Procédé de cisaillement de la tôle : Principes fondamentaux expliqués

Le procédé de cisaillement de la tôle Le cisaillement est une opération fondamentale dans le domaine du travail des métaux et de la fabrication, essentielle pour la découpe précise de divers matériaux, notamment les tôles. Il consiste à enlever de la matière le long d'une ligne définie en la soumettant à des forces de cisaillement, ce qui permet d'obtenir une coupe nette et précise.

Le cisaillement repose essentiellement sur l'application d'une force pour provoquer une déformation plastique du matériau, le séparant ainsi le long d'une trajectoire prédéfinie. Ce procédé est généralement réalisé à l'aide de machines spécialisées appelées cisailles, dotées de lames tranchantes disposées de manière à optimiser la coupe.

Les éléments clés du procédé de cisaillement comprennent la pièce à usiner, c'est-à-dire le matériau à découper, et les lames de cisaille, qui effectuent la coupe. Le matériau est positionné entre les lames et, lorsqu'une force est appliquée, celles-ci exercent une pression suffisante pour induire une déformation et une séparation le long de la ligne de coupe.

L'efficacité du cisaillement dépend de plusieurs facteurs, notamment des propriétés du matériau (épaisseur, dureté, ductilité), ainsi que de l'affûtage, du jeu et de l'alignement de la lame. La maîtrise de ces paramètres est essentielle pour obtenir des coupes précises, minimisant les déformations et les défauts.

L'utilisation des cisailles dans la production de tôlerie a diminué grâce à l'emploi d'outils de découpe pour le poinçonnage CNC et à la technologie de décochage pour séparer les pièces de la tôle. Les cisailles servent principalement à découper des rectangles ou des bandes pour l'emboutissage et les matrices de presses CNC.

Lorsque le cisaillement est utilisé pour obtenir les dimensions finales, l'épaisseur du matériau et les dimensions XY de la pièce déterminent le degré de précision économiquement réalisable. Plus le matériau est épais et plus les dimensions XY sont importantes, plus les tolérances sont larges.

Dans le vaste domaine de la production de tôles, les épaisseurs de matériaux varient de 0,13 mm (0,005 po) à 6,35 mm (0,25 po) pour les matériaux ferreux et non ferreux. Les équipements de cisaillement varient en conséquence, allant d'une capacité de 6,0 mm (1/4 po) sur une longueur de table de 3,5 m (12 pi) à de minuscules cisailles manuelles d'une capacité de 0,8 mm (0,030 po) et d'une longueur de lame de 300 mm (12 po).

Dans le plan XY, une tolérance de ±0,060 po (1,52 mm) est appliquée pour les matériaux épais et de ±0,010 po (0,26 mm) pour les matériaux minces. Il est conseillé de consulter votre fournisseur de matériel de formage des métaux pour connaître les capacités des équipements disponibles.

Nature des bords coupés

Chaque fois que la tôle est coupée, que ce soit par poinçonnage et matrices, cisaillement ou refendage, les caractéristiques des bords coupés sont similaires (Figure 1).

L'action de coupe se déroule en trois étapes lorsque l'arête de coupe traverse le matériau : déformation plastique initiale, pénétration et rupture. Lors de la déformation plastique initiale, le rayon de courbure de l'arête se forme. Lors de la pénétration, la bavure se crée. Enfin, lors de la rupture, la cassure et la bavure se développent.

Les cisailles et autres outils de coupe des métaux sont généralement entretenus et réglés pour obtenir une qualité de coupe acceptable, avec des bavures minimales, et pour limiter l'usure des outils et équipements. On obtient ainsi une coupe où la pénétration atteint environ un tiers de l'épaisseur du matériau, la rupture se produisant dans le reste du matériau. Un réglage correct génère une bavure qui dépasse rarement un tiers de l'épaisseur du matériau.

Caractéristiques de l'équipement

Une grande variété de cisailles mécaniques est utilisée. Les principaux éléments communs à la plupart des cisailles comprennent le bâti, le banc, la table, le coulisseau, les dispositifs de maintien, les jauges, le mécanisme d'actionnement et les lames (Figure 2). Les dispositifs de maintien, disposés le long du banc près de la lame, saisissent la pièce et la maintiennent fermement en position pour le cisaillement.

Les butées arrière servent à positionner la pièce sous la lame mobile selon une dimension prédéterminée. Elles peuvent être de simples butées mécaniques positives ou un système de capteurs de proximité qui détectent la présence de la pièce et activent la machine lorsque plusieurs capteurs sont activés simultanément. Selon leur type et leur complexité, les butées arrière peuvent être réglées manuellement ou programmées.

Les butées avant sont souvent utilisées pour positionner la pièce, notamment lorsqu'il s'agit de pièces de grande taille. Elles peuvent être mécaniques ou programmables.

Les butées latérales, également appelées “ bras d'équerrage ”, sont montées perpendiculairement à la lame, soit du côté gauche, soit du côté droit du banc, et aident à guider et à aligner la pièce à usiner avec la lame.

Opération

Quelle que soit leur construction, leur taille ou leur vitesse, toutes les cisailles électriques fonctionnent de manière similaire. Une feuille de bois est avancée sur la table jusqu'à ce que les butées arrière soient en contact avec la lame et que celle-ci se trouve sous la lame (Figure 3). Lorsque la machine est activée, les dispositifs de maintien serrent la feuille et la lame mobile inclinée la découpe progressivement, à la manière d'une guillotine.

Selon l'application, les cisailles électriques peuvent être alimentées par l'avant ou par l'arrière. L'alimentation par l'arrière permet de réduire la manutention de la pièce pour les coupes suivantes, mais nécessite un opérateur supplémentaire.

Maintenir la qualité

Des contrôles qualité importants sont effectués lors de l'opération de cisaillement. Ces contrôles portent notamment sur la planéité initiale de la matière première, ainsi que sur l'état général de la surface et des bords. Les défauts de surface et les marques de dérapage sont fréquents sur les bobines et les feuilles et sont généralement acceptables pour le fabricant, sauf s'ils entraînent un rejet esthétique du produit fini. Le délaminage, les inclusions de surface et autres défauts graves du matériau peuvent également être identifiés et constituent un motif de rejet.

Considérations de conception

Pour une production économique, le concepteur compétent prend en compte plusieurs facteurs influençant les coûts et la qualité lors du cisaillement et des opérations ultérieures. Voici quelques-unes de ces considérations de conception de produits.

● Utilisation des matériaux : Les fournisseurs proposent généralement des tôles de dimensions standard (30, 36, 48 et 60 pouces de largeur). L’utilisation optimale de ces dimensions standard permet de réaliser des économies substantielles en évitant les frais supplémentaires de découpe ou de préparation en usine. Une consultation préalable avec le transformateur de métaux peut permettre de modifier les dimensions des rebords invisibles du produit afin d’obtenir une pièce aux dimensions globales légèrement inférieures à celles des tôles standard. Ceci permet d’éviter des coûts supplémentaires et de réduire les déchets.

• Sens du grain : Le sens du grain des produits laminés plats (dans le sens de la longueur de la bobine) n’est pas toujours un facteur déterminant. Cependant, pour certaines opérations comme le formage et le pliage, l’orientation du grain peut s’avérer importante. Pour les pièces de très grandes dimensions comportant des rebords ou des formes particulières, il est conseillé au concepteur de consulter un fournisseur qualifié avant de spécifier l’orientation du grain et le rayon de pliage afin de vérifier si les contraintes dimensionnelles du matériau permettent un positionnement perpendiculaire au grain. Ce sujet est traité plus en détail dans les chapitres consacrés au formage sur presse plieuse et à l’emboutissage.

●Caractéristiques du processus : Les bavures, les marques de maintien et la torsion (Figure 4) sont des caractéristiques du processus de cisaillement.

1. Des bavures sont présentes après le cisaillement (comme dans toute opération de coupe de métal) et sont normalement contrôlées dans des limites acceptables grâce à des pratiques de cisaillement appropriées.

2. Les marques de serrage, qui apparaissent comme de légères indentations le long d'un côté du bord cisaillé de la pièce, résultent parfois de l'action de serrage des dispositifs de maintien. Ces marques sont rarement problématiques. Elles peuvent souvent être intégrées à une bride invisible du produit final, ou être complètement éliminées lors de l'ébavurage ultérieur.

Dans les applications critiques, des protections peuvent être utilisées sur les dispositifs de maintien afin de protéger la pièce. Des matériaux dotés de revêtements protecteurs amovibles sont parfois employés pour atténuer les marques et rayures inhérentes au processus de cisaillement. Ces solutions alternatives engendrent toutefois un surcoût considérable.

3. La torsion, une courbure en spirale du matériau, se produit lors du cisaillement de bandes étroites. Elle est causée par l'action de cisaillement et est influencée par le rapport entre la largeur cisaillée, l'épaisseur et la trempe de la bande. 

La torsion est rarement un facteur important, sauf lors du cisaillement de bandes étroites. Lorsqu'une tâche exige des bandes très étroites, on peut souvent utiliser des bobines refendues par rouleaux (si la quantité commandée est suffisante) ou des barres.

Avantages du procédé de cisaillement dans la tôle

Le cisaillement fait généralement partie d'un processus de fabrication plus vaste, utilisé pour découper des feuilles en formats plus petits destinés à l'assemblage d'autres produits.

Le procédé de cisaillement dans la production de tôles présente les avantages suivants :

• Capable de découper facilement des tôles de diamètres variés.
• Moyen économique de découper le métal, notamment lorsqu'il est utilisé dans des opérations à haute capacité.
• Permet d'obtenir des coupes nettes et aux bords lisses.
• Ce procédé de découpe de tôle ne produit aucun copeau métallique et ne génère pratiquement aucun déchet.
• Découpe rapidement la tôle en quelques secondes.
• Ne nécessite aucun chauffage et peut être réalisé à température ambiante.
• Technique polyvalente de découpe de tôles, capable de cisailler des métaux tels que l'aluminium, le bronze, le cuivre, le fer, l'acier et l'acier inoxydable.

Le cisaillement de la tôle présente toutefois quelques inconvénients. Ce procédé est peu adapté aux petites séries et ne permet pas de découper les métaux très durs, comme le tungstène. De plus, il peut parfois déformer la tôle lorsque les lames sont endommagées ou émoussées, en raison d'un mauvais positionnement des fentes de cisaillement ou d'une pression trop forte ou trop faible lors du maintien.

Un autre procédé de découpe de tôle très similaire est la découpe à l'emporte-pièce. La principale différence entre le cisaillement et la découpe à l'emporte-pièce réside dans le type de lames utilisées : la découpe à l'emporte-pièce utilise des lames courbes, tandis que le cisaillement utilise des lames droites. Hormis ces différences, les deux méthodes de découpe de tôle produisent des lignes droites, permettant ainsi de traiter la tôle avec un minimum de déchets.

Équipement utilisé pour le processus de découpe de tôle

Il existe plusieurs méthodes pour obtenir une finition lisse et précise par cisaillement. En production de tôlerie, différents types de machines peuvent réaliser des opérations de cisaillement. Certaines machines ou certains outils fonctionnent manuellement, tandis que d'autres utilisent des systèmes hydrauliques, pneumatiques ou électriques. Les cisailles standard comprennent généralement une table munie de bras de support et de guides pour maintenir la tôle, ainsi que des lames droites positionnées au-dessus et en dessous de celle-ci.

Le procédé de découpe de tôle consiste à placer la tôle entre deux lames qui sont ensuite pressées l'une contre l'autre pour la découper. Sur la plupart des cisailles, la lame inférieure est fixe tandis que la lame supérieure exerce une force vers le bas sur la tôle. Souvent, la lame supérieure est inclinée afin que la force nécessaire diminue progressivement au fur et à mesure de la découpe. Différents équipements peuvent être utilisés pour le cisaillement de la tôle.

Ciseaux à alligator

Comme leur nom l'indique, les cisailles alligator sont dotées d'une mâchoire articulée et sont utilisées dans de nombreuses opérations de découpe de métaux. Actionnées par un système hydraulique, elles servent généralement à découper de petites pièces de tôle.

Cisailles montées sur établi

Les cisailles d'établi utilisent un outil composé, offrant un meilleur avantage mécanique. Elles sont idéales pour découper des pièces de tôle de taille moyenne en formes approximatives. Polyvalentes, elles permettent de réaliser différents types de coupes. Disponibles en plusieurs tailles et puissances, elles garantissent des coupes nettes et sans bavures.

Guillotines en métal

Ces machines sont composées de cisailles inférieure et supérieure, d'une table de cisaillement, d'un dispositif de maintien de la pièce et d'un système de mesure. Les guillotines à métaux sont actionnées mécaniquement, hydrauliquement ou manuellement par une pédale. Leur fonctionnement repose sur le maintien de la tôle par un vérin et le déplacement de la lame mobile jusqu'à ce qu'elle croise une lame fixe, qui coupe le métal. Pour réduire l'effort nécessaire lors de la découpe de grandes pièces, la lame mobile peut être droite ou inclinée.

Le découpage de la tôle à la guillotine offre rapidité et économie. En tôlerie, cette machine est idéale pour les chaînes d'assemblage à haut rendement. Comme elle a tendance à produire des bords plus irréguliers que d'autres outils de cisaillement, elle est généralement employée pour la fabrication de pièces où l'esthétique importe peu, ou destinées à être soudées ultérieurement.

Ciseaux électriques

Ces cisailles sont idéales pour découper des ébauches à partir de grandes plaques de tôle. Le processus de découpe avec des cisailles électriques utilise l'électricité ou l'air comprimé pour actionner la machine, bien que celle-ci soit actionnée manuellement. La lame supérieure se déplace vers la lame inférieure, qui reste fixe et exerce une tension pour découper la tôle. Généralement utilisées pour la découpe de lignes droites ou de courbes à grand rayon, les cisailles électriques offrent flexibilité, précision, durabilité et efficacité.

Ciseaux

Les cisailles sont des outils manuels conçus spécifiquement pour le cisaillement de la tôle. Pour la découpe de la tôle, on utilise généralement deux types de cisailles : les cisailles à double action et les cisailles à tôle. Les cisailles à double action offrent un meilleur rapport de démultiplication grâce à un système de liaison spécifique et se déclinent en plusieurs modèles. Elles sont utilisées pour l'acier inoxydable, l'acier doux ou l'aluminium.

Les cisailles à tôle sont dotées de lames courtes et de longs manches. Elles servent généralement à couper l'acier doux ou l'étain à faible teneur en carbone. Il existe différents modèles de cisailles à tôle. Appréciées pour leur précision, elles sont principalement utilisées pour les travaux de découpe délicate de la tôle. Cependant, leur utilisation manuelle rend la découpe fastidieuse.

Ciseaux sans gorge

Les cisailles sans gorge sont conçues pour réaliser des coupes complexes, courbes, irrégulières ou droites. Contrairement à de nombreuses autres cisailles, elles permettent à la pièce de se déplacer librement.

Industries et produits utilisant le procédé de découpe de tôle

Les procédés de découpe de tôle sont utilisés dans de nombreux secteurs industriels. De manière générale, la production de tôle se divise en trois types.

Ces catégories sont :

production commerciale de tôles Cela comprend la fabrication de biens de consommation, tels que des carrosseries automobiles, des appareils électroménagers, des capots de véhicules, des bouchons, des boîtes de conserve, des boîtes aux lettres, des armoires, des couverts et des appareils électroniques grand public.
La production industrielle de tôles consiste à fabriquer des composants utilisés dans d'autres produits, dont beaucoup servent à fabriquer des biens de consommation ; la fabrication industrielle comprend également la fabrication de divers outils comme des scies à ruban, des perceuses à colonne, des systèmes hydrauliques, etc.

Production de tôles de structure Elle comprend la fabrication de composants pour la construction, notamment les montants de charpente pour les gratte-ciel, les systèmes de ventilation, les garde-corps, les supports, les gouttières, les ascenseurs, les tuyaux, les portes, les bardages métalliques et les matériaux de toiture.

Fabrication et mise en forme de tôles Le travail de la tôle est essentiel à la fabrication d'une vaste gamme d'articles produits en série, et le découpage en est une étape cruciale. En effet, la tôle rend possibles les restaurants, l'agroalimentaire, l'agriculture, l'électronique, l'automobile et bien d'autres secteurs.

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