L'essentiel des matrices d'estampage : l'emboutissage profond

Note de l'éditeur : il s'agit du cinquième d'une série d'articles présentant les principes fondamentaux de la conception et de la construction des matrices d'emboutissage.

L'emboutissage est un processus de formage du métal dans lequel le flux de matière sur un poinçon ou dans une cavité est contrôlé. En emboutissage profond, la profondeur du produit est au moins deux fois supérieure à sa largeur ou son diamètre.

L'emboutissage profond est utilisé pour les géométries de pièces finies qui nécessitent beaucoup de forme, telles que les filtres à huile, les casseroles et poêles, les tasses et les bols. Le processus nécessite généralement une ébauche semi-développée, mais certaines formes de pièces peuvent être réalisées à l'aide d'une ébauche non développée.

Pendant le processus d'étirage, un certain étirement du métal se produit lorsque le métal est tiré dans la cavité par tension. Cela peut provoquer un étirement et un amincissement du métal, mais également un épaississement, car certaines géométries de pièces, telles que les coupelles, forcent l'ébauche à se serrer lorsqu'elle s'écoule dans la matrice.

Le flux de métal dans la cavité et sur le poinçon est contrôlé par un tampon de tirage ou un liant. Il peut restreindre le mouvement du métal pour éviter le froissement lorsque le matériau s'écoule dans la zone de la matrice (voir Figure 1).

De nombreuses applications d'emboutissage profond utilisent un concept d'ingénierie appelé théorie du rapport d'emboutissage. Le rapport d'étirage est la relation directe entre le diamètre du poinçon d'étirage et la taille du flan. Si le flan est trop grand par rapport au poinçon, trop de matière sera coincée entre la face de la matrice et le liant. Un excès de matériau entre ces deux surfaces peut provoquer une résistance à l'écoulement du métal, entraînant un étirement excessif, un amincissement ou une éventuelle fissuration du métal.

Pour illustrer, imaginez que je vous demande de vous accrocher au bord d’une feuille de papier et que j’essaie ensuite de vous la prendre. Il y a de fortes chances que je sois capable de le libérer de vos doigts. Cependant, si je vous demandais de serrer ce même morceau de papier entre vos paumes, le papier se déchirerait probablement lorsque j'essaierais de le passer entre vos mains. En effet, vous saisissez une surface beaucoup plus grande lorsque vous utilisez vos paumes que lorsque vous saisissez le bord avec vos doigts.

Pour comprendre la théorie du rapport d’étirage, vous devez comprendre les bases du flux de métal. Un concept de base est que lorsqu'une ébauche de grand diamètre est forcée de s'écouler dans une pièce de plus petit diamètre, le métal doit se serrer. L'action de compression est généralement appelée compression. Si la compression s’étend tout autour d’un vaisseau, tel qu’une cupule, on parle de compression circonférentielle. La compression créée par un rayon de profil de coin est appelée compression radiale. Le point clé à retenir est que le métal en compression présente une grande résistance à l’écoulement (voir Figure 2).

En raison de cette résistance, le poinçon d'étirage doit être suffisamment proche du bord du flan pour minimiser la surface de métal en compression. En termes simples, le poinçon d'étirage doit avoir un diamètre acceptable par rapport au diamètre du flan. Cette relation peut être simplement définie comme le rapport d'étirage limite.

Si le poinçon d'étirage est trop éloigné du bord du flan, le métal en compression ne coulera pas, ce qui pourrait entraîner un étirement et une éventuelle fissuration. Si l'ébauche est suffisamment proche du poinçon, le métal se comprime et s'écoule vers l'intérieur, ce qui entraîne un étirement et un amincissement limités (voir Figure 3).

Plusieurs opérations de dessin peuvent être nécessaires pour obtenir une géométrie de pièce très haute. Ce processus est appelé réduction du tirage. Un processus de réduction par emboutissage réussi nécessite de prêter une attention très particulière non seulement à la relation entre le flan de départ et le poinçon d'étirage, mais également aux relations entre chaque opération d'étirage.