Les différents procédés d’hydroformage

Les différents procédés d’hydroformage 

L’hydroformage de tubes 

L’hydroformage de tube a été le premier procédé d’hydroformage à être développé et utilisé dans de nombreuses applications industrielles. Cette technique de mise en forme utilise la force motrice d’un fluide sous pression qui, injecté à l’intérieur d’un tube, permet de le déformer plastiquement par expansion. Un effort de compression généré par deux vérins, est généralement appliqué sur les deux extrémités du tube permettant ainsi un apport de matière à la zone déformée . Cet apport a pour effet de compenser l’amincissement du tube et d’améliorer sa formabilité [Gelin et al, 2001]. Cette technologie trouve aujourd’hui de plus en plus d’applications pour les pièces automobiles telles que les longerons, les collecteurs d’échappement, les berceaux support moteur, l’habitacle..

L’hydroformage de flan simple

Le procédé de base consiste en l’application d’une pression sur une tôle pouvant s’avaler sur le bord d’une matrice. Par rapport à un procédé d’emboutissage, le liquide en hydroformage, peut jouer le rôle du poinçon , ou de la matrice . Ainsi, dans le premier cas, la tôle est formée contre une matrice qui lui confère la forme finale [Siegert et al, 2000]. En revanche, dans le deuxième procédé, la tôle est déformée sous l’action conjuguée d’un poinçon en déplacement et d’un liquide pressurisé. A la fin du procédé, la tôle épouse la forme du poinçon [Thiruvarudchelvan et al, 2003].

L’hydroformage de flans doubles

Au cours de ce procédé, deux plaques sont formées simultanément à l’intérieur d’une même matrice comportant une partie supérieure et une partie inférieure . Cette technologie a l’avantage de produire deux pièces simultanées, offrant ainsi un gain de temps appréciable par rapport au procédé d’hydroformage de flans simples. L’exploitation de cette technologie concerne principalement la production de pièces creuses et fermées : triangle de suspension , berceau de moteur, réservoir…

Dans la pratique, deux solutions technologiques peuvent être envisagées en hydroformage de flans doubles [Hein et al, 1999]. La première consiste à partir de deux flans préalablement soudés sur leur contour et formant une pièce monolithique étanche, cette préforme est ensuite gonflée dans une matrice à deux blocs. Il est également possible de partir avec deux tôles séparées, les mettre en forme dans une même matrice fermée et finir par une opération de soudage.

D’autres technologies d’hydroformage ont été développées au fil du temps et en fonction des besoins industriels spécifiques. Les travaux de [Zhang, 1999], [Siegert et al, 2000] et [Lang et al, 2004] dressent l’inventaire de ces principales technologies.

D’une manière générale, l’hydroformage offre de nombreux avantages :

Une diminution du nombre de pièces et donc un gain en temps d’assemblage et de soudage. A titre d’exemple, le collecteur d’échappement constitue l’une des pièces phares réalisée par hydroformage de tube. Ainsi « Schuler hydroforming » estime à 50% la réduction du nombre de pièces, à 25% le coût de production, à 25% le gains en poids et 60% le coût d’outillage.

La mise en forme de pièces complexes avec une très bonne reproductibilité et stabilité dimensionnelle (ex. arbre à cames).

Une répartition plus homogène des épaisseurs du fait de l’absence de contact avec un poinçon [Kang et al, 2004].

Une plus grande rigidité des pièces finales, résultat de la réduction du nombre de pièces et de cordons de soudure. A titre d’exemple, l’intégration de certaines pièces hydroformées dans la structure d’un véhicule Freelander a révélé une amélioration de 25% de la rigidité totale de la structure à la torsion [Walia et al, 1999].

Une réduction des coûts d’outillage puisque seule une matrice femelle est nécessaire. Egalement, plusieurs épaisseurs de tôles peuvent être utilisées pour les mêmes outillage et ce moyennant quelques ajustements.

En dépit des avantages cités, l’hydroformage présente certaines limitations aussi bien d’ordre technologique qu’économique :

En hydroformage, la pression est uniformément répartie sur la surface de la pièce. Dans la mesure où des pressions élevées peuvent être mises en jeu sur des surfaces également importantes, très vite les efforts de serrage deviennent conséquents et les presses peuvent atteindrent des dimensions considérables (jusqu’à 100 000 KN). L’investissement initial dans de telles installations s’avère coûteux et limite donc l’exploitation étendue de cette technologie .

Les trois phases (remplissage, gonflage et calibrage) qui constituent le procédé d’hydroformage, sont relativement lentes. Le cycle (30s à 90s) de cette technologie l’exclut de la production en grande série.

L’étude et la modélisation de l’hydroformage 

Si le procédé d’hydroformage est fort de ses avantages technologiques, il n’en demeure pas moins qu’une bonne maîtrise de ce procédé est vitale pour son développement. Dans un contexte industriel de plus en plus compétitif, les constructeurs automobiles sont amenés à réduire les délais de conception et les coûts de développement de leurs nouveaux produits et procédés tel l’hydroformage. La simulation numérique est devenue aujourd’hui un outil incontournable pour répondre à ces besoins en réduisant le nombre de campagne d’essais, les coûts d’outillage et les délais de conception.

La striction, la rupture et le plissement sont les principaux modes de défaillance qui entraînent le rebut systématique des pièces. C’est pourquoi, améliorer la prédiction d’apparition de ces défauts lors de la simulation va dans le sens d’une meilleure maîtrise du procédé.

Parallèlement au gain indéniable en temps que peuvent offrir les simulations numériques, la compétitivité exige de cet outil de plus en plus de fiabilité et de précision. La réalisation de cet objectif passe nécessairement par :
1. La définition de lois constitutives du modèle numérique capables de décrire le plus fidèlement le comportement mécanique réel du matériau. Ainsi, en mise en forme des produits minces, et en hydroformage en particulier, les lois élasto-plastiques anisotropes sont indispensables pour la bonne description du comportement des tôles laminées. L’identification des paramètres de ces lois constitue un facteur déterminant dans la fiabilité des simulations.
2. L’algorithme de la méthode numérique doit être en mesure de simuler les conditions réelles du procédé et reproduire les différents phénomènes physiques qui peuvent s’y produire.
3. L’outil numérique doit disposer d’un outil complémentaire fiable et précis lui permettant de détecter les défauts qui peuvent survenir.

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre 1 Introduction générale
1.1. Contexte global
1.2. Les différents procédés d’hydroformage
1.3. L’étude et la modélisation de l’hydroformage
1.4. Contexte de la thèse
1.5. Objectifs de la thèse
1.6. Plan du manuscrit
Références
Chapitre 2 Caractérisation expérimentale du comportement des tôles
2.1. Introduction
2.2. Modélisation des lois de comportement élasto-plastiques
2.2.1. Formulation de la loi élasto-plastique
2.2.2. Critères de plasticité
2.2.2.1. Critère isotrope de von Mises
2.2.2.2. Critères anisotropes
2.2.3. Analyse géométrique des critères de plasticité
2.2.3.1. Espaces de représentation des critères de plasticité
2.2.3.2. Condition de coaxialité entre le tenseur des contraintes et le tenseur taux des déformations
2.2.4. Ecrouissage et effet de la vitesse de déformation
2.2.4.1. Loi d’écrouissage
2.2.4.2. Effet de la vitesse de déformation
2.3. Caractérisation expérimentale
2.3.1. Essais de traction
2.3.2. Essai de cisaillement
2.3.2.1. Généralité
2.3.2.2. Analyse mécanique homogène de l’essai de cisaillement
2.3.2.3. Dépouillement de l’essai
2.3.2.4. Limites du modèle homogène
2.3.3. Essai de gonflage circulaire
2.3.3.1. Généralités
2.3.3.2. Etude d’un essai de gonflage circulaire: modélisation analytique
2.3.3.3. Procédure expérimentale
2.3.3.4. Dépouillement et résultats
2.3.3.5. Identification des courbes d’écrouissage
2.4. Conclusion
Références
Chapitre 3 Etude de la formabilité et modélisation de la striction
3.1. Introduction : la striction en mise en forme des tôles
3.2. Détermination expérimentale des CLF
3.2.1. Les tests utilisés pour la détermination des CLF
3.2.1.1. Test Marciniak
3.2.1.2. Test Nakazima
3.2.1.3. Test avec éprouvettes entaillées
3.2.1.4. Test de gonflage hydraulique
3.2.2. Système de mesure des déformations
3.2.3. Définition de la limite de formabilité
3.2.4. Détermination expérimentale des Courbes Limites de Formage par des essais de gonflage
3.2.4.1. Procédure expérimentale
3.2.4.2. Résultats
3.3. Critères analytiques d’apparition de la striction
3.3.1. Critères d’instabilité plastique
3.3.1.1. Critère de Considère
3.3.1.2. Critère de Swift
3.3.1.3. Critère de Hill
3.3.1.4. Critère de Ramaekers
3.3.1.5. Critère de Force Maximum Modifié
3.3.2. Modèle de Marciniak et Kuczynski (M-K)
3.3.3. Méthode de Perturbation
3.3.4. Analyse de bifurcation
3.3.5. Synthèse
3.4. Analyse de l’effet de la sensibilité à la vitesse de déformation
3.4.1. Analyse de Hart
3.4.1.1. Eprouvette à section homogène
3.4.1.2. Evolution d’un défaut
3.4.2. Méthode du défaut initial
3.4.3. Approche de Ghosh
3.4.4. Synthèse
3.5. Etude du Critère de Force Maximum Modifié (CFMM)
3.5.1. Définition du critère
3.5.1.1. Expression du modèle pour un critère de von Mises
3.5.1.2. Expression du CFMM pour un critère de Hill48
3.5.1.3. Expression du CFMM pour un critère de Hosford(1979)
3.5.2. Interprétation graphique du CFMM pour un matériau sans sensibilité à la vitesse de déformation
3.5.3. Effet du critère de plasticité
3.5.3.1. Modèle M-K
3.5.3.2. CFMM
3.5.4. Effet du chemin de déformation
3.5.5. Etude de l’effet de la sensibilité à la vitesse de déformation
CONCLUSION

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