Calcul de la tonnage d'emboutissage : La formule essentielle

TL ;DR

Le calcul des exigences en matière de tonnage d'emboutissage est essentiel pour sélectionner la presse adéquate et garantir un processus de fabrication réussi. La formule fondamentale est : Tonnage = Périmètre de coupe (po) × Épaisseur du matériau (po) × Résistance au cisaillement du matériau (tonnes/po²) la précision de ce calcul dépend de l'utilisation de la valeur exacte de résistance au cisaillement pour le matériau spécifique utilisé, car cette valeur varie considérablement entre les métaux tels que l'acier doux, l'aluminium et les aciers à haute résistance avancés.

La formule fondamentale pour le tonnage d'emboutissage

Au cœur de toute opération d'emboutissage se trouve un calcul essentiel permettant de déterminer la force nécessaire pour découper ou former une pièce. Cette force, mesurée en tonnes, détermine la taille et la capacité de la presse requise. L'utilisation d'une presse sous- dimensionnée peut entraîner des dommages aux équipements et des échecs de production, tandis qu'une presse surdimensionnée s'avère inefficace et coûteuse. La formule la plus largement acceptée pour le calcul du tonnage dans les opérations de découpage et de poinçonnage est simple mais efficace.

La formule principale s'exprime comme suit :

Force (Tons) = P × Th × SS

Chaque variable de cette équation représente un aspect critique de l'opération :

• P (Périmètre) : Il s'agit de la longueur totale de la découpe effectuée, mesurée en pouces. Pour un trou circulaire simple, il correspond à la circonférence (π × diamètre). Pour un carré ou un rectangle, il s'agit de la somme de tous les côtés.
• Th (Épaisseur) : Il s'agit du calibre ou de l'épaisseur de la tôle emboutie, mesurée en pouces.
• SS (Résistance au cisaillement) : Il s'agit d'une propriété intrinsèque du matériau qui définit sa résistance au cisaillement, exprimée en tonnes par pouce carré. C'est la variable la plus cruciale pour la précision.

Par exemple, pour calculer la tonnage nécessaire pour poinçonner un trou de 2 pouces de diamètre dans une tôle d'acier doux de 0,10 pouce d'épaisseur, dont la résistance au cisaillement est d'environ 25 tonnes/pouce², le calcul serait : Tonnage = (2 po × 3,1416) × 0,10 po × 25 tonnes/pouce² = 15,7 tonnes. Il est courant d'ajouter un facteur de sécurité de 15 à 20 % pour tenir compte de variables telles que l'usure de l'outil.

Pour appliquer cette formule à votre propre projet, suivez ces étapes :

1. Déterminez le périmètre (P) : Calculez la longueur totale de tous les bords coupés lors d'un seul coup de presse.
2. Mesurez l'épaisseur du matériau (Th) : Utilisez un pied à coulisse pour obtenir une mesure exacte de l'épaisseur de votre matériau en pouces.
3. Identifiez la résistance au cisaillement du matériau (SS) : Trouvez la résistance au cisaillement de votre matériau spécifique en tonnes par pouce carré. Cette valeur est généralement indiquée sur les fiches techniques du matériau ou dans les manuels de génie mécanique.
4. Calculez la tonnage : Multipliez les trois valeurs ensemble pour trouver la force requise en tonnes.
5. Ajoutez un facteur de sécurité : Augmentez votre tonnage calculé de 15 à 20 % afin de garantir que votre presse dispose d'une capacité suffisante.

Analyse approfondie des variables clés : propriétés des matériaux et géométrie des pièces

La précision du calcul du tonnage dépend uniquement de la qualité des données utilisées. Bien que le périmètre et l'épaisseur soient des mesures simples, la résistance au cisaillement du matériau est une variable complexe ayant un impact considérable sur le résultat. Une mauvaise compréhension de cette propriété est une source fréquente d'erreurs, en particulier avec les alliages modernes.

La résistance au cisaillement n'est pas une constante universelle ; elle varie fortement d'un matériau à l'autre. Par exemple, l'aluminium doux nécessite beaucoup moins de force pour être cisaillé que l'acier inoxydable trempé. Les aciers à haute résistance avancés (AHSS), de plus en plus utilisés dans l'industrie automobile pour leur rapport résistance-poids, présentent des résistances au cisaillement pouvant être plusieurs fois supérieures à celles des aciers doux traditionnels. Comme indiqué dans AHSS Guidelines , les calculs approximatifs traditionnels qui fonctionnaient pour l'acier doux peuvent largement sous-estimer la tonnage requis pour ces matériaux avancés, entraînant des problèmes importants.

La géométrie de la pièce est tout aussi importante. Le périmètre doit être calculé avec précision selon la forme découpée. Pour des formes simples comme les cercles (circonférence = π × diamètre) ou les rectangles (périmètre = 2 × longueur + 2 × largeur), cela est simple. Pour des formes complexes et irrégulières, le périmètre correspond à la somme de tous les segments droits et courbes individuels découpés simultanément.

Pour illustrer les différences dans les propriétés des matériaux, voici un tableau des valeurs approximatives de résistance au cisaillement pour les métaux courants :

Remarque : Ce sont des valeurs approximatives. Consultez toujours la fiche technique de votre fournisseur de matériaux pour des données précises.

Pour garantir l'exactitude de vos calculs :

• Vérifiez les spécifications du matériau : Ne supposez jamais la résistance au cisaillement. Obtenez toujours la valeur correcte pour l'alliage et le tempérament spécifiques de votre matériau.
• Mesurez précisément l'épaisseur : De légères variations de l'épaisseur du matériau peuvent avoir un effet notable sur la tonnage final, particulièrement avec des matériaux à haute résistance.
• Calculez soigneusement le périmètre : Pour les pièces complexes, décomposez la géométrie en segments plus petits afin de garantir un calcul correct de la longueur totale de découpe.

Calculs pour différentes opérations d'estampage

Bien que les principes fondamentaux de calcul de la force restent identiques, la formule doit être adaptée selon les différents types d'opérations d'estampage. La distinction principale réside dans la partie du processus qui consomme de l'énergie et dans la manière dont le matériau est sollicité. Confondre les exigences relatives au découpage, au poinçonnage et au tréfilage est une cause fréquente d'erreurs de calcul.

Perçage et décolletage : Ce sont deux opérations de cisaillement. Le poinçonnage consiste à enlever du matériau pour créer un trou, tandis que le découpage extrait le profil d'une pièce à partir d'une tôle plus grande. Pour les deux, la formule standard (Tonnage = P × Ép × RS) s'applique directement. L'essentiel est d'utiliser le périmètre de la forme découpée et la résistance au cisaillement du matériau. Par exemple, dans le poinçonnage, « P » correspond à la circonférence du poinçon ; dans le découpage, « P » représente le périmètre de la pièce finale.

Tirage : Il s'agit d'une opération de formage, et non de cisaillement. Le tréfilage étire la tôle métallique pour former une forme tridimensionnelle, comme une cuve ou un corps creux. Le matériau est soumis à une contrainte de traction, et non à un effort de cisaillement. Par conséquent, le calcul doit être modifié. Comme expliqué par Le fabricant , la formule de tréfilage remplace la résistance au cisaillement (RS) par la Résistance à la rupture en traction (UTS) . En outre, la force exercée par l'éjecteur ou le patin de pression doit être calculée et ajoutée au total.

Estampage progressif : Dans une matrice progressive, plusieurs opérations (par exemple poinçonnage, pliage, formage) ont lieu à différentes stations à chaque course de la presse. Pour calculer la tonnage total, vous devez déterminer la force requise pour chaque opération effectuée simultanément, puis additionner ces forces. Cela inclut le perçage, le formage, le pliage, ainsi que la force exercée par les éjecteurs à ressorts et les plaques à pression azotées.

Voici une comparaison des principaux facteurs à prendre en compte pour différentes opérations :

Pour choisir le calcul correct, utilisez la liste de contrôle suivante:

• je suis désolé. L'opération consiste-t-elle principalement à couper du matériel? Si oui, utiliser la formule de résistance à la découpe.
• je suis désolé. L'opération consiste-t-elle à étirer ou à former du matériau en une forme 3D? Si oui, utilisez la formule de résistance à la traction et ajoutez la pression du tampon.
• je suis désolé. Est-ce que plusieurs opérations se produisent en une seule pression? Si oui, calculer le tonnage pour chacun et les additionner.

Considérations avancées et facteurs affectant le tonnage

La formule de base fournit une estimation solide, mais dans un environnement de production réel, plusieurs autres facteurs peuvent influencer la tonnage réellement nécessaire. Négliger ces détails peut entraîner des prévisions inexactes et des problèmes de traitement. Les ingénieurs expérimentés tiennent compte de ces nuances pour affiner leurs calculs et garantir la stabilité du processus.

L'un des facteurs les plus importants est l'état de l'outillage. La formule standard compense souvent l'émoussement de l'outil en utilisant l'épaisseur totale du matériau. Toutefois, des outils tranchants provoquent la rupture du matériau après avoir pénétré seulement une fraction de son épaisseur (souvent 20 à 50 %), réduisant ainsi la force requise. En revanche, des outils usés ou émoussés nécessiteront sensiblement plus de tonnage. D'autres facteurs entrent en jeu, tels que le jeu entre le poinçon et la matrice, la régularité de dureté du matériau, ainsi que la vitesse de la presse.

En outre, il existe une distinction essentielle entre le tonnage (force de pointe) et l'énergie. Une presse peut avoir un tonnage suffisant, mais pas assez d'énergie pour terminer le travail, en particulier pour les opérations de tirage en profondeur qui engagent le matériau haut dans le coup de presse. Cela peut entraîner un arrêt de la presse au bas de sa course. Les approches modernes reposent de plus en plus sur l'analyse des éléments finis (FEA) et les logiciels de simulation pour surmonter les limites des calculs manuels. Comme le souligne Simulation de l' estampage , ces outils peuvent modéliser avec précision des facteurs complexes tels que le durcissement du matériau, le retour de surface et la pression du liant tout au long du processus de formage. Pour les composants complexes, en particulier dans le secteur automobile, l'utilisation de simulations CAE avancées n'est plus un luxe mais une nécessité. Les principaux fournisseurs comme Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. utiliser ces technologies pour assurer la précision et l'efficacité dans la fabrication de matrices et de composants d'estampage automobile.

Pour des opérations plus fiables et plus sûres, considérez ces conseils:

• Appliquer un facteur de sécurité: Ajoutez toujours au moins 15-20% à votre tonnage calculé pour créer un tampon pour les variations de matériaux et l'usure des outils.
• Compte de toutes les forces: Dans les matrices complexes, n'oubliez pas d'ajouter les forces des ressorts d'azote, des plaquettes de pression et des cames entraînées à votre total.
• Considérez l' élasticité des outils: Si vous maintenez des outils très tranchants, vous pourrez peut-être utiliser une valeur de tonnage inférieure, mais le calcul des outils ternes fournit une limite supérieure plus sûre.
• Équilibrez la charge: Dans les presses de grande taille ou les matrices progressives, veillez à ce que la charge soit équilibrée sur le lit de presses pour éviter l'inclinaison et l'usure prématurée de la presse et du matrices.

Questions fréquemment posées

1. le nombre de personnes Comment calculer le tonnage pour le tamponage?

La méthode la plus courante pour calculer le tonnage dans l'estampage (spécifiquement pour le perçage et le blanchiment) est d'utiliser la formule: tonnage = périmètre de la coupe (en pouces) × épaisseur du matériau (en pouces) × résistance La résistance à la découpe est essentielle et varie considérablement selon le type de métal utilisé.

2. Le dépôt de la demande. Comment calculer le tonnage requis?

Pour calculer le tonnage total requis, il faut d'abord identifier tout le travail effectué dans une seule course de presse. Pour une opération de blanchiment simple, vous appliquez la formule standard (Périmètre × Épaisseur × Résistance à la cisaillement). Pour un moulage progressif à plusieurs stations, il faut calculer le tonnage pour chaque station effectuant simultanément des travaux (par exemple, perçage, formage, flexion) et additionner toutes ces valeurs pour obtenir le tonnage total requis.

3. Le retour de la guerre Comment calculer le tonnage de la presse à forger?

Le calcul du tonnage d'une presse à forger est fondamentalement différent de celui de l'estampage. Au lieu d'une action de cisaillement basée sur le périmètre, la forge consiste à compresser un volume de matériau. La formule est plus complexe et se rapporte généralement à la surface projetée de la forge, à la contrainte de débit du matériau à la température de forgeage et à un facteur de complexité de forme. Il n'est pas interchangeable avec les calculs de tonnage d'estampage.