Emboutir, c'est forcer un poinçon à entraîner un flan dans l'ouverture d'une matrice, pendant qu'un serre-flan retient la périphérie de la tôle. Le métal du bord est aspiré vers l'intérieur, se resserre, puis glisse sur le rayon de la matrice pour former la paroi de la pièce.
Les quatre acteurs de l'opération
- Le flan : la tôle découpée à une forme et à une taille calculées pour fournir assez de matière à la pièce, plus une réserve pour le détourage.
- Le poinçon : il donne la forme intérieure et transmet l'effort ; son rayon de nez fixe le raccord entre fond et paroi.
- La matrice : elle donne la forme extérieure ; son rayon d'entrée conditionne la facilité avec laquelle la tôle s'y engage.
- Le serre-flan : il presse la collerette du flan contre la face de la matrice pour empêcher les plis, tout en la laissant glisser.
Le jeu entre poinçon et matrice est en général légèrement supérieur à l'épaisseur de la tôle, pour laisser passer le métal sans le laminer, sauf quand on cherche volontairement à amincir la paroi par étirage.
Ce qui se passe dans le métal
Prenons un godet cylindrique. Le fond, sous le poinçon, se déforme peu : il est simplement entraîné. La collerette, entre serre-flan et matrice, subit une compression circonférentielle, puisque son périmètre diminue à mesure qu'elle se rapproche du centre, et une traction radiale. Cette compression explique la tendance aux plis, que le serre-flan combat. En passant sur le rayon de la matrice, le métal est plié puis déplié, avant de constituer la paroi.
La zone la plus sollicitée se trouve au raccord entre fond et paroi, sur le rayon du poinçon : elle transmet tout l'effort nécessaire pour tirer la collerette. La tôle s'y amincit le plus, et la rupture s'y produit si l'opération est trop sévère. Le haut de la paroi, issu du bord comprimé du flan, a au contraire tendance à s'épaissir.
L'équilibre du serre-flan
La pression du serre-flan est un compromis. Trop faible, elle laisse la collerette onduler et des plis se forment, qui peuvent ensuite se coincer dans la matrice. Trop forte, elle freine le glissement, si bien que la paroi doit s'allonger davantage et finit par se rompre au rayon du poinçon. Sur les pièces de forme complexe, on module ce freinage localement avec des joncs de retenue, des bourrelets qui obligent la tôle à onduler en entrant et dosent son alimentation zone par zone.
La lubrification agit dans le même sens : elle réduit le frottement sous le serre-flan et sur le rayon de matrice, facilite l'écoulement et limite le grippage de l'outil.
Le rapport d'emboutissage
Pour une pièce cylindrique, le rapport d'emboutissage est le quotient du diamètre du flan par le diamètre du poinçon. Il mesure la sévérité de l'opération. Chaque matière a un rapport limite au-delà duquel la paroi se rompt avant que la collerette ait fini d'entrer ; pour un acier doux d'emboutissage en première passe, il est de l'ordre de 2. Une pièce plus profonde s'obtient alors en plusieurs passes, chaque réemboutissage admettant un rapport plus faible que le précédent, comme le montre la fiche sur les étapes d'une pièce emboutie.
Deux caractéristiques de la tôle pèsent sur ce rapport limite : le coefficient d'anisotropie, qui traduit la résistance du métal à s'amincir, et le coefficient d'écrouissage, qui traduit sa capacité à répartir la déformation. Le choix des nuances d'acier pour emboutissage s'appuie sur ces deux indicateurs.
Amincissement et défauts typiques
Une pièce emboutie n'a jamais une épaisseur uniforme, et le contrôle fixe souvent un amincissement maximal admis. Les défauts courants découlent directement du mécanisme : plis dans la collerette ou la paroi, rupture au rayon du poinçon, cornes sur le bord supérieur dues à l'anisotropie de la tôle, retour élastique qui fausse la géométrie, rayures de grippage. Les rayons, le jeu et le serre-flan de l'outillage d'emboutissage sont réglés pour éviter chacun d'eux.