Arrière-plan technologique et état de la technique [0002] Dans le domaine de la construction mécanique et en particulier de l'automobile, l'objectif est de réduire sensiblement le poids des structures en utilisant le moins de métal possible. Ces structures, les châssis de véhicule automobile par exemple, sont obtenues par assemblage de pièces souvent complexes, réalisées par emboutissage.

[0003] Afin de réduire l'épaisseur du métal utilisé pour réaliser ces structures tout en conservant leurs propriétés mécaniques, il faut utiliser des aciers présentant des caractéristiques mécaniques élevées. Des nuances d'aciers au carbone faiblement alliés présentant de hautes caractéristiques mécaniques, mais souvent associées à une capacité de mise en forme par déformation très limitée, sont aujourd'hui disponibles.

[0004] Pour fixer les idées, nous ferons la distinction, dans la suite de la description, entre ces aciers sur base de leur limite d'élasticité (LE) : -aciers doux : LE < 250 MPa ; -aciers à haute limite d'élasticité (HLE) : 250 MPa < LE < 600 MPa ; -aciers à très haute limite d'élasticité (THLE) : 600 MPa < LE < 1000 MPa ; -aciers à ultra-haute limite d'élasticité (UHLE) : 1000 MPa < LE < 1500 MPa.

[0005] Typiquement, les aciers concernés par cette demande de brevet, présentent une limite d'élasticité située entre 400 et 1500 MPa. Ces aciers sont produits par des procédés sidérurgiques de masse connus en soi, qui permettent de proposer des aciers dont le prix de revient est voisin de celui des aciers au carbone classiques.

L'intérêt réside alors dans le fait que l'on peut obtenir un allégement non négligeable de la structure. Cependant, de par leur faible capacité de mise en forme et de par une soudabilité parfois médiocre, ces aciers posent des problèmes spécifiques de mise en oeuvre, et en particulier d'assemblage.

[0006] Plus particulièrement, les éléments constitutifs d'une même structure présentent souvent des formes complexes obtenues par des procédés d'emboutissage impliquant des déformations importantes et donc incompatibles avec les faibles capacités de mise en forme de ces aciers.

[0007] Le procédé de sertissage mécanique par ourlet ou similaire est bien connu, par exemple pour l'assemblage d'éléments tels que des échelles, en menuiserie métallique.

Ainsi, le document US-A-4 356 888 décrit un joint structurel de deux éléments, réalisés de préférence en

métal malléable et déformable, tel que l'aluminium. Selon une forme d'exécution particulière, le premier élément présente une languette allongée et une languette courte.

Ces deux languettes définissent une cavité apte à recevoir le second élément au niveau d'une patte recourbée sur un support tel qu'un fil. Lorsque les deux éléments sont pressés l'un contre l'autre, en utilisant un outil adéquat, les languettes et la patte se déforment et s'interpenetrent. La languette allongée forme au moins partiellement une boucle circulaire autour de la patte, rendant alors impossible tout descellement ultérieur.

[0008] Le document US-A-3 854 185 propose, dans le même domaine d'application, un procédé pour former un joint structurel entre deux éléments rigides, l'un présentant sur une face une bride avec une extrémité saillante et l'autre une gorge essentiellement circulaire. En appliquant les deux pièces avec suffisamment. de force l'une contre l'autre, la bride pénètre dans la gorge en se déformant. Plus précisément, l'assemblage se fait par solidarisation de la bride avec la gorge, le bride formant un enroulement dans ladite gorge.

[0009] Le document DE-C-385 642 propose une machine pour l'assemblage par sertissage de deux éléments de tôle pour former un corps creux.

[0010] Le document FR-A-2 321 962 propose un procédé d'assemblage par sertissage d'un élément de zinc et d'un élément de plomb en vue de résoudre les problèmes d'étanchéité qui se présentent dans la domaine de la couverture de bâtiment.

Buts de l'invention [0011] La présente invention vise à proposer un procédé d'assemblage d'au moins deux éléments métalliques ou pièces constitutives dont au moins un des deux est

réalisé dans un acier présentant une très haute limite d'élasticité associée à une faible capacité de mise en forme en vue de réaliser des pièces de structure de forme complexe, à partir de pièces plus simples réalisables à l'aide d'opérations de mise en forme essentiellement de type pliage, n'impliquant pas de déformations importantes dans le plan de la tôle, et donc compatibles avec les aciers à hautes caractéristiques mécaniques.

[0012] En effet, au sein d'une famille d'alliage donnée, par exemple les aciers, ou encore les alliages d'aluminium, plus la limite d'élasticité est élevée, plus la ductilité est réduite. Le niveau de limite d'élasticité associé à cette faible capacité de mise en forme dépend de la famille d'alliage considérée ; ainsi pour les aciers cette limite peut être située de 600 à 800 MPa selon la nuance considérée. Au delà de cette limite, les aciers ne peuvent que très difficilement être mis en forme par emboutissage : des déformations dans le plan de la tôle en traction large ou en expansion vont rapidement conduire à la rupture. Le retour élastique rend également très difficile le respect de la géométrie de la pièce. Par contre ces aciers gardent une capacité de déformation par pliage. Toutefois le rayon limite de pliage étant de plusieurs fois l'épaisseur, l'assemblage par sertissage est pratiquement impossible.

[0013] Ces aciers présentent cependant un potentiel intéressant d'amélioration des structures métalliques et en particulier des structure automobiles. Ils permettent de réduire le poids à performances égales ou encore d'améliorer les performances à poids égal.

[0014] Il est donc déterminant de pouvoir réaliser des pièces de formes complexes à partir de ces métaux à hautes caractéristiques mécaniques, ce qui est l'objet de la présente invention.

Principaux éléments caractéristiques de l'invention [0015] La présente invention se rapporte à un procédé d'assemblage d'au moins deux éléments métalliques simples en feuille, en vue de créer une pièce de structure de section ouverte, de préférence en forme de"U", ou fermée, au moins un desdits éléments métalliques présentant une haute ou très haute limite d'élasticité et une faible capacité de déformation, caractérisé en ce que : -les éléments métalliques sont mis en forme par au moins un procédé de pliage ; -les éléments métalliques sont disposés l'un par rapport à l'autre suivant une section de jonction ; -les éléments métalliques sont assemblés par sertissage par ourlet (4) le long de la section de jonction desdits éléments.

[0016] Au moins un des éléments est réalisé de préférence dans un acier présentant une limite d'élasticité supérieur à 400 MPa ou dans un alliage d'aluminium avec une limite d'élasticité supérieure à 200 MPa.

[0017] Avantageusement, le rapport du rayon de l'ourlet à la somme des épaisseurs des différents éléments que l'on désire assembler le long de la section de jonction est compris entre 2 et 10.

[0018] De plus, le rapport de la différence entre le rayon de l'ourlet et l'épaisseur du métal le plus extérieur avec l'épaisseur du métal le plus intérieur est, avantageusement supérieur à 2.

[0019] La nature ou l'épaisseur des différents éléments peut ne pas être identique pour tous les éléments.

[0020] Le procédé est également caractérisé par le fait que la jonction n'est pas nécessairement rectiligne mais peut présenter une courbure locale, le rayon de

courbure étant de préférence supérieur à cinq rayons extérieurs d'ourlet.

[0021] Le procédé d'assemblage selon l'invention se caractérise en outre par le fait qu'après l'opération de sertissage par ourlet, un blocage dudit ourlet vis-à-vis du glissement de ses éléments le long de la section de jonction, est obtenu par collage, indentation ou imbrication.

[0022] La présente invention concerne également le produit obtenu par le procédé d'assemblage décrit ci- dessus, caractérisé en ce qu'il se présente sous la forme d'au moins deux éléments métalliques présentant, le long d'une section de jonction, un ourlet.

[0023] Sous une première forme préférée de l'invention, le produit se présente sous la forme d'une poutre en"I"à âme double, obtenue par l'assemblage de quatre éléments constitutifs reliés par quatre ourlets le long de la section de jonction des quatre éléments pris deux à deux.

[0024] Sous une deuxième forme préférée de l'invention, le produit résulte de l'assemblage de deux éléments par deux ourlets de façon à former une section fermée, un des deux éléments au moins présentant une section en"U".

[0025] Le procédé de l'invention permet donc d'obtenir des pièces de structure de forme complexe à partir de matériaux métalliques en feuille présentant, d'une part, une limite d'élasticité élevée à très élevée, et d'autre part, une capacité de formage limitée. Cette dernière n'est pas contraignante au niveau d'opérations préparatoires au processus d'assemblage, telles que le pliage, impliquant peu de déformation dans le plan de la tôle. Ce procédé permet ainsi d'obtenir des pièces de géométrie équivalente à celle obtenue par emboutissage. De

plus, l'assemblage par ourlet est compatible avec la faible formabilité de ces aciers, le rayon de travail valant plusieurs fois l'épaisseur, ce qui n'est pas le cas du sertissage simple par exemple.

[0026] Un autre avantage de l'invention réside dans le fait que le procédé d'assemblage ou sertissage par ourlet, purement mécanique, permet de s'affranchir des problèmes de soudabilité éventuels des aciers à hautes caractéristiques mécaniques.

[0027] Un avantage complémentaire de l'invention est de proposer un procédé pour la réalisation de pièces de structure renforcées, en particulier dans l'industrie automobile.

[0028] Enfin, le procédé de l'invention, qui utilise une simple presse pour l'assemblage, est un procédé bon marché.

Brève description des dessins [0029] Les figures 1 décrivent une structure réalisée de manière classique présentant une géométrie en "U' "U".

[0030] Les figures 2 représentent les éléments constitutifs simples en vue de créer le même genre de structure que celle représentée aux figures 1 selon le procédé d'assemblage de la présente invention.

[0031] Les figures 3 représentent un outil permettant la réalisation d'une structure telle que décrite à la figure 2.

[0032] La figure 4 représente des variantes d'orientation d'assemblage pour une structure en U.

[0033] Les figures 5 représentent une forme d'exécution plus complexe d'une structure possédant une section fermée et obtenue selon le procédé d'assemblage de la présente invention.

[0034] La figure 6 représente 1'outil mis en oeuvre pour réaliser une structure fermée telle que représentée aux figures 5.

[0035] La figure 7 représente une autre forme d'exécution d'une structure présentant la forme d'une poutre en"I"à âme double.

[0036] La figure 8 représente l'outil permettant la réalisation et l'assemblage d'une poutre en"I"à âme double.

[0037] La figure 9 représente une pièce de type traverse de bouclier.

[0038] La figure 10 représente une pièce de type pied milieu.

[0039] La figure 11 représente une pièce présentant des languettes aux extrémités pour faciliter l'assemblage.

[0040] Les figures 12 illustrent le principe de blocage du glissement relatif de l'âme par rapport à la semelle dans l'assemblage par ourlet, par imbrication à l'aide d'une découpe de créneaux alternés. Les figures 12a et 12b présentent les deux tôles juste avant la réalisation de 1'ourlet.

Description détaillée de plusieurs formes d'exécution de l'invention [0041] L'idée à la base de l'invention est de décomposer un élément de structure de forme complexe, réalisé habituellement par des opérations de mise à forme par emboutissage peu compatibles avec des aciers à hautes caractéristiques mécaniques, en sous-éléments simples, réalisés à l'aide d'opérations de formage de type pliage, et assemblés par ourlet.

[0042] La présente invention sera décrite plus en détails à l'aide des figures annexées.

[0043] La figure 1 présente le mode habituel de

réalisation d'une pièce de géométrie en"U". Classiquement ce type de pièce est obtenu par emboutissage à partir d'une tôle plane comme schématisé à la figure la. Dans le cadre d'aciers à très haute limite d'élasticité, 1'emboutissage d'une telle pièce pose des problèmes sévères de maîtrise du retour élastique : la forme obtenue s'écarte sensiblement de la forme idéale comme présenté à la figure lb. Des problèmes critiques dus à la faible formabilité de ce type d'acier surviennent, par exemple lorsque la hauteur de la section en"U"varie sensiblement comme indiqué à la figure lc ou lorsque la hauteur de la section restant constante, la courbure de la poutre en"U"varie localement de façon sensible (figure ld).

[0044] Le principe selon la présente invention proposé pour réaliser ce type de pièce est illustré aux figures 2. La pièce est décomposée en éléments simples, les côtés 1 et 2, le fond 3 qui sont assemblés par un ourlet 4.

[0045] Les pièces 1,2 et 3 peuvent être obtenues par pliage ou par relevage de bord. Ces techniques de mise en forme n'impliquent que de faibles déformations dans le plan de la tôle et sont compatibles avec des aciers à très haute limite d'élasticité présentant une faible capacité de formage.

[0046] La figure 3 présente un outil typique permettant la réalisation de ce type de pièce à l'aide d'une presse. Les éléments latéraux 1 ou 2 et le fond 3 sont préparés pour la formation de l'ourlet comme indiqué en 5. Ces pièces réalisées à l'aide d'opération de presses simples sont présentées dans 1'outil décrit à la figure 3.

[0047] La demi-vue de gauche présente l'outil fermé, avant la réalisation de l'ourlet, la demi-vue de droite présente l'outil une fois 1'ourlet terminé. Les éléments 7, 7'et 9 prennent appui sur le coulisseau supérieur de la presse par l'intermédiaire de ressorts non représentés et

dont la course d'écrasement est supérieure à la course des outils 8,8'formant l'ourlet. Dans la situation présentée à la figure 3, les ressorts sont comprimés et pressent, par l'intermédiaire des pièces 7 et 9, les pièces 1,2 et 3 contre la pièce 10 qui épouse leur forme et repose sur la table de la presse. Lorsque le coulisseau de la presse achève sa course, l'élément 8'qui lui est directement relié forme l'ourlet comme indiqué dans la partie droite de la figure 3.

[0048] Les pièces 1,2 et 3 ne sont pas nécessairement toutes en acier à haute limite d'élasticité : par exemple, selon la fonction de la pièce, seule la pièce 3 peut être en acier à très haute limite d'élasticité, les pièces 1 et 2 en acier présentant une meilleure capacité de mise à forme et une meilleure soudabilité, ce qui permet d'assembler facilement la pièce au reste de la structure avec des procédés d'assemblage tels que la soudure par points. Le procédé permet également d'adapter les épaisseurs aux exigences structurales de la pièce : les trois pièces 1,2 et 3 peuvent présenter des épaisseurs différentes, le procédé d'assemblage par ourlet acceptant des épaisseurs sensiblement différentes, dont le rapport est supérieur à deux.

[0049] Des variantes d'orientation de l'ourlage sont présentées à la figure 4.

[0050] Le procédé permet également de réaliser des sections fermées comme indiqué à la figure 5. Selon la figure 5, la pièce 11 peut être obtenue par simple pliage, une variation de la section fermée étant obtenue en variant la hauteur des bords plies. La pièce 12 qui ferme la section est de forme encore plus simple. Comme variante de ce cas, la pièce 11 peut également être réalisée par emboutissage d'un acier à plus basse limite d'élasticité,

inférieure à 400 MPa par exemple, la pièce 12 étant en acier à très haute limite d'élasticité et jouant le rôle de renfort.

[0051] Un outillage typique permettant de réaliser ce type de pièce est présenté à la figure 6. Le principe est proche de celui décrit à la figure 3. Les éléments 14, 14'et 15 prennent appui sur le coulisseau supérieur de la presse par l'intermédiaire de ressorts non représentés.

[0052] L'élément 15 maintient les pièces 10 et 11 contre l'élément 17-17'qui repose sur la table inférieure de la presse.

[0053] Dans la partie gauche de la figure, la situation avant la formation de l'ourlet est représentée : le coulisseau de la presse a amené les éléments 14 et 15 en contact, les ressorts étant légèrement comprimés. La vue de droite présente la situation à la fin de la formation de l'ourlet : le coulisseau de la presse a poursuivi sa course et l'élément 16', qui lui est directement relié, a formé 1'ourlet.

[0054] Un autre mode possible de réalisation de structure fermée est basé sur l'assemblage des pièces par quatre ourlets. Une section typique correspondant à cette application est présentée à la figure 7. Les pièces 22, 22'sont assemblées par ourlet avec les pièces 21 et 21'.

[0055] La figure 8 présente un outillage permettant de réaliser l'assemblage par ourlet de cette section à la presse. Les pièces 21 et 22 sont préparées en vue de la formation de l'ourlet comme indiqué en 23 : elles ont reçu une préforme qui amorce l'ourlet. Les pièces sont alors placées dans l'outillage qui est composé des éléments mobiles 20 et 20', 19 et 19'. Ces éléments sont d'abord écartés, horizontalement pour 20 et 20', verticalement pour 19 et 19'. Les pièces 21 et 21'sont déposées sur 19 et 19' respectivement et maintenues par des moyens non

représentés, un système magnétique par exemple. De même, les pièces 22 et 22'sont déposées sur les éléments 20 et 20'et maintenues de même. Tous les outils de type 18 (18', 18'', 18''') sont alors dans la position indiquée pour l'outil 18. Les outils 18 sont alors déplacés, successivement ou simultanément pour former 1'ourlet et se trouver dans la position indiquée par 18', 18'', 18'''. Ce type d'outillage peut être monté sur une presse, les éléments 19,18 et 18'étant mis en oeuvre par le coulisseau supérieur de la presse : 19 est monté sur ressorts et sa course est limitée par une butée non représentée. L'élément 19'repose sur la table de la presse et est donc fixe, les outils 18''et 18'''étant mise en action par le coulisseau inférieur de la presse. Ce type de mode d'assemblage par outil de presse permet de réaliser des formes dont la section n'est pas constante : la distance entre les pièces 21 et 21'ainsi que la distance entre les pièces 22 et 22' peuvent varier.

[0056] Les applications potentielles concernent différents types de pièces de structure automobile comme pièces de renfort d'habitacle (traverse bouclier), pieds milieux, éléments de longeron, berceau moteur. Certaines de ces applications sont illustrées aux figures 8 à 10.

[0057] La technique permet de réaliser des structures de forme complexe avec des aciers présentant une très faible ductilité en profitant de la productivité du procédé d'assemblage par ourlet et du renforcement qu'il apporte à la structure. Elle permet également de ménager aux extrémités des pièces des languettes de métal permettant d'assembler facilement ces pièces au reste de la structure automobile (figure 11).

[0058] L'assemblage par ourlet garantit un très bon maintien des métaux dans le plan perpendiculaire à l'axe de l'ourlet. Toutefois, il existe un risque non négligeable de

glissement des éléments assemblés dans l'axe de l'ourlet ou du moins dans la direction longitudinale, si 1'ourlet n'est pas rectiligne. On peut facilement remédier à cet inconvénient, par exemple en interposant une colle entre les deux feuilles de métal au niveau de l'ourlet, en réalisant des soudures par fusion locale ou encore de préférence en écrasant localement l'ourlet avec un outil de presse comprenant par exemple un poinçon en forme de"V" terminé par un arrondi et une enclume plane. Cette opération peut être réalisée à la presse de façon très productive : un outillage peut être conçu pour réaliser simultanément les indentations, le pas d'indentation étant de l'ordre de 5 à 10 fois le diamètre extérieur de 1'ourlet.

[0059] On peut également procéder à des découpes dentelées alternées dans les deux feuilles de métal, dans la zone à assembler par ourlet, de manière à garantir un blocage longitudinal (figures 12). Ces découpes sont pratiquées lors des étapes de fabrication à la presse de ces pièces. Les dents 20 présentent une hauteur inférieure à la circonférence de l'ourlet, par exemple le tiers de cette circonférence. La largeur des dents 20 est légèrement inférieure à celle des intervalles 21 entre les dents. Lors de l'assemblage des deux feuilles de métal par ourlet, les dents de la tôle se trouvant la plus proche de l'axe de 1'ourlet s'imbriquent dans l'espace entre les dents de la feuille de métal extérieure réalisant ainsi un blocage selon l'axe de l'ourlet.