Comprendre les performances des inserts de poinçonnage pour les pièces structurelles automobiles légères

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Avec la tendance actuelle de l'industrie du transport à réduire à la fois le poids des véhicules et la consommation globale de matières premières, de plus en plus de fournisseurs de fabrication estampent des matériaux légers, en particulier les alliages d'aluminium. Il est important pour ces fabricants de comprendre les performances des inserts de poinçonnage qu'ils utilisent sur ces matériaux.

Étant donné que les charges sur les bords des inserts de poinçonnage sont généralement les plus élevées lors des opérations d'estampage et dépassent considérablement la contrainte d'écoulement de la feuille cisaillée, ces outils subissent potentiellement plus d'usure que les autres parties des matrices d'estampage. Et un outillage usé peut provoquer des bavures sur les bords des pièces embouties, des particules de feuille emboutie se propageant à travers les surfaces des matrices d'emboutissage et des fissures sur les bords des composants emboutis là où le bord cisaillé s'est étiré.

Les fabricants doivent comprendre les modes de défaillance possibles et identifier les combinaisons de matériaux de matrice et de traitements de surface qui fonctionnent bien dans la production d'emboutissage et minimiser la dégradation des inserts de poinçonnage.

Des chercheurs du Centre de fabrication et de matériaux avancés de l'Université d'Oakland ont récemment étudié le comportement des inserts de poinçonnage lors de l'emboutissage de tôles en alliage d'aluminium AA5754, généralement utilisées pour les pièces structurelles automobiles légères. Ils ont comparé les inserts M2 non revêtus aux inserts M2 recouverts d'Ionbond 42 (Cr + CrN + aC:H:W + aC:H), ZrN, Tetrabond Plus (ta-C) et Tetrabond (ta-C). Cette étude a utilisé le processus d'emboutissage en U, qui comprenait à la fois des opérations de cisaillement et de pliage par étirement, et a permis aux chercheurs d'étudier les performances des inserts de poinçonnage et de formage.

La conception de la matrice progressive utilisée pour estamper les coupons pliés en U est illustrée dans la figure 1 et expliquée dans « Détection de l'apparition du grippage lors de l'emboutissage de tôles d'aluminium. » Des parties du périmètre ont été découpées séquentiellement hors du matériau de la bobine pendant que celui-ci s'écoulait à travers la filière progressive ; Ensuite, des inserts de dessin ont été utilisés pour couper la dernière partie du bord et former la partie pliée en U.

Des inserts de poinçonnage fabriqués à partir d'acier à outils M2 ont été utilisés pour découper quatre zones différentes du périmètre. Avec cette approche, quatre configurations différentes d'inserts de poinçonnage ont été étudiées simultanément et nommées en fonction de leur emplacement à droite ou à gauche : LH-out, LH-in, RH-in et RH-out.

Pour comprendre les changements se produisant sur la surface du poinçon, les chercheurs ont mesuré la rugosité des inserts avant et après les tests à l'aide d'un système de profilage optique sans contact modèle Bruker ContourGT-K. Les mesures ont été traitées avec le logiciel Bruker Vision64. La rugosité a été calculée en tant que valeur Sa, qui est une valeur absolue de la différence de hauteur de chaque point par rapport à la moyenne arithmétique de la surface, en utilisant l'équation de la figure 2.

Après le test, la rugosité de la surface a été mesurée dans la zone d'usure visible. La rugosité a été rapportée pour la zone la plus rugueuse des inserts de poinçonnage en corrélation avec le nombre total de pièces embouties à l'aide de chacun des inserts étudiés.

Les inserts ont été testés en groupes : sortie à droite, entrée à droite, sortie à gauche et entrée à gauche. La figure 3 fournit une liste des combinaisons de tests et le nombre de pièces produites avec ces inserts.

Les inserts 1 à 4 ont été utilisés pour estamper 50 000 pièces pliées en U. Une rugosité de surface a été observée sur les inserts revêtus, mais elle a augmenté de plus d'un facteur quatre sur les inserts non revêtus. Des images des inserts de poinçonnage 1 à 4 après les 50 000 pièces estampées sont présentées sur la figure 4 depuis les deux côtés du poinçon. Les inserts non revêtus présentent des signes de formation de grippage.

FIGURE 1. Ceci est un schéma de la matrice progressive utilisée pour estamper les coupons d'obligations U.

L’insert 5 (ZrN) n’a été utilisé que pour estamper 9 000 pièces. Sa rugosité a considérablement augmenté et il a montré des signes importants de grippage des deux côtés. Les inserts 6 à 8 (Tetrabond Plus, Tetrabond et Ionbond 42) ont chacun été utilisés pour estamper 150 000 pièces. Ils présentaient une augmentation de rugosité inférieure à celle des poinçons non revêtus utilisés pour estamper 50 000 pièces. La figure 5 représente les inserts de poinçonnage 5 à 8 après emboutissage, des deux côtés de chaque poinçon.