Brevet FR2897001A3 — publié le 20070810

FR 2897001 A3 20070810 FR 0601016 A 20060206 1 Procédé et outil d'emboutissage d'un flan métallique. La présente invention concerne un procédé d'emboutissage d'un flan métallique, en particulier en tôle d'acier, et une presse pour la mise en oeuvre de ce procédé. Un tel procédé est notamment destiné à la réalisation de pièces embouties pour l'automobile, plus particulièrement pour des pièces comportant généralement peu de galbe et peu de profondeur d'emboutissage, par exemple des capots, pavillons, panneaux de portières latérales, ou panneaux de côté de caisse de véhicules utilitaires, etc. Un problème pour l'emboutissage de telles pièces est que, du fait du peu de galbe et donc d'une déformation plastique réduite lors de l'emboutissage, la tôle constitutive est finalement peu tendue, ce qui peut conduire à des défauts d'aspect sur les pièces embouties. On connaît déjà des procédés d'emboutissage pour de telles pièces, visant à améliorer la tension de la tôle emboutie. Un tel procédé, encore appelé stretch-draw , est schématisé figures 1 et 2. Les bords du flan 1 de tôle à emboutir sont maintenus par des serre-flans 2, enserrés entre les mâchoires supérieures et inférieures de chacun de ces serre-flans, le flan étant placé au dessus du poinçon 3. Puis, les serre-flans 2 sont abaissé, selon les flèches F1, par rapport au poinçon 3, jusque dans la position représentée figure 2, ce qui provoque une déformation du flan 1 et une tension de celui-ci, puisque les bords du flan sont fermement tenus par le serre flan et que les serre-flans, situés respectivement de part et d'autre du poinçon, restent fixes l'un par rapport à l'autre. Toutefois, la tension reste relativement localisée à proximité des bords du flan. L'emboutissage est ensuite effectué, alors que le flan reste tendu, par la descente de la matrice 4, représentée par la flèche F2, dont le pressage contre le poinçon 3 confère à la pièce emboutie sa forme finale. Ce procédé permet donc d'améliorer la qualité des pièces embouties, grâce à la mise en tension du flan préalable à l'emboutissage proprement dit. Mais il a cependant été constaté que, si la tension périphérique du flan est effectivement améliorée, la tension reste cependant insuffisante en milieu de panneau. De plus, ce procédé de stretch-draw conduit à une consommation de flan plus élevée. La présente invention a pour but de résoudre les problèmes indiqués ci-dessus et vise en particulier à fournir un procédé et dispositif d'emboutissage permettant d'obtenir une déformation plastique améliorée par rapport aux procédés d'emboutissage connus. Elle vise aussi à réduire le risque de défauts d'aspects des pièces embouties, par une amélioration de l'intensité des tensions et de la répartition des tensions sur toute l'étendue de la surface de la pièce fabriquée. Elle vise encore à réduire la consommation de matière, et à permettre un gain sur l'épaisseur des pièces ou la qualité de la nuance d'acier. Elle vise aussi à une meilleure tenue à l'indentation. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un procédé d'emboutissage d'un flan métallique plan, pour réaliser notamment une pièce emboutie ayant peu de galbe, selon lequel on exerce une tension sur les bords du flan pour réaliser un étirement du flan avant de réaliser la déformation d'emboutissage du flan entre un poinçon et une matrice d'emboutissage, caractérisé en ce que l'étirement du flan est réalisé par une tension exercée sur les bords du flan selon une direction située dans le plan du flan à emboutir et avant que le poinçon ou la matrice soient en appui sur le flan. Ainsi, une pré-tension est réalisée de manière sensiblement uniforme, ou au moins avec une répartition la plus uniforme possible, sur toute l'étendue du flan qui constituera par la suite la pièce emboutie. Comme on le comprendra mieux par la suite, la pré-tension est donc, conformément à l'invention, réalisée indépendamment de l'emboutissage proprement dit, contrairement au procédé de stretch-draw , où la tension du flan résulte de la déformation créée par le déplacement relatif du poinçon par rapport au serre-flan, perpendiculairement au plan du flan. On comprendra en effet que, dans ce procédé selon l'art antérieur, la zone du flan située dans sa partie centrale peut ne pas être suffisamment tendue du fait que les formes des bords du poinçon peuvent accroître le frottement entre poinçon et flan essentiellement sur les bords, avec un effet de retenue de la zone centrale du flan, qui se trouve alors moins tendue que les zones périphériques entre le poinçon et les serre-flans. De plus, comme les formes des dits bords peuvent couramment être irrégulières, alors que les serre-flans sont eux de forme généralement régulière, les zones périphériques ne sont pas tendues de manière uniforme, induisant de plus un comportement hétérogène du flan lors de l'emboutissage proprement dit. L'invention permet de supprimer tous ces inconvénients en réalisant une tension plane et donc la plus uniforme possible, avant toute autre opération de mise en forme du flan. Pour réaliser cette tension plane, préférentiellement on serre des bords opposés du flan dans des serre-flans et on écarte les serre-flans l'un de l'autre selon une direction parallèle au plan du flan. Cet écartement est encore préférentiellement commandé par des vérins agissant directement sur les serre-flans, après que les serre-flans aient enserrés les bords du flan. Le serrage des serre-flans sur les bords du flan peut résulter d'une action spécifique sur les serre-flans, ou être simplement en conséquence directe du rapprochement entre poinçon et matrice, par exemple provoqué par la descente de la matrice, en début de course de celle-ci et avant qu'il y ait un appui du poinçon sur le flan. La pré-tension effectuée sur le flan conformément à l'invention permet une déformation plus homogène que le procédé stretch-draw , pour des pièces à faible galbe. Elle permet d'obtenir des taux d'écrouissage et des déformations plastiques très significativement supérieurs, et mieux répartis, le procédé selon l'invention étant donc particulièrement favorable à la tension des pièces peu galbées. Des essais ont montré que la pré-tension aboutit à une déformation plastique de 6%, contre 4,3% avec le procédé stretch-draw . L'amincissement du flan est aussi plus marqué en milieu de panneau, et globalement réparti de manière plus homogène. L'invention a aussi pour objet un outillage d'emboutissage d'un flan métallique plan, comportant un poinçon, une matrice, et des serre-flans pour enserrer des bords opposés du flan, caractérisée en ce qu'il comporte des moyens d'écartement des serre-flans pour écarter les serre-flans l'un de l'autre. Selon une première disposition particulière, les moyens d'écartement comportent des organes de transformation d'un mouvement d'un plateau de la presse, dans une direction d'emboutissage sensiblement perpendiculaire au plan du flan, en un mouvement des serre-flans dans une direction perpendiculaire à la dite direction d'emboutissage, donc orientée dans le plan du dit flan. Selon une variante, les moyens d'écartement comportent des organes de commande spécifiques pour déplacer les serre-flans selon une direction perpendiculaire à la direction d'emboutissage, ces organes de commande pouvant notamment être des vérins hydrauliques ou similaires. 6 Selon d'autres dispositions particulières : - Le serre-flan comporte un jonc, agencé pour éviter un glissement du flan entre les mâchoires du 5 serre-flan lors de la pré-tension du flan. - Le serre-flan comporte une mâchoire inférieure, située du côté du poinçon, montée coulissante horizontalement sur un support de serreflan déplaçable verticalement par rapport au poinçon. La mobilité du support de serre-flan par rapport au poinçon permet, comme on le comprendra mieux par la suite, d'assurer le début de l'emboutissage par l'appui du poinçon sur le flan, après serrage du 15 serre-flan. L'effort de serrage du serre-flan est fourni par la résistance d'un ressort ou d'un vérin maintenu sous pression agencé entre le support de serre-flan et le bâti de l'outil, et qui peut se déformer lorsque, après que le serre-flan ait été 20 serré sur le plan, la poursuite de la descente de la presse crée sur le serre flan une poussée supérieure à la résistance du dit ressort à la déformation et amène ainsi le serre-flan à se déplacer par rapport au poinçon. 25 - Un premier système de butée horizontale avec capacité de glissement vertical est arrangé entre la mâchoire inférieure et le poinçon, pour assurer un appui permanent, dans la direction horizontale, de 30 l'organe de commande du déplacement horizontal du serre-flan lorsque, pendant l'emboutissage, le support de serre-flan est déplacé par rapport au poinçon selon la direction d'emboutissage. Ce premier système de butée permet en fait à l'organe de commande de déplacement horizontal du serre-flan de prendre appui sur le poinçon ou une partie de l'outil liée rigidement au poinçon, pour exercer l'effort de tension horizontale sur le flan, et de conserver cet appui, pour que l'effort de tension soit maintenu, lorsque le serre flan coulisse par rapport au poinçon. - Le serre-flan comporte une mâchoire supérieure, située du côté de la matrice, montée coulissante horizontalement sur un tiroir de support de serre-flan déplaçable verticalement par rapport à la matrice. La mobilité verticale du tiroir par rapport à la matrice permet que, en fin d'emboutissage, alors que le serre-flan a été amené en butée verticale par rapport au poinçon, dans la position adéquate en fonction de la forme de la pièce à réaliser, la matrice puisse poursuivre sa course jusqu'à la fin de l'emboutissage. La retenue du tiroir pendant la phase de début d'emboutissage est assurée par des ressorts ou vérins maintenus sous une pression suffisante pour assurer l'effort de serrage du serre--flan et assurer l'effort nécessaire à la descente, mentionnée ci-dessus, du serre-flan par rapport au poinçon. Lorsque le serre-flan arrive en butée par rapport au poinçon, le reste de la course d'emboutissage de la matrice peut ainsi s'effectuer grâce à la déformation des dits ressorts ou vérins sous l'effort supplémentaire exercé par la presse. - Un deuxième système de butée horizontale avec capacité de glissement vertical est arrangé entre la mâchoire inférieure et la mâchoire supérieure, pour assurer un appui permanent, dans la direction horizontale, de la mâchoire supérieure sur la mâchoire inférieure, pendant le rapprochement et le serrage des mâchoires du serre-flan sur le flan. Ce système permet en particulier de transmettre à la mâchoire supérieure l'effort de tension appliqué sur la mâchoire inférieure par l'organe de commande de déplacement horizontal du serre-flan, de sorte que les deux mâchoires du serre-flan coopèrent pour exercer sur le flan la dite tension. Pour que la mâchoire supérieure reste positionné en butée horizontale sur la mâchoire inférieure même lorsque le serre-flan n'est pas serré, un ressort de rappel est prévu entre la mâchoire supérieure et son tiroir de support, pour pousser la dite mâchoire supérieure vers la matrice, et la maintenir en permanence en butée horizontale contre la mâchoire inférieure. On notera que les termes relatifs à l'orientation dans l'espace des composants de l'outil, tels que vertical, horizontal, inférieur, supérieur, sont utilisés ici uniquement pour différencier clairement les objets qu'ils qualifient, et conformément à la disposition courante d'un outil d'emboutissage. On comprendra aisément que l'invention s'appliquerait de même en inversant l'orientation des poinçon et matrices et des mâchoires du presse flan, et que les termes précités ne doivent pas être compris comme limitant l'application de l'invention. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description schématique qui va être faite du principe de mise en oeuvre de l'invention ainsi que d'un outil adapté, présentée uniquement à titre d'exemple non limitatif On se reportera aux dessins annexés dans 5 lesquels : - les figure 1 et 2, déjà commentées, illustrent le procédé stretch-draw - les figures 3 et 4 illustrent très schématiquement le procédé selon l'invention, 10 - les figures 5 à 8 illustrent aussi schématiquement la suite d'étapes de l'emboutissage d'un flan pour la réalisation d'une pièce emboutie, dans un mode de réalisation où le déplacement horizontal du serre-flan est provoqué directement par 15 la descente de la presse, qui fournit l'effort nécessaire à la tension du flan, - les figures 9 et 10 illustrent, partiellement et en demi-coupe, un outil d'emboutissage conforme à l'invention, respectivement position de course haute, 20 avant emboutissage, et en fin d'emboutissage. Sur le schéma de la figure 3, on représenté part les flèches F3 la traction exercée sur le flan 1 par un écartement horizontal des serre-flans 2 au 25 cours de la descente du plateau mobile de la presse. La figure 4 illustre le début de la phase d'emboutissage proprement dit, le flan restant sous tension, et les serre-flans 2 étant entraînés vers le bas, selon les flèches F4, par rapport au poinçon 3, 30 l'emboutissage étant finalement réalisé, selon un emboutissage de type simple effet, par la descente de la matrice 4, selon la flèche F5. Typiquement, à titre d'exemple seulement, la valeur de déplacement horizontal de chaque serre-flan peut être de l'ordre de 15 mm. L'effort de serrage du serre-flan est de 160 tonnes, et l'effort d'emboutissage de 60 tonnes. La vitesse de serrage est de 2m/s, et la vitesse d'emboutissage de 10 m/s. Dans les schémas des figures 5 à 8, il est considéré que le déplacement horizontal des serre- flans 2 est provoqué par la descente de la presse, au moyen d'un système 5 de transformation de mouvement vertical/horizontal représenté par les cales biaises 51 et 52. Il doit être considéré que la cale 51 est liée au bâti de l'outil et la cale 52 est liée à la mâchoire supérieure 22 du serre-flan, tous les mouvements étant provoqués par le mouvement classique du plateau supérieur de la presse, non représenté ici. Dans la position de départ schématisée figure 5, le flan 1 est positionné entre le poinçon 3 et la matrice 4, et son bord 11 entre les mâchoires inférieure 21 et supérieure 22 écartées du serre-flan, un seul des serre-flan 2 étant représenté. On notera le jonc 221 aménagé sur la mâchoire supérieure 22 du serre-flan, et la rainure 211 de forme correspondante réalisée dans la mâchoire inférieure, destinés au maintien ferme des bords 11 du flan 1. Les cales biaises 51 et 52 ne sont pas en contact. Dans une première phase de descente de la presse, illustrée figure 6, les mâchoires 21 et 22 du serre-flan sont rapprochées et serrées sur le bord 11 du flan, le jonc déformant localement ce bord pour en assurer un blocage le plus efficace possible. Simultanément, les cales biaises 51, 2 sont amenées en contact puis, dés que le serrage des bords du flan est assuré, la poursuite de la descente de la cale 52 conduit, du fait de la surface de contact oblique 53 des dites cales biaises, et du fait que la cale 51 est fixe, au déplacement horizontal de la cale 52 qui entraîne le déplacement horizontal du serre-flan, selon les flèches F6, provoquant ainsi la pré-tension du flan 1, conformément à l'invention. Dans la phase suivante, illustrée figure 7, la poursuite de la descente de la presse amène les cales biaises àà glisser l'une contre l'autre au delà de la surface oblique 53, et donc verticalement selon la surface 54, sans provoquer de tension supplémentaire du flan, mais en maintenant le flan sous la tension provoquée précédemment, et ayant provoqué éventuellement et localement un début de déformation plastique. Cette tension étant donc maintenue, le serre-flan est abaissé par rapport au poinçon, provoquant un début d'embouti 12 dans le flan Dans la dernière phase, illustrée figure 8, en fin de course de la presse, la tension sur le flan est encore maintenue, les cales biaises ayant continué de glisser l'une contre l'autre, et l'emboutissage est terminé par la descente de la matrice jusqu'à presser le flan entre poinçon et matrice. L'outil conforme à l'invention représentée figures 9 et 10 comporte un bâti fixe 30 solidaire du poinçon 3. Un support de serre-flan 31 est monté guidé et coulissant verticalement sur ce bâti, et soutenu par un ressort 32 ou autre organe similaire apte à se déformer sous une forte pression, tel que par exemple un vérin sous pression contrôlée. Des tiges de butée 36 sont liées au bâti 30 pour limiter la course du support 31 vers le bas. La mâchoire inférieure 21 de serre-flan est montée coulissante horizontalement sur le support 31. Le support de serre-flan 31 comporte vers le poinçon 3 un élément de butée 33' agencé pour s'appuyer contre un élément de butée correspondant 33" fixe sur le poinçon, et un vérin de forte puissance 34 est disposé entre l'élément de butée 33' et la mâchoire inférieure 21, de manière à pouvoir pousser la dite mâchoire dans le sens l'éloignant du poinçon. La matrice 4 est liée rigidement à un châssis 40, porté par le plateau supérieur de l'outil, non représenté, de manière connue en soi. Un tiroir 41 de support de la mâchoire supérieure 22 du serre-flan est monté guidé et coulissant verticalement sur le châssis 40, et la dite mâchoire supérieure 22 est montée guidée et coulissant horizontalement sur le tiroir, un ressort de rappel 42 étant disposé de manière à pousser la mâchoire supérieure 22 vers la matrice 4. Un ressort ou vérin sous pression 44 est monté verticalement entre le tiroir et le châssis, de sorte à maintenir, en absence d'effort contraire, le tiroir dans une position distante du fond 43 de son logement dans le châssis, propre à permettre un recul du tiroir vers le haut par rapport au châssis. La mâchoire supérieure 22 porte par ailleurs un élément de butée 45 qui est maintenu en appui, selon une direction horizontale, contre un élément de butée 35 correspondant aménagé sur la mâchoire inférieure 21, sous l'effet du ressort 42. Dans la position haute du châssis 40, illustrée figure 9, le support de serre-flan 31 et également situé dans une position haute, telle que la portée de serrage 23 de la mâchoire inférieure 21 soit sensiblement au niveau de la face supérieure du poinçon le flan 1 reposant sur ces surfaces. Le vérin 34 n'est pas sous pression, et le ressort 42 pousse la mâchoire supérieure 22 en butée horizontale contre la mâchoire inférieure 21, maintenant ainsi celle-ci également poussée en direction du poinçon 3. Lorsque le châssis 40 descend, il entraîne le tiroir 41 et la mâchoire supérieure 22 dont l'élément de butée 45 glisse contre l'élément de butée 25 de la mâchoire inférieure 21, jusqu'à serrer le flan 1 entre les dites mâchoires. A cet effet, les efforts résistants des ressorts ou vérins 32 et 44 sont déterminés de manière que la pression exercée par la presse soit suffisante pour serrer les bords du flan entre les mâchoires du serre-flan, et notamment permettre l'action de déformation du jonc 221 de retenue, sans cependant que le support 31 de serre-flan coulisse par rapport au poinçon, ni que le tiroir 41 coulisse par rapport à la matrice. Les bords du flan étant alors fermement maintenu par les serre-flan, le vérin 34 est mis sous pression, provoquant le déplacement de l'ensemble du serre-flan de manière à créer la pré-tension souhaitée dans le flan, qui reste encore plan à ce moment. Ensuite, la poursuite de la descente du châssis 40 provoque une pression supplémentaire sur le support 31, via le serre-flan dont les mâchoires restent fermement solidarisées par la pression exercée. Cette pression supplémentaire provoque la déformation du ressort 32 qui se comprime jusqu'à ce que le support 31 arrive en butée sur les tiges fixes 36. A ce moment, l'abaissement du serre-flan par rapport au poinçon a provoque une première déformation d'emboutissage du flan, de manière similaire à l'illustration de la figure 7, la matrice s'étant rapprochée jusqu'à venir en contact avec le flan 1. Ise tiroir 41, soutenu par les vérins 44 est encore resté fixe par rapport au châssis 40. En dernière phase, le serre-flan étant en butée par rapport au bâti 30 via le support 31, la poursuite de la descente du châssis 40 conduit à finir l'emboutissage par l'arrivée de la matrice 4 en position finale d'appui contre flan et le poinçon, illustrée figure 10, le tiroir 41 s'étant finalement déplacé vers le haut par rapport au châssis 40, suite à l'effort exercé par la presse, prédominant par rapport à l'effort des vérins 44. On comprendra aisément que le retour de la presse dans la position de départ de la figure 9 s'effectue simplement suite à la remontée du châssis 40, le relâchement de la pression dans les vérins 34 étant effectué avant que la matrice se sépare du poinçon. REVENDICATIONS 1. Procédé d'emboutissage d'un flan (1) métallique plan, pour réaliser notamment une pièce emboutie ayant peu de galbe, selon lequel on exerce une tension sur les bords du flan pour réaliser un étirement du flan avant de réaliser la déformation d'emboutissage du flan entre un poinçon (3) et une matrice (4)d'emboutissage, caractérisé en ce que l'étirement du flan est réalisé par une tension exercée sur les bords du flan selon une direction située dans le plan du flan à emboutir et avant que le poinçon ou la matrice soient en appui sur le flan. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour réaliser la dite tension plane, on serre des bords opposés du flan dans des serre-flans (2) et on écarte les serre-flans l'un de l'autre selon une direction parallèle au plan du flan. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'écartement des serre-flans (2) est commandé par des vérins (34) agissant directement sur les serre-flans, après que les serre-flans aient enserrés les bords (11) du flan. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le serrage des serre-flans (2) sur les bords (11) du flan (1) est provoqué par la descente de la matrice (4), en début de course de celle-ci et avant qu'il y ait un appui du poinçon (3) sur le flan (1). 5. Outil d'emboutissage pour l'emboutissage de flans métalliques plans, comportant un poinçon (3), une matrice (4), et des serre-flans (2) pour enserrer des bords (11) opposés du flan (1), caractérisée en ce qu'il comporte des moyens (5, 34) d'écartement pour écarter les serre-flans l'un de l'autre. 6. Outil d'emboutissage selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens d'écartement comportent des organes (5) de transformation d'un mouvement d'un plateau de la presse, dans une direction d'emboutissage sensiblement perpendiculaire au plan du flan, en un mouvement des serre-flans (2) dans une direction perpendiculaire à la dite direction d'emboutissage. 7. Outil d'emboutissage selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens d'écartement comportent des organes de commande spécifiques (34) pour déplacer les serre-flans (2) selon une direction perpendiculaire à la direction d'emboutissage. 8. Outil d'emboutissage selon la revendication 7, caractérisée en ce que les organes de commande 25 sont des vérins hydrauliques (34). 9. Outil d'emboutissage selon la revendication 5, caractérisée en ce que les serre-flans comportent un jonc (221), agencé pour éviter un glissement du 30 bord du flan (1) entre les mâchoires (21, 22) du serre-flan (2) lors de la pré-tension du flan. 10. Outil d'emboutissage selon la revendication 5, caractérisée en ce que le serre-flan (2) comporteune mâchoire inférieure (21), située du côté du poinçon (3), montée coulissante horizontalement sur un support (31) de serre-flan déplaçable verticalement par rapport au poinçon. 11. Outil d'emboutissage selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'un premier système de butée horizontale (33', 33") avec capacité de glissement vertical est arrangé entre la mâchoire inférieure (21) et le poinçon (3), pour assurer un appui permanent, dans la direction horizontale, de l'organe (34) de commande du déplacement horizontal du serre-flan. 12. Outil d'emboutissage selon la revendication 5, caractérisée en ce que le serre-flan comporte une mâchoire supérieure (22), située du côté de la matrice (4), montée coulissante horizontalement sur un tiroir (41) de support de serre-flan déplaçable verticalement par rapport à la matrice. 13. Outil d'emboutissage selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'un deuxième système de butée horizontale (25,45) avec capacité de glissement vertical est arrangé entre la mâchoire inférieure (21) et La mâchoire supérieure (22), pour assurer un appui permanent, dans la direction horizontale, de la mâchoire supérieure sur la mâchoire inférieure.