Fabriquer et réparer les matrices (emboutissage, formage et matrices progressives)

Fabriquer et réparer les matrices (emboutissage, formage et matrices progressives)

Introduction au métier de la matrice

La matrice est l'outil de mise en forme par déformation plastique à froid qui transforme une tôle plane en une pièce tridimensionnelle. Pour l'examen Sceau rouge, vous devez maîtriser non seulement la géométrie de l'outil, mais aussi les phénomènes physiques de déformation, les jeux fonctionnels, les matériaux d'outillage et les procédures d'ajustage et de réparation.

Le poinçon est l'élément mâle, la matrice (au sens strict) est l'élément femelle. L'ensemble poinçon-matrice constitue l'outillage. La presse fournit l'énergie de déformation. La distinction entre matrice d'emboutissage (déformation par étirage), matrice de formage (pliage, roulage, cintrage) et matrice progressive (opérations multiples en une seule passe) est fondamentale.

Principes de déformation des métaux

Déformation élastique et plastique

Tout métal soumis à une contrainte se déforme d'abord élastiquement (loi de Hooke : σ = E × ε, où σ est la contrainte en MPa, E le module d'élasticité, ε la déformation). Au-delà de la limite d'élasticité (Re), la déformation devient plastique : permanente. Pour l'emboutissage, on exploite la déformation plastique sans rupture.

La limite de rupture (Rm) est la contrainte maximale avant rupture. La zone utile pour l'emboutissage se situe entre Re et Rm. Le rapport Rm/Re est appelé coefficient d'écrouissage (n). Plus n est élevé, plus le matériau s'écrouit et plus il peut être étiré sans se rompre.

Écrouissage et recristallisation

L'écrouissage est le durcissement du métal par déformation plastique à froid. Les dislocations s'accumulent, la dureté augmente, la ductilité diminue. Pour les aciers doux, l'écrouissage est important ; pour les laitons, il est modéré.

La recristallisation est le traitement thermique qui annule l'écrouissage. Pour un acier doux, la température de recristallisation est d'environ 550 °C. En pratique, on ne recristallise pas les pièces embouties — on choisit plutôt un matériau avec un bon coefficient d'écrouissage.

Retour élastique (springback)

Le retour élastique est la déformation élastique qui se produit après le retrait du poinçon. La pièce tend à reprendre sa forme initiale. L'angle de retour élastique Δα dépend :

Formule pratique : Δα = (Re × r) / (E × e) × 180/π (en degrés)

Pour compenser, on surbaisse l'outil : l'angle de la matrice est plus fermé que l'angle final désiré. On peut aussi utiliser un bossage d'écrasement (coining) qui plastifie la zone de pliage et élimine le retour.

Rayon minimal de pliage

Le rayon minimal de pliage est le plus petit rayon intérieur que l'on peut former sans fissuration. Il est exprimé en multiples de l'épaisseur :

Règle d'examen : si le rayon demandé est inférieur au rayon minimal, il faut soit changer de matériau, soit faire une opération de pliage en deux passes (pré-pliage puis pliage final).

Matrices d'emboutissage

Principe de l'emboutissage

L'emboutissage consiste à déformer une tôle plane en une forme creuse (godet, carrosserie, etc.) par l'action d'un poinçon qui pousse la tôle dans une matrice. La tôle est maintenue sur son pourtour par un serre-flan (blank holder) qui exerce une pression contrôlée.

La déformation principale est l'étirage : le métal est étiré radialement vers l'intérieur du godet. La collerette (le bord extérieur) se déplace vers l'intérieur en se comprimant circonférentiellement. Si la pression du serre-flan est trop forte, la collerette ne peut pas glisser et il y a rupture au fond du godet. Si elle est trop faible, il y a plissement de la collerette.

Calcul du flan (développé)

Pour un godet cylindrique de diamètre d, de hauteur h et d'épaisseur e, le diamètre du flan D est :

D = √(d² + 4 × d × h)

Cette formule suppose une épaisseur constante et néglige le rayon de fond. Pour un rayon de fond r, on utilise :

D = √(d² + 4 × d × h − 0,5 × r × d)

Piège d'examen : la hauteur h est mesurée à l'extérieur du godet, pas à l'intérieur. Vérifiez toujours les cotes sur le dessin.

Rapport d'emboutissage (draw ratio)

Le rapport d'emboutissage β = D/d (diamètre du flan / diamètre du poinçon). Pour un premier embouti sans recuit :

Si β dépasse β_max, il faut faire plusieurs passes d'emboutissage avec recuit intermédiaire (pour les aciers) ou emboutissage progressif (pour les non-ferreux).

Jeu poinçon-matrice (clearance)

Le jeu est la différence entre le diamètre de la matrice et le diamètre du poinçon, divisée par 2 (jeu radial). Pour l'emboutissage :

Jeu = e + 0,1 × e (soit 10 % d'épaisseur en plus)

Pour le découpage (blanking/piercing) :

Jeu = 5 à 10 % de l'épaisseur (selon le matériau)

Un jeu trop faible produit un bord brillant excessif et une usure rapide. Un jeu trop grand produit un bord arrondi (roll-over) et une bavure importante.

Lubrification

La lubrification réduit le frottement entre la tôle et l'outil. Pour l'emboutissage profond, on utilise des huiles de laminage ou des émulsions. Pour l'acier inoxydable, on utilise des huiles chlorées (attention : les huiles chlorées sont interdites dans certains ateliers pour des raisons environnementales — utiliser des huiles synthétiques).

Matrices de formage (pliage, cintrage)

Pliage en l'air (air bending)

Le pliage en l'air : la tôle est posée sur deux appuis (V de la matrice), le poinçon descend et plie la tôle sans que celle-ci touche le fond du V. L'angle final dépend de la profondeur de pénétration. Le retour élastique est important et doit être compensé.

Pliage en frappe (bottoming / coining)

Le pliage en frappe : la tôle est écrasée entre le poinçon et la matrice. La zone de pliage est plastifiée en compression, ce qui élimine presque totalement le retour élastique. La force nécessaire est 3 à 5 fois plus élevée qu'en pliage en l'air.

Force de pliage

La force de pliage en l'air (en kN) :

F = (k × Rm × L × e²) / (8 × V)

Où :

Règle pratique : V = 8 × e (pour tôle ≤ 3 mm), V = 10 × e (pour tôle > 3 mm).

Longueur développée en pliage

La longueur développée L_d est la longueur de la tôle avant pliage. Pour un pliage à 90° avec rayon intérieur r et épaisseur e :

L_d = L1 + L2 + (π/2) × (r + k × e)

Où k est le facteur de position de la fibre neutre :

Piège d'examen : la fibre neutre est la zone où la contrainte change de signe (compression à l'intérieur, traction à l'extérieur). Elle n'est pas au centre de l'épaisseur pour les petits rayons.

Matrices progressives

Principe

Une matrice progressive réalise plusieurs opérations (découpage, poinçonnage, pliage, formage, emboutissage) en une seule passe de presse. La bande de tôle avance d'un pas (pitch) à chaque coup de presse. Chaque poste (station) effectue une opération partielle.

Avantages et inconvénients

Conception du pas (pitch)

Le pas est la distance entre deux positions successives de la bande. Il est égal à la largeur de la pièce + la largeur du pont (bridge) entre les pièces.

Pont minimal : 1,5 × e (pour e ≤ 1 mm), 1,0 × e (pour e > 1 mm). Le pont latéral (bord de bande) : 1,5 × e.

Calcul du pas : P = L_pièce + pont

Largeur de bande : B = L_pièce + 2 × pont_latéral

Ordre des opérations

L'ordre typique dans une matrice progressive :

Règle d'examen : les trous pilotes sont toujours poinçonnés en premier. Le pliage se fait avant le détourage final. Le détourage final est la dernière opération.

Pilotes (pilots)

Les pilotes sont des doigts coniques qui entrent dans les trous pilotes de la bande pour la positionner précisément avant chaque opération. Le diamètre du pilote est inférieur au diamètre du trou de 0,02 à 0,05 mm. Le pilote doit pénétrer d'au moins 2 × e dans la bande.

Dégagement (relief)

Les dégagements (reliefs) sont des découpes dans la bande pour permettre le pliage sans déchirure. Par exemple, pour un pliage en U, on découpe des fentes aux extrémités du pli.

Matériaux d'outillage

Aciers à outils

Règle d'examen : pour une production de plus de 100 000 pièces, utiliser du carbure. Pour une production moyenne (10 000 – 100 000), utiliser un acier allié (O1, D2). Pour une production faible (< 10 000), utiliser un acier au carbone.

Traitements thermiques

Le traitement thermique des aciers à outils comprend :

La dureté est mesurée en HRC (Rockwell C). Pour un poinçon de découpage : 58 – 62 HRC. Pour une matrice d'emboutissage : 55 – 58 HRC (plus ductile pour éviter la fissuration).

Revêtements

Les revêtements (PVD, CVD) améliorent la résistance à l'usure :

Fabrication et ajustage

Usinage des éléments

Les poinçons et matrices sont usinés par fraisage, rectification, électroérosion à fil (EDM) ou électroérosion par enfonçage. L'électroérosion à fil est privilégiée pour les contours complexes avec une précision de ± 0,005 mm.

La rectification est utilisée pour les surfaces planes et les profils extérieurs. La rugosité finale doit être Ra 0,4 µm ou mieux pour les surfaces fonctionnelles.

Ajustage (fitting)

L'ajustage consiste à assembler les éléments de la matrice et à vérifier les jeux. Procédure :

Piège d'examen : le jeu doit être vérifié sur tout le pourtour, pas seulement à un endroit. Un jeu inégal produit une pièce déformée et une usure prématurée.

Essayage (tryout)

L'essayage est la mise en service de la matrice sur la presse. On vérifie :

On ajuste la pression du serre-flan, la butée de profondeur, la lubrification.

Réparation des matrices

Usure et avaries

Les avaries courantes :

Procédures de réparation

Règle d'examen : avant de souder un acier à outils, il faut préchauffer à 200 – 300 °C pour éviter la fissuration. Après soudure, refroidissement lent (dans du sable ou de la chaux) et revenu à 150 – 200 °C.

Affûtage des poinçons

L'affûtage (sharpening) des poinçons de découpage se fait par rectification plane. On enlève 0,05 à 0,10 mm par passe. L'angle de dépouille est de 1 à 2° pour les poinçons, de 2 à 3° pour les matrices.

Sécurité et normes

Sécurité des presses

Les presses doivent être équipées de protecteurs (barrières immatérielles, rideaux de lumière, commandes bimanuelles). La maintenance doit être faite machine arrêtée et consignée (procédure de cadenassage).

Normes canadiennes

Le Code canadien de l'électricité, Chapitre V (C22.1-21) s'applique aux installations électriques des presses. La règle 8-200 concerne les conducteurs de mise à la terre : section minimale de 6 AWG pour les circuits de puissance.

La norme CSA Z142 (Code sur la protection des machines-outils) définit les exigences de sécurité pour les presses mécaniques et hydrauliques. Elle exige :

La norme CSA B149.1 (Code canadien du gaz naturel et du propane) s'applique si la matrice est utilisée avec un four de traitement thermique au gaz.

Règle d'examen : la norme CSA Z142 est la référence pour la sécurité des presses au Canada. Elle remplace les anciennes normes provinciales.

Calculs pratiques pour l'examen

Calcul de la force de découpage

F = P × e × Rm

Où :

Exemple : découper un cercle de Ø 50 mm dans une tôle de 2 mm en acier doux (Rm = 350 MPa).

P = π × 50 = 157 mm

F = 157 × 2 × 350 = 109 900 N = 110 kN

Calcul de la force d'emboutissage

F = π × d × e × Rm × (D/d − 0,7)

Où d = diamètre du poinçon, D = diamètre du flan.

Calcul de la puissance de la presse

Puissance (kW) = (F × v) / 1000

Où F en kN, v en m/s. Pour une presse mécanique, la vitesse au point de frappe est d'environ 0,3 à 0,5 m/s.

Tolérances et ajustements

Les ajustements (fits) sont définis par la norme ISO 286. Pour les outils :

Piège d'examen : ne pas confondre H7/p6 (serré) et H7/g6 (glissant). H7/p6 est un ajustement avec interférence (le poinçon est plus gros que le trou). H7/g6 est un ajustement avec jeu (le pilote peut glisser).

Procédures d'essai et de contrôle

Contrôle dimensionnel

Le contrôle des pièces embouties se fait avec :

Contrôle du retour élastique

Le retour élastique est mesuré avec un rapporteur d'angle ou un goniomètre. Si le retour est supérieur à la tolérance, on ajuste la profondeur de pénétration (pliage en l'air) ou on modifie l'angle de la matrice (pliage en frappe).

Contrôle de la dureté

La dureté des outils est vérifiée avec un duromètre Rockwell (échelle C pour les aciers trempés, échelle B pour les aciers doux). La dureté de la pièce emboutie est vérifiée avec un duromètre Vickers (HV) ou Brinell (HB).

Pièges à éviter

Résumé

Pour réussir l'examen, entraînez-vous à calculer les forces, les développés et les jeux. Apprenez les valeurs typiques par cœur (β_max, jeux, températures). Relisez les schémas de matrices progressives et les ordres d'opérations. Bonne préparation.