Emboutissage profond de tôles
Emboutissage profond de tôles
Emboutissage profond Procédé d'emboutissage consistant à faire passer une tôle plate à travers une matrice concave sous la pression d'un poinçon pour former une pièce creuse ouverte. Parmi les différents types de pièces en tôle, l'emboutissage profond est souvent utilisé pour usiner des pièces rondes simples, des têtes hémisphériques et paraboliques composées de matériaux plus grands ou plus épais.
Processus et exigences d'emboutissage profond
En règle générale, l'emboutissage profond doit être réalisé à l'aide d'une matrice d'emboutissage sous pression. En temps normal, l'emboutissage à froid est utilisé, tandis que l'emboutissage à chaud est réservé à l'emboutissage profond de tôles épaisses présentant des dimensions extérieures ou des déformations plus importantes.
1. Processus de dessin
La figure montre le processus de dessin consistant à placer une plaque plate circulaire vierge d'un diamètre D et d'une épaisseur t dans le trou de positionnement de la matrice et à l'étirer dans une pièce cylindrique.
Lors de l'emboutissage profond, sous l'effet du moment de flexion créé par la force d'emboutissage F et de l'espace Z entre les matrices convexe et concave, le moule convexe descend jusqu'au contact de la tôle, puis exerce une pression vers le bas, provoquant le cintrage et la concavité de la tôle. Il est guidé par les angles arrondis des matrices convexe et concave. Lorsque le poinçon est enfoncé dans le trou de la matrice, la tôle se divise lentement en trois parties : le fond, la paroi et la bride. À mesure que le poinçon descend, le fond reste pratiquement immobile et la bride annulaire continue de se rétracter vers le trou et est tirée dans la cavité.
L'ouverture du moule se transforme en paroi cylindrique, augmentant ainsi progressivement la taille de la paroi et réduisant progressivement la bride. Enfin, la bride est complètement insérée dans l'ouverture du moule et se transforme en paroi cylindrique. Le processus d'emboutissage prend fin. La tôle circulaire devient un cylindre creux ouvert de diamètre d1 et de hauteur h.
2. Analyse des déformations par emboutissage profond
Selon le processus de déformation par emboutissage, on peut dire que l'emboutissage est le processus au cours duquel la bride annulaire se rétracte progressivement et s'écoule vers l'alésage de la matrice pour former la paroi du cylindre. L'emboutissage profond est un processus de déformation plastique relativement complexe, et chaque partie endommagée du cheveu peut être divisée en plusieurs zones selon ses conditions de déformation.
2.1 Fond du cylindre : La partie circulaire où le fond du poinçon appuie et entre en contact avec la zone centrale de la tôle est le fond. Pendant l'emboutissage, cette zone conserve une forme plane et est soumise à une tension radiale uniforme. On peut considérer qu'il n'y a pas de déformation plastique, ou seulement une petite zone de déformation plastique, et que le matériau du fond transfère la force du poinçon à la paroi du cylindre, générant ainsi une contrainte de traction axiale.
2.2 Pièce de bride : La zone annulaire de la matrice est la bride, principale zone de déformation lors de l'emboutissage profond. Lors de l'emboutissage profond, le matériau de la bride génère une contrainte de traction radiale due à la force d'emboutissage. Lorsque les matériaux se rétractent et s'écoulent vers le trou de la matrice, ils se compriment mutuellement pour générer une contrainte de compression tangentielle. 3. Sa fonction est similaire à celle de tirer une partie en forme de secteur de l'ébauche F à travers une rainure en forme de coin imaginaire pour provoquer la déformation de F, comme illustré sur la figure.
Lorsque la bride est large et que la tôle est fine, la bride perd sa stabilité en raison de la contrainte de compression tangentielle lors de l'emboutissage, ce qui entraîne un phénomène de « pliage ». Par conséquent, un serre-flan est souvent utilisé pour presser la bride et effectuer le pressage des bords.
2.3 Paroi simple : Il s'agit de la zone déformée, formée par le transfert d'écoulement du matériau de la bride par compression tangentielle, étirement radial et retrait, et qui ne subit pratiquement plus de déformation majeure. Lors de l'emboutissage, elle transmet la force d'emboutissage du poinçon à la bride. Le matériau de la paroi simple lui-même supporte la contrainte de traction unidirectionnelle lors de la transmission de la force d'emboutissage et présente une légère extension longitudinale et une épaisseur légèrement plus importante. On observe un amincissement.
2.4 La partie arrondie de la matrice concave : la partie de transition où la bride et la paroi du cylindre se rejoignent. La déformation du matériau est ici plus complexe. Outre les mêmes caractéristiques que la partie bride, elle est soumise à des contraintes de traction radiale et de compression tangentielle. Elle subit également des contraintes de compression concaves épaisses, formées par l'extrusion et la flexion du congé de la matrice.
2.5 Partie arrondie du poinçon : la partie de transition entre la paroi simple et le fond du cylindre est soumise à des contraintes de traction radiales et tangentielles. La partie épaisse est soumise à l'extrusion et au pliage de la partie arrondie du poinçon pour produire une contrainte de compression. Lors de l'emboutissage, la partie radiale est allongée et l'épaisseur est réduite. L'amincissement le plus important se produit à la jonction entre le coin arrondi du poinçon et la paroi du cylindre.
Au début de l'emboutissage, l'emboutissage se fait entre les matrices convexes et concaves, ce qui réduit le transfert de matière. Le degré de déformation est faible, le degré d'écrouissage à froid est faible et il n'y a pas de frottement bénéfique aux angles arrondis du poinçon. La zone devant transmettre la force d'emboutissage est réduite. Par conséquent, cette pièce est devenue la « section dangereuse » la plus susceptible de se rompre lors de l'emboutissage profond.
3. Modifications de l'épaisseur de paroi des pièces embouties
L'image montre l'épaisseur irrégulière des parois des pièces embouties. Elle illustre l'évolution de l'épaisseur de paroi de la tête elliptique en acier au carbone pendant l'emboutissage, et celle du cylindre à bride avec serre-flan.
4. Exigences de processus pour l'emboutissage profond
L'emboutissage profond permet d'usiner des pièces de formes complexes et d'obtenir des pièces à parois minces de formes cylindriques, étagées, coniques, carrées, sphériques et diverses formes irrégulières. Cependant, la précision de l'usinage des pièces embouties dépend de nombreux facteurs, tels que les propriétés mécaniques et l'épaisseur du matériau, la structure et la précision du moule, le nombre et la séquence des opérations, etc. La précision de fabrication des pièces embouties est généralement faible, la précision appropriée étant inférieure au niveau IT11.
Parallèlement, en raison de l'influence des performances de déformation par emboutissage profond, l'usinabilité des pièces embouties influence directement leur rentabilité et leur simplicité d'utilisation. L'usinage par emboutissage profond influence également leur aptitude à l'usinage. Les exigences de traitement pour les pièces embouties sont les suivantes.
Précision de la structure et du moule, nombre et séquence des processus, etc. La précision de fabrication des pièces embouties est généralement faible, la précision appropriée étant inférieure au niveau IT11. Parallèlement, en raison de l'influence des performances de déformation par emboutissage profond, l'usinabilité des pièces embouties influence directement leur utilisation la plus économique et la plus simple. L'usinage par emboutissage profond influence également leur aptitude à l'usinage. Les exigences de procédé pour les pièces embouties sont les suivantes.
4.1 La forme des pièces embouties doit être aussi simple et symétrique que possible. Lors de la conception, il convient de prendre en compte la technologie d'usinage et d'adopter une forme aussi simple à façonner que possible et adaptée aux exigences d'utilisation. L'illustration présente la classification selon la difficulté de formage par emboutissage profond. La difficulté de formage des différents types de pièces embouties est progressive.
La difficulté des pièces embouties similaires augmente de gauche à droite. Parmi elles : e représente la longueur minimale de l'arête droite, f représente la taille maximale de la pièce emboutie, a représente la longueur du petit axe et 6 représente la longueur du grand axe.
4.2 Pour les pièces étirées cylindriques avec brides, lors de l'emboutissage avec un serre-flan, la bride la plus appropriée se situe dans la plage suivante :
4.3 La profondeur du dessin ne doit pas être trop importante (c'est-à-dire que H ne doit pas dépasser 2d). Lorsqu'il peut être dessiné en une seule fois, sa hauteur doit de préférence être :
4.4 Pour les pièces embouties cylindriques, le rayon de congé r entre le fond et la paroi doit satisfaire à ra>t, et le rayon de congé entre la bride et la paroi à r>2t. Du point de vue des conditions propices à la déformation, il est préférable de prendre r ≈(3~5)t, r≈(4~8)t. Si r (ou r)>(0,1~0,3)t, une mise en forme peut être ajoutée.
Forme structurelle de la matrice d'étirage et sa sélection
Bien que les formes des pièces embouties soient variées, la structure des outils d'emboutissage est relativement standardisée. Selon les conditions d'emboutissage et l'équipement utilisé, la structure des outils d'emboutissage varie également. L'adoption de la structure de l'outil d'emboutissage nécessite généralement des calculs de procédé, permettant ainsi de sélectionner le plan de procédé d'emboutissage en conséquence.
L'emboutissage profond peut être réalisé sur une presse simple effet, double ou triple effet. Les outils d'emboutissage utilisés sur les presses simple effet se divisent en deux types : les outils de premier emboutissage et les outils de premier emboutissage et d'emboutissage ultérieur. Selon l'utilisation d'un serre-flan, on distingue deux types d'outils : avec ou sans serre-flan. Selon le type de presse, on distingue les outils d'emboutissage utilisés sur les presses simple effet, les outils d'emboutissage utilisés sur les presses double effet, etc.
1. Premier dé à dessin
L'image montre la première matrice d'emboutissage profond sans support de bord. Lors de l'emboutissage, la pièce brute est d'abord placée dans la plaque de positionnement de la matrice. Le poinçon descend alors, entraîné par le coulisseau de la presse, pressant la pièce défectueuse dans la matrice jusqu'à ce qu'elle soit entièrement tirée et usinée. L'extrémité supérieure de la pièce emboutie dépasse de la bague racleuse. Lorsque le coulisseau de la presse entraîne le poinçon vers le haut, la bague racleuse racle la pièce pour terminer l'emboutissage profond.
La première matrice d'emboutissage sans support de bord est généralement utilisée pour les pièces embouties peu profondes, pouvant être pressées en une seule fois. Lorsque le poinçon est petit, la structure globale peut être adaptée et fixée par la plaque de fixation. Afin d'éviter que la pièce ne colle trop au poinçon, des trous de ventilation doivent être prévus sur le poinçon.
La figure a montre une matrice concave à bout plat ordinaire avec des arcs, principalement adaptée à l'usinage de grandes pièces. L'image b montre une ouverture conique et l'image c une ouverture concave en développante. Ces matrices sont adaptées à l'usinage de petites pièces. La structure de la matrice de l'image bc présentant une transition courbe de la pièce lors de l'emboutissage, la taille augmente.
Capacité anti-instabilité, la force de la bouche de la matrice sur la zone de déformation de l'ébauche l'aide également à produire une déformation par compression tangentielle, réduisant la résistance au frottement et la résistance à la déformation par flexion, ce qui est bénéfique pour la déformation par emboutissage profond et peut améliorer la qualité de la pièce, mais le traitement est plus difficile.
L'image b montre le premier emboutissage profond avec une bague de bord élastique. Cette bague est installée sur le moule supérieur. Lorsque le poinçon descend, la matière à emboutir est comprimée sous l'effet du ressort, ce qui la maintient près de la partie concave pendant l'emboutissage.
En raison de l'espace limité du moule supérieur, il est impossible d'installer des ressorts épais. Ce type de moule est donc réservé à l'emboutissage de pièces à faible pression. Il est généralement utilisé pour l'emboutissage de pièces fines, de faible profondeur et sujettes aux plis.
Lors de l'emboutissage d'une pièce de grande profondeur, un ressort (ou un caoutchouc) plus grand est nécessaire, et son installation est difficile si le ressort est toujours placé sur la partie supérieure du moule. Par conséquent, une structure montée sur la partie inférieure peut être utilisée pour faciliter le réglage de la force du serre-flan.
2. Moule d'emboutissage profond pour chaque fois après la première fois
La figure a illustre le premier emboutissage profond et les suivants sans serre-flan. Ce procédé permet d'emboutir des produits semi-finis emboutis jusqu'à une certaine dimension, puis de les emboutir à nouveau. Il est généralement utilisé pour les applications où le degré de déformation est faible et où l'épaisseur de paroi des pièces embouties doit être uniforme.
Pour garantir la précision du diamètre et des dimensions des pièces, un léger amincissement est nécessaire. Pour ce type de moule, afin d'éviter les pertes par frottement, il est généralement nécessaire de réduire au maximum la longueur de la partie droite du moule concave.
La figure b illustre la structure de l'outil d'emboutissage pour la première fois et les suivantes, pour des pièces cylindriques à bords annulaires. Le positionneur 11 adopte une structure de type manchon et assure simultanément le pressage et le positionnement des bords. La force de pressage est fournie par la force du cylindre transmise par la broche d'éjection 13.
Afin d'éviter la formation de plis lors de l'emboutissage profond, la position de la goupille d'éjection de fin de course 3 peut être ajustée pour ajuster la pression. L'intensité de la force exercée sur le bord permet d'équilibrer la force du support de bord tout en évitant un serrage trop serré du matériau défectueux.
Le processus de fonctionnement du moule est le suivant : le coulisseau du poinçon se déplace vers le haut, le moule est ouvert et la goupille d'éjection 13 soulève le positionneur 11 jusqu'au poinçon 1 à travers la plaque de fixation du positionneur 12 sous l'action du cylindre de presse.
Les faces d'extrémité sont alignées. L'ébauche emboutie est alors insérée dans la bague extérieure du positionneur 11. Le coulisseau de la presse commence à descendre. L'éjecteur de fin de course 3 entre en contact avec la face supérieure de la plaque de fixation 12 du positionneur. Simultanément, la matrice 2 entre également en contact avec la surface supérieure du positionneur 11, et la presse se met en marche.
À mesure que le coulisseau descend, l'éjecteur de fin de course 3 appuie progressivement sur la plaque de fixation du positionneur 12. La matrice 2 et le positionneur 11 travaillent ensemble pour étirer progressivement le produit semi-fini en un produit fini. Une fois l'étirage terminé, l'éjecteur 13 pousse le positionneur 11 jusqu'à ce qu'il affleure la surface supérieure du poinçon 1 sous l'action du cylindre de presse. Simultanément, le marteau 7 éjecte les pièces étirées de la cavité du moule femelle 2.
Pour les pièces embouties de diamètre d ≤ 100 et les pièces embouties à brides ou de formes complexes, afin de faciliter le formage par emboutissage profond, il convient de veiller au bon rapport entre la forme et la taille des matrices de poinçonnage des procédés précédents et suivants, afin que les formes et les tailles des poinçons réalisés lors des procédés précédents soient correctes. La forme de l'ébauche intermédiaire est propice au formage lors des procédés suivants. La relation entre les dimensions de chaque procédé d'emboutissage et son rayon de congé est illustrée à la figure a, où t est l'épaisseur du matériau.
Pour les pièces cylindriques embouties profondes de grandes et moyennes dimensions, d'un diamètre d>100, lors des premiers emboutissages et de l'emboutissage profond précédant le formage final, les angles du cylindre sont souvent chanfreinés à 45° afin d'éviter un excès de matière aux angles arrondis. Plus fine, cette structure favorise l'emboutissage profond. Cette structure facilite non seulement le positionnement des cheveux lors du processus suivant, mais réduit également les pliages et positionnements répétés des cheveux, améliore les conditions de déformation du matériau lors de l'emboutissage profond et limite son amincissement.
Il est utile d'améliorer la qualité des parois latérales des pièces embouties. Il convient toutefois de noter que le diamètre du fond doit être égal au diamètre extérieur du poinçon lors de l'emboutissage suivant. La relation entre le rayon de congé du poinçon et de la matrice concave et le rayon de congé de l'anneau de bord dans les usinages avant et arrière est illustrée à la figure b.
3. Matrice d'emboutissage pour presse à double action
Lors de l'utilisation d'une presse à double effet pour l'emboutissage profond, le coulisseau extérieur appuie sur le bord tandis que le coulisseau intérieur emboutit en profondeur. Les pièces embouties illustrées à la figure a sont directement découpées et embouties à partir de bandes, puis usinées par une presse à double effet.
La figure b est un schéma de la structure du moule des pièces ci-dessus. Une fois la bande positionnée par la broche de positionnement 2, le serre-flan 7 et la base inférieure de l'outil 1 fonctionnent ensemble pour réaliser le découpage. Les outils d'emboutissage convexe 4 et concave 3 sont éjectés. Les blocs 6 travaillent ensemble pour emboutir et façonner la matière après le découpage. Enfin, la broche d'éjection 5 entraîne le bloc d'éjection 6 pour pousser les pièces embouties hors de la cavité de l'outil d'emboutissage concave 3.
