Domaine de l'invention
[0001] La présente invention concerne le domaine du formage, et plus particulièrement le
domaine du formage électro-hydraulique. La présente invention porte sur une enceinte
d'électro-hydroformage, notamment pour le formage de pièces de faibles dimensions,
selon le préambule de la revendication 1 (voir par exemple
US-A-3 188 844).
Etat de la technique
[0002] Les procédés d'hydroformage sont généralement utilisés comme procédés de fabrication,
notamment pour des pièces de formes complexes. Ils consistent à utiliser la pression
d'un fluide, de préférence un liquide, pour réaliser la déformation plastique d'une
tôle maintenue dans un moule. Le fluide agit alors sur la tôle pour lui faire épouser
la forme du moule. Ce fluide peut être mis sous pression de diverses manières.
[0003] Parmi les procédés d'hydroformage existants, on peut citer le procédé d'électro-hydroformage,
dit procédé EHF (de l'anglo-saxon Electro Hydraulic Forming). Ce procédé est un procédé
de formage à très haute vitesse de déformation qui est basé sur une décharge électrique
d'une forte énergie stockée dans des condensateurs soit entre deux électrodes placées
dans une chambre remplie de fluide, soit dans un fil explosif placé dans une chambre
remplie de fluide. Lorsqu'une décharge électrique est créée dans le fluide, une onde
de choc est générée dans ledit fluide, elle se propage et vient projeter la tôle contre
le moule. La pression dynamique ainsi générée sur la tôle permet la déformation à
haute vitesse du matériau la constituant qui est projeté contre le moule, permettant
ainsi sa mise en forme.
[0004] Un tel procédé permet la mise en forme de tôles mais aussi d'autres pièces réalisées
dans un matériau déformable plastiquement. Il est utilisé pour la réalisation de pièces
de grandes dimensions, c'est-à-dire de pièces dont la longueur caractéristique est
significativement supérieure à une distance entre les deux électrodes.
[0005] Un tel procédé présente de nombreux avantages, notamment l'obtention de détails très
fins sur les pièces, tels que par exemple des gravures, l'absence de retour élastique,
ou encore des coûts de fabrication faibles.
[0006] Cependant, un des inconvénients réside dans le temps de cycle nécessaire au formage
d'une pièce, comme indiqué dans le brevet
US7493787. En effet, de manière connue, un cycle de formage via le procédé EHF se décompose
en plusieurs étapes :
- mise en place de la pièce à former dans une enceinte d'électro-hydroformage,
- remplissage d'une chambre creuse dans l'enceinte d'électro-hydroformage par un fluide,
- décharge électro-hydraulique dans le fluide contenu dans la chambre creuse,
- vidange de la chambre creuse,
- retrait de la pièce formée.
[0007] Les étapes de remplissage et de vidange de la chambre creuse représentent les étapes
les plus consommatrices en temps.
Exposé de l'invention
[0008] La présente invention a notamment pour but d'apporter une solution efficace permettant
le formage de pièces, tout en réduisant le temps de cycle et en garantissant un résultat
équivalent.
[0009] Ce but est atteint selon l'invention par une enceinte d'électro-hydroformage pour
le formage d'une pièce avec les caractéristiques de la revendication 1.
[0010] La pièce est destinée à être positionnée, dans cette enceinte d'électro-hydroformage,
entre la chambre de décharge et la chambre de formage avant une activation dudit système
de décharge électro-hydraulique, l'activation dudit système de décharge électro-hydraulique
entraînant la projection et la déformation de la pièce contre l'empreinte de la chambre
de formage.
[0011] Par activation, on entend la création, via le système de décharge électro-hydraulique,
d'une décharge électrique dans le fluide en vue de créer une onde de choc qui se propage
dans le fluide.
[0012] Le châssis de décharge est de préférence réalisé dans un matériau de haute résistance,
par exemple un matériau métallique comme de l'acier, pour contenir les fortes pressions
générées lors de l'activation du système de décharge électro-hydraulique.
[0013] Selon l'invention, la paroi interne est recouverte par deux revêtements non métalliques.
[0014] Un revêtement est une couche qui est déposée à la surface d'une pièce, d'un matériau,
en l'occurrence ici la paroi interne, pour lui conférer des propriétés particulières.
Le matériau constitutif des revêtements couvre la paroi interne, de manière partielle
ou totale, mais de sorte que ledit matériau constitutif des revêtements soit in fine
solidaire de cette face.
[0015] Un des deux revêtements non métalliques est disposé sur la paroi interne, autour
et à proximité des accès du système de décharge électro-hydraulique dans la chambre
de décharge.
[0016] Un tel revêtement non métallique permet avantageusement d'éviter la formation d'un
arc électrique entre le système de décharge électro-hydraulique et la paroi interne.
Un tel arc électrique pourrait endommager la paroi interne, et surtout, diminuerait
fortement les performances du système de décharge électro-hydraulique, ne permettant
pas de former la tôle.
[0017] Ainsi, les dimensions de la chambre de décharge peuvent être réduites sans crainte
d'un tel arc électrique. Les dimensions réduites de la chambre de décharge permettent
alors avantageusement de réduire le volume de fluide nécessaire pour le remplissage
de ladite chambre de décharge. En conséquence, le temps de cycle nécessaire à la réalisation
d'un procédé de formage utilisant une telle enceinte d'électro-hydroformage s'en trouve
très largement diminué et la cadence de production est grandement augmentée.
[0018] Une telle enceinte d'électro-hydroformage est particulièrement adaptée à la réalisation
de pièces de petites dimensions, telles que par exemple un corps de clé USB (« Universal
Serial Bus », en terminologie anglo-saxonne), agrémenté par exemple de fines gravures.
[0019] Selon des modes de réalisation préférés, pour atténuer encore plus le risque d'arc
électrique, le revêtement est un revêtement réalisé dans un matériau électriquement
isolant.
[0020] Selon des modes de réalisation préférés, le système de décharge électro-hydraulique
comporte deux électrodes destinées à être reliées à une unité de stockage d'énergie
électrique.
[0021] Selon des modes de réalisation préférés, le système de décharge électro-hydraulique
comporte un fil explosif destiné à être relié à une unité de stockage d'énergie électrique.
[0022] Selon des modes de réalisation préférés, le système de décharge électro-hydraulique
comporte un fil explosif relié entre deux électrodes.
[0023] L'invention est également relative à une machine d'électro-hydroformage comportant
une enceinte d'électro-hydroformage conforme à l'invention et une unité de stockage
d'énergie électrique reliée au système de décharge électro-hydraulique.
Présentation des figures
[0024] Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la
lumière des exemples de mise en oeuvre ci-après, fournis à simple titre illustratif
de l'invention, avec l'appui des figures 1 à 3, dans lesquelles :
La figure 1 représente une vue en coupe d'une enceinte d'électro-hydroformage selon
un mode de réalisation préféré de l'invention,
La figure 2 illustre une vue en coupe d'une enceinte d'électro-hydroformage selon
un autre mode de réalisation préféré de l'invention,
La figure 3 illustre un corps de clé USB gravé au moyen d'une enceinte d'électro-hydroformage
selon l'un des modes de réalisation préférés de l'invention.
Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention
[0025] Une enceinte d'électro-hydroformage 10 pour le formage d'une pièce 50 selon un mode
de réalisation de l'invention est illustrée sur la figure 1. Les pièces à former peuvent
être de forme plate, ou en variante, de forme tubulaire. Les pièces peuvent être aussi
préformées par des techniques classiques d'emboutissage.
[0026] Cette enceinte d'électro-hydroformage est utilisée dans le cadre d'un procédé de
formage classique qui sera rappelé ultérieurement.
[0027] L'enceinte d'électro-hydroformage 10 est réalisée en deux parties. L'enceinte d'électro-hydroformage
10 comporte une première partie, dite châssis de décharge 20, et une deuxième partie,
dite matrice 30. Le châssis de décharge 20 peut représenter une partie supérieure
de l'enceinte d'électro-hydroformage (selon l'orientation des figures) et la matrice
30 peut représenter une partie inférieure, comme illustré sur la figure. A titre de
variante, et sans se départir du cadre de l'invention, il est envisageable que le
châssis de décharge 20 représente une partie inférieure de l'enceinte d'électro-hydroformage
(selon l'orientation des figures) et la matrice 30 représente une partie supérieure.
A titre de variante également, la première partie peut représenter une partie gauche
de l'enceinte d'électro-hydroformage (selon l'orientation des figures) et la deuxième
partie représenter une partie droite de l'enceinte d'électro-hydroformage (selon l'orientation
des figures) ou réciproquement.
[0028] Le châssis de décharge 20 comporte une paroi interne 21 délimitant une chambre de
décharge 22.
[0029] La matrice 30 quant à elle comporte une chambre de formage 32 destinée à être en
vis-à-vis de la chambre de décharge 22 lorsque le châssis de décharge 20 et la matrice
30 sont assemblés.
[0030] Le châssis de décharge 20 et la matrice 30 sont amovibles l'un par rapport à l'autre
de sorte à autoriser l'insertion et le retrait de la pièce 50 à former.
[0031] Ladite pièce à former est disposée, au niveau d'une interface 33 entre la matrice
30 et le châssis de décharge 20, et maintenue en position de manière hermétique. Une
fois en position dans l'enceinte d'électro-hydroformage, la pièce à former sépare
la chambre de formage 32 de la chambre de décharge 22.
[0032] Dans l'exemple de la figure 1, la pièce à former est une pièce de forme plate. Dans
l'exemple de la figure 2, la pièce à former est une pièce de forme tubulaire.
[0033] La chambre de formage 32 présente, face à la pièce à déformer, une empreinte 31 correspondant
à la forme que la pièce à former doit prendre après déformation.
[0034] Le châssis de décharge 20 et la matrice 30 sont préférentiellement réalisés dans
un matériau métallique, par exemple en acier, afin de présenter une résistance structurale
des chambres respectives (chambre de décharge 22 et chambre de formage 32) et de contenir
les fortes pressions générées au moment d"une décharge électro-hydraulique, lors du
procédé de formage. En effet, la tension lors d'une décharge électro-hydraulique peut
atteindre plusieurs dizaines de kilovolts.
[0035] La chambre de décharge 22 est destinée à être remplie par un fluide incompressible,
de préférence un liquide, par exemple de l'eau.
[0036] Un conduit d'alimentation en eau 23 est réalisé dans le châssis de décharge 20 pour
permettre de relier la chambre de décharge 22 à une cuve (non représentée) contenant
de l'eau et d'approvisionner ladite chambre de décharge 20 en eau.
[0037] Un conduit d'évacuation de l'eau (non représenté) est réalisé dans le châssis de
décharge 20 pour permettre de relier la chambre de décharge 22 à une cuve et de vidanger
l'eau hors de ladite chambre de décharge, dans la cuve.
[0038] Dans une variante de réalisation, le conduit d'alimentation de l'eau 23 et le conduit
d'évacuation de l'eau ne sont qu'un seul et même conduit permettant l'approvisionnement
et la vidange de l'eau dans/hors de la chambre de décharge de/vers une cuve unique.
[0039] La chambre de formage 32 est quant à elle de préférence sous vide d'air.
[0040] Un conduit (non représenté) est réalisé dans la matrice 30 pour permettre de relier
la chambre de formage 32 à une pompe à vide (non représentée). Cependant, à titre
de variante ou en l'absence de moyens pour réaliser ce vide, on pourra également laisser
la chambre de formage 32 sous atmosphère et prévoir des évents permettant l'évacuation
de l'air lors du procédé de formage.
[0041] Dans un mode préféré de réalisation, l'enceinte d'électro-hydroformage 10 et la chambre
de décharge 22 présentent une forme géométrique sensiblement cylindrique.
[0042] Cependant, sans se départir du cadre de l'invention, l'enceinte d'électro-hydroformage
10 et la chambre de décharge 22 peuvent présenter toute forme géométrique. Plus particulièrement,
la chambre de décharge 22 peut préférentiellement présenter une forme géométrique
telle que la paroi interne 21 réfléchisse l'onde de choc, obtenue lors de la décharge
électro-hydraulique, en direction de la pièce à former 50. Par exemple, une partie
supérieure de la paroi interne peut présenter une forme conique, comme illustrée sur
la figure 2.
[0043] L'enceinte d'électro-hydroformage 10 comporte en outre un système de décharge électro-hydraulique
40.
[0044] Dans l'exemple non limitatif illustré sur la figure 1, le système de décharge électro-hydraulique
40 comporte deux électrodes distinctes 41.
[0045] Chaque électrode 41 traverse le châssis de décharge 20. Une première extrémité 42
de chaque électrode est positionnée à l'intérieur du châssis de décharge 20, dans
la chambre de décharge 22. Une deuxième extrémité 43, placée à l'extérieur du châssis
de décharge 20, est reliée, via un câble d'alimentation, à une unité de stockage d'énergie
électrique (non représentée).
[0046] Chaque électrode 41 est préférentiellement recouverte d'une enveloppe 44 en matériau
électriquement isolant afin de les isoler électriquement du matériau métallique constituant
le châssis de décharge 20.
[0047] Les électrodes 41 sont disposées dans l'enceinte d'électro-hydroformage 10 de sorte
à créer une distance inter-électrode d
1, entre les premières extrémités 42 des deux électrodes 41. De manière connue, cette
distance inter-électrode d
1 permet de définir la puissance de l'onde de choc générée lors de la décharge électro-hydraulique,
en termes d'amplitude et de durée.
[0048] Suivant la complexité de la forme à obtenir pour la pièce à former et/ou le matériau
constituant la pièce à former, la distance inter- électrode d
1 est augmentée ou réduite, ce qui module l'énergie atteinte lors de la décharge électro-hydraulique
et influe sur la puissance de l'onde de choc.
[0049] Dans un mode de réalisation, la distance inter-électrode d
1 peut être ajustée par des moyens de réglages conventionnels (non représentées), tels
que par exemple un système d'écrou, dès lors que les opérations de réglage n'endommagent
pas les électrodes 41.
[0050] Les électrodes sont également disposées, par rapport à la pièce, de sorte à maintenir
une distance d
2 entre le lieu de la décharge électro-hydraulique et la pièce. Cette distance d
2 contribue au formage de la pièce par onde directe.
[0051] L'unité de stockage d'énergie électrique, à laquelle sont reliées les deux électrodes
41, comporte entre autres au moins un condensateur. Les divers composants de l'unité
de stockage d'énergie électrique sont connus de l'homme du métier dans leur forme
et dans leur fonctionnement et ne sont pas décrits plus en détail dans la présente
description.
[0052] L'ensemble enceinte d'électro-hydroformage et l'unité de stockage d'énergie électrique
forme une machine d'électro-hydroformage.
[0053] La paroi interne 21 du châssis de décharge 20 présente en partie un revêtement non
métallique 24.
[0054] Le revêtement 24 est une couche déposée contre tout ou partie de la paroi interne
21. Le revêtement 24 recouvre en partie la paroi interne 21 et lui est solidaire par
des moyens appropriés.
[0055] De préférence, le revêtement 24 est choisi de sorte à présenter une épaisseur e suffisante
pour éliminer le risque d'arc électrique entre la première extrémité 42 d'une électrode
41 et le châssis de décharge 20 métallique.
[0056] Dans un mode préféré de réalisation, pour réduire son épaisseur e, le revêtement
24 non métallique est réalisé dans un matériau électriquement isolant.
[0057] De préférence, le revêtement 24 est choisi dans un matériau à très forte rigidité
diélectrique, supérieure à 20 kV/mm.
[0058] Dans un exemple de réalisation, lorsque la tension atteinte lors de la décharge électro-hydraulique
est de 100kV, et le matériau choisi pour le revêtement 24 présente une rigidité diélectrique
de 20kV.mm
-1, alors le revêtement présentera une épaisseur de 5mm.
[0059] Le revêtement est également soumis à des contraintes liées à l'impact de l'onde de
choc contre la paroi interne. Le revêtement présente une résistance à la traction,
de préférence supérieure à 20 MPa.
[0060] Dans des exemples préférés de réalisation, le matériau du revêtement est un plastique,
par exemple :
- un polyethylene haute densité (PEHD) ;
- un polyTétraFluoroEthylène (PTFE) ;
- un polyamide, tel que le polyamide 6 (PA6) ;
- un polycarbonate (PC) ;
- un polychlorure de vinyle (PVC) ;
- un Polyether ether ketone (PEEK) ;
- un polyuréthane (PU).
[0061] Dans d'autres exemples de réalisation, le matériau du revêtement est une céramique,
tel que par exemple la porcelaine.
[0062] Le revêtement peut aussi être composé d'une combinaison de ces matériaux.
[0063] Chaque électrode 41 traverse le châssis de décharge 20 au niveau du revêtement 24
non métallique de la paroi interne 21.
[0064] Bien qu'un arc électrique puisse se propager par rampage le long de l'enveloppe 44
d'une électrode 41 et se propager vers la chambre de décharge 22 métallique, le risque
d'arc électrique au niveau de la jonction des isolants (enveloppe 44 de l'électrode
41 et revêtement 24 isolant de la paroi interne 21) est fortement atténué lors de
la décharge électro-hydraulique entre les électrodes 41. En effet, l'onde de pression
comprime l'ensemble électrode-enveloppe selon la direction de l'électrode 41. En réponse,
l'ensemble électrode-enveloppe se déforme radialement en expansion au niveau du revêtement
24 isolant. Cette déformation augmente la pression de contact entre les isolants,
et obture le passage pour un potentiel arc électrique.
[0065] Selon l'invention, la paroi interne est recouverte par deux revêtements non métalliques.
[0066] La paroi interne 21 illustré figure 2 est recouverte de deux revêtements non métalliques
24, 25. Le revêtement non métallique 24, situé au niveau des deux électrodes, est
choisi dans un matériau à plus forte rigidité diélectrique que le second revêtement
25, afin de renforcer le caractère structural et isolant du châssis de décharge 20,
à proximité de la décharge électro-hydraulique.
[0067] Une telle enceinte d'électro-hydroformage 10, de part le revêtement 24 non métallique
de tout ou partie de la paroi interne 21, permet avantageusement la réalisation d'une
chambre de décharge 22 de faible volume, par exemple préférentiellement inférieure
à 1 litre, encore plus préférentiellement inférieure à 0,5 litre. Ce faible volume
permet un remplissage rapide de la chambre de décharge, de l'ordre de 5 secondes.
[0068] Il est ainsi envisageable de réaliser plusieurs décharges électro-hydraulique par
minute, par exemple au moins deux décharges électro-hydraulique par minute, de préférence
six décharges électro-hydraulique par minute.
[0069] Une telle enceinte d'électro-hydroformage 10 est particulièrement adaptée à la réalisation
de pièces de petites dimensions, telles que par exemple un corps de clé USB 80 agrémenté
par exemple de fines gravures 81, comme illustré sur la figure 3.
[0070] La présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation préférées décrites
ci-dessus à titre d'exemples et aux variantes évoquées. Elle concerne également les
variantes de réalisation qui ne sortent pas du cadre de l'invention telle que définie
dans les revendications.
[0071] En particulier, comme illustré figure 2, le système de décharge électro-hydraulique
40 peut présenter comme variante aux deux électrodes, un fil explosif 46. Le fil explosif
est connu de l'homme du métier dans son fonctionnement et ne sera pas décrit plus
en détail dans la présente description.
[0072] Dans cette variante, un conduit de passage 26 est réalisé dans le châssis de décharge
20, le traversant au niveau du revêtement non métallique 24 de la paroi interne 21,
pour permettre l'acheminement du fil explosif 46 dans la chambre de décharge 22.
[0073] Le fil explosif 46 est préférentiellement positionné au centre de la chambre de décharge,
en vis-à-vis du revêtement non métallique de la paroi interne.
[0074] L'épaisseur du revêtement 24 est également fonction de l'énergie générée lors de
la décharge électro-hydraulique.
[0075] Dans une autre variante de réalisation, le système de décharge électro-hydraulique
40 peut comporter un fil explosif entre deux électrodes.
[0076] Dans cette variante, un conduit de passage est réalisé dans une électrode, pour permettre
l'acheminement du fil explosif entre les deux électrodes dans la chambre de décharge.
[0077] Un exemple de procédé de formage électro-hydraulique à partir de l'enceinte d'électro-hydroformage
10 est à présent décrit.
[0078] Pour former une pièce 50 par électro-hydroformage, le procédé comporte une première
étape de positionnement, dans l'enceinte d'électro-hydroformage 10, de la pièce à
former.
[0079] La pièce 50, par exemple initialement plate, est positionnée entre le châssis de
décharge 20 et la matrice 30. La pièce 50 est disposée dans l'enceinte d'électro-hydroformage
10 de sorte à être en vis-à-vis de l'empreinte 31, et à séparer la chambre de décharge
22 de la chambre de formage 32.
[0080] La pièce est maintenue en position et dans l'enceinte d'électro-hydroformage, de
sorte à rendre hermétique à l'eau la chambre de formage par rapport à la chambre de
décharge.
[0081] Le procédé comporte ensuite une étape de remplissage de la chambre de décharge par
l'eau.
[0082] De l'eau est introduite dans la chambre de décharge via le conduit d'alimentation
en eau 23, jusqu'à son remplissage.
[0083] Le procédé comporte ensuite une étape de décharge électro-hydraulique dans le fluide
contenu dans la chambre de décharge.
[0084] Un moyen pour réaliser cette étape consiste à décharger rapidement le au moins un
condensateur de l'unité de stockage d'énergie électrique.
[0085] Le système de décharge électro-hydraulique s'active.
[0086] Dans la variante des électrodes, un arc électrique se créé entre les électrodes,
créant une bulle dans l'eau.
[0087] Dans la variante du fil explosif, le fil introduit dans la chambre de décharge explose
par vaporisation, créant une bulle dans l'eau.
[0088] Cette bulle se collapse et libère son énergie sous forme d'une onde de choc, qui
se propage dans l'eau et vient projeter la pièce contre l'empreinte de la chambre
de formage à très grande vitesse (plusieurs centaines de m/s), entrainant sa déformation
et sa mise en forme. La tension atteinte lors de la décharge est de l'ordre de quelques
dizaines de kV.
[0089] Dans le cas de pièces de forme tubulaire, les pièces sont déformées par expansion
radiale, au lieu d'être déformée par emboutissage.
[0090] A l'issue de cette étape, la pièce est formée.
[0091] Le procédé comporte ensuite une étape de vidange de la chambre de décharge.
[0092] L'eau est pompée de la chambre de décharge vers la cuve, via le conduit d'évacuation
de l'eau.
[0093] L'enceinte d'électro-hydroformage 10 est ensuite ouverte au niveau de l'interface
33, libérant l'accès à la chambre de formage, d'où est extraite la pièce formée.
[0094] La description ci-avant illustre clairement que par ses différentes caractéristiques
et leurs avantages, la présente invention atteint les objectifs qu'elle s'était fixés.
En particulier, elle propose une enceinte d'électro-hydroformage adaptée au formage
de pièces de petites dimensions. Elle présente avantageusement une paroi interne présentant
deux revêtements non métalliques tels que les dimensions de la chambre de décharge
peuvent être significativement réduites, permettant une diminution du volume de liquide
nécessaire au procédé de formage. Le temps de cycle est grandement diminué.