Chapitre 1 : Qu'est-ce qu'une matrice d'emboutissage métallique ?

L'emboutissage est un procédé de formage à froid qui utilise une bande de métal, appelée ébauche ou acier à outils. À l'aide d'une ou plusieurs matrices, ce procédé découpe et façonne le métal pour obtenir la forme ou le profil souhaité. La force appliquée à l'ébauche modifie sa géométrie, induisant des contraintes qui rendent la pièce apte au pliage ou au façonnage en formes complexes. Les pièces embouties ainsi produites peuvent varier considérablement en taille, de très petites à extrêmement grandes, selon l'application.

L'emboutissage des métaux, également appelé pressage, englobe diverses techniques telles que le poinçonnage, le découpage, le perçage, le frappage et plusieurs autres opérations. La précision de la conception est essentielle pour garantir une qualité optimale de chaque poinçon.

Les matrices utilisées en emboutissage sont des outils spécialisés conçus pour produire des pièces aux formes spécifiques, allant des objets du quotidien aux composants informatiques complexes. Elles peuvent être conçues pour des opérations uniques ou s'intégrer à une série d'opérations séquentielles réalisées par étapes. Il existe quatre types de matrices d'emboutissage : les matrices à poinçon unique, les matrices progressives, les matrices composées et les matrices de transfert.

Lors de la conception d'une matrice d'emboutissage, veillez à prendre en compte l'acier et les matériaux comme indiqué ci-dessous :

Si le matériau à estamper présente une dureté élevée, comme l'acier inoxydable, la matrice d'estampage doit être fabriquée en acier présentant une bonne résistance à l'usure, comme le Cr12MoV.

1.2 Pour les matériaux souples, Pour des matériaux comme l'aluminium, les exigences en matière de résistance à l'usure des matrices d'emboutissage sont légèrement inférieures, mais il convient de tenir compte de l'adhérence du matériau afin d'éviter qu'il ne colle à la matrice. Il est donc recommandé de choisir un acier à matrice présentant de bonnes propriétés antiadhésives.

Pour les matrices soumises à de fortes charges d'impact pendant leur fonctionnement, comme les matrices d'emboutissage pour les grands couvercles automobiles, le matériau doit avoir une ténacité élevée, et des aciers tels que le SKD11 peuvent être sélectionnés.

Si l'environnement de travail de la matrice présente des risques de corrosion, comme par exemple un environnement humide, il convient de choisir un acier à matrice résistant à la corrosion, tel que l'acier inoxydable.

Pour les petits lots, les exigences de performance du matériau de la matrice peuvent être réduites de manière appropriée, et des matériaux moins chers tels que l'acier 45 peuvent être sélectionnés, et un traitement thermique approprié peut être effectué pour améliorer les performances.

Pour les grandes séries, il convient d'opter pour un acier à outils performant, résistant à l'usure et durable. Des matériaux comme le carbure cémenté peuvent être utilisés pour la fabrication d'outils d'emboutissage destinés à la production en série.

Les moules de haute précision nécessitent une faible déformation du matériau, comme l'acier CrWMn, qui présente une faible déformation lors de la trempe et convient à la fabrication de moules d'emboutissage de haute précision.

Tout en respectant les exigences de performance, le prix de l'acier à moules, les coûts de transformation, etc., sont pris en compte de manière globale. Par exemple, certains aciers à moules récents offrent de bonnes performances mais sont onéreux ; il convient donc d'évaluer le rapport coût-bénéfice.

Un poinçon ou une matrice de poinçonnage est composé d'un moule concave et d'un poinçon, ou de plusieurs moules concaves et de plusieurs poinçons. Chaque poinçon ne sert qu'à former un seul trou ou une seule forme, car sa structure et sa fonction sont fixes et conçues pour un procédé spécifique de fabrication métallique. Il est généralement utilisé pour les petites et moyennes séries, notamment lorsque la position ou la forme du poinçonnage doit être modifiée fréquemment. Il peut être ajusté et remplacé facilement pendant la production, et son coût est faible. Il convient à la production de petites séries de pièces métalliques embouties avec des procédés relativement simples.

Commencez par placer la plaque métallique à poinçonner dans la zone de travail de la matrice de poinçonnage. La pièce est généralement fixée pour assurer sa stabilité pendant l'emboutissage. Le poinçon descend et exerce une force d'impact sur la pièce métallique, formant ainsi le trou ou la forme souhaitée. Une fois l'impact terminé, le poinçon est relevé pour préparer l'emboutissage suivant. Retirez ensuite manuellement la pièce et répétez l'opération.

2.1 Production plus rapide – Plusieurs découpes peuvent être réalisées à partir de plusieurs matrices.

2.2 Positionnement de l'ébauche – Le chargement et le repositionnement de l'ébauche sont aisés. Elle peut être tournée, retournée et déplacée sans effort.

2.3 Géométries complexes – Produit des géométries complexes sans avoir besoin de calculs ou d'ajustements spéciaux.

2.4 Manipulation des matrices – Les matrices sont plus légères et moins coûteuses à manipuler.

2.5 Outillage – L’outillage est plus petit et facilement accessible.

La matrice progressive, également appelée matrice continue, est une matrice d'emboutissage à froid qui utilise des bandes de matière première en une seule opération. Elle comporte plusieurs stations permettant de réaliser simultanément plusieurs opérations d'emboutissage sur un ensemble de moules. Chaque opération est réalisée en continu. La bande de matière avance sur une distance fixe, formant progressivement les pièces découpées dans le moule. Le formage en continu est un procédé de fabrication très concentré, facilitant le détourage, l'incision, le rainurage, le poinçonnage, le formage plastique et le découpage. L'ensemble de ces opérations est réalisé sur un seul moule.

La filière progressive permet de réaliser plusieurs opérations en une seule passe. Voici le flux de travail typique d'une filière progressive :

(1) La plaque ou la bande métallique est introduite dans la matrice progressive sous forme de bobine. Le système d'alimentation guide le matériau métallique pour assurer son positionnement précis dans le moule.

(2) Le système guide la bande métallique dans le moule, le système de serrage assure que la bande métallique reste stable pendant tout le processus d'emboutissage, et le système de guidage assure que la bande métallique est positionnée avec précision.

(3) Premier processus d'estampage : Dans le premier processus de la matrice progressive, la bande métallique passe par le premier poinçon et la première matrice pour compléter le premier processus d'estampage, qui peut être le poinçonnage, la découpe ou le formage de forme, etc.

(4) La courroie métallique guide la pièce qui a terminé le premier processus vers l'emplacement du processus suivant à travers le système mobile.

(5) Deuxième étape d'emboutissage : Lors de cette deuxième étape, la bande métallique passe à nouveau entre des poinçons et des matrices pour achever l'emboutissage. Ce processus est répété tout au long du moule, chaque opération étant effectuée sur une bande métallique continue.

(6) Continuer jusqu'à ce que la pièce passe tous les processus prévus.

(7) Déchargement : Une fois tous les processus terminés, la pièce est déchargée du moule pour l'opération suivante, telle que l'assemblage ou le traitement ultérieur.

3.1 Les matrices progressives sont idéales pour produire des pièces simples à moyennement complexes avec des formes répétitives et des caractéristiques uniformes.

3.2 Ils sont très efficaces pour l'alimentation continue en matériaux et nécessitent une intervention minimale de l'opérateur.

3.3 Les matrices progressives sont bien adaptées aux longues séries de production avec une conception de pièce constante.

3.4 Chaque station de la matrice est responsable de l'exécution d'une opération spécifique, telle que la découpe, le pliage, le poinçonnage ou le formage, au fur et à mesure que la bande avance.

L'outil composé est un outil d'emboutissage qui réalise simultanément le perçage intérieur et le formage extérieur au même point de fonctionnement (il permet d'effectuer plusieurs opérations d'emboutissage en une seule passe). Plusieurs opérations peuvent ainsi être réalisées en un seul emboutissage, comme le poinçonnage multiple ou le formage de formes différentes. Sa conception multi-opérations combine, dans une certaine mesure, les avantages des outils à poinçonnage unique et des outils progressifs.

Les matrices composées sont utilisées dans de nombreuses opérations d'emboutissage. Lorsqu'une pièce à emboutir nécessite l'estampage de plusieurs éléments et que ces opérations peuvent être réalisées indépendamment les unes des autres, une matrice composée est employée. Les matrices composées permettent d'obtenir plusieurs éléments d'emboutissage à chaque passage de la presse. De plus, elles garantissent une excellente planéité des pièces.

4.1 Efficacité - Les matrices composées coupent des pièces complexes en une seule course, évitant ainsi le besoin de plusieurs matrices.

4.2 Rentabilité - L'emboutissage composite permet de fabriquer rapidement des pièces, ce qui permet d'économiser du temps et de l'argent.

4.3 Vitesse - L'emboutissage composé produit des pièces en quelques secondes et peut produire plus de 1000 pièces par heure.

4.4 Répétabilité - L'utilisation d'une seule matrice dans l'emboutissage à matrice composée garantit que chaque pièce a les mêmes dimensions et la même configuration.

Les matières premières à transformer sont placées à l'emplacement prévu à l'aide de dispositifs automatiques ou manuels. Lorsque le moule supérieur descend sous l'action du coulisseau de la presse, le moule, le dispositif de déchargement et le poinçon de poinçonnage situé dans le moule supérieur entrent en contact avec la bande et la pression se poursuit. Ensuite, les bords extérieurs du poinçon et le moule concave agissent sur le moule et le poinçon, créant des aspérités et des creux. L'alésage intérieur du moule est simultanément découpé et poinçonné pour séparer la pièce de la bande.

Les matières premières sont directement formées après avoir été estampées par le moule composite.

L'emboutissage par transfert est similaire à l'emboutissage progressif, mais les pièces sont transférées d'un poste à l'autre par un système de transfert mécanique. Ce procédé est principalement utilisé lorsque les pièces doivent être détachées de la bande pour permettre des opérations à l'état libre. Le moule de transfert peut être un moule unique ou plusieurs moules ou machines disposés en ligne pour former une chaîne de production. Il est généralement utilisé pour produire des pièces plus complexes, chaque poste de travail pouvant effectuer différentes opérations telles que le poinçonnage, le pliage, l'étirage, etc.

5.1 Les matrices de transfert conviennent aux pièces complexes qui nécessitent de multiples opérations et un positionnement précis.

5.2 Ils sont capables de produire des pièces complexes avec des tolérances serrées.

5.3 Les matrices de transfert sont souvent utilisées dans les séries de production à grand volume en raison de leur efficacité et de leurs capacités d'automatisation.

5.4 La pièce se déplace entre les stations, et chaque station peut effectuer des opérations telles que la découpe, le pliage, le poinçonnage ou le frappage.

L'emboutissage par transfert utilise un dispositif de transmission pour déplacer la pièce. Après chaque étape d'emboutissage, la pièce est déplacée mécaniquement ou manuellement vers la étape suivante. Les systèmes d'emboutissage par transfert peuvent comporter plusieurs matrices individuelles distinctes ou une série de matrices.

Généralement, l'acier, l'aluminium, le cuivre, l'acier inoxydable et le laiton sont couramment utilisés comme matières premières pour l'estampage.

6.1 La matrice de poinçonnage simple est simple et flexible, mais la vitesse est lente.

6.2 L'emboutissage progressif permet de fabriquer des pièces aux géométries complexes rapidement, à moindre coût et avec une grande répétabilité.

6.3 L'emboutissage composite est réalisé en une seule étape, il convient donc aux pièces ayant des structures relativement simples.

6.4 La matrice de transfert convient aux situations où plusieurs processus doivent être effectués en une seule course.

Entretien

Après chaque utilisation ou à intervalles réguliers, retirez les copeaux de métal, les débris et les résidus de lubrifiant de la matrice. Utilisez des brosses, des soufflettes ou des solvants de nettoyage (adaptés au matériau de la matrice) pour maintenir sa surface propre. Par exemple, dans une opération d'emboutissage à grand volume de pièces automobiles, la matrice peut nécessiter un nettoyage quotidien.

Appliquez régulièrement le lubrifiant approprié afin de réduire le frottement entre les pièces mobiles de la matrice. Les huiles ou graisses d'emboutissage de haute qualité préviennent l'usure et la surchauffe. La fréquence de lubrification dépend de la vitesse et de la charge d'emboutissage ; pour une matrice utilisée modérément, une lubrification hebdomadaire peut suffire.

Contrôlez régulièrement l'usure des poinçons et matrices, notamment en recherchant des marques, des fissures ou des déformations. Utilisez l'inspection visuelle, la loupe ou des méthodes de contrôle non destructif comme le contrôle par magnétoscopie. Par exemple, vérifiez l'émoussement des arêtes de coupe des matrices de découpage tous les quelques milliers de cycles d'emboutissage.

Affûtage ou remplacement des poinçons et matrices

Si les arêtes de coupe des poinçons et des matrices s'émoussent, elles peuvent être affûtées pour retrouver leur pouvoir de coupe. En cas d'usure importante, le remplacement des pièces usées est nécessaire. Par exemple, un poinçon servant à percer des trous peut nécessiter un affûtage après un certain nombre d'utilisations afin de garantir des bords de trous nets.

Pour les petites fissures ou les zones endommagées sur le corps de la matrice, le soudage peut constituer une solution de réparation envisageable. Toutefois, il est essentiel d'utiliser un procédé de soudage et un métal d'apport adaptés au matériau de la matrice afin de garantir que la zone réparée présente des propriétés similaires à celles du matériau d'origine. Après soudage, la pièce réparée nécessite généralement un traitement thermique et un usinage pour retrouver sa forme et ses dimensions.

Si les composants de la matrice se désalignent sous l'effet des vibrations ou des chocs lors de l'emboutissage, un réglage de l'alignement est nécessaire. Ce réglage peut impliquer l'utilisation de cales ou de mécanismes de réglage de précision pour réaligner les poinçons et les matrices. Par exemple, dans une matrice d'emboutissage progressif, un désalignement peut entraîner une formation imprécise des pièces ; le réalignement des stations permet alors de corriger ce problème.

Un outil d'emboutissage est un outil spécialisé utilisé dans le processus de fabrication. Il est conçu pour découper, façonner ou former des tôles de métal afin d'obtenir des formes et des composants spécifiques.

Il se compose généralement de plusieurs éléments, tels que le jeu de matrices (comprenant les demi-matrices supérieure et inférieure), les poinçons et les cavités. Les poinçons servent à appliquer une force pour déformer ou découper le métal.

Il existe 4 types de matrices d'emboutissage en fonction des opérations qu'elles effectuent : les matrices de découpe pour découper des formes dans une feuille plus grande, les matrices de perçage pour créer des trous et les matrices de pliage pour plier le métal.

- Les matrices sont fabriquées à partir de matériaux comme l'acier à outils, capables de résister à des pressions élevées et à des impacts répétés lors du processus d'emboutissage.

La précision de la conception et de la fabrication est essentielle car elle détermine l'exactitude et la qualité des pièces embouties. Un entretien rigoureux est indispensable pour garantir des performances constantes et une longue durée de vie dans les environnements de production industrielle où elles jouent un rôle clé dans la production en série efficace de composants métalliques.