Tribologie de l'emboutissage - Enjeux, conditions de contact et approches expérimentales

Res problèmes tribologiques rencontrés dans l'emboutissage des tôles sont particulièrement difficiles pour au moins deux raisons :

• raisons physiques. 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'endommagement et l'usure de l'outil. Les phénomènes sous-jacents, dont l'échelle se situe entre une dizaine de nanomètres et le 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 et de développement en vue d'élaborer une solution pour un coût raisonnable ;

• raisons industrielles. Le succès de l'opération d'emboutissage dépend du savoir-faire d'au moins trois sociétés : celle qui fabrique la tôle, celle qui élabore le lubrifiant et celle qui réalise l'emboutissage (voire celle qui fabrique l'outillage) ; une bonne coopération et une bonne circulation des informations entre ces trois partenaires obligés sont donc indispensables, mais cela n'est 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, comme dans les années 1980 entre les sidérurgistes et les constructeurs automobiles français à propos du formage des éléments de carrosserie en tôle d'acier extra-doux. Cette polémique, qui a pris fin grâce à une modification par le sidérurgiste de l'opération de finition de la tôle par laminage skin-pass, a bien mis en évidence l'imbrication des responsabilités et les moyens d'action possibles.

Le but de cet article est d'abord de décrire les problèmes de frottement rencontrés lors des opérations d'emboutissage de tôles et leurs conséquences sur la qualité des pièces formées. Après présentation des propriétés des matériaux mis en jeu et rappel des modes de déformation des tôles en emboutissage, qui définissent leurs conditions de contact avec les outils, nous présentons les méthodes expérimentales permettant de les simuler et d'étudier leurs conséquences sur le frottement et l'état de surface final de la pièce. Nous insistons ici sur les aspects scientifiques et analytiques de cette question, en prenant pour exemple principal le cas des tôles d'acier. L'article [BM7536] fait le point des connaissances sur les phénomènes de frottement et les conséquences sur la formulation d'une loi de frottement réaliste en emboutissage. Pour la description de la déformation plastique du métal, le lecteur pourra consulter pour les notions générales les articles Plasticité en mise en forme [M3002] [M3003] [M3004] [M3005] et Analyse des procédés de mise en forme [M3007] [3008] du traité Matériaux métalliques ; pour les notions particulières à l'emboutissage les articles Emboutissage des tôles : Importance des modes de déformation [M3180] et Aspects mécaniques [M3181] 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 les articles Lubrification et mise en forme [BM7530] [BM7531] [BM7532] [BM7533] du présent traité.