Granulométrie, partie I : la granulométrie du matériau est importante dans le pliage de tôles

La tôle et la plaque peuvent être exceptionnellement imprévisibles, en particulier lorsqu'elles sont formées sur une presse plieuse. Getty Images

Question: Merci pour toutes les excellentes informations que vous partagez chaque mois, y compris vos manuels et votre chronique. Je n'aurais jamais pensé m'aventurer aussi loin dans les mauvaises herbes et appliquer une connaissance aussi détaillée du formage de la tôle. Continuez ce bon travail.

Je sais que vous avez écrit à plusieurs reprises sur la direction du grain et son effet sur la formation de la presse plieuse. Pourquoi le sens du grain est-il facile à repérer sur certaines feuilles alors que sur d'autres, le sens du grain peut être difficile à voir ?

Aussi, quelle est la différence entre un cristal et un grain ? Comment la taille des grains affecte-t-elle la formabilité ? Et comment contrer les variations causées lors de l'exécution de pièces de production avec ces caractéristiques changeantes ?

Répondre: Vous avez peut-être pensé que vous étiez déjà sorti dans les mauvaises herbes, mais faites demi-tour et regardez par la fenêtre. Vous voyez ces champs de mauvaises herbes qui s'étendent jusqu'à l'horizon ? Eh bien, c'est là que nous allons, là-bas dans les mauvaises herbes. Alors, enfilez vos bottes. Cela devrait faire un voyage intéressant!

La tôle et la plaque peuvent être exceptionnellement imprévisibles, en particulier lorsqu'elles sont formées sur une presse plieuse. Une pièce en forme d'air peut parfois se déformer dans toutes sortes de directions imprévues, et sans raison discernable. Après des années d'expérience, de bons techniciens de presse plieuse, connaissant les nuances du matériau et de leur machine, peuvent limiter cette déformation.

Pour obtenir les meilleurs résultats pour un projet, des menuisiers hautement qualifiés étudient la configuration du grain et la texture du bois avant de commencer leur travail. Les opérateurs de freins hautement qualifiés font de même avec la tôle. Ils adaptent le programme et la machine en sachant comment la direction du grain et d'autres propriétés du matériau affectent l'angle de pliage, le rayon de pliage, la tolérance de pliage et la déduction de pliage.

Comme vous l'apprendrez bientôt, la taille des cristaux est en grande partie fonction du processus de fabrication du métal, qui par extension fait varier la taille des grains et peut donc affecter la cohérence des courbures au fil du temps. Par exemple, si la courbure se fissure à l'extérieur du rayon, elle s'affaiblit, nécessite moins de pression pour se former et provoque une flexion excessive de la bride.

Comme le grain du bois, le grain d'un métal affecte le comportement de la pièce. Variant d'une feuille à l'autre et d'un lot à l'autre, les propriétés changeantes du grain créent de nombreux défis imprévus. Si le métal a été laminé à froid ou travaillé, les cristaux s'allongent dans le sens du laminage (voirFigure 1 ). Cette déformation provoque l'amincissement des cristaux et crée les grains que nous voyons. Ces grains nouvellement formés prennent une préférence directionnelle.

La flexion avec (longitudinalement) le grain de certains matériaux augmente le risque de fissuration, réduit le tonnage requis, modifie le retour élastique et, dans certains cas, entraîne une déchirure. Selon l'application, la flexion avec le grain peut également provoquer une peau d'orange à l'extérieur du pli, en particulier lorsque vous essayez de former un rayon de courbure intérieur inférieur au rayon minimum pour un type de matériau donné. Il est recommandé de maintenir votre rayon de courbure intérieur au minimum ou au-dessus du minimum de courbure, en particulier si la courbure est longitudinale (avec) le sens du grain. Avec la ligne de courbure transversale (perpendiculaire) ou diagonale au grain, le rayon de courbure intérieur peut être légèrement plus petit si nécessaire.

Ces variables et d'autres peuvent modifier la dimension formée de la pièce, ce qui crée des problèmes en aval. Les soudeurs et les assembleurs prennent plus de temps, peaufinant parfois la pièce à la main juste pour que la pièce aille ensemble. La qualité de l'assemblage final diminue et les coûts augmentent.

Figure 1Lorsque le métal est laminé à froid ou travaillé, les cristaux s'allongent dans le sens du laminage.

Pour minimiser les problèmes, les opérateurs de presses plieuses doivent repérer les différences de matériaux et apprendre à travailler avec les variations plutôt que contre elles. Ce faisant, ils remplaceront les maux de tête par des pièces de qualité. Donc, pour les prochaines colonnes, nous examinerons le grain dans le métal, ce qu'il est et d'où il vient.

Lors du formage, la tôle se dilate à l'extérieur du pli et se comprime à l'intérieur du pli. La façon dont le métal réagit à la dilatation et à la compression (entre autres facteurs) détermine la quantité de déformation inattendue (voirFigure 2).

Huit facteurs principaux affectent la déformation lors du formage de la tôle, et beaucoup sont liés au grain du matériau. Chacun est influencé par la façon dont le métal se déforme, qui à son tour dépend des caractéristiques du métal et de la façon dont il réagit aux forces de formage. L'étude, la compréhension et la surveillance de ces facteurs permettent de prendre des mesures correctives qui réduiront les variations d'une pièce à l'autre. Bien sûr, même les meilleurs opérateurs rencontreront toujours des erreurs. Mais en prêtant attention à ces huit facteurs, les opérateurs devraient voir les erreurs diminuer et la qualité des produits s'améliorer.

1. Ecrouissage. La déformation plastique provoque des dislocations dans la structure du métal, qui à leur tour génèrent des dislocations supplémentaires. Plus le nombre de luxations est élevé, plus elles interagissent et s'ancrent. Cet ancrage réduit la mobilité de la luxation tout en renforçant le métal, un processus connu sous le nom de travail à froid. L'écrouissage provoque des déformations et, lorsqu'il s'accompagne d'un écrouissage (ou écrouissage), augmente la résistance du métal. Cela se produit lorsque le travail à froid est la dernière étape de travail.

Vous pouvez contrôler l'écrouissage dans une certaine mesure en modifiant la vitesse à laquelle la flexion se produit. Plus l'opération de pliage est lente, plus l'écrouissage est important. Inversement, plus vous pliez rapidement une pièce de tôle, moins vous trouverez d'écrouissage dans la pièce. Bien sûr, plier un matériau précédemment écroui nécessitera plus de pression de flexion.

Pour comprendre ces concepts, prenez un trombone. Maintenant, dépliez-le et pliez une section du fil déplié d'avant en arrière plusieurs fois au même endroit. Remarquez à quel point il est difficile de former le métal au même endroit plus d'une fois. Cela devient plus difficile à faire à chaque fois.

Plier le fil d'avant en arrière créera une zone durcie avec des dislocations qui se sont formées et se sont emmêlées, augmentant la résistance du matériau. En augmentant la résistance d'un matériau par le travail à froid, vous provoquerez une perte de ductilité correspondante. Si vous continuez à plier le fil d'avant en arrière, des bandes de dislocations s'accumuleront et vous finirez par craquer et casser le fil.

2. Variation de dureté. Les sidérurgistes fabriquent des tôles dans une zone de tolérance de dureté. Cela signifie que deux feuilles apparemment identiques peuvent avoir des caractéristiques de retour élastique complètement différentes, et les opérateurs de presses plieuses doivent en être conscients.

3. Variation d'épaisseur. Il en va de même pour l'épaisseur du matériau, spécifiée dans une zone de tolérance correspondant à un calibre de matériau donné. Encore une fois, si une application de pliage ne tient pas compte de cela, deux feuilles apparemment identiques peuvent produire des pièces complètement différentes. Des résultats très variables sont particulièrement fréquents lorsque les dimensions sont prises sur plusieurs coudes. La variation d'épaisseur entraîne également des modifications du retour élastique.

4. Emplacement de la ligne de pliage. Une caractéristique près d'un coude modifie la façon dont le métal se dilate, se comprime et se déforme. Pour éviter l'étirement et la distorsion des éléments et des trous, l'axe central du pli doit être au moins à deux fois et demie à trois fois l'épaisseur du matériau à partir du bord d'un trou ou d'un élément.

Figure 2La compression et l'expansion (étirement) pendant la flexion provoquent à la fois des contraintes et des déformations de traction et de compression.

5. Méthode de formage. Les méthodes de pliage courantes sur la presse plieuse sont le formage à l'air (ou le pliage à l'air), le fond (ou le pliage par le bas) et la frappe. Notez que le fond n'est pas la même chose que la frappe. Pour en savoir plus, vous pouvez vous référer aux archives Bending Basics sur thefabricator.com, y compris la Grande théorie unificatrice de la flexion de la presse plieuse, une série de septembre à décembre 2015. Quoi qu'il en soit, si vous travaillez avec une presse plieuse moderne et un outillage dans un atelier de tôlerie de précision, il y a de fortes chances que vous pliiez à l'air.

6. Longueur de pliage. La longueur du coude est proportionnelle au tonnage nécessaire pour réaliser le coude. Une courbure qui applique trop de tonnage par pouce carré peut dévier le vérin de la presse plieuse et les cadres latéraux. Si vous déviez le vérin vers un point supérieur à la limite de charge centrale de la presse plieuse, vous pouvez causer des dommages permanents à la presse plieuse connue sous le nom de renversement du vérin, ce qui empêchera la presse de faire un virage droit.

7. Sens du grain. Au cours du processus de transformation des lingots de métal en tôle à l'usine, le métal est forcé entre un ensemble de rouleaux. Ce processus allonge les cristaux métalliques, ce qui donne les grains métalliques (plus à ce sujet plus tard). Ces grains ont une préférence directionnelle lorsqu'ils sont laminés à froid et ne sont que partiellement directionnels dans les matériaux laminés à chaud.

8. Granulométrie. Le grain à l'intérieur du matériau influence sa résistance. Les frontières entre les grains agissent comme une barrière au mouvement des dislocations. Le "glissement" résultant est réduit car les grains voisins ont des orientations différentes. Plus le grain est petit, plus la distance parcourue par les particules le long d'un plan de glissement donné est petite, c'est pourquoi les grains plus petits améliorent la résistance d'un matériau. Au broyeur, la taille et le nombre de grains d'un matériau sont contrôlés par la vitesse de solidification du liquide au solide.

Prenez un morceau de plaque ou de tôle, nettoyez-le, regardez la surface à travers un microscope ou une loupe à fort grossissement, et vous devriez voir quelque chose comme l'image montrée dansfigure 3.

Vous ne pourrez pas toujours voir le sens du grain, mais pour certaines feuilles, vous n'aurez peut-être pas besoin de grossissement du tout. Néanmoins, la taille des grains est l'un des facteurs les plus importants à prendre en compte car elle influence tout, de la limite d'élasticité d'un matériau à la gravité de la fissuration qui pourrait se produire sur la surface extérieure d'un coude.

Au fur et à mesure que la recristallisation se produit, des groupes de particules diverses fusionnent pour former des cristaux qui, lorsqu'ils sont laminés à froid, créent ce que nous définissons comme le grain du matériau. Lors de la fusion, si de nombreux grains se forment en même temps, le métal refroidi produira un nombre élevé de grains. Mais si moins de cristaux sont établis, ils auront plus de place pour se développer, créant une plus grande taille de grain et un petit nombre de grains.

Les cristaux glissent les uns sur les autres pendant la formation, ce faisant dans des zones appelées plans de clivage. Au fur et à mesure que les cristaux deviennent plus étroitement liés, ils rendent le matériau plus dur. Cela augmente le tonnage nécessaire pour former le matériau sur la presse plieuse et rend le métal plus sensible à la fissuration et au pelage d'orange.

Dans certaines zones de la structure cristalline, il existe des particules excédentaires qui ne font partie d'aucune formation cristalline symétrique. Ces zones sont appelées joints de grains, ne font pas partie de la structure cristalline et n'ont pas de plans de clivage. Cela rend ces frontières plus fortes (voirFigure 4).

figure 3Regardez la surface de la tôle à travers un microscope ou une loupe et vous devriez voir le sens du grain.

Le mouvement a lieu le long des plans de clivage des cristaux et non dans les zones limites entre eux. Au fur et à mesure que la taille des grains diminue, la densité et le nombre de zones frontalières (joints de grains) augmentent. Cela augmente le nombre de frontières qui doivent céder avant qu'un mouvement puisse se produire.

Cela explique pourquoi les matériaux plus résistants ont des grains plus petits. Un matériau avec des grains plus gros sera donc plus ductile, plus faible et peut être facile à former. Cela dit, les matériaux à petits grains peuvent également être faciles à former, en fonction des propriétés de ces grains et de la façon dont ils sont disposés. Nous approfondirons cela le mois prochain.

Tout cela n'est que la pointe de l'iceberg, bien sûr. Mais comme vous pouvez le voir jusqu'à présent, lorsqu'il s'agit de plier sur la presse plieuse, la taille du grain d'un matériau compte vraiment. Et il est courant qu'un fabricant manipule également la taille du grain. En fait, chaque fois que les opérateurs de presses plieuses prennent une torche à bouton de rose pour chauffer le matériau avant le formage, ils affectent le grain du matériau.

Dans la deuxième partie, nous approfondissons plus en détail, y compris la façon dont le matériau est recuit et normalisé, et l'application des informations sur la taille du grain, la contrainte et la déformation au formage de la presse plieuse.

Steve Benson est membre et ancien président du Precision Sheet Metal Technology Council de la Fabricators & Manufacturers Association International®. Il est le président d'ASMA LLC, [email protected]. Benson dirige également le programme de certificat de presse plieuse de précision de FMA, qui se déroule dans des endroits à travers le pays. Pour plus d'informations, visitez fmanet.org/training ou appelez le 888-394-4362. Le dernier livre de l'auteur, Bending Basics, est maintenant disponible à la librairie FMA, fmanet.org/store.

Figure 4 Le pelage d'orange peut se produire après une formation sévère, comme une flexion à un rayon très pointu. Les joints de grains restent quelque peu striés.