Brevet FR2855775A1 — publié le 20041210

- 1 DESCRIPTION La présente invention concerne différents dispositifs mettant en ceuvre des vibrations, destinés à faciliter, en association avec les procédés traditionnels, la mise en forme de pièces en tôle et de profilés métalliques, ou l'assemblage principalement par soudage de 5 structures incorporant ces éléments, ou encore à assurer la conformation et la stabilisation desdites pièces et structures dans la géométrie souhaitée. Les procédés associés sont des procédés de déformation tels que l'emboutissage, le cintrage et le profilage par galetage, d'assemblage de pièces en coque mince et / ou de profilés, généralement mais pas 10 limitativement par soudage par points ou par cordons, alors que lesdites pièces sont maintenues en géométrie par bridage sur des appuis géométriquement définis. La difficulté commune à ces procédés est le développement de contraintes internes dans le matériau pendant la phase active, qui tendent à se relaxer par retour élastique une fois que la pièce est dégagée de l'outillage, soit immédiatement, soit en différé après que la pièce a 15 subi des sollicitations mécaniques ou thermiques. Il en résulte des déformations des pièces qui peuvent se retrouver hors de la géométrie spécifiée. Cet inconvénient est d'autant plus sévère que les matériaux mis en oeuvre ont une déformation élastique importante, ce qui est le cas pour certains matériaux de plus en plus utilisés dans l'industrie automobile et aéronautique, comme les alliages d'aluminium et les aciers à haute limite élastique. Les approches traditionnelles pour pallier ce phénomène sont: la mise en tension de la pièce dans les zones concernées, de façon que le retour élastique soit orienté dans le sens de la pièce (o il a peu d'incidence), selon sa dimension principale (profilé) ou une direction particulière de sa surface (pièce emboutie), et le retour angulaire considérablement minimisé du fait que le retour 25 élastique est alors pratiquement homogène dans l'épaisseur ou la section, l 'anticipation dans la forme de l'outil du retour élastique de la pièce à l'état libre (outil " faux " pour obtenir une pièce juste). La première est principalement mise en ceuvre dans les procédés d'emboutissage et de cintrage par étirage. Consommant une partie de la capacité utile de déformation du 30 matériau, son utilisation est souvent pratiquement limitée par la difficulté technique de mettre en tension une zone d'intérêt sans pénaliser d'autres zones de la pièce. De plus, pour les profilés, la modulation de la tension génère des irrégularités de section qui ne sont pas toujours acceptables. La seconde approche est donc souvent utilisée en complément. Le " faux " dans l'outil est applicable à tous les procédés cités mais n'est pas sans 35 inconvénients: * mise au point itérative coûteuse et incertaine en délai, * complication ou remise en cause de l'outil quand une butée technique est atteinte (contre dépouille par exemple), * sensibilité à la dispersion des caractéristiques de la matière en série, 40 ne règle pas les problèmes de relaxation différée. Pour les applications les plus contraignantes, il est fait appel à des techniques complémentaires ou de substitution (opération supplémentaire de calibrage, revenu métallurgique à chaud sous montage, hydroformage,...) particulièrement pénalisantes. Les dispositifs selon l'invention remédient à ces inconvénients en mettant en oeuvre des 45 vibrations à l'intérieur du matériau en cours de déformation, ou alors qu'il est maintenu en forme dans l'outillage de mise en forme, dans le montage d'assemblage, ou dans un outillage spécifique de conformation. Ces vibrations intenses restent néanmoins dans le domaine élastique dans les zones non contraintes et ne les affectent pas. S'additionnant aux contraintes statiques ou quasi- statiques dans les zones contraintes, elles font des 50 excursions dans le domaine plastique et neutralisent l'essentiel desdites contraintes en y dissipant une part de leur énergie. Une fois libérée, la pièce garde pratiquement la forme de l'outil et est stabilisée. Un procédé de détensionnement par vibrations de structures mécano-soudées est utilisé depuis plusieurs années. Il consiste à exciter la structure à l'état libre à basse fréquence 55 (typiquement entre 20 et 200 Hz) successivement sur quelques uns de ses modes propres (typiquement 3) en agissant sur la fréquence et l'emplacement du point d'excitation, généralement à l'aide d'un excitateur électrodynamique. L'opération qui peut durer une heure ou plus, aboutit à un détensionnement relativement efficace des pics de contraintes résiduelles de soudure (typiquement 70 %). Il n'assure cependant pas la géométrie de la 60 structure. Deux limitations importantes sont la difficulté d'assurer un niveau de vibration suffisant sur la totalité de la structure, et le risque d'endommagement par fatigue de certaines zones, notamment pour les structures à géométrie irrégulière ou complexe. Bien que faisant appel au même principe vibratoire, les dispositifs selon l'invention se distinguent radicalement dudit procédé par le fait que * ils s'appliquent sur la pièce pendant qu'elle est mise en forme ou alors qu'elle est maintenue en forme dans un outillage, assurant ainsi, outre son détensionnement, la précision de sa mise en géométrie, ils travaillent à hautes fréquences, typiquement ultrasonores, qui se diffusent facilement dans la pièce et ont une action beaucoup plus rapide sur les contraintes, en mettant typiquement en oeuvre des excitateurs piezzo-électriques ou magnéto-strictifs, ou tout autre technique ayant des effets équivalents, par exemple des excitateurs sans contact, ils font appel typiquement mais pas nécessairement (voir ci-après le deuxième exemple de réalisation en cintrage) à des techniques de traitement du signal et d'asservissement évoluées permettant d'exciter transitoirement un grand nombre de modes propres de la 75 structure et donc d'y assurer un niveau de vibration homogène même en cas de géométrie complexe, ou alternativement de " traquer " le mode propre d'intérêt pendant la transformation de la pièce, le tout au niveau d'intensité optimum et de façon totalement automatisée. Ces deux derniers points peuvent s'interpréter comme la transposition d'avancées 80 technologiques intervenues dans le domaine des ultrasons de puissance autour d'applications telles que l'usinage assisté par ultrasons, le décapage par ultrasons ou la soudure par ultrasons, pour résoudre des problématiques classiques de la mise en forme des tôles, profilés et de leurs assemblages. Les ultrasons de puissance donnent accès à des gains d'efficacité et de temps de cycle tels que l'intégration dans les procédés mêmes de 85 mise en forme, ou selon le cas, dans le flux de production série, peut être envisagée. Selon un mode particulier de réalisation sur une machine de cintrage par étirage, un actuateur constitué d'un émetteur de type piezzo-électrique ou magnéto-strictif, est fixé solidairement par l'intermédiaire d'une tige de liaison, sur le mors qui met en tension la partie droite du profilé, avant son enroulage sur l'outil de cintrage, perpendiculairement au sens de 90 la longueur dudit profilé. Dans les machines o la partie droite du profilé est mise en tension entre les deux outils tournant en sens opposés, I'actuateur peut être fixé à un sabot fixe entre les deux outils, serré ou en appui sur le profilé. Alimenté par un dispositif électronique tel que cité plus haut, I'actuateur induit dans la partie libre du profilé des vibrations intenses qui se répartissent dans tout le volume. Dans la zone de déformation, les contraintes 95 vibratoires se superposent aux contraintes quasi-statiques de flexion, facilitant l'enroulement et dissipant, à mesure de leur formation, les contraintes internes. Le prétensionnement n'est plus justifié pour minimiser le retour élastique et les contraintes résiduelles, de sorte que l'effort de tension peut être diminué fortement. Selon un mode particulier de réalisation analogue au précédent, I'actuateur du même type 100 que précédemment, est disposé cette fois axialement par rapport au profilé. Dans une variante de ce mode de réalisation, on ne cherche plus à exploiter les modes de résonance de la partie libre du profilé, de sorte que la fréquence d'excitation peut être fixe. Le dispositif d'alimentation de l'actuateur s'en trouve évidemment simplifié. L'onde de compression axiale se propage le long du profilé de l'actuateur à la zone de déformation o elle dissipe son 105 énergie pour relaxer les contraintes. Seule l'amplitude d'excitation est asservie de façon à maintenir l'intensité vibratoire optimale, et réagir instantanément aux occurrences de modes résonnants susceptibles d'endommager la pièce ou le matériel. Selon un autre mode particulier de réalisation toujours dans le domaine du cintrage, le dispositif d'étirage est supprimé (cintrage par enroulement). Un galet presseur, ou de 110 préférence un patin, précède le point d'enroulement à une distance fixe et tend à plaquer le profilé sur la forme de cintrage. La machine de cintrage s'en trouve naturellement très simplifiée. L'actuateur, du même type que précédemment, associé à un dispositif d'alimentation électronique évolué tel que décrit plus haut, est fixé solidairement au porte galet ou au patin. De plus, I'outil presseur peut épouser la forme de la section, se prolonger 115 vers la zone de déformation ou être complété par un ou deux outils presseurs en forme au droit et en aval de la zone de déformation, de sorte que le profilé soit bien plaqué sur l'outil, et que sa section, parfaitement tenue pendant le cintrage, ne se déforme pas. Le fait de transférer de la forme de cintrage aux outils presseurs une part importante de la fonction de maintien latéral du profil est de nature à faciliter le cintrage 3 D. Enfin, en limitant 120 sensiblement les problèmes d'usure, de grippage et de marquage de la surface du profilé usuellement rencontrés aux pressions requises, les ultrasons sont très favorables à l'utilisation de patins glissant en lieu et place de galets. Selon un autre mode particulier de réalisation, dans le domaine du cintrage en continu de profilés, par exemple en sortie de profileuse, I'actuateur, du même type que précédemment 125 est fixé solidairement au sabot de cintrage (sorte de filière parcourue par le profilé à une certaine distance de la filière de sortie de la profileuse, dont la forme, la position et l'orientation déterminent le rayon de cintrage). Dans le dispositif conventionnel, le rayon de cintrage et le contrôle du " vrillage " sont la résultante complexe des contraintes internes générées lors du profilage, de la tribologie du contact du profilé dans le sabot et du retour 130 élastique de cintrage. Le réglage, empirique, est des plus délicats, et la stabilité non garantie. Là encore, les vibrations à hautes fréquences dont sont le siège le sabot et le profilé remédient à ces inconvénients en évacuant les contraintes internes du profilé droit, en diminuant notablement le coefficient de frottement apparent du profilé dans la filière et en neutralisant pour une bonne part le retour élastique de cintrage. Le réglage devient aisé et 135 stable, quasiment géométrique. L'automatisation pour faire varier le rayon de cintrage peut être envisagée. Selon un autre mode particulier de réalisation dans le domaine du profilage par galetage de tôles en ruban, des patins en forme, ou une filière, sont substitués à certains des trains de galets pour assurer des étapes de profilage pour lesquelles l'accès de galets serait 140 compliqué, partiel ou impossible, notamment pour refermer sur elle-même une section complexe. Ces patins ou filière sont mis en vibrations à hautes fréquences par des actuateurs de même type que précédemment et transmettent ces vibrations au profilé. Le coefficient de friction apparent du profilé sur les patins ou dans la filière est notablement diminué, ce qui limite les usures d'outils, les grippages, les marquages, et les efforts 145 longitudinaux dans le profilé. Les contraintes résiduelles sont éliminées in situ par les vibrations, ce qui évite la réouverture élastique du profil à sa sortie de l'outil. Selon d'autres modes particuliers de réalisation dans le domaine de l'emboutissage, un poste de conformation est introduit après l'opération d'emboutissage ou de détourage, ou comme dernière opération. La pièce y est maintenue serrée en géométrie entre des touches et appuis élastiques (par exemple en polymère ou revêtus d'élastomère), ou entre deux 150 outillages en forme en contact soit direct, soit indirect avec la pièce, par l'intermédiaire de deux couches élastomères transparentes aux ultrasons, par exemple de la famille des silicones. Différentes configurations sont possibles, faisant appel au même type d'actuateur que précédemment, pour mettre transitoirement l'ensemble de la pièce en résonances multiples à hautes fréquences, soit directement, soit par l'un des appuis, soit par l'ensemble 155 de l'outil, soit par l'une des couches élastomères. Les contraintes internes d'emboutissage sont évacuées alors que la pièce est maintenue dans la forme exacte souhaitée. Une fois libérée, la pièce garde sa forme de façon stable. Les outils peuvent être réalisés au théorique, avec les choix d'épaisseurs, de matières et de traitements de surfaces techniquement adaptés, sans avoir à gérer le risque probable d'avoir à reprendre les formes 160 lors de la mise au point. Selon un autre mode particulier de réalisation dans le domaine de l'emboutissage, des demi outils complets, poinçon ou matrice, ou des parties d'outils, impliqués dans de l'emboutissage profond ou du déroulage de bords, sont excités en vibrations au moyen d'un actuateur de même type que précédemment. Les vibrations facilitent la mise en forme et le 165 glissement sans marquage ou grippage de la tôle. Les bords tombés laminés ou déroulés, qui ont tendance à s'incurver par retour élastique à l'ouverture de l'outil, restent droits, du fait que les contraintes internes générées par le laminage sont évacuées in situ. Selon un autre mode particulier de réalisation dans le domaine de l'assemblage, les pièces à assembler sont mises en référence géométrique sur un montage, étant fixées par bridage 170 sur un ensemble d'appuis et de centrages définis. Lesdits bridages, appuis et centrages sont conçus pour être élastiques sur une faible amplitude par tout dispositif approprié, par exemple des touches en polymère ou revêtues d'élastomère. Des actuateurs de même type que précédemment sont intégrés à certains drageoirs ou dispositifs de bridage de façon solidaire des appuis de référence ou touches de serrage, lesdits appuis ou touches étant en 175 contact métallique direct avec les pièces à assembler, de telle sorte qu'ils soient mis en vibration perpendiculairement à la surface des pièces. Ces actuateurs, qui peuvent être pilotés en parallèle par une seule source, sont répartis sur l'ensemble des pièces, de sorte que toutes soient le siège de vibrations. Les contraintes internes introduites par le bridage des pièces et les diverses opérations d'assemblage (soudure par cordon, par points, 180 rivetage, clinchage, etc.) sont dissipées in situ, de sorte qu'une fois libérée, la structure conserve la géométrie imprimée par le montage, pour autant qu'elle ne soit pas en déséquilibre thermique trop marqué au moment o elle est éjectée. Ces problèmes de gradients thermiques associés à des cordons de soudure importants peuvent généralement être résolus en optimisant les conditions et l'ordre d'exécution des soudures. En complément si nécessaire, la conformation de la structure en cours de refroidissement, ou une fois refroidie, dans un montage spécifique de conformation par ultrasons, peut toutefois être envisagée. En plus des bénéfices associés à la maîtrise géométrique, la mise en oeuvre d'ultrasons pendant la soudure, que ce soit par points ou par cordons, favorise la qualité de la jonction, permettant en principe de diminuer sensiblement les temps de cycle et les 190 apports thermiques. Selon un mode particulier de réalisation pour conformer une structure assemblée, par exemple après refroidissement ou traitement thermique, la structure est maintenue serrée dans un montage semblable au précédent, mais en principe avec un seul actuateur. Alternativement pour les montages simples, les touches et appuis sont rigides et en contact 195 direct avec la structure, l'actuateur est fixé solidairement à la structure du montage, de conception légère mais néanmoins menante par rapport à la structure, et c'est l'ensemble outil plus pièce qui est mis en résonances. Les contraintes internes sont évacuées alors que la structure est maintenue dans la forme exacte souhaitée. Une fois libérée, la structure garde sa forme de façon stable. REVENDICATIONS 1) Dispositifs pour conformer des pièces métalliques en coque mince, des profilés, ou des assemblages principalement soudés les incorporant, caractérisés en ce que lesdits pièces, profilés ou assemblages sont maintenus dans la géométrie finale souhaitée dans 5 un montage, alors qu'ils sont le siège de vibrations intenses, contrôlées et uniformément réparties dans leur volume, de sorte que ces vibrations se propagent élastiquement dans les zones non contraintes sans les affecter et font des excursions dans le domaine plastique dans les zones contraintes, neutralisant ainsi l'essentiel des contraintes statiques, en y dissipant une part de leur énergie. 2) Dispositifs pour faciliter la mise en forme de tôles par emboutissage ou profilage, ou de profilés par cintrage, et garantir la géométrie finale, caractérisés en ce que la pièce, et selon les cas l'outil ou un élément d'outil, sont le siège de vibrations intenses et contrôlées, simultanément au formage de la matière, de sorte que ces vibrations se propagent élastiquement dans les zones non contraintes sans les affecter et font des 15 excursions dans le domaine plastique dans les zones contraintes en cours de déformation, neutralisant ainsi in situ et à mesure l'essentiel des contraintes quasistatiques de déformation, en y dissipant une part de leur énergie. 3) Dispositifs pour faciliter l'assemblage principalement par soudage de pièces métalliques incluant des pièces en coque mince et / ou des profilés, et garantir la géométrie finale, 20 caractérisés en ce que les pièces, maintenues ensemble dans la géométrie finale souhaitée dans un montage, sont le sièges de vibrations intenses, contrôlées et uniformément réparties dans leur volume pendant les opérations d'assemblage, de sorte que ces vibrations se propagent élastiquement dans les zones non contraintes sans les affecter et font des excursions dans le domaine plastique dans les zones contraintes, 25 neutralisant ainsi l'essentiel des contraintes internes introduites par le bridage des pièces et les diverses opérations d'assemblage, en y dissipant une part de leur énergie. 4) Dispositifs selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisés en ce que les vibrations mises en oeuvre sont tout ou partie dans le domaine des ultrasons. 5) Dispositifs selon la revendication 4, caractérisés en ce que les vibrations sont induites 30 par un ou plusieurs actuateurs de type piezzoélectrique ou magnéto-strictif, ou tout autre technique ayant des effets équivalents, par exemple des excitateurs sans contact, associés à un système d'alimentation faisant appel à des techniques de traitement du signal et d'asservissement évoluées permettant d'exciter simultanément et transitoirement un grand nombre de modes propres de la structure, avec une amplitude 35 vibratoire précisément contrôlée. 6) Dispositifs selon la revendication 4, caractérisés en ce que les vibrations sont induites par un ou plusieurs actuateurs de type piezzoélectrique ou magnéto-strictif, ou tout autre technique ayant des effets équivalents, par exemple des excitateurs sans contact, associés à un système d'alimentation faisant appel à des techniques de traitement du 40 signal et d'asservissement évoluées permettant de traquer un mode propre particulier du système pendant la transformation des pièces, avec une amplitude vibratoire précisément contrôlée. 7) Dispositifs selon les revendications 2 et 4, caractérisé en ce que les vibrations sont induites par un ou plusieurs actuateurs de type piezzoélectrique ou magnéto-strictif, ou 45 tout autre technique ayant des effets équivalents, par exemple des excitateurs sans contact, associés à un système d'alimentation à fréquence fixe, assurant un contrôle asservi de l'amplitude vibratoire de la pièce ou de l'outil. 8) Dispositifs selon la revendication 1 ou 3, o la pièce, ou les pièces à assembler, sont maintenues par bridage sur des appuis et centrages géométriquement définis, 50 caractérisés en ce que lesdits bridages, appuis et centrages sont conçus pour être élastiques sur une faible amplitude, par exemple grâce à des touches en polymère ou revêtues d'élastomère, ou tout autre dispositif ayant le même effet, de sorte que la pièce ou les pièces puissent être mises en vibration avec le niveau d'amplitude requis (par exemple par un ou respectivement plusieurs des appuis - ceux-là étant conservés 55 métalliques), de façon indépendante de l'outil. 9) Dispositifs selon la revendication 1, o la pièce est maintenue par serrage entre deux outils en forme, caractérisés en ce que des couches élastomères transparentes aux ultrasons, par exemple de la famille des silicones, sont interposées entre la pièce et l'outil, de sorte que la pièce puisse être mise en vibration avec le niveau d'amplitude 60 requis, soit par contact direct avec l'actuateur, soit par l'une des couches élastomères, de façon indépendante de l'outil. 10) Dispositifs selon la revendication 1, o la pièce est maintenue par serrage entre deux outils en forme ou sur des appuis et centrages discrets, géométriquement définis, parties intégrantes d'un montage, caractérisés en ce que lesdits outils ou montage sont de 65 conception légère mais menante par rapport à la pièce, et qu'au moins un actuateur fixé solidairement à l'un des outils ou à la structure du montage, excite les modes de résonance de l'ensemble pièce plus outils ou montage. 11) Dispositifs selon les revendications 2 et 5 s'appliquant à une machine de cintrage de profilés par étirage, caractérisés en ce que la partie droite du profilé avant cintrage est 70 excitée perpendiculairement ou tangentiellement à sa direction principale, par l'intermédiaire du mors de serrage, ou tout autre moyen ayant les mêmes effets, et que l'effort d'étirage est fortement réduit, ne servant plus qu'à assurer le bon enroulement sur la forme de cintrage. 12) Dispositifs selon les revendications 2 et 7 s'appliquant à une machine de cintrage de 75 profilés par étirage, caractérisés en ce que la partie droite du profilé avant cintrage est excitée tangentiellement à sa direction principale, par l'intermédiaire du mors de serrage, ou tout autre moyen ayant les mêmes effets, et que l'effort d'étirage est fortement réduit, ne servant plus qu'à assurer le bon enroulement sur la forme de cintrage. 13) Dispositifs selon les revendications 2 et 5, ou 2 et 6 appliquées au cintrage de profilés 80 par enroulement, caractérisés en ce que la partie droite du profilé est excitée par l'intermédiaire d'un galet presseur, ou de préférence un patin presseur, maintenu à distance du point d'enroulement, cette distance pouvant être fixe. 14) Dispositifs selon la revendication 13, caractérisés en ce que le dispositif presseur épouse la forme de la section, et en ce qu'il peut se prolonger vers le point d'enroulement (cas 85 d'un patin), ou être complété par un ou deux dispositifs presseurs en forme secondaires au droit et en aval du point d'enroulement, de sorte que le profilé soit bien plaqué sur l'outil, et que sa section soit parfaitement tenue pendant le cintrage sans subir de déformation, et en ce que l'ensemble de ces dispositions associé à une cinématique appropriée des patins, est apte à assurer simplement le cintrage du profilé en 3 90 dimensions. 15) Dispositifs selon les revendications 2 et 5, ou 2 et 6, appliquées au cintrage de profilés en continu, par exemple en sortie de profileuse, par sabot (sorte de filière dont la courbure, ainsi que la position et l'angle par rapport à la filière de sortie, déterminent le rayon de cintrage), caractérisés en ce que le profilé est excité en résonance(s), de 95 préférence mais non limitativement, par un actuateur fixé sur le sabot de cintrage, et que le réglage, plus stable et prédictif, peut être automatisé pour faire varier le rayon de cintrage. 16) Dispositifs selon les revendications 2 et 5, 2 et 6, ou 2 et 7, appliquées au profilage par galetage de tôles en ruban, caractérisés en ce que, grâce là présence des vibrations qui 100 limitent les efforts longitudinaux dans le profilé et les phénomènes d'usure d'outils, de grippage et de marquage du profilé, on substitue des patins en forme, ou une filière, à certains trains de galets, pour assurer des étapes de profilage pour lesquelles l'accès de galets serait compliqué, partiel ou impossible, notamment pour refermer sur elle-même une section complexe, et en ce que l'excitation de l'ensemble se fait par au moins un 105 actuateur fixé préférentiellement sur un des patins ou la filière. 17) Dispositif de conformation selon les revendications 1 et 5, ainsi que 9 ou 10, appliqué à l'emboutissage, caractérisé en ce qu'il est intégré à la gamme d'emboutissage, en opération soit intermédiaire, soit finale. 18) Dispositifs selon les revendications 2 et 5, 2 et 6, ou 2 et 7, appliquées à l'emboutissage, 110 caractérisés en ce que des demi outils complets, poinçon ou matrice, ou des parties d'outils, impliqués dans de l'emboutissage profond ou du déroulage de bords, sont excités en vibrations pendant la phase active de déformation de la tôle.