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Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique B 7 510 1

Formage la presse

par Ren MARTINIngnieur de lcole Nationale Suprieure de Mcanique de NantesAncien Chef du Service Mise en forme des matriauxau Centre Technique des Industries McaniquesDirecteur Technique Adjoint des Forges Barriol et Dallire

n fonction de la gomtrie et des caractristiques recherches sur une pice,ainsi que de limportance des sries produire, il faut, pour assurer une

fabrication, russir la conjonction de trois ensembles de facteurs, lis respecti-vement la Presse,au Mtal travaill et lOutillage.Nous prsentons danscet article, avec de nombreux exemples, les diffrents paramtres quiconditionnent la mise au point dune fabrication : choix de la technique,

conception des outillages, mthode de fabrication.

Pour faciliter une exploitation pratique de ce texte, nous avons regroup dans la fiche formu-laire [Form. B 7 511] des donnes technologiques prsentes sous forme de tableaux etdabaques.

La production de pices par heure sera note tout au long de larticle p/ h. On rappelle que :1 Pa = 1 N/m2ou 1 MPa = 1 N/mm2= 0,1 hbar = 0,102 kgf/m2.

1. Prsentation gnrale............................................................................. B 7 510 - 21.1 Dfinitions .................................................................................................... 21.2 Caractristiques du procd....................................................................... 2

1.3 Matriaux ..................................................................................................... 52. Techniques de formage .......................................................................... 62.1 Emboutissage .............................................................................................. 62.2 Pliage ............................................................................................................ 6

3. Outillage ..................................................................................................... 93.1 Caractristiques gnrales.......................................................................... 93.2 Conception des outillages........................................................................... 93.3 Spcifications fonctionnelles...................................................................... 93.4 Matriaux ..................................................................................................... 103.5 Standardisation............................................................................................ 123.6 Fabrication des outillages ........................................................................... 12

4. Mthodes de fabrication........................................................................ 124.1 Gamme de fabrication................................................................................. 124.2 Lubrification................................................................................................. 204.3 Contrle qualit ........................................................................................... 224.4 Manutention................................................................................................. 22

Formulaire........................................................................................................... Form. B 7 511

Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. B 7 512

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Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite.B 7 5102 Techniques de lIngnieur, trait Gnie mcanique

1. Prsentation gnrale

1.1 Dfinitions

Lemboutissageest un procd de formage par dformation plas-tique chaudou froiddes mtaux. Il transforme une feuille demtal appele flanen une surface gnralement non dveloppable(carters par exemple). Le cas particulier, plus simple, du pliagedlivre des pices dveloppables.

Lopration demboutissage est effectue sur une presseau moyendun outillage dont la configuration la plus simple, appele outilsimple effet (figure1a) comprend deux pices principales : lamatriceet le poinon. Lune est bride sur la tablefixe, lautre surle coulisseauanim dun mouvement rectiligne alternatif. Loutillagedouble effetcomprend en plus un serre-flanqui assure le contrle

de lcoulement du mtal pour prvenir la formation de plis sur lapice finie (figure 1b).

Le formage la main de pices non dveloppables en tlemince, galement appel emboutissage, a pratiquement disparudu secteur industriel.

Lemboutissage impose la tle divers modes de dformation,les deux cas limites rencontrs dans la pratique tant lexpansionet le rtreint[1].

La visualisation des dformations subies en surface par une tlepour raliser un embouti peut tre obtenue par le marquage derseaux de cercles sur le flan figure 2a. Ceux-ci, aprs emboutissagede la tle, deviennent gnralement des ellipses. Les caractristiquesde ces ellipses (petit et grand diamtres) permettent de dfinir avecprcision les modes de dformation rencontrs au cours duneopration de formage (figures 2betc; article Aptitude lemboutis-sage des tles minces [B 7 530]). Lapplication pratique de lamthode des rseaux de cercles permet, en relation avec la courbelimite de formagedu mtal travaill, dorienter et de faciliter la miseau point dun embouti ( 3.6.2).

Pratiquement, lemboutissage par expansion (figure3a) a lieulorsque le flan est bloqu ; toute la dformation rsulte dune

sollicitation de traction-traction et intervient sous le poinon quelleque soit sa forme. Elle se caractrise par un amincissement de latle (ef< e0 , soit 3< 0).

Lemboutissage par rtreint ou emboutissage profond(figure 3b)a lieu lorsque le flan est libre de glisser sous le serre-flan.

La dformation commence sous serre-flan en compression-traction et se poursuit dans lentre de matrice en traction.

Le rtreint conduit gnralement un paississement des paroisde la pice (ef> e0 , soit 3> 0).

Lexistence dune sollicitation de compression-traction dans toutela partie du flan sous serre-flan entrane le risque de formation deplis prjudiciables soit au bon droulement de lopration (rupturede lembouti), soit laspect final de la pice (plis crass appelsfrisures), do lutilisation dun serre-flan qui applique la tle sur lamatrice, lobligeant conserver sa planit (traction-compression-compression).

La rupture dune pice en cours demboutissage se produit gn-ralement dans les zones de dformation en expansion (rayon depoinon dans les emboutis profonds).

Le pliage, le cambrage, qui engendrent des picesdveloppables ( 2.2), le soyagefont appel des modes de dfor-mation voisins de la traction large ( , soit 1> 0, 2= 0). Ledcoupage (prparation du flan), le dtourage ( enlvement dumtal en excs), le poinonnage(excution de trous, prparationde soyages) sont des oprations galement effectues la presseet, en tant que telles, sont incluses dans la gamme de fabricationdune pice emboutie.

Une pice est rarement obtenue avec un seul outillage, elle nces-site plusieurs oprations. On appelle opration toute phase de lagamme de fabrication et passe toute phase demboutissageproprement dit.

Nota : un important effort tant au niveau national quinternational a t fait pour unifor-miser le langage de la profession Dcoupage et Emboutissage [2].

1.2 Caractristiques du procd

1.2.1 Productivit

Lemboutissage est un procd de production rapide, les opra-tions peuvent seffectuer des cadences maximales de lordre de20 000 p/h (pices/heure) pour les petites pices peu compliquespetits emboutis (industrie tlphonique) 500 p/h pour les grandespices (industrie automobile). Les cadences sont plus leves en

Notations et symboles

Symbole Dfinition

A allongement la ruptureAr allongement rparti (allongement de la tle, obtenu

lorsque leffort de traction passe par sa valeurmaximale)

d diamtre du poinondn diamtre du poinon la n

epasseD diamtre du flane paisseur de la tlee0 paisseur du flan ltat initialef paisseur du flan ltat finalE module dlasticit du matriauEE nergie demboutissage

efforts verticaux exercs par le poinon lors dupliage

FE force demboutissage

FR force maximale admissible par la pice en coursdemboutissageFSF effort appliqu sur le serre-flanh hauteur de lemboutiJ jeu = (t e0)/tm coefficient de rduction (m= 1/= d/D)n coefficient dcrouissagep pressionq rapport demboutissage des coins

efforts latraux exercs sur le poinon lors du pliager coefficient danisotropie

rm rayon de matricerp rayon du poinonRD rayon de la pice (forme finale)

Re limite dlasticit du mtalRo rayon de loutilRr rsistance la rupture du mtalsn section du poinon la n

epasseS surface du flant espace libre entre poinon et matrice

W longueur plie rapport demboutissage (= D/d)r taux de rduction (ef< e0) = (e0 ef)/e0

Fp,

Qp,

2 0

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travail la vole(la presse alimente automatiquement ne sarrtepas) quen travail de reprise(la presse marche au coup par coup,un oprateur assure son alimentation et le dpart du cycle de travail).

Des cadences trs suprieures sont possibles en dcoupage, ellespeuvent atteindre 72 000 p/h et de nombreux ateliers travaillent des cadences de 30 000-36 000 p/h. Ces types de fabrication sonttraits dans larticle Dcoupage. Poinonnage[B 7 561].

1.2.2 Caractristiques des piceset limites dapplication

Les caractristiques prendre en compte sont principalement lesformes, les tolrances dimensionnelles, les tats de surface,laspect et la rsistance mcanique des pices.

1.2.2.1 Formes

Les capacits et dimensions des presses permettent lexcutionde grandes pices, telles que baignoires, pavillons de vhiculesutilitaires, etc. Les limitations sont en fait dordre conomique, lagamme de fabrication de la pice doit limiter au maximum le nombredoprations et viter, autant que possible, des recuits intermdiaires(restauration du mtal) ( 4.1.6).

La dfinition dune pice emboutie doit se limiter aux cotes et auxformes fonctionnelles, laissant au prparateur la latitude dlaborerla gamme de fabrication la plus conomique : par exemple viterles rayons de raccordement trop petits et non fonctionnels,qui imposent une opration supplmentaire de conformation.

1.2.2.2 Tolrances

La prcision des pices est lie dabord aux tolrances fonction-nelles de loutillage et un effet de retour lastique aprs formage,qui est dautant plus important que la limite lastique du matriauest elle-mme leve (cas des aciers inoxydables par rapport aux

aciers doux) ; cela rsulte de la prsence de contraintes rsiduellesaprs formage [3].

Il se manifeste sur les pices plies angle pli suprieur langledu poinon (par exemple 92opour 90o) , sur les pices cylindriques intrieur de la pice, suprieur au du poinon , sur les picesde grandes dimensions, peu dformes gauchissement ououverture . Des artifices de fabrication tels que frappe de rayonsou tirage qui interviennent en fin de gamme parviennent attnuerce phnomne. On obtient ainsi des tolrances pouvant aller du mmsur les grandes pices 0,02 mm sur les petites pices.

Cependant la grande majorit des pices embouties ne ncessitepas de prcision leve (poulies, enceintes, organes de protection)et les tolrances peuvent se situer dune faon gnrale autour

de J 13.

1.2.2.3 tats de surface. Aspect des pices finies

Lemboutissage par expansion altre peu ltat de surface, lespices peuvent tre traites sur les chanes de finition sans prpa-ration pralable comme dans la corrosserie automobile o, suivantles constructeurs, les cahiers des charges imposent un indice derugosit Racompris entre 0,6 1,2 pour Renault et 1,2 2,0 pourCitron. Ces carts rvlent pratiquement que les valeurs de rugositnormalises ne sont pas suffisamment significatives au sensemboutissabilit des tles. La grosseur du grain ne doit pas treinfrieure 5 (ASTM-AFNOR) car, au-del, il y a risque dapparition

Figure 1 Outils demboutissage

Exemple : un botier rectangulaire 130 150 100 mm en tleXES de 0,8 mm sera fabriqu une cadence de 400 p/h la vole

(presse transfert) et de 200 p/h au coup par coup.

r 2e( )

Exemple : un embouti cylindrique en acier doux de diamtreextrieur 50 mm peut tre obtenu 0,02 mm.

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dun tat de surface comparable celui dune peaudorange( 1.3.3). De plus, les pices peu dformes (dformationscomprises entre 4 et 8 %), lorsquelles sont issues de tles vieillies(aciers non calms), prsentent des vermiculures (lignes de Piobert-Lders) (articles crouissage dalliages dAluminium [M 230] etMtallurgie des tles lamines sur trains continus[M 3 060] du traitMatriaux mtalliques). Llimination de ces deux dfauts ne peut

tre assure que par un polissage long et coteux. Lindustrieautomobile, par exemple, veille particulirement approvisionnerpour les pices dites daspect (carrosserie) des tles dont le grainest compris entre 5 et 7, calmes laluminium, qualit emboutis-sage profond, et exemptes de tout dfaut daspect d au laminage(tles qualits ZES suivant AFNOR A 36-401). Cependant, des picestelles que les paraboles de phares subissent imprativement unpolissage avant aluminisation mais, afin de diminuer lincidence decette opration sur le prix de la pice, on impose aux tles des carac-tristiques identiques celles des tles de carrosserie.

Figure 2 Dformations subies en surface par une tle, en cours demboutissage

Figure 3 Principaux modes de dformation par emboutissage

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Dans lopration demboutissage en rtreint, cest surtout le frot-tement important sous serre-flan et au rayon de matrice qui pro-voque le grippageavec arrachement de particules mtalliques surla pice. Les aciers inoxydables, utiliss surtout pour des pices deprsentation (ustensiles mnagers), sont trs sensibles ce phno-mne. Pour combattre le grippage, il faut agir :

soit sur la technique de formage (poinon en matriaulastique, hydroformage, etc.) ;

soit sur les matriaux constitutifs de loutillage ( 3.4); soit sur les lubrifiants (qualit extrme pression, 4.2).

En ce qui concerne les aciers doux, lemploi de tles avec un tatde surface spcifique leur confre une bonne rsistance au grippage(produit commercialis en France depuis 1974) [30].

1.2.2.4 Rsistance des pices

Une pice emboutie est lgre du fait de lpaisseur relativementfaible des tles ( le plus souvent) ; sa rigidit est gnra-lement renforce par lcrouissage quelle a subi et par lexcutionde nervurages si ncessaire. La rsistance peut tre augmente parlutilisation des tles dacier haute rsistance dispersodes [4](addition de V, Nb, T, Be en faible quantit : 0,01 0,2 %).

Les pices embouties sont gnralement exemptes de dfautsinitiateurs de rupture tels que ddoublement, inclusions, et grosgrains ( 1.3.3).En effet, la svrit de lemboutissage, si elle estextrme, conduit la rupture en cours de formage et assure ainsiun auto-contrle.

Pour les pices obtenues avec les tles dacier lamin froidqualit Emboutissage (E et ES : AFNOR A 36-401) il ne semble pasque lon ait craindre de risques de fragilisation rsultant delcrouissage.

1.3 Matriaux

Lemboutissage fait appel aux proprits plastiquesdes mat-riaux. La ductilit,caractristique principale des mtaux former froid, diminue quand la dformation augmente, le matriauscrouit. Elle augmente avec la temprature (emboutissage chaud). Lacier doux (0,20 % C max) est de loin le plus largementutilis, suivi par les aciers inoxydables, laluminium, le laiton et lecuivre ; ils semboutissent froid dans les paisseurs courantes

. Les mtaux moins ductiles : Mg, alliages haute rsis-tance (TA 6 V), Zn, etc., semboutissent chaud.

1.3.1 Caractristiques conventionnelles

La ductilit nest pas une caractristique directement mesurable,elle rsulte des proprits mcaniques telles que : limite lastiqueR

e, charge de rupture R

r, allongement rparti A

r, allongement

la rupture A, qui sont dtermins par lessai de traction. La mesurede la duret par essais Rockwell B (aciers) et Vickers (autres alliages)donne une information de la rsistance du mtal.

Pour corrler ces caractristiques la formabilit on a tent deles introduire dans des expressions telles que : Re/Rr, (Rr Re),(Rr Re)/A , Re Aqui varient dans le mme sens que laptitude auformage des matriaux. Ces trois valeurs ntant pas indpendanteset lessai de traction ntant quun mode de sollicitation bien prcis,ces caractristiques ne peuvent pas, en fait, rendre compte prci-sment de la formabilit des tles.

Les valeurs numriques propres chaque matriau et leurmthode de dtermination font lobjet de normes spcifiques auxmtaux en feuilles (article Mtallurgie des tles lamines sur trainscontinus[M 3 060] du trait Matriaux mtalliques).

Lacier extra doux (0,10 % C) Re/Rr= 0,65,est plus apte lemboutissage quun acier demi-dur (0,45 % carbone)Re/Rr= 0,7, .

Nota : HRBpour les tles dpaisseur comprise entre 0,5 et 3 mm (NF A 03170).

1.3.2 Caractristiques rationnellesBien que dtermines par lessai de traction, ces

caractristiques [5] [6] rendent mieux compte de laptitude auformage des matriaux car elles traduisent deux importantes pro-prits plastiques des mtaux (article Aptitude lemboutissage destles minces[B 7 530]).

1.3.2.1 Coefficient dcrouissage n

Dtermin partir de la relation = kn, il traduit la proprit dumatriau rpartir les dformations sur toute la surface du flan,donc subir la dformation en expansion ; elle est dautant plusgrande que nest lev (laiton UZ 33 : n0,50 tle dacier doux :n0,200). Cette grandeur est surtout significative pour les aciersdoux.

1.3.2.2 Coefficient danisotropie r

Il est dfini par le rapport des dformations en paisseur et enlargeur dune prouvette de traction aprs sollicitation : r= 2/3 .Il permet de juger de laptitude de la tle sopposer lamincis-sement. Plus r est lev, plus le mtal sera susceptible de subirlemboutissage profond :

acier doux : ;acier inoxydable austnitique : r0,90.

Ces coefficients ne sont pas normaliss, on trouvera dans larticledj mentionn des exemples illustrant leur intrt pratique.

1.3.3 Structure mtallographique

Nota : on se reportera article Mtallographie[M 90] du trait Matriaux mtalliques.

Grosseur et forme du grain

Le grain doit tre quiaxe et sa grosseur ne doit pas tre infrieure 5 (AFNOR NF A 04-102) sous peine dapparition de la peaudorange.

Inclusions

Elles sont composes doxydes, de silicates, etc. contenus dansle laitier au cours de llaboration. Elles constituent des solutionsde continuit au sein de la tle, entranant la rupture en cours deformage (rupture en bois pourri,lignes pailleuses, etc.).

Ddoublures

Elles proviennent au niveau lingot dun chutage insuffisant de laretassure dont les parois oxydes nont pu se souder hors du lami-nage. Elles ont les mmes effets que les inclusions.

Inclusions et ddoublures stendent parfois sur plusieurs dizainesde mtres, rendant la tle impropre lemboutissage.

1.3.4 Essais demboutissabilit

Il existe principalement 2 types dessais simulatifs destins qualifier les mtaux demboutissage (article Aptitude lemboutis-sage des tles minces[B 7 530]) :

essai demboutissage flan bloqu (essai Erichsen) :NF A 03-652. Il traduit, par lindice IE, laptitude dun mtal travailleren expansion. Tle qualit ES : 10 < IE < 12,5 mm ;

essai Swift : (non normalis) il caractrise, par la valeur limitedu rapport flan/ poinon (LDR), laptitude dun mtal sedformer en rtreint. Tle qualit ES : 2 < LDR < 2,3.

Exemple : un embouti profond en tle qualit XES conserve unetemprature de transition suprieure 30 oC .

e 2 mm

KCV 3,5 daJcm2( )

e 6 mm( )

A 38%,HRB 50

A 22%,HRB 80

1,0 r 1,7

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Lexistence de quantit dautres essais montre que les essais simu-latifs ne peuvent prtendre dfinir prcisment laptitude au formagedes tles minces. Le seul essai normalis en France, lessai flanbloqu, doit tre tout au plus, dans beaucoup de cas, considruniquement comme un contrle qualit de la tle.

2. Techniques de formage

2.1 Emboutissage

Suivant les caractristiques mcaniques (conventionnelles etrationnelles) et lpaisseur des tles travailler, on utilise deuxtechniques : lemboutissage froidet lemboutissage chaud.

2.1.1 Emboutissage froid

Lemboutissage froid impose, sauf rares exceptions, un outillagedouble effet. Les emboutis, peu profonds ou ne ncessitant pas

dimportants efforts de serrage, sont excuts sur des presses simpleeffetquipes dun coussinlastique situ sous la table de la presse.Dans les autres cas, on utilise des presses double effet.Le serre-flan applique la tle sur la matrice pendant toute la dure du travaildu poinon, lopration termine, la pice est dgage soit laidedjecteurs (figure 1b) soit par passage au travers(la pice traversela matrice pour tre rcupre par dessous).

Lemboutissage triple effet (figure 4) consiste raliser uncontre-embouti laide du poinon infrieur, guid dans le fond dela matrice, tout ou partie du poinon suprieur fait office dematrice. Cette disposition permet de supprimer une opration dereprise. Lemboutissage froid emploie gnralement des tlesdpaisseur infrieure 4 mm. Il est possible froid demboutirdes tles atteignant environ 7 mm dpaisseur.

2.1.2 Emboutissage chaud

Il est ralis exclusivement sur presses hydrauliques.

2.1.2.1 Aciers

Lemboutissage chaud est rserv aux matriaux peu ductiles(E 24 - A 52) et aux tles fortes dont le formage ncessite dimpor-tants efforts (paisseur suprieure 7,0 mm pour lacier).

Lemboutissage chaud est simple ou double effet, les cadencesde production sont infrieures celles de lemboutissage froid.

La fabrication de fonds standards de rservoirs en acier A 52 ousimilaire reste le plus important domaine dapplication.

La manutention, trs automatise, permet de fabriquer des fondsde 1 900 mm, paisseur 5 mm, raison de 50 p/h avec desprcisions de 0,3 % sur le dveloppement. Laspect des picesfinies est moins bon que celui des produits forms froid.

Lorsque la pice doit rpondre des conditions de scurit(appareils pression), elle doit prsenter aprs formage les carac-tristiques minimales imposes par le traitement thermique denormalisation du produit utilis. Cette condition peut tre rempliesoit par un contrle des tempratures en cours de formage

( par exemple), soit par un traitement de normali-

sation aprs emboutissage.

Des essais ont montr que lemboutissage chaud dacier inoxy-dable en tle mince apporte un important accroissement des capa-cits de formabilit [7].

2.1.2.2 Autres matriaux

2.1.2.2.1Aluminium et alliages

Llvation de temprature est un facteur favorable dont leffet

va croissant jusqu 450-490o

C, pour autant que la temprature dupoinon nexcde pas 50 oC. Les alliages durcissement structural(A-U4G1) peuvent tre emboutis ces tempratures et refroidisrapidement, ce qui permet dliminer une opration de trempe.

2.1.2.2.2Titane

Les nuances allies TA 6 V ou TA 5 E, peu ductiles, ncessitentune chauffe entre 300 et 500 oC.

2.1.2.2.3Alliages rfractaires

Ils peuvent tre emboutis chaud mais, pour les mmes raisonsquen forgeage, la fourchette de temprature est troite.

2.1.2.2.4Magnsium

Semboutit chaud entre 200 et 350 oC.

2.2 Pliage

2.2.1 Gnralits

Technique trs rpandue, elle intresse aussi bien les pices degrandes dimensions (longerons de camions en acier E 24, paisseur5 mm, longueur 6 m, presse de 30 000 kN) que les petites pices delindustrie lectromcanique (pattes de fixation laiton UZ 33, pais-seur 1 mm, sur outils suite 120 coups/min, presse 500 kN).

Figure 4 Outillage triple effet

Exemple : un fond de rservoir en acier de 5 mm dpaisseur et de1 250 mm, embouti chaud sur une presse de 9 000 kN, ncessite, froid, une presse de 20 000 kN (2 000 tf).

tpice 700oC

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Dans lpaisseur de la tle, la face du flan en contact avec lepoinon travaille en compression, la face oppose en traction. Dece fait le critre qualit dun matriau se ramne un rayon de pliageminimalexprim en fonction de lpaisseur.

2.2.2 Pliage en V, pliage en U

2.2.2.1 Presses. Outillages

Il existe deux techniques de pliage :

le pliage en V (figure 5); le pliage en U (figure 6).

Les outillages sont dexcution aise, les pices plies tantdveloppables.Les outillages de pliage en V sont raliss en acierde construction au carbone ou en des aciers peu allis. Les outil-lages en U, plus sollicits lusure, sont excuts en aciers outils ( 3.4.2.1).

Les presses plieuses,surtout utilises pour le pliage en V, sont

directement drives des presses demboutissage [8]. Elles sonthydrauliques ou mcaniques, col de cygne, leur coulisseau est trslong (2 6 m). Les presses destines au pliage en U sont des pressessimple effet.

Les presses tablier plieurnutilisent pas doutillages, elles sontutilises en chaudronnerie pour le formage des tles de grandesdimensions.

Exemple : pliage 180o:

acier de construction E 24-1 :r= 0,5 epour e< 3 mm

acier inoxydable Z2 CN 18-10 :

r= 0,5 epour e< 3 mm

aluminium A 5 :

r= 0,5 epour e< 6 mm

Pliage 90o(tableaux 1, 2et 3en [Form. B 7 511]).

Figure 5 Pliage en V

Figure 6 Pliage en U

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2.2.2.2 Effort de pliage

Pliage en V

Leffort de pliage exerc par le poinon est donn par la formule :

avec Fen daN, Rren hbar, Wen mm, een mm, Len mm.

Le coefficient Cet les notations sont fournis la figure 7[9].

Pliage en U

La formule empirique suivante permet dapprocher lordre degrandeur des efforts poinons :

F= 0,5 e W Rr

avec Fen daN, een mm, Wen mm, Rren hbar.

Des abaques rsultant dune tude rcente [10] permettent decalculer plus prcisment les efforts verticaux et latraux

dvelopps lors du pliage des tles minces (figure 6et

figures 1et 2en [Form. B 7 511]).

2.2.2.3 Prcision des pices

La principale difficult du pliage consiste matriser le retour las-tique qui apparat systmatiquement si la zone crouie est relative-ment localise (exemple : rayon de pliage). Cest en fait la matrisedu retour lastique qui conditionne avec la qualit de loutillage laprcision des pices.

2.2.2.3.1Pliage en V

Nota : le lecteur pourra se reporter la rfrence [9].

On peut annuler le retour lastique par une frappe fond dematrice mais cette solution prsente linconvnient de surchargerles machines et de ntre applicable quaux presses mcaniques.

Il est prfrable de diminuer langle de la matrice. Cette diminutionsera dautant plus importante que la limite lastique du matriau estleve.

Le retour lastique dune pice aprs pliage est particulirementsensible pour les grands rayons de pliage. La correction de rayonde pliage pour un rapport rayon/paisseur tle > 10 est donne parla formule suivante :

avec E module dlasticit de la tle,

e paisseur,

Re limite dlasticit de la tle,

RD rayon de la pice (forme finale),

Ro rayon de loutil.

Labaque (figure 3en [Form. B 7 511]) est donn pour le pliagede lacier (E= 2,1 104hbar).

Exemple : pliage dun acier inoxydable austnitique : longueurplie 40 mm ; paisseur e0= 2,5 mm ; jeu J= 10 % ; rp= 2 mm ;rm= 1 mm ; t= e0(1 + J) = 2,75 mm.

Labaque de la figure 8donne Fp= 27 kN (2,7 tf), celui de la figure 9,donne Qp= 14 kN (1,4 tf).

Exemple : pour le pliage 90odune tle dpaisseur 0,8 mm, rayonde pliage : 1 mm, construire langle matrice 88opour laiton UZ 36, 89o

pour acier doux, 88opour acier dur (tableau 4en [Form. B 7 511]).

Figure 7 Dtermination du coefficient Cpour le calcul de leffort vertical F

FC Rr W e

L

-----------------------------------=

Fp, F( )

Qp, Q( )

Figure 8 Outillages de premire passe et passes suivantes :disposition des compensateurs

Roe--------

RDe---------

1 3RD Re

E e--------------------+

-------------------------------------=

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2.2.2.3.2Pliage en ULa prcision des angles peut tre obtenue de lune des solutions

prconises pour le pliage en V, axuquelles il est possible dajouterltirage des ailes. Dans ce dernier cas, il est recommand dutiliserdes matrices angle dattaque jusqu des tirages de 20 % et desmatrices rayon dattaque au-del (figure6b) [10] (figure 4 en[Form. B 7 511]).

3. Outillage

3.1 Caractristiques gnrales

Loutil qui excute une opration dans la gamme de fabrication

dune pice peut tre mont seul ou group sur une mme presse.Gnralement dans ce cas, un oprateur sert deux outillages. Sur

les presses transfert les outillages sont monts en ligne sur le plateaude la presse. Les petites pices de grandes sries, fabriques hautecadence (suprieure 120 coups/min), sont excutes sur outilsprogressifs(ou outils suivre) [16]; dans ce cas, la dcoupe du flanest telle que la pice reste attache en deux points au moins labande jusqu la dernire opration. Les diffrentes parties deloutillage sont assembles sur un mme bloc (figure 24, 4.1.7.1).

Dans tous les cas de groupage doutils, on dtermine les effortsncessaires chacun deux ; cela permet dune part de vrifier queleffort nominal de la presse est suffisant, et dautre part de disposerces outils de faon que le point dapplication de leffort rsultant soitle plus prs possible de laxe du coulisseau de la presse [17].

3.2 Conception des outillages

La fonction premire dune presse est de fournir un effort nominalet une nergie ; sil existe une certaine prcision dans le guidagedes coulisseaux, il est quand mme recommand de concevoir

loutillage de sorte quil assure au mieux le guidage de ses partiesen mouvement : poinon par rapport la matrice ( 3.3.4).

La fabrication des outillages demboutissage est gnralementassure sur machines-outils conventionnelles, de faon que lonrecherche, au niveau de leur conception au bureau dtudes, lesraliser en plusieurs parties pour faciliter les oprations dusinage(critre conomique = cot horaire machine + cot matire).

Dimensionnement des outils : les outils ne sont que rarementcalculs par les formules issues de la rsistance des matriaux carlon ne connat pas avec exactitude lintensit des sollicitations quesubit chaque partie de loutillage. Lemprise de lempirisme ceniveau conduit gnralement un dimensionnement surabondant.Seules, les oprations de pliage et dtirage se prtent des calculsdefforts, assez prcis.

Loutil ne doit pas tre une source daccident pour loprateur. Ilfaut donc lui assurer une alimentation aise et une extraction faciledes pices, de sorte que le temps de laction manuelle sousloutillage soit trs court.

3.3 Spcifications fonctionnelles

Nota : le lecteur pourra se reporter la rfrence [18].

3.3.1 Rayon du poinon

Le rayon du poinon rp (figure 8) ne doit pas tre trop faiblepour viter le dcalottage du fond de la pice (amincissement localde la tle traduisant une dformation locale en expansion), ni trop

important pour viter les risques de plis ; en principe il ne doit pastre infrieur au rayon de matrice.

Dans le cas o la pice exige un faible rayon, il faut prvoir uneopration supplmentaire de conformation ( 4.1.7.3).

3.3.2 Rayon de matrice rm(figure8)

Gnralement : .

Une valeur plus prcise de rm est donne par [9] (figure 5 en[Form. B 7 511]) :

en premire passe :

avec k= 0,8 pour acier doux ;

k= 0,9 pour aluminium ; en deuxime passe :

rm= (d1 d2)/2

avec d1: en premire passe ;d2: en deuxime passe.

3.3.3 Jeu Jentre poinon et matrice

Le jeu radial entre poinon et matrice doit tre plus grand quelpaisseur nominale du mtal embouti, pour tenir compte destolrances sur lpaisseur des mtaux en feuilles :

Figure 9 Joncs de retenue. Application un embouticomportant de grandes parois droites

5 e rm 10 e

rm k D d e=

e J e D/d<

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tient compte de lpaississement de la tle en findemboutissage (dformation en rtreint) :

[11]

3.3.4 GuidageLes outils progressifs excutant des oprations prcises sont

guids par des colonnes billes prcontraintes ; ces colonnes ontlavantage de tenir les grandes cadences. Dans les autres cas, onutilise des bagues autolubrifies.

Outillages de grandes dimensions : lorsque la sollicitation estsymtrique, le guidage nest pas ncessaire. Dans les autres cas, onutilise soit des guidages caissons, soit des guidages colonnes.Le poinon des outillages monts sur presse double effet est gn-ralement guid par le serre-flan.

3.3.5 Serre-flan

Dune manire gnrale, la surface du serre-flan doit tre

dveloppable. Le serre-flan de premire passe dun outil demboutis-sage profond est plan et les pressions appliquer pour viter laformation de plis ne peuvent tre dtermines avec prcisionquexprimentalement ( 4.1.3.3).

Lutilisation de compensateursplacs sur la matrice, dont lpais-

seur, au moins gale , empche la formation de plis touten ne ncessitant pas de rglages prcis de leffort de serre-flan(figure 8). Cette disposition est trs utile sur les outils des 2eet 3e

passes pour assurer une meilleure matrise des pressions de contactsur la pice (figure 8).

Lemboutissage des pices peu profondes (expansion) et despices grandes parois peu dformes entrane la formation de plisou une mauvaise conformation (ventredes parois droites). Le serre-flan comporte alors des joncs qui empchent ou diminuent le glis-sement de la tle sous serre-flan (figure 9). Pour contrler lcoule-

ment du mtal dans la matrice, plusieurs joncs peuvent tre dispossles uns la suite des autres. Des joncs de retenue sont galementutiliss lors des oprations de calibrage par tirage des pices, typescnes, paraboles, etc.

Les pices en sollicitation mixte ncessitent des pressions deserre-flan plus leves dans les zones dexpansion que dans leszones de rtreint. Pour parvenir ce rsultat, on excute une portede serre-flan : par rapport au contact idal serre-flan/matrice, leszones correspondant aux parties de flan sollicites en rtreint serontlgrement en creux (figure 10).

3.4 Matriaux

3.4.1 Caractristiques gnrales

Les outils de presse, et par consquent les matriaux, doiventrpondre deux groupes de proprits.

a) Proprits lies la tenue en service : rsistance lusure (associe la duret) ; rsistance aux chocs ; tnacit ou capacit dabsorber de fortes charges sans rup-

ture brutale.

b) Proprits lies la mise en uvre : usinabilit (duret) ; susceptibilit aux dformations aprs traitement thermique.

Pratiquement, le choix du matriau rsultera, en fonction desbesoins prcis dune fabrication, dun compromis entre les valeursattaches chacune de ces proprits.

3.4.2 Emboutissage froid

3.4.2.1 Parties actives

Elles sont constitues par le poinon, la matrice et le serre-flan.

3.4.2.1.1Alliages ferreux

Les outillages sont gnralement excuts intgralement enacier, cas des pices de faibles dimensions, ou en fonte avec ousans inserts dacier pour les pices de grandes dimensions.

Aciers

Les qualits et la dnomination des aciers outils sont dfiniespar les normes NF A 35-590 et A 35-591 [19].

Les aciers les plus employs sont :

a) les aciers non allis au carbone (groupes 11 et 12) Y 105-Y 120 ;

b) les aciers indformables (groupe 22) : aciers au manganse 90 MV 8- 90 MCW 5 (sous-groupe 221), aciers au chrome : 5 % : Z 100 CDV 5 et 12 % : Z 200 C 12

et drivs : Z 200 CD 12- Z 160 CDV 12 ;

c) les aciers rapides, employs dans les cas particuliers o unegrande rsistance lusure est ncessaire.

La rsistance lusure crot avec la quantit de martensite rsultantdu traitement thermique et avec la proportion de carbures libres quelon ne rencontre que dans les aciers 12 % de chrome et les aciersrapides. La tnacit et la rsistance au choc varient en sens inverses.La martensite se forme partir dune vitesse critique de trempefonction de la composition de lacier et de la taille de la pice, toutesces proprits de trempabilit sont dveloppes dans les articlesTransformations dans les aciers [M 1 115], Traitements dans lamasse [M 1 134] et Traitements superficiels [M 1 135] du traitMatriaux mtalliques.

Les outillages doivent tre tremps dautant plus nergiquement(nature du fluide de trempe : eau, huile, air, etc.) que leur trempa-bilit est plus faible.

D/d =

J 1,2 e maximum( )

D/d

Figure 10 Portes de serre-flan

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Dans ce cas, on doit sattendre, pour les pices prsentant degrandes variations de section, des dformations importantes ;cela risque dentraner un prix de revient plus lev des oprationsde finition des outillages (rectification).

Une bonne connaissance des traitements thermiques et lutilisa-tion des courbes en refroidissement continu apportent une aide

efficace dans le choix des aciers outils [12][20][21](tableaux 5,6, 7, 8et 9en [Form. B 7 511]).

Fontes

Elles sont du type Ft 32 pour les petites sries ou du type allies(fonte Meehanite), trempes superficiellement pour supporter desconditions svres de frottement.

Pour lemboutissage des aciers inoxydables, les fontes sonttraites pour obtenir une duret Brinell comprise entre 400 et450 HB.

3.4.2.1.2Alliages non ferreux

Bronzes daluminium (AMPCO, Inoxyda, etc.) trs haute duret350 HB

Ils sont utiliss pour lemboutissage daciers inoxydables car ils

attnuent le grippage. Alliages de zinc

Ces alliages (Kayem, Kirskite) de bonne moulabilit se prtentbien la ralisation de formes compliques. La coule est faitedans des moules, dont la prcision doit permettre de limiter lesoprations de finition lajustage, au polissage et lusinage desfaces dappui.

Le mtal, utilis par refusion pour diffrents outils, intervient peudans le prix de revient des pices fabriquer. Cependant, en dpitde ses avantages, son emploi pour lemboutissage profond desaciers reste exceptionnel du fait de sa faible rsistance lusure. Cesoutils sont gnralement utiliss pour le travail en petite srie (laitonset aluminiums).

Alliages bas point de fusion

Le procd Jewelformdvelopp et brevet en Grande-Bretagneutilise un alliage de Sn (13 %), Pb, Bi, Cd, appel Jewelite, dont lepoint de fusion est de lordre de 150 oC, et une presse hydrauliquedouble effet de 1 250 kN (au maximum) qui comporte le dispositifde fusion du mtal (figure 11).

Ce procd ne ncessite que peu dusinage : la plaque portematrice, la plaque serre-flan et un modle (excut soit enchaudronnerie, soit avec une pice dj existante).

Ce procd, trs peu utilis en France, est destin essentiel-lement aux industries dont les sries sont faibles (aronautique parexemple) et o les matriaux former sont essentiellement desalliages daluminium et des alliages de cuivre.

Carbures mtalliques

Ils sont rservs aux oprations dtirage du fait de leur trs grandersistance lusure. Ils sont constitus par des carbures fritts

carbures de tungstne difficiles usiner ou par des carbures detitane dans une matrice perlitique Ferro-TiC Ce dernier estfacilement usinable (50 % de carbure au lieu de 60-90 % environ),mais ncessite un traitement thermique de trempe. Pour une picede 110 mm, hauteur h= 130 mm en acier doux, tire 20 % delpaisseur initiale, un outillage en Ferro-TiC ralise 200 000 picessans usure apprciable.

3.4.2.1.3Matriaux non mtalliques

Outils en rsine :sur un modle ralis en pltre, bois ou matireplastique, on coule une ou plusieurs couches de rsine poxy (parfoischarge de fibre de verre) qui constitue la partie travaillante de loutil.

La consolidation de loutil est assure en remplissant cettecoquille par un bton de rsine comprenant de la grenaille defonte, du sable et un liant.

Cette technique, surtout employe par lindustrie automobile, selimite aux prsries (200 pices maximum). Du fait de leur mauvaiseconductivit thermique et de leur instabilit en temprature, cesrsines ne peuvent pas tre employes pour des oprations deformage entranant des tempratures de contact tle-outil tropimportantes (T< 150 oC environ).

3.4.2.2 Parties non activesCela ne concerne pratiquement que les outils pour travail froid,

les outils demboutissage chaud tant, en gnral, totalement enfonte.

Btis doutils : fonte Ft 18 ou Ft 22 sans exigence particulire ; fonte GS (Rr= 37 HB) pour les btis chargs ; acier A 37 (36 < Rr< 44 HB, ) pour les semelles peu

charges ; acier A 52 (Rr= 51 61 HB, ) dans le cas defforts

importants.

Ces aciers sont utiliss ltat de livraison.

Figure 11 Procd Jewelform

E 20 HB

E 33 HB

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12/24



Autres parties : CC 35 ou CC 45 pour les pices subissant de trs fortes pres-

sions sont utiliss ltat recuit (semelles) ou trait (Rr= 80 100 HB)pour plaques porte-poinons, chandelles de serre-flan ;

XC 65 (tle bleue) pour plaque de choc de poinon ; 16 NC 6, 18 CD 4 ou mme XC 18 (pices peu charges),

cments et tremps pour pices de frottement (colonnes deguidage).

3.4.3 Emboutissage chaud

Les outils demboutissage chaud des tles dacier sont gnra-lement en fonte Ft 26. Les outils destins des petites sriescomprennent souvent un ensemble de pices spciales et standardassembles sur une semelle ou directement sur le plateau de lapresse.

Pour les matriaux (A-U4G1, A5, A-G3, A-G5) qui semboutissent des tempratures infrieures 500 oC, les outillages diffrent peude ceux qui sont employs pour lemboutissage froid. Pour lesgrandes sries, loutil peut comporter un dispositif de chauffageincorpor.

3.5 Standardisation

Aucune standardisation nexiste lchelle nationale. Les normesAFNOR concernant les outillages de presses portent sur :

les bagues de guidage (NF E 63-050 057) ; les plaques de frottement (NF E 63-058 071) ; les poinons de dcoupe (NF E 63-100 106) ; les guidages billes (NF E 63-120 125).

Il existe dans le commerce des lments standardiss trs souventissus des normes DIN et des recommandations AWF (Sves,G. Besson, Sustan, Danly Europ) : ce sont principalement lescolonnes, les bagues, les plaques de guidage, les goupilles, les

poinons de dcoupage-poinonnage, les pilotes, les units depoinonnage et les plaques rectifies.

Toutefois, de nombreuses entreprises dveloppent, pour leurspropres besoins, des standards qui portent sur les dimensions desblocs, les guidages, les passages de chandelles, les hauteurs derehausses, la visserie, etc. et permettent dexcuter plus rapidementet plus conomiquement un outillage.

3.6 Fabrication des outillages

3.6.1 Usinage

La fabrication des outillages met en uvre les moyens dusinageclassiques en construction mcanique, fraisage, rabotage, tour,rectification. Des machines raboter les poinons ou usiner des

profils, ainsi que les tours reproduire sont trs utiliss. Lesmachines commande numrique sont employes dans lindustrieautomobile pour lexcution de gros outils procd UNISURF dela Rgie Nationale des Usines Renault destins la fabrication depices de carrosserie.

Lintrt de lusinage par lectro-rosion,qui sapplique surtout lexcution de matrices, a t trs rapidement ressenti tous lesniveaux. Il permet dusiner directement la forme des aciers traitsaux plus hauts niveaux de duret.

3.6.2 Mise au point. Mthode des grilles

Avant la fabrication en srie, loutillage peut ncessiter une ouplusieurs mises au point qui conduisent des reprises de forme(agrandissement de rayons, amlioration des portes de serre-flan,etc.), la dtermination des conditions opratoires (pressions de

serre-flan, choix du lubrifiant, etc.), la dtermination de la forme deflan optimale.

Ces oprations, dans le cas de pices complexes, sont souventlongues. De nouvelles mthodes de travail sont appeles sedvelopper : bases sur lutilisation des courbes limites de formage(article Aptitude lemboutissage des tles minces[B 7 530]) : lamthode des grilles permet, par le marquage de rseaux de cerclessur les parties du flan qui deviendront les zones critiques de la pice(zones de rupture ou de striction), de visualiser lcoulement dumtal et de mesurer les dformations locales. Il devient ainsi possiblede quantifier, en termes de formabilit, les amliorations apportespar chacune des interventions de mise au point et par-l mme demieux guider le choix des conditions opratoires. Cette technique,en cours de dveloppement, est actuellement surtout utilise dansla recherche de la forme optimale du flan. Le marquage des grillessur le flan est ralis au moyen dune attaque lectrolytique [21].

4. Mthodes de fabrication

4.1 Gamme de fabrication

4.1.1 Rgles gnrales

partir du dessin de la pice, le bureau dtudes tablit lesdonnes du devis en estimant :

les dimensions du flan, limportance des chutes : cotmatire ;

la gamme de fabrication en particulier le nombre de passes :cot outillage ;

leffort maximal et les courses utiles pour raliser la pice(choix de la presse) : cot machine.

lexcution, on effectue une dtermination plus exacte du flan,puis on dfinit plus prcisment la gamme de fabrication pour ledessin et lexcution des outils.

4.1.2 Calcul du flan

Le calcul de flan doit conduire lestimation de la quantit suf-fisante de matire ncessaire la ralisation de la pice.

4.1.2.1 Emboutissage profond

Les variations dpaisseur du produit fini sont relativement faibleset aucun moyen ne permet actuellement de les prvoir ; nousadmettons donc, dans la pratique, que la pice finie aura en tout

point la mme paisseur que celle du flan. Do, puisquil y aconservation du volume, la surface du flan sera gale celle de lapice.

On dcompose la pice en volumes simples (cylindres, tores,paralllpipdes, etc.) dont on calcule la surface.

Ce calcul peut tre conduit en appliquant le thorme de Guldin :laire engendre par une courbe tournant autour dun axe qui ne lacoupe pas est gale 2 fois le produit de sa longueur par la distancede son centre de gravit laxe (figure 12) :

S 2 OG AB =)

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13/24



4.1.2.1.1 Pices axisymtriques

Le flan est circulaire de diamtre .

On dispose pour le calcul du diamtre du flan, de formules (tablesadaptes certaines pices types [14][23], dabaques (tableau 10et figures 6et 7en [Form. B 7 511]), et lon peut utiliser titre decontrle les mthodes graphiques telles que le polygone funiculairede Varignon (figure 8en [Form. B 7 511]).

4.1.2.1.2 Pices non axisymtriques (figure13a)Le calcul de la surface est ralis suivant le mme principe gnral

(dcomposition de la pice en volumes lmentaires et calcul de leursurface) mais, dans ce cas, la forme issue du calcul (figure 13b) nestpas optimale pour lemboutissage, elle devra tre corrige pourassurer un bon coulement de la matire.

Pices rectangulaires ou carres

Les mthodes de correction de la forme du flan vont du pancoup 45o, dobtention conomique, au raccordement par descourbes, qui imposent lexcution dun outil mais produit un flandont lcoulement sous serre-flan est facilit, augmentant ainsi lespossibilits demboutissage (figures 13cet d).

La profondeur dun botier en tle XES 1,2 mm, de base rectan-gulaire 430 195, rayon de parois rp= 20 mm, sera au maximumgale 100 mm avec le flan (figure 13c) et passera 130 mm avec

le flan (figure 13d).Les pices grands rayons de paroi, dont le rapport

longueur/ largeur est infrieur ou gal 1,3, sont embouties partirde flans circulaires dont le diamtre est :

Pices bases elliptiques

On considre quelles sont issues de cylindres tangents de rayonsrespectifs R1 et R2 (figure14)et lon calcule les rayons des flanscorrespondants. La figure 14montre la mthode de raccordemententre les courbes obtenues.

Pices base quelconque

Le dveloppement se fait suivant les mmes principes et le raccor-dement entre courbes et droites seffectue suivant les indications de

la figure 15.Toutes ces mthodes sont bases sur des considrations gom-

triques et exprimentales. De ce fait, la forme du flan pourra, sincessaire, tre amliore lors des oprations de mise au point parla mthode des grilles.

4.1.2.1.3 Emboutis profonds subissant un laminage(ou tirage)

Dans ce cas, on calcule le volume de mtal pour faire la pice(surface paisseur initiale de la tle) et lon dtermine, par laformule suivante, la valeur approche du diamtre du flan :

4.1.2.2 Emboutissage par expansion

Le flan tant bloqu sous le serre-flan, la dformation seffectueexclusivement par perte dpaisseur de la tle en contact avec lepoinon. La valeur et la localisation des amincissements savrentdifficilement prvisibles et rendent impossible la dterminationexacte du flan. Cette dtermination nest cependant pas indis-pensable du fait de labsence dcoulement du flan sous serre-flan.

Dans ces conditions on dveloppe un certain nombre de courbesde la pice, puis on les affecte de coefficients empiriques. Une ligneAB(figure 16) sera ramene sur le flan une ligne A B= 0,75 ABdans le cas dune tle qualit XES ou AB= 0,90 ABdans le cas dunetle TC.

4.1.3 Estimation des efforts

4.1.3.1 Effort demboutissage

La connaissance des efforts de formage est ncessaire pour guiderle choix de la presse. Les modles de calcul thoriques actuels (articleThorie de la plasticit[A 350] dans le trait Sciences fondamentales)se rvlent dune part insuffisamment prcis et dautre part peupratiques demploi.

Figure 12 Thorme de Guldin : S 2 OG AB =)

D 1,13 surface de la pice=

D 1,13 surface de la pice=

D 1,13Vpice

e0-----------------

Figure 13 Dtermination du flanpour pices base rectangulaire ou carre

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14/24



Lapproche, qui consiste considrer que leffort maximaldemboutissage FP ne peut tre suprieur leffort FR qui pro-voquerait la dchirure de la pice, est dans la majorit des cas

suffisante :

avec e(mm) paisseur de la tle,

FR(daN) force maximale admissible par la pice en coursdemboutissage,

L(mm) primtre de la pice,

Rr(hbar) rsistance la rupture.

4.1.3.1.1 Pices cylindriques

1repasse :effort maximal :

FR= d e Rr

Figure 14 Dtermination du flande pice base elliptique

Figure 15 Dtermination du flan de pice base quelconque

Figure 16 Dtermination de la forme du flanpour emboutis en expansion

FP FR L e Rr =

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avec d(mm) diamtre du poinon ;FRen daN, een mm, Rren hbar.

Cette valeur est pondre par un coefficient qui prend en comptele rapport de rduction :

FP= k FR

Suivant les auteurs k prend des valeurs diffrentes [23][24].Wassilieff [9]propose : (0)

Leffort maximal demboutissage intervient gnralement aupremier tiers de la course.

Passes suivantes :effort maximal :

avec n nombre de passes,

effort maximal pour la (n 1)epasse.

Des abaques [14] [23]permettent galement de dterminer lesefforts demboutissage (figure 9en [Form B 7 511]).

4.1.3.1.2 Pices quadrangulaires

Parmi les formulations proposes [23] [24], celle qui conduit lestimation maximale [12]est donne par :

FR= Rr e(2 rc kA+ L kB)

avec kA= 0,5 pour emboutis peu profonds,

= 2,0 pour emboutis dont h= 5 rc 6 rc(hhauteur, rcrayon de coin) ;

kB= 0,2 pour jeu important, pas de serre-flan,

= 0,3 0,5 pour coulement facile, faible pression de serre-flan,

= 1 pour fortes pressions de serre-flan.

4.1.3.1.3 Pices de forme quelconque

On utilise les relations exprimes au paragraphe 4.1.3.1.

4.1.3.2 Efforts dtirage

Les efforts dtirage peuvent tre calculs au moyen dabaquesqui donnent les efforts ncessaires au pliage avec tirage ( 2.2.2.2)en remplaant W (longueur plie) par le demi-primtre de lapice [10].

4.1.3.3 Effort serre-flan

On utilise la formule :

FSF= p S

avec S(mm2) surface du flan en contact avec la matrice,

p(hbar) pression spcifique,

FSF(daN) effort serre-flan.

Le tableau 11en [Form. B 7 511] donne quelques valeurs de pres-sions de serre-flan en fonction des mtaux travaills. Ces valeurscorrespondent des minimums, elles peuvent tre insuffisantespour viter totalement la formation de plis.

Pratiquement, on cherche rarement lvaluer.

4.1.3.4 nergie demboutissage

Son calcul nest indispensable que pour les oprations surpresse mcanique, les groupes moteurs de presses hydrauliquesfournissant chaque instant lnergie ncessaire (dans les limitesde lnergie hydraulique admissible) :

EE= FE h Xavec EE(J) nergie demboutissage,

FE(daN) effort au coulisseau,

h(m) hauteur de la pice,

X coefficient.

Xest donn par le tableau 12en [Form. B 7 511] [9].

Lorsque lemboutissage seffectue sur presse simple effet aveccoussin infrieur, il faut ajouter lnergie ncessaire au dplacementdu serre-flan :

ESF= FSF h

avec FSF(m) effort serre-flan,

h(daN) hauteur de la pice.

Lnergie totale absorbe par lopration est gale :

ET= EE+ ESF

soit ET= h(FE X+ FSF)

4.1.4 Dtermination du nombre de passes

4.1.4.1 Gnralits

La russite de lopration demboutissage (pice non dchire)sera assure si les efforts admissibles par la paroi (partie de la picedj forme sur le poinon) sont suprieurs ceux ncessaires pourpoursuivre la dformation sous serre-flan et au rayon de matrice.Les efforts de dformation sous serre-flan sont dautant plus impor-tants que le diamtre du flan est grand et que la limite lastique dumatriau est leve. Cest pourquoi la rduction dun flan de

diamtre D(ou de rayon de coin Rdans les emboutis quadrangu-laires) connat une limite : L= Dmax/d (appele galement LDR :Limit Drawing Ratio), fonction du matriau et du rapport D/e.Labaque (figure 10en [Form. B 7 511]) [14]donne les valeurs maxi-males de Lpour les laitons qualit UZ 28 UZ 36, tles dacierqualit ES (ligne I) et pour les tles dacier TC, E, ainsi que lalumi-nium (ligne II). Lorsque le rapport D/d= test suprieur L , la picedoit tre excute en plusieurs passes de telle sorte queD/d1= 1< L , puis d1/d2= 2< 1 ... En fait t= 1 2 ... n. Le coef-ficient est appel rapport demboutissage ; on utilise plusfrquemment en France la notation inverse 1/= m appel coef-ficient de rduction.Le tableau 13en [Form. B 7 511] donne les coef-ficients de rduction successifs appliquer suivant les mtaux (cesvaleurs sont issues de lexprience).

Exemples de formes donnes aux passes intermdiaires :a) pice sans collerette ou avec une petite collerette.Les emboutis

intermdiaires ont la forme de la figure 17;b) embouti profond avec une grande collerette.Les rapports de

rduction sont gnralement incompatibles avec les possibilits dedformation de la tle. On excute souvent une passe de prparationdite en boule; le volume de mtal de la boule est gal celui delembouti (figure 18).

Si le rapport demboutissage est tel que plus de quatre passessont ncessaires, il est souvent plus avantageux deffectuer unrecuit ( 4.1.6)ds la seconde passe. Le mtal ayant retrouv sesproprits plastiques dorigine, on peut reprendre lemboutissagede troisime passe avec le rapport de rduction m1 .

m= d/D 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80

k 1 0,86 0,72 0,60 0,50 0,40

FR 0,5 FR n 1( ) 5 dn e Rr lg dn 1

dn----------------- +=

FR n 1( )

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16/24



Le nombre de passes ncessaires lexcution de pices cylin-driques ou rectangulaires peut tre diminu en utilisant la techniquedemboutissage par retournement qui permet un accroissement de

25 % du rapport de rduction (figure 19). Un embouti cylindriqued= 80 mm qui ncessite un flan D= 230 mm, soit m= 0,35, seraexcut en deux passes par retournement et en trois passes par lamthode demboutissage classique. Cet accroissement desperformances est d linfluence des chemins de dformations surla formabilit des mtaux qui se rvlent bnfiques dans le cas delemboutissage par retournement.

4.1.4.2 Emboutis quadrangulaires et ovales

4.1.4.2.1 Emboutis ovales et quadrangulaires grands rayons de paroi

Les emboutis grands rayons de paroi et les ovales sont assimils des emboutis cylindriques en posant :

avec S surface du flan,

avec sp aire de la section droite du poinon.

Les coefficients de rduction appliquer sont les mmes queceux du paragraphe 4.1.4.1.

4.1.4.2.2 Emboutis quadrangulaires faible rayon de paroi

Lembouti est ralisable en une seule passe si, dune part, sa pro-fondeur est infrieure 6 fois le rayon de paroi (h< 6 r) pour lacieret 20 fois pour laluminium et si, dautre part, le cylindre inscriptiblepeut semboutir en une seule passe (figure 20).

Si plusieurs passes sont ncessaires, leur nombre est au moinsgal celui que ncessiterait lembouti cylindrique inscrit et lessections de chacun des poinons devront tre telles que :

avec mn = dn/d(n 1)coefficients de rduction demboutis cylin-driques (tableau 13en [Form. B 7 511]).

Il faut de plus tenir compte du rapport demboutissage q descoins qt= rp/R(notations : figure 13) :

forme homothtique la pice obtenir : mthode droite ; forme comose de courbes : mthode galbe.

Figure 17 Pice sans collerette ou avec petite collerette :formes donnes aux passes intermdiaires

Figure 18 Embouti profond avec grande collerette :formes donnes aux passes intermdiaires

D 1,13 S=

d 1,13 sp=

Figure 19 Emboutissage par retournement

Figure 20 Dtermination des passes sur emboutis rectangulaires

sn sn 1( ) mn2

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Le tableau 14en [Form. B 7 511] donne les rapports q1admissi-bles pour chaque mthode. Les rapports q des passes suivantessont toujours q= 0,60.

Les formes donner aux diffrentes bauches intermdiaires sontbases sur les principes noncs au paragraphe 4.1.4.1(figure 21).

4.1.4.2.3Pices de rvolution gnres par une conique(paraboles, cnes, hmisphres, etc.)

Lexcution est relativement aise par formage sur matriauxlastiques ( 2), elle ncessite un grand nombre de passes suroutillage rigide : on effectue un embouti tag inscrit dans le profil

de la pice, puis on termine par un tirage et une frappe (figure 22).

4.1.5 Vitesse demboutissage

Nous appelons vitesse demboutissage la vitesse Vde pntra-tion du poinon dans la matrice :

presses hydrauliques : 1 < V< 10 m/min ; presses mcaniques : 10 < V< 70 m/min.

La vitesse demboutissage, dans les gammes permises par lespresses industrielles, na pas dinfluence sensible sur les caract-ristiques rationnelles et conventionnelles des mtaux en feuilles,mais cest un facteur dterminant pour assurer la russite desemboutis profonds. En effet, on est gnralement contraint, pour cetype de fabrication, utiliser des vitesses peu leves (quelquesmtres/minutes) pour permettre un coulement contrldu mtalsous serre-flan et au rayon matrice. La vitesse contribue, en parallledes pressions de serre-flan sur la tle et de la nature des lubrifiants, tablir des conditions spcifiques de frottement qui conditionnentgalement la qualit de lemboutissage. On peut donner commeordre de grandeur des vitesses maximales demboutissage :

acier inoxydable = 15 m/min ; acier doux = 28 m/min ; laiton et aluminium = 30 m/ min.

Figure 21 Formes donnes lors des passessuccessives sur emboutis rectangulaires

Figure 22 Emboutissage de pices pointues de rvolution [31]

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4.1.6 Recuit

Nota : on se reportera larticle crouissage dalliages dAluminium[M 230] du trait

Matriaux mtalliques.

Lemboutissage provoque un crouissage qui modifie les carac-

tristiques de ductilit du matriau. La charge la rupture Rraug-mente mais la limite lastique Recrot plus vite ( la limite Re= Rret il ny a plus de possibilit de dformation) ( 1.3.1et 4.1.4).

On limine les effets de lcrouissage pour deux causesprincipales :

a) formabilit :si le nombre de passes est suprieur 4, les rap-ports de rduction sont trop faibles et il devient plus conomiquedeffectuer un recuit ;

b) tenue de la pice en service : si la pice doit prsenter descaractristiques de ductilit proches de celles du mtal dorigine(appareils pression).

Il existe deux possibilits : le recuit de restauration ou recuit dadoucissement qui

seffectue basse temprature. Il ne restitue quune partie des pro-prits mcaniques sans modifier la structure du mtal.

Laiton : 200 300 oC, acier doux : 400 oC ; le recuit de recristallisation,effectu des tempratures plus

leves, rend au mtal ses proprits initiales et reconstitue unestructure quiaxe (tableau 15 en [Form. B 7 511]). Plus le tauxdcrouissage est lev, plus basse sera la temprature de recuit.

Du point de vue rsistance, cest le recuit de recristallisation quiassure le maximum de scurit.

4.1.7 Oprations auxiliaires

4.1.7.1 Dcoupage du flan

Le dcoupage du flan est effectu laide doutils de dcoupe typeoutil parisien (article Dcoupage. Poinonnage[B 7 561]) (grandessries) ou de grignoteuses (petites sries). Lorsque la forme du flanle permet ( 4.1.2.1.2), on utilise une cisaille. Dans le cas de travaildans la bande, si la pice ne ncessite quune seule passe, on effectuele dcoupage du flan et lemboutissage dans le mme coup de presse(figure 23). Cela prsente linconvnient dune usure importante delarte de coupe. Dans les autres cas (oprations sur outil suite),le flan nest pas dcoup, mais son contour est dtermin par linter-

mdiaire dun dtachqui, tout en maintenant la pice au squelette,permet lemboutissage profond (figure 24). Pour plus de prcision,se reporter larticle Dcoupage. Poinonnage[B 7 561].

4.1.7.2 Dtourage

Lanisotropie des tles, cause des cornes demboutissage (articleAptitude lemboutissage des tles minces [B 7 530]), varie enfonction des livraisons de tles et interdit, de ce fait, la possibilitdobtenir une pice aux contours acceptables.

Le dtourage est lopration qui donne la pice son contourdfinitif par enlvement de matire excdentaire ; elle procde dudcoupage, et seffectue avec un outil de forme (figure 25). Cer-

tains outillages sont conus de faon effectuer le dcoupage du

flan, lemboutissage et le dtourage au cours dun mme coup depresse (figure 26).

Le dtourage de pices sans collerette est ralis par rognagesur des machines molettes ou parfois (pices cylindriques) autour.

4.1.7.3 Calibrage. Conformation

Ce sont les oprations de finition qui donnent la pice sa formeou sa cote dfinitive.

La conformation permet dobtenir les cotes finales des rayons decollerette et des rayons de paroi que lon na pas pu avoir pour desraisons fonctionnelles ( 3.3.1et 3.3.2).

Le calibrage donne la pice une cote prcise (0,01 mmminimum). Dans le cas des pices plies et coniques, le calibrageimplique une frappe fond de course. Le calibrage des pices

obtenues par rtreint (cylindriques, etc.) se fait par laminage de laparoi (figure6) identique au pliage.

Les aciers doux et les laitons se prtent trs bien ce typedopration (40 % en une seule passe pour les laitons).

On peut effectuer simultanment une passe demboutissage etdtirage si .

La forme dentre de la matrice a une grande importance et lesconditions opratoires donnes au paragraphe 2.2.2.1 sont appli-cables ltirage des corps creux.

Prcautions

Un embouti nest jamais dform de faon homogne et leszones crouissage critique seront affectes par un importantgrossissement du grain, qui entranera :

un risque de peau dorange nfaste aux pices deprsentation ( 1.2.2.3);

un risque de rupture lors des oprations demboutissagesuivantes ( 1.3.3).

Figure 23 Outil compos pour dcoupage du flanet emboutissage sur presse simple effet

m 0,85

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Figure 24 Emboutissage profond sur outils suivre

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4.2 Lubrification

4.2.1 Rle

Dans le formage froid des mtaux en feuilles, pratiquement toutelnergie mcanique absorbe par la dformation plastique et lesfrottements tle-outillage est transforme en nergie thermique. Lacontribution des forces de frottement en emboutissage peut repr-senter 20 40 % de lnergie totale absorbe. Elle sera dautant plusfaible que les produits lubrifiants seront de bonne qualit, leur actionayant pour consquence :

laugmentation de la longvit de loutillage (diminution desefforts de frottement et des tempratures de contact) ;

une meilleure rgularit et une amlioration de la qualitdans la production des pices embouties (tat de surface, aspect) ;

la possibilit de raliser des pices difficiles (formes complexes

ou emboutis profonds) pour lesquelles les conditions aux limitestle-outillage sont apparemment devenues prpondrantes parrapport aux conditions opratoires, forme du flan, pression de serre-flan, vitesse demboutissage.

Il rsulte de lanalyse de lopration demboutissage quil existepour un mtal donn (acier doux, acier inox, etc.) quatre facteursprincipaux qui dterminent le comportement des lubrifiants :

la pression de contact ptle sous serre-flan :

quelques hbar < p< 100 hbar

la vitesse de glissement vgtle-outillage :

quelques m/ min < vg< 45 m/min

la temprature moyenne Tmdes pices : 30oC < Tm< 80

oC ;

Figure 25 Outil de dtourage

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la nature des contacts : cest--dire la longueur des arcs decontact (plusieurs mm) et ltat de surface recouvrant les aspectsmorphologiques et physico-chimiques (rugosit, tension super-ficielle, etc.).

Par rapport au processus tribologiques rencontrs en mcaniquegnrale, la longueur des arcs de contact et les tats de surfacerendent spcifiques les phnomnes de lubrification rencontrsdans les procds de mise en forme des mtaux [25].

4.2.2 Nature des lubrifiants utiliss

Il existe actuellement deux classifications provisoires qui mritentdtre cites. Lune mane de lASTM [26], elle vise consolider laterminologie, la nomenclature des fluides pour le travail des mtauxen feuilles. Elle nimplique aucune valuation de la qualit des

produits ni de leur convenance pour une opration donne. Sonintrt est relativement limit pour les utilisateurs. Lautre, plusrcente, dorigine allemande, a t labore par le GTS [27]; ellecomprend, outre une liste des produits utiliss en emboutissage, uneliste de lubrifiants, leur dfinition, les prparations avant application,les conditions dapplication, les effets secondaires (corrosion parexemple) et les impratifs de nettoyage. Elle tend donc fournir lutilisateur une possibilit de choisir son lubrifiant. Cest pourquoile SNDE se propose de ladopter pour la France. Suivant leur natureet leur composition, les lubrifiants sont classs en 5 grandescatgories [26]:

I) Huiles et fluides base dhuile :

A Huiles minrales, non compoundes ;

B Graisses non compoundes, contenant des composants chlo-rurs ou sulfurs ;

C Huiles minrales, compoundes.

Mlange dhuile minrale et graisse contenant des composantssulfurs ou chlors (ces composants pouvant tre gras ou non),contenant des composs de lazote, du phosphore ou des lubrifiantssolides.

II) mulsions aqueuses et dispersions :

A mulsions dhuile dans leau (huiles solubles).

mulsion dhuile de la classe IA ou de mlanges de la classeIB ;

B mulsions deau dans lhuile partir dhuiles et de graissesde la catgorie I ;

C mulsions collodales partir dhuiles et de graisses de lacatgorie I,

D Dispersions physiques des huiles et graisses de la catgorie I.

III) Solutions chimiques(solutions vraies et solutionscollodales) :

A Organique Systmes organiques solubles dans leau,donnant des solutions claires, transparentes, de faible tensionsuperficielle ;

B Inorganique ;

C Mixtures Mlanges de solutions organiques et inorganiques.

IV) Lubrifiants solides

A Poudres

a) cristalline, telle que graphite, sulfure de plomb, mica, bisul-fure de molybdne, talc, chaux, carbonate de calcium, oxydede zinc et sulfure de zinc,

b) polymrique, telle que polythylne et PTFE,

c) amorphe, telle que savons et cires ;

Figure 26 Outil compos demboutissage-dtourage

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B Matriaux vitreux

Borates, verres, phosphates ;

C Graisses et ptes ;

D Films secs lis par particules, rsine, ou ltat vitreux ;

E Revtements de conversion chimique, phosphate, oxalate.

V) Divers.

Matriaux chlorurs ou sulfuriss sans huile, matriaux orga-niques tels que alcools, glycols, polyols, esters, composs du phos-phore, etc. et dispersions de lubrifiants solides (classe IV) dans detels produits organiques.

4.2.3 Choix des produits

Hormis les conditions damlioration de laptitude au formage, ilfaut considrer les caractristiques de protection contre la corrosion,le comportement vis--vis du matriau, la stabilit, la facilit dappli-cation, de nettoyage, de prparation et de stockage, ainsi que lescaractristiques dhygine et de scurit (toxicit en particulier). Pourguider le choix de lutilisateur, le producteur fournit des spcifica-tions prcisant lensemble de ces caractristiques physico-chimiques. Il reste difficile encore actuellement, et en particulier pourles productions de pices complexes emboutir, de choisir lelubrifiant le mieux adapt.

Plusieurs tentatives ont t faites pour classer les lubrifiants [28][29], mais cest en fait lexprience qui reste le meilleur guide duchoix susceptible dassurer la russite de pices trs svres. Lestableaux 16 et 17en [Form.B 7 511] donnent des indications enretenant comme indice de svrit le coefficient demboutissagelors dune opration de rtreint :

faible svrit : m= 0,90 svrit moyenne : m= 0,80 grande svrit : m= 0,70 trs grande svrit : m= 0,60

Le tableau 18 en [Form. B 7 511] concerne spcialement leslubrifiants employs dans le formage des aciers inoxydables.

4.3 Contrle qualit

4.3.1 Objectifs

Le contrle qualit permet de maintenir la productivit dun atelieren limitant le taux de rebut excessif pouvant rsulter :

de la qualit de la matire premire ; de la qualit des produits finis (conditions de fabrication).

La section contrle existe pour aider la production et permettreune marche efficace de lusine.

4.3.2 Moyens

4.3.2.1 Qualit matire

Les mtaux en feuilles peuvent tre contrls par les essaisnormaliss ( 1.3) (essais de traction, essais de duret, essaisdemboutissabilit) ou par des essais reprsentatifs des conditionsdune fabrication donne (essais simulatifs).

4.3.2.2 Qualit du produit fini

Laspect des pices est contrl visuellement, absence de marquede loutil, de striction, de vermiculures, etc.

Les cotes sont vrifies au moyen des techniques classiques demtrologie (instrument de mesure, calibres mini, maxi, calibres de

forme) pour les petites pices rigides et par des gabarits pour lesgrandes pices flexibles.

Les postes de contrle sont situs prs des postes de travail pourpermettre une intervention rapide sur les conditions de fabrication.

4.4 Manutention

Pour toute unit de production, la manutention est lun desfacteurs dterminants de la productivit.

4.4.1 Manutention des pices

En fabrication, entre oprations, la manutention est rendue auto-matique par outils suivre, presses transferts, ou robots ; desdispositifs lectriques (pilotes, capteurs de proximit) contrlent lefonctionnement et stoppent les machines en cas dincident.

Lors dun travail en reprise, les presses peuvent tre relies pardes bandes transporteuses (fixes pour les grandes sries, mobilespour les sries moyennes). vacuation des pices par soufflettes air comprim, chute par gravit, etc.

En fin dopration, le stockage des pices est effectu dans desbacs que lon peut gerber o, dans le cas de pices volumineuses,il est utile de prendre certaines prcautions pour viter une dt-rioration des pices au cours de lempilage.

4.4.2 Manutention des outillageset fixation sur presse

Pour les petits outils, le transport ne pose gnralement pas deproblmes. Leur stockage prend beaucoup de place : certainesentreprises, dont le parc doutillage est trs important, utilisent unsystme de monte-charge qui prend les outils ou les range dans lescasiers rfrences. Pour assurer les besoins en outillage dune chanede presses rapides (5 8 machines), il existe des systmes quasiautomatiques pour grer les entres-sortiesdes outillages en stock.

Le bridage des petits outils sur les presses peut tre automatiquemoyennant un dispositif assez simple de guidage de butes et debrides pneumatiques qui positionnent les semelles (standardises)sur la table de presse.

Pour les gros outils de lindustrie automobile en particulier, ladap-tation de fabrications par petites sries (diminution des stocks) aentran des temps morts trs importants, dus aux changementsfrquents doutillages. Les tables de presses ont t ramenes au

niveau du sol et conues de faon se mouvoir sur des rails. Pendantle travail de la machine, on monte un autre outillage sur une tableen attente.

Le changement doutil est ralis par substitution des tables, etles temps morts sont encore diminus par ladoption de bridagespneumatiques [26].

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POUR

EN

SAV

OIR

PL

US

Formage la presse

par Ren MARTINIngnieur de lcole Nationale Suprieure de Mcanique de NantesAncien Chef du Service Mise en forme des matriauxau Centre Technique des Industries McaniquesDirecteur Technique Adjoint des Forges Barriol et Dallire

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AV

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Constructeurs. Fournisseurs

Presses

FranceBret SA (St des Presses et Cisailles).

Ribail (St).Spiertz Presse (St Nouvelle).

Allemagne (Rpublique Fdrale)Maschinenfabrik Mller-Weingarten AG.

Schuler GmbH (L.).

SMG (Sddeutsche Maschinenbau Gesellschaft mbH).

BelgiqueVerson Europa SA.

tats-UnisUSI-Clearing Division of US Industries Co.

Grande-Bretagne

Cincinnati Milacron UK Ltd.Sude

ASEA AB.

Accessoires de presses alimentation-vacuation (voirgalement presses )

Dimco.

Normatic SA.

Organismes franais

Centre Technique des Industries Mcaniques (CETIM).Institut National de Recherche et de Scurit pour la Prvention des

Accidents du Travail et des Maladies Professionnelles (INRS).Syndicat de la Machine-Outil, de lAssemblage et de la Productique Associe(SYMAP).Syndicat National du Dcoupage et de lEmboutissage, Repoussage etOutillage de Presse (SNDE).

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