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1 - DIFFÉRENTS MODES DE DÉFORMATION

2 - COURBES LIMITES DE FORMAGE

3 - CARACTÉRISATION DE LA FORMABILITÉ DES TÔLES

Article de référence | Réf : BM7510 v2

Caractérisation de la formabilité des tôles
Emboutissage des tôles - Importance des modes de déformation

Auteur(s) : Alain COL

Date de publication : 10 oct. 2011

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NOTE DE L'ÉDITEUR

La norme NF EN ISO 12004-2 (A03-670-2) du 01/12/2008 citée dans cet article a été remplacée par la norme NF EN ISO 12004-2 de mars 2021 : Matériaux métalliques - Tôles et bandes - Détermination des courbes limites de formage - Partie 2 : détermination des courbes limites de formage en laboratoire
Pour en savoir plus, consultez le bulletin de veille normative VN2105 (Mai 2021).

14/12/2021

La norme NF EN ISO 10113 d'août 2014 citée dans cet article a été remplacée par la norme NF EN ISO 10113 (A03-658) : Matériaux métalliques - Tôles et bandes - Détermination du coefficient d'anisotropie plastique (Révision 2020)
Pour en savoir plus, consultez le bulletin de veille normative VN2004 (Mai 2020).

19/06/2020

La norme NF EN ISO 6892 de novembre 2016. citée dans cet article a été remplacée par la norme NF EN ISO 6892-1 (A03-001-1) : Matériaux métalliques - Essai de traction - Partie 1 : méthode d'essai à température ambiante (Révision 2020)
Pour en savoir plus, consultez le bulletin de veille normative VN2002 (Mars 2020).

29/05/2020

La norme ISO 6892-1 de juillet 2016 citée dans cet article a été remplacée par la norme ISO 6892-1 : Matériaux métalliques - Essai de traction - Partie 1: Méthode d'essai à température
ambiante (Révision 2019)
Pour en savoir plus, consultez le bulletin de veille normative VN1911 (Décembre 2019).

29/01/2020

La norme NF EN ISO 12004-1 de novembre 2008 citée dans cet article a été remplacée par la norme NF EN ISO 12004-1 (A03-670-1) : Matériaux métalliques - Détermination des courbes limites de formage pour les tôles et bandes
- Partie 1 : mesurage et application des diagrammes limites de formage dans les ateliers d'emboutissage (Révision novembre 2020)
Pour en savoir plus, consultez le bulletin de veille normative VN2011 (Décembre 2020).

28/04/2021

RÉSUMÉ

L'emboutissage des tôles est un procédé d’utilisation générale qui permet d'obtenir des pièces de formes complexes non développables. De nombreux paramètres conditionnent la réussite de l’opération. En dehors des aspects techniques tels les réglages de la presse ou la vitesse d’emboutissage, d’autres sont étroitement liés à la capacité de formage de la tôle. De nos jours, les méthodes numériques de calcul d’emboutissage ont modifié en profondeur l’approche métier. Les pièces sont conçues plus rapidement et les modifications en cours d’élaboration testées systématiquement sur ordinateur. Représentation des déformations, prédiction des courbes limite de formage, estimation de l’apparition de la friction, réglage de la force de serre-flan, autant de notions devenues très familières au concepteur d’outils.

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ABSTRACT

Metal sheet drawing - Importance of deformation modes

Metal sheet drawing is a process of general use which allows for the production of parts with complex non extractable forms. Numerous parameters condition the success of the procedure. Apart from technical aspects such as the settings of the press or the drawing speed, others are closely linked to the ability of the sheet to be formed. The current digital methods of drawing calculation have deeply modified the trade. The parts are designed more rapidly and on-going modifications are systematically tested on the computer. Representing distortions, determining forming limit curve, estimating friction occurrence, adjusting blank-holder strength are notions which have become familiar to tool designers.

Auteur(s)

  • Alain COL : Ingénieur-conseil, Consultac - Expert en mise en forme des tôles minces - Ancien responsable mise en forme à Sollac

INTRODUCTION

L'emboutissage des tôles est une opération qui permet d'obtenir des pièces de formes complexes non développables, contrairement aux opérations plus simples que sont le pliage, le roulage ou le profilage à froid. Ce procédé, d'utilisation très générale, permet de fabriquer les pièces de carrosserie automobile, des appareils électroménagers ou des ustensiles de cuisine, des emballages métalliques, des pièces mécaniques...

Outre la forme de l'outil, qui dépend de la complexité de la pièce à obtenir, de nombreux paramètres conditionnent la réussite de l'opération : ceux liés au process d'une part, tels que réglages de la presse, vitesse d'emboutissage, lubrification, et, d'autre part, ceux liés aux qualités de la tôle elle-même et à sa capacité de formage, encore appelée formabilité, qui fait l'objet de cet article. La mesure des caractéristiques mécaniques des tôles, ainsi que l'interprétation de leur relation avec l'aptitude au formage ont fait de grands progrès. Il en est de même pour la compréhension de l'opération d'emboutissage, entre autre, par le biais de la simulation numérique qui permet maintenant de visualiser virtuellement le comportement du métal dans l'outil. Les systèmes de mesure de déformation, particulièrement les systèmes optiques, sont également des outils qui permettent des analyses quantitatives sur pièces réelles.

Comme nous le laissions entendre dans la précédente édition de cet article (en 2002), les méthodes numériques de calcul de l'emboutissage et de conception des outils ont fait de tels progrès qu'elles sont maintenant utilisées de façon quasi systématique. On peut dire que rares sont les emboutisseurs – et plus rares encore les concepteurs d'outils – qui ne possèdent pas au moins un code de calcul. Cela a complètement modifié le profil du métier, où les spécialistes possédant une grande expérience ont été remplacés par des opérateurs plus familiers de l'emploi des ordinateurs que du comportement du métal.

Cette modification est indiscutablement très bénéfique sur le plan économique : les pièces, les outils, sont conçus plus rapidement et avec beaucoup moins d'échecs que précédemment. Les modifications qui étaient autrefois réalisées au fur et à mesure de la mise au point de l'outil réel par enlèvement de matière ou par apport (dépôts par rechargement) sont aujourd'hui testées sur ordinateur, donc beaucoup plus facilement.

On peut regretter une seule chose dans cette évolution : c'est que les techniciens perdent l'habitude et la capacité de réfléchir sérieusement aux problèmes qui se posent (il est plus simple de lancer un calcul) et qu'on se trouve parfois dépourvu lorsqu'une difficulté se produit dans les ateliers. L'expert capable d'en analyser l'origine n'est souvent plus là.

Ce qui suit est principalement axé sur le matériau. Nous essayerons de montrer quelles sont les caractéristiques des tôles métalliques qui sont influentes vis-à-vis de la mise en forme, en particulier en relation avec les modes locaux de déformation qui jouent ici un grand rôle.

Ce texte traite essentiellement des tôles minces, c'est-à-dire, dans la pratique, les tôles d'épaisseur comprise entre 0,2 et 3 ou 4 mm.

Les matériaux considérés sont essentiellement l'acier et les alliages d'aluminium. Il sera fait quelques allusions aux alliages cuivreux, dont l'emploi tend à décroître pour des questions de prix. Les « tôles sandwich », les « flans soudés » sont des matériaux relativement nouveaux qui nécessiteraient un article à eux seuls car ils introduisent de nombreuses difficultés inhabituelles. Ils ne sont donc pas considérés ici.

Un procédé assez nouveau connaît un grand développement ; il s'agit de l'emboutissage assisté thermiquement. On peut distinguer au moins trois catégories dans cette technique :

  • l'emboutissage faisant intervenir un gradient de température dans l'outil : il s'agit d'une technique connue depuis longtemps, mais rarement utilisée. En général, on chauffe les zones de l'outil où le métal s'oppose au formage, c'est-à-dire la matrice et le serre-flan, et l'on refroidit les zones où il a besoin d'avoir la plus grande résistance possible : le poinçon. La logique de ces chauffages et refroidissements localisés apparaîtra dans la suite de l'article. Cette technique est essentiellement utilisée pour obtenir des pièces profondes à partir d'acier inoxydable et peut s'étendre à des alliages assez peu formables dans les conditions normales ;

  • l'emboutissage aux moyennes températures, de 200 à 500 oC. Il est surtout utilisé pour les alliages d'aluminium ou de magnésium, dont la formabilité est considérablement améliorée par un tel chauffage. L'utilisation de ce type d'emboutissage est en voie de croissance. Cette technique n'est pas très convaincante dans le cas de l'acier ;

  • l'emboutissage à haute température (supérieure à 900 oC), suivi d'une trempe dans l'outil. Cette méthode connaît actuellement un énorme développement car elle permet de mettre en forme des pièces ayant de très hautes caractéristiques, 1 500 MPa de résistance et même plus.

Malgré l'intérêt que présentent ces différentes techniques et leur actualité, elles ne seront pas traitées dans le présent article car, bien que basées sur des principes fondamentaux identiques à ceux de l'emboutissage classique, elles introduisent trop de différences pour y être correctement abordées.

L'étude complète du sujet comprend les articles :

  • [BM 7 510] Emboutissage des tôles. Importance des modes de déformation (le présent article) ;

  • [BM 7 511] Emboutissage des tôles. Aspect mécanique.

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-bm7510


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3. Caractérisation de la formabilité des tôles

3.1 Essais simulatifs

Quand la transformation des tôles par emboutissage a commencé à prendre des dimensions vraiment industrielles (début du XXe siècle), les problèmes de qualité ont amené les utilisateurs et les fabricants à mettre au point des tests leur permettant de juger la qualité de celles-ci vis-à-vis du formage. L'idée est donc venue, tout naturellement, de réaliser des essais reprenant, à petite échelle, des opérations qui sont réalisées dans l'industrie de l'emboutissage. Ces tests sont appelés essais simulatifs.

Leur nombre est impressionnant, plus d'une centaine certainement, mais dont très peu ont survécu à l'épreuve du temps. Nous ne ferons donc que citer les principaux, qui sont encore en usage limité et, souvent, pour des fonctions qui n'étaient pas celles initialement prévues. On peut les classer en fonction du mode de déformation dominant qu'ils caractérisent.

  • Les essais à dominante expansion sont les plus anciens. On trouve l'essai Persoz (1903), l'essai Erichsen (1910), l'essai Olsen (1930) plus particulièrement utilisé aux États-Unis, qui se font sur un poinçon rigide hémisphérique et les essais utilisant une pression hydraulique : Jovignot (1930) et les bulge tests en général.

    Le plus connu dans la première catégorie, l'essai Erichsen à flan bloqué (figure 18), a longtemps fait partie de la batterie de tests prévus pour la réception des tôles minces pour emboutissage (ancienne norme NF A 36-401). Il ne figure plus dans la nouvelle norme NF EN 10130.

    L'indice Erichsen ou indice d'emboutissage (IE) correspond à la profondeur (en mm) de l'embouti lors de l'apparition d'une fissure. Comme il dépend de l'épaisseur du métal, des abaques définis dans les normes de produit permettaient de s'assurer de leur conformité. Le test est très sensible à la lubrification, qui modifie le lieu de rupture et il est donc important de bien la contrôler. Il a été éliminé de l'actuelle norme EN 10130 définissant les tôles minces en acier laminé à froid pour emboutissage mais est encore utilisé, par exemple, pour tester l'adhérence des revêtements métalliques ou la qualité des soudures laser ou molette des flans soudés.

    Dans la catégorie des essais d'expansion hydraulique, le test Jovignot n'est plus utilisé (il était trop petit),...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - DANCKERT (J.), WANHEIM (T.) -   The use of a square grid as an alternative to a circular grid in the determination of strains.  -  J. Mechanical Working Technology, 3, p. 5-15 (1979).

  • (2) - CHU (E.), SOWERBY (R.), SOLDAAT (R.), DUNCAN (J.L.) -   Strain measurement over large areas of an industrial stamping.  -  13th IDDRG Congress, Melbourne, p. 9-22 (1984).

  • (3) - LANKFORD (W.T.), LOW (J.R.), GENSAMER (M.) -   The plastic flow of aluminium alloy sheet under combined loads.  -  AIMME, Techn. Public, no 2237 (1947).

  • (4) - KEELER (S.P.), BACKOFEN (W.A.) -   Plastic instability and fracture in sheets stretched over rigid punches.  -  Trans. ASM 56, 25 (1963).

  • (5) - KEELER (S.P.) -   Determination of forming limits in automotive stampings.  -  SAE Paper no 650535, mai 1965.

  • (6) - GOODWIN (G.M.) -   Application of strain analysis to sheet metal forming...

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