EP0489105B1 - Procede d'amelioration de l'emboutissabilite d'une tole ou d'un flan de tole metallique - Google Patents
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- EP0489105B1 EP0489105B1 EP90913485A EP90913485A EP0489105B1 EP 0489105 B1 EP0489105 B1 EP 0489105B1 EP 90913485 A EP90913485 A EP 90913485A EP 90913485 A EP90913485 A EP 90913485A EP 0489105 B1 EP0489105 B1 EP 0489105B1
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Classifications
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- C10M—LUBRICATING COMPOSITIONS; USE OF CHEMICAL SUBSTANCES EITHER ALONE OR AS LUBRICATING INGREDIENTS IN A LUBRICATING COMPOSITION
- C10M103/00—Lubricating compositions characterised by the base-material being an inorganic material
- C10M103/06—Metal compounds
Definitions
- the present invention relates to a process for stamping metal sheets or blanks of metal sheets in particular according to the preamble of claim 1.
- the well-known principle of stamping consists in plastically deforming a sheet blank held at its periphery between a die and a blank holder using a punch, the die and the punch having a configuration determined according to the desired shape. of the stamped product.
- the punch, the matrix and the blank holder which are the organs brought into contact with the blank during the stamping operation, will be called as a whole thereafter stamping tools.
- the sheet-tool friction coefficient plays an important role. It can limit the deformation capacity of the sheet, and lead to ruptures of the blank if it is too high.
- Lubrication, surface condition and the nature of the tools are parameters on which we can act to reduce friction.
- the contact surface of these tools with the blank is lubricated, generally by a liquid lubricant or drawing oil to facilitate the deformation of the blank, reduce the coefficient of friction between blank and tools and thus limit the risks seizure and blank breakage.
- a disadvantage of these methods also lies in the fact that they cause a modification of the chemical characteristics of a layer of metal on the surface of the sheet. As minimal as it is, this persistent layer on the surface after shaping the part can prove to be inconvenient for the use of the part obtained. In particular, there may be incompatibility between the surface characteristics obtained and the desired chemical treatments after shaping. Other drawbacks with regard to the use of the parts after shaping can also be prohibitive. For example, the phosphating of sheets is a major annoyance when welding parts which have been subjected to it.
- the object of the present invention is to solve these various problems and to eliminate the above-mentioned drawbacks.
- the subject of the invention is a process for stamping sheet metal or blanks of metal sheets, in particular steel, bare or coated, characterized in that, before cold stamping, it is deposited on the sheet, or on stamping tools, a seI of an alkali metal chosen from the group formed by Li, Na, K, and an anion chemically inert with respect to of the metal constituting the sheet, chosen from phosphates, the deposition of said salt being carried out by application to said tools or said sheet of an aqueous solution of said salt.
- a seI of an alkali metal chosen from the group formed by Li, Na, K, and an anion chemically inert with respect to of the metal constituting the sheet, chosen from phosphates
- the risks of seizure and breakage of the blank can be considerably reduced, or even eliminated.
- the pressure of the blank holder can be increased without increasing this risk, which improves the confinement of the edges of the blank between the matrix and the blank holder and prevents the formation of folds or undulations on these edges.
- the application of said salt avoids, in the event that a seizure still occurs during a drawing operation, adhesion to the tools of the seizures, that is to say traces of the metal constituting the pressed sheet metal and torn off from the latter during possible seizure. Consequently, the stamped part during the next operation is not likely to be damaged by scratches adhering to the tools.
- the salt deposited on the tool constitutes a saponifying agent which causes by reaction with stamping oil soap, this reaction occurring in particular thanks to the pressure and temperature conditions created at the tool-blank contact surfaces during stamping.
- the present invention taken in one of its different provisions, makes it possible to considerably reduce the value of the sheet-tool friction coefficient during stamping, and this that the sheets are, prior to treatment, bare or coated, for example zinc-plated.
- the sheets according to the invention Compared to the aforementioned sheets, treated by chemical conversion of their surfaces, the sheets according to the invention prove to be very economical. Their manufacturing process makes it possible to achieve an appreciable gain in space as regards the installation necessary for its implementation.
- Salt was deposited on the tools by applying a solution of K3PO4, 2H2O diluted in water at concentrations of 5 to 20 grams per liter.
- the force of blank holder at break of the blank is increased by 33% in the case of stamping a blank sheet metal blank, and by 50% in the case of coated sheet metal.
- the method according to the invention makes it possible to considerably increase the strength of the blank holder before rupture, and therefore the adjustment latitude of the stamping press.
- it is possible to increase the strength of the blank holder, without increasing the risk of seizing and breaking, and therefore for example producing deeper deep-drawn parts in a single pass than in deep-drawing processes. according to the prior art, or reduce the formation of folds or undulations in these parts.
- the inventors have also found that the improvement in stampability by implementing the method according to the invention is practically immediate during the stamping of coated sheet metal, whereas with blank sheet metal blanks, this improvement does not appears only after stamping, carried out with a reduced blank holder pressure, by a few blanks.
- this application does not remove no need for lubrication, this can be achieved either by lubricating the tool after application of the solution, or by using sheet blanks previously oiled.
- the process according to the invention was tested on bare sheets and on coated (zinc-plated) sheets.
- the inventors observed a more significant improvement in the drawing characteristics for the coated sheets.
- the table below illustrates the results obtained during stamping tests on samples obtained by five samples. Half of the samples (A) of samples 1, 2 and 3 having been treated in the laboratory, and the samples (B) of samples 4 and 5 treated on industrial production lines.
- Each sample is a blank of steel sheet on which sodium phosphate is deposited, coating the surface of the sheet with an aqueous solution containing 60 g of sodium phosphate per liter, so that the amount of sodium phosphate or 20 mg / m2, then drying the sheet, and finally coating it with an ordinary protective oil.
- the graph in FIG. 2 shows the result of other tests carried out by varying the quantity Q of salt, here potassium phosphate of formula K3PO4, deposited on the sheet (on one side), expressed in mg of potassium per m2 .
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Description
- La présente invention concerne un procédé d'emboutissage de tôles ou flans de tôles métalliques notamment en acier selon le préambule de la revendication 1.
- 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 poinçon, la matrice et le poinçon ayant une configuration déterminée en fonction de la forme désirée du produit embouti.
- Le poinçon, 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 par 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 tôle, et conduire à des ruptures du flan s'il est trop élevé.
- 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, la surface de contact de ces outils 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 limiter 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 tôle, notamment lorsque la pression d'emboutissage est importante.
- Pour résoudre ces problèmes, il a déjà été proposé de réaliser 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 coûteux, et ne peut être appliqué à toutes les tôles à être embouties.
- Un inconvénient de ces procédés réside aussi dans le fait qu'ils provoquent une modification des caractéristiques chimiques d'une couche de métal à la surface de la tôle. Aussi minime soit-elle, cette couche persistant en surface après mise en forme de la pièce peut s'avérer gênante pour l'utilisation de la pièce obtenue. Il peut notamment y avoir incompatibilité entre les caractéristiques 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 importante 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 tôles est coûteuse autant par l'importance du matériel constitutif, que par ses forts besoins énergétiques. De plus, les procédés de conversion 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 l'installation de traitement.
- D'autres tentatives ont été faites par ailleurs pour améliorer les caractéristiques lubrifiantes des huiles d'emboutissage. Cependant, le risque de grippage subsiste, surtout dans les zones soumises à de fortes pressions, telles que les bords de outils, où la lubrification par de telles huiles peut s'avérer insuffisante.
- On connaît ainsi par le document US-A-3 390 562, qui correspond au préambule de la revendication 1, 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'opération d'emboutissage.
- La présente invention a pour but de résoudre ces différents problèmes et de supprimer les inconvénients précités.
- Avec ces objectifs en vue l'invention a pour objet un procédé d'emboutissage de tôles ou flans de tôles métalliques notamment en acier, nu ou revêtu, caractérisé en ce que, avant emboutissage'à froid, on dèpose sur la tôle, ou sur les outils d'emboutissage, un seI d'un métal alcalin choisi dans le groupe formé par Li, Na, K, et d'un anion chimiquement inerte à l'égard du métal constitutif de la tôle, choisi parmi les phosphates, le dépôt dudit sel étant réalisé par application sur lesdits outils ou ladite tôle d'une solution aqueuse dudit sel. D'autres variantes du procédé selon l'invention sont décrites dans les revendication 2 à 12.
- Grâce à l'invention, les risques de grippage et de rupture du flan peuvent être considérablement réduits, voire supprimés. De plus la pression du serre-flan peut être augmentée sans accroître 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 ondulations sur ces bords. De plus encore, l'application dudit sel évite, dans le cas où un grippage se produirait quand même au cours d'une opération d'emboutissage, l'adhésion sur les outils des grippures, c'est-à- dire des traces du métal constitutif de la tôle emboutie et arrachée de celle-ci lors de l'éventuel grippage. En conséquence, la pièce emboutie lors de l'opération suivante ne risque pas d'être détériorée par des grippures adhérentes aux outils.
- Une explication proposée par les inventeurs à l'amélioration de l'emboutissage observée, est que le sel déposé sur l'outil constitue un agent saponifiant qui provoque par réaction avec l'huile d'emboutissage un savon, cette réaction se produisant notamment grâce aux conditions de pression et de température créées au niveau des surfaces de contact outil-flan lors de l'emboutissage.
- La présente invention, prise dans l'une de ses différentes dispositions, permet de réduire considérablement la valeur du coefficient de frottement tôle-outil lors de l'emboutissage, et ceci que les tôles soient, prealablement au traitement, nues ou revêtues par exemple zinguées.
- Par rapport aux tôles précédemment citées, traitées par conversion 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 description qui va être faite à titre d'exemple d'une part d'essais mettant en oeuvre un procédé 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 représentatives du coefficient de frottement en fonction de la pression, ces courbes étant établies dans les mêmes conditions opératoires 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 1a rupture du flan, en fonction de la quantitié Q de sel déposé sur la tôle, exprimée en mg de potassium par m².
- On va d'abord décrire les essais réalisés en déposant le sel sur les outils d'emboutissage.
- Ces essais ont été réalisés avec un outillage classique d'emboutissage sur des flans de tôle nue et de tôle électrozinguée sur une face.
- Le dépôt de sel sur les outils a été réalisé par application d'une solution de K₃PO₄, 2H₂O diluée dans de l'eau à des concentrations de 5 à 20 grammes par litre.
- Plusieurs essais ont été réalisés, consistant à emboutir plusieurs flans avec le même outillage dans des conditions opératoires différentes, le rapport du diamètre du flan au diamètre du poinçon étant dans tous les cas de 2,1.
- Pour chaque essai, on a recherché la force de serre-flan nécessaire pour obtenir la rupture du flan.
- Pour chaque nuance de tôle, nue ou revêtue sur une face, les essais suivants ont été réalisés :
- emboutissage selon le procédé classique, sans application de la solution de K₃PO₄,
- emboutissage selon l'invention, avec application de la solution de K₃PO₄ sur le poinçon, la matrice et le serre-flan propres et préalablement dégraissés, et selon deux méthodes, l'une consistant à emboutir le flan sans séchage préalable de l'outil postérieurement 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 rupture du flan a été indiquée pour chacun des essais précités :
Nuances Conditions classiques K₃PO₄, 2H₂O sur outil propre et dégraissé K₃PO₄,2H₂O sur outil huilé Gain en % en excès d'eau après séchage Tôle nue 180 kN 240 kN 240 kN 240 kN 33 Tôle revêtue 1 face Revêtement côté Matrice 120 kN 180 kN 180 kN 180 kN 50 - D'autres essais ont également été réalisés pour déterminer la quantité de sel à déposer sur les outils, nécessaire pour obtenir une amélioration notable de l'emboutissabilité par rapport aux procédés classiques.
- On peut remarquer que grâce au procédé selon l'invention, la 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 considérablement 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 exemple réaliser en une seule passe des pièces embouties plus profondes 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 m² de surface des outils. Dans ces essais, on a déposé sur les outils une quantité constante de solution, en changeant la concentration en potassium de cette solution.
Concentration en potassium en mg/m² Nuances sur outil En excès d'eau Après séchage/évaporation du surplus d'eau Tôle nue 350 200 Tôle revêtue 150 100 - 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, H₂O nécessaire est notablement 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, que l'emploi d'une solution peu concentrée en potassium et donc, à quantité égale de sel déposé, une plus grande quantité de solution, 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 partiel des outils après application de la solution, tant pour réduire la quantité de sel nécessaire, que pour améliorer l'emboutissabilité, 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'invention est pratiquement immédiate lors de l'emboutissage de tôle revêtue, alors qu'avec les flans de tôle nue, cette amélioration n'apparaît 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 plusieurs flans ont été successivement emboutis sans renouvellement de l'application, l'emboutissage étant alors réalisé avec une force de serre-flan correspondant à environ la moitié du gain possible 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'invention, d'employer une solution de forte concentration pour démarrer plus rapidement le processus conduisant à l'amélioration de l'emboutissabilité, et, notamment dans le cas d'emboutissage de tôle nue, de réduire la pression de serre-flan par rapport à la pression recherchée en cours de cette campagne, sur les deux ou trois premiers flans emboutis après l'application initiale de la solution.
- Bien entendu, dans le cas de l'application de la solution sur les outils préalablement dégraissés, cette application ne supprime pas la nécessité d'une lubrification, celle-ci pouvant être réalisée 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 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'emboutissage pour les tôles revêtues.
- Les expériences menées par les inventeurs en laboratoire et sur installations industrielles ont montré que des tôles non traitées 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 résulte non seulement la possibilité de réaliser des emboutis sous forte pression, mais encore un accroissement important 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 prélèvements. La moitié des échantillons (A) des prélèvements 1, 2 et 3 ayant été traitée au laboratoire, et les échantillons (B) des prélèvements 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/m², puis en séchant la tôle, et enfin en la revêtant d'une huile de protection ordinaire.
- D'autres essais ont permis d'obtenir les courbes du graphique de la figure 1 représentant la variation du coefficient de frottement 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 épaisseur 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 K₃PO₄ , déposé sur la tôle (sur une seule face), exprimée en mg de potassium par m².
- On constate que pour des quantitées inférieures à environ 5 mg/m², 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 quantités supérieures à 5 mg/m², on n'observe aucune rupture jusqu'à 120 bars.
- Il est rappelé que dans le cas où le dépôt de sel est réalisé sur la tôle, ou sur le flan, ce traitement ne supprime bien évidemment pas l'obligation de huiler les tôles avant emboutissage, puisque l'amélioration de l'emboutissabilité obtenue grâce à l'invention résulte de la combinaison des produits déposés conformément à l'invention et de l'huile utilisée communément lors de l'opération d'emboutissage.
Claims (12)
- Procédé d'emboutissage à froid de tôles ou flans de tôles métalliques notamment en acier, nu ou revétu, caractérisé en ce que, avant emboutissage à froid, on dépose sur la tôle ou sur les outils d'emboutissage, un sel d'un métal alcalin choisi dans le groupe formé par Li, Na, K et d'un anion chimiquement inerte à l'égard du métal constitutif de la tôle, choisi parmi les phosphates, le dépôt dudit sel étant réalisé par application sur lesdits outils ou ladite tôle d'une solution AQUEUSE dudit sel.
- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'application de la solution est localisée dans certaines zones des outils.
- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dépôt de sel est réalisé sur les outils préalablement dégraissés.
- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que on sèche au moins partiellement les outils après application de la solution.
- Procédé selon la revendication 3 ou 4 caractérisé en ce que on huile les outils après application de la solution et/ou séchage.
- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que on emboutit un flan de tôle préalablement huilé.
- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'application de la solution est réalisée sur les outils huilés.
- Procédé selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que on procède à l'application par dépôt de gouttes de la solution réparties sur les outils.
- Procédé selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que après une application de la solution, on emboutit plusieurs flans avant de procéder à une nouvelle application.
- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la solution est une solution aqueuse contenant des ions potassium, sodium ou lithium, des ions phosphates chimiquement inertes à l'égard du métal constitutif de la tôle, et des ions hydronium.
- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la solution est une solution aqueuse de phosphate de potassium contenant 5 à 20 g/l de K₃PO₄, 2H₂O.
- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la solution est une solution aqueuse de phosphate de potassium de formule K₃PO₄, la solution étant déposée sur la tôle puis séchée, la quantité de sel uniformément déposée, exprimée en mg de potassium par m², étant supérieure à 5.
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