Brevet FR2850304A1 — publié le 20040730

i L'invention concerne un procédé ainsi qu'un dispositif pour la fabrication, à partir d'une tôle de métal, d'un flan variant en épaisseur au moins dans une zone, en particulier pour la réalisation d'éléments de structure pour véhicules automobiles. Les flans métalliques variant en épaisseur, de préférence en tôle d'acier, sont de plus en plus employés dans la construction automobile. Ils permettent de réduire le poids des éléments de structure en rapport avec leur fonction. Ces éléments de structure sont par exemple les colonnes A, B et C, les pare-chocs ou leurs traverses, les cadres de toit, les longerons 10 latéraux de collision, les logements de jambe de force à ressort ainsi que d'autres pièces de carrosserie. Pour préparer des tôles ayant des épaisseurs diverses, on sait assembler des tôles, le cas échéant de diverses nuances d'acier, ayant des épaisseurs différentes, appelées "tailored blanks". On connaît aussi l'utili15 sation de "patchwork blanks". Ce sont des tôles variant en épaisseur posées parallèlement les unes sur les autres, lesquelles sont reliées au moyen de procédés d'assemblage appropriés. Par DE 42 31 213 Ai, on connaît un procédé pour la fabrication d'un corps profilé réalisé par compression ou par emboutissage profond 20 avec des zones d'épaisseurs de paroi diverses. A cet effet, avant la compression ou l'emboutissage profond, le matériau de départ, c'est-àdire un flan ou une bobine de feuillard déroulée, est amené, dans les zones ultérieurement plus minces, à l'épaisseur plus faible souhaitée par laminage sur la longueur. Ce procédé ne permet de régler que des épaisseurs 25 diverses sur la longueur. On sait en outre fabriquer des flans ayant des épaisseurs différentes sur leur surface par des procédés d'érosion mécaniques. DE 100 63 Ai décrit un procédé pour la fabrication de flans en tôle métallique variant localement en épaisseur pour la réalisation d'éléments de structure pour véhicules automobiles. La tôle métallique utilisée au départ possède une épaisseur qui correspond.à l'épaisseur de matière maximale souhaitée. 5 Dans les zones o une réduction d'épaisseur de paroi est souhaitée, la matière de la tôle métallique est déplacée transversalement par déformation plastique par poussée. Le cambrage dans la tôle métallique fait apparaître des dépressions ou affaissements avec un creux, vu d'un côté, et une élévation, vu de l'autre côté. Les élévations sont ensuite érodées par enlè10 vement de copeaux par un outil d'usinage, comme une fraise, jusqu'à ce qu'il ne reste plus dans le flan que des zones d'épaisseur réduite à la place des anciennes élévations. Ce procédé présente l'inconvénient de nécessiter plus de matière, parce que l'opération d'enlèvement de copeaux doit éroder de la matière. 1 5 Le procédé est composé de deux opérations de base, à savoir une opération de déformation et une opération d'enlèvement de copeaux, ce qui demande un certain temps lors de la réalisation des flans et nécessite des outils d'érosion et de déformation plastique correspondants. Le procédé de fraisage proposé est avant tout défavorable en cas de faible proportion 20 des zones plus épaisses, parce qu'il faut fraiser de trop grandes zones, ce qui est associé à une importante perte de matière. Parmi les procédés généraux d'extrusion pour le formage du métal, on connaît aussi l'extrusion latérale. Avec l'extrusion latérale, on produit des formes avec par exemple des brides ou des collerettes. A cet effet, 25 l'outil est pourvu d'une gravure correspondant à la bride ou à la collerette ultérieure. Le matériau est pressé dans la gravure pratiquée dans l'outil par un poinçon pénétrant dans l'outil, lequel poinçon agit uniquement sur la face frontale de la pièce à usiner. Partant de l'état actuel de la technique, l'invention a pour objet de fournir un procédé et un dispositif pour la fabrication de flans variant en épaisseur tout en économisant du temps et des cots de fabrication ainsi que de la matière en utilisant également des tôles métalliques minces, les différences d'épaisseur créées ne dépendant pas de la longueur. La solution au problème ainsi posé réside dans un procédé comportant les particularités selon la revendication 1 ainsi que dans un dispositif comportant les caractéristiques de la revendication 6. L'idée centrale de l'invention consiste à élargir ou épaissir par 10 endroits une tôle métallique plate par refoulement. Les zones de la tôle métallique qui ne doivent pas être épaissies sont à cet effet maintenues à l'épaisseur de départ di par force ou par correspondance de forme par une combinaison outil/poinçon et déplacées parallèlement à la surface de tôle. A l'endroit ou aux endroits qui correspondent à la zone épaissie ou aux 15 zones épaissies ultérieures du flan, l'outil est découpé ou évidé. En raison de la force de refoulement mise en oeuvre, le métal s'écoule dans les évidements de l'outil jusqu'à la hauteur souhaitée des épaississements. La zone du flan à épaissir est ici évidée dans l'outil, de telle manière que la matière puisse s'écouler dans la largeur dans la zone souhaitée jusqu'à 20 l'épaisseur souhaitée. Afin de pouvoir bien refouler même une tôle métallique mince, la tôle métallique est refoulée du côté frontal par le poincon de refoulement et en même temps maintenue au moins du côté de la tôle métallique qui est situé à l'opposé du côté à épaissir. Comparé au procédé d'aplanissement par laminage connu, cela 25 présente l'avantage que les différences d'épaisseur ou les épaississements apportés suivant l'invention peuvent prendre n'importe queile forme et sont indépendants de la longueur et de la largeur. Comparé au procédé de fraisage connu, le procédé présente l'avantage de nécessiter moins de matière. Afin de remplir en même temps les fonctions de refoulement et de maintien, le poinçon présente une gravure qui lui permet de saisir la tôle métallique par un côté frontal, pour, pendant l'opération de refoulement, exercer une pression sur le côté frontal de la tôle métallique et s'appuyer 5 en même temps au moins contre le côté de tôle métallique qui est situé à l'opposé du côté à épaissir. Cela permet de dimensionner le poinçon de telle manière qu'il puisse supporter les forces de refoulement. Contrairement à l'extrusion latérale connue, le poinçon est réalisé plus résistant de sorte qu'il ne présente aucun risque de flambage. Etant 10 donné que le poinçon, qui vient reposer contre l'un des côtés de tôle métallique et qui maintient celui-ci à la place du profil d'outil, se déplace en même temps que la tôle métallique, il n'y a aucun mouvement relatif entre la pièce à usiner et l'outil, ce qui favorise le formage. Dans un perfectionnement de l'invention, les coefficients de fric15 tion sont plus faibles entre le côté de tôle métallique et la surface de l'outil dans laquelle est ménagé l'évidement pour l'épaississement, qu'entre le côté de tôle métallique opposé et la surface de poinçon. Par le réglage d'une friction élevée sur le côté opposé à l'évidement et d'une friction faible sur l'autre côté, il est en particulier possible de pousser une tôle métal20 lique mince dans l'évidement. Selon le procédé, un ou plusieurs épaississements du flan peuvent être réalisés successivement, par exemple dans un outil à suivre, la plus grande partie de la surface du flan pouvant rester plus mince. Il est également possible d'épaissir en même temps plusieurs zo25 nes du flan. Il peut ici s'agir de zones agencées de manière contiguÙ sur un côté du flan, c'est-à-dire que le flan est épaissi sur un côté à plusieurs endroits. Les épaississements peuvent aussi être effectués en même temps sur la face supérieure et la face inférieure et ici en particulier sur des zones opposées du flan, c'est-à-dire que le flan est épaissi dans une section sur les deux côtés. Dans ce cas, en plus de l'outil, une gravure ou un évidement correspondant est ménagé également dans le poinçon. De cette manière, il est possible de fabriquer un flan à l'épaisseur optimisée, lequel est déjà adapté de façon optimale aux exigences ultérieures de l'élément de structure en ce qui concerne l'épaisseur de matière. En particulier, les épaississements apportés peuvent, par sections, s'étendre sur des zones entières du flan. Ainsi, par exemple, il est possible d'épaissir uniquement les zones d'extrémité du flan et donc les zones de pied ou de tête ultérieures de l'élément de structure. Il est possible de fa10 briquer un flan qui présente sur sa périphérie une bordure épaissie, de sorte qu'un élément de structure fabriqué à partir de celui-ci présente une bride de bordure ayant une fonction de renforcement. Il est également possible d'épaissir des zones localement limitées, uniquement au centre. Le flan peut par ailleurs être aussi épaissi transversalement à son axe lon1 5 gitudinal sur une zone allant d'un bord longitudinal à un autre ou parallèlement à l'axe longitudinal. Des épaississements s'étendant de manière oblique sont également possibles. A cet effet, l'outil doit être à chaque fois évidé de telle manière que le métal puisse s'écouler dans la largeur dans la zone souhaitée jusqu'à l'épaisseur souhaitée. Afin de réduire les cots de fabrication, il est recommandé de combiner l'opération de refoulement du flan avec une opération de coupe par un outil de coupe de flan dans un outil à suivre ou un outil de transfert. Il est fondamentalement possible de refouler une tôle métallique à 25 froid. Pour un meilleur écoulement de la matière, les zones qui doivent être épaissies peuvent aussi en--particulier être chauffées de manière appropriée. Notamment lorsque le flan doit être formé à chaud, il est recommandé d'intégrer l'opération de refoulement dans le processus de formage à chaud. A cet effet, le poinçon de refoulement est intégré à l'outil à chaud. Une fois que la tôle métallique a été chauffée dans un four, l'opération de refoulement est réalisée à la suite afin d'obtenir des zones épaissies. Le flan épaissi par endroits est ensuite pressé afin d'obtenir la forme 5 souhaitée de l'élément de structure, puis trempé dans l'outil. Par ailleurs, le flan peut aussi être formé à froid. Afin d'éviter le flambage de la matière qui s'écoule, il est préférable qu'un fond de matrice mobile agisse transversalement au sens de refoulement sur la matière s'écoulant dans les évidements de l'outil. Globalement, le flan épaissi fabriqué suivant le procédé présente une bonne précision géométrique et une bonne qualité de surface ainsi que de bonnes propriétés mécaniques. L'élément de structure fabriqué à partir d'un flan épaissi par endroits suivant le procédé se caractérise en ce qu'il présente un fibrage ininterrompu dans la zone de transition entre la zone 15 non épaissie et la zone épaissie. Du fait de ce fibrage ininterrompu, l'élément de structure présente, contrairement aux éléments de structure ou flans usinés par enlèvement de copeaux, de meilleures propriétés mécaniques, parce que, lors d'un usinage par enlèvement de copeaux, le fibrage est interrompu, ce qui accroît le risque de défaillance en charge. La même 20 chose s'applique aux éléments de structure qui ont un fibrage interrompu et qui sont reliés par des techniques d'assemblage. Comparé aux éléments de structure qui sont fabriqués par aplanissement par laminage, il est possible de fabriquer, suivant le procédé proposé, des éléments de construction ayant des sauts d'épaisseur essentiellement plus précis. Il est possible de fournir des éléments de structure dont le risque de défaillance en charge, c'est-à-dire en cas de-collision,-est réduit tout en réduisant en même temps le poids. En particulier, l'épaississement doit s'étendre sur des sections entières de l'élément de structure. L'élément de structure peut ainsi par exemple présenter une zone partiellement épaissie uniquement au centre. La zone de bordure reste plate. Une telle structure ne pourrait par exemple pas être obtenue par filage à chaud. L'élément de structure peut aussi présenter une seule zone de bordure ou bride de bordure périphérique épaissie, ou une supplémentaire. Globalement, les élé5 ments de structure fabriqués se caractérisent en ce qu'ils présentent, avec un fibrage ininterrompu, un ou plusieurs épaississements indépendants de la longueur et/ou de la largeur. Des éléments de structure épaissis de cette manière peuvent par exemple être utilisés en tant que supports ou longerons en technique 10 automobile. En particulier, l'utilisation des flans épaissis est aussi recommandée pour des éléments de construction d'épaisseur diverse qui sont soudés entre eux. Les comportements différents à la chaleur et donc les problèmes au soudage peuvent être compensés par des zones appropriées épaissies et donc par l'adaptation des épaisseurs de paroi. L'invention va être expliquée plus précisément dans ce qui suit à l'appui d'exemples de réalisation représentés sur les dessins, lesquels montrent: Fig. 1 une coupe transversale d'un outil de refoulement avec une Fig. 2 Fig. 3 tôle métallique à épaissir localement, au début de l'opération de refoulement; une coupe transversale d'un outil de refoulement suivant la fig. 1 avec un flan ayant un épaississement local, à la fin de l'opération de refoulement; un élément de structure sous la forme d'un longeron qui a été embouti à partir d'un flan ayant des zones épaissies localemenrt; coupe A-A de la fig. 3; coupe B-B de la fig. 3 Fig. 4 Fig. 5 Fig. 6 liaison par soudage entre deux éléments de construction d'épaisseurs de paroi différentes selon l'état actuel de la technique Fig. 7 liaison par soudage entre deux éléments de construction, les deux éléments de construction étant épaissis localement au niveau de la surface de contact. Les figures 1 et 2 montrent de manière schématique le déroulement du procédé pour la fabrication par formage d'un flan ayant une zone 10 épaissie par rapport à son épaisseur de départ. Le flan à fabriquer est un produit intermédiaire pour un élément de structure à fabriquer ensuite dans une opération consécutive de formage. En tant que produit de départ, on utilise pour cela une tôle métallique 1 déjà découpée ou pas encore découpée, laquelle est épaissie par endroits 15 par refoulement dans un outil de refoulement 2. La tôle métallique 1 utilisée au départ, laquelle peut déjà être aussi désignée par le terme de flan, présente une épaisseur di qui correspond à l'épaisseur souhaitée dans les zones non épaissies ultérieurement. Dans l'exemple de réalisation concret montré, auquel l'invention ne 20 se limite pas, l'outil de refoulement 2 est composé d'une matrice 3 et d'un poinçon 4. Dans la matrice 3 est ménagé un canal de guidage 5 dans lequel le poinçon 4 est déplacé verticalement. Parallèlement au canal de guidage 5 ou au sens de déplacement du poinçon 4, une zone de réception 6 correspondante, ou un contour de réception, pour la tôle métallique 25 l est découpée dans la paroi de matrice. Cette zone de réception 6 est plus courte que le canal de guidage 5 ou -que le poinçon 4. Un bord 8 découpé en conséquence, ou un talon faisant saillie, dans le poinçon 4 vient en appui sur le côté frontal libre 7 de la tôle métallique 1. De cette manière, la zone de la tôle métallique i qui n'est pas à épaissir est maintenue par correspondance de forme entre la matrice 3 et le poinçon 4. Le bord de poinçon 8 peut avoir de préférence une surface de contact biseautée par rapport au poinçon, laquelle agit contre un échappement de la matière. La matrice 3 est découpée conformément à la forme souhaitée au5 dessus de la zone o la tôle métallique i doit être épaissie. L'évidement découpé 9, ou la gravure, est rempli par un fond de matrice mobile 1 0. Le fond de matrice mobile 10 est lui-même pressé au moyen d'un élément de fond de matrice mobile, ici un élément mécanique sous la forme d'un ressort 11, contre la zone 1 2 à épaissir. De même, l'élément de fond de ma10 trice mobile peut être réalisé sous la forme d'une unité à vérin de fond de matrice mobile. Afin de permettre qu'une tôle métallique 1 plate forme un épaississement souhaité sans formation de plis, on règle une friction élevée du côté de la tôle métallique qui n'est pas à épaissir. A cet effet, le côté op1 5 posé, sur lequel a lieu l'épaississement, présente au contraire une friction faible, en ce que la surface d'outil est polie. Une fois que la tôle métallique 1 avec la hauteur de départ hi a été positionnée par correspondance de forme entre la matrice 3 et le poinçon 4, le poinçon 4 est déplacé vers le bas par l'application d'une force de 20 refoulement dans la direction de la flèche Pi. Par l'action de la force, la matière est déportée et s'écoule dans l'évidement 9 découpé, comme le montre la figure 2. En raison de la constance de volume, le flan refoulé 1 a est devenu globalement un peu plus court, avec la hauteur finale h2, ou le cas échéant plus mince. Afin de régler le flux de matière et d'éviter un 25 flambage, le fond de matrice mobile 10 pousse de façon appropriée sur la zone 12 qui s'épaissit et -il est de plus en plus repoussé contre la force de ressort, jusqu'à ce que la face arrière 13 du fond de matrice mobile 10 vienne en butée contre une plaque d'adaptation 1 4. Après le formage de l'épaississement 12, le poinçon 4 est déplacé vers le haut (P2) et le flan la est enlevé par le canal de guidage 5 maintenant libre. Le poinçon 4 se caractérise en particulier en ce qu'il remplit une fonction de refoulement et une fonction de maintien pour la tôle métalli5 que 1. Le poincon présente une partie de refoulement 1 5, ici supérieure, avec une surface périphérique plus grande transversalement à son axe longitudinal et avec un bord 8 en saillie engravé et une partie de maintien 1 6 avec une surface périphérique plus petite transversalement à son axe longitudinal, la partie de maintien 1 6 dépassant la longueur de la tôle mél0 tallique 1. La figure 3 montre un longeron 17, lequel a été fabriqué à partir d'un flan ayant des zones épaissies. Les zones épaissies 18 sont montrées plus précisément par la coupe A-A (figure 4). Elles sont disposées dans les zones de bord et de coude. Dans les zones latérales du longeron, comme 15 le montre la coupe B-B (figure 5), il n'y a aucun épaississement. Avec le procédé proposé, des flans peuvent être fabriqués économiquement avec des zones épaissies pour l'usinage ultérieur d'éléments de structure avec des zones, limitées localement, plus fortement sollicitées. Les éléments de structure fabriqués à partir de ces flans à épaisseur 20 optimisée garantissent une bien meilleure absorption d'énergie et une bien meilleure rigidité en relation avec leur poids. Les figures 6 et 7 montrent une autre application particulièrement préférée des flans épaissis. La figure 6, mise en parallèle avec la figure 7, montre le problème du soudage d'éléments de construction 1 9 et 20 25 d'épaisseur différente. Dans le cas d'épaisseurs de paroi différentes, la qualité de soudage est souvent insatisfaisante. Les znnes de soudage critiques sont désignées par 21. Des sillons de soudure 22 affaiblissent encore la matière. 1 1 Il est désormais possible d'utiliser des éléments de construction 23, 24 ayant des zones 25 épaissies localement au point de contact. Comparé aux éléments de construction traditionnels, l'élément de construction 23 peut, en raison de l'épaississement, être dimensionné plus 5 mince sur le reste de sa surface (épaisseur de paroi inférieure à S). Les pointes de tension survenant lors du soudage peuvent être mieux absorbées par les zones épaissies 25. Liste des références numériques: l a 2 3 4 5 6 7 12 13 14 15 16 20 17 1 9 20 21 25 22 2 3 24 25 di tôle métallique flan avec épaississement outil de refoulement matrice poinçon canal de guidage pour le poinçon zone de réception pour la tôle métallique dans la paroi de matrice côté frontal de la tôle métallique ou du flan bord dans le poinçon évidement découpé dans l'outil pour l'épaississement fond de matrice mobile ressort zone épaissie du flan côté arrière du fond de matrice mobile plaque d'adaptation partie de refoulement du poinçon partie de maintien du poinçon longeron en tant que pièce de structure zones épaissies dans le longeron élément de construction élément de construction zones de soudage critiques sillons de soudure élément de construction élément de construction zones épaissies épaisseur de départ et épaisseur des zones non épaissies d2 épaisseur de la zone épaissie hi hauteur de départ du flan h2 hauteur finale du flan Pl flèche (application de la force de refoulement) P2 flèche REVENDICATIONS 1. Procédé pour la fabrication, à partir d'une tôle métallique (1), d'un flan (la) variant en épaisseur au moins dans une zone, caractérisé en ce que la tôle métallique (1) est sollicitée par refoulement 5 dans un outil (2) comportant un poinçon (4) et la matière est ainsi déplacée parallèlement à la surface de tôle et poussée localement jusqu'à une épaisseur souhaitée dans un évidement (9) correspondant, qui est ménagé dans l'outil (2), la tôle métallique (1) étant en même temps refoulée du côté frontal par le poinçon (4) et maintenue par le poinçon (4) au moins du 10 côté de la tôle métallique qui est situé à l'opposé du côté à épaissir (12). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, entre le côté de tôle métallique et la surface de l'outil dans laquelle est ménagé l'évidement (9) pour l'épaississement, les coefficients de friction sont plus faibles qu'entre le côté de tôle métallique 15 opposé et la surface de poinçon. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que plusieurs zones de la tôle métallique (1) sont épaissies par refoulement en même temps ou successivement. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la tôle métallique (1) est chauffée partiellement ou entièrement avant l'opération de refoulement ou refoulée à froid. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, lors d'un formage à chaud du flan (la) dans un outil de formage et de trempe, la tôle métallique (la) subit une opération de 25 chauffage suivie de l'opération de refoulement pour l'épaississement partiel, puis de l'opération de formage dans l'outil. 6. Dispositif pour la fabrication, à partir d'une tôle métallique (1), d'un flan (la) variant en épaisseur au moins dans une zone, en particulier pour l'exécution du procédé selon l'une des revendications 1 à 5, 1 5 caractérisé en ce qu'une zone de réception (6) pour la tôle métallique (1) et un canal de guidage (5) contigu à celle-ci pour un poinçon (4) sont ménagés dans un outil (2), le poinçon (4) présentant une gravure telle qu'il saisit la tôle métallique (1) par un côté.frontal afin de pousser sur le côté 5 frontal (7) de la tôle métallique lors de l'opération de refoulement et de s'appuyer en même temps au moins contre le côté de tôle métallique qui est situé à l'opposé du côté à épaissir (12). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que, pour le réglage de rapports de friction faibles entre 10 le côté de tôle métallique et la surface de l'outil dans laquelle est ménagé un évidement pour l'épaississement, la surface d'outil est polie. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que, dans l'outil, à la hauteur de l'évidement, un fond de matrice mobile (10) est agencé, lequel agit sur la matière s'écoulant dans 15 l'évidement (9) transversalement au sens de refoulement. 9. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la zone de réception (6) pour la tôle métallique (1) est réalisée uniquement sur une section partielle le long du canal de guidage (5) et en ce que le poinçon (4) présente une partie de refoulement 20 (15) ayant une surface périphérique plus grande et un bord (8) en saillie engravé qui agit sur le côté frontal (7) de la tôle métallique, ainsi qu'une partie de maintien (16) ayant une surface périphérique plus petite, laquelle partie de maintien s'étend sur la longueur de la tôle métallique.