Cisaillage, poinçonnage, sciage

Allez c’est reparti avec un nouveau chapitre. CHAPITRE 9 : DECOUPAGE DES METAUX

Ce qui complétera le livre de Jean MATON. Pour info le cours précédent était la conclusion sur le rechargement en soudage , et le sommaire se consulte ici

Sommaire :
9.1.1 Sciage
9.1.2 Cisaillage
9.1.3 Poinçonnage ou estampage

  • 1. Principe
  • 2. Descriptions du phénomène
  • 3. Calcul de l’effort total de découpage
    –Effort d’éjection
    –Effort total de découpage
  • 4. Exercice numérique
  • 5. Matrice et poinçon de découpage

Il existe trois grands principes pour le découpage des métaux ferreux et non ferreux.

  • 1.Découpage mécanique
  • 2.Découpage thermique
  • 3.Découpage par jet d’eau

La différence fondamentale entre ces trois techniques réside surtout dans le fait que lors des découpages thermique et par jet d’eau, il n’existe aucune sollicitation entre l’outil de découpe et la pièce à couper. Le découpage des métaux est une opération courante de préparation des pièces et des joints d’assemblage. Lorsque cela est possible, il faut utiliser le procédé de découpage mécanique plus simple, plus rapide, moins coûteux et qui occasionne moins de déformation du métal. Le choix n’est pas chose facile, car il est fonction de nombreux critères, tels que le matériaux à découper, l’épaisseur des tôles, la précision souhaitée, la vitesse de découpe souhaitée, la qualité de la découpe, le prix de revient au mètre, etc… Le tableau Fig 9-1 peut aider à une certaine approche à ce choix.


Procédés de découpe mécanique
Procédés de découpe mécanique

9.1 DECOUPAGE MECANIQUE

Les procédés de découpage mécaniques sont nombreux, à savoir :

  • Sciage
  • Cisaillage
  • Poinçonnage (estampage)
  • Etc ….

Nous nous intéresserons d’avantage aux trois premiers.

9.1.1 Sciage

Dans les ateliers, on trouve trois types de scies :

  • Scie circulaire
  • Scie à ruban
  • Scie rectiligne à mouvement alternatif

9.1.2 Cisaillage

C’est une technique de découpage des tôles, comprenant deux lames métalliques, l’une fixe, l’autre mobile. Elles peuvent êtres droites (courtes ou longues) voir même circulaire (cisailles à molettes).
La lame mobile n’est pas parallèle à la face de la pièce à découper et attaque donc celle-ci progressivement, ce qui réduit l’effort de coupe (F) qui ne sera appliqué qu’à une section réduite. Il s’agit donc d’une découpe technologique et non d’un cisaillement pur, ce qui suppose une séparation des deux parties de la pièce par glissement relatif des faces de découpage suivant le plan de découpe.. La contrainte de cisaillement (Τg = F/S =daN/mm²). On observe généralement une légère déformation des bords due à l’arrachement par flexion.


Schéma du cisaillage
Schéma du cisaillage


Schéma de cisaille guillotine
Schéma de cisaille guillotine

9.1.3 Poinçonnage ou estampage

Il consiste à découper, à froid, un morceau de tôle à l’aide d’un poinçon au travers d’une matrice (Fig 9-4).

1. Principe : Une partie de l’outil associant poinçons(s) et matrice(s) est bridé sur la table fixe de la presse, tandis que l’autre partie est animée d’un mouvement alternatif du coulisseau. A chaque course, un ou plusieurs découpages sont effectués.

Le jeu radial est nécessaire entre poinçon et matrice, mais devra être limité.
Matières tendres : jeu = 5% de l’épaisseur de la tôle
Matières durs (ex. acier) jeu = 10 de l’épaisseur de la tôle
Le jeu sera pris sur la matrice si l’on désire un ajoure précis ou sur le poinçon si l’on désire un flan précis.


Schéma du poinconnage
Schéma du poinconnage

Le procédé peut être amélioré par l’usage d’un serre-flan afin de limiter les déformations de la plaque au moment de la découpe.

2. Descriptions du phénomène (Fig 9-5)
On distingue trois phases à savoir :
a) Au début l’effort croît lentement jusqu’au point (a). Le poinçon s’enfonce lentement sans détacher les particules de métal. C’est la phase de déformation élastique (Fig 9-5b)
b) Ensuite, l’effort prend sa valeur maximale point (b), c’est l’effort de cisaillement (séparation et accélération des particules de métal). Des fissures apparaissent au voisinage des arêtes coupantes, côtés poinçon et matrice.
c) Enfin, l’effort tombe jusqu’à la valeur nécessaire à vaincre le fortement entre les parties détachées de matière et pour permettre l’éjection de la pièce découpée. Les fissures se rejoignent et la pièce est alors découpée.

3. Calcul de l’effort total de découpage

a) Effort principal de découpage (Fd) : Il peut être déterminé avec une bonne approximation au moyen de la formule empirique : Fd (daN) = P (mm) x e (mm) x Rg (daN/mm²), dans laquelle :
Fd = effort de découpage (daN)
P = périmètre de la découpe (mm)
E = épaisseur de la tôle (mm)
Rg = résistance à la rupture par cisaillement (daN/mm²). On peut admettre que Rg = 0,8 x Rt ou Rt = résistance à la rupture à la traction.

[Matériaux]-[Rt (daN/mm²)]-[A%]
Aciers à 0,1% C (recuit) – 19
 » 0,2%  »  » – 25
 » 0,3%  »  » – 30
Aciers inoxydables – 49 à 69 – 40%
Aluminium (doux) – 12,5 – 40%
Duralumin – 45 – 17%
Laiton (recuit) – 18 – 25%

b) Effort d’extraction (Fe)
Cet effort varie avec l’importance du déchet autour de la découpe. Pour un découpage en pleine tôle avec d’important déchet, on admet que Fe = 0,07 x Fd.


Schéma du poincon matrice
Schéma du poincon/matrice


Périmètres à prendre en compte
Périmètres poinçonnés

Pour une faible perte de métal (peu de déchets) Fe = 0,02 x Fd .

c) Effort d’éjection (Fj)
On peut considérer que Fj = 0,13 x Fd

d) L’effort total de découpage (Ft): C’est la somme des différents efforts. Sa valeur permet de déterminer la presse adéquate, soit : Ft = Fd + Fe + Fj = daN

4. Exercice numérique
Déterminer la capacité minimale de la presse permettant de réaliser le découpage proposé à la Fig 9-6.

Solution: Calcul des périmètres

P1 = 3,14 x 10 = 31,4 mm
P2 = 2 x 10 + 2 x 20 = 60 mm
P3 = 4 x 10 = 40 mm
P4 = 2 x 20 + 2 x 30 = 100 mm
———
P = 231,4 mm
Fd = 231,4 x 2 x (0,8 x 30) = 11107,3 daN
Fe = 0,02 x 11107,3 = 222,15 daN
Fj = 0,13 x 11107,3 = 1444 daN
F = 11107,3 + 222,15 + 1444 ≈ 12773,5 daN

Remarque : Le poinçonnage peut être un procédé économique et il s’applique :que les formes soient simples.
Aux grandes séries avec des pièces aux formes compliquées (ex. carrosserie automobiles, …) car les cadences de production sont élevées.
Toutefois, il reste un cisaillement technologique, car il déforme les bords des pièces.
Les matériaux utilisés doivent être :

  • En plaque
  • Non fragile aux chocs
  • De résistance modérée
5. Matrice et poinçon de découpage (exemples Fig 9-8)


Unités de poinçonnage
Unités de poinçonnage

Pour info le cours précédent était la conclusion sur le rechargement en soudage , le suivant qui explique la  découpe thermique et le sommaire se consulte ici