Le ForgeageI. Dfinition

Le forgeage est un procd de mise en forme trs ancien. En effet il tait dj utilis durant la prhistoire pour la fabrication dobjets utilitaires, objet dart, outils agricoles et armement. Manuelles l'origine (enclumes, tenailles, marteaux), les techniques de forgeage sont aujourd'hui mcanises. Le forgeage est une opration de formage, terme dsignant la transformation de matriau industrialis. La forge est en effet une industrie de transformation, situe entre la sidrurgie, qui labore les produits mtallurgiques (acier, aluminium, titane, etc.) et la construction mcanique, qui assemble les pices produites aprs leur avoir donn la forme voulue, gnralement par usinage. Le forgeage permet de passer d'une forme brute (lingot, barre) une forme plus volue, par martelage de la pice, en exploitant la plasticit (dformation) du matriau. Le forgeron doit donc avoir pour chaque famille de pices fabriquer : Un acier spcifique avec ou sans lment d'alliage, en fonction des caractristiques obtenir. Un process de forge, mettant en forme l'acier, pour obtenir des pices conformes aux contraintes spcifiques de chacune d'elles.

II.

Les matriaux.

Grce aux variations de la mallabilit, les mtaux peuvent tre rpartis en trois catgories : Ceux pour lesquels la mallabilit diminue quand la temprature augmente, dans ce cas chauff le mtal namliore pas ses qualits de forgeage. Ceux dont la mallabilit augmente quand la temprature est leve, le forgeage chaud sera donc possible condition que le mtal ne se refroidisse pas trop vite pour avoir le temps de la travailler. Le forgeage froid crouit le mtal, donc en augmente la duret et en diminue la mallabilit. Mallabilit : qualit dun mtal qui peut tre facilement se dformer par choc Ecrouir : dformer un mtal au-del de sa limite lastique La matire premire du forgeron est le Fer. Ce fer, singulire particularit, se trouve en quantit illimite dans la nature. Mais le fer en tant que tel n'est utilis que pour des usages trs particuliers. Lacier va tre le plus utilis pour fabriquer des centaines de pices forges, aux fonctions diffrentes, ncessaires l'homme pour sa vie quotidienne et ses industries, il lui faut de la matire rpondant aux contraintes galement diffrentes de chaque pice : pour forger un couteau, une bielle, un obus ou une prothse, on ne peut pas utiliser le mme acier. Pour passer du Fer l'Acier, une seule condition : ajouter du carbone dans la limite d'un maximum de 1%. Puis, en fonction des caractristiques mcaniques exiges sur la pice forge, on rajoute l'acier un ou plusieurs autres lments d'alliage : manganse, soufre, phosphore, chrome, nickel, aluminium, cuivre, vanadium, titane etc Chauffage : Par induction : il consiste induire, dans un inducteur l'aide d'un gnrateur G, la surface du mtal passant dans une bobine B crant un champ magntique alternatif, des courants qui chauffent par effet Joule la priphrie des lopins.

Par conduction : La pice chauffer est place entre deux lectrodes. La chaleur ainsi produite, directement l'intrieur du lopin, confre ce mode de chauffage une trs grande efficacit nergtique : rendement voisin de 100 %. Temprature limite entre formage froid et formage chaud : Aluminium : 193 C Cuivre : 405 C Fer : 631 C Nickel : 590 C Titane : 697 C

III.

Les outils :

Pour la forge libre, loutillage est celui de la base de la technique de forgeage : -le marteaux main, qui est constitu de deux faces daction appeles pannes - Les marteaux manches, parfois appels martinet. qui ont des formes diffrentes, une plane et large et une demi-cylindrique. -Lenclume sur laquelle repose le mtal forger est en acier. Elle est en fonte, en marbre ou en granit pour le travail de lor ou de largent Aujourdhui, deux principes distincts existent : le choc et la pression. 1. Les engins de choc On les trouve surtout en forge libre et en forge par estampage. Ils sont classs en trois familles, selon l'nergie totale dont ils disposent :

Les moutons (nergie disponible 5.000 50.000 joules) : masse releve par un systme mcanique (chane, courroie, planche, etc.), qui tombe ensuite sous le simple effet de la gravit. Ces machines ne sont pratiquement plus employes. Les marteaux pilons (nergie disponible 30.000 35.000 joules): masse tombante releve comme celle des moutons, puis projete vers le bas par l'action mcanique due la dtente d'un gaz. Il y a donc un double effet : gravit + pouss. Les marteaux contre-frappe (nergie disponible 150.000 300.000 joules): liaison mcanique ou hydraulique tablie entre la masse suprieure et la masse infrieure mobile. La dtente d'un gaz dans une chambre projette les deux masses l'une vers l'autre. Les 2 matrices se frappent avec une nergie gale.

2. Les engins de pression Les presses compressent la pice pour lui donner se forme finale. Il existe :

Les presses mcaniques (500 12.000 T) : Fonctionnant avec un moteur lectrique et non un moteur hydraulique, les pertes dnergie sont minimes. La dure de vie dune presse mcanique est considrablement plus longue quune presse hydraulique. Les presses hydrauliques (500 2.500 T) : Ces machines avec un circuit hydrauliques fournissent une grande force de compression.Presse de forge de1600 tonnes

Les presses vis (50 6300 T). Ces machines cumulent les avantages des engins de choc et des engins de pression. Elles sont utilises en forge par estampage et en forge par extrusion. Les laminoirs circulaires : machine compose de deux cylindres dacier, entre lesquels on fait passer des lames de mtal, pour en rduire plus ou moins lpaisseur. Les fenderies sont une expansion des laminoirs, cet outil fend la pice.

IV.

Les procds de mise en forme dun matriau

Formage chaud1. La forge libre : Cest la plus ancienne des techniques de forgeage, Elle permet d'obtenir

chaud des pices bauches (ouvrage dont lensemble est termin et dont les dtails restent excuter) ou finies dont la forme est atteinte au terme d'un nombre plus ou moins grand de transformations successives. Dit libre puisque le mtal peut se dplacer dans plusieurs directions car il nest pas enferm dans un forme prdfinie. Cette technique est applique : lorsqu'il s'agit de produire, dans des dlais parfois courts, des pices l'unit ou en trs petites sries, car la technique destampage reviendrait un cout unitaire lev Pour des grosses pices (100kg 500T) ralisable seulement par cette technique Par les marchaux-ferrants Exemples de pices : Arbre dhlice de bateau, Arbre de gnratrice de centrale lectrique, Virole pour rservoir sous pression Refoulement : opration inverse, rduit la longueur pour augmenter la section. Seule la partie dont on veut augmenter la section est chauffe. Cette opration si elle est suivie dun tirage permet un meilleur fibrage de la pice. (voir fig. 14) Etirage : Consiste diminuer la section dun lopin pour augmenter sa longueur suivie de ltampage pour mettre au rond une section de barre. Mandrinage : agrandissement des trous, calibrage intrieur, souvent utilis aprs un poinonnage. Ce procd cre trs frquemment des bavures. (voir fig.18) Dgorgeage: (aussi appel trianglage ou dcolletage) Ralisation dune gorge sur un lopin afin de situer et permettre, par tirage ou largissement, une modification brusque de section. Bigornage : Elle est pratique dans le cas o lbauche perce doit tre agrandie en diamtre. On utilise un ou plusieurs mandrins reposant de chaque ct de la couronne bigorner sur des chevalets.

Fig. 19 Dgorgeage

Fig.20 Etirage

Rtreinte ou sertissage:(toujours suivie dun tirage avec ou sans mandrin) permet de diminuer les diamtres intrieur et extrieur dune bauche par des efforts exercs sur sa surface extrieure sur toute la longueur ou sur certaines parties. Elargissement : permet dlargir une pice par dplacement latraux dun tasseau entre les frappes. Poinonnage Permet de percer un trou de diamtre dtermin dans une pice pour obtenir une pice creuse. Il existe deux types de poinons. Les poinons pleins pour les pices de petites et moyennes tailles, et les poinons creux pour les grosses pices. Ce dernier lavantage de ne pas ncessiter de retournement. Mise longueur : usinage, on coupe la pice avec un couperet (seul quand il sagit dun cylindre) et une guillotine.

2.

L'estampage et le matriage : Cest la mise en forme par choc ou pression dun lopin (dune pice, dune portion de barre) mtallique intercale entre deux gravures (demi-empreintes) de blocs dacier dur appels matrices. Pour des pices en acier ou en alliage de nickel ou de cobalt on parle destampage. Pour les pices en alliage daluminium, de magnsium, de titane ou de cuivre (cest--dire les mtaux non ferreux) le terme matriage est employ. Sous laction des forces extrieures, le mtal se dforme et remplit les empreintes. La pice est chauffe pour diminuer leffort ncessaire de la mise en forme.

Etapes : Contrairement au matriage, lestampage comporte, avant le passage de la matrice la forme finale, des oprations de prformage du lopin : on fait subir au lopin une succession dbauche afin de rpartir convenablement le mtal dans la gravure de finition contenue dans la matrice ayant la forme finie de la pice voulue. Puis, on vient dcouper les cordons de bavures (bavurage).

Matrice infrieure pour marteau pilon destampage

a) Les oprations dbauche Il est impos par lingalit de rpartition des masses de lbauche obtenir. Cela vite le manque ou le surplus de mtal, une usure prmature, une mauvaise rpartition des fibres (voir avantages). En effet : la masse du lopin = masse de la pice + pertes en bavures + perte au feu (oxydation chaud) + mtal de la tenue

Sur la mme matrice peuvent tre runies (partiellement ou compltement) les formes suivantes : roulage (permet la rpartition rapide du mtal en sections simples comme une suite de section carre, ou ronde), tirage (augmente la longueur et facilite le remplissage de la forme de roulage), cambrage (permet de redresser la pice pour la faire rentrer dans les autres gravures) avec les gravures dbauche et de finition. Les formes de prformage peuvent tre graves sur des laminoirs ou des marteaux-pilons.

Matrice bauche Plateau de la presse

Matrice finition

Les pinces mcaniques, synchronises avec le mouvement de la pice

Le plan de joint (zone de contact entre les deux matrices) dfinit la cte dpaisseur des pices. Ce jeu vertical reprsente aussi lpaisseur maximale de la bavure. Ce plan absorbe lnergie du choc.

Les pices sont diriges vers latelier dusinage

b) Ebavurage : Pour viter la variation de section des barres, les pertes par oxydation, et lusure de la gravure de finition provoquant une diffrence entre les ctes mini et maxi tolres, il faut forger un volume excdentaire de mtal, capable dassurer celui de la pice. La difficult de rpartir exactement le mtal lors des bauches explique aussi la ncessit de la bavure. . Le mtal supplmentaire scoule, il flue, sous forme de bavure, dans un logement creus autour de la gravure dans les faces de joint. La bavure est soumise laction du cordon de la matrice et sera te lors de lbavurage. Une dbouchure est une autre forme de bavure, cest une toile limine. Angle de dpouille : cest langle entre la paroi de la gravure et la direction de dplacement de la matrice, il nest jamais droit. Il facilit lextraction des pices des matrices. Sa valeur dpend : de la forme de la pice et de la machine utilise (pilon 7 9 ; presse 1 7).

Demie vue dune poulie :

Variation de sections :

Il faut aussi viter les variations de section brusque en raccordant les diffrentes sections par des rayons importants. Il existe aussi des machines forger horizontales. Le lopin est serr entre une matrice mobile et une fixe. Un poinon forge le mtal par diminution de sa longueur et augmentation de son diamtre. Les cavits dans les matrices sont remplies par le mtal et guident les poinons et bouterolles. Les bauches jouent aussi un rle important pour viter des dfauts.

3.

Le laminage : consiste craser le mtal entre des rouleaux tournant ensens inverse, afin de l'allonger, pour lui donner Soit une forme plate : on parle de tle. Soit une forme allonge : on parle de barre lorsque le profil est simple (rond, carr), et de barre profile lorsqu'il est plus complexe (grce des cannelures). Il est notamment utilis pour faire des bauches pour le matriage

Formage froid4.

L'extrusion: mme principe, plus rcent, que l'estampage, mais conduite froid. temprature ambiante, on contraint le matriau remplir compltement la forme en creux d'une matrice grce une trs forte pression. Les pices obtenues ont des formes trs prcises, ce qui permet souvent de les utiliser sans usinage complmentaire. La masse moyenne des pices extrudes est de l'ordre d'un kilogramme. L'extrusion s'applique divers produits tels les mtaux, les matires plastiques, les caoutchoucs, les matriaux composites, mais aussi l'argile [pour la fabrication des briques alvolaires, les ptes alimentaires, et galement certaines matires pharmaceutiques pour la fabrication de mdicaments.

Dformation par : - crasage dun lopin entre deux tas plats ; - performage (lopin compress sous laction dun poinon) ; - filage inverse (consiste faire scouler le mtal autour, le long ou lintrieur dun poinon dans le sens contraire de son avance) ; - filage direct (consiste faire scouler le mtal au travers une filire dans le sens de dplacement du poinon (lensemble de la matire ne traverse pas la filire) ; - filage latral (consiste obliger la matire scouler au travers dun orifice mnag dans la paroi de loutillage) ; - tirage (consiste tirer un matriau au travers dune filire quil traverse entirement, permet de rduire lpaisseur de la paroi dun corps.) ;

- refoulage (consiste craser dans la direction de son axe, une partie libre dun lopin afin de former une tte ou une collerette.5.

Lemboutissage : consiste former des tles par pression entre deux matrices portant encreux la forme exacte du produit raliser.

6.

L'lectro refoulage : permet d'obtenir l'extrmit d'un lopin long, une masse de mtalimportante qui sera ensuite forge. L'extrmit dformer est seule chauffe, le lopin glisse dans l'lectrode "entre de courant".

I.

Pourquoi forger ?

Le forgeage a deux principaux avantages : Le Corroyage : Le corroyage est le rsultat des oprations de laminage d'un produit initial, dans une direction principale dite direction de corroyage, permettant de l'allonger en rduisant sa section initiale. Le taux de corroyage est calcul par le rapport : section initiale / section finale. Il a pour effets : - Lamlioration de la compacit du matriau en refermant les cavits, conduisant une meilleure rsilience (sa rsistance face un choc) - Laccroissement important de la rsistance la striction, - Le raffinement de la structure brise, taille de grain. - La cration d'une anisotropie qui induit une amlioration de certaines caractristiques mcaniques en sens longitudinal. Fibrage naturel : Au cours de lestampage, le mtal est mis en forme par les gravures de lbauche, ce qui a pour effet dorienter les fibres existantes et de confrer la pice un maximum de rsistance en service, suprieure celles obtenues autrement. Quel que soit le procd qui est utilis pour la mise en forme du matriel, le forgeron peut orienter les fibres prexistantes dans le sens qui est le plus adapt aux besoins fonctionnels de la pice. Ce " fibrage " rationnel constitue un des avantages principaux du forgeage qui permet de rduire les dimensions des pices donc de les allger.

Mais il y a aussi des dsavantages comme son cot, sa faible production, sa faible adaptation certaines gomtries rendant certaines pices irralisables en forgeage la diffrence des autres moyens de mise en forme du mtal tel que lusinage ou la fonderie. Le forgeage saccompagne de risques pour les employs cause de la manipulation de pices trs chaudes. Ils doivent donc tre suffisamment qualifis, rendant la main duvre plus chre. Les diffrents procds ont eux aussi leurs qualits et leurs dfauts : Le Forgeage Libre : Ce procd permet de forger une large gamme de pices, allant jusqu' forger des pices de plus de quinze tonnes que les autres procds de formage chaud ne peuvent forger. De plus, il permet une mise en uvre rapide sans cration doutillage, il est donc le plus adapt forger des petites sries et les pices unitaires. Nanmoins, pour des grandes sries, le cot unitaire sera lev et demandera plus de temps de fabrication que les autres procds. Lestampage/matriage : Il permet de forger de grandes sries pour un prix unitaires moindres. Ce procd offre aussi une bonne prcision vitant des cot trop lev en usinage voir les supprims, ainsi quune conomie de matire et de temps importantes. Cependant, lestampage/matriage ncessite un grand nombre doutillages et ne peut, linverse de la forge libre, forger des pices imposantes. Bien que peu connu par rapport la fonderie ou lusinage, le forgeage reste lun des principaux moyens de mise en formes des mtaux aux vues des caractristiques techniques quil apporte aux pices par le biais de plusieurs procds, tel que le forgeage libre ou le matriage. Plus de 500 000 tonnes de pices sont ainsi forges chaque anne en France, dont 60% destines l'automobile.