Brevet FR3039274A1 — publié le 20170127

Machine d'essais mécaniques in-situ d'emboutissage et de pliage Domaine technique La présente invention se rapporte à une machine d'essais mécaniques in-situ, destinée à déformer un échantillon tout en permettant son observation par un instrument tel qu'un microscope électronique à balayage, un microscope optique, un spectromètre ou un diffractomètre. Etat de la technique Lors d'un emboutissage, une tôle, appelée un flan, subit des déformations plastiques qui sont en général des étirements dans le plan et des pliages. Les étirements peuvent être d'amplitude différente selon les directions et le comportement du matériau dépendant de ce rapport de déformation. Pour la réussite de la fabrication d'une pièce par emboutissage, il est indispensable de ne pas obtenir de déchirement de la tôle, ni même de striction locale. Pour cela, il est nécessaire de connaître le comportement d'un matériau pour concevoir la méthode et les outils d'emboutissage. La connaissance approfondie du matériau permet de prédire et de modéliser son comportement lors de la fabrication d'une pièce. On connait différentes méthodes d'essais permettant de solliciter un matériau et d'en déterminer les caractéristiques sous la forme de diagrammes représentant des courbes limites de formage. Une méthode connue dite de Keeler est basée sur l'observation de pièces réelles embouties, par exemple par le traçage d'un réseau sur le flan et mesure de la déformation du réseau. L'observation permet de déterminer à quel stade se trouve le matériau localement. 3039274 2 Une autre méthode appelée IRSID consiste à réaliser des emboutis de forme circulaire ou elliptique par gonflage sous pression hydraulique. L'avantage de cette méthode est qu'elle élimine tout frottement du flan sur un outil et de mieux accéder à la contrainte réellement subie. Cependant, 5 elle ne permet pas d'explorer au mieux tout le domaine de déformation du matériau. Par ailleurs, elle nécessite la mise en oeuvre d'un fluide. On connaît également la méthode dite Nakazima, dans laquelle on utilise une matrice circulaire et un poinçon hémisphérique. Le flan est maintenu par un serre-flan. L'utilisation d'échantillon de forme carrée 10 permet d'obtenir une large gamme de déformations. L'inconvénient est que du frottement est induit sur le poinçon et introduit une incertitude sur la connaissance de la contrainte. De plus, l'arrondi du poinçon induit une déformation en flexion qui n'est pas négligeable si l'échantillon est épais. Nous citerons en outre la méthode dite Marciniak qui reprend la 15 méthode Nakazima en remplaçant le poinçon par un poinçon ayant une extrémité partiellement plate ou en creux. La partie de l'échantillon en regard du plat est sollicitée sans frottement sur le poinçon et sans cintrage. L'observation macroscopique des échantillons est faite par la mesure des forces combinées aux déplacements relatifs de la matrice et du 20 poinçon. Il est cependant utile d'observer l'échantillon dans toutes les phases de l'essai d'emboutissage par des moyens d'observation à l'échelle microscopique, afin de mieux connaître le comportement du matériau. Un tel instrument d'observation est par exemple un microscope électronique à balayage, un microscope optique, un spectromètre ou un diffractomètre. 25 De tels instruments ont des volumes de travail, dans lesquels on peut placer les échantillons, des dimensions déterminées, et en général incompatibles avec les dimensions d'un banc d'essais tels que connus pour mettre en oeuvre les méthodes précédentes. On connait par le document « Multiaxial Deformation Setup for Microscopic Testing of Sheet Metal to Fracture » in « Experimental Mechanics », 2012, 52 :669-678 from C.C. Tasan, J.P.M. Hoefnagels, 3039274 3 E.C.A. Dekkers, M.G.D Geers, une machine d'essais constituée de deux plateaux montés parallèlement l'un à l'autre. L'un porte une matrice tandis que l'autre porte un poinçon, un échantillon étant interposé entre les deux. La machine comporte des moyens d'entraînement pour rapprocher les 5 plateaux. Ces moyens d'entraînement comportent un treuil et un câble qui passe par de multiples poulies pour tirer les plateaux par mouflage. Bien qu'assez compacte, cette machine est encore trop haute pour la plupart des instruments sur lesquels il est souhaitable d'observer les essais. 10 L'invention vise à fournir une machine d'essais suffisamment compacte et apte à développer des efforts suffisants pour la déformation des échantillons en emboutissage. Description de l'invention Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet une machine 15 d'essais mécaniques in-situ comportant un plateau supérieur destiné à accueillir un échantillon, un plateau inférieur destiné à supporter un outil pour soumettre l'échantillon à des efforts d'emboutissage ou de flexion., des moyens d'actionnement pour rapprocher les deux plateaux l'un de l'autre de manière à appliquer l'outil sur l'échantillon, caractérisée en ce 20 que les moyens d'actionnement comportent au moins deux ensembles de rapprochement, chaque ensemble de rapprochement comportant au moins une première biellette en liaison pivot sur le plateau supérieur, un coulisseau sur lequel la première biellette est articulée, et un cadre comportant des moyens de traction aptes à agir sur les coulisseaux de 25 manière à les écarter l'un de l'autre pour rapprocher les plateaux. Les termes « inférieur » et « supérieur » se rapporte à une position relative des plateaux en position normale d'utilisation, mais il va de soi que la machine peut être disposée dans n'importe quelle orientation. Il en est de même pour les indications « horizontal » et « vertical ». Les biellettes 30 permettent de transformer un mouvement de translation horizontal des 3039274 4 coulisseaux en mouvement de translation vertical des plateaux. La translation des coulisseaux peut ainsi être développée dans une direction horizontale moins contrainte que celle, verticale, de l'espacement entre les plateaux. Une telle machine permet de développer des efforts de 5 rapprochement des plateaux à des niveaux requis pour la déformation d'échantillons par exemple en tôle d'acier, tout en restant suffisamment compacte. La machine peut être ainsi placée dans l'espace limité d'un appareil d'observation. Selon une caractéristique complémentaire, chaque ensemble de 10 rapprochement comporte une deuxième biellette en liaison pivot sur le plateau inférieur et sur le coulisseau de manière à former une genouillère avec la première biellette. On obtient ainsi un rapprochement symétrique des plateaux par rapport au plan médian des coulisseaux. Le plateau inférieur peut servir d'accroche de la machine à un instrument 15 d'observation, de telle sorte que l'outil est fixe par rapport à la machine. On peut ainsi observer l'échantillon par le dessus lorsque sa position est déterminée par l'outil sans nécessité de le suivre. Selon une autre caractéristique, chaque ensemble de rapprochement comporte deux genouillères dont les axes de pivotement sont communs. 20 On assure ainsi un déplacement synchronisé pour conserver un parallélisme entre les axes de pivotement des biellettes sur les plateaux, avec une bonne stabilité des plateaux. Selon une disposition constructive, les moyens de traction comportent au moins un système vis-écrou agissant entre les coulisseaux. 25 Un tel système assure le développement de forces de translation de forte intensité à partir d'un mouvement de rotation. Selon un perfectionnement, le système vis-écrou comprend une vis entraînée en rotation par des moyens de motorisation, et deux écrous à pas inversés l'un par rapport à l'autre et portés par les coulisseaux. Avec 30 des moyens de motorisation entraînant une seule vis, on assure le déplacement des deux coulisseaux, dans des sens opposés et ce de 3039274 5 manière parfaitement synchrone. On peut ainsi opérer un rapprochement symétrique de chaque plateau. De manière complémentaire, les moyens de traction comportent deux systèmes vis-écrou de part et d'autre des plateaux. Les efforts peuvent 5 être ainsi plus importants et en outre répartis de manière symétrique. Selon une disposition constructive, les moyens de motorisation comportent un motoréducteur porté par le cadre et des moyens de transmission entre le motoréducteur et le ou les systèmes vis-écrou. Par exemple, les moyens de transmission comportent un système à 10 pignons et chaîne. Ils assurent une transmission compacte et sans glissement. Selon un perfectionnement, le système vis-écrou est à billes. Les pertes par force de frottement sont diminuées, résultant en un rendement mécanique élevé, afin d'appliquer au niveau de l'outil la plus grande force 15 possible. Selon un autre perfectionnement, la machine comporte des moyens de guidages des plateaux entre eux pour les guider en coulissement l'un vers l'autre. On s'assure ainsi que les plateaux restent parallèles l'un à l'autre pendant les opérations. 20 Selon une disposition constructive, les moyens de guidage comportent au moins une colonne fixée à l'un des plateaux et coulissante dans l'autre plateau. Selon un autre perfectionnement, la première biellette est en liaison pivot sur le plateau supérieur par une broche amovible du premier plateau. 25 Le plateau peut ainsi être démonté ou au moins pivoter autour de l'autre première biellette afin de laisser un accès à l'espace entre les plateaux, par exemple pour effectuer un changement d'outil ou d'échantillon. De même, si les deux ensembles de rapprochement comportent une broche amovible, le plateau supérieur est interchangeable et un autre plateau peut 30 être mis à la place. L'autre plateau peut être identique et porter un nouvel 3039274 6 échantillon préparé à l'avance ou différent pour réaliser un autre type d'essai. Selon une disposition complémentaire, le plateau supérieur comporte un serre-flan pour retenir l'échantillon. Selon la nature des essais, le serre- 5 flan peut bloquer complètement les bords de l'échantillon ou les laisser glisser, comme dans une opération d'emboutissage. Selon un autre perfectionnement, l'outil est un poinçon monté de manière amovible sur le plateau inférieur. On peut ainsi facilement changer de type d'essais à réaliser. 10 Brève description des figures L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'un machine selon un premier 15 mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue similaire à la figure selon un autre angle de vue ; - la figure 3 est une vue en coupe selon le plan III-III de la figure 1 ; - les figures 4 et 5 sont des vues de côté d'une partie centrale de la 20 machine de la figure 1, respectivement en position initiale et en position finale ; - la figure 6 est une vue en perspective des plateaux de la machine de la figure 1 ; - la figure 7 est une vue similaire à la figure 6 avec seulement le 25 deuxième plateau, des capteurs et un poinçon, représenté en explosé ; - la figure 8 est une représentation en perspective et en explosé du premier plateau selon le premier mode de réalisation ; - la figure 9 est une vue en perspective des moyens de traction de la 30 machine de la figure 1 ; 3039274 7 - la figure 10 est une vue similaire à la figure 3 d'une machine selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 11 est une vue en perspective et en explosé du premier plateau de la machine de la figure 9 ; 5 - la figure 12 est une vue en perspective d'une machine selon un troisième mode de réalisation. DESCRIPTION DETAILLEE Une machine d'essais mécaniques in-situ de flexion - emboutissage est représentée sur les figures 1 à 9. Elle comporte un plateau supérieur 1 10 et un plateau inférieur 2, sensiblement plans, placés parallèlement l'un à l'autre et espacés ; et des moyens d'actionnement 5 pour rapprocher les deux plateaux 1, 2 l'un de l'autre. Le plateau supérieur 1 est destiné à accueillir un échantillon 4 et le plateau inférieur 2 destiné à supporter un outil 3 pour soumettre l'échantillon 4 à des efforts lorsque l'outil 3 est 15 appliqué sur l'échantillon 4 par le rapprochement des plateaux 1, 2. Le plateau inférieur 2 est destiné à être fixé sur la table d'un appareil d'observation, non représenté, par l'intermédiaire d'une plaque d'accroche 21, ou autre. Les moyens d'actionnement 5 comportent deux ensembles de 20 rapprochement 50 et un cadre 51 entourant les plateaux 1, 2. Chaque ensemble de rapprochement 50 comporte deux premières biellettes 501 en liaison pivot sur le premier plateau 1 autour du même axe A, deux deuxièmes biellettes 502 en liaison pivot sur le deuxième plateau 2 autour du même axe C et un coulisseau 503 sur lequel les premières et les 25 deuxièmes biellettes 501, 502 sont articulées autour du même axe B, bien qu'on aurait pu avoir deux axes décalés l'un de l'autre. Des moyens de traction 52 aptes à agir sur les coulisseaux 503 de manière à les écarter ou les rapprocher l'un de l'autre sont montés sur le cadre 51. Chaque paire de première et deuxième biellette 501, 502 forme 30 une genouillère dont l'articulation est liée au coulisseau 503. Les axes A, 303 92 74 8 B, C d'articulation des biellettes sont parallèles les uns aux autres. Les deux ensembles de rapprochement 50 sont symétriques l'un à l'autre par rapport à un plan perpendiculaire aux plateaux 1, 2. Les moyens de traction 52 comportent deux systèmes vis-écrou à billes agissant entre les 5 coulisseaux 503 de part et d'autre des plateaux 1, 2, chaque système vis- écrou comprenant une vis à billes 521 entraînée en rotation par des moyens de motorisation 53, et deux écrous à billes 522 à pas opposés l'un par rapport à l'autre et portés par les coulisseaux 503. Les vis à billes 521 s'étendent selon un axe parallèle aux plateaux 1, 2 et perpendiculaire aux 10 axes A, B, C des biellettes. Elles sont montées rotatives sur le cadre 51 par l'intermédiaire de roulements à billes. Les écrous à billes 522 servent aussi de guidage aux coulisseaux 503. Les moyens de motorisation 53 comportent un motoréducteur 531 porté par le cadre 51 et des moyens de transmission 532 entre le 15 motoréducteur 531 les systèmes vis-écrou. Les moyens de transmission 532 comportent un premier système à pignons et chaîne 5321 entre le motoréducteur 531 et une première des deux vis 521. Il comporte en outre un deuxième système à pignons et chaîne 5322 entre les deux vis 521, à l'extrémité opposée de la première vis 521 à celle portant le premier 20 système à pignons et chaîne 5321. Des moyens de guidage 6 des plateaux 1, 2 entre eux sont prévus pour les guider en coulissement l'un vers l'autre. Ces moyens de guidage 6 comportent quatre colonnes 61 fixées au deuxième plateau 2 et coulissantes dans le premier plateau 1 dans des trous cylindriques 62 25 débouchants. Les premières biellettes 501 sont en liaison pivot sur le premier plateau 1 par deux broches 7 amovibles du premier plateau 1, parallèles l'une à l'autre. Ainsi, le premier plateau 1 peut être démonté facilement. Le premier plateau 1 comporte une ouverture centrale 10 par laquelle 30 l'échantillon 4 est destiné à se déformer et sa face opposée à celle en contact avec l'outil 3 peut être observée. 3039274 9 Le plateau supérieur 1 comporte un serre-flan 11 pour retenir l'échantillon 4 sur la face du plateau supérieur 1 en regard du plateau inférieur 2. Selon les essais que l'on souhaite réaliser, l'échantillon 4 est bloqué sur sa périphérie contre le premier plateau 1 ou ajusté sans serrage 5 contre le serre-flan 11. L'outil est par exemple un poinçon 3 monté de manière amovible sur le plateau inférieur 2. Selon le type d'essai que l'on souhaite réaliser, on peut placer un poinçon 3 ayant par exemple une forme hémisphérique, ou cylindrique avec des congés de raccordement entre la face plane et le fût 10 cylindrique. Lors de l'utilisation de la machine d'essais, on rapproche au maximum les coulisseaux 503 l'un de l'autre de telle sorte que les genouillères formées par les biellettes 501, 502 soient presque droites, c'est-à-dire formant chacune un angle légèrement inférieur à 900 par 15 rapport à l'axe des vis à billes, dans une position initiale comme représentée sur les figures 3 et 4. L'échantillon 4 est fixé sur le plateau supérieur 1 en regard de l'outil 3. On met en route le motoréducteur 531 de manière à faire tourner les pignons et donc les vis 521 de manière synchrone. La rotation des vis 521 provoque l'écartement des coulisseaux 20 503 l'un de l'autre. Le mouvement d'écartement des coulisseaux 503 entraîne le rapprochement des plateaux 1, 2 du fait de la réduction de l'angle des biellettes d'une même genouillère entre elles. Les colonnes 61 de guidage assurent un déplacement des plateaux 1, 2 parallèlement l'un à l'autre et un déplacement symétrique des biellettes. Lors du 25 rapprochement des plateaux 1, 2, l'échantillon 4 est déformé par l'outil 3 qui pénètre dans l'ouverture du plateau supérieur 1. La face de l'échantillon 4 opposée à l'outil 3 est observable à travers l'ouverture, ce qui permet de suivre l'évolution de l'échantillon 4 au cours de l'essai. En inversant la marche du motoréducteur 531, on retire l'outil 3 de manière à 30 le dégager de l'échantillon 4 et à retrouver la position initiale pour un nouvel essai. 3039274 10 Les figures 6 et 7 mettent en évidence un capteur de déplacement 8 apte à mesurer la variation de distance entre les plateaux 1, 2 en cours d'essai, et un capteur de force 9 apte à mesure l'effort appliqué par l'outil 3 sur l'échantillon 4. Le capteur de déplacement 8 comporte un premier 5 élément fixé sur le plateau supérieur 1, appelé aussi réglette 81, et un deuxième élément 82 fixé sur le plateau inférieur 2 pour être en regard du premier élément 81 du capteur. Un tel capteur de déplacement 8 peut être du type optique, magnétostrictif, résistif, à induction... Le capteur de force 9 se présente sous la forme d'un anneau placé 10 dans un logement du plateau inférieur 2 et portant directement le poinçon 3 afin d'être sollicité par la force appliquée par le poinçon 3. Le capteur peut être de toute technologie adaptée telle la mesure de déformation d'un corps d'épreuve par jauges de contraintes ou par éléments piézoélectrique. 15 Il va de soi que ces moyens de mesure s'appliquent de la même manière au premier mode de réalisation. Selon un deuxième mode de réalisation, représenté sur les figures 9 et 10, le serre-flan 11' est placé sous le premier plateau 1', c'est-à-dire en regard du deuxième plateau 2. Les bords de l'ouverture centrale 10' 20 comportent un chanfrein 101 de manière à augmenter l'angle d'observation possible. Ce montage évite d'avoir les têtes de vis de fixation du serre-flan 11' qui dépassent et qui pourraient gêner l'observation. Elle permet également d'avoir une position relative de l'échantillon 4 différente, ce qui permet plus de liberté dans l'arbitrage entre les contraintes de position, 25 d'observation et de force à développer. Selon un troisième mode de réalisation, montré sur la figure 9, les ensembles de rapprochement 50" ne comportent pas de deuxièmes biellettes, mais uniquement des premières biellettes 501". Ainsi, le plateau inférieur 2" et le cadre ne font qu'un. Les coulisseaux 503" sont montés 30 sur des rails 504 fixés sur le plateau inférieur 2' qui sert aussi de socle. Le fonctionnement reste similaire à celui du premier mode de réalisation. 303 92 74 11 Nomenclature N° de pièce Désignation ouverture centrale 1010' 101 chanfrein 3 outil 51 cadre 521 vis à billes 504 rails 61 colonnes 81 Réglette 1 1' plateau supérieur 2, 2" plateau inférieur 21 plaque d'accroche 5 moyens d'actionnement 52 moyens de traction 522 écrous à billes 531 motoréducteur 532 moyens de transmission 5321 premier système à pignons et chaîne 6 moyens de guidage 62 trous cylindriques 8 capteur de déplacement 82 deuxième élément 9 capteur de force serre-flan échantillon 4 50 50" ensembles de rapprochement 501 501" 502 premières biellettes deuxièmes biellettes 503, 503" coulisseau deuxième système à pignons et chaîne 5322 5 REVENDICATIONS1. Machine d'essais mécaniques in-situ comportant un plateau supérieur (1) destiné à porter un échantillon (4), un plateau supérieur (2) destiné à supporter un outil (3) pour soumettre l'échantillon (4) à des efforts, des moyens d'actionnement (5) pour rapprocher les deux plateaux (1, 2) l'un de l'autre de manière à appliquer l'outil (3) sur l'échantillon (4), caractérisée en ce que les moyens d'actionnement (5) comportent au moins deux ensembles de rapprochement (50), chaque ensemble de rapprochement (50) comportant au moins une première biellette (501) montée pivotante sur le premier plateau (1), un coulisseau (503) sur lequel la première biellette (501) est articulée, et un cadre (51) comportant des moyens de traction (52) aptes à agir sur les coulisseaux (503) de manière à les écarter l'un de l'autre pour rapprocher les plateaux (1, 2). 2. Machine selon la revendication 1, dans laquelle chaque ensemble de rapprochement (50) comporte une deuxième biellette (502) en liaison pivot sur le plateau inférieur (2) et sur le coulisseau (503) de manière à former une genouillère avec la première biellette (501). 3. Machine selon la revendication 2, dans laquelle chaque ensemble de rapprochement (50) comporte deux genouillères dont les axes de pivotement (A, B, C) sont communs. 4. Machine d'essais selon la revendication 1 à 3, dans laquelle les moyens de traction (52) comportent au moins un système vis-écrou agissant entre les coulisseaux (503). 5. Machine d'essais selon la revendication 4, dans lequel le système vis-écrou comprend une vis (521) entraînée en rotation par des moyens de motorisation (53), et deux écrous (522) à pas opposés l'un par rapport à l'autre et portés par les coulisseaux (503). 3039274 13 6. Machine selon l'une des revendications 4 ou 5, dans laquelle les moyens de traction (52) comportent deux systèmes vis-écrou de part et d'autre des plateaux (1, 2). 7. Machine selon l'une des revendications 4 à 6, dans laquelle les 5 moyens de motorisation (53) comportent un motoréducteur (531) porté par le cadre (51) et des moyens de transmission (532) entre le motoréducteur (531) et le ou les systèmes vis-écrou. 8. Machine selon la revendication 7, dans laquelle les moyens de transmission (532) comportent un système à pignons et chaîne. 10 9. Machine selon l'une des revendications 4 à 8, dans laquelle le système vis-écrou est à billes. 10. Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de guidage 6s des plateaux (1, 2) entre eux pour les guider en coulissant l'un vers l'autre. 15 11. Machine selon la revendication 10, dans laquelle les moyens de guidage (6) comportent au moins une colonne fixée à l'un des plateaux (1, 2) et coulissante dans l'autre plateau. 12. Machine selon l'une des revendications 10 ou 11, dans laquelle la première biellette (501) est en liaison pivot sur le premier plateau (1) par 20 une broche (7) amovible du premier plateau (1). 13. Machine selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le plateau supérieur (1) comporte un serre-flan (11) pour retenir l'échantillon (4). 14. Machine selon l'une des revendications précédentes, dans 25 laquelle l'outil (3) est un poinçon (3) monté de manière amovible sur le plateau inférieure(2).