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RÉPUBLIQUE ALGÉRIENNE DÉMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTÈRE DE L’ENSEIGNEMENT SUP

RÉPUBLIQUE ALGÉRIENNE DÉMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTÈRE DE L’ENSEIGNEMENT SUPÉRIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Mémoire Présenté AU DÉPARTEMENT DE MÉCANIQUE FACULTÉ DES SCIENCES DE L’INGÉNIEUR UNIVERSITÉ DE BATNA Pour obtenir le titre de MAGISTÈRE EN GÉNIE MÉCANIQUE Option : Construction Mécanique Par Toufik SEDRAT Étude et conception d’un procédé d’emboutissage Appliqué aux moules d’emboutissage pour emballage métallique Soutenu publiquement le : 15 / 05 / 2007, devant le jury composé de : Dr. T. OUTTAS M.C. Université de Batna Président Dr. H. NACEUR M.C. U. T. de Compiègne, France Examinateur Dr. H. ZEDIRA M.C. Centre Universitaire de Khenchela Examinateur Dr. K. ZIDANI M.C. Université de Batna Examinateur Dr. M. C. BENDAAS Directeur de la société BENPACK, Batna Invité Dr. B. BARKAT M.C. Université de Batna Rapporteur I Remerciement Ce travail a été effectué au sein de l’Équipe de Recherche Mécanismes et Robotique du Laboratoire de Recherche en Productique (LRP) de l’Université de Batna en collaboration avec la société BENPACK (Z. I. Batna) qui fabrique des emballages métalliques pour peinture et produits chimiques. J’exprime ma sincère reconnaissance à mon encadreur Dr. BELKACEM BARKAT, de m’avoir encadré, soutenu et conseillé tout au long de ce travail. Je remercie également Dr. MOHAMED CHADOULI BENDAAS, qui m’a conseillé et accueilli au sein de son entreprise BENPACK, Dr. HAKIM NACEUR pour ses nombreux conseils, sa gentillesse et sa serviabilité et Dr. MEKKI ASSAS directeur du Laboratoire LRP. Mes remerciements vont aussi aux membres du jury, pour l’intérêt qu’ils ont montré en acceptant de rapporter cette thèse, à tous les enseignants du DÉPARTEMENT DE MÉCANIQUE, à Monsieur AMMAR LAHLAH qui m’a aidé à réaliser les essais d’emboutissage et à tous ceux qui m’ont aidé à réaliser ce travail. II Table des matières Table des matières Index des figures Index des tableaux INTRODUCTION GÉNÉRALE 1 Introduction générale .............................................................................................................................2 CHAPITRE I. GÉNÉRALITÉS SUR LE PROCÉDÉ D’EMBOUTISSAGE 3 I.1 Généralités sur la mise en forme des métaux ...................................................................................4 I.2 Généralités de l’emboutissage industriel ...........................................................................................7 I.2.1 Définitions ..................................................................................................................................7 I.2.1.1 Modes d'emboutissage .....................................................................................................8 I.2.2 L’emboutissage en température .................................................................................................8 I.2.2.1 L’emboutissage à froid .....................................................................................................9 I.2.2.2 L’emboutissage à chaud ...................................................................................................9 I.2.3 Intérêts et débouchés ................................................................................................................9 I.2.4 Matériaux et formes d’emboutis .................................................................................................9 I.2.4.1 Comportement du matériau lors de l’opération d’emboutissage ........................................9 I.2.4.2 Formes des pièces emboutis ..........................................................................................13 I.3 Caractérisation en emboutissage ....................................................................................................14 I.3.1 Mesure de déformations en emboutissage ...............................................................................14 I.3.1.1 Principe et analyse des déformations .............................................................................14 I.3.1.2 Courbes limites de formage ............................................................................................15 I.3.1.3 Mesure des déformations ...............................................................................................15 I.3.1.4 Les modes de déformations ...........................................................................................17 I.3.2 Essais d'emboutissage ............................................................................................................18 I.3.2.1 Essais d’expansion Biaxiale ...........................................................................................19 I.3.2.2 Essais de rétreint ...........................................................................................................19 I.3.2.3 Essais mixtes .................................................................................................................19 I.3.3 Aspects métallurgiques d’emboutissage ..................................................................................20 I.3.3.1 Prise en compte de directions de laminage ....................................................................20 I.3.3.2 Validité de ces critères ...................................................................................................21 I.3.4 Aspects opératoires .................................................................................................................22 I.3.4.1 Paramètres liés à la presse ............................................................................................22 I.3.4.2 Paramètres liés à la tôle .................................................................................................24 I.4 Formage incrémental des tôles .......................................................................................................25 I.5 Conclusion ......................................................................................................................................27 CHAPITRE II. MODÉLISATION NUMÉRIQUE D’EMBOUTISSAGE PAR ÉLÉMENTS FINIS II.1 Introduction ....................................................................................................................................29 II.2 Modélisation numérique de l’emboutissage ....................................................................................29 II.2.1 Approches incrémentales [Pol92] ............................................................................................29 II.2.1.1 Relations cinématiques .................................................................................................30 II.2.1.2 Équations constitutives ..................................................................................................32 II.2.1.3 Formulation éléments finis ............................................................................................32 II.2.2 Approches simplifiées .............................................................................................................34 II.2.2.1 Relations cinématiques .................................................................................................35 III II.2.2.2 Équations constitutives ..................................................................................................36 II.2.2.3 Formulation éléments finis ............................................................................................36 II.3 Méthodes de résolution utilisées dans les logiciels E.F. .................................................................37 II.3.1 Analyse statique implicite ........................................................................................................37 II.3.2 Analyse dynamique explicite ...................................................................................................38 II.3.3 Automatisation du modèle éléments finis [Aba05] ...................................................................40 II.4 Conclusion .....................................................................................................................................40 CHAPITRE III. ÉTUDE DE SENSIBILITÉS DES PARAMÈTRES D’EMBOUTISSAGE III.1 Introduction ...................................................................................................................................42 III.2 Principaux défauts rencontrés en emboutissage ...........................................................................43 III.3 Principaux paramètres du procédé d’emboutissage ......................................................................45 III.3.1 Forme du flan initial ...............................................................................................................45 III.3.2 Effort de serrage ....................................................................................................................46 III.3.3 Propriétés du matériau ...........................................................................................................49 III.3.4 Force de retenue de joncs ....................................................................................................49 III.3.5 Forme des surfaces d’habillage [Bat05] .................................................................................51 III.3.6 Géométrie des outils ..............................................................................................................53 III.4 Conclusion ....................................................................................................................................54 CHAPITRE IV. APPLICATIONS NUMÉRIQUES IV.1 Introduction ...................................................................................................................................56 IV.2 Emboutissage d’un godet axisymétrique .......................................................................................56 IV.2.1 Godet Numisheet’02 ..............................................................................................................56 IV.2.1.1 Description du modèle .................................................................................................56 IV.2.1.2 Modélisation numérique ...............................................................................................57 IV.2.1.3 Distribution des contraintes et des déformations ..........................................................57 IV.2.1.4 Influence de la finesse du maillage ..............................................................................60 IV.2.1.5 Étude de l’influence des paramètres de procédé ..........................................................61 IV.2.2 Cas industriels .......................................................................................................................63 IV.2.2.1 Description des modèles ..............................................................................................63 IV.2.2.2 Modélisation numérique ...............................................................................................65 IV.2.2.3 Distribution des contraintes et des déformations ..........................................................66 IV.2.2.4 Influence de la finesse du maillage ..............................................................................70 IV.2.2.5 Étude de l'influence des paramètres d'emboutissage ...................................................71 IV.2.2.6 Tests expérimentaux ....................................................................................................79 IV.3 Investigation pour une simulation tridimensionnelle ......................................................................80 IV.3.1 Emboutissage de la boîte carrée (Numisheet’93) ..................................................................80 IV.3.1.1 Description du problème ..............................................................................................80 IV.3.1.2 Influence de la finesse du maillage ..............................................................................82 IV.3.1.3 Contrôle de la force de serrage ....................................................................................84 IV.3.1.4 Contrôle du coefficient de frottement ...........................................................................86 IV.4 Conclusion ....................................................................................................................................87 CONCLUSION ET PERSPECTIVES Conclusion et Perspectives ..................................................................................................................89 Annexe ................................................................................................................................................91 BIBLIOGRAPHIE Bibliographie ........................................................................................................................................95 IV Index des figures FIGURE 1. PRINCIPAUX PROCÉDÉS DE MISE EN FORME DES MATÉRIAUX MÉTALLIQUES. ................................................4 FIGURE 2. PROCÉDÉ D’EMBOUTISSAGE. ......................................................................................................................4 FIGURE 3. PROCÉDÉ D'EMBOUTISSAGE AVEC FREINAGE DE LA TÔLE SOUS SERRE–FLAN................................................5 FIGURE 4. RETOUR ÉLASTIQUE...................................................................................................................................5 FIGURE 5. OUTILS D’EMBOUTISSAGE D’AILE D’UNE VOITURE (DOCUMENTATION STAMPACK, SOCIÉTÉ QUANTECH). ...............................................................................................................................................................5 FIGURE 6. LIGNE DE PRESSES D’EMBOUTISSAGE. ........................................................................................................6 FIGURE 7. LE PROCÉDÉ D’EMBOUTISSAGE EN CHIFFRES...............................................................................................6 FIGURE 8. A) EMBOUTISSAGE PAR EXPANSION, B) EMBOUTISSAGE PROFOND AVEC RÉTREINT......................................8 FIGURE 9. MODES DE DÉFORMATION DANS LE REPÈRE DES DÉFORMATIONS PRINCIPALES MAJEURE ET MINEURE.........10 FIGURE 10. EMBOUTISSAGE EN EXPANSION PURE TYPE ERICHSEN. ............................................................................10 FIGURE 11. LES MODES DE DÉFORMATION SUR UN EMBOUTI......................................................................................11 FIGURE 12. PLISSEMENT DANS LA PARTIE LIBRE DE L’EMBOUTI.................................................................................12 FIGURE 13. EMBOUTISSAGE RENVERSÉ.....................................................................................................................13 FIGURE 14. EMBOUTISSAGE DE PIÈCE DEMI SPHÉRIQUE.............................................................................................13 FIGURE 15. EMBOUTIS RECTANGULAIRES. ................................................................................................................14 FIGURE 16. COURBES LIMITES DE FORMAGE : X6CR17. .............................................................................................15 FIGURE 17. DIFFÉRENTES NATURE DE GRILLE DE DÉFORMATION. ..............................................................................16 FIGURE 18. EXEMPLE DE GRILLE DÉFORMÉE. ............................................................................................................16 FIGURE 19. MESURE PAR MÉTHODE OPTIQUE GOM...................................................................................................17 FIGURE 20. RÉSULTAS OBTENUS PAR GOM. .............................................................................................................17 FIGURE 21. PRINCIPAUX MODES DE DÉFORMATION EN EMBOUTISSAGE ILLUSTRÉS PAR DES EMBOUTIS SERVANT À DES ESSAIS DE CARACTÉRISATION.................................................................................................................18 FIGURE 22. ESSAI SWIFT..........................................................................................................................................19 FIGURE 23. ESSAI FUKUI ET RUPTURE CARACTÉRISTIQUE..........................................................................................20 FIGURE 24. HAUTEUR RELATIVE DES CORNES. ..........................................................................................................21 FIGURE 25. VARIATION DE L'ARRONDI SUR LA MATRICE. ..........................................................................................23 FIGURE 26. AJOUT DE 2 À 3 MM POUR DÉTOURAGE....................................................................................................25 FIGURE 27. ÉQUIPEMENT EXPÉRIMENTAL. ................................................................................................................25 FIGURE 28. FORMAGE INCRÉMENTAL D’UN CÔNE......................................................................................................26 FIGURE 29. POINÇON. ..............................................................................................................................................26 FIGURE 30. PIÈCE EN ALUMINIUM OBTENUE PAR LE FORMAGE INCRÉMENTAL. ...........................................................27 FIGURE 31. CINÉMATIQUE DES GRANDES TRANSFORMATIONS. ..................................................................................30 FIGURE 32. DÉCOMPOSITION POLAIRE DE [F0]. .........................................................................................................31 FIGURE 33. FORCE ÉLÉMENTAIRE EXERCÉE SUR UN ÉLÉMENT DE SURFACE. ...............................................................32 FIGURE 34. DESCRIPTION GÉNÉRALE DE L'APPROCHE INVERSE. .................................................................................34 FIGURE 35. CINÉMATIQUE D’UNE COQUE MINCE EN EMBOUTISSAGE. .........................................................................35 FIGURE 36. DISCRÉTISATION TEMPORELLE. ..............................................................................................................39 FIGURE 37. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU SCRIPT PYTHON SOUS ABAQUS/CAE ET ABAQUS/VIEWER. ................40 FIGURE 38. CYCLE DE PRODUCTION D’UNE PIÈCE EMBOUTIE. ....................................................................................42 FIGURE 39. RUPTURE (A), RETOUR ÉLASTIQUE (B) ET PLISSEMENT (C) ET (D). ............................................................43 FIGURE 40. PRINCIPE DE LA SEGMENTATION ÉLASTIQUE DU SERRE–FLAN..................................................................46 FIGURE 41. DIFFICULTÉS EN EMBOUTISSAGE ET INTÉRÊT DU CONTRÔLE DES EFFORTS SERRE–FLAN. ..........................47 FIGURE 42. CONTRÔLE DES EFFORTS DE SERRAGE : (A) SUR LE SEGMENT 3, (B) SUR LE SEGMENT 4.............................48 FIGURE 43. AVANTAGE DE LA FLEXIBILITÉ DU SERRE–FLAN ET DU CONTRÔLE LOCAL DE LA FORCE DE SERRAGE. .......48 FIGURE 44. GÉOMÉTRIE D’UN JONC DE SERRAGE. .....................................................................................................50 FIGURE 45. COUPELLE D'AMORTISSEUR : LIGNE DE JONCS DE SERRAGE. ....................................................................50 FIGURE 46. COURBE DE PROFIL PCDE ET LES QUATRE VARIABLES GÉOMÉTRIQUES DE CONCEPTION...........................52 FIGURE 47. VARIATION D’ÉPAISSEUR POUR LES PARAMÈTRES OPTIMAUX. .................................................................53 FIGURE 48. ÉVOLUTION DES FONCTIONS OBJECTIFS D’ÉPAISSEUR ET D’ASPECT.........................................................53 FIGURE 49. OPTIMISATION DU RETOUR ÉLASTIQUE. ..................................................................................................54 FIGURE 50. PARAMÈTRES GÉOMÉTRIQUES. ...............................................................................................................56 FIGURE 51. ÉLÉMENT DE COQUE AXISYMÉTRIQUE SAX1. .........................................................................................57 FIGURE 52. ÉVOLUTION DE L’ÉPAISSEUR DE L’EMBOUTI : (A) GODET NUMISHEET’02, (B) GODET [CHA07]. ................58 FIGURE 53. CONTRAINTES : (A) RADIALES r σ , (B) CIRCONFÉRENTIELLES θ σ ..............................................................59 V FIGURE 54. ÉVOLUTION DES DÉFORMATIONS LOGARITHMIQUES r ε ET θ ε . .................................................................60 FIGURE 55. INFLUENCE DU NOMBRE D'ÉLÉMENTS SUR L'ÉPAISSEUR DE L'EMBOUTI.....................................................60 FIGURE 56. VARIATION DE L'ÉPAISSEUR DE LA TÔLE LE LONG DE SON RAYON AVEC DIFFÉRENTS DIAMÈTRES DU FLAN. .............................................................................................................................................................61 FIGURE 57. VARIATION DE L'ÉPAISSEUR DE LA TÔLE LE LONG DE SON RAYON AVEC DIFFÉRENTS COEFFICIENTS DE FROTTEMENT.........................................................................................................................................62 FIGURE 58. VARIATION DE L'ÉPAISSEUR DE LA TÔLE LE LONG DE SON RAYON AVEC DIFFÉRENTES FORCES DE SERRAGE. .............................................................................................................................................................62 FIGURE 59. APPLICATIONS INDUSTRIELLES : FOND (A) ET COUVERCLE (B) D’UNE BOÎTE À PEINTURE...........................63 FIGURE 60. PRESSE D’EMBOUTISSAGE. .....................................................................................................................64 FIGURE 61. COURBE D'ÉCROUISSAGE........................................................................................................................64 FIGURE 62. DONNÉES GÉOMÉTRIQUES CAS 1.............................................................................................................65 FIGURE 63. DONNÉES GÉOMÉTRIQUES CAS 2.............................................................................................................65 FIGURE 64. ÉVOLUTION DE L’ÉPAISSEUR DE L’EMBOUTI (CAS 1 ET 2). .......................................................................66 FIGURE 65. DISTRIBUTION DES CONTRAINTES POUR CAS 1 : (A) r σ , (B) θ σ .................................................................67 FIGURE 66. ÉVOLUTION DES DÉFORMATIONS LOGARITHMIQUES POUR CAS 1 : (A) r ε , (B) θ ε . .....................................68 FIGURE 67. DISTRIBUTION DES CONTRAINTES POUR CAS 2 : (A) r σ , (B) θ σ .................................................................69 FIGURE 68. ÉVOLUTION DES DÉFORMATIONS LOGARITHMIQUES POUR CAS 2 : (A) r ε , (B) θ ε . .....................................70 FIGURE 69. INFLUENCE DU NOMBRE D'ÉLÉMENTS SUR L'ÉPAISSEUR DE L'EMBOUTI (CAS 1 ET 2)..................................71 FIGURE 70. VARIATION DE L'ÉPAISSEUR DE LA TÔLE LE LONG DE SON RAYON AVEC DIFFÉRENTS DIAMÈTRES DU FLAN (CAS 1 ET 2)...........................................................................................................................................72 FIGURE 71. VARIATION DE L'ÉPAISSEUR uploads/s1/ elec-sedrat-toufik.pdf