Caractérisation au frottement de tôles d’acier nu ou revêtu à partir d’essais d’emboutissage sur poinçon hémisphérique

Friction characterization of steel sheets, coated or uncoated, from stamping tests with hemispherical punch

¹ Sollac - DRDM, Montataire
² Laboratoire de Mécanique des Contacts, INSA Lyon, Villeurbanne
³ Laboratoire de Mécanique des Solides, INSA Lyon, Villeurbanne

Résumé

Afin de pouvoir étudier les phénomènes tribologiques qui apparaissent en emboutissage, et en particulier entre la tôle et le poinçon, un nouvel essai permettant une mesure du frottement a été défini. Cet essai consiste à emboutir à une profondeur donnée un flan bloqué à son diamètre extérieur sur un poinçon hémisphérique. Après emboutissage, la mesure de la variation d’épaisseur du flan est comparée à celle calculée numériquement. Ces calculs, effectués à partir d’une modélisation par éléments finis de cette opération d’emboutissage et en considérant les caractéristiques mécaniques de la tôle, permettent de déterminer la variation de répartition des déformations du flan embouti en fonction du coefficient de frottement. On définit ainsi, par une méthode inverse, un coefficient de frottement en emboutissage pour des conditions expérimentales connues. Ce type d’essai présente l’avantage de reproduire des conditions réelles obtenues sous poinçon d’emboutissage, à savoir une déformation en expansion de la tôle et une faible longueur de glissement entre la tôle et le poinçon. Etant données les conditions de contact, il permet également de pouvoir faire ressortir les paramètres prépondérants pour la réussite de cette opération de formage en terme de frottement et d’usure. L’intérêt de cet essai a été validé par des mesures de frottement sur différents types de tôles d’acier nu ou revêtu. Ces mesures ont de plus permis de mettre en évidence l’importance de la géométrie des rugosités de surface des tôles sur l’aptitude de la lubrification à réduire le coefficient de frottement.

Abstract

So as to study the tribological phenomena that appear in metal stamping, and especially between sheet and punch during sheet stretching, a new friction test was defined. This test consists of stretching a clamped blank on a hemispherical punch to a given depth. After stretching, the variation of the blank thickness is measured and compared to numerical calculations. This, undertaken by a finite element method based on the traction mechanical properties of the sheet, allows us to determine the strain distribution variation on the stretched blank as a function of the friction coefficient. It is this comparison between experimental and numerical results that allows us to determine, by a reverse method, a friction coefficient for a definite test. The test advantage is to perfectly reproduce the real conditions obtained under metal forming punch, namely a sheet biaxial strain and a weak sliding length between blank and punch. Given contact conditions, it allows to make emerged preponderant parameters for the success of this metal forming operation in friction and wear term. The test advantage is validated from uncoated or coated steel sheets friction measurements and thus allows us to investigate the role of surface’s roughness geometry in lubricated contacts.