L’hydroformage est un moyen rentable de façonner des métaux ductiles tels que l’aluminium, le laiton, l’acier faiblement allié et l’acier inoxydable en pièces légères, structurellement rigides et solides. L’une des principales applications de l’hydroformage est l’industrie automobile, qui utilise les formes complexes rendues possibles par l’hydroformage pour produire des structures monocoques plus solides, plus légères et plus rigides pour les véhicules. Cette technique est particulièrement populaire dans l’industrie des voitures de sport haut de gamme et est également fréquemment utilisée pour le façonnage des tubes d’aluminium destinés aux cadres de bicyclettes. L’hydroformage de la tôle utilise un fluide hydraulique sous pression dans un diaphragme flexible pour façonner la tôle à l’aide d’un seul outil non accouplé. Ce procédé permet de créer un large éventail de formes géométriques complexes. Les presses d’hydroformage peuvent combiner ou même remplacer différents procédés de formage du métal, notamment le formage par presse plieuse, le formage par étirage traditionnel, le formage par patins en caoutchouc, le formage par matrice progressive, etc. Ces machines peuvent également regrouper plusieurs étapes en un seul cycle, éliminant pratiquement les processus de finition secondaires tels que le polissage, le recuit ou le soudage.
L’hydroformage est un type spécialisé de matriçage qui utilise un fluide hydraulique à haute pression pour presser le matériau à température ambiante dans une matrice. Pour hydroformer de l’aluminium dans un rail de châssis de véhicule, un tube creux d’aluminium est placé à l’intérieur d’un moule négatif qui a la forme du résultat souhaité. Des pompes hydrauliques à haute pression injectent ensuite un fluide à très haute pression à l’intérieur du tube d’aluminium, ce qui provoque son expansion jusqu’à ce qu’il épouse la forme du moule. L’aluminium hydroformé est ensuite retiré du moule. L’hydroformage permet de former des formes complexes avec des concavités, ce qui serait difficile ou impossible avec l’emboutissage standard en matrice solide. Les pièces hydroformées peuvent souvent être fabriquées avec un rapport rigidité/poids plus élevé et à un coût unitaire inférieur à celui des pièces traditionnelles embouties ou embouties et soudées. Pratiquement tous les métaux pouvant être formés à froid peuvent être hydroformés, notamment l’aluminium, le laiton, l’acier au carbone et l’acier inoxydable, le cuivre et les alliages à haute résistance[1].
Si des électrodes sont utilisées pour vaporiser le fluide de manière explosive dans un arc, cela décrirait un processus similaire connu sous le nom de formage électrohydraulique.
Principales variantes du processus
Hydroformage de feuilles
Ce procédé est basé sur le brevet d’hydromoulage déposé dans les années 1950 par Fred Leuthesser, Jr. et John Fox de la Schaible Company de Cincinnati, Ohio, aux États-Unis[2]. Il était à l’origine utilisé pour la production de becs de cuisine. En effet, outre le renforcement du métal, l’hydromoulage produisait également des pièces moins « granuleuses », ce qui facilitait la finition du métal. Dans l’hydroformage de la tôle, on distingue le formage en vessie (où une vessie contient le liquide ; aucun liquide n’entre en contact avec la tôle) et l’hydroformage où le liquide entre en contact avec la tôle (sans vessie). Le formage de la vessie est parfois appelé flexion[4]. La flexion est surtout utilisée pour les productions de faible volume, comme dans le domaine aérospatial. Le formage avec le fluide en contact direct avec la pièce peut être réalisé soit avec un poinçon plein mâle (cette version est parfois appelée emboutissage profond hydromécanique), soit avec une matrice pleine femelle. Dans l’emboutissage hydromécanique, une pièce à usiner est placée sur un anneau d’étirage (serre-flan) au-dessus d’un poinçon mâle ; une chambre hydraulique entoure ensuite la pièce à usiner et une pression initiale relativement faible plaque la pièce à usiner contre le poinçon. Le poinçon est ensuite soulevé dans la chambre hydraulique et la pression augmente jusqu’à 100 MPa (15 000 psi), ce qui forme la pièce autour du poinçon. Ensuite, la pression est relâchée et le poinçon est rétracté, la chambre hydraulique est soulevée et le processus est terminé.
Parmi ces techniques, l’essai de bombement hydraulique permet d’augmenter l’écrouissage du matériau en feuille par des opérations d’étirage distinctes et offre une meilleure précision de forme pour les pièces complexes. Ainsi, en sélectionnant le matériau et les paramètres de formage appropriés pour l’étude du bombage hydraulique de la tôle, on peut déterminer les courbes limites de formage (FLC).
Signification
L’essai de bombage hydraulique est plus approprié pour les opérations de formage de la tôle car le mode de déformation est bi-axial plutôt qu’uniaxial. Il fournit également des courbes d’écoulement pour les matériaux avec une gamme étendue de niveaux de déformation plastique jusqu’à 70% avant que l’éclatement ne se produise. Il est utile de générer les FLC qui seront un sens fiable de l’entrée de référence pour le solveur explicite comme LS-DYNA. Ces FLCs obtenues sont utilisées comme entrée de courbe de charge pour ces solveurs pour l’analyse. Les FLC sont également très utiles pour identifier la zone exacte pour les opérations de formage sans être affecté par un rétrécissement localisé et d’autres défauts possibles pendant le formage. L’essai de gonflement hydraulique est utile pour calculer le coefficient de durcissement par déformation « n » (c’est-à-dire le coefficient de durcissement par travail) du matériau, afin de déterminer la capacité du matériau à être formé. Une approche simple et polyvalente. Une distribution contrôlée de la pression sur la surface de la pièce pendant le formage peut être utilisée pour « contrôler » l’épaisseur de la tôle et retarder le rétrécissement localisé. L’utilisation d’un seul outil de surface de forme, ce qui permet d’économiser du temps et de l’argent dans la fabrication de l’outillage. L’absence de contact rigide de l’outil sur une surface réduit également le frottement de la surface et donc les défauts de surface, ce qui permet d’obtenir un bon état de surface.
Noms alternatifs, autres variantes et procédés similaires
- Hydromec (emboutissage hydromécanique)
- Aquadraw
- Formage par bombage
- Formage à l’explosif: Pour les grandes pièces, l’hydroformage explosif peut générer la pression de formage en faisant simplement exploser une charge au-dessus de la pièce (avec un moule sous vide) qui est immergée dans un bassin d’eau. L’outillage peut être beaucoup moins cher que celui qui serait nécessaire pour un procédé de type presse. Le procédé d’hydroformage dans un moule fonctionne également en utilisant uniquement une onde de choc dans l’air comme moyen de pression. En particulier lorsque les explosifs sont proches de la pièce, les effets d’inertie rendent le résultat plus compliqué que le formage par pression hydrostatique seule.
- Formage de coussinets en caoutchouc
Hydroformage de tubes
Il existe deux grandes méthodes d’hydroformage des tubes : la haute pression et la basse pression. Dans le procédé haute pression, le tube est entièrement enfermé dans une matrice avant d’être mis sous pression. Dans le cas du procédé à basse pression, le tube est légèrement pressurisé à un volume fixe pendant la fermeture de la matrice (ce procédé était autrefois appelé procédé Variform). Historiquement, le procédé a été breveté dans les années 50[7], mais il s’est répandu industriellement dans les années 70 pour la production de grands joints en T pour l’industrie pétrolière et gazière. Aujourd’hui, il est surtout utilisé dans le secteur automobile, où l’on trouve de nombreuses applications industrielles[8][9]. Avec l’essor du vélo électrique, c’est désormais une méthode de choix pour les fabricants de vélos électriques. Les tubes descendants et les tubes supérieurs, en particulier, sont avantageusement fabriqués par hydroformage afin de s’adapter à la batterie du vélo électrique. Les applications les plus récentes dans l’industrie du vélo sont maintenant les guidons hydroformés pour améliorer l’aérodynamique et l’ergonomie. Dans l’hydroformage de tubes, une pression est appliquée à l’intérieur d’un tube qui est maintenu par des matrices ayant les sections transversales et les formes souhaitées. Lorsque les matrices sont fermées, les extrémités du tube sont scellées par des poinçons axiaux et le tube est rempli de fluide hydraulique. La pression interne peut aller jusqu’à quelques milliers de bars et provoque le calibrage du tube contre les matrices. Le fluide est injecté dans le tube par l’un des deux poinçons axiaux. Les poinçons axiaux sont mobiles et leur action est nécessaire pour assurer une compression axiale et pour alimenter la matière vers le centre du tube bombé. Des contre-poinçons transversaux peuvent également être incorporés dans la matrice de formage afin de former des protubérances avec un faible rapport diamètre/longueur. Les contre-poinçons transversaux peuvent également être utilisés pour poinçonner des trous dans la pièce à la fin du processus de formage.
Dans le passé, la conception du procédé a été une tâche difficile, car la modélisation analytique initiale n’est possible que pour des cas limités[10]. Les progrès réalisés ces dernières années dans le domaine de l’analyse par éléments finis et de la modélisation par éléments finis ont permis de concevoir des procédés d’hydroformage pour une plus grande variété de pièces et de matériaux. Souvent, des simulations FEM doivent être effectuées afin de trouver une solution de procédé réalisable et de définir les courbes de chargement correctes : pression en fonction du temps et avance axiale en fonction du temps.[11] Dans le cas de pièces hydroformées en tube plus complexes, le tube doit être pré-cintré avant d’être chargé dans la matrice d’hydroformage. Le cintrage se fait de manière séquentielle sur la longueur du tube, le tube étant cintré autour de disques de cintrage (ou matrices) au fur et à mesure de l’introduction de la longueur du tube. Le cintrage peut être effectué avec ou sans mandrins. Cette complexité supplémentaire du processus accroît encore la dépendance à l’égard de la FEM pour la conception et l’évaluation des processus de fabrication. La faisabilité d’un processus d’hydroformage doit prendre en considération les propriétés initiales du matériau du tube et son potentiel de variation, ainsi que le processus de cintrage, la pression hydraulique tout au long du processus de formage, en incluant ou non une alimentation axiale, afin de prédire la formabilité du métal.
Outils typiques
Les outils et les poinçons peuvent être interchangés pour répondre aux différentes exigences des pièces. L’un des avantages de l’hydroformage est l’économie d’outils. Pour la tôle, seuls un anneau d’étirage et un poinçon (métallurgie) ou une matrice mâle sont nécessaires. Selon la pièce à former, le poinçon peut être fabriqué en époxy plutôt qu’en métal. La vessie de l’hydroforme elle-même fait office de matrice femelle, ce qui élimine la nécessité de la fabriquer. Cela permet de modifier l’épaisseur du matériau sans avoir à modifier l’outil. Cependant, les matrices doivent être hautement polies et, pour l’hydroformage de tubes, une matrice en deux parties est nécessaire pour permettre l’ouverture et la fermeture.
Géométrie produite
Un autre avantage de l’hydroformage est que des formes complexes peuvent être réalisées en une seule étape. Dans l’hydroformage de feuilles, la vessie servant de matrice mâle, des géométries presque illimitées peuvent être produites. Toutefois, le processus est limité par la force de fermeture très élevée nécessaire pour sceller les matrices, en particulier pour les grands panneaux et les matériaux durs épais. Les petits rayons d’angle concaves sont difficiles à calibrer complètement, c’est-à-dire à remplir, car une pression trop importante serait nécessaire. En fait, la force de fermeture de la matrice peut être très élevée, tant dans l’hydroformage de tubes que de feuilles, et peut facilement dépasser le tonnage maximal de la presse de formage. Afin de maintenir la force de fermeture de la matrice dans les limites prescrites, la pression interne maximale du fluide doit être limitée. Ceci réduit les capacités de calibrage du procédé, c’est-à-dire qu’il réduit la possibilité de former des pièces avec de petits rayons concaves. Les limites du procédé d’hydroformage des tôles sont dues aux risques d’amincissement excessif, de fracture, de plissement et sont strictement liées à la formabilité du matériau et à une sélection appropriée des paramètres du procédé (par exemple, la courbe de la pression hydraulique en fonction du temps). L’hydroformage de tubes peut également produire de nombreuses options géométriques, réduisant ainsi la nécessité d’opérations de soudage de tubes. On peut énumérer des limitations et des risques similaires à ceux de l’hydroformage de tôles ; cependant, la force de fermeture maximale est rarement un facteur limitant dans l’hydroformage de tubes.
Tolérances et finition de surface
L’hydroformage est capable de produire des pièces dans des tolérances étroites, y compris pour les avions où une tolérance courante pour les pièces en tôle est de 0,76 mm (1/30e de pouce). L’hydroformage du métal permet également d’obtenir une finition plus lisse, car les marques d’étirage produites par la méthode traditionnelle consistant à presser une matrice mâle et une matrice femelle l’une contre l’autre sont éliminées.
Si le retour élastique a longtemps été un sujet de discussion pour les opérations de formage de la tôle, il a été beaucoup moins étudié pour l’hydroformage des tubes. Cela peut être dû en partie aux niveaux relativement faibles de retour élastique qui se produisent naturellement lors de la déformation des tubes dans leurs géométries de section fermée. Les sections hydroformées de tubes, de par la nature de leurs sections fermées, sont très rigides et ne présentent pas de hauts degrés de déformation élastique sous charge. Pour cette raison, il est probable que la contrainte résiduelle négative induite pendant l’hydroformage des tubes soit insuffisante pour déformer la pièce de manière élastique après l’achèvement du formage. Cependant, étant donné que de plus en plus de pièces tubulaires sont fabriquées à partir d’acier à haute résistance et d’acier à haute résistance avancé, le retour élastique doit être pris en compte dans la conception et la fabrication des pièces hydroformées de tubes à section fermée.