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"
PROCEDE D'AMELIORATION D- L'EMBOU~ISSABILITE D'UNF TOLE OU
D'UN FLAN DE TOLE METALLIQUE
La présente invention concerne un procédé d'amélioration de
l'emboutissabilité de tales ou flans de tales métalliques notam-
ment en acier et la mise en oeuvre de ce procéde soit lors del'emboutissage, soit préalablement par tr~itement de la tale des-
tinée à être emboutie. Elle concerne aussi la tale ainsi traitée.
Le principe bien connu de l'emboutissage consiste à déformer
plastiquement un flan de tôle maintenu à sa périphérie entre une
matrice et un serre-flan au moyen d'un poin~on, la matrice et le
poinc,on ayant une configuration déterminée en fonction de la forme
désirée du produit embouti.
Le poin~on, la matrice et le serre-flan qui sont les organes
mis au contact du flan lors de l'opération d'emboutissage, seront
appelés dans leur ensemble par la suite outils d'emboutissage.
Dans les procédés de mise en forme pa déformation plastique,
tels que l'emboutissage, le coefficient de frottement tôle-outil
joue un rôle important. Il peut limiter la capacité de déformation
de la tale, et conduire à des ruptures du flan s'il est trop
elevé.
La lubrification, l'état de surface et la nature des outils
sont des paramètres sur lesquels on peut agir pour diminuer le
frottement.
Lors de l'emboutissage, ia surface de contact de ces oùtils
avec le flan est lubrifiée, généralement par un lubrifiant liquide
ou huile d'emboutissage pour faciliter la déformation du flan,
réduire le coefficient de frottement entre flan et outils et limi-
ter ainsi les risques de grippage et de rupture du flan.
Toutefois cette lubrification n'est pas toujours suffisante
pour éviter le grippage et la rupture du flan de tale, notamment
lorsque la pression d'emboutissage est importante.
Pour résoudre ces problèmes, il a dejà été proposé de réali-
ser un traitement de surface de la tôle à emboutir. On connaît en
particulier des procédés de conversion chimique de la surface de
la tôle, tels que la phosphatation, qui permettent d'abaisser le
coefficient de frottement tôle-outil et favorisent ainsi la mise ~
.,: :
en forme du flan Un tel traitement est toutefois cou-
teux, et ne peut etre appliqué à toutes les tôles à être
embouties.
On connaît ainsi par le document US-A-3 390 562,
un procédé d'emboutissage selon lequel on utilise une
composition lubrifiante constituée d'une huile et de
sels. Mais cette composition ne peut être homogène. Il
en résulte que la capacité lubrifiante d'un tel produit
n'est pas constante en tout point de la tôle, car le sel
n'est pas uniformément réparti à sa surface, ce qui
perturbe l'operation d'emboutissage.
aussi
Un inconvénient de ces procédés réside/~ans Ie fait q~'ils
provoquent ~ne modification des caractéristiques chimiques d'une
couche de métal à la surface de la tole. Aussi minime soit-elle,
cette couche persistant en surface après mise en forme de la plèce
peut s'avérer gênante pour l'utilisation de la pièce obtenue. Il
peut nota~ment y avoir incompatibilité entre les caract~ristiques
de surface obtenues et des traitements chimiques souhaités après
mise en forme. D'autres inconvénients quant à l'utilisation des
pièces après mise en forme, peuvent aussi être rédhibitoires. Par
- exemple, la phosphatation des tôles constitue une gêne amportante
lors du soudage des pièces qui y ont été soumises.
Un autre inconvénient de ces procédés réside dans la lourdeur
et le coût des installations industrielles nécessaires pour ces
traitements de surface, Une installation de phosphatation de tôle~
est couteuse autant par l'importance du matériel constituti~, que
par ses forts besoins énergétiques. De plus, les procédés de con-
version -chimique impliquent une durée minimale de traitement et
donc, pour un traitement sur une ligne de fabrication continue,
une longueur et un encombrement importants de 1'installation de
traitement.
D'autres tentatives ont été faites par ailleurs pour amélio- ,
rer les carsctéristiques lubrifiantes des huiles d'emboutissage.
Cependant, le risque de grippage subsiste, surtout dans le~ zones
soumises à de fortes pressions, telles que les bords de outils,
où la lubrification par de telles huiles peut s'av~rer insuffi-
sante.
FEUll LE DE REMPLAg::E~ lE,~l
La présente invention a pour but de résoudre ces différents
problèmes et de supprimer les inconvénients précités.
Avec ces objectifs en w e l'inven~ion a pour objet un procédé
d'amélioration de l'emboutissabilité de tales ou flans de tales
S métalliques notamment en ~cier, nu ou revêtu, caractérisé en ce
que, avant emboutissage'/on depose sur la tôle, ou sur l'outil
dlemboutlqssage~/un sel d'un métal alcalin choisi dans le groupe
formé par Li, Na, K, et d'un anion chimiquement inerte à l'égard
..
F~tLLI~ E REMPL~C:EM
~;U~ iEFT
du metal constitutif de la tôle, choisi parmi les phos-
phates, le dépôt dudit sel étant réalisé par application
sur lesdits outils ou ladite tôle d'une solution dudit
sel à l'exclusion d'une huile.
Selon une première application, le procédé est mis en oeuvre
lors de l'emboutissage de flans de tôle métallique, au moyen d'ou-
tils d'emboutissage comprenant une matrice, un serre-flan et un
poinc,on, et le dépôt est réalise par application sur les outils
d'une solution ~udit sel.
Selon une vari~nte de l'invention, l'application de ladite
solution est faite sur les outils préalablement dégraissés. On
peut ensuite procéder au séchage des outils. On peut alor~ soit
huiler les outils par un lubrifiant d'emboutissage, avant de pro-
céder à l'emboutissage du flan, soit emboutir directement le flan
de tôle préalablement huilé.
Selon une autre variante, l'application du sel ou de la solu-
tion est réalisée sur les outils préalablement huiles,
L'application de la solution peut être préférentiellement
réalisée par dépôt de gouttes de ladite solution, réparties sur
les outils ou localisées dans certaines zones de ceux-ci particu-
- lièrement susceptibles de grippage, telles que les surfsces en
regard de la matrice et du serre-flan, ou les zones les plus
anguleuses des outils.
Grâce ~ l'invention, les risques de grippage et de rupture du
flan peuYent être considérablement réduits, voire supprimés. De
plus la pression du serre-flan peut être augmentée sans accroitre
ce risque, ce qui améliore le confinement des bords du flan entre
la matrice et le serre-flan et évite la formation de plis ou ondu-
lationis sur ces bords. De plus encorej l'application dudit sel
évite, dans le cas où un grippage se produirait quand même ~u
cours d'une op~ration d'emboutissage, l'adh~sion sur les outils
des grippures, c'est-~- dire des traces du métal const~tutif de la
tôle emboutie et arrachée de celle-ci lors de l'éventuel grippage.
FE~lllLLE DE REP~PLACEMENT
SU~S~E;ET :~
3a
En conséquence, la pièce emboutie lors de l'opération suivante ne
risque pas d'être détérioree par des grippures adhérentes aux
outils.
Une explication proposée par les inventeurs a l'amélioration
de l'emboutissage observée, est que le sel dépose sur l'outil
constitue un agent saponifiant qui provoque par réaction avec
-
.,.~ ,/ , ~.
... : ~-
FE~UI~LF Dil~ REMPLAGEMENT
SU~TlT~ SH~ET
~ PCT/FR90/0()643
. ,*~.~, },
I'huile d'emboutissage un savon, cette réaction se produisant
notamment grâce aux conditions de pression et de température
creées au niveau des surfaces de contact outil-flan lors de l'em-
boutissage.
5Selon une autre application du procédé, le dépôt de sel peut
être effectué sur la tôle avant emboutissage, ou même lors de sa
fabrication.
L'invention a donc aussi pour objet une tôle métallique
caractérisée en ce qu'elle comporte sur au moins une face un film
d'un produit saponifiant provoquant la for~ation d'un savon par
réaction avec une huile, cette huile étant du type de celles uti-
lisées co~munément lors des opérations d'emboutissage. On notera
qu'ici et dans la suite de ce mémoire le terme "emboutissage" sera
utilisé pour désigner de manière générale tous les procédés de
mise en forme par déformation plastique des tôles.
Préférentiellement, ledit produit est un sel d'un métal alca-
lin choisi dans le groupe formé par Na, K, Li, déposé à la surface
~de la tôle à raison de plus de lO milligrammes par m~ de surface
et moins de lOO mg/m'. - -
20Préférentiellement encore, ledit sel est un sel d'un anion
chimiquement inerte à l'égard du metal constitutif de la tôle
choisi parmi les phosphates.
Un autre objet de l'invention est un procédé de réalisation
de la tôle ci-dessus, ce procédé étant caractérisé en ce qu'on
dépose le sel de métal alcalin par application sur la surface de
la tôle d'une solution aqueuse dudit sel puis on sèche la tole
ainsi traitée, pour évaporer le solvant.
Préférentiellement cette solution contient de 10 à 100 g
dudit sel par litre d'eau.
30Préférentiellement encore, la solution comprend des ions
potassium, phosphate et des ions hydronium, et elle est neutrali-
see.
L'application de la solution sur la tôle pourra notamment
être réalisée par aspersion, immersion ou enduction, la tôle étant
séchée immédiatement après application de la solution.
La présente invention, prise dans l'une de ses différentes
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b :7 ~ 3 ~ ~J ~
dispositions exposées ci-dessus, permet de réduire considérable-
ment la valeur du coefficient de frottement tôle-outil lors de
l'emboutissage, et ceci que les tôles soient, préalablement au
traitement, nues ou revêtues par exemple zinguées.
Par rapport aux tôles précédem~ent citées, traitées par con-
version chimique de leurs surfaces, les tôles selon l'invention se
révèlent très économiques. Leur procédé de fabrication permet de
réaliser un gain de place appréciable quant à l'installation
nécessaire à sa mise en oeuvre.
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la
àescription qui va être faite à titre d'exemple d'une part d'es-
sais mettant en oeuvre un procéde conforme à l'invention dans le
cas où on dépose ledit sel sur les outils d'emboutissage, d'autre
part d'essais comparatifs de tôles traitées selon l'invention et
soumises ensuite à emboutissage.
On se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est un graphique montrant deux courbes repré-
sentatives du coefficient de frottement en fonction de la pres-
sion, ces courbes étant établies dans les mêmes conditions opéra-
toires pour des tôles respectivement traitées et non traitées ;
- la figure 2 est un graphique montrant pour différents
essais, la variation de pression P de serre-flan provoquant la
rupture du flan, en fonction de la quantitié Q de sel déposé sur
la tôle, exprimée en mg de potassium par m~.
On va d'abord décrire les essais réalisés en déposant le sel
sur les outils d'emboutissage.
Ces essais ont été réalisés ~vec un outillage classique
d'emboutissage sur des flans de tôle nue et de tôle électrozin-
guée sur une face.
Le dépôt de sel sur les outils a été réalisé par application
d'une solution de K~PO~, 2H~O diluée dans de l'eau à des concen-
trations de 5 à 20 grammes par litre.
Plusieurs essais ont été réalisés, consistant à emboutir
plusieurs flans avec le même outillage dans des conditions opéra-
toires différen~es, le rapport du diamètre du flan au diamètre du
poinfon étant dans tous les cas de 2,1.
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~,~s
Pour chaque essai, on a recherché la force de serre-flan
nécessaire pour obtenir la rupture d~l flan.
Pour chaque nuance de tôle, nue ou revêtue sur une face, les
essais suivants ont été réalises :
- emboutissage selon le procédé classique, sans application de la
solution de X,PO "
- emboutissage selon l'invention, avec application de la solution
de K3PO~ sur le poinc,on, la matrice et le serre-flan propres et
préalablement dégraissés, et selon deux méthodes, l'une consis-
tant à emboutir le flan sans séchage préalable de l'outil posté-
rieurement à l'application et laissant donc subsister sur les
outils un excès d'eau, et l'autre consistant à emboutir le flan
après séchage de l'outil,
- emboutissage selon l'invention, avec application de la solution
sur les outils préalablement huilés.
Les résultats de ces essais sont indiqués dans le tableau ci-
dessous, où la force de serre-flan nécessaire pour obtenir la rup-
ture du flan a été indiquée pour chacun des essais precites :
Conditions K3PO,,-, 2HIO sur outil ~PO~,2H~O IGain
: Nuances classiques propre et dégraissé sur outil en
_ en excès d'eau après séchage huilé %
Tôle nue 180 kN 240 kN240 kN 240 kN 33
_ .
Tôle revêtue . ~ :
1 face 120 kN 180 kN180 kN 1~,0 kN 50
~evêtement .
côté Matrice
D'autres essais ont également éte réalisés pour déterminer
la quantité de sel à déposer sur les outils, nécessaire pour
obtenir une a~élioration notable de 1'emboutissabilité par rap-
port aux procédés classiques.
On peut remarquer que grâce au procédé selon l'invention, la
- ' . . . :
:: ,:, ,. ,: , . . . ,. i . ,:
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: .
force de serre-flan à la rupture du flan est augmentée de 33 %
dans le cas de l'emboutissage d'un flan de tôle nue, et de 50
dans le cas de tôle revêtue.
Le procédé selon l'invention permet d'augmenter considéra-
blement la force de serre-flan avant rupture, et donc la latitude
de réglage de la presse d'emboutissage. Ainsi grâce au procédé
selon l'invention, on peut augmenter la force de serre-flan, sans
augmenter le risque de grippage et de rupture, et donc par exem-
ple réaliser en une seule passe des pièces embouties plus profon-
des que dans les procédés d'emboutissage selon l'art antérieur,ou réduire la formation de plis ou ondulations dans ces pièces.
Les résultats de ces essais sont consignés dans le tableau
ci-dessous, qui indique, pour chaque nuance de tôle et dans les
deux cas d'emboutissage selon l'invention, avec application de
sel sur les outils préalablement dégraissés, la concentration de
potassium en milligramme par m' de surface des outils. Dans ces
essais, on a déposé sur les outils une quantite constante de
solution, en changeant la concentration en potassium de cette
solution.
Concentration en potassium en mg/m'
. .
sur outil
Nuances Après séchage/
En excès d'eau évaporation du
surplus d'eau
.
Tôle nue 350 200
Tôle revêtue 150 I 100 -
On peut ainsi constater que dans le cas d'un séchage après
application de la solution sur les outils, et donc évaporation de
l'eau en excès, la quantité de K3PO4, H,O nécessaire est notable-
ment diminuée par rapport au cas où l'emboutissage est réalisé
sans séchage préalable des outils.
Les inventeurs ont par ailleurs constaté lors de ces essais,
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que 1'emploi d'une solution peu concentrée en potassium et donc, à
quantité égale de sel déposé, une plus grande quantité de solu-
tion, et donc d'eau, utilisée, retarde l'action du sel et provoque
un effet de ventouse entre matrice et serre-flan gênant lors de
l'emboutissage.
Il est donc préférable de procéder à un séchage au moins par-
tiel des outils après application de la solution, tant pour rédui-
re la quantité de sel nécessaire, que pour améliorer l'emboutissa-
bilité, ce séchage étant préférentiellement réalisé par de l'air
chaud pulsé.
Les inventeurs ont également constaté que l'amélioration de
l'emboutissabilité par la mise en oeuvre du procédé selon l'inven-
tion est pratiquement immédiate lors de 1'emboutissage de tôle
revêtue, alors qu'avec les flans de tôle nue, cette amélioration
n'apparait qu'après emboutissage, réalisé avec une pression de
serre-flan réduite, de quelques flans.
D'autres essais encore ont permis de déterminer la durabilité
de l'effet de l'application du sel sur l'outil. Pour cela, il a
été procédé à une application préalable de la solution, puis plu-
sieurs flans ont été successivement emboutis sans renouvellementde l'application, l'emboutissage étant alors realisé avec une for-
ce de serre-flan correspondant à environ la moitié du gain possi-
ble déterminé par la première série d'essais (soit environ 210 kN
pour la tôle nue). On a pu ainsi emboutir sans rupture de 5 à 6
flans de tôle nue et de 10 à 12 flans de tôle revêtue.
En conséquence de ces essais, il s'est révélé préférable,
lors d'une campagne d'emboutissage selon le procédé de l'inven-
tion, d'employer une solution de forte concentration pour démarrer
plus rapidement le processus conduisant à l'amélioration de l'em-
boutissabilité, et, notamment dans le cas d'emboutissage de tôle
nue, de réduire la pression de serre-flan par rapport à la pres-
sion recherchée en cours de cette campagne, sur les deux ou trois -
premiers flans emboutis apres l'application initiale de la solu-
tion.
Bien entendu, dans le cas de l'application de la solution sur
les outils préalablement dégraissés, cette application ne supprime
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pas la né~essité d'une lubrification, celle-ci pouvant être réali-
sée soit en lubrifiant l'outil après application de la solution,
soit en utilisant des flans de tôle préalablement huilés.
On va maintenant décrire des essais réalisés par application
S de sel sur la tôle, puis emboutissage de flans de la tôle ainsi
traitée.
Le procédé selon l'invention a été expérimenté sur des tôles
nues et sur des tôles revêtues (zinguées). Les inventeurs ont
observé une amélioration plus sensible des caractéristiques d'em-
boutissage pour les tôles revêtues.
Les expériences menées par les inventeurs en laboratoire et
sur installations indus.rielles ont montré que des tôles non trai-
tées sollicitées en emboutissage cassent à une faible pression de
serre-flan (40 bars) alors que ces mêmes tôles traitées selon
l'invention permettent d'atteindre des pressions de serre-flan de
140 bars avant rupture.
Il en resulte non seulement la possibilité de réaliser des
emboutis sous forte pression, mais encore un accroissement impor-
tant de la latitude d'emboutissage, c'est-à-dire de la fourchette
de pression du serre-flan, limitée vers les pressions basses par
l'apparition de plis de la forme emboutie, et vers les pressions
hautes par la déchirure du flan.
Le tableau ci-dessous illustre les résultats obtenus lors
d'essais d'emboutissage d'échantillons obtenus par cinq prélève-
ments. La moitie des échantillons (A) des prélèvements 1, 2 et ~
ayant été traitée au laboratoire, et les echantillons (B) des pré- -
lèvements 4 et 5 traités sur lignes de fabrication industrielle.
Chaque échantillon est un flan de tôle d'acier sur lequel est
déposé du phosphate de sodium, en enduisant la surface de la tôle
d'une solution aqueuse contenant 60 g de phosphate de sodium par
litre, de manière que la quantité de phosphate de sodium soit de
20 mg/m', puis en séchant la tôle, et enfin en la revêtant d'une
huile de protection ordinaire.
.
,.- , . . ., . ~ . .. .. .. . .. . . .. . . . . . . .
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; d
Repère Pression de serre-flan pour laquelle
il y a casse (bars)
S~ns traitement Avec tra1tement
..
1 40 - > 100
1 40 . > 140
1 40 A - > 140
2 40 120
. '.
4 60 - 160 .:~
4 60 160 : :
4 60 180
B - 140
. 5 40 140
.~ S 40 . - 160 ..
D'autres essais on~.permis d'obtenir.les courbes du graphique
. de la figure-l représentant la variation du coefficient de frotte-
ment en fonction de la pression. Ces courbes ont été obtenues par
mesure sur un tribomètre classique à surfaces parallèles, avec des
tôles électrozinguées double face dont le revêtement a une épais-
seur de 10 ~m.
On constate facilement que dans le cas de la tôle traitée, le ~:
coefficient de frottement est globalement nettement plus faible
que dans le cas de la tôle non traitée. .
;. Le graphique de la figure 2 montre le résultat d'autres
essais réalisés en faisant varier la quantité Q de.sel, ici du
phosphate de potassium de formule K,PO~, déposé sur la tôle (sur
.. .une seule face), exprimée en mg de potassium par m'. ;.
On constate que pour des quantitées inférieures à environ
5 mg/m', les valeurs de pression P de serre-flan conduisant à la
rupture du flan sont dispersées, avec de nombreux cas de rupture
pour des pressions voisines de 40 bars, alors que pour des quanti-
~o 91/03334 ,~ PCT/FR90/00643
tés supérieures à 5 mg/m~, on n'observe aucune rupture jusqu'à 120bars.
Il est rappelé que dans le cas où le dépot de sel est réalisé
sur la tôle, ou sur le flan, ce traitement ne supprime bien évi-
S demment pas l'obligation de huiler les tôles avant emboutissage,puisque l'amélioration de l'emboutissabilité obtenue grace à l'in-
vention résulte de la combinaison des produits déposés conformé-
ment a l'invention et de l'huile utilisée communément lors de
l'opération d'emboutissage. ;
,. . . .
