Brevet FR2861323A1 — publié le 20050429

"Procédé de conception d'un outil d'emboutissage pour obtenir une pièce dans les tolérances géométriques " La présente invention concerne un procédé de conception d'un outil d'emboutissage. La présente invention concerne plus particulièrement un procédé de conception d'un outil d'emboutissage pour la fabrication d'une pièce de géométrie prédéterminée, l'outil d'emboutissage étant prévu pour produire une pièce intermédiaire qui, après au moins une phase de déformation de io la matrice, aboutit à une pièce finale correspondant à la pièce de géométrie prédéterminée, Une pièce emboutie subit, après l'opération d'emboutissage, une phase de déformation par retour élastique qui dépend notamment de la nature du matériau utilisé pour réaliser la pièce. Ce phénomène de retour élastique est de plus en plus présent lors de la fabrication de pièces embouties en raison de l'utilisation de matériaux à haute limite d'élasticité tels que des aciers à Haute Limite Elastique, dits aciers HLE. La phase de déformation peut se manifester sur la pièce par des vrilles, par un écartement ou un rapprochement des bords de la pièce, etc. En raison de la phase de déformation, il est donc difficile de maîtriser la géométrie des pièces obtenues par emboutissage. Actuellement, pour obtenir une matrice d'emboutissage permettant de fabriquer une pièce emboutie respectant les tolérances géométriques fixées par conception, la méthode mise en oeuvre consiste à procéder par tâtonnement en réalisant des essais réels sur des pièces. A cet effet, l'outilleur réalise une matrice à partir d'une définition numérique de la pièce finale, puis l'outilleur rectifie cette matrice en fonction de la déformation élastique attendue de la pièce, par exemple en enlevant ou en ajoutant de la matière dans la matrice. L'outilleur doit ensuite faire des essais d'emboutissage avec la matrice rectifiée, et la rectifier à nouveau, jusqu'à obtenir des pièces embouties correspondant à la pièce finale recherchée. Cette méthode est longue et coûteuse. L'invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de conception de l'outil d'emboutissage qui soit simple, économique, et efficace. Dans ce but, l'invention propose un procédé du type décrit io précédemment, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes successives suivantes: a) une étape de maquettage qui consiste à réaliser une maquette virtuelle de l'outil initial associé à la pièce finale, après avoir réalisé la CAO de la pièce aménagée, et conçu le serre flan et l'habillage de l'outil, b) au moins une étape de simulation qui consiste: - à simuler l'emboutissage d'une pièce avec la maquette virtuelle de l'outil, - à calculer le retour élastique de la pièce obtenue par 20 l'emboutissage, de manière à connaître la géométrie de la pièce déformée, c) au moins une étape d'analyse qui consiste à comparer la géométrie de la pièce déformée avec la géométrie de la pièce finale recherchée définie dans le référentiel de mise au point pour calculer les écarts entre la pièce déformée et la maquette virtuelle initiale de l'outil, d) au moins une étape de rectification qui consiste à rectifier la maquette virtuelle de l'outil en fonction des résultats de l'étape d'analyse de manière à obtenir une maquette virtuelle rectifiée, e) une boucle itérative consistant à répéter l'étape de rectification, l'étape de simulation, l'étape de calcul de retour élastique, et l'étape d'analyse, jusqu'à ce que la géométrie de la pièce déformée, obtenue après le calcul de la déformation élastique, corresponde à la géométrie de la pièce finale recherchée, f) une étape de finalisation qui consiste à produire la définition CAO de la dernière maquette virtuelle rectifiée pour 5 permettre l'usinage de l'outil d'emboutissage. Un avantage du procédé selon l'invention est qu'il permet de réaliser une matrice réelle apte à produire des pièces embouties de géométrie prédéterminée sans passer par la réalisation de matrices intermédiaires réelles. lo Selon d'autres caractéristiques de l'invention Le procédé comprend une étape de vérification, après l'étape d'analyse, consistant à vérifier que les écarts sont inférieurs aux tolérances géométriques, avant de passer directement à l'étape f). Une étape d'analyse de la présence de casses et de plis, avant le calcul de retour élastique, ramène le procédé à l'étape a). Le procédé comporte une étape de simulation de détourage avant le calcul du retour élastique. L'étape de rectification d) consiste à rectifier la maquette virtuelle de l'outil en appliquant au maillage de la maquette virtuelle un déplacement équivalent les écarts calculés à l'étape c) multipliés par un coefficient négatif a, ajusté par tâtonnement. La maquette virtuelle de l'outil final est obtenue par calculs à partir d'une représentation géométrique de la pièce finale. La maquette virtuelle de l'outil consiste en une représentation par éléments finis, tel qu'un maillage. Au cours de l'étape de finalisation, la représentation maillée de l'outil rectifié est traduite en une représentation géométrique susceptible d'être exploitée directement par une machine d'usinage numérique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma qui représente les étapes du procédé de conception selon l'invention; - la figure 2 est un schéma qui illustre la simulation d'une opération d'emboutissage avec une matrice idéale; - les figures 3 et 4 sont des schémas similaires à celui de la figure 2 qui illustrent la simulation d'une opération d'emboutissage respectivement avec une première et une lo seconde matrice rectifiée. Dans la description qui suit, on désignera par "représentation géométrique" la définition géométrique d'une pièce réalisée par un outil informatique de Conception Assistée par Ordinateur. La représentation géométrique de la pièce comporte une série de paramètres géométriques qui fixent les dimensions nominales et les tolérances dimensionnelles de la pièce. La représentation peut se faire notamment sous forme volumique ou sous forme surfacique. En parallèle, on désignera par "représentation maillée" la définition d'une pièce réalisée par un outil informatique de maillage qui représente la pièce sous la forme d'une série d'éléments finis. Le maillage d'une pièce permet notamment d'appliquer sur 25 la pièce des méthodes de calcul par éléments finis. La représentation maillée d'une pièce peut être réalisée, , au moyen d'un logiciel de maillage, à partir de la représentation géométrique de la pièce. La figure 1 représente un procédé de conception conforme 30 aux enseignements de l'invention. Le procédé est prévu ici pour concevoir une matrice d'emboutissage en vue de la fabrication d'une pièce emboutie telle que, par exemple, un longeron d'une carrosserie de véhicule automobile. De préférence, le longeron est réalisé dans une tôle en acier à haute limite élastique. Le longeron est conçu au préalable, de sorte que la représentation géométrique du longeron est connue, ce qui est illustré par le premier niveau N1. Pour la représentation géométrique, les données du longeron aménagé, des serre flan, et de l'habillage sont pris en compte. A partir de la représentation géométrique du longeron, un outil informatique de maillage est mis en oeuvre, de manière à io obtenir une représentation du maillage de la matrice initiale, ce qui est illustré par le deuxième niveau N2. La représentation géométrique et la représentation maillée du longeron définissent le longeron final que l'on souhaite fabriquer au moyen de la matrice d'emboutissage. Pour obtenir le maillage de la matrice, une étape de maquettage est alors mise en oeuvre. Cette étape consiste à réaliser une maquette virtuelle de la matrice initiale qui est complémentaire du longeron final que l'on souhaite fabriquer, en ne tenant pas compte de la déformation par retour élastique. A cet effet, une représentation maillée de la matrice d'emboutissage initiale est obtenue par calculs, à partir de la représentation maillée du longeron, conformément au deuxième niveau N2. La maquette virtuelle de la matrice est constituée ici par 25 la représentation maillée de la matrice. On note que, selon une variante de réalisation (non représentée), l'étape de maquettage peut consister à réaliser une représentation géométrique de la matrice initiale à partir de la représentation géométrique du longeron, puis à réaliser une représentation maillée de la matrice initiale à partir de la représentation géométrique de la matrice initiale. Conformément aux enseignements de l'invention, le procédé de conception comporte une étape de simulation qui consiste, en premier lieu, à simuler l'emboutissage d'un longeron au moyen de la matrice initiale, ce qui est illustré par le troisième niveau N3 et par la figure 2. Cette simulation est effectuée sur la représentation maillée de la matrice, et elle produit un longeron non détouré 5 représenté sous forme maillée. Après cette première simulation, le procédé vérifie qu'il n'y a pas de casses et de plis avant de continuer l'étape suivante. Cette étape de vérification N4 permet de vérifier si les dimensions de la pièce sont bonnes. Sinon le procédé réalise à io nouveau l'étape N1. La simulation de l'emboutissage comporte aussi une simulation du détourage N5 du longeron qui est effectué juste après l'opération d'emboutissage. Ensuite le retour élastique du longeron est calculé, de manière à obtenir une représentation maillée du longeron dont la géométrie est stabilisée, ce qui est illustré par le sixième niveau N6. Sur la figure 2, le trait fort représente la matrice initiale Mxi, le trait fin discontinu représente le longeron PO après détourage et avant retour élastique, et le trait continu représente le longeron P0' après retour élastique. L'étape de simulation est mise en oeuvre en appliquant des méthodes de calcul par éléments finis sur la représentation maillée de la matrice et sur la représentation maillée du longeron. Comme le longeron obtenu à la fin de l'étape de simulation a été réalisé à partir de la matrice initiale, et comme il a subi une déformation après l'emboutissage, alors sa géométrie ne correspond pas à la géométrie finale désirée. Au cours d'une étape d'analyse, illustrée par le septième niveau N7, des outils de calcul sont mis en oeuvre pour analyser la géométrie du longeron et pour comparer cette géométrie avec la géométrie finale désirée, définie dans le référentiel de mise au point, de manière à en déduire des rectifications qui doivent être apportées à la matrice initiale en vue d'obtenir, après la simulation du retour élastique, un longeron ayant une géométrie qui se rapproche de la géométrie finale désirée. Les écarts mesurés entre la géométrie du longeron obtenu après simulation et le longeron ayant la géométrie finale désirée sont comparés aux tolérances admises. Si ces écarts sont inférieurs aux tolérances, la pièce est considérée comme bonne, et la matrice aussi. Sinon, le procédé passe à l'étape suivante d'analyse. lo L'étape d'analyse est suivie d'une étape de rectification, illustrée par le huitième niveau N8, au cours de laquelle la matrice initiale est rectifiée une première fois en fonction des données récoltées pendant l'étape d'analyse. L'étape de rectification peut aussi tenir compte de paramètres mémorisés concernant l'opération d'emboutissage. La rectification est réalisée sur la représentation maillée de la matrice initiale, de manière à former une nouvelle représentation maillée associée à une nouvelle matrice dite première matrice rectifiée. Cette rectification est réalisée en appliquant au maillage de la maquette virtuelle un déplacement équivalent aux écarts mesurés multipliés par un coefficient négatif a. Ce coefficient étant ajusté par tâtonnement et étant d'une valeur comprise entre 0,8 et 1. Après l'étape de rectification, la première matrice rectifiée est soumise à une nouvelle étape de simulation d'emboutissage comportant la simulation des opérations d'emboutissage et de détourage, et comportant la simulation du retour élastique, ce qui permet d'obtenir un nouveau longeron. La figure 3 illustre la nouvelle étape de simulation mise en 30 oeuvre avec la première matrice rectifiée. En trait mixte on a représenté la matrice initiale Mxi. Le trait fort représente la première matrice rectifiée Mxrl, le trait fin discontinu représente le longeron P1 détouré avant retour élastique obtenu avec la première matrice rectifiée, et le trait fin continu représente le longeron P1' après retour élastique. Lors d'une nouvelle étape d'analyse, la comparaison entre le dernier longeron obtenu par l'étape de simulation et le longeron final permet de déterminer si des rectifications de la matrice sont encore nécessaires. Si le dernier longeron obtenu est différent du longeron final, alors il est nécessaire d'apporter de nouvelles rectifications à la matrice. i0 le procédé comporte donc une boucle itérative BI qui consiste à répéter l'étape de rectification, l'étape de simulation, et l'étape d'analyse, jusqu'à ce que la géométrie du dernier longeron, obtenu après l'étape de simulation, corresponde à la géométrie du longeron final. En considérant la figure 3, on constate que le dernier longeron P1' obtenu avec la première matrice rectifiée Mxr1 ne correspond pas au longeron final. La boucle itérative est alors relancée, ce qui est illustré par la figure 4. Sur la figure 4, les traits mixtes représentent respectivement la matrice initiale Mxri et la première matrice rectifiée Mxr1, le trait fort illustre une seconde matrice rectifiée Mxr2, le trait fin discontinu représente le longeron P2 détouré avant retour élastique obtenu avec la seconde matrice rectifiée Mxr2, et le trait fin continu représente le longeron P2' après retour élastique. On constate ici que le dernier longeron P2' obtenu ne correspond pas au longeron final. Toutefois, la succession des boucles itératives provoque progressivement une convergence de la géométrie du longeron, obtenu avec chaque nouvelle matrice rectifiée, vers la géométrie du longeron final désiré, ce qui permet d'aboutir à la matrice finale. Si le dernier longeron obtenu correspond au longeron final, alors on sort de la boucle itérative. La matrice rectifiée devient la matrice finale, puisqu'elle permet de réaliser le longeron final, ce qui est illustré par le 5 neuvième niveau N9 sur la figure 1. Un outil informatique est ensuite mis en oeuvre pour traduire la représentation maillée de la matrice finale en une représentation géométrique, ce qui est illustré par le dixième niveau N10. lo Selon le mode de réalisation représenté ici, le neuvième N9 et le dixième N10 niveaux constituent une étape de finalisation. L'étape de finalisation vise à produire des paramètres de conception définissant la matrice finale de manière suffisante pour permettre à un outilleur de fabriquer une matrice finale réelle. La représentation géométrique de la matrice finale présente l'avantage de pouvoir être exploitée directement par une unité standard de fabrication, par exemple par une machine d'usinage à commande numérique. Avantageusement, le calcul de retour élastique est précis, c'est à dire que la valeur des dimensions de la pièce simulée après retour élastique et la valeur des dimension de la pièce réelle après retour élastique, ne diffère pas de 0,5mm. Le procédé selon l'invention a été décrit en relation avec l'emboutissage d'un longeron. Bien entendu, le procédé s'applique à l'emboutissage de toute autre pièce. io REVENDICATIONS 1. Procédé de conception d'un outil d'emboutissage pour la fabrication d'une pièce de géométrie prédéterminée, l'outil d'emboutissage étant prévu pour produire une pièce intermédiaire qui, après avoir subi une phase de déformation, aboutit à une pièce finale correspondant à la pièce de géométrie prédéterminée, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes successives suivantes: a) une étape de maquettage qui consiste à réaliser une io maquette virtuelle de l'outil initial associé à la pièce finale, après avoir réalisé la représentation géométrique de la pièce aménagée, et conçu un serre flan et un habillage de l'outil, b) au moins une étape de simulation qui consiste: - à simuler l'emboutissage d'une pièce avec la maquette virtuelle de l'outil, - à calculer le retour élastique de la pièce obtenue par l'emboutissage, de manière à connaître la géométrie de la pièce déformée, c) au moins une étape d'analyse qui consiste à comparer la géométrie de la pièce déformée avec la géométrie de la pièce finale recherchée définie dans le référentiel de mise au point pour calculer les écarts entre la pièce déformée et la maquette virtuelle initiale de l'outil, d) au moins une étape de rectification qui consiste à rectifier la maquette virtuelle de l'outil en fonction des résultats de l'étape d'analyse de manière à obtenir une maquette virtuelle rectifiée, e) une boucle itérative consistant à répéter l'étape de rectification, l'étape de simulation d'emboutissage, l'étape de calcul de retour élastique, et l'étape d'analyse, jusqu'à ce que la géométrie de la pièce déformée, obtenue après le calcul de la déformation élastique, corresponde à la géométrie de la pièce finale recherchée, É11 f) une étape de finalisation qui consiste à produire la représentation géométrique de la dernière maquette virtuelle rectifiée pour permettre l'usinage de l'outil d'emboutissage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de vérification, après l'étape d'analyse, consistant à vérifier que les écarts sont inférieurs aux tolérances géométriques, avant de passer directement à l'étape de finalisation. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en qu'une étape d'analyse de la présence de casses et de plis sur la pièce, avant le calcul de retour élastique, ramène le procédé à l'étape de maquettage. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, 15 caractérisé en ce qu'il comporte une étape de simulation de détourage avant le calcul du retour élastique. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de rectification d) consiste à rectifier la maquette virtuelle de l'outil en appliquant au maillage de la maquette virtuelle un déplacement équivalent aux écarts calculés à l'étape d'analyse multipliés par un coefficient négatif a, ajusté par tâtonnement. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédente, caractérisé en ce que la maquette virtuelle de l'outil final est obtenue par calculs à partir d'une représentation géométrique de la pièce finale. 7. . Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la maquette virtuelle de l'outil consiste en une représentation par éléments finis, tel qu'un maillage. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que, au cours de l'étape de finalisation, la représentation maillée de l'outil rectifié est traduite en une représentation géométrique susceptible d'être exploitée directement par une machine d'usinage numérique.