Présentation
Auteur(s)
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Éric FELDER : Ingénieur civil des Mines de Paris - Docteur ès Sciences - Maître de Recherches à l’École des Mines de Paris - Responsable adjoint du Groupe Surfaces et Tribologie, au Centre de Mise en Forme des Matériaux (CEMEF ) de l’École des Mines de Paris
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Lire l’articleINTRODUCTION
Les problèmes tribologiques rencontrés dans l’emboutissage des tôles sont particulièrement difficiles pour au moins deux raisons majeures :
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raisons physiques, tout d’abord : ces problèmes concernent les interactions superficielles des matériaux de surface de la tôle et de l’outil entre lesquels viennent s’intercaler certains constituants du lubrifiant et des débris arrachés à la tôle et à l’outil. De ces interactions découlent le frottement, l’évolution de l’état de surface de la tôle et l’usure de l’outil. Les phénomènes sous-jacents, qui se situent à l’échelle du micromètre, sont complexes et loin d’être tous compris et maîtrisés. Toutefois, la connaissance même purement qualitative de ces questions permet d’orienter dans la bonne direction les travaux de recherche en vue d’élaborer une solution pour un coût raisonnable ;
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raisons industrielles en second lieu : le succès de l’opération d’emboutissage dépend du savoir-faire de trois sociétés : celle qui fabrique la tôle, celle qui élabore le lubrifiant et celle qui réalise l’emboutissage ; une bonne coopération et une bonne circulation des informations entre ces trois partenaires obligés sont donc indispensables, mais cela n’est malheureusement pas toujours le cas. Chacun est très soucieux de ne pas perdre l’avantage qu’il pense détenir sur ses concurrents : par exemple, la composition du lubrifiant est généralement confidentielle. Chacun essaie de laisser ses partenaires prendre en charge la recherche d’une solution ; certains contentieux durables peuvent en résulter. C’est ainsi que, dans les années 80, un dialogue de sourds, aujourd’hui bien dépassé, a paralysé les relations entre les sidérurgistes et les constructeurs automobiles français à propos du formage des éléments de carrosserie en tôle d’acier extra-doux, chacun rejetant sur l’autre la responsabilité des difficultés rencontrées. Cette polémique, dont nous verrons dans cet article comment elle a pris fin grâce à une modification par le sidérurgiste de l’opération de finition de la tôle par laminage skin-pass, a au moins mis en évidence l’imbrication des responsabilités et les moyens d’action possibles.
Le but de cet article est de présenter les problèmes de frottement rencontrés lors des opérations d’emboutissage de tôles, leurs conséquences sur la qualité des pièces formées et les méthodes théoriques ou expérimentales permettant de les résoudre. Nous insisterons ici sur les aspects scientifiques et analytiques de cette question. Nous développerons dans un autre article un aspect plus synthétique et plus appliqué afin, à partir d’exemples, de montrer comment ces méthodes d’approche permettent de résoudre les problèmes pratiques. Pour la description de la déformation plastique du métal, le lecteur pourra consulter pour les notions générales l’article Plasticité en mise en forme [M 590] du traité Matériaux métalliques et pour les notions particulières à l’emboutissage les articles Aptitude à l’emboutissage des tôles minces [M 695] et Tôles pour mise en forme du présent traité. Une présentation générale des problèmes de frottement, de lubrification et d’usure dans la mise en forme des métaux et des modalités pratiques de lubrification est faite dans l’article Lubrification des surfaces lors de la mise en forme [M 597] du traité Matériaux métalliques.
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Matériaux : propriétés de volume et propriétés de surface1. Enjeu industriel
1.1 Emboutissage des tôles
L’emboutissage consiste à fabriquer, à partir d’un flan plan de faible épaisseur (une fraction de millimètre à quelques millimètres), une pièce de forme complexe, non développable en général. Le flan est découpé au préalable dans une tôle laminée dont l’huile de protection, déposée par le lamineur, sert le plus souvent à lubrifier l’emboutissage. L’emboutissage peut comporter une ou plusieurs opérations : dans chacune, le flan ou la pièce de l’opération précédente est préalablement plaqué contre la matrice par le serre-flan avec une certaine force, plus ou moins constante, puis mis en forme par avancée du poinçon. La figure 1 schématise deux opérations types : emboutissage profond axisymétrique et formage d’une pièce complexe.
HAUT DE PAGE1.1.2 Exemples d’applications industrielles
On fabrique ainsi en très grande série la plupart des pièces de la carrosserie d’une automobile, le corps des boîtes de conserve plates (type boîtes de pâté), des ébauches des boîtes boisson, entre autres exemples. Il s’agit donc d’un secteur industriel particulièrement important, comme en témoigne la rivalité aiguë entre les fabricants de tôles fines en acier et en aluminium sur le marché européen des boîtes boisson. Un autre exemple édifiant, déjà évoqué et sur lequel nous reviendrons à maintes reprises dans le texte à titre illustratif, est celui des pièces de carrosserie automobile, très diverses en taille et en forme (figure 2) : comme le délai de conception et réalisation d’un nouveau modèle dépend principalement du temps nécessaire pour la mise au point des opérations d’emboutissage, la maîtrise par les constructeurs d’automobiles des problèmes d’emboutissage est un facteur essentiel, voire vital,...
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