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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Couplage simulation numérique et modèle de lubrification4. Essais de frottement
Ces essais sont menés pour atteindre deux objectifs, non contradictoires, mais sensiblement différents :
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soit mesurer l’aptitude d’une tôle à subir une opération de formage donnée, l’aptitude d’un lubrifiant ou d’un traitement de surface d’outil à résoudre tel problème de frottement, de transfert ou d’usure, etc. Le type d’essai et sa mise en œuvre sont donc choisis en fonction de leur caractère sélectif ; l’essai Inland est un très bon exemple d’une telle démarche concernant un problème de formabilité de tôle, où ses propriétés de frottement sur le serre-flan sont déterminantes ; l’essai de passage de la tôle dans un jonc est un autre exemple d’essai de formabilité jugé particulièrement sévère ;
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soit constituer une banque de données tribologiques permettant les études de conception d’opérations à l’aide d’outils de simulation numérique ; le type d’essai et sa mise en œuvre sont choisis en vertu de leur degré de similitude avec la zone de l’outillage étudiée ; les essais entre outils plans ou ceux de joncs de retenue sont de bons exemples de cette démarche. À noter que les essais Erichsen et Swift, beaucoup plus complexes, sont de ce fait très instructifs, mais leur interprétation en termes de frottement est moins directe et requiert un modèle mécanique de l’opération et souvent des mesures complémentaires : courbe d’écrouissage de la tôle, etc.
4.1 Essai Inland
Il consiste à serrer un échantillon de tôle rectangulaire entre un outil plan et un outil cylindrique avec une forme normale H, puis à exercer sur la tôle une force de traction F pour la faire défiler entre les deux outils à une vitesse constante v. L’évolution de F au cours du temps (nous présenterons plus loin celle conjointe de H lorsqu’elle n’est pas imposée constante par une régulation adéquate, par exemple hydraulique) présente trois phases successives caractéristiques (figure 11a ) :
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une...
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