation (9) d'une profondeur p déterminée au moyen du poinçon (2), - à relever ledit poinçon (2), - à réaliser la découpe de la pièce dans la tôle (1) au moyen dudit poinçon (2). 4 - Procédé de découpage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la profondeur p de l'indentation est comprise entre 0,416(1 - e-1279E) - 0,05E et 0,416(1 - e-1279E) + 0,05E E étant l'épaisseur du flan de tôle (1).