Caractérisation de l'aptitude à l'emboutissage

4. Critères de caractérisation de déformation

Un critère de plasticité, ou critère d'écoulement plastique, est un critère permettant de savoir, sous des sollicitations données, si une pièce se déforme plastiquement ou si elle reste dans le domaine élastique. De nombreux essais ont montré que l'on pouvait utiliser deux critères principaux : le critère de Tresca-Guest ou le critère de von Mises. En résistance des matériaux, on désire parfois rester dans le domaine élastique, on parle alors de critère de résistance. Les critères des matériaux en emboutissage sont :

  • Le matériau est caractérisé par son coefficient d'anisotropie r et d'écrouissage n.

  • L'élasticité du matériau conditionne le retour élastique.

  • La contrainte d'écoulement d'une tôle déformée évolue avec la déformation, la vitesse de déformation et la température.

  • Critères combinés :

Ce sont des critères utilisant des combinaisons de facteurs conventionnels. On retrouve donc des critères tels que

  1. Re/Rm

  2. Rm-Re

  3. (Rm-Re)*A

Ils apportent une plus grande précision dans la caractérisation de l'embouti mais nécessite un plus grand nombre d'expériences et de matériels.

  • Critères rationnels :

Ce sont les plus difficiles et les plus coûteux à déterminer mais ce sont eux qui offrent le meilleur jugement face à l'emboutissabilité d'une tôle :

  1. Coefficients d'écrouissage.

  2. Coefficients d'anisotropie.

Critères rationnels de déformation : coefficient d'écrouissage "n" et coefficient d'anisotropie "r"

Il est donc possible de citer les différents paramètres permettant qui peuvent influencer l'emboutissabilité d'un matériau lors de la mise en forme :

A. Coefficient d'écrouissage n

Coefficient d'écrouissage

Le coefficient n est lié à la consolidation du matériau: l'écrouissage augmente la résistance à la rupture et la limite élastique qui se rapproche ainsi de la résistance maximale à la traction.

Si deux tôles de même valeur de n mais de coefficient d'élasticité k différent sont embouties, elles se comporteront de façon semblable malgré des forces d'emboutissage différentes.

Ce critère détermine la capacité d'une tôle à être mise en forme. Il est obtenu à partir de la courbe rationnelle de traction reliant la relation contrainte = F/S à la déformation rationnelle e = ln(S/S0).

B. Anisotropie initiale

Du fait de l'orientation préférentielle des cristaux, la tôle ne possède pas les mêmes propriétés mécaniques suivant la direction considérée. Il en résulte aussi une perte de l'équilibre des déformations entre la largeur et l'épaisseur lors d'un essai de traction uni axiale. Lors de l'emboutissage profond des découpes de tôle circulaires l'anisotropie (texture cristallographique) provoque une collerette irrégulière du godet.

Le coefficient d'anisotropie plastique se définit comme le rapport de la variation de largeur à la variation d'épaisseur durant un essai de traction.

Le coefficient de Lankford indique la tendance du métal à s'amincir ou s'épaissir.

Coefficient de Lankford

Le coefficient d'anisotropie moyen : dans le plan d'une tôle, la valeur du coefficient d'anisotropie normale varie suivant les directions :

anisotropie

Les matériaux utilisés pour carrosserie sont des tôles d'acier très bas carbone (limite d'élasticité Re = 160 à 200 MPa), la grande formabilité est assurée par la valeur élevée de leur allongement à la rupture A = 35 à 45 % et de leur coefficient d'anisotropie normale r = 1,7 à 1,85.

Les pièces de structure sont en tôles HLE (haute limite d'élasticité Re = 400 MPa) de moindre formabilité (A = 20 % et r = 1,1), car durcies par addition d'éléments de micro-alliages.

Qualité

Type d'acier

Limite d'élasticité

Re (MPa)

Allongement

à la rupture

A (%)

Résistance maximale à la traction

Rm (MPa)

Coefficient

d'anisotropie r

0.004% Carbone

G

160

44

300

1.85

Haute formabilité

XE

165

44

300

1.87

Formabilité moyenne

E

200

37

330

1.7

Haute limite élastique

HLE

400

22

470

1.15

Coefficient d'anisotropie moyen pour différents matériaux :

Alliages

Coefficient moyen

Zinc

0.4-0.6

Acier laminé à chaud

0.8-1.0

Acier laminé à froid

1.0-1.4

Aluminium laminé à froid

1.4-1.8

Aluminium

0.6-0.8

Cuivre et laiton

0.6-0.9

Titane

3.0-5.0

Acier inoxydable

0.9-1.2

Acier haute résistance

0.9-1.2

  • les pièces à dominance d'expansion obtiennent un pourcentage de réussite pour n fort

  • les pièces à dominance de rétreint correspondent à un coefficient r fort.

Afin de déterminer les caractéristiques des coefficients d'écrouissage et d'anisotropie, plusieurs études ont été effectuées parmi lesquelles celle de la Commission Emboutissage de l'IDDRG.

Relation formabilité

C. Rapport Limite d'emboutissage

Le coefficient LDR (Limiting Draw Ratio), fonction des propriétés du matériau à transformer, permet de classifier les matériaux suivant leur capacité à être emboutis.

Formule LDR
Coefficient LDR (Limiting Draw Ratio)
Courbes LDR

D. Pression sur le serre-flan

Force serre-flan

La qualité de la pièce obtenue par emboutissage ainsi que l'effort de l'opération dépendent grandement de la pression appliquée par le serre-flan

A : pression optimale

B : pression excessive (rupture)

C : pression insuffisante (plissement)

Pression serre-flan
Graphique serre-flancs

E. Le frottement

Parmi les techniques permettant de maîtriser le frottement, l'adhésion et l'usure entre deux solides, la lubrification est certainement la plus courante et la plus utilisée. Elle consiste à intercaler entre les deux corps, un troisième corps de faible scission et de contrainte de rupture faible.

- Une lubrification adaptée facilite l'écoulement de la tôle entre la matrice, le serre-flan et le poinçon.

- Lubrifier la face du flan opposée au poinçon : la lubrification de la partie centrale du flan a un effet néfaste car la lubrification diminue l'adhérence entre le poinçon et les parois de l'embouti.

Fonctions :

  1. Diminuer les efforts et les énergies de mise en forme.

  2. Refroidir l'outillage.

  3. Réduire l'échauffement du métal.

  4. Obteni un état de surface désiré.

  5. Minimiser l'usure de l'outillage.

  6. Homogénéiser l'écoulement.

  7. Éviter le collage produit/outil.

Formule frottement
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