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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Divers modes de déformation plastique2. Matériaux : propriétés de volume et propriétés de surface
2.1 Propriétés de volume des matériaux
Le mode de fabrication d’une tôle fine pour carrosserie est décrit sur la figure 4. Il s’agit de tôles d’acier très bas carbone (limite d’élasticité Re » 160 à 200 MPa) dont 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) (tableau 1).
Pour la définition du coefficient d’anisotropie normale, le lecteur se reportera à l’article Aptitude à l’emboutissage des tôles minces [M 695] dans ce traité.
Les pièces de structure sont actuellement en tôles HLE (haute limite d’élasticité Re » 400 MPa) de moindre formabilité (A » 20 % ; r » 1,1), car durcies par addition d’éléments de microalliages ; il est question de réaliser dans un proche avenir ces pièces en alliages d’aluminium.
HAUT DE PAGE
Afin de présenter simplement les modes de déformation plastique de la tôle lors de son emboutissage, nous supposerons que le matériau de la tôle est caractérisé par son coefficient d’anisotropie r et sa contrainte d’écoulement σ 0 , grandeurs que nous supposerons constantes (approximation du corps rigide parfaitement plastique ou RPP ). Précisons ici rapidement les limites d’une telle approximation. L’élasticité conditionne surtout le retour élastique (springback ) de la pièce après son formage. Par contre, on sait que la contrainte d’écoulement d’une tôle déformée à la température ambiante évolue avec la déformation...
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