Brevet FR2833503A1 — publié le 20030620

circule. 1 2833503 La présente invention concerne un procédé et un dispositif d'assemblage par pénétration de pièces en t81e situées à plat l'une sur l'autre, dans lequel, au moyen d'un outil d'assemblage constitué par un S poinçon et par une matrice comportant une enclume, des pièces en tôle, des profilés ou des composés à plusieurs t81es sont partiellement déplacé(e)s hors du plan de la t81e sous l'effet d'une énergie de déformation, et sont pressé(e)s. Lors de l'assemblage par pénétration connu, appelé également sertissage, un poinçon pénètre, lors d'une course de travail, dans les toles à relier, une matrice fixe ou subdivisée réalisant la forme sur le A,, cote oppose. Par réalisation du renfoncement au moyen des outils, on obtient, outre la coopération de forces, l'effet connu de la coopération de formes que l'on appelleeffet de contre-dépouille entre les éléments à assembler, et cette opération est effectuée habituellement jusqu'à une réduction envisagée de l'épaisseur du fond. Dans ce cas, dans la t81e côté poinçon, l'épaisseur initiale du matériau dans la zone du poinçon de sertissage est fortement rétrécie jusqu'à atteindre ce que l'on appelle l'épaisseur au col. En principe, pour augmenter la solidité de la jonction, une contre-dépouille importante et une épaisseur au col importante sont essentielles. Une autre augmentation de la solidité de jonction résulte du soudage à froid dans les zones présentant le degré de déformation le plus élevé entre les éléments à assembler. Un dispositif d'assemblage du type générique est connu du document EP 0 890 397 A1. Lors de l'enfoncement par à-coups ou en pulsation du poinçon dans la pièce à assembler côté poinçon, l'accélération du poinçon est si élevée que lors de la pénétration du poinçon dans la pièce à assembler, le poinçon entrâîne moins de matériau hors de la pièce à assembler jusque dans la matrice que lors de l'assemblage avec l'application de force hydraulique habituelle jusqu'à présent. Lors de l'application de force par pulsations, la zone de la pièce à assembler au dessous de la surface frontale du poinçon est plus fortement étirée. A 2 2833503 Pour l'application de la force, on peut loger des entraînements différents dans le mécanisme de percussion prévu pour la pénétration du poinçon. On utilise des entraînements pneumatiques, comme par exemple dans un burin ou dans un marteau pneumatique, des entrâînements électriques comme par exemple avec un entrâînement à manivelle rotative, des moteurs à faux-ronds ou un entrâînement électromagnétique ou électropneumatique ou servo-hydraulique. Ainsi, on peut faire varier la fréquence et l'intensité et la vitesse de percussion à l'intérieur d'une certaine plage. On connaît du document DE 100 60 035 A1 un dispositif pour l'assemblage mécanique de tôles, de profilés et/ou de composés à tôles multiples, dans lequel le poinçon d'un outil d'assemblage constitué par une partie supérieure et par une matrice pénètre dans une pièce à assembler par plusieurs coups qui se succèdent brièvement et qui agissent sur ledit poinçon ou par pulsation avec une fréquence d'excitation. La surface enveloppe du poinçon est en outre réalisée de manière à éviter des glissements au moins dans la zone du tronçon d'extrémité avant libre du poinçon. Ainsi, il se produit une augmentation du coefficient de friction entre l'enveloppe de la pointe du poinçon et la pièce à assembler. Une autre réduction de l'étirage du matériau situé au-dessous de la surface frontale de la pointe du poinçon s'effectue par la réalisation anti-glissement supplémentaire de la surface frontale du poinçon. On peut obtenir cet effet anti-glissement en rendant rugueuses lesdites surfaces du poinçon. Habituellement, la surface enveloppe du tronçon d'extrémité libre et la surface frontale du poinçon sont pourvues de stries ou de nervures périphériques. Dans une autre réalisation de l'effet antiglissement des surfaces du poinçon, celles-ci peuvent être pourvues d'un revêtement anti-glissement. L'augmentation du coefficient de friction des surfaces du poinçon fait que lors de la pénétration du poinçon dans la pièce à assembler, plus de matériau est entrâîné hors de la zone de l'élément à assembler adjacente à l 'emplacement d ' ass emblage, matériau qui est alors di sponible pour l'opération de refoulement formant la contre-dépouille et l'étirage plus grand lié à celle-ci dans la zone de col de l'emplacement d'assemblage mène à une solidification plus élevée de cette zone de col et à des valeurs caractéristiques de solidité améliorées de l'emplacement d'assemblage. Au moyen du degré de déformation et de la contre dépouille, on peut obtenir ici également une autre augmentation de la solidité de la jonction par amélioration du soudage à froid. L'objectif sousjacent à l'invention est d'augmenter davantage le degré de l'assemblage de la jonction lors de l'opération d'assemblage par pénétration. Quant au procédé l'invention est indiquée dans les caractéristiques de la revendication 1 et quant au dispositif elle est indiquée dans les caractéristiques de la revendication 5. Les autres revendications indiquent des réalisations et développements avantageux de l'invention. Le procédé conforme à l'invention comprend un procédé d'assemblage par pénétration dans lequel on réduit les forces de compression à fournir en une passe de travail lors de l'assemblage par pénétration classique. Conformément à l'invention, l'énergie de déformation est appliquée au moyen d'une oscillation de haute fréquence du poinçon à titre de sonotrode dans la plage des ultrasons. On associe au système en oscillations une faible masse et une énergie de percussion comparativement faible avec une haute fréquence de percussion, et ceci avec adaptation optimale. De même, on peut appliquer l'énergie de déformation également au moyen d'une oscillation de haute fréquence de l'ensemble de la matrice 4 2833503 ou seulement à certains emplacements de la matrice et de préférence sur le poinçon et sur la matrice. Dans un tel dispositif, on prévoit alors une unité à ultrasons par exemple à des emplacements opposés ou également sur plusieurs unités à ultrasons des couches de matériau à assembler. Les unités à ultrasons coopèrent de manière à appliquer leur apport d'énergie de préférence simultanément depuis des zones opposées hors du poinçon et de la matrice jusque dans la zone d'assemblage des couches de matériau à assembler. À cet effet, les unités à ultrasons respectives sont adaptées les unes aux autres à l'égard de leurs paramètres que sont la puissance, la fréquence, l'amplitude et la situation en phase. Lors de l'opération d'assemblage, le poinçon et/ou la matrice sont alors guidés linéaires l'un par rapport à l'autre au moyen d'organes de positionnement. L'application de la force peut étre modulée de façon ciblée par variation de la fréquence, de l'amplitude et de la situation en phase de l'oscillation de haute fréquence du poinçon. L'ensemble du dispositif de déformation est isolé par rapport aux oscillations. De préférence, l'outil d'assemblage est mis en oscillations d'une valeur dépendant du cas individuel respectif. Dans ce cas, le poinçon et la matrice forment conjointement un système d'oscillations couplé. Pour supprimer les fréquences propres de l'ensemble de la machine, on peut influencer le cadre vis-à-vis de son comportement oscillatoire. Ceci s'effectue par des moyens supplémentaires à l'aide de masses supplémentaires ou de rigidifications variables. En raison de la haute fréquence d'excitation des coups de l'outil d' as semblage, il ré sulte des forces de pointe élevée s pendant un temp s d'action court. En correspondance, la force de pressage générée par les organes de positionnement peut être réduite pendant l'opération d'assemblage. Le cas échéant, le mouvement effectué par le poinçon et 2833503 par la matrice l'un par rapport à l'autre n'a lieu qu'avec une faible compression ou même seulement en mode suiveur. L'application de la force par ultrasons s'effectue via le poinçon pendant une phase d'enfoncement tout d'abord de préférence longitudinalement, c'est-à-dire en direction de l'épaisseur de la tôle par des coups rapides de l'outil. Ensuite, pendant une opération de refoulement à froid, les ultrasons sont appliqués via une oscillation de torsion en sens alternants et/ou avec une oscillation translatoire de préférence en direction du plan de tôle dans la pièce à assembler. Ceci permet, en supplément au soudage à froid, une amélioration locale de l'élimination de contaminations sur la surface pour agrandir les zones soudées à froid. Grâce à ceci, en supplément à la liaison en coopération de forces et de formes, les pièces à assembler sont reliées l'une à l'autre en coopération de matières dans la zone de l'épaisseur de l'âme (épaisseur résiduelle du fond). Ceci mène à une résistance accrue au cisaillement ou à la traction. Ainsi, on établit une liaison en coopération de forces et/ou de formes pendant la phase d'enfoncement/pénétration et une liaison en coopération de matières de préférence pendant l'opération de refoulement à froid. La chaleur de friction engendrée par les ultrasons a un effet d'assistance pour rendre plus facile la déformation en raison de la réduction, dépendante de la température, de la résistance à la déformation des pièces à assembler. Les tôles peuvent être revêtues ou traitées en surface, elles peuvent présenter des épaisseurs différentes, être constituées de matériaux différents ou posséder une couche intermédiaire. 6 2833503 Lors de l'assemblage par pénétration avec une composante de coupe, l'élément d'assemblage se forme sous l'effet local d'une opération combinée de coupe par cisaillement et d'assemblage par pénétration et d'un refoulement à froid. Le matériau de tôle déplacé hors du plan de la t81e est refoulé, de sorte qu'une liaison par coopération de forces et de formes résulte par élargissement. Lors de l'assemblage par pénétration sans composante de coupe, on établit une liaison par coopération de forces, de formes et de matières par formage par fluage dans une opération combinée d'enfoncement et de pénétration, dans laquelle l'enfoncement limite la zone d'assemblage, ainsi que dans une opération de refoulement à froid dans laquelle le volume de matière pénétré est refoulé. Dans ce cas, il y a des comportements de fluage différents de la pièce à assembler côté matrice et de la pièce à assembler côté poinçon. Un avantage particulier de l'invention est la liaison en coopération de matières des pièces à assembler, qui s'ajoute à la liaison en coopération de forces et de formes dans la zone de l'épaisseur de l'âme (épaisseur résiduelle du fond). La résistance accrue au cisaillement ou à la traction qui en résulte élargit les possibilités d'application de l'assemblage de t81es par déformation ou procure même de nouvelles applications pour des jonctions assemblées mécaniques en raison des propriétés matérielles améliorées des pièces assemblées. De plus, on a la possibilité de réaliser des dispositifs de mise en forme avec des porte-à-faux plus importants et avec des espaces libres plus grands, car on peut ainsi réduire l'intensité de la force de déformation nécessaire. Revendications 1. Procédé d'assemblage par pénétration de pièces en t81e situces à plat l'une sur l'autre, dans lequel, au moyen d'un outil d'assemblage S constitué par un poinçon et par une matrice comportant une enclume, des pièces en tôle, des profilés ou des composés à plusieurs tôles sont déplacés conjointement hors du plan de la tôle sous l'effet d'une énergie de déformation et sont pressés, caractérisé en ce que l'on applique l'énergie de déformation au moyen d'une oscillation de haute fréquence du poinçon (sonotrode) dans la plage des ultrasons, et en ce que l'on applique l'oscillation de haute fréquence dans l'opération d'assemblage pendant une phase d'enfoncement/pénétration longitudinalement en direction de l'épaisseur de la tole, et ensuite on applique, pendant une opération de refoulement à froid, une oscillation de torsion en sens 1S alternants et/ou une oscillation translatoire en direction du plan de la tôle. 2. Procédé d'assemblage par pénétration selon la revendication 1, caractérisé en ce que pendant l'opération d'assemblage le poinçon et/ou la matrice sont guidés linéairement l'un par rapport à l'autre par des organes de positionnement. 3. Procédé d'assemblage par pénétration selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que pendant l'opération d'assemblage, on fait varier la fréquence, l'amplitude et la situation en phase de l'oscillation de haute fréquence du poinçon pour optimiser l'application des forces. 4. Procédé d'assemblage par pénétration selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on établit une liaison en coopération de forces et/ou de formes de préférence pendant la phase d'enfoncement/ pénétration et une liaison en coopération de matières pendant l'opération de refoulement à froid. 8 2833503 5. Dispositif d'assemblage par pénétration de pièces en tôle, de profilés ou de composés à plusieurs tôles, situés à plat l'un sur l'autre, constitué par un cadre avec un outil d'assemblage agencé dans celui-ci et comprenant un poinçon et une matrice avec une enclume, caractérisé en ce que l'outil d'assemblage est pourvu de dispositifs à ultrasons qui appliquent une force pulsatoire sur les pièces à assembler, les