Brevet FR2960176A1 — publié le 20111125

Outil à découper des métaux comportant au moins un poinçon dont la partie active est en diamant polycristallin La présente invention concerne de manière générale la découpe par poinçonnage de matériaux, notamment métalliques et se présentant sous forme de feuilles. La découpe par poinçonnage est typiquement réalisée à l'aide d'outils comprenant une matrice dans laquelle coulissent un ou plusieurs poinçons, qui sont typiquement en carbure de tungstène (WC) ou en céramique. Toutefois, ces poinçons présentent l'inconvénient de s'user rapidement, ce qui a pour conséquence que le temps d'utilisation entre deux affûtages du poinçon est très faible. Pour remédier à ces problèmes d'usure, la demanderesse a découvert de manière surprenante qu'un outil à découper comportant un poinçon dont la partie active (ou arête tranchante) est en diamant polycristallin ne s'use quasiment pas et présente un temps d'utilisation entre deux affûtages très élevé. Par diamant polycristallin (ou plus généralement PCD) on entend au sens de la présente invention, un diamant synthétique polycristallin, produit par frittage à 1400°C d'une poudre de diamant avec du cobalt du carbure de tungstène (WC), du niobium (Nb), du tantale (Ta), et du carbure de titane (TiC), à une pression très élevée (de l'ordre de 60 tonnes). Le diamant PCD peut aussi être obtenu sous forme d'une plaque réalisée par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Il est connu d'utiliser des outils constitués en totalité ou en partie de diamant polycristallin. Ainsi, le brevet américain US 5,921,131 décrit un outil de presse de formage/pliage. Il ne s'agit pas d'un outil de découpe et il est moins soumis à des contraintes de chocs qu'à des contraintes de friction et de pression. L'homme du métier n'envisagerait pas d'utiliser un matériau tel que le diamant polycristallin pour constituer tout ou partie d'un outil à découper, et ce notamment en raison de sa fragilité supposée. En effet, l'homme du métier ne pourrait pas imaginer qu'un tel matériau présente une résistance aux chocs suffisamment élevée pour pouvoir être utilisé pour découper par poinçonnage des matériaux (notamment métalliques). La demanderesse a surmonté le préjugé précité et a mis au point un outil à découper un matériau, notamment métallique comprenant au moins une matrice et au moins un poinçon, dont une extrémité libre comporte une arête tranchante définissant un contour ouvert ou fermé (c'est-à-dire la partie active du poinçon), ladite arête étant destinée à être en contact avec le matériau à découper posé sur la matrice. Selon l'invention, l'arête tranchante du poinçon est en diamant polycristallin (PCD). Une telle arête est à la fois résistante à l'usure et aux chocs, et présente en particulier une forte résistance à l'impact. En effet, un poinçon ayant une partie active (arête tranchante) en PCD permet d'usiner un grand nombre de pièces métalliques sans nécessité de remplacer la partie active, ni de l'affûter. La resistance a l'usure d'un outil selon l'invention est plus particulièrement illustrée par des tests d'usure, qui ont été réalisés pour une même matrice en carbure de tungstène, avec différents poinçons ayant une partie active de nature différente carbure de tungstène, céramique, et PCD. Ces poinçons ont été mis en concurrence pour la 5 découpe de connecteurs en cuivre. Les résultats obtenus sont les suivants . - un poinçon, avec une partie active en carbure de tungstène, est usé après poinçonnage de seulement 400000 pièces, de telle sorte qu'il nécessite de démonter 10 l'outil pour entretien (affûtage), - un poinçon, avec une partie active en céramique, n'est usé qu'à partir de 1000000 pièces avant son remplacement ou son affûtage, enfin, un poinçon conforme à la présente 15 invention, avec une partie active en diamant polycristallin (PCD), permet de poinçonner au moins 2000000 de pièces sans présenter le moindre signe d'usure (généralement caractérisé par une bavure). Selon un premier mode de réalisation 20 particulièrement avantageux de l'outil selon l'invention, le poinçon est un élément monobloc en deux parties, comprenant une première partie en carbure de tungstène fixée dans un porte-poinçon (3) et une deuxième partie en diamant polycristallin (PCD), la deuxième partie 25 comprenant l'arête tranchante et les deux parties du poinçon étant frittées solidairement. Selon un deuxième mode de réalisation avantageux de l'outil selon l'invention, le poinçon comprend deux blocs, qui se répartissent comme suit : 30 - un premier bloc en alliage métallique résistant aux chocs, dont l'une des extrémités est emmanchée dans un porte-poinçon, et - un deuxième bloc en deux parties, avec : o une première partie en carbure de tungstène dont l'une des fixée au premier bloc filetage, collage, ou par o une deuxième partie polycristallin (PCD) extrémités est par brasage, frettage, et en diamant qui comprend parties du et l'autre l'arête tranchante, les deux deuxième bloc (l'une en PCD 10 en carbure de tungstène) étant frittées solidairement. Dans le cas d'un assemblage des deux blocs par brasage, on utilise typiquement l'argent ou ses alliages comme métal d'apport. Mais il est également possible 15 d'utiliser d'autres métaux ou alliages tels que les alliages d'étain, de cuivre, d'aluminium, de nickel ou tout autre alliage de métaux précieux, en particulier le titane pour un brasage sous vide ou sous atmosphère contrôlée. 20 Ce deuxième mode de réalisation est plus particulièrement destiné à des poinçons relativement longs (en particulier de l'ordre de 80 mm de long) et plus larges (diamètre équivalent de l'ordre de 5 mm). De manière avantageuse, la matrice de l'outil à 25 découper peut être constituée, en totalité ou en partie, de diamant polycristallin, de sorte que l'arête tranchante du poinçon et la matrice ont alors la même durée de vie, même s'il est vrai que la matrice, qui est fixe, s'use généralement beaucoup moins que le poinçon. 30 Selon la taille de la matrice, celle-ci est monobloc (par exemple dans le cas de petites matrices présentant une surface d'appui de dimensions 60 mm X 80 mm) ou multiblocs (par exemple dans le cas de matrices présentant une surface d'appui de dimensions 200 mm X 200 mm) La présente invention a encore pour objet 5 l'utilisation d'un outil selon l'invention pour découper des feuilles métalliques. Il s'agit en particulier de feuilles en métal non ferreux, notamment en métal cuivreux (cuivre, laiton, bronze), ou encore en acier inoxydable. 10 D'autres avantages et particularités de la présente invention résulteront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux figures annexées : - la figure 1 représente une vue en perspective 15 latérale d'un poinçon d'un outil conforme à l'invention selon une première variante de réalisation, - la figure 2 représente une vue en perspective latérale d'un poinçon d'un outil conforme à l'invention selon une deuxième variante de l'invention, 20 - la figure 3 représente en coupe la figure de l'exemple 2, - la figure 4 représente une vue schématique de dessus d'une matrice dans laquelle peuvent coulisser plusieurs poinçons. 25 Les éléments identiques représentés sur les figures 1 à 4 sont identifiés par des références numériques identiques. La figure 1 montre une partie d'un outil conforme à l'invention, comprenant un porte-poinçon 3 et un 30 poinçon monobloc 2, 202 en deux parties 2021, 2022, qui se répartissent comme suit : o une première partie 2021 en carbure de tungstène, fixée dans le porte-poinçon 3, et o une deuxième partie 2022 en diamant polycristallin (PCD), qui comprend l'arête tranchante 23, les deux parties 2021 et 2022 étant frittées solidairement. L'arête tranchante 23 a été rectifiée pour l'amener aux dimensions souhaitées. Cette arête tranchante 23 définit un contour fermé de forme circulaire, dont le diamètre est de 2 mm. La longueur de la deuxième partie 2022 en PCD est comprise entre quelques dixièmes de millimètres et plusieurs millimètres. La première partie 2021 facilite la mise en oeuvre du poinçon 2 : en effet, le carbure de tungstène se brase facilement, ce qui n'est pas le cas du diamant quelque soit sa structure, qu'elle soit monocristalline ou polycristalline. En ce qui concerne le mode de réalisation selon l'invention représenté sur les figures 2 et 3, le poinçon 2 n'est pas monobloc : il comprend deux blocs, qui se répartissent comme suit : un premier bloc 201 en alliage métallique résistant aux chocs, dont l'une des extrémités 21 est 25 emmanchée dans un porte-poinçon 3, et - un deuxième bloc 202 en deux parties, avec une première partie 2021 en carbure de tungstène dont l'une des extrémités est fixée au premier bloc 201 par brasage, filetage, collage, ou par frettage, et une deuxième 30 partie 2022 en diamant polycristallin (PCD) qui comprend l'arête tranchante 23, les deux parties 2021 et 2022 du deuxième bloc 202 étant frittées solidairement. Dans l'absolu, la partie 2022 en PCD pourrait être brasée sous vide directement sur le premier bloc 201, mais la partie 2021 en carbure de tungstène est ajoutée par les fabricants afin de faciliter la mise en oeuvre du PCD. Sur la figure 4 est représentée une matrice 1 multibloc dans laquelle peuvent coulisser des poinçons 2 identiques. Seuls les blocs 11 de la matrice 1, qui comportent des parties femelle 13 pouvant recevoir les poinçons 2, sont en PCD. Les autres parties 12 de la matrice 1 sont en carbure de tungstène. REVENDICATIONS1. Outil à découper un matériau notamment métallique comprenant au moins une matrice (1) et au moins un poinçon (2), dont une extrémité libre comporte une arête tranchante (23) définissant un contour ouvert ou fermé, ladite arête (23) étant destinée à entrer en contact avec le matériau à découper posé sur la matrice 10 (1), caractérisé en ce que ladite arête tranchante (23) est en diamant polycristallin (PCD). 2. Outil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit poinçon (2) est un élément monobloc (202) en 15 deux parties, comprenant une première partie (2021) en carbure de tungstène fixée dans un porte-poinçon (3) et une deuxième partie (2022) en diamant polycristallin (PCD), la deuxième partie (2022) comprenant l'arête tranchante (23) et les deux parties (2021) et (2022) 20 étant frittées solidairement. 3. Outil selon l'une des revendications 1, caractérisé en ce que ledit poinçon (2) comprend deux blocs, qui se répartissent comme suit : 25 un premier bloc (201) en alliage métallique résistant aux chocs, dont l'une des extrémités (21) est emmanchée dans un porte-poinçon (3) et - un deuxième bloc (202) en deux parties, avec une première partie (2021) en carbure de tungstène dont l'une 30 des extrémités est fixée au premier bloc (201) par brasage, filetage, collage, ou par frettage, et une deuxième partie (2022) en diamant polycristallin (PCD)qui comprend l'arête tranchante (23), les deux parties (2021) et (2022) étant frittées solidairement. 4. Outil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite matrice (1) est, en partie ou en totalité, constituée de diamant polycristallin. 5. Utilisation d'un outil tel que défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 pour découper 10 des feuilles en métal. 6. Utilisation selon la revendication 5, caractérisée en ce que les feuilles sont en acier inoxydable. 15 7. Utilisation selon la revendication 5, caractérisée en ce que les feuilles sont en un métal cuivreux.