Jeu poinçon-matrice pour les barres en cuivre et en aluminium

Le jeu est l'écart entre l'arête tranchante du poinçon et celle de la matrice. C'est une valeur unique, facile à rater, et sur les jeux de barres elle est fausse plus souvent que n'importe quel autre paramètre d'outillage. La plupart des recommandations publiées ont été écrites pour l'emboutissage de tôle de 1-3 mm ; la barre, c'est 6-20 mm de cuivre tendre, ductile et écrouissable. Les pourcentages se transposent. Les conséquences, non.

Deux conventions coexistent et elles diffèrent d'un facteur deux. Le jeu total est la différence entre l'ouverture de matrice et la cote du poinçon. Le jeu par côté en est la moitié, l'écart radial en un point quelconque du périmètre. Un tableau de fournisseur indiquant « cuivre, 20 % » et un atelier travaillant à 10 % peuvent décrire un outillage identique. Établissez quelle convention emploie une valeur avant de la comparer à quoi que ce soit. Cet article raisonne partout par côté, et convertit les sources citées lorsque nécessaire.

Ce que vous dit l'arête coupée

Un trou poinçonné dans une barre comporte quatre zones, visibles sur l'alésage et reproduites en miroir sur la pastille. Les lire est le diagnostic le plus rapide dont vous disposez, et il ne coûte rien.

L'affaissement de bord se situe en face d'entrée du poinçon, là où la matière plastifie et s'entraîne dans le trou avant d'être coupée, laissant une lèvre arrondie. La profondeur d'affaissement croît avec le jeu, l'émoussement de l'outil et la tendreté du matériau : ce n'est donc pas un défaut en soi. Sur du cuivre recuit, il est toujours visible.

La bande brunie est la bande brillante située sous l'affaissement, là où la paroi du trou a été frottée par le flanc du poinçon. Elle est lisse et droite, et dimensionnellement c'est elle qui constitue le trou. Le guide d'outillage de Dayton Lamina décrit le jeu optimal comme produisant une pastille dont la portée brunie représente environ un tiers de l'épaisseur du matériau, avec un plan de rupture régulier dans son prolongement — ce qui fonctionne aussi comme règle d'acceptation pour les jeux de barres.

La rupture est le reste, mat et grossier. Elle est inclinée parce que la fissure va de l'arête du poinçon à l'arête de la matrice, et c'est le jeu qui fixe cet angle. Une surface de rupture droite, uniforme et dans la continuité de la bande brunie signifie que les deux fissures se sont rejointes. C'est tout l'objectif.

La bavure se situe en face de sortie du poinçon : c'est le dernier ligament de matière qui s'allonge et se déchire au lieu d'être cisaillé. La hauteur de bavure croît avec le jeu, l'usure d'arête et la tendreté.

Deux signatures de défaillance comptent plus que les autres. Une bande de cisaillement secondaire, c'est-à-dire un second anneau bruni à mi-hauteur de la paroi avec une marche entre les deux, signale que la fissure issue du poinçon et celle issue de la matrice ne se sont pas rejointes dans le même plan et que la matière intermédiaire a dû être cisaillée deux fois. C'est un jeu trop faible. Un fort affaissement de bord avec une bavure mince et déchiquetée et une bande brunie très courte signale un jeu trop grand.

Conservez une pastille de chaque nouveau jeu d'outils, étiquetée avec le matériau, l'épaisseur et le jeu. Comparer une pastille suspecte à une pastille de référence prend quinze secondes et tranche la plupart des débats sur la nécessité de réaffûter un outil ou de corriger le jeu.

Le jeu en pourcentage de l'épaisseur, par côté

L'expression de travail est :

c = k × t          (jeu par côté, mm)
ouverture de matrice = cote du poinçon + 2c

où t est l'épaisseur du matériau et k le rapport de jeu. Pour la barre de cuivre, k se situe dans une bande de 5-12 % par côté. En dessous de 5 %, vous entrez dans le cisaillement secondaire et l'endommagement thermique. Au-delà d'environ 12 % sur barre épaisse, l'affaissement de bord et la maîtrise de la pastille commencent à dominer. Environ 10 % par côté est la valeur de travail courante, et c'est là qu'aboutissent la plupart des fournisseurs d'outillage pour de la barre demi-dure.

La bande, calculée pour les épaisseurs que l'on rencontre en appareillage :

Ainsi, le cuivre de 6 mm demande environ 0,3-0,7 mm par côté, et le cuivre de 10 mm environ 0,8-1,2 mm par côté en travaillant dans la moitié haute de la bande. Ces ouvertures de matrice paraissent alarmantes à côté du poinçon si votre intuition vient du travail en faible épaisseur. Elles sont correctes. La matrice d'un poinçon de 13 mm dans du cuivre de 10 mm à 10 % par côté fait 15 mm, et le trou obtenu mesurera près de 13 mm, car c'est la bande brunie qui fixe l'alésage, pas la matrice.

Les tables publiées varient, et pour une raison. Le guide d'outillage de Conic donne au cuivre un rapport de jeu de 0,20-0,25 en valeur totale sur presses servo et hydrauliques, soit 10-12,5 % par côté, avec une note prescrivant de multiplier par 1,4 au-delà de 3,2 mm d'épaisseur. Pris à la lettre, cela porte le cuivre épais à 14-17 % par côté. UniPunch liste le cuivre à 20 % de l'épaisseur pour le demi-dur et 25 % pour l'état dur, en valeur totale là encore. Les travaux de Dayton sur le jeu optimisé, qui portent sur l'emboutissage en faible épaisseur, montent plus haut encore. L'écart est réel plutôt que négligent : l'optimum dépend de ce que vous achetez — durée de vie d'outil, bavure minimale ou répétabilité dimensionnelle — et ces trois objectifs ne culminent pas au même jeu.

Un jeu trop faible

La fissure issue du poinçon et celle issue de la matrice démarrent chacune à sa propre arête tranchante et se propagent l'une vers l'autre. Avec le jeu correct, elles se situent dans le même plan et se rejoignent. Avec un jeu insuffisant, elles se croisent, et le ligament qui les sépare doit être déchiré lors d'un second événement. Cela donne la bande de cisaillement secondaire, un alésage rugueux et irrégulier, et un trou sous-coté par rapport au poinçon.

Les conséquences à l'outil sont pires que celles à la pièce. Le cuivre revient élastiquement sur le flanc du poinçon après la rupture : à jeu serré, le trou se referme donc sur le poinçon et chaque course se termine par un ajustement serré qu'il faut forcer au retour. L'effort de dévêtissage grimpe, le flanc s'abrase, et la chaleur de frottement s'accumule à la pointe. Les cas de terrain de Dayton montrent une décoloration derrière la pointe due exactement à ce mécanisme, le traitement thermique du poinçon étant endommagé et sa vie terminée bien avant que l'arête elle-même ne soit usée. Dans les cas sévères, la pointe fatigue et se détache.

C'est au retrait, et non à la course de coupe, que se produit une grande part de l'usure. Dayton l'estime jusqu'aux deux tiers de l'usure totale du poinçon, et cela dépend entièrement de la force avec laquelle le trou serre le flanc. C'est l'argument le plus fort contre un jeu en bas de bande sur le cuivre. Le cuivre est tendre, donc la presse ne se plaint jamais. Le budget outillage, si.

Le tonnage de crête monte aussi à jeu serré, car une plus grande part de l'épaisseur est cisaillée plutôt que rompue. Sur une machine sans réserve, c'est une voie plausible vers un coulisseau bloqué sur la barre la plus épaisse de l'affaire.

Un jeu trop grand

La matière fléchit dans la matrice avant d'être coupée. L'affaissement de bord grandit, la bande brunie raccourcit, la zone de rupture occupe l'essentiel de la paroi et la hauteur de bavure augmente. Le trou est surcoté et son arête n'est plus d'équerre, ce qui compte lorsque le trou se trouve sur une face de raccordement boulonné.

La défaillance d'exploitation est la remontée de pastille. À mesure que le jeu augmente, la pastille tient plus librement dans la matrice et remonte avec le poinçon au retrait au lieu de tomber. Elle atterrit sur la barre et se fait enfoncer dans le trou suivant, ou se coince dans le dévêtisseur. Sur le cuivre, les mécanismes sont l'adhérence par film d'huile et le vide formé entre la pastille bombée et la face du poinçon. L'adhérence magnétique, troisième coupable habituel sur l'acier, ne s'applique pas.

Les parades sont mécaniques : un éjecteur à ressort dans la face du poinçon avec un évent latéral, un angle de dépouille qui bombe la pastille de sorte que son propre retour élastique la libère, ou une matrice à portée de coupe courte suivie d'un dégagement plus étroit qui retient la pastille pour l'empêcher de remonter. Limiter l'entrée du poinçon dans la matrice à environ 0,5-0,8 mm en fond de course aide, une entrée profonde créant davantage de vide au retour. La liste complète et la valeur de chaque parade figurent dans durée de vie des outils et coût par trou.

Petits trous dans de la barre épaisse

Les jeux de barres posent un problème de géométrie que l'emboutissage en faible épaisseur ne connaît pas. Un trou de passage M12 fait 13 ou 13,5 mm. Dans de la barre de 10 mm, le rapport diamètre/épaisseur vaut environ 1,3 ; dans de la barre de 12 mm, environ 1,1. C'est un trou trapu et profond, et il ne se comporte pas comme un trou de 25 mm dans de la tôle de 3 mm.

En dessous d'un rapport diamètre/épaisseur d'environ 1,5, la pastille devient difficile à plier et à détacher. La charge sur le poinçon monte, la bande brunie s'allonge, la bavure grossit et le trou ressort sous-coté. La recommandation de Dayton est d'ajouter 1 % par côté au jeu nominal dès que le trou descend à 1,5 fois l'épaisseur, jusqu'à environ 4 % par côté supplémentaires lorsque le diamètre de trou égale l'épaisseur. Appliquée à un trou de 13 mm dans du cuivre de 12 mm, cette correction n'est pas facultative, et elle explique pourquoi un jeu d'outils qui fonctionne parfaitement à 6 mm se comporte mal à 12 mm au même pourcentage nominal.

Les données de durée de vie d'outil de PASS Stanztechnik concordent par l'autre bout : leurs facteurs de déclassement sont de 0,6-0,8 pour une entité découpée plus petite que 1,5 fois l'épaisseur de tôle et de 0,3-0,5 pour une entité plus petite que 1,0 fois l'épaisseur. Un petit trou dans de la barre épaisse coûte entre la moitié et les deux tiers de la durée de vie d'outil que vous obtiendriez autrement.

L'effort de poinçonnage, et ce que la géométrie de pointe lui fait

L'effort nécessaire est l'aire cisaillée multipliée par la résistance au cisaillement du matériau, F = périmètre × t × τ, ou F = π × d × t × τ pour un trou rond. Des exemples chiffrés et un jeu de résistances au cisaillement de référence figurent dans l'article compagnon sur le dimensionnement de l'effort de presse, et l'arithmétique se fait directement dans le calculateur d'effort de poinçonnage.

Le jeu interagit avec cela, et la géométrie de pointe aussi. Un poinçon à face plate coupe tout le périmètre d'un coup : tout l'effort arrive donc en pointe et la décharge à la rupture est violente. Rectifier une dépouille sur la face du poinçon étage la coupe et abaisse le tonnage de crête, mais sur de la barre épaisse cela l'abaisse moins que ne le laisse entendre le discours commercial. La table de facteurs de H. Weiss donne, sur du 1/4 in (6,35 mm), un facteur de 0,90 pour une profondeur de dépouille de 1/16 in (1,6 mm), 0,85 pour 3/32 in (2,4 mm) et 0,65 pour 3/16 in (4,8 mm). Une dépouille faible sur du cuivre épais rapporte 10 %. Obtenir 35 % demande une profondeur de dépouille approchant les trois quarts de l'épaisseur de barre, ce qui donne une pointe longue et fragile.

La face plate donne l'effort de crête le plus élevé, le trou le plus d'équerre et la pastille la plus plane. La simple pente, face rectifiée en biais en travers du poinçon, donne la plus forte réduction d'effort mais pousse le poinçon latéralement, et sur un poinçon trapu de jeux de barres cet effort latéral part dans le guidage et le dévêtisseur. La dépouille en toit, symétrique par rapport à l'axe, équilibre les efforts latéraux et constitue le choix habituel pour tout ce qui n'est pas un très petit trou. En perçage, mettez la dépouille sur le poinçon plutôt que sur la matrice : l'élément qui porte l'angle déforme son côté de la coupe, et sur un trou percé la pastille est du déchet tandis que la barre est le produit.

L'aluminium n'est pas du cuivre, et le 6101 n'est pas le 1350

L'aluminium change deux choses. La résistance au cisaillement chute fortement, et elle ne chute pas uniformément selon les nuances employées en jeux de barres.

Les nuances conductrices douces de la série 1xxx se situent autour de 60-80 N/mm² au cisaillement ; UniPunch liste le 1100-O à 62 N/mm² et le 1100-H14 à 76 N/mm², ce qui est le bon ordre de grandeur pour de la barre 1350-H111. La barre alliée et traitée thermiquement est un autre matériau. La résistance au cisaillement publiée pour le 6101-T6 est d'environ 22 ksi, soit environ 150 N/mm², et le 6061-T6 est listé à 207 N/mm². Dimensionner une presse ou un jeu d'outils pour « aluminium, 80 N/mm² » puis recevoir de la barre 6101-T6 double presque l'effort réellement nécessaire. Établissez l'alliage et l'état avant le calcul de tonnage.

Le jeu pour la barre d'aluminium se situe légèrement en dessous de celui du cuivre à épaisseur égale, typiquement autour de 8-10 % par côté, car la plus faible résistance au cisaillement laisse la rupture se propager facilement. Le problème de l'aluminium est l'adhérence. Il grippe sur l'acier à outils, s'accumule sur le flanc du poinçon, puis raye les cent trous suivants. Un revêtement aide, et PASS Stanztechnik annonce un facteur de durée de vie d'outil de 2,0-4,0 pour un revêtement approprié, c'est-à-dire une nuance spécifique à l'aluminium plutôt qu'un TiN polyvalent. La lubrification aide davantage. Le facteur de déclassement de PASS pour un travail sans lubrification de tôle est de 0,4-0,6 : poinçonner l'aluminium à sec est donc une fausse économie.

L'état métallurgique du cuivre compte de la même façon. Sous EN 13601, la barre Cu-ETP est livrée en R220 doux recuit à 220-260 N/mm² en traction, R240 demi-dur à 240-300 et R290 dur à 290-360. C'est assez éloigné pour qu'un jeu d'outils ajusté pour un état ne soit pas optimal sur un autre.

Spécifier la bavure sur le plan

La plupart des plans de jeux de barres ne disent rien de la bavure, et le contrôle refuse ensuite des pièces au regard d'un critère non écrit. Le moyen de le dire correctement est ISO 13715, Documentation technique de produits — Arêtes de forme non définie — Indication et cotation, troisième édition 2017.

La norme donne un symbole graphique placé sur l'arête, portant un signe et une valeur. C'est le signe qui porte le sens :

• + indique un excès de matière admis, que la norme appelle dépassement. La bavure y est explicitement définie comme un cas particulier de dépassement extérieur. Une valeur positive seule signifie que l'autre limite vaut zéro : la sous-épaisseur n'est donc pas admise.
• − indique un enlèvement de matière exigé, une sous-épaisseur. Une valeur négative seule signifie que le dépassement n'est pas admis : aucune bavure n'est donc tolérée et l'arête doit être cassée.
• ± indique que l'un ou l'autre est admis, et ne peut être employé qu'avec une valeur dimensionnelle.

La valeur est l'écart maximal admis, écrite après le signe. Les limites supérieure et inférieure peuvent être données toutes deux, superposées. ISO 13715 prévoit également l'indication de la direction dans laquelle le dépassement ou la sous-épaisseur est admis, et c'est la disposition la plus importante sur les jeux de barres, car une bavure sur la face de raccordement d'une liaison boulonnée n'est pas le même problème qu'une bavure sur la face libre.

Ce qu'ISO 13715 ne fait pas, c'est vous dire quelle valeur écrire. Celle-ci découle de la fonction de l'arête :

• Faces de raccordement boulonné : la bavure se place entre deux conducteurs en contact et les écarte, réduisant l'aire de contact et augmentant la résistance du raccordement. Comme IEC 61439 fixe une limite d'échauffement de 70 K aux bornes destinées au raccordement de conducteurs extérieurs, la résistance de raccordement est un enjeu de conformité et non d'esthétique. Spécifiez le côté de la bavure, et spécifiez-le serré.
• Alésages traversés par une tige de boulon : la bavure gêne ici l'assemblage et peut rayer le boulon. Une maîtrise modérée suffit.
• Arêtes proches d'une barrière isolante ou d'un intervalle d'air : c'est une question de distance d'isolement et de ligne de fuite au sens d'IEC 60664-1, puisqu'une bavure vive et saillante augmente localement l'intensité du champ. C'est aussi là que quelqu'un affirme généralement qu'une norme impose le chanfreinage. Aucune ne le fait. Le traitement d'arête est un moyen de satisfaire les dispositions diélectriques, non une exigence en soi.

Pour les motifs de perçage selon DIN 43673-1, qui fixe l'implantation et la dimension des trous ainsi que les données de base des raccordements vissés sur barres rectangulaires, la spécification de bavure appartient au même plan que le motif.

Là où la limite est assez serrée pour que le poinçonnage seul ne la tienne pas, la réponse est une opération en aval plutôt qu'un jeu toujours plus serré. L'ébavurage à la brosse ou à la bande sur une machine telle que la BND800-2, qui traite la barre de 0,5 à 50 mm d'épaisseur et de 100 à 800 mm de largeur, clôt le débat. Poursuivre une bavure de 0,05 mm en resserrant le jeu coûte à la fois de la durée de vie de poinçon et de la qualité de trou.

Le régler et le contrôler sur la machine

Le jeu appartient au jeu d'outils, non à la presse : sur une machine de poinçonnage et de cisaillage, il est donc figé à la commande du poinçon et de la matrice, et vérifié à leur montage. Mesurez poinçon et matrice séparément et calculez le jeu plutôt que de vous fier à l'étiquette : un poinçon rectifié sur le flanc plutôt que sur la face n'a plus la cote gravée dessus. Contrôlez ensuite la concentricité, car une valeur par côté doit tenir sur tout le pourtour. Un poinçon décentré de 0,1 mm dans un jeu nominal de 0,8 mm donne 0,7 mm d'un côté et 0,9 mm de l'autre, et la bavure sera visiblement dissymétrique. Sur un centre d'usinage à tourelle multi-postes tenant ±0,05 mm de positionnement, l'alignement des postes et la propreté de la tourelle font partie de la chaîne du jeu.

Ce que cet écoulement plastique local fait à la rectitude de la barre est traité dans planéité, rectitude et vrillage après usinage, et la présentation du procédé de poinçonnage situe le trou dans le reste de la gamme.