Courbes limites de formage
Emboutissage des tôles - Importance des modes de déformation

L'emboutissage des tôles est une opération qui permet d'obtenir des pièces de formes complexes non développables, contrairement aux opérations plus simples que sont le pliage, le roulage ou le profilage à froid. Ce procédé, d'utilisation très générale, permet de fabriquer les pièces de carrosserie automobile, des appareils électroménagers ou des ustensiles de cuisine, des emballages métalliques, des pièces mécaniques…

Outre la forme de l'outil, qui dépend de la complexité de la pièce à obtenir, de nombreux paramètres conditionnent la réussite de l'opération : ceux liés au process d'une part, tels que réglages de la presse, vitesse d'emboutissage, lubrification, et, d'autre part, ceux liés aux qualités de la tôle elle-même et à sa capacité de formage, encore appelée formabilité, qui fait l'objet de cet article. La mesure des caractéristiques mécaniques des tôles, ainsi que l'interprétation de leur relation avec l'aptitude au formage ont fait de grands progrès. Il en est de même pour la compréhension de l'opération d'emboutissage, entre autre, par le biais de la simulation numérique qui permet maintenant de visualiser virtuellement le comportement du métal dans l'outil. Les systèmes de mesure de déformation, particulièrement les systèmes optiques, sont également des outils qui permettent des analyses quantitatives sur pièces réelles.

Comme nous le laissions entendre dans la précédente édition de cet article (en 2002), les méthodes numériques de calcul de l'emboutissage et de conception des outils ont fait de tels progrès qu'elles sont maintenant utilisées de façon quasi systématique. On peut dire que rares sont les emboutisseurs – et plus rares encore les concepteurs d'outils – qui ne possèdent pas au moins un code de calcul. Cela a complètement modifié le profil du métier, où les spécialistes possédant une grande expérience ont été remplacés par des opérateurs plus familiers de l'emploi des ordinateurs que du comportement du métal.

Cette modification est indiscutablement très bénéfique sur le plan économique : les pièces, les outils, sont conçus plus rapidement et avec beaucoup moins d'échecs que précédemment. Les modifications qui étaient autrefois réalisées au fur et à mesure de la mise au point de l'outil réel par enlèvement de matière ou par apport (dépôts par rechargement) sont aujourd'hui testées sur ordinateur, donc beaucoup plus facilement.

On peut regretter une seule chose dans cette évolution : c'est que les techniciens perdent l'habitude et la capacité de réfléchir sérieusement aux problèmes qui se posent (il est plus simple de lancer un calcul) et qu'on se trouve parfois dépourvu lorsqu'une difficulté se produit dans les ateliers. L'expert capable d'en analyser l'origine n'est souvent plus là.

Ce qui suit est principalement axé sur le matériau. Nous essayerons de montrer quelles sont les caractéristiques des tôles métalliques qui sont influentes vis-à-vis de la mise en forme, en particulier en relation avec les modes locaux de déformation qui jouent ici un grand rôle.

Ce texte traite essentiellement des tôles minces, c'est-à-dire, dans la pratique, les tôles d'épaisseur comprise entre 0,2 et 3 ou 4 mm.

Les matériaux considérés sont essentiellement l'acier et les alliages d'aluminium. Il sera fait quelques allusions aux alliages cuivreux, dont l'emploi tend à décroître pour des questions de prix. Les « tôles sandwich », les « flans soudés » sont des matériaux relativement nouveaux qui nécessiteraient un article à eux seuls car ils introduisent de nombreuses difficultés inhabituelles. Ils ne sont donc pas considérés ici.

Un procédé assez nouveau connaît un grand développement ; il s'agit de l'emboutissage assisté thermiquement. On peut distinguer au moins trois catégories dans cette technique :

• l'emboutissage faisant intervenir un gradient de température dans l'outil : il s'agit d'une technique connue depuis longtemps, mais rarement utilisée. En général, on chauffe les zones de l'outil où le métal s'oppose au formage, c'est-à-dire la matrice et le serre-flan, et l'on refroidit les zones où il a besoin d'avoir la plus grande résistance possible : le poinçon. La logique de ces chauffages et refroidissements localisés apparaîtra dans la suite de l'article. Cette technique est essentiellement utilisée pour obtenir des pièces profondes à partir d'acier inoxydable et peut s'étendre à des alliages assez peu formables dans les conditions normales ;

• l'emboutissage aux moyennes températures, de 200 à 500 ^oC. Il est surtout utilisé pour les alliages d'aluminium ou de magnésium, dont la formabilité est considérablement améliorée par un tel chauffage. L'utilisation de ce type d'emboutissage est en voie de croissance. Cette technique n'est pas très convaincante dans le cas de l'acier ;

• l'emboutissage à haute température (supérieure à 900 ^oC), suivi d'une trempe dans l'outil. Cette méthode connaît actuellement un énorme développement car elle permet de mettre en forme des pièces ayant de très hautes caractéristiques, 1 500 MPa de résistance et même plus.

Malgré l'intérêt que présentent ces différentes techniques et leur actualité, elles ne seront pas traitées dans le présent article car, bien que basées sur des principes fondamentaux identiques à ceux de l'emboutissage classique, elles introduisent trop de différences pour y être correctement abordées.