Die Science : Frottement et chaleur dans l'emboutissage des métaux

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Lorsque j'étais récemment dans une usine d'emboutissage de métaux, l'un des ingénieurs en outillage a voulu me montrer un processus d'emboutissage profond qui, selon lui, défiait tout ce qu'il avait appris sur les bases du formage des métaux. Il a même fait remarquer qu'une grande partie des informations qu'il avait acquises provenaient d'articles que j'avais écrits pour STAMPING Journal. Il a expliqué que la matrice ne fonctionnerait bien que si la lubrification de l'ébauche était très légère et que le vérin de la presse se déplaçait très rapidement. Cela le déconcertait, car sa propre expérience personnelle avec d'autres opérations d'emboutissage et les informations qu'il avait tirées de ses recherches indiquaient généralement qu'il fallait plus de lubrifiant et des vitesses de bélier plus lentes pour réussir l'emboutissage profond. Comment est-ce possible ?

Il a ensuite prouvé ce qu'il m'avait dit à propos de cet outil. Effectivement, lorsqu'il ajoutait plus de lubrifiant, la pièce se fendait; quand il ralentissait la vitesse du bélier, la pièce se fendait.

Si vous avez lu mes articles au cours des 20 dernières années, vous avez peut-être remarqué que j'utilise beaucoup de "phrases de belette": je préface généralement mes déclarations avec généralement parlant ou dans la plupart des cas ou de loin. Ce n'est pas parce que je manque de confiance dans mes déclarations, mais parce que j'ai appris que les absolus sont rares dans l'emboutissage de tôle. Bien sûr, nous adhérons aux lignes directrices et aux principes fondamentaux de base, mais ce ne sont que des lignes directrices, pas des règles absolues. En fait, la seule règle absolue est "Il n'y a pas de règles absolues".

Les directives générales servent de base à la plupart des opérations de formage et de découpe des métaux, mais pas à toutes. Vous devez bien comprendre toutes les variables pour prendre une bonne décision basée sur les données, et pas seulement vous fier aux directives.

Dans mes articles et conférences, j'aime apprendre aux participants et aux lecteurs à visualiser le matériau qu'ils forment, étirent ou coupent comme Silly Putty. L'un des comportements intéressants de ce jouet composé est que si vous le tirez rapidement, il se fracture, mais si vous le tirez lentement, il s'étire.

La plupart des matériaux emboutis ou étirés se comportent de la même manière. Cela explique pourquoi les pièces embouties complexes telles que les éviers, les baignoires et les brouettes sont généralement fabriquées dans des presses hydrauliques plus lentes. La vitesse excessive d'une presse mécanique à manivelle typique provoque souvent un fendage car le matériau a besoin de temps pour s'écouler.

Le point auquel le poinçon entre en contact avec le matériau pendant l'emboutissage profond est critique. À ce stade de la course de la presse, le matériau est forcé de passer d'une vitesse nulle à une valeur équivalente à la vitesse du piston, en un temps zéro. S'il n'y a pas assez de temps pour initier le flux de métal, le résultat est un étirement excessif et un fendillement potentiel.

La coupe du métal, en revanche, est généralement effectuée rapidement. Considérez la coupe du métal comme un formage du métal jusqu'à l'échec. Dans la coupe des métaux, vous voulez que le matériau échoue, des vitesses excessives sont donc souhaitables.

La chaleur et la friction sont générées dans toutes les opérations de découpe et de formage des métaux. La quantité générée est le produit de nombreuses variables, notamment le type et l'épaisseur du matériau, la géométrie de formage, le type d'acier à outils, le frottement entre le matériau en feuille et la matrice, la vitesse de formage, la sévérité de formage de la caractéristique et le comportement. du lubrifiant.

Chaleur. La chaleur peut être un ami ou un ennemi dans un processus d'estampage. Une augmentation de la chaleur peut améliorer la ductilité et les performances du matériau que vous formez. C'est pourquoi certaines matrices doivent se réchauffer pour fonctionner correctement. Lorsque vous voulez plier une grande cornière, que faites-vous ? Vous le chauffez et il se plie facilement.

FIGURE 1. De nombreux additifs pour lubrifiants réduisent considérablement le coefficient de frottement lorsqu'ils sont soumis à des températures élevées, tandis que d'autres fonctionnent mieux à des températures plus basses.

Ce même principe s'applique au formage des métaux. En fait, c'est la base du processus d'estampage à chaud. Cependant, dans certains cas, une chaleur excessive peut endommager les sections en acier à outils et entraîner une mauvaise performance ou une combustion des lubrifiants. Par la suite, des dommages aux matrices tels que le grippage peuvent se produire, ce qui peut contribuer au fendage et à la défaillance prématurée de l'outil.

Friction. Les lubrifiants contiennent des additifs qui réagissent à la chaleur. De nombreux additifs réduisent considérablement le coefficient de frottement lorsqu'ils sont soumis à des températures élevées, tandis que d'autres fonctionnent mieux à des températures plus basses (voir la figure 1). Les lubrifiants contenant des additifs haute température, comme le soufre, fonctionnent mieux lorsque la friction et la chaleur générées sont élevées. Mais ils ne fonctionnent pas bien à des températures plus basses, donc si la température de fonctionnement de l'additif de soufre n'est pas atteinte, le frottement dans la matrice sera élevé. Cela équivaut à de faibles valeurs de flux de métal, ce qui conduit à plus d'étirement, ce qui conduit à une défaillance potentielle.

Bien que je n'ai jamais pris le temps de le prouver, je soupçonne que la pièce de l'ingénieur outillage ne s'est pas fendue à des vitesses de formage plus élevées en raison de quatre facteurs contributifs :

En raison des nombreuses variables dans le formage et la découpe de tôles, nous avons des lignes directrices plutôt que des absolus. C'est pourquoi il est important d'avoir une compréhension globale de la physique derrière la formation et la découpe des métaux au lieu de s'appuyer sur les connaissances tribales transmises de génération en génération.