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SOL 906
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PROCEDE ET DISPOSITIF D'EMBOUTISSAGE DE
RECIPIENTS DE FORME TRONCONIQUE, ET RECIPIENT AINSI EMBOUTI
L'invention concerne la fabrication de récipients de forme
générale tronconique, par emboutissage d'un flan de tôle,
notamment en acier et de faible épaisseur. Elle concerne plus
particulièrement la fabrication de récipients à forte conicité,
c'est-à-dire dont la paroi latérale est largement évasée du côté
de l'ouverture du récipient.
Selon des procêdés classiques de fabrication de ce type de
récipient, on réalise successivement plusieurs séquences
d'emboutissage qui déforment progressivement le flan initial
jusqu'à obtention du produit final. Ces procédés, nécessitant
donc l'utilisation de plusieurs outils d'emboutissage, un par
séquence, et plusieurs opérations pour réaliser un récipient,
entraînent un coût de fabrication important.
Pour réduire ces coûts, il a déjà été proposé d'emboutir
des récipients tronconiques en une seule passe, en utilisant un
poinçon et une matrice tronconiques. De tels procédés ont
toutefois tendance à provoquer un bombê et des plissements de la
paroi latérale conique du récipient, du fait de l'important brin
libre inhérent à ce type de procédé. I1 est rappelé que le brin
libre est la zone annulaire du flan située entre le poinçon et la
matrice, qui n'est ni au contact du poinçon ni au contant de la
matrice au cours de l'emboutissage, c'est-à-dire, dans le cas de
poinçon et matrice tronconiques et juste avant la fin de
l'emboutissage, pratiquement toute la paroi latêrale du
récipient.
Pour notamment éviter ces plissements, il a étê proposé,
par le document US 3302441, de réduire ce brin libre en utilisant
un poinçon constitué de plusieurs bagues annulaires concentriques
et coulissant les unes dans les autres. Dans ce cas
1°emboutissage est conduit de maniêre à déformer en premier lieu
par la bague annulaire externe du poinçon, une première zone
annulaire du flan pour mettre en forme la partie tronconique de
plus grand diamètre du récipient, c'est-à-dire la partie la plus
~O~~J~
proche de l'ouverture du rcipient, puis dformer
successivement, au moyen de bagues annulaires
de diamtres
dcroissants, des zones annulaires du flan correspondantes
pour
former des parties tronconiques du rcipient e
diamtres
galement dcroissants, jusqu' la fin de l'opration
d'emboutissage, o toute la paroi tronconique du
rcipient
embouti est appliqu sur la matrice par les diffrentes
bagues
annulaire du poinon. Par ce procd, le. brin libre
en cours
d'emboutissage est en effet considrablement rduit,
puisque
constitu uniquement desdites zones annulaires
dont la largeur
est sensiblement divise, par rapport au cas prcdent,
par le
nombre de bagues annulaires du poinon.
Toutefois ce pracd prsente l'inconvnient de' limiter
fortement, ds le dbut de l'emboutissage, l'coulement
du mtal
constituant le flan entre la matrice et la bague
externe du
poinon. De ce fait, les dformations ultrieures
provoques par
les autres bagues de diamtre dcroissant provoquent
un tirement
important du mtal dans la zone centrale du flan,
qui peut
conduire sa rupture, notamment dans le cas d'un
flan de faible
paisseur. De plus des arrachements peuvent se
produire par un
frottement important de la zone dforme du flan
entre la matrice
et la bague externe du poinon.
Le but de la prsente invention est de remdier
ces
problmes et de permettre la fabrication de rcipients
de forme
gnrale tronconique par emboutissage de flans de
tle de faible
ou trs faible paisseur, notamment en acier.
Aven ces objectifs en vue, la prsente invention
a pour
objet un procd d'emboutissage d'un flan de tle
pour la
fabrication en une passe d'un rcipient de forme
gnrale
tronGOnique, l'expression forme tronconique devant
tre comprise
comme concernant non seulement des rcipients de
section
circulaire, mais aussi des rcipients de section
de forme
gnrale polygonale, et dont la section dans un
plan passant par
le centre du rcipient peut tre globalement rectiligne
ou curvi-
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3
ligne de concavité ou convexité plus ou moins accentuée.
Selon l'invention ce procédé est caractërisé en ce qu'on
utilise un outil d'emboutissage comprenant un poinçon tronconique
et une matrice comportant, en regard de la surface tronconique du
poinçon, des bagues concentriques mobiles perpendiculairement au
plan du flan, on déforme successivement des zones annulaires
concentriques du flan en. commençant par celle de plus petite
dimension, chaque zone annulaire, de forme tronconique après
déformation, étant maintenue pressée vers le poinçon par une
bague correspondante à partir du moment où ladite zone est au
contact du poinçon et jusqu'â la fin de l'emboutissage, chaque
zone annulaire êtant par ailleurs en appui sur une bague
correspondante tant que la zone annulaire adjacente interne
n'est pas appliquée sur le poinçon.
Grâce à l'invention, on peut fabriquer, par emboutissage en
une seule passe, des récipients de forme tronconique en tôle de
faible épaisseur, pratiquement sans risque de rupture du flan. En
effet, la déformation du flan intervenant en premier lieu dans sa
partie centrale, proche du fond du récipient, les déformations
successives ultérieures des zones de diamètre croissant
n'interviennent pratiquement pas sur le métal déjà déformé des
zones de plus petites dimensions, et n'ont donc pas tendance à
l'étirer excessivement, évitant ainsi les ruptures qui
surviennent couramment au plus près du nez du poinçon dans les
procédés selon l'Art Antérieur. Par contre le métal nécessaire
pour absorber ces déformations est librement, sous réserve de la
pression exercée par le serre-flan, amenê des zones périphériques
du flan. Il est ainsi possible de contrôler aisément les
déformations par étirement du métal en adaptant les pressions
exercées sur le flan embouti par les différentes bagues de la
matrice et par le serre-flan.
I1 en résulte de plus, par rapport à un emboutissage en
plusieurs passes, un gain sur les dimensions du flan, puisque
l'étirement du mêtal qui le constitue peut être contrôlé et donc
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optimisé.
Selon une disposition particulière de l'invention, chaque
zone annulaire est maintenue sensiblement dans le plan du flan
tant que la zone annulaire adjacente interne n'est pas appliquée
sur le poinçon.
Cette disposition particulière permet, outre le fait de
contenir en permanence le brin libre par contact du flan sur les
bagues annulaires de la matrice, de maintenir fermement pressée
entre poinçon et matrice chaque zone annulaire emboutie avant que
a0 la zone adjacente vers l'extérieur ne commence à étre déformée
par l'action du poinçon et la bague de matrice correspondante.
L'influence de la déformation d'une zone annulaire sur les zones
adjacentes vers l'intérieur est alors encore réduite.
Toutefois, les bagues peuvent aussi se déplacer légèrement
en accompagnant la zone du flan en brin libre, sous l'effet d'une
pression moindre exercée sur lesdites bagues, cette pression
étant adaptée aux caractéristiques de flambage du matériau
constitutif du flan. On peut d'ailleurs admettre que, en cours
d'emboutissage, une zone annulaire du flan ne soit pas totalement
pressée par la bague correspondante sur Ie poinçon lorsque la
zone annulaire adjacente externe commence à être déformée. Méme
dans ce cas, en cours d'emboutissage, la zone du flan en brin
libre diminue progressivement ce qui a pour effet de réduire les
risques de plissement.
Cependant, le blocage séquentiel du flan sur le poinçon,
provoqué par les bagues de dimension croissante, crée un
étirement d'autant plus important que le brin libre diminue, et
l'épaisseur des parois coniques en est d'autant plus constante.
Selon une autre disposition particulière le poinçon
comporte sur sa surface conique un ou des décrochements
circonférentiels, et des gradins correspondants sont formés sur
la paroi du récipient en cours d'emboutissage entre deux zones
annulaires adjacentes de ladite paroi, successivement lors de la
mise en contact d'une zone annulaire sur le poinçon par la bague
~~~i~~~
correspondante.
Cette disposition permet de réaliser un récipient
présentant sur sa paroi latérale conique des gradins qui, outre
leur aspect esthétique, constituent des renforts de la paroi. De
plus la formation de ces gradins crée à la fin de la déformation
de chaque zone annulaire une tension supplémentaïre du métal dans
ladite zone annulaire, qui participe à la suppression des
éventuels plissements.
Dans le méme but, il est également possible, en utilisant
un poinçon comportant des gradins, d'amener en cours
d'emboutissage chaque zone annulaire du flan au contact de la
zone correspondante du poinçon par la bague de matrice
correspondante sans former le gradin, le contact ëtant alors
seulement linéaire sur l'angle du gradin, et de former
simultanément tous les gradins en fin d'emboutissage par une
augmentation simultanée de la pression exercée par les bagues de
la matrice.
L'invention a aussi pour objet un dispositif d'emboutissage
pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus, ce dispositif
étant caractérisé en ce que la matrice comporte, en regard de la
surface tronconique du poinçon, des bagues concentriques mobiles
selon 1a direction du déplacement du poinçon, et des moyens de
pression pour exercer sur lesdites bagues un effort prédéterminé
en direction du poinçon, la surface annulaire frontale desdites
bagues ayant une forme complémentaire de la surface annulaire du
poinçon qui lui fait fane axialement.
Selon une disposition particulière, les moyens de pression
comportent des éléments élastiques, tels que des ressorts,
déterminés pour exercer sur chaque bague de la matrice un effort
fonction de la profondeur de pénétration du poinçon dans la
matrice.
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la
description qui va être faite à titre d'exemple d'un dispositif
et du procédé de mise en oeuvre conforme à l'invention, pour la
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fabrication de récipients largement évasés tels que des
assiettes, en tôle d'acier d'épaisseur inférieure à 0,21 mm, par
exemple 0,18 mm.
On se reportera aux dessins annexés dans lesquels
- les figures la à 1f représentent en demi-coupe axiale le
dispositif d'emboutissage et le flan lors de différentes phases
successives de l'emboutissage d'une assiette à gradins,
- la figure 2 montre une variante'du dispositif en fin
d'emboutissage d'une autre forme d'assiette,
- la figure 3 montre une autre variante appliquée à
l'emboutissage d'assiettes â paroi latérale lisse,
- la figure 4 montre une autre variante encore appliquée à
l'emboutissage d'assiettes à paroi latérale de section incurvée.
L'outil .d'emboutissage représenté sur les différentes
figures comporte une matrice 1, un poinçon tronconique 2 et un
serre-flan 3. La matrice 1 est liée de manière connue en soi à un
plateau supérieur 4 d'une presse d'emboutissage. De même le
poinçon est lié à un plateau infêrieur 5 de ladite presse. Le
serre-flan 3 est monté coulissant sür le plateau inférieur 5, des
moyens non représentés étant prévus pour exercer une pression sur
le serre-flan 3 en direction de la matrice 1. Entre le serre-flan
3 et le poinçon 2 est intercalé une bague de découpe 6, destinée
notamment à effectuer en fin d'emboutissage la découpe
périphérique du bord du récipient.
La matrice 1 comporte une bague fixe 7 fixée rigidement au
plateau supêrieur 4 de la presse, et plusieurs bagues
concentriques 8, 9, 10, trois dans l'exemple représenté. La bague
centrale 10 est, dans cet exemple, un disque dont la fane 11 en
regard du poinçon comporte une zone centrale 12 plane entourée
d'une zone tronconique 13, cette bague centrale 10 étant destiné
à former le fond du récipient et la partie de la paroi latêrale
de celui-ci adjacente audit fond.
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Comme on le comprendra par la suite, ce disque pourrait
être remplacé par une bague annulaire présentant une surface
conique identique à la surface 13, et un contre-poinçon central
prévu pour former, en collaboration avec la partie centrale du
poinçon, le fond du récipient. La surface de la zone centrale 12
ou du contre-poinçon pourrait aussi être conformée de manière à
donner au fond de la boîte un relief particulier.
Les bagues concentriques 8, 9, 10 sont montées coulissantes
l'une par rapport â l'autre, et poussées en permanence vers le
poinçon par des moyens de pression tels que des ressort 14, 15,
26. Ces bagues, dont Ie débattement maximum est déterminé en
fonction de la profondeur d'emboutissage, sont par ailleurs
retenues par des butées 17, 18, 19 limitant leur déplaçement en
direction du poinçon, de manière que les extrémitês inférieurs de
ces bagues soient toutes sensiblement dans le même plan avant
l'emboutissage.
Par ailleurs lesdits ressorts sont déterminés pour chaque
bague de manière à pouvoir exercer sur le flan embouti un effort
suffisant pour plaquer sur le poinçon la zone annulaire du flan
qui se trouve lors de l'emboutissage en regard de ladite bague.
Chaque bague comporte une surface tronconique 24, 21, 13 de
même conicité que les surfaces annulaires 20', 21', 13' du
poinçon situées respectivement en vis-à-vis. La bague coulissante
externe 8, c'est-à-dire celle ayant le plus grand diamètre,
comporte par ailleurs une surface sensiblement plane 22,
adjacente à sa surface tronconique 20, située en vis-à-vis d'une
surface 22' de la bague de découpe 8, et comprenant
préférentiellement une prohéminence ou jonc annulaire 23. Une
cuvette annulaire 23' de profil correspondant est réalisée dans
la bague de découpe 6. Ledit jonc 23 et ladite cuvette 23' sont
notamment destinés à former sur le bord du récipient une nervure
périphêrique constituant une piste de thermoscellage pour le
soudage ultérieur d'un couvercle d'obturation du récipient. Cette
disposition permet de plus d'assurer la planéité, en fin d'embou-
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tissage, de ladite piste de thermoscellage, ce qui garantit la
continuité et donc l'étanchéité, de la soudure lors de la
fermeture du récipient.
Les surfaces annulaires coniques 20', 21',13' du poinçon
sont par ailleurs reliées par des décrochements 24, 25, qui
forment, avec lesdites surfaces annulaires, des gradins
circonférentiels, lesdits décrochements êtant situés vis-à-vis
des surfaces de guidage entre les bagues de la matrice.
En liaison avec les figures 1a à, 1f, représentant les
différentes phases d'emboutissage, on va maintenant décrire le
procédé d'emboutissage d'un flan 30 de tôle pour former un
récipient tronconique de forte conicité tel qu'une assiette.
Dans la première phase, représentée à la figure la, le flan
30 est mis en place entre la matrice et le poinçon écartés l'un
de l'autre, le flan reposant sur le serre-flan 3 et la bague de
découpe 6, maintenus en position haute par les moyens de mise en
pression du serre-flan. Les bagues coulissantes 8, 9 et 10 sont
poussées vers le bas par les ressorts 14, 15, 16, les extrémités
inférieures de ces bagues et de la bague fixe 7 de la matrice
' étant sensiblement dans le même plan horizontal.
Le plateau supérieur 4 de la presse est alors poussé vers
le bas, jusqu'à ce que la bague fixe 7 de la matrice arrive au
contact du flan et presse celui-ci contre le serre-flan 3.
Dans cette deuxième phase représentée à la figure lb, la
périphérie du flan se trouve donc serrée entre la bague fixe 7 de
la matrice et le serre-flan 3, et la zone annulaire 31 du flan
située entre la bague externe 8 de 1a matrice et la bague de
dêcoupe 6 est déformée par le jonc 23, l'effort exercêe sur
ladite bague externe 8 par les ressorts 14 étant suffisante pour
empêcher ou limiter son recul, vers le haut. Outre la fonction
relatée précédemment, de formage de la piste de thermoscellage,
le jonc 23 associé à la cuvette 23' participe ainsi, en
complément à la pression exercée par le serre-flan, à la retenue
de la périphérie du flan, par un pliage et dépliage successifs de
~031.~~~
celle-ci, lors du glissement du flan entre la bague externe et la
bague de découpe, au cours des phases suivantes de
l'emboutissage.
Dans cette deuxième phase, les extrémités infêrieures des
bagues 9 et 10 sont juste au contact du flan et dès lors
participent au maintien du brin libre, comme indiqué
précédemment.
Le plateau supérieur 4 continuant à être poussé vers le
bas, le flan commence alors à être embouti dans sa partie
centrale par l'interaction de la bague centrale 10 avec le
poinçon 2.
En fin de cette troisième phase, représentée la figure 1c,
la zone annulaire 32 du flan adjacente au fond du récipient est
emboutie et pressée entre la surface conique 13 de la bague
centrale 10 et la surface correspondante 13' du poinçon par
l'effort exercé sur ladite bague centrale 10 par les ressorts 16.
On remarquera que lors de cette déformation du flan, la
périphérie du flan a glissé radialement entre la bague fixe 7 de
la matrice et le serre-flan 3, et entre la bague externe 8 et la
bague de découpe 6, le jonc 23 participant à la régularité de ce
glissement sur toute la périphérie du flan.
La descente du plateau supérieur se poursuivant, le poinçon
continue de pénétrer dans la matrice en repoussant, relativement
à celle-ci, la bague centrale 10 vers le haut et en comprimant
les ressorts l6.
Au cours de cette quatrième phase, le flan continue à âtre
déformé, le brin libre restant étant soutenu par l'extrémité
inférieure de la bague coulissante 9 adjacente à la bague
centrale 10. L'effort exercé par les ressorts 15 sur nette bague
g, appelée par la suite bague médiane, est suffisant pour éviter
son recul par rapport à la bague externe 8, le brin libre du flan
restant alors dans le plan horizontal d'origine du flan. Un
certain recul de cette bague médiane peut cependant être acceptée
10
dans la mesure où, malgré ce recul, la déformation du brin libre
reste contenue par la pression exercée par l'extrémité inférieure
de ladite bague médiane.
En fin de cette quatrième phase, représentée à la figure
1d, la zone annulaïre 33 du flan, adjacente à la zone annulaire
32, est emboutie et pressée, entre la surface conique 21 de la
bague médiane 9 et la surface correspondante 21' du poinçon, par
l'effort exercé sur ladite bague médiane 9 par les ressorts 15.
Simultanément, du fait du décrochement 25 reliant les surfaces
21' et 13' du poinçon, un gradin 35 est formé entre les zones
annulaires 32 et 33 du flan.
La cinquième phase est effectuée de manière similaire à la
quatrième phase, par poursuite de la descente du plateau
supérieur 4, la poursuite de la pénétration du poinçon dans la
matrice provoquant le coulissement de la bague médiane 9 dans la
bague externe 8. La zone annulaire conique 34 de plus grand
diamètre est alors déformée puis serrée entre la surface conique
de la bague externe 8 et la surface correspondante 20' du
poinçon, ainsi que représentée à la figure le, le gradin 36 étant
20 alors formé de manière similaire au gradin 35.
On remarquera que, à la fin de cette cinquième phase, la
bague de découpe 6 est amenée en butée sur le plateau inférieur 5
et les surfaces supérieures 8',9',10' des bagues 8,9 et 10 sont
situées dans un même plan.
De ce fait, lors de la sixième et dernière phase de
l'emboutissage, ces surfaces viennent simultanëment en butée sur
le plateau supérieur 4, ainsi que représenté à la figure 1f.
Cette sixième phase est une phase de dëcoupe de la pêriphêrie du
récipient, nette découpe étant réalisée, lors de la pénétration
finale du poinçon dans la ma~crice,.par la bague de découpe 6 qui,
étant en butée sur le plateau inférieur 5, se déplace,
relativement à la bague fixe 7 de la matrice, simultanément au
poinçon, et, én coopération avec cette bague fixe 7, cisaille le
bord 37 du flan.
11 203~3~~
En fin de cette sixième phase, l'emboutissage du rëcipient
est terminé et il peut être ëvacué de l'outil d'emboutissage, de
manière connue en soi, après remontée du plateau supérieur 4 et
retour des différentes bagues dans leur position de départ
représentée à la figure la.
Ainsi que cela a déjà été indiqué, le formage des gradins
35, 36 permet de créer .une tension supplémentaire du métal du
flan qui participe à la suppression d'éventuels plissements
subsistants. Dans la description qui vient d'être faite, les
gradins sont formés successivement, à la fin de la quatrième et
de la cinquième phase d'emboutissage. On comprendra aisément que
1e même effet serait obtenu si tous les gradins étaient formés
simultanément en fin d'emboutissage. Cela pourrait résulter du
fait que, volontairement ou non, la pression exercée sur une
bague, par exemple la bague médiane 9, était insuffisante pour
former le gradin correspondant. Dans ce cas d'ailleurs la zone
annulaire 33 du flan ne serait pas 'totalement pressêe entre le
poinçon et la bague 9 en fin de quatriëme phase. Elle serait
cependant maintenue contre le poinçon à proximité du décrochement
25 lors de la quatrième phase, et à proximité du décrochement 24
lors de la cinquième phase.
Les figures 2, 3 et 4 montrent en position de fin
d'emboutissage différentes variantes du dispositif, destinés
chacune à emboutir des assiettes de formes différentes.
Dans la variante représentée à la figure 2, les gradins
35', 36', au lieu d'être formés par des décrochements
cylindriques tels que ceux dëcrits précédemment, sont formés par
des décrochements plans dans des plans parallèles. Qn comprendra
aisément que les extrémités inférieures des bagues coulissantes
sont adaptées en conséquence, et que le procédé sera conduit de
manière similaire à ce qui a ëté décrit précédemment.
I1 en est de même pour les variantes reprësentées à la
figure 3, où la paroi conique 38 de l'assiette est lisse, sans
gradins, la génératrice de la paroi latérale étant rectiligne, et
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12
à la figure 4, où la paroi 39 est constituée de plusieurs zones
tronconiques de conicité croissante vers la périphérie du
récipient, la génératrice de la paroi étant alors globalement
incurvée.
Bien entendu, la forme de la paroi du récipient n'est pas
limitée aux différentes configurations représentées uniquement à
titre d'exemple. En particulier, l'invention s'applique également
à la fabrication de récipients de section horizontale non
circulaire, la forme du poinçon et dés différentes bagues
coulissantes étant adaptëe en conséquence.
Le procêdê et le dispositif selon l'invention sont
particulièrement adaptés à l'emboutissage de flans de tôle en
acier de faible épaisseur, notamment inférieure à 0,2 mm et de
caractéristiques mécaniques élevées (Re ~ 450 MPa), mais peuvent
bien entendu être mis en oeuvre pour l'emboutissage de tôles plus
épaisses ou en métal différent. Ils permettent notamment la
fabrication de récipients de formes variées, la pente des parois,
la-profondeur du récipient, et ses dimensions pouvant varier
largement, la forme des outils et notamment le nombre de bagues
étant adaptés en conséquence.
