Produits semi-finis et matériaux
Actuellement, de manière prédominante, les alliages d’acier et les alliages d’aluminium sont utilisés comme matériaux pour les produits semi-finis requis dans la production hydroformée. Les alliages de cuivre et de laiton sont utilisés pour les produits hydroformés dans l’industrie de la tuyauterie et du sanitaire. Les alliages appliqués correspondent, dans la majorité des cas, à des matériaux qui sont utilisés pour les procédés courants de formage à froid tels que l’emboutissage profond ou le formage en masse. En principe, tous les matériaux métalliques présentant une formabilité suffisante conviennent aux produits semi-finis dans les procédés d’hydroformage. Une structure à grains fins combinée à de grandes quantités d’allongement uniforme, d’allongement à la rupture et à un grand coefficient d’écrouissage sont avantageux pour l’expansion faisable de la pièce initiale, réalisable sans l’apparition d’instabilités du matériau. La résistance du composant final est améliorée par un écrouissage distinctif du matériau formé ; cependant, l’écrouissage entraîne également une augmentation des charges de formage requises.
Les alliages d’acier utilisés ou testés pour les composants d’hydroformage conventionnels sont des aciers ductiles à faible teneur en carbone, des aciers cémentés, des aciers pouvant être traités thermiquement, des aciers inoxydables ferritiques et austénitiques ainsi que des aciers à haute résistance et à ultra-haute résistance, par exemple . En général, les matériaux tubulaires en acier, qui sont utilisés pour les applications d’hydroformage, sont produits à partir de feuilles plates par profilage continu et soudage longitudinal à haute fréquence pour fermer la section transversale tubulaire formée par profilage. Les tubes à section circulaire ainsi que les profils qui diffèrent d’une forme circulaire peuvent être produits par le processus de profilage en utilisant des outils de profilage appropriés. Cependant, ce sont surtout des produits semi-finis à section circulaire qui sont actuellement utilisés pour la production de composants en acier par hydroformage. Les dimensions typiques des tubes en acier hydroformés de manière conventionnelle sont des diamètres extérieurs, d0, compris entre environ 20 mm et 140 mm avec des rapports entre l’épaisseur de la paroi et le diamètre extérieur, t0/d0, compris entre environ 0,012 et 0,16. En ce qui concerne le micro-hydroformage, le marché fournit actuellement des micro-tubes métalliques laminés et soudés avec des diamètres extérieurs minimaux d’environ 0,2 mm et une épaisseur de paroi minimale d’environ 0,03 mm.
Lors de la sélection des tubes appropriés pour les procédés d’hydroformage, une distinction doit être faite entre les tubes sans processus de recuit après le formage à froid par laminage ou étirage, les tubes étirés avec une petite déformation résultante après un processus de recuit précédent, et les tubes recuits après l’opération finale de formage à froid. Les processus d’étirage, après l’opération de profilage, servent à l’ajustement du diamètre final du tube et/ou de l’épaisseur de la paroi, ainsi qu’à fournir une augmentation de la résistance en raison des effets d’écrouissage.
Les tubes étirés et non recuits offrent généralement une formabilité réduite dans les processus d’hydroformage, en fonction des caractéristiques de l’alliage d’acier utilisé et de la quantité de déformation induite par l’opération d’étirage. Les tubes qui ont été étirés avec une faible déformation résultante après recuit présentent une formabilité à froid dans certaines limites. La formabilité à froid la plus étendue est obtenue par l’utilisation de tubes qui ont été recuits après l’opération finale de formage à froid telle que le profilage ou l’étirage.
Pour éviter l’éclatement prématuré de la pièce dans le cadre du processus d’hydroformage, une qualité de cordon de soudure très satisfaisante est requise pour les tubes profilés et soudés. Il est recommandé d’éviter de placer le joint de soudure dans le composant hydroformé final dans des zones où des contraintes de traction excessives dues à la dilatation agissent sur le composant pendant le processus d’hydroformage.
La figure 3 montre des exemples de pièces micro-prototypes hydroformées réalisées à partir de tubes en acier inoxydable recuits en solution . Le matériau initial du tube, d’un diamètre extérieur de 0,8 mm et d’une épaisseur de paroi de 0,04 mm, avait été fabriqué par des processus de profilage continu et d’étirage et de recuit ultérieurs.
Figure 3. Composants micro-hydroformés .
Concernant l’utilisation d’alliages d’aluminium pour les applications d’hydroformage conventionnelles, les alliages d’aluminium 5000 écrouis sont actuellement utilisés lorsque la priorité est donnée à une grande quantité de formabilité et de résistance à la corrosion, tandis que les alliages d’aluminium 6000 durcis par précipitation sont appliqués pour les composants nécessitant une grande résistance, par exemple, . En général, les tubes en alliages d’aluminium 5000 sont fabriqués à partir de feuilles plates par profilage continu avec soudure longitudinale, tandis que les alliages d’aluminium 6000 sont produits sous forme de profilés extrudés. Les profilés extrudés offrent des avantages en termes de flexibilité de conception pour les sections transversales complexes avec des angles vifs, des creux multiples et des rebords. Cependant, la formabilité réduite de ces produits semi-finis doit être prise en compte lors de la conception d’un composant d’hydroformage correspondant. En outre, le choix du matériau extrudé pour les microcomposants hydroformés est actuellement limité par les dimensions minimales des sections transversales qui peuvent être produites par les industries concernées. La fabrication de profilés micro-extrudés en tant que produits semi-finis a fait l’objet de plusieurs recherches, par exemple .
En raison de leur rapport résistance/poids élevé, les alliages de magnésium offrent un grand potentiel pour les composants à poids réduit. Cependant, l’utilisation de ces alliages dans les processus de formage travaillant à température ambiante est limitée en raison de leur structure atomique hexagonale. Une amélioration de la formabilité est obtenue par l’utilisation de températures plus élevées, au-dessus d’environ 200 °C, lorsque des plans de glissement supplémentaires sont activés. Dans ce contexte, diverses recherches sur l’hydroformage conventionnel de produits semi-finis en alliages de magnésium par l’utilisation d’une température élevée ont été menées au cours des dernières années, par exemple, .
Dans les cas où l’hydroformage est appliqué à des tubes avec des microdimensions, les influences potentielles sur le comportement de formage, causées par le rapport réduit de l’épaisseur de la paroi du tube au diamètre de la taille moyenne des grains, t0/dk, de la microstructure du tube, doivent être prises en compte . Ceci s’applique quel que soit le matériau du tube utilisé. A titre d’exemple, la figure 4 montre la microstructure des tubes de départ, utilisés pour l’hydroformage des composants en acier inoxydable présentés à la figure 3. Un rapport moyen, t0/dk, de l’épaisseur de la paroi du tube t0 à la taille du grain dk entre 1,54 et 2,56 a été déterminé avec un petit nombre de grains uniques avec t0/dk ≈ 1 .
Figure 4. Microstructure d’un micro-tube (matériau : AISI 304 recuit de mise en solution, diamètre extérieur 800 μm, épaisseur de paroi 40 μm) , (a) section dans la direction longitudinale du tube, (b) section perpendiculaire à la direction longitudinale.
La conception des procédés d’hydroformage ainsi que la surveillance de la qualité des produits semi-finis dans la production par hydroformage nécessitent des méthodes appropriées et fiables pour obtenir les paramètres des matériaux caractérisant le comportement de formage. En ce qui concerne l’hydroformage de tubes conventionnels, des méthodes d’essai des matériaux essentiellement traditionnelles sont actuellement utilisées, telles que les essais de traction, les méthodes d’expansion mécanique et l’analyse de grille. Cependant, l’adéquation de ces méthodes est souvent limitée, car l’état de contrainte biaxiale typique des processus d’hydroformage n’est pas, ou seulement approximativement, reproduit.
La méthode la plus courante utilisée pour caractériser le comportement de formage du matériau tubulaire appliqué est l’essai de traction qui est une méthode d’essai de matériau uniaxial normalisée. Il convient de distinguer l’application de cet essai au matériau en feuille initial avant le profilage et aux pièces profilées et soudées. Le fait de tester le matériau en feuille initial signifie que les modifications des propriétés du matériau dues au processus de fabrication du tube ne sont pas prises en compte.
Une méthode d’analyse des déformations dans les composants hydroformés consiste à appliquer des grilles circulaires ou quadratiques sur la surface du produit semi-fini initial. La déformation mesurée des différents éléments de la grille au niveau de la pièce hydroformée permet de déterminer les déformations locales, ce qui fournit une évaluation du processus d’hydroformage lors de la comparaison des déformations analysées avec la courbe limite de formage du matériau tubulaire respectif, par exemple, . Il existe des restrictions dans l’utilisation de cette méthode dans les processus de micro-hydroformage en raison de la taille minimale de la grille applicable sur les micro-tubes.
Un exemple de méthode d’essai d’expansion mécanique normalisée est l’essai au cône, où l’extrémité du tube étudié est expansée par un poinçon conique jusqu’à ce que la fracture se produise. Cet essai permet de déterminer principalement la formabilité, par exemple pour comparer différents lots de matériaux tubulaires. Il permet également de détecter les ruptures à la surface du tube ou dans le cordon de soudure. Lors de l’application de cette méthode d’essai, il faut tenir compte du fait que les variations des conditions de frottement ou la rugosité inégale de la surface préparée à l’extrémité du tube influencent l’initiation de la rupture de la section du tube expansé. La figure 5 montre les résultats des micro-tubes expansés mécaniquement en acier inoxydable AISI 304 .
Figure 5. Essai de cône de dilatation et résultats expérimentaux.
Afin d’améliorer les méthodes de caractérisation des tubes pour les applications d’hydroformage, plusieurs investigations ont été menées sur des essais de dilatation de tubes travaillant avec une mise sous pression interne du tube testé, qui est serré à ses extrémités selon la figure 6. Cet essai de gonflement permet de déterminer la pression d’éclatement pb, le diamètre d’expansion d(pi) dépendant de la pression, et le diamètre d’expansion réalisable dr sous l’état de contrainte de traction biaxiale. Des stratégies pour déterminer les propriétés matérielles des tubes ainsi que leurs courbes d’élasticité basées sur l’essai de gonflement ont été développées, par exemple dans les références. , . Lors de l’application de l’essai de gonflement, il faut tenir compte du fait que le rapport entre la longueur du tube dilaté ld et le diamètre du tube d0 influence la pression requise pour dilater une éprouvette tubulaire, si le rapport ld/d0 est inférieur à une certaine limite. Le dispositif d’essai de gonflement illustré à la figure 6 a été mis au point pour l’essai de microtubes dont le diamètre extérieur est inférieur à 1 mm et permet d’appliquer une pression interne allant jusqu’à 4000 bars. La figure 7 montre à titre d’exemple des résultats d’essais de micro-tubes réalisés avec ce dispositif qui ont vérifié l’évolution de la formabilité pour les procédés d’hydroformage à échelle réduite, comme présenté dans .
Figure 6. Dispositif d’essai de bombement pour micro-tubes.
Figure 7. Rapport d’expansion en fonction de la pression d’éclatement des micro-tubes en acier inoxydable recuit de mise en solution.
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