1. Introduction

Le découpage des métaux en feuille est réalisé par l’action de cisaillement entre deux bords découpant tranchants (le poinçon et la matrice). Les étapes de l’action de cisaillement menant au découpage sont illustrées à la figure 1, depuis la pénétration du poinçon dans le matériau jusqu’à la fracture des bords et le détachement de la partie découpée.

Figure 1, [1]

Le découpage de pièces plates en alliages d’aluminium est souvent réalisé dans des presses découpeuses (ou poinçonneuses) à cause de leur productivité élevée et leur capacité à maintenir les tolérances demandées sur les côtes. La capacité des presses découpeuses est déterminée en fonction de la force de cisaillement nécessaire pour la réalisation du découpage. Cette dernière est calculée en fonction de la résistance au cisaillement, de la longueur et de l’épaisseur à découper. La résistance au cisaillement des alliages d’aluminium dépend du type de l’alliage et du traitement appliqué (durcissement structural ou écrouissage).  Le tableau 1 montre que la résistance au cisaillement des alliages d’aluminium les plus communément utilisés peut varier de 65 à 365 MPa. À titre de comparaison, la résistance au cisaillement des aciers au carbone usuels varie de 241 à 462 MPa.

Tableau 1, [2]

Tableau 1 (suite), [2]

L’aspect des bords varie sur la section de la feuille cisaillée. Cet aspect, illustré à la figure 2, montre quatre zones :

  • Zone de tombée de découpage (Rollover) : Courbure causée par une déformation de la pièce qui survient avant même que le découpage ne commence
  • Zone de brunissement. Doit représenter, idéalement, le tiers (1/3) de la section cisaillée.
  • Zone de fracture.
  • Bavure : arrête rugueuse laissée sur le métal par le découpage.

Figure 2, [3]

L’aspect des bords cisaillés dépend des propriétés mécaniques de l’alliage et de l’épaisseur de la feuille ainsi que des caractéristiques des outils de coupe.

2. Outils

Les outils utilisés pour le découpage des alliages d’aluminium sont généralement les mêmes que ceux destinés au découpage des aciers, mais se caractérisent par une durée de vie plus longue. En général, les outils destinés au découpage des alliages d’aluminium sont en aciers à outil comme le A2, A6, D2, DC53, O1, O6. Cependant, d’autres matériaux, comme l’acier au carbone, la fonte et même le zinc, peuvent être utilisés pour la fabrication des outils de découpe des alliages d’aluminium en fonction de la taille et de la complexité des pièces découpées, ainsi que de la taille de la série (nombre de découpes).

3. Tolérances sur les pièces découpées

Dans la plupart des cas, une tolérance de 0,005’’ (0,127 mm) peut être obtenue sur les pièces en alliages d’aluminium fabriquées par découpage. Des tolérances plus serrées peuvent nécessiter la réalisation des opérations supplémentaires sur l’outil (affutage) ainsi que des travaux de finition sur les pièces découpées, ce qui entraine l’augmentation des coûts opératoires. En outre, une correction afin de tenir compte des variations dimensionnelles de l’outil au cours de l’opération de découpage.

4. Jeu entre poinçon et matrice (Clearance)

Le jeu entre le poinçon et la matrice est un paramètre important pour la réussite de l’opération de découpage et de poinçonnage. En effet, un jeu bien optimisé permet l’obtention d’un cisaillement uniforme le long de la paroi. Si le jeu entre le poinçon et la matrice est très faible, des fissures secondaires risquent de se former ce qui créera une zone de brunissement irrégulière et entraînera une augmentation des forces de découpage. Si le jeu entre le poinçon et la matrice est très grand, le métal risque de s’écouler dans cet espace ce qui entraînera la formation d’une bavure excessive. La figure 3 montre l’effet du jeu entre le poinçon et la matrice sur l’aspect du bord découpé.

Figure 3, [1]

Le jeu entre le poinçon et la matrice paramètre dépend du type de l’alliage d’aluminium et de l’épaisseur de la feuille à découper, et se situe généralement entre 5 et 8% de l’épaisseur de la feuille à découper/poinçonner. Le tableau 2 résume des valeurs suggérées pour le jeu entre le poinçon et la matrice destinée au découpage et le poinçonnage de différents alliages d’aluminium.

Tableau 2, [2]

5. Angle de coupe des outils

L’obtention d’un cisaillement uniforme le long de la paroi à découper dépend également de l’angle de coupe qui détermine le tranchant (sharpness) des outils. Des bords coupants des outils qui sont émoussés à cause de l’usure durant le processus de découpage/poinçonnage provoquent des effets similaires à ceux d’un jeu excessif entre le poinçon et la matrice, d’où la nécessité de réaliser un affutage périodique des bords coupants des outils pour maintenir leur tranchant.

6. Angle d’effilage de la matrice

Afin d’éviter le collage des pièces à découper dans la matrice, les parois des matrices utilisées pour le découpage/poinçonnage des alliages d’aluminium sont souvent effilées d’un angle de ½˚ par rapport à la verticale.

7. Lubrification

La lubrification peut aider à réduire le collage aux parois de la matrice de la pièce à découper et de faciliter son détachement du poinçon sans déformation.

8. Problèmes et dépannage

  • Bavure (burr)
  • Écaillage (sliver)
  • Zone irrégulière de brunissement et de fracture
  • Pièce découpée coincée dans la matrice

9. Calcul de la force de découpage

Lorsqu’une cisaille découpe une pièce métallique, elle doit exercer une force suffisante pour démarrer la découpe et de continuer l’action de cisaillement. En découpage conventionnel, seulement une partie du matériau est cisaillée, la partie restante est détachée par les fissures induites par l’action de cisaillement.

La force nécessaire au découpage dépend de l’épaisseur et du type du matériau, de la pente formée par la lame supérieure par rapport à la lame inférieure (voir figure 4) exprimé en po/pi (système impérial) ou en mm/m (système métrique), et du pourcentage de la pénétration requis. Cette force se calcule comme suit :

Avec :

F : Force de découpage, lb

S : Contrainte de cisaillement, psi

P : Pénétration de la lame dans le matériau, %

T : Épaisseur di matériau, po

R : la pente de la lame supérieure par rapport à la lame inférieure, po/pi

Exemple de calcul :

Pour découper une feuille en alliage d’aluminium 5086-H32, de 0,2’’ d’épaisseur, avec une résistance au cisaillement de 28700 psi (voir tableau 1), et une pénétration de 60% sur une cisaille avec une pente de la lame supérieure par rapport à la lame inférieure de ¼, la force nécessaire est :

Soit 103 kN environ.

Figure 4 – La pente formée par la lame supérieure par rapport à la lame inférieure (3/4 po/pi dans ce cas).

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Écrit par Sofiene Amira