Le repoussage INTRODUCTION

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1 Le repoussage Publié par : Le «Feuillard technique» est publié exclusivement sur le site Internet du CQRDA. Pour télécharger cette publication, rendez-vous au ou au Pour toute demande d'information, n'hésitez pas à nous contacter au INTRODUCTION Le repoussage au tour est une technique permettant de réaliser des surfaces de révolution (dômes, cônes et vases de toutes formes, figure 1) à partir de métal en feuille. L origine de cette technique qui se perd dans la nuit des temps est sans doute contemporaine de l époque de l invention du tour de poterie. L indication la plus ancienne de cette méthode remonte à l Égypte antique. Le repoussage manuel au tour s appuie sur un savoir-faire et est toujours considéré comme un métier d art. Avec certaines géométries, le repoussage au tour s avère être la meilleure méthode, voire la seule, permettant de réaliser la pièce sans opérations complémentaires. Grâce au développement de tours à commande numérique (figure 2), l industrie offre aujourd hui des services de sous-traitance très avantageux pour la petite et moyenne série (plusieurs milliers de pièces). Figure 1 (réf. : Entreprise Biemon Repoussage) 1

2 LE PROCÉDÉ Dans le repoussage au tour (spinning), le métal en forme de disque plat (le flan) est d abord centré avant de le pincer solidement entre un mandrin de forme et un tampon (plaque de butée) grâce à la poussée de la contrepointe du tour de repoussage. Le mandrin, le flan et le tampon sont entrainés ensemble en rotation (le choix de la vitesse de rotation est fait en fonction du diamètre du flan et de l épaisseur du métal, voir figure 4) et le flan est repoussé par balayage successif de la surface de la tôle à l aide d un galet ou d un outil lisse (brunissoir) monté sur une barre qui peut glisser et pivoter contre la tige d appui. La tige peut être déplacée le long du support pour changer au besoin la position de l appui. La force nécessaire à la déformation de la tôle est produite par l opérateur grâce au long manche du brunissoir qui sert de levier (figure 2a). La tôle est ainsi déformée progressivement afin de la plaquer contre le mandrin de forme (voir figure 2 et liens 1 à 7) qui reproduit la forme de la pièce à obtenir. La précision accessible en repoussage manuel est de ±0.2 mm pour des flans de 30 cm de diamètre et passe à ±1 mm pour des flans de 3.5 m. Figure 2a Schéma d un tour de repoussage manuel (auteur = Nerijp) Figure 2b Séquence de repoussage sur un tour à commandes numériques : 1 : flan en rouge; 2 : galet de travail; 3 : mandrin; 4 : tampon; 5 : support mobile (réf. : Entreprise Repoussage de Métal Franjo) 2

3 8 Des outils de repoussage sont normalement fournis avec les tours, mais il arrive fréquemment que les opérateurs fabriquent leurs propres outils. Avec des flans de forte épaisseur, on utilise de longs manches (jusqu à 1 m) et l opérateur s attache au tour avec une sangle (lien 5) pour augmenter la force et faciliter le travail. Le mandrin de forme est fabriqué en bois ou en métal pour une plus grande résistance à l usure. Le mandrin métallique plus rigide permet d obtenir une meilleure précision en repoussage. Lorsque la pièce comporte des angles rentrants, le mandrin doit être fabriqué en sections démontables et conçu de manière à pouvoir retirer les sections par l ouverture de la pièce (figure 3 et lien 7). Ligne de séparation du mandrin Centre amovible Section du mandrin Clé ( a ) Tour/minute Figure 3 - Mandrins pour angles rentrants (Réf. 2) ( b ) ½ ¾ ½ 1 ¾ 2 2 ½ 4 4 ½ FT. 2 FT. 4 FT. 6 FT. 8 FT. 12 FT. 16 FT. Diamètre en pouce Figure 4 - Vitesse de rotation en fonction du diamètre et de l épaisseur du flan en pouces (Réf. 2) 3

4 Il est nécessaire d appliquer un lubrifiant pour minimiser le frottement, en particulier avec un outil lisse. Le choix du lubrifiant (huile, graisse, savon et cire) est conditionné par la sévérité de l opération et le coût du nettoyage. En repoussage au tour, on obtient des formes creuses autour de l axe de rotation dans un mode de déformation similaire à l emboutissage (voir le Feuillard technique «L emboutissage de l aluminium») où le diamètre «local» est réduit à chaque passe. La déformation est produite de façon «incrémentale» au contact de l outil, ce qui génère à chaque tour une collerette qu on repousse progressivement vers la périphérie du disque (figure 5b). Chaque passe est assimilable à un réemboutissage où une mince collerette en compression tangentielle subit une réduction de diamètre sous la poussée (traction radiale) de l outil qui joue ici le rôle de matrice «expansible». L état de compression tangentielle dans la collerette est souvent mis en évidence par le retroussement de la tôle lorsque l outil approche de la périphérie du disque (voir lien 6). Cet état de contrainte tension-compression dans le plan de la tôle permet de conserver une épaisseur relativement constante tout au long de l opération. Étant donné qu il n y a que peu ou pas de changement d épaisseur, le diamètre du flan est facile à évaluer en mesurant ou en calculant sa longueur lorsqu il va épouser le profil du mandrin. Comme le repoussage s apparente à une succession de réembouti de faible réduction, le plissement de la tôle (échec de l opération) est empêché par le choix judicieux de l épaisseur de la tôle et du nombre de passes, de sorte que le succès du repoussage manuel repose en grande partie sur le savoir-faire de l opérateur. Outil Direction de déplacement Figure 5a Formation de la collerette (lien 1) Figure 5b Il est préférable de repousser le flan à sa forme finale en opérant avec un minimum de passes (grosse collerette) pour minimiser le durcissement. Un durcissement excessif est d ailleurs susceptible de nuire à la réalisation de la pièce sans devoir procéder à un recuit intermédiaire. 4

5 F 2 Bordage F 1 F 1 F 1 A Tampon Mandrin Figure 6a Figure 6b Une poussée élevée de l outil (fortes passes) avec une tôle mince par rapport à son diamètre va causer des distorsions et des contraintes indésirables, en particulier au démarrage. La figure 6a montre que cette poussée F1 va générer une flexion maximale en A à chaque tour. Cette déformation répétée un grand nombre de fois par minute peut causer une fissuration le long de la ligne de pincement entre mandrin et tampon et même compromettre la formation de la collerette (déformation plastique) au contact de l outil. Pour s opposer au couple généré par F1, on applique en périphérie du flan une force F2 grâce à un second outil (en bois) retenu par l opérateur ou à un support mobile en repoussage CNC (figure 2b et lien 2). Pour empêcher le voilement du bord du flan sous la poussée de l outil, et en même temps réduire la flexion en A, on peut donner de la rigidité au flan en repliant le rebord (bordage, voir figure 6b). Cette opération doit précéder le repoussage (voir lien 4). Puisqu en repoussage on génère des ébauches qui se rapprochent peu à peu de la forme creuse avant qu elles épousent le mandrin de forme, il est donc possible de réaliser des pièces sans l usage de préformes. Cependant, étant donné le degré d habileté requis et la précision réalisable avec cette méthode, le repoussage «en l air» au tour n a été appliqué que dans le domaine artisanal. L usage de tour de repoussage à commande numérique pourrait cependant rendre la méthode intéressante pour la production de pièce industrielle. Les alliages d aluminium généralement utilisés pour le repoussage sont les mêmes qu en emboutissage, soit les alliages 1200, 1050A, 3003, 5052, 5454, 5086, 5083, 5183, 4006, 4007 dans les états O et H111 et 2017A-T4 et 6061-T4. Quel que soit l alliage, il est préférable de repousser le métal à l état recuit (état O) si on veut bénéficier de la ductilité maximale. Quel que soit l alliage, si on veut bénéficier de la ductilité maximale, il est préférable de repousser le métal à l état recuit (état O) ou immédiatement après le traitement thermique de mise en solution pour les alliages à durcissement structural (voir Le Feuillard technique «Les traitements thermiques des alliages d aluminium»). 5

6 LE FLUOTOURNAGE Dans le fluotournage (shear spinning), on utilise un équipement similaire (machine CNC). La différence dans ce procédé est que l outil génère une force suffisante pour plaquer la tôle contre le mandrin de forme en une seule passe de l outil (voir figure 7 et lien 3). La tôle est déformée en cisaillement dans son épaisseur et on peut imaginer chacun des anneaux concentriques du disque glissant sur le précédent sans changer de diamètre (glissement de cartes). Le diamètre du flan requis sera généralement égal au diamètre maximal de la pièce à produire. Dans ces conditions, il n y a pas d état de contrainte susceptible de produire du plissement, mais il en résulte une réduction d épaisseur de la tôle d autant plus importante que la forme est profonde. Pour une forme conique, on détermine la variation d épaisseur par la relation suivante : Épaisseur finale = Épaisseur initiale cos (α) Avec cette formule, l angle local détermine l épaisseur locale pour une géométrie qui diffère de la forme conique, par exemple une calotte sphérique. Le pourcentage maximal de réduction d épaisseur en une seule passe varie selon l alliage et la géométrie à réaliser. Il se situe entre 35% et 75% pour les alliages d aluminium. Le procédé est bien adapté aux formes coniques et hémisphériques. Pour un hémisphère, il est possible d obtenir une épaisseur finale uniforme si on utilise un flan préusiné en fonction des variations d épaisseur produites par l opération (figure 8). procédé est bien adapté aux formes coniques et hémisphériques. Pour un hémisphère, il est possible d obtenir une épaisseur finale uniforme si on utilise un flan préusiné en fonction des variations d épaisseur produites par l opération (figure 8). Alliage d aluminium 6061 (mise en solution) 67 diamètre 0,390 t 1 (0,150) 0,212 0,300 e f 0,300 0, o t 2 (0,150 constant) e i 30 o Mandrin Flan de départ 60 diamètre Flan usiné Flan bordé Figure 7 - Coupe d une pièce conique qui montre la variation de l épaisseur initiale dans la zone déformée par fluotournage Figure 8 Fluotournage d un hémisphère d épaisseur uniforme à partir d un flan d épaisseur préusiné (source : ASM Handbook, vol 14, p 603) 6

7 L avance de l outil qui se situe normalement entre 38 et 380 mm/minute donne un aperçu de la vitesse d exécution. Le fait de procéder en une seule passe confère donc à ce procédé une grande productivité. La déformation du métal génère beaucoup d énergie en fluotournage. Aussi, une lubrification (huiles solubles) doit jouer le rôle supplémentaire de refroidir la pièce. Il faut noter que le repoussage au tour manuel combine souvent des séquences de fluotournage et de repoussage conventionnel (voir lien 9). Dans ce cas le diamètre minimal du flan est déterminé par des essais. RÉALISATIONS TYPIQUES RÉFÉRENCES 1. Procédés et technologie du formage, C. Jarboui, Techniques de l ingénieur, BM Forming and bending, Kaiser aluminum, 1ère édition. 3. ASM specialty Handbook, Aluminum and aluminum alloys, (1996). 4. Kalpakjian S, Schmid S. R., Manufacturing processes for engineering materials, 4e édition, Prentice Hall. 5. ASM Handbook, Forming and forging, vol 14, (1998). 7

8 LIENS UTILES 1. Repoussage manuel 2. Repoussage avec contre appui sur machine CNC 3. Repoussage et fluotournage sur machine CNC 4. Renforcement du bord / dôme réflecteur 5. Sangle pour s attacher au tour 6. Repoussage manuel / retroussement du bord par les forces de compression tangentielles 7. Repoussage manuel / mandrin en 2 sections 8. Metal spinning workshop 9. Fluotournage combiné au repoussage sur tour manuel ENTREPRISES DE REPOUSSAGE AU QUÉBEC Richard métal repoussé inc. (téléphone : ) Le Feuillard technique est publié par : Centre québécois de recherche et de développement de l'aluminium 637, boulevard Talbot, bureau 102 Chicoutimi (Québec) G7H 6A4 Téléphone : Télécopieur : info@cqrda.ca Rédaction Maurice Duval Collaboration Édith Villeneuve Conception Marianne Parent Révision linguistique Andréanne Martin 8