Sheet metal forming in temperature of an aluminium alloy AA5754-O
Mise en forme par emboutissage en température d'un alliage d'aluminium AA5754-O
Résumé
The studied material is an Al-Mg alloy (AA5754 -O) used in the automotive industry for the fabrication of inner body panels. At room temperature this material is subject to the Portevin-Le Chatelier ( PLC ) phenomenon that result in stretcher lines on the surface of the deep drawn parts, preventing its use for appearance parts. To improve the understanding of the material behavior, tensile and simple shear tests were carried out at temperatures ranging from 20 to 200°C. These two loading paths allowed to define the domain of existence of the PLC effect as a function of temperature and strain rate, by mean of an optical measurement of the deformation. In parallel, the formability of the material was evaluated from the deep drawing of cylindrical cups (Swift test). To investigate the influence of temperatures on the formability and the springback (through the Demeri test), a device was developed to draw cylindrical cups at temperatures up to 200 °C. This device allows, through interchangeable inserts coated (or not) by thin film W-Ti-N, to change the properties of the contact between the sheet and the tool in order to analyze the influence of friction on the process and consequences on the springback, depending on temperatures and the type of insert used. Numerical simulations of this process at room temperature were performed with the Finite Element code Abaqus®, using the coefficients of the material behavior laws identified via the experimental database. Numerical simulations are then compared with experimental results.
Les économies d'énergie et l'allègement des véhicules ont conduit les fabricants automobiles à se tourner vers de nouveaux matériaux métalliques, de plus en plus complexes, en lieu et place des aciers traditionnellement utilisés. Dans ce contexte, les alliages d'aluminium, du fait de leurs bonnes propriétés mécaniques et de leur bon rapport résistance/masse, connaissent un essor important, notamment pour la fabrication des éléments de carrosserie. Cependant, le retour élastique et l'apparition de défauts d'aspect consécutifs aux opérations de mise en forme complexifient la mise au point et allongent les délais de fabrication tout en impactant le prix de revient. Dans ce contexte, la mise en forme par emboutissage en température, bien que plus compliquée à mettre en oeuvre, semble être une alternative envisageable. En effet, l'augmentation de la température permet de réduire le retour élastique tout en diminuant les efforts mis en jeu sur les outils. Le matériau choisi est un alliage d'aluminium-magnésium (AA5754-O) habituellement employé dans le secteur automobile pour la réalisation de panneaux intérieurs d'ouvrants. Ce matériau présente, à température ambiante, l'inconvénient majeur d'être sujet à l'effet Portevin-Le Chatelier (PLC), se manifestant par des stries à la surface des pièces embouties, empêchant ainsi son utilisation pour des pièces d'aspect malgré un coût attrayant par rapport à d'autres alliages d'aluminium. La caractérisation expérimentale de ce matériau a été effectuée dans une gamme de température allant de 20 à 200~°C, en traction puis en cisaillement simple. Ces deux trajets de chargement ont permis, par le biais d'une mesure optique des déformations, de définir la gamme d'existence de l'effet PLC en fonction de la température et de la vitesse de déformation. Parallèlement, la formabilité de ce matériau a été évaluée à partir d'essais d'emboutissage de godets cylindriques. Les contraintes internes générées au cours du procédé, à l'origine du retour élastique, sont caractérisées à l'aide du test de Demeri, consistant à mesurer l'ouverture d'un anneau découpé dans le mur du godet. Afin d'étudier l'influence de la température sur l'emboutissabilité et le retour élastique, un dispositif, adaptable sur une machine d'essai BUP200, a été mis au point pour mettre en forme des godets jusqu'à 200°C. Ce dispositif permet par le biais d'inserts interchangeables, revêtus (ou non) par des films minces W-Ti-N, de modifier les propriétés de contact tôle/outil et d'analyser l'influence du frottement sur le procédé et les conséquences sur le retour élastique, en fonction de la température et du type d'insert utilisé. Les simulations numériques de ce procédé à température ambiante ont été effectuées avec le code de calcul Abaqus, en utilisant la base de données expérimentale pour identifier les coefficients des lois de comportement du matériau. Les simulations numériques sont alors confrontées aux résultats expérimentaux en termes d'effort d'emboutissage, de champs de déformation, d'épaisseurs de godet, de cornes d'emboutissage et de retour élastique.
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