Brevet FR3041551A1 — publié le 20170331

DISPOSITIF D'EMBOUTISSAGE ET DE DECOUPE D'UNE PIECE [0001] L'invention concerne un dispositif de fabrication d'une pièce emboutie pourvue de découpes, ou de parties ajourées. [0002] L'emboutissage est un procédé de mise en forme permettant d'obtenir des pièces non développable, à partir de feuilles de tôle minces, montées sur une presse. La tôle est la matière brute qui n'a pas encore été emboutie. [0003] L'emboutissage se pratique à l'aide de presses à emboutir, de fortes puissances, munies d'outillages spéciaux qui comportent généralement deux pièces : une matrice, en creux, définissant une empreinte pour conférer à la pièce sa forme extérieure, et un poinçon, en relief, apte à venir se loger dans l'empreinte de la 15 matrice, et conférant à la pièce sa forme intérieure, en réservant l'épaisseur de la tôle. [0004] Les structures modernes des véhicules automobiles doivent satisfaire à des exigences de plus en plus sévères, notamment quant à leur résistance aux chocs, tout en ayant une masse la plus faible 20 possible. Pour cela, des pièces en acier à haute résistance sont de plus en plus utilisées. [0005] Il est connu, pour la réalisation de pièces en acier à haute résistance et de faible épaisseur et dimensionnellement stable, de chauffer un flan, puis de le former par emboutissage entre une matrice 25 et un poinçon froid, de sorte que la pièce obtenue subisse un effet de trempe, de sorte à obtenir une structure martensitique et/ou bainitique. [0006] Ce procédé permet d'obtenir une pièce ayant une grande précision de forme, une bonne stabilité dimensionnelle, des valeurs élevées de résistance, et qui est parfaitement adaptée à être utilisée 30 dans le domaine de la construction automobile. [0007] Après l'emboutissage à chaud et la trempe sous presse, de tels aciers à haute résistance et à ultra haute résistance possèdent des résistances à la traction supérieures à 1000 MPa. Ils ne peuvent être découpés que par des procédés particuliers, comme par exemple la 35 découpe par faisceau laser. [0008] Le document FR 2996472 décrit un procédé de fabrication d'une pièce en matière susceptible de subir une trempe, ce procédé 3041551 2 comprenant une phase d'emboutissage à chaud de la pièce, par l'intermédiaire d'une presse, suivie d'une phase de trempe de la pièce, le procédé comprenant également une étape de découpe de la pièce par poinçonnage, réalisée au cours de la phase d'emboutissage à 5 chaud. [0009] Cependant, un tel procédé ne va pas sans inconvénients. En effet, les poinçons s'usent très vite, à cause des frottements avec la pièce lors de l'étape de poinçonnage, la pièce devenant de plus en plus dure lors de la phase de trempe. L'usure des poinçons tend à diminuer 10 l'efficacité et la précision de l'étape de découpe par poinçonnage. [0010] Un objectif est de proposer un dispositif d'emboutissage à chaud d'une pièce, comprenant un système de découpe résistant et ayant une grande longévité. [0011] Un deuxième objectif est de proposer un dispositif 15 d'emboutissage à chaud d'une pièce, comprenant un système de découpe capable de découper des pièces de grande épaisseur. [0012] Un troisième objectif est de proposer un dispositif d'emboutissage à chaud d'une pièce, comprenant un système de découpe de grande précision, pour prévenir d'une étape éventuelle de 20 reprise et/ou de finition. [0013] À cet effet, il est proposé, en premier lieu, un dispositif d'emboutissage d'une pièce, au moyen d'une presse comprenant une matrice primaire définissant une empreinte, et une matrice secondaire définissant un relief, dispositif dans lequel la matrice primaire intègre 25 un système de découpe de matière comprenant une tête de découpe sans contact. [0014] Un tel dispositif permet de réaliser une découpe sur une pièce, sans abimer ou user le matériel nécessaire à cette opération. Le dispositif permet de supprimer une opération de reprise de coupe, 30 obligatoire lorsque la découpe est réalisée par poinçonnage. [0015] Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaison : - la tête de découpe projette un jet d'eau ; - la tête de découpe projette un rayonnement laser ; 35 - la presse comprend des canaux de refroidissement dans lesquels un fluide caloporteur circule, pour le refroidissement du dispositif ; - le fluide caloporteur est à une température égale à 4°C ; 3041551 3 - la matrice secondaire comprend un tunnel d'évacuation, pour l'évacuation des résidus de matière provenant de la pièce. [0016] Il est proposé, en second lieu, un procédé d'emboutissage d'une pièce, au moyen du dispositif tel que présenté ci-dessus, ce 5 procédé comprenant les étapes consistant à : - chauffer la pièce dans un four, - former une pièce dans la presse, - découper la pièce au moyen du système de découpe. [0017] Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être 10 prévues, seules ou en combinaison : le procédé comprend une étape de refroidissement du dispositif d'emboutissage ; le jet d'eau projeté par la tête de découpe est à une pression égale à 6000 bars ; le four est à une température égale à 900°C, lors de l'étape de chauffe de la pièce. [0018] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement et de manière concrète à la lecture de la description ci-après de modes de réalisation, laquelle est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue de face, en section, d'un dispositif d'emboutissage comprenant une presse ; - la figure 2 est une vue de face, en section, d'un dispositif d'emboutissage en cours de formage d'une pièce ; la figure 3 est une vue de face, en section, d'un dispositif d'emboutissage en cours de découpe de la pièce ; - la figure 4 est une vue de détail en coupe de la tête de découpe de la figure 1 ; - la figure 5 est un diagramme de fonctionnement d'un procédé d'emboutissage d'une pièce, au moyen du dispositif d'emboutissage de la figure 1. [0019] Sur la figure 1 est représenté un dispositif 1 d'emboutissage à chaud d'une pièce 2. [0020] On définit par rapport au dispositif 1 un repère orthogonal XYZ comprenant trois axes, perpendiculaires deux à deux, à savoir : - un axe X, définissant une direction longitudinale, horizontale, 3041551 4 un axe Y, définissant une direction transversale, horizontale, qui avec l'axe X définit un plan XY horizontal, - un axe Z, définissant une direction verticale, perpendiculaire au plan XY. 5 [0021] Dans la suite de la description et en référence au repère défini ci-dessus, les termes « longitudinal » ou « longitudinalement » font référence à une direction confondue ou parallèle à l'axe X, les termes « transversal » ou « transversalement » font référence à une direction confondue ou parallèle à l'axe Y, et les termes « vertical » ou 10 « verticalement » font référence à une direction confondue ou parallèle à l'axe Z. [0022] Le dispositif 1 d'emboutissage comprend une presse 3 pour le formage de la pièce 2. [0023] La pièce 2 est une tôle métallique, par exemple en acier, 15 issue d'une bobine de métal qui a été découpée. [0024] La presse 3 est composée d'une matrice 4 primaire et d'une matrice 5 secondaire fixe, la matrice 4 primaire étant mobile verticalement entre deux positions : une position d'ouverture, illustrée sur la figure 1, dans laquelle la 20 matrice 4 primaire est écartée de la matrice 5 secondaire, une position de fermeture, illustrée sur la figure 2, dans laquelle la matrice 4 primaire est rapprochée de la matrice 5 secondaire. [0025] La matrice 4 primaire est creusée d'une empreinte 6 sur un bord 7 inférieur de la matrice 4 primaire, traversant transversalement et 25 longitudinalement une partie de la matrice 4 primaire. Des excroissances 8, 9 bordent l'empreinte 6. [0026] La matrice 5 secondaire comprend un relief 10 s'étendant verticalement depuis un bord 11 supérieur de la matrice 5 secondaire, et longitudinalement sur une partie de la matrice 5 secondaire. Des 30 épaulements 12, 13 bordent le relief 10. [0027] Telle qu'illustrée sur la figure 1, la presse 3 est en position d'ouverture, la pièce 2 a été disposée sur le relief 10 de la matrice 5 secondaire, dans le but de la déformer plastiquement par compression, au moyen de la matrice 4 primaire qui vient s'appuyer sur la pièce 2, 35 comme illustré sur la figure 2. [0028] Pour que la pièce 2 puisse être déformable aisément, celle-ci est chauffée à l'intérieur d'un four avant d'être déposée sur le relief 10, 3041551 5 à l'aide d'un moyen de transport automatisé, par exemple un bras robotique. [0029] La pièce 2 atteint, dans le four, une température par exemple égale à 900°C, pour l'austénitisation. 5 [0030] Comme illustré sur la figure 2, la matrice 4 primaire se déplace verticalement en direction de la pièce 2 pour la déformer, comme le montre les flèches noires. Les excroissances 8, 9, une fois en contact avec la pièce 2, déforment la pièce 2 et lui font imprégner la forme des épaulements 12, 13 de la matrice 5 secondaire. 10 [0031] Avantageusement, les excroissances 8, 9, l'empreinte 6, le relief 10 et les épaulements 12, 13 possèdent des rebords arrondis et polis, permettant d'éviter l'apparition d'arêtes vives et de fissures sur la pièce 2. [0032] La matrice 4 primaire et la matrice 5 secondaire sont 15 pourvues de canaux 14, 15 de refroidissement. Les canaux 14, 15 sont reliés à un système 16 de refroidissement qui fait circuler un fluide caloporteur dans les canaux 14, 15 de refroidissement, dans le but d'abaisser la température de la presse 3, et plus précisément de la matrice 4 primaire et de la matrice 5 secondaire. 20 [0033] Avantageusement, le fluide caloporteur est à une température de quelques degrés, par exemple 4°C, permettant le refroidissement rapide de la presse 3. [0034] La matrice 4 primaire comprend une ouverture 17 dans laquelle est logé un système 18 de découpe de matière, permettant de 25 tailler la pièce 2 une fois qu'elle a été formée dans la presse 3. En effet, l'étape de découpe de la pièce 2 a lieu juste après l'étape de formage de la pièce 2. Ainsi, pour réaliser cette découpe, la presse 3 demeure en position de fermeture. [0035] Le système 18 de découpe de matière comprend une tête 19 30 de découpe sans contact, c'est-à-dire capable de projeter un fluide à très haute pression, une flamme, ou un rayonnement sur la pièce 2 pour la creuser et la découper, comme on peut le voir sur la figure 3. Dans la suite de ce texte, nous prendrons comme exemple une tête 19 de découpe projetant un fluide. 35 [0036] Pour que le fluide soit porté à haute pression, le système 18 de découpe comprend une pompe 20 hydraulique, située à l'extérieur de la presse 3, délivrant un fluide 21 sous pression. 3041551 6 [0037] Avantageusement, la tête 19 de découpe est multi-axes, et peut tourner autour de l'axe Z, se déplacer suivant les axes X et Y, et pivoter autour des axes X et Y pour réaliser des congés. [0038] La matrice 5 secondaire est munie d'un tunnel 22 5 d'évacuation, traversant verticalement la matrice 5 secondaire et permettant l'évacuation des résidus 23 de la pièce 2, créés lors de la découpe. [0039] Selon un mode de réalisation, le fluide projeté par la tête 19 de découpe est de l'eau. Ainsi, le jet 24 d'eau, en plus de découper la 10 pièce 2, permet d'accentuer son refroidissement. Dans certaines mises en oeuvre, le jet 24 d'eau projeté par la tête 19 de découpe est à une pression comprise entre 4000 bars et 8000 bars et est par exemple égale à 6000 bars. [0040] En variante, le fluide projeté par la tête 19 de découpe est un 15 mélange d'eau et d'abrasifs, comme par exemple du sable de silice ou de la poudre de verre. [0041] Pour obtenir un jet 25 d'eau abrasif, l'eau passe par une buse 26, réduisant le diamètre du jet 24 d'eau, atteint une chambre 27 de mélange dans laquelle le jet 24 d'eau est mélangé à un abrasif 28, le 20 mélange passe ensuite dans une buse 29 à abrasifs, pour enfin être projeté par la tête 19 de découpe. [0042] Selon un deuxième mode de réalisation, la tête 19 de découpe projette un rayonnement laser. [0043] En variante, une flamme d'oxycoupage ou un plasma sont 25 utilisés en lieu et place du rayonnement laser. [0044] L'emboutissage de la pièce 2 est géré par un procédé schématiquement représenté sur le diagramme de la figure 4. [0045] Une première étape 100 du procédé consiste à placer une bobine de métal dans un train de découpe, dans lequel la bobine sera 30 déroulée jusqu'à un outil de découpe. [0046] Une deuxième étape 200 du procédé consiste découper la bobine au moyen de l'outil de découpe, dans le but d'obtenir une pièce 2 métallique aux dimensions désirées. [0047] Une troisième étape 300 du procédé consiste à déposer la 35 pièce 2 dans le four, dans lequel la pièce 2 sera chauffée à une température donnée, par exemple de l'ordre de 900°C, pour l'austénitisation d'une pièce 2 en acier. 3041551 7 [0048] Une quatrième étape 400 du procédé consiste à récupérer la pièce 2 chauffée, en sortie du four. La pièce 2 étant une température élevée, cette manoeuvre ne peut pas être effectuée par un opérateur, c'est pourquoi un moyen d'automatisation est préféré, un bras robotisé 5 assurera alors la préhension de la pièce 2 puis son transport jusqu'à la presse 3. [0049] Une fois que la pièce 2 est disposée dans la presse 3, elle peut être formée à une étape 500 de formage. [0050] Dès l'instant où la pièce 2 est compressée entre la matrice 4 10 primaire et la matrice 5 secondaire, une étape 600 de refroidissement de la pièce 2 est initiée, dans laquelle la température de la pièce 2 est abaissée, comme décrit précédemment. [0051] Alors que la presse 3 est toujours en position de fermeture, une étape 700 de découpe de la pièce 2 est initiée, dans laquelle la 15 pièce 2 est découpée au moyen du système 18 de découpe, comme décrit précédemment. [0052] Enfin, la pièce 2 est évacuée de la presse 3 à une étape 800. [0053] Le dispositif 1 d'emboutissage ainsi décrit présente plusieurs avantages, parmi lesquels : 20 sa simplicité de mise en oeuvre technique, aucun support spécifique n'étant nécessaire pour maintenir la pièce 2 durant l'étape de découpe, sa précision, permettant d'obtenir des rebords très nets après découpage de la pièce 2, 25 - sa fiabilité, le système 18 de découpe n'utilisant pas d'outil de découpe par contact avec la pièce 2, de sorte qu'aucune usure due aux frottements n'est possible, sa rapidité, le temps de fabrication de la pièce 2 étant réduit car aucune opération de reprise de coupe de la pièce 2 n'est nécessaire : 30 en effet, la tête 19 de découpe étant précise et fiable, la qualité de production peut rester constante au fur et à mesure des productions, sa polyvalence : au contraire d'un poinçon la tête 19 de découpe permet de découper la pièce 2 selon toute forme désirée. [0054] Enfin, lorsque le jet 24 d'eau est utilisé, le dispositif 1 35 d'emboutissage permet de compléter le refroidissement de la pièce 2 et contribue ainsi au renforcement de sa dureté. REVENDICATIONS1. Dispositif (1) d'emboutissage d'une pièce (2), au moyen d'une presse (3) comprenant une matrice (4) primaire définissant une empreinte (6), et une matrice (5) secondaire définissant un relief (10), le dispositif (1) étant caractérisé en ce que la matrice (4) primaire intègre un système (18) de découpe de matière comprenant une tête (19) de découpe sans contact. 2. Dispositif (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la tête (19) de découpe projette un jet (24) d'eau. 3. Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tête de découpe projette un rayonnement laser. 4. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la presse (3) comprends des canaux (14, 15) de refroidissement dans lesquels un fluide caloporteur circule pour le refroidissement du dispositif (1). 5. Dispositif (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le fluide caloporteur est à une température égale à 4°C. 6. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications 25 précédentes, caractérisé en ce que la matrice (5) secondaire comprend un tunnel (22) d'évacuation, pour l'évacuation des résidus (23) de matière provenant de la pièce (2). 7. Procédé d'emboutissage d'une pièce au moyen du dispositif 30 (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que il comprend les étapes consistantes à : chauffer la pièce (2) dans un four, former une pièce (2) dans la presse (3), découper la pièce (2) au moyen du système (18) de découpe. 20 35 3041551 9 8. Procédé d'emboutissage d'une pièce selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de refroidissement du dispositif (1) d'emboutissage. 5 9. Procédé d'emboutissage d'une pièce selon les revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le jet (24) d'eau projeté par la tête (19) de découpe est à une pression égale à 6000 bars. 10. Procédé d'emboutissage d'une pièce selon l'une 10 quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le four est à une température égale à 900°C, lors de l'étape de chauffe de la pièce.