1

• Production de pièces de formes et de matériaux divers, à partir d’un lopin par déformation plastique par chocs ou pression, à froid ou à chaud (Alliage d’Aluminium : 480°C, Acier 1250°C).

• Le corroyage est le phénomène le plus important de la forge. Il améliore les performances mécaniques (résistance à la striction, allongement, résistance àla fatigue, résilience) et correspond à l’orientation des dendrides du matériau.

• Le fibrage est le terme désignant l’orientation des impuretés comprises dans le matériau. en attaquant les impuretés avec de l’acide, on peut visualiser le sens du fibrage, et par conséquence le sens du corroyage.

FORGEAGE

F. Mzali, ENIM

2

Forgeage libre: Permet d’obtenir àchaud, sans outillages spécifiques, avec des délais courts des pièces unitaires ou des très petites séries.

FORGEAGE

Estampage / Matriçage : Formage àchaud par pression ou par chocs de pièces en série, entre deux matrices (outillage spécifique) portant en creux la forme de la pièce. La précision dimensionnelle est plus grande qu’en forge libre.

lopin

3

FORGEAGE

• Outils standards à faible coût

• pièces unitaire, petite série

• pièces de 1Kg à 500t

• grande tolérance

• nécessite un usinage

• Outils spécifiques coûteux

• moyenne et grande série

• pièces de 0,5 Kg à 1,5t

• tolérances faibles

• pas d’usinage nécessaire

Forgeage libre Estampage / Matriçage

Pri

x d

e re

vien

t/ p

ièce

≈ 50-200 Nbr pièces

Forgeage libre

matriçage

4

EFFET DE LA TEMPERATURE

Évolution avec la limite élastique en fonction de la température.

Évolution avec la température, de l’allongement à rupture en traction.

5

Forgeage à chaud (T>0.5·Tf)

Avantages

• Forgeage de formes complexes

• Bonne aptitude au formage

• Pressions de formage basses

• Permet de forger des pièces ayant un poids et un volume plus importants

Inconvénients

• Consommation d’énergie importante

• Diminution de la précision (tolérances plus grandes)

COMPARAISON

Forgeage à froid

Avantages

• Procédé de précision

• Meilleure résistance de la pièce

• Meilleure finition de la surface

Inconvénients

• Pressions de forgeage élevées

• Plusieurs étapes de formage préalable sont nécessaires

• Des étapes de recuit peuvent être nécessaires lors du processus

• Faible aptitude au formage

6

• Forgeage à main : – l'enclume du forgeron : bloc d'acier qui pèse quelques

centaines de kilogrammes.

– la «bigorne ronde» à gauche

– La «table» au centre

– La «bigorne carrée» à droite

– Deux trous carrés permettent d'immobiliser des outillages accessoires.

– Tenaille

FORGEAGE LIBRE

• Forge

Enclume

Marteau

7

FORGEAGE A MAIN

1- Etirage

parage

rayon grand

pour maitriser le rayon :

dégorgeage épanouissement Etirage parage .

En partant d’un lopin 1, on peut obtenir les formes (2), (3) et (4)

8

FORGEAGE A MAIN

2- Roulage

• partant d’une section ronde, on peut obtenir une section carré ou l’inverse:

marteler les arêtes - roulage

3- Poinçonnage et bigornage

bigornage parage

9

FORGEAGE A MAIN

4- Cambrage

• Plier un barreau pour former un angle amincissement a<b

• Utiliser un barreau plus gros étirage + cambrage

Exemple: équerre à angle vif:

Autres exemples

10

FORGEAGE MECANISE

1- Etirage 2- Etampage

3- Refoulement 4- Dégorgeage

5- Poinçonnage 6- Mandrinage

11

7- Bigornage 8- Rétreinte et étirage

9- Elargissement 10- Mise à longueur

FORGEAGE MECANISE

12

RefoulementUpset forging / Stauchen

Produits :

Effort :

Taux de refoulement permissible

Pour une passe : pour deux passes : 5.40

0 ≤=d

hs6.2

0

0 ≤=d

hs

h0

d0

d1

h1

matrice

éjecteur

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅+⋅⋅=

1

111 3

11

h

dAF μσ

13

Forgeage par extrusion à froid

(Filage à froid)

I avant déformation

II après déformation

a: poinçon

b: matrice

c: pièce

d: éjecteur

e: contre-poinçon

f: pilote/ aiguille

Filage plein sur aiguille en conteneur

Fila

ge

dir

ect

Fila

ge

inve

rse

tran

sver

sal

14A0

avant après

V

F = F = A0 • ϕdef• σm

η

Avec η : rendement = 0.5 - 0.7

Calcul de la déformation rationnelle

effective ϕe pour les pièces cylindriques

ϕe = ln (h1/h0)

= ln (A0/A1)

= ln (d02/d1

2)

Car le volume resteconstant:

A1•h1 = A0 •h0

d0

d1

Effort nécessaire en Forgeage par extrusion à froid

h0

h1

15

FR’

FR

Effort nécessaire en Forgeage par extrusion à froid

'

sincos3

21

020

0

RRétirageid

defdefm

FFFF

hD

AF

+++=

⋅⋅⋅⋅+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++⋅⋅=

σμπ

ααμ

ϕαϕσ

Effort en extrusion directe :

Effort en extrusion inverse :

h1: épaisseur du fond

e: épaisseur de paroi

D1: diamètre du poinçon

( )cylindreFtrefoulemenF

e

hA

h

DAF

+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ++⋅⋅+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅⋅=

)(

225.01

3

11 1

211

111

μσμσ

16

LES MACHINES À FORGER

Les engins de fabrication agissent selon deux principes distincts : le choc ou la pression.

Les engins de choc (V>1m/s) :

• utilisés surtout en forgeage libre et en forgeage par estampage

• Les moutons: La masse relevée par un système mécanique, elle tombe ensuite sous le simple effet de la gravité. E= 5 000 à 50 000 J.

• Les marteaux-pilons: La masse est relevée comme celle des moutons, elle est projetée ensuite vers le bas par l'action mécanique due à la détente d'un gaz. E= 30 000 à 35 000 J.

• Les marteaux à contre-frappe: La détente d'un gaz dans une chambre projette les deux masses (inférieure et supérieure) l'une vers l'autre selon l'équation d'équilibre m.v = mH.vH . Ces engins nécessitent des fondations moins importantes que les engins à double effet similaires. E = 150 000 à 800 000 J.

17

Les engins de pressionLES MACHINES À FORGER

• Les presses mécaniques:

– comportent un coulisseau manœuvré par un système bielle-manivelle.

– Le volant d'inertie est mis en rotation par le moteur. À chaque "coup", l'énergie nécessaire à la déformation est empruntée au volant.

– Engins classés d'après leur force F= 5 000 à 120 000 kN.

• Les presses hydrauliques

– descente d'un piston manœuvré hydrauliquement dans une chambre.

– mouvement très lent. Réservé, en forge libre, pour la production de grosses pièces et en matriçage, pour la déformation de matériaux qui exigent une déformation lente (tels que des alliages légers).

– F= 5 000 à 25 000 kN (2 colonnes) et F= 25 000 à 160 000 kN (4 colonnes).

• Les presses à vis:

– constituées d'un bâti monobloc ayant à sa partie supérieure un écrou fixe.

– Une vis transforme le mouvement circulaire en un mouvement rectiligne, déplaçant ainsi le coulisseau.

– Ces machines sont utilisées en forge par estampage et en forge par extrusion. F varient de 500 à 63 000 kN.

18

Les moutons

19

Les marteaux-pilons

Martinet

20

Marteau-pilon

Les marteaux-pilons à contre-frappe

21

Presse à vis

Presse hydraulique

Les presses

22

Laminoir à retour

Gamme de laminage

23

Forgeage libre: Permet d’obtenir àchaud, sans outillages spécifiques, avec des délais courts des pièces unitaires ou des très petites séries.

FORGEAGE / ESTAMPAGE

Estampage / Matriçage : Formage àchaud par pression ou par chocs de pièces en série, entre deux matrices (outillage spécifique) portant en creux la forme de la pièce. La précision dimensionnelle est plus grande qu’en forge libre.

lopin

24

Refoulement Remplissage

ESTAMPAGE

25

Avec bavure Sans bavure

Types d’estampage

Effort Effort

Matrice supérieure

Matrice inférieure

pièce

poinçon

pièce

Bavure

Matrice Ejecteur

26

ETAPES PRECEDANT L’ESTAMPAGE

27

ETAPES PRECEDANT L’ ESTAMPAGE

28

ESTAMPAGE / EBAVURAGE

29

MATRICES

Suivant sa forme finale, la pièce peut être obtenue :

en une seule gravure: pièces simples sans grandes variations de section ou pièces cylindriques ;

en plusieurs gravures: pièces demandant un effort important de déformation ou pièces nécessitant une répartition du métal par cambrage ou roulage; ces opérations ayant lieu sur la même machine.

en préparant une ébauche par laminage, étirage ou roulage à l'aide de machines annexes.

On évite ainsi :-le manque de métal dans certaines parties de la pièce avec un surplus dans les autres.-les défauts tels que repliures et criques ainsi qu’une mauvaise répartition des fibres

30

Constitution d’une matrice

Rayon R + dépouille :

facilite l’extraction de la pièce

prévient l’effet de sertissage

Eviter une déchirure

( Angle vif amorce de déchirure

Difficulté d’extraction de la pièce )

Gravure de finition -donne à la pièce la forme finale et sa précision

-comporte le cordon et le logement de bavure

-sans eux la bavure atteint une certaine surface du pilon rendant les coups de sans effet

-Le cordon de bavure joue le rôle d’une soupape en ne laissant le métal s’échapper dans le logement de bavure qu’après remplissage de la cavité

La matrice est constituée d’une paire de matrices :

Deux demi-gravures et des broches pour conserver le rapport des gravures

31

Constitution d’une matrice

Gravure d’ébauche-Améliore la répartitions du métal et facilite ainsi le remplissage de la gravure de finition

-Diminue l’usure de la gravure de finition

-Indispensable pour obtenir certaines formes sans défauts : donner à la partie active de la gravure la forme de l’écoulement normal du métal (forme logarithmique).

Logement de bavureFermé à son extrémité pour les engins travaillant par choc

Ouvert pour les presses dont la course est limitée par celle du coulisseau

32

Matrice à plusieurs gravures

Tas d’étirage

Tas de roulage

Matrice à trois gravures

33

Matrice à plusieurs gravures

Matrice à quatre gravures :

a: lopin; b: étirage; c: roulage

d: ébauche; e: finition;

f: pièce ébavurée; g: bavures; h: matrice

Matriçage sur presse :

-Éléments simples associés sur porte matrice par brides

-Préparation de l’ébauche sur laminoir à retour

Schéma 10

34

1. Choisir un sens d’estampage-Aucun volume en creux le long des surfaces strictement parallèles au sens de l'estampage

2. Positionner le plan de joint-Le plan de joint doit être perpendiculaire au sens de l'estampage, si possible plan et passant par la plus grande surface de la pièce

- Eviter le plan de joint oblique : Les efforts horizontaux favorisent la fatigue des glissières de guidage

Prévoir un talon pour encaisser les efforts horizontaux

Basculer la pièce pour compenser les efforts horizontaux : dépouilles majorées

Critères pour la conception en estampage

35

Critères pour la conception en estampage

3. Mettre des surépaisseurs d’usinage- Prévoir une surépaisseur d'usinage sur toutes les surfaces qui sont en contact avec d'autres surfaces. La valeur de la surépaisseur dépend du type d'usinage choisi

4. Considérer les tolérances dimensionnelles- On usine les gravures des matrices de telle sorte que la première pièce estampée corresponde aux cotes minimales de la pièce. On arrête la fabrication lorsque les cotes maximales sont atteintes.

- Le brut moyen est égal au brut minimal + valeur négative de l’intervalle de tolérance d’estampage, pour les cotes externes.

5. Mettre des angles de dépouilles- Mettre des dépouilles uniquement sur les faces strictement parallèles au sens de l'estampage

- Paroi : 7°, noyau 11°

36

Critères pour la conception en estampage

6. Ajouter des toiles, le cas échéant- On utilise 2 noyaux pour obtenir des formes intérieures : un lié à la matrice supérieure, l'autre à la matrice inférieure. Ces deux noyaux ne doivent pas venir en contact l'un avec l'autre. On prévoir donc la mise en place d’une toile.

La toile doit être perpendiculaire au sens de frappe et répartie de part et d'autre du plan de joint

7. Mettre en place des rayons et des congés- On ne peut pas en estampage obtenir des pièces à angle vif. Plus le rayon est petit, plus la force de forgeage est grande et plus il y a risque de formation de replies

- Eviter les variations de secion

8- Bavures et ébavurage- Le poinçon doit jouer un rôle de poussoir

- choisir la surface du poinçon pour ne pas écraser la pièce ( P<σcompression à chaud )

37

Comparaison des procComparaison des procééddéés de Formages de Formage

0,3 à

0,4 mm

PressionNon Ferreux

400 à

950

Pas ou

peu

d’usinage

Ébavurage

Calibrage à

froid

Usinage

Estampage

Matriçage

Usinage

Après procédé

0,05 à

0,1 mm au

Ø et 0,5 mm en

long

1 à2

mm

5 mm

Tol

Pression

Chocs

Chocs et Pression

Machine

Spécifiques

Matrices spécifiques

Standards

Outillages

5000 p/mois

1000 p/mois

50

à

plusieurs

milliers/mois

1 à 50

Série

50 gr

15 Kg

5 gr

à

3 T

1 Kg à

200 T

Poids Pièces

Ferreux et non ferreux

Ferreux

Tous

Matériaux

Àfroid

850 à

1200

400 à

1200

t°

Extrusion

Estampage

Matriçage

Forge Libre

Procédés

0,3 à

0,4 mm

0,3 à

0,4 mm

PressionPressionNon Ferreux

Non Ferreux

400 à

950

400 à

950

Pas ou

peu

d’usinage

Pas ou

peu

d’usinage

Ébavurage

Calibrage à

froid

Usinage

Ébavurage

Calibrage à

froid

Usinage

Estampage

Matriçage

Usinage

Estampage

Matriçage

Usinage

Après procédéAprès

procédé

0,05 à

0,1 mm au

Ø et 0,5 mm en

long

0,05 à

0,1 mm au

Ø et 0,5 mm en

long

1 à2

mm

1 à2

mm

5 mm5

mm

TolTol

PressionPression

ChocsChocs

Chocs et PressionChocs et Pression

MachineMachine

SpécifiquesSpécifiques

Matrices spécifiques

Matrices spécifiques

StandardsStandards

OutillagesOutillages

5000 p/mois

1000 p/mois

5000 p/mois

1000 p/mois

50

à

plusieurs

milliers/mois

50

à

plusieurs

milliers/mois

1 à 50 1 à 50

SérieSérie

50 gr

15 Kg

50 gr

15 Kg

5 gr

à

3 T

5 gr

à

3 T

1 Kg à

200 T

1 Kg à

200 T

Poids PiècesPoids Pièces

Ferreux et non ferreux

Ferreux et non ferreux

FerreuxFerreux

TousTous

MatériauxMatériaux

Àfroid

Àfroid

850 à

1200

850 à

1200

400 à

1200

400 à

1200

t°t°

ExtrusionExtrusion

Estampage

Matriçage

Estampage

Matriçage

Forge LibreForge Libre

ProcédésProcédés

38

700 kN60 mmC

2000 kN25 mmB

1800 kN50 mmA

Effort maximalCourse maxPresse

h0 = 80 mmh1 =

50 mm

l0 = 110 mm

b0 = 40 mm

Exercice

Une pièce de forme rectangulaire en acier 42 CrMo4V (σe = 550 N/mm2) est déformée par forgeage à chaud. Travail demandé: choisissez la presse qui convient le mieux pour ce travail.