[PDF] Vrillage de tôles métalliques ultra-minces après emboutissage

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THÈSE / UNIVERSITÉ DE BRETAGNE-SUD

UFR Sciences et Sciences de l"Ingénieur

sous le sceau de l"Université Européenne de Bretagne

Pour obtenir le grade de :

DOCTEUR DE L"UNIVERSITÉ DE BRETAGNE-SUD

Mention : Sciences pour l"ingénieur

École Doctorale SICMAprésentée par

Cong Hanh PHAM

Laboratoire d'Ingénierie des MATériaux de Bretagne

Vrillage de tôles métalliques

ultra-minces après emboutissageThèse soutenue le 19 décembre 2014, devant la commission d'examen composée de :

M. Philippe PICART

Professeur, Université de Franche-Comté / Président

Mme. Monique GASPERINI

Professeur, Université Paris 13 / Rapporteur

M. Laurent TABOUROT

Professeur, Université de Savoie / Rapporteur

M. Mohamed RACHIK

Maître de conférences HDR, Université de Technologie de Compiègne /

Examinateur

M. Philippe DAL SANTO

HDR, Ecole Nationale Supérieure d'Arts et Métiers / Examinateur

Mme. Sandrine THUILLIER

Professeur, Université de Bretagne-Sud / Directrice de thèse

M. Pierre-Yves MANACH

Professeur, Université de Bretagne-Sud / Co-directeur de thèse 2 4

Résumé de thèse

Cong

Hanh PHAM

Directrice de thèse

Pr.

Sandrine THUILLIER

Co-directeur de thèse : Pr. Pierre Yves MANACH

LIMATB, Université de Bretagne-Sud - rue de Saint Maudé BP92116 F - 56321 Lorient : tôle métallique ultra-mince, comportement mécanique, vrillage, simulation numérique

Le vrillage est un mode de

retour élastique particulier, qui se produit suite à la mise en forme

par emboutissage de pièces allongées, à savoir dont une des dimensions est grande devant les

deux autres. Le vrillage est caractérisé par la torsion de la pièce autour d'un axe parallèle à la

plus grande dimension. D'un point de vue expérimental, le vrillage représente un véritable défi,

du fait de la grande dimension, de l'ordre du mètre, des pièces industrielles et de la grande dispersion des valeurs caractéristiques de vrillage obtenues pour un même procédé et un même

matériau. En conséquence, l'étude du vrillage en utilisant une échelle réduite sur l'ensemble des

dimensions outils et pièce est retenue pour ce travail de thèse, avec un intérêt particulier pour

l'influence de l'alignement tôle/outils sur l'intensité du vrillage.

L'objectif général de ce travail de thèse est l'étude expérimentale et numérique du vrillage de

pièce s en forme de U, à partir de flans de longueur 100 mm et d'épaisseur 0,15 mm. Une première partie concerne la caractérisation et modélisation du comportement mécanique du matériau, un acier inoxydable. Des essais mécaniques de traction et cisaillement simple ont été

réalisés, avec une mesure locale sans contact du champ de déformation. L'écrouissage ainsi que

l'évolution de la pente à la décharge ont été caractérisés, et les paramètres d'un modèle élasto-

plastique avec écrouissage mixte et dé pendance du module d'Young avec la déformation plastique équivalente ont été identifiés à partir de ces essais.

Afin de constituer une base expérimentale sur le vrillage, un dispositif spécifique a été conçu

et usiné dans le cadre de cette thèse. Des essais d'emboutissage de flans rectangulaires, de dimensions 100 x 28 mm 2 , pour atteindre une forme de U de profondeur 7 mm, ont été réalisés. L'alignement de l'éprouvette avec le poinçon et la matrice a été particulièrement contrôlé et deux orientations o

nt été étudiées : l'éprouvette est soit alignée avec le poinçon, soit désalignée

de 2° par rapport à son centre. La forme finale des éprouvettes a été mesurée avec un scanner

laser. Le vrillage est caractérisé par le rapport de l'angle entre le fond de deux sections extrêmes

sur leur distance respective. Un vrillage de 11°.m -1 a été mesuré pour les éprouvettes désalignées,

tandis que pour les éprouvettes alignées, aucun vrillage significatif n'a été obtenu. L'étude des

sections transversales de l'éprouvette montre une corrélation entre l'asymétrie du retour

élastique causée par l'asymétrie de la géométrie de l'éprouvette, dans le cas désaligné, et le

vrillage. Le glissement de l'éprouvette sous le poinçon au cours de l'essai affecte également le

vrillage quelque soit l'orientation de l'éprouvette.

Finalement, l

a simulation numérique de la mise en forme d'un flan en forme de U a été effectuée avec le code de calcul Abaqus®. Un solveur explicite est utilisé pour l'étape d'emboutissage et un solveur implicite pour le retour élastique.

L'influence de la taille de

maillage, ainsi que celle de la loi de comportement du matériau ont été étudiées. Les résultats de

la simulation numérique sont alors confrontés aux résultats expérimentaux. 6

Thesis abstract

Cong

Hanh PHAM

Thesis

advisor: Pr. Sandrine THUILLIER

Thesis co-advisor: Pr. Pierre Yves MANACH

LIMATB, Université de Bretagne-Sud - rue de Saint Maudé BP92116F - 56321 Lorient : ultra-thin metallic sheet, mechanical behavior, springback, twisting, finite element simulation

Twisting of metallic sheet

s is one particular mode of springback that occurs after drawing of elongated parts, i.e. with one dimension much larger than the two others. Twisting is usually characterized by the disorientation angle between the two end sections which turn around an axis parallel to the greatest dimension. From experimental point of view, twisting is very challenging because a lot of data were obtained on industrial-type parts, with one dimension of the order of the meter. These data are usually very dispersed and with the same process parameters, material and geometry, very different values for the twisting parameter can be obtained. As a consequence, the study of twisting phenomenon by using a reduced scale for all the dimensions of the tools and blank is retained in this work of. The influence of the blank alignment with the tools on the intensity of the twisting parameter was particular investigated. The objective of the thesis is the experimental and numerical study of the twisting of U- shaped p art, obtained from stainless steel blanks with a length of 100 mm and thickness of 0.15 mm. The first part relates to the characterization and modeling of the material mechanical behavior. Conventional tests such as tension and simple shear were performed. The kinematic contribution to the hardening and the evolution of the loading-unloading slope with the plastic deformation were carried out. The parameters of an elastic-plastic model based on a mixed hardening and degradation of Young's modulus with the equivalent plastic strain have been identified from these tests.

In order to

establish an experimental database for twisting, a dedicated device for drawing U-shaped elongated parts was designed and manufactured. Deep-drawing of rectangular blanks, of dimensions 100 x 28 mm 2 , to achieve a U-shape rail of 7 mm of depth was performed. Two different orientations of the part with respect to the tools were chosen: either aligned with the tools, or purposefully misaligned by 2°. The geometry of the part after springback was laser scanned. Twisting is characterized by the disorientation angle in-between the two end sections of the part over the distance. Several samples were drawn for each configuration, leading to the conclusion that almost no twisting occurs in the first case whereas a twist ing parameter of

11°.m

-1 corresponded to the second one. The analysis of the geometry of cross sections has shown a correlation between twisting and asymmetry of springback, like the opening of the U- shaped rail, caused by the asymmetry of the blank in the misaligned case. The sliding of the blank beneath the punch during the process also affects twisting whatever its orientation. Finally, finite element simulation of the drawing process, for the two configurations of the blank , within the explicit framework for drawing and implicit one for springback , were carried out using Abaqus® software. The influences of the mesh size as well as the material behavior law on the intensity of twisting parameter were studied. Numerical predictions were compared with experiments. 8 [1] C.H. Pham, S. Thuillier, P.Y. Manach; Twisting analysis of very thin metallic sheets; Journal of Materials Processing Technology 2014 (4), 844-855 [2] C.H. Pham, S. Thuillier, P.Y. Manach; 2D springback and twisting of ultra-thin stainless steel U-shaped parts; accepted in Steel Research International (2014) [3 ] C.H. Pham, S. Thuillier, P.Y. Manach; Mechanical properties involved in the micro- forming of ultra -thin stainless steel sheets; submitted in Metallurgical and Materials

Transactions A (2014)

[1] C.H. Pham, S. Thuillier 0 1 , P.Y. Manach;

Twisting of sheet metals, NUMISHEET 2014:

Melbourne, Australie, 6-10 janvier 2014

[2] C.H. Pham, S. Thuillier, P.Y. Manach ; Experimental investigation and numerical prediction of twisting; IDDRG 2014 Conference, Paris, France, 1-4 june 2014 [3] C.H. Pham, S. Thuillier , P.Y. Manach;

Mechanical behavior of ultra

-thin stainless steel sheets - Application to deep-drawing; Plasticity, 5-9 janvier 2015, Montego Bay (Jamaïque) [1] C.H. Pham , S. Thuillier, P.Y. Manach; Vrillage de tôles métalliques ultra-minces après emboutissage; 21

ème

Congrès Français de Mécanique; Bordeaux, 26-30 août 2013 [2] C.H. Pham , S. Thuillier, P.Y. Manach; Vrillage de tôles métalliques ultra-minces après emboutissage ; Jounée des doctorants de l'Ecole Doctorale SICMA, Télécom Bretagne,

Technopôle de Brest-Iroise, 26 septembre 2013

[3] C.H. Pham , S. Thuillier, P.Y. Manach; Comportement mécanique de tôles métalliques ultra-minces pour la fabrication de connecteurs miniatures; Matériaux, 24-28 novembre

2014, Montpellier (France) 1

L'auteur

s ouligné est c elui q ui a fait la présentation o rale. 10

Table des matières

Introduction13

1 Mise en forme des tôles ultra-minces 20

1.1 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.2 Principe de la mise en forme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.2.1 Emboutissage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.2.2 Retour élastique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.2.3 Mesure du retour élastique des pièces en forme de U . . . . . . . . . . . . 27

1.2.4 Inuence des paramètres du procédé sur le retour élastique . . . . . . . . 30

1.2.5 Simulation numérique du retour élastique des pièces enU. . . . . . . . . 34

1.3 Caractérisation du vrillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

1.3.1 Apparition et méthode de mesure du vrillage . . . . . . . . . . . . . . . . 40

1.3.2 Inuence des paramètres du procédé sur le vrillage . . . . . . . . . . . . . 45

1.3.3 Simulation numérique du vrillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

1.4 Comportement des tôles ultra-minces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

1.4.1 Dénition de tôles ultra-minces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

1.4.2 Propriétés mécaniques des tôles ultra-minces . . . . . . . . . . . . . . . . 53

1.4.3 Inuence de la rugosité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

1.4.4 Rupture des tôles ultra-minces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

1.5 Dicultés de mise en forme des tôles ultra-minces . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

1.5.1 Frottement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

1.5.2 Ductilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

1.5.3 Retour élastique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

1.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

2 Comportement mécanique du matériau72

2.1 Etude expérimentale du comportement de tôles ultra-minces . . . . . . . . . . . . 72

2.2 Inuence de la surface sur le comportement des tôles ultra-minces . . . . . . . . . 99

2.2.1 Description de l'approche numérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

2.2.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

2.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

11

TABLE DES MATIÈRES12

3 Caractérisation expérimentale du vrillage115

3.1 Twisting analysis of ultra-thin metallic sheets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

3.2 Résultats complémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

3.2.1 Conception du dispositif de vrillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

3.2.2 Acquisition des signaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

3.2.3 Évolution du vrillage le long de l"éprouvette . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

3.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

4 Simulation numérique du vrillage137

4.1 Mise en donnée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

4.2 Résultats de la simulation numérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

4.2.1 Effort du poinçon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

4.2.2 Vrillage et retour élastique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

4.2.3 Origine du vrillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

4.3 Sensibilité au maillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

4.4 Influence de la loi de comportement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

4.5 Influence de la pente de décharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

Conclusion générale160

Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

Bibliographie165

Introduction générale

Contexte

Ce travail de thèse, d'une durée de trois ans, se situe en amont de la conception virtuelle

des procédés de mise en forme. Il s'intègre aux activités existantes du LIMATB dans le domaine

de la mise en forme des produits plats et de la caractérisation du comportement mécanique des tôles minces, tout en orant des perspectives d'ouverture sur des collaborations industrielles

et sur des thématiques scientiques peu étudiées. De plus, ce sujet participe à la structuration

interne de l'équipe EG2M du LIMATB, dans la mesure où un projet ANR a démarré en 2013 sur la mise en forme des tôles de très nes épaisseurs.

Les distorsions géométriques d'une pièce en tôle métallique mince sont liées aux contraintes

résiduelles existantes après retrait des outils de mise en forme. Le vrillage est l'une de ces dis-

torsions géométriques, phénomène est très peu étudié dans la littérature, tant d'un point de

vue expérimental que numérique. Le vrillage est un mode de déformation particulier, caractérisé

par la torsion d'une pièce autour d'un axe parallèle à sa plus grande dimension. La diculté

expérimentale relative aux essais de vrillage provient d'une grande dispersion des résultats ainsi

que des grandes dimensions des pièces, avec une longueur de l'ordre du mètre. La réalisation des

essais sur des pièces industrielles pose des problèmes majeurs comme la taille et la capacité des

machines d'essais, le contrôle des paramètres du procédé, la grande quantité des matériaux ....

Par conséquent, l'étude de ce phénomène en utilisant une échelle réduite sur l'ensemble des di-

mensions de l'échantillon est intéressante, à la fois d'un point de vue économique et écologique.

Présentation de l"emboutissage et du vrillage

L'emboutissage est un procédé de fabrication largement utilisé dans l'industrie mécanique,

qui consiste à faire subir à une feuille ou une tôle métallique une déformation progressive par

des outils en vue d'obtenir une pièce à surface non développable et dont la forme correspond

au cahier des charges. L'opération est réalisée sur une presse mécanique ou hydraulique équipée

d'outillages spéciaux qui peuvent, dans certains cas, combiner plusieurs fonctions. Du point de

vu des ingénieurs [1, 2], l'emboutissage est le principal procédé de mise en forme des tôles d'acier,

livrées en feuilles ou en bobines, en général d'épaisseur inférieure à 3 mm. 13

INTRODUCTION14

Le procédé d"emboutissage est l"un des seuls à pouvoir tenir des cadences de production éle-

vées tout en respectant les tolérances géométriques exigées. Les domaines d"application de l"em-

boutissage sont nombreux : secteurs agricole, électroménager, automobile, etc (figure 1). Bien

que l"emboutissage soit utilisé principalement dans l"industrie automobile, l"électrotechnique est

le second débouché des entreprises du secteur notamment avec la fabrication des châssis de micro-ordinateurs et de composants d"armoire. Le reste est lié aux industries du nucléaire, du bâtiment, de l"armement, de la construction aéronautique ou encore du conditionnement et de l"emballage.66% 18%9% 4%

3%Industrie automobile

Autres

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