Détection du grippage dans l'emboutissage des alliages d'aluminium, partie I

Note de l'éditeur : Cette recherche est présentée en trois parties. La partie II présentera les résultats pour les inserts en acier à outils D2 et deux types de revêtements de surface. La partie III discutera des résultats pour les inserts nitrurés et chromés durs D6510 et S0050A.

Le grippage est le soudage à froid de particules de tôle à la surface de la matrice d'emboutissage. Ce dépôt permanent se produit souvent lorsque des surfaces métalliques sont en contact et glissent les unes contre les autres.

Des chercheurs du Centre de fabrication et de matériaux avancés de l'Université d'Oakland (CAMM) ont récemment mené une étude pour déterminer quelle combinaison de matériau de matrice, de traitement de surface de matrice et de lubrifiant était la plus favorable pour prévenir le grippage lors de l'emboutissage de pièces structurelles en aluminium. Ils ont utilisé comme matériaux de matrice la fonte ductile D6510, l'acier moulé S0050A et l'acier à outils D2, ainsi que des inserts de trois matériaux testés, avec des quantités de lubrifiant et des traitements de surface généralement utilisés dans l'emboutissage.

Les chercheurs ont sélectionné une configuration de test plat à plat simple pour estimer la pression de contact moyenne correspondant au début du grippage lors de l'estampage d'une feuille d'aluminium AA5754 de 2,5 mm d'épaisseur. Deux inserts plats de matériau identique et de rugosité et de quantité de lubrification similaires avec des surfaces de contact de 42 x 42 mm ont été serrés ensemble dans le simulateur de cordon de tirage avec une quantité contrôlable de force de serrage (voir Figure 1). Les bandes testées avaient une longueur de 600 mm et une largeur de 50,8 mm. Dans cette configuration, les bandes étaient plus larges que les inserts testés. Comme l'insert avait un rayon de 1,5 mm sur le bord, l'effet du bord du contact entre la bande et l'insert de matrice était moins prononcé.

Les bandes testées ont été tirées entre deux inserts serrés à 1 000 mm/min. pour tous les tests signalés. La force de maintien a commencé à 13 kN, la force de maintien minimale possible du simulateur de cordon de traction, et a augmenté jusqu'au niveau de force de serrage auquel un grippage a été observé. Si un matériau en feuille s'est déposé sur la surface de l'insert, les chercheurs ont enlevé le dépôt avec du papier de verre de grain 1 200, puis ont utilisé de l'acétone pour enlever la saleté et les particules.

Trois conditions de lubrification ont été comparées : huile de moulin 61AUS (50 mg/ft.²), Drycote 2-90 (DC 2-90) et sec sans lubrifiant. Un capteur NG2 a mesuré l'épaisseur de lubrification à six endroits de chaque côté de la zone de test de la bande.

Le grippage est souvent précédé de rayures sur la surface de la tôle, et les rayures et le grippage globaux peuvent être détectés en surveillant la courbe de force de traction/déplacement de glissement sur la machine d'essai. Si la force de traction reste presque constante pendant l'expérience, cela signifie qu'aucune résistance supplémentaire de la tôle testée ne s'est produite.

Tout en rapportant les résultats sur la force de traction et en détectant les changements sur la surface de contact, les chercheurs ont présenté les résultats sous la forme d'un coefficient de frottement moyen (COF), déterminé sur la base de la loi de frottement de Coulomb. Les forces de frottement agissent des deux côtés d'une bande tirée entre deux inserts plats opposés, et le COF est calculé à l'aide de la formule µ = F₁/2F₂ (voir Figure 2).

Les chercheurs ont déterminé le début du grippage en examinant les inserts et en mesurant la zone de grippage à l'aide d'un profilomètre Bruker. La figure 3 montre les deux inserts D6510 lorsque le grippage a été déterminé pour le lubrifiant DC2-90. Les dépôts sur le profil sont indiqués en rouge. Notez que les dépôts d'ébauche d'aluminium sur la surface de l'insert de matrice étaient plus fréquents plus près du bord de l'insert. Même si la bande était plus large que l'insert, il peut être plus facile d'extraire le lubrifiant de la surface de contact dans la zone proche du bord de l'insert.

Les chercheurs ont calculé le COF selon la formule en utilisant la force de traction mesurée par une cellule de charge Instron et la force de serrage calculée à partir de la pression dans le cylindre hydraulique du simulateur de cordon de tirage. Les courbes COF pour les inserts D6510 avec le lubrifiant DC2-90 sont présentées à la Figure 4. Dans l'ensemble, le COF était très faible avec le DC2-90, ce qui permet de former des formes compliquées et des emboutissages plus profonds. Une augmentation modérée du COF indique généralement des rayures sur la surface de la feuille, tandis qu'une augmentation rapide indique un début de grippage. Dans la figure 4, la courbe commence à monter à 70 kN de force.

FIGURE 1. Deux inserts plats avec des surfaces de contact de 42 x 42 mm ont été serrés ensemble dans le simulateur de cordon de tirage.

Les rayures se produisent souvent en même temps que le dépôt apparaît sur l'insert, mais dans le cas du D6510 avec DC2-90, des rayures sont apparues à une force de serrage de 40 kN, avant que le grippage n'apparaisse sur les inserts (voir Figure 5). Au fur et à mesure que la force de serrage augmentait, davantage de rayures sont apparues jusqu'à ce qu'un grippage soit observé à une force de 70 kN.

Pour les inserts S0050A avec 50 mg/ft.2 de 61AUS, le grippage a commencé à une force de serrage de 45 kN. Avec DC2-90, le grippage a commencé à 50 kN. Sans application de lubrifiant, le grippage a commencé à une force de serrage de 13 kN.

Pour les inserts D6510 avec 50 mg/ft.2 de 61AUS, le grippage a commencé à 40 kN. Pour les mêmes inserts avec DC2-90, cela a commencé à 70 kN (avec des rayures observées à 40 kN), et sans application de lubrifiant, le grippage a commencé à une force de serrage de 13 kN.

La figure 6 résume la pression de contact moyenne correspondant au grippage en tenant compte de la rugosité de surface de l'insert avant l'essai. La rugosité initiale de la surface de l'insert avant le test était de 606 nm pour S0050A et de 165 nm pour D6510. Pour les inserts S0050A avec 50 mg/ft.2 de 61AUS, le grippage a commencé à 26 MPa de pression de contact moyenne. Pour les mêmes inserts avec DC2-90, le grippage a commencé à 28 MPa, et les inserts secs ont montré un grippage à 7 MPa.

Pour les inserts D6510 avec 50mg/ft.2 de 61AUS, le grippage a commencé à 23 MPa de pression de contact moyenne. Avec DC2-90, le grippage a commencé à 40 MPa (bien que des rayures aient été observées sur l'échantillon à 23 MPa). Sans lubrifiant appliqué, il a commencé à 7 MPa.

Le seuil de grippage était le plus élevé lorsque le lubrifiant DC2-90 était appliqué sur S0050A et D6510 et le plus bas lorsqu'aucun lubrifiant n'était appliqué. Les points secs sont certainement très nocifs du point de vue de l'écorchure.

Ce projet de recherche a été financé en partie par le United States Council for Automotive Research avec des contributions de Novelis Corp., qui a fourni une bobine en alliage d'aluminium 5754 ; Ionbond LLC, qui a réalisé des revêtements d'inserts testés ; et Quaker-Houghton, qui a fourni des lubrifiants et des recommandations techniques pour l'application. Le Dr Dajun Zhou de Stellantis a fourni des commentaires très utiles et a participé activement à la discussion des conclusions du projet.