L'Extrusion

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10 -

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Frappe à froid de l’acier

par Noël JOFFRETResponsable Déformation à la Société Toucy Mécanique Générale (TMG)

et Jean PERRIERIngénieur Mécanicien-Électricien de l’École Spéciale des Travaux Publics,du Bâtiment et de l’Industrie de Paris (ETP)Directeur de la Société Toucy Mécanique Générale

1. Description du procédé.......................................................................... M 628 - 21.1 Définition classique du procédé................................................................. — 21.2 Évolution du procédé .................................................................................. — 31.3 Caractéristiques des presses de frappe à froid ......................................... — 3

2. Déformation en frappe à froid ............................................................. — 42.1 Opérations élémentaires............................................................................. — 4

2.1.1 Refoulement........................................................................................ — 42.1.2 Filage ................................................................................................... — 4

2.2 Calcul des efforts ......................................................................................... — 42.2.1 Généralités .......................................................................................... — 52.2.2 Coefficient de déformation ................................................................ — 52.2.3 Courbes rationnelles de traction ....................................................... — 52.2.4 Calcul théorique approché des énergies de déformation ............... — 52.2.5 Calcul théorique des efforts nécessaires au formage ..................... — 52.2.6 Calculs pratiques de l’énergie et des efforts nécessaires

au forgeage ......................................................................................... — 5

3. Étude d’une gamme de déformation pratique ................................. — 73.1 Énoncé du problème ................................................................................... — 73.2 Études des forces de forgeage ................................................................... — 7

3.2.1 Poste I : filage...................................................................................... — 73.2.2 Poste II : préforme .............................................................................. — 83.2.3 Poste III : frappe.................................................................................. — 83.2.4 Poste IV : écornage et filage .............................................................. — 8

3.3 Calcul des énergies...................................................................................... — 83.4 Conclusions.................................................................................................. — 8

4. Outillage ..................................................................................................... — 94.1 Pivot de rotule.............................................................................................. — 94.2 Matériaux utilisés et durée de vie .............................................................. — 94.3 Tolérances .................................................................................................... — 10

5. Matériaux utilisés en frappe à froid. Problèmes rencontrés ....... — 115.1 Parachèvement des aciers pour l’opération de frappe à froid................. — 115.2 Lubrification ................................................................................................. — 115.3 Défauts rencontrés en frappe à froid ......................................................... — 11

5.3.1 Défauts dus au procédé ..................................................................... — 115.3.2 Défauts dus à la matière .................................................................... — 11

6. Conclusions ............................................................................................... — 126.1 Notions économiques ................................................................................. — 12

6.1.1 Avantages du procédé........................................................................ — 126.1.2 Considérations économiques ............................................................ — 126.1.3 Limites du procédé ............................................................................. — 12

6.2 Perspectives d’avenir .................................................................................. — 13

Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. M 628

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.© Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques M 628 − 1

FRAPPE À FROID DE L’ACIER ______________________________________________________________________________________________________________

n appelle frappe à froid l’opération qui permet de produire, à partir decouronne de fil ou de lopins, sur des presses transfert horizontales à un

ou plusieurs postes, des pièces mécaniques nécessitant pour leur obtention aumaximum une phosphatation et un recuit intermédiaire.

O

1. Description du procédé

1.1 Définition classique du procédé

On appelle frappe à froid l’opération qui consiste à produire unepièce mécanique à partir de fil métallique enroulé en couronne. Lematériel utilisé est une presse permettant toujours :

— un cisaillage ;— une ou plusieurs opérations de déformation à froid.

Le fil introduit dans la machine est du fil étiré, en général detolérance h 10, ayant subi un traitement de surface qui est, ordinai-rement, une phosphatation au zinc facilitant la lubrification et pos-sédant une structure globulaire permettant la déformation à froid.

Après cisaillage, il est transféré automatiquement au premierposte de déformation et éventuellement au suivant (figure 1).

Les presses le plus couramment utilisées ont soit un, soit quatrepostes de travail, mais il en existe à deux, cinq, six ou même septpostes. Le nombre de postes est bien évidemment limité par lespossibilités de déformation du métal qui diminuent à chaquefrappe par suite de l’écrouissage.

Un cas particulier est la presse dite double frappe à une matriceet deux poinçons :

— le lopin est cisaillé comme d’habitude, puis déformé entre lamatrice et le premier poinçon ;

— le coulisseau recule et, par un mouvement de rotation, ledeuxième poinçon vient prendre la place du premier, le coulisseauavance alors de nouveau et vient achever la déformation.

Notations et Symboles

Symbole Unité Définition

A mm2 Plus grande section plane du solidedéformé, perpendiculairement àla direction du coulisseau

A0 mm2 Section du lopin de départA1 mm2 Sect ion de la p ièce produi te

par déformationa N · mm/mm3 Énergie nécessaire pour obtenir

une déformation de l’unité de volumeF N Force nécessaire au forgeageW N · mm Énergie nécessaire au forgeageε sans Coefficient de déformation relatif

sans Déformation logarithmiqueη sans Rendement de la déformationσ MPa Résistance à la déformation en

un point donné et à un momentdonné

σ0 MPa Contrainte d’écoulementσm MPa Résistance moyenne à la déformation

pendant la déformation

ε

Figure 1 – Presse de frappe à froid à cinq postes (modèle Kieserling F 35)

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.M 628 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques

_____________________________________________________________________________________________________________ FRAPPE À FROID DE L’ACIER

1.2 Évolution du procédé

La technique, telle qu’elle est décrite ci-avant, impose quelquescontraintes qui limitent la variété des pièces pouvant être produites.

Elle fait apparaître trois contraintes essentielles :— le lopin étant cisaillé, ses extrémités ne bénéficient pas du

revêtement de surface ;— l’écrouissage du métal entre chaque opération limite la

complexité de la pièce pouvant être produite ;— le fait de transférer la pièce d’un poste à un autre peut laisser

supposer, ce qui a été longtemps le cas, que chaque système detransfert est adapté à une famille de pièces particulières, parexemple, pièces longues du genre vis ou plates du genre écrous.

Les fabricants de machines ont mis au point aujourd’hui des maté-riels permettant de s’affranchir de ces contraintes. D’une part, ils ontmis au point des systèmes d’alimentation par lopins permettant detravailler sur un métal complètement phosphaté. D’autre part, ils ontconstruit des machines permettant d’échapper la pièce à une stationdonnée après formage et de la réintroduire à la station suivante avantformage après qu’elle a été recuite et phosphatée. Il n’y a donc pasde perte de poste.

Par ailleurs, les systèmes de transfert sont devenus tout à faituniversels. Les figures 3 et 4 montrent des exemples de piècesproduites à partir de fil sur une presse transfert classique à quatrepostes. La comparaison des pièces produites sur une presse iden-tique, par exemple, donnera une idée de la souplesse du transfert.

1.3 Caractéristiquesdes presses de frappe à froid

Pour caractériser une presse, l’essentiel est de connaître(tableau 1) :

— la force de forgeage totale disponible ;— la force de forgeage maximale disponible par poste ;— le diamètre de cisaillage maximal ;— les longueurs d’éjection côté matrice et côté poinçon.

Un exemple de fabrication est donné sur la figure 2 : soit une pièceréalisable sur une presse à cinq postes du point de vue géométrique ;supposons qu’aux postes 1, 2 et 3 les taux de déformation soient telsque la pièce soit trop écrouie pour que l’on puisse réaliser la défor-mation prévue au poste 4. Le problème est de pouvoir, entre le poste 3et le poste 4, recuire et phosphater tout en faisant travailler la presseen continu.

Pour ce faire, on lance une campagne de pièces dont on arrête la fabri-cation après le poste 3. On recuit et on phosphate ces pièces. Quandon en a un nombre suffisant, on réintroduit ces pièces au poste 4 pourachever la déformation sur les postes 4 et 5. À partir de ce moment, lapresse travaille donc en continu mais dans un cycle donné, ce n’est pasla pièce produite au poste 3 qui est réintroduite au poste 4 mais unepièce recuite et phosphatée ; la pièce produite au poste 3 étantsystématiquement sortie de la machine pour pouvoir subir ces deuxopérations.

Figure 2 – Exemple de fabrication avec recuitet phosphatation intermédiaires

Figure 3 – Exemple de pièces produitessur une presse type Kieserling K 54

Figure 4 – Exemple de pièces produitessur une presse type Kieserling K 64



(0)

Il peut être également intéressant de connaître :— l’énergie disponible ;— la longueur maximale pouvant être cisaillée.

La force de forgeage disponible et le diamètre pouvant êtrecisaillé restent les caractéristiques essentielles, mais nous verronsdans un exemple qu’il peut en être autrement (§ 3).

Du point de vue économique, un autre paramètre important estévidemment le rendement de la presse en pièces /minute.

L’ingénieur du bureau d’études devra chercher à dessiner unepièce pouvant être produite sur la presse la plus petite possible età la cadence la plus grande possible. Pour cela, il faut qu’il puisseébaucher une gamme de déformation. Il déterminera le diamètre dufil dont il faut partir et calculera les efforts de forgeage nécessaires.

Ces deux paramètres permettront, en principe, de déterminer lapresse nécessaire.

2. Déformationen frappe à froid

2.1 Opérations élémentaires

Ces opérations sont similaires à celle du forgeage à froid, maisen ce qui concerne le refoulement et le filage direct de corpspleins, la forge à froid nécessite quelques compléments.

2.1.1 Refoulement

Deux cas sont à distinguer suivant le rapport entre la longueurlibre L et le diamètre du fil d.

a) L > 2,3 d (figure 5a), il y a non pas refoulement mais flam-bage (figure 5b).

Il faut alors effectuer le refoulement en deux fois. Dans un pre-mier temps, on augmente la longueur L1 emprisonnée dans lepoinçon (qui, à l’origine, pouvait être égale à 0) de telle sorte quel’on ait le cas b.

b ) (figure 5c ), on réalise alors une préforme, engénéral conique (figure 5d ), puis la forme définitive (figure 5e ).L’angle du cône de la figure 5d est compris entre 10 et 25o. Si nousavions L > 4,5 d, il faudrait non pas une étape intermédiaire maisdeux avant d’obtenir la forme finale.

2.1.2 Filage

Si la réduction de section est inférieure à 33 %, le lopin peut êtrefilé en l’air (figure 6a). Si elle est supérieure à 33 %, le lopin doitêtre filé en matrice fermée (figure 6b) à cause du risque de flambage.

2.2 Calcul des efforts

Nota : les symboles utilisés sont répertoriés dans le tableau des Notations et Symboles.

Tableau 1 – Caractéristiques d’une gamme de presses pour frappe à froid

CaractéristiquesModèles de presses à cinq matrices

Modèles de pressesà quatre matrices

a b c d e f g h i

Diamètre maximal du fil R = 600 N/mm2 ................................. (mm) 11 13 16 21 27 34 27 33 40Longueur maximale d’alimentation ......................................... (mm) 65 75 90 110 140 170 235 295 400Force de forgeage disponible...................................................... (kN) 500 700 1 000 1 600 2 800 4 300 3 800 6 500 12 000Force maximale utilisable au premier et au dernier poste ....... (kN) 250 350 500 800 1 400 2 150 1 500 2 600 4 800Rendement maximal par minute .......................................... (pièces) 270 250 215 175 140 110 90 75 50Course d’éjection maximale

— côté matrice....................................................................... (mm) 65 75 90 110 140 170 180 230 300— côté poinçon...................................................................... (mm) 25 30 35 50 70 80 70 80 100

Puissance du moteur .................................................................. (kW) 36 42 50 68 115 146 240

L r 2,3 d�

Figure 5 – Étude du refoulement

Figure 6 – Exemples de filage



2.2.1 Généralités

Nous admettons que l’on peut, en chaque point du solide, trouverun repère orthonormé dont les axes s’appelleront directions prin-cipales dans lequel, lors d’une déformation :

— un cube élémentaire porté par les directions principales devientun parallélépipède rectangle (il n’y a pas de variation d’angle) ;

— il n’y a pas de cisaillement dans les facettes d’un cube per-pendiculaire aux dimensions principales ;

— la déformation commence quand la différence entre la plusgrande et la plus petite des contraintes atteint une valeur limite σ0appelée contrainte d’écoulement (critère de Tresca).

Pour effectuer une déformation donnée, il faut connaître laforce F et l’énergie W nécessaires. D’une manière générale, le pro-blème n’est pas simple du fait que :

— les directions principales varient en chaque point du solide àun moment donné ;

— les directions principales varient en un point donné au coursde la déformation.

On ne peut donc espérer arriver à une expression de la forme :

F = σ A1

sauf dans des cas particuliers, comme par exemple celui de l’écra-sement. Pour résoudre le problème, on peut :

— soit faire appel à la théorie de la plasticité (article l’État métal-lique. Déformation plastique [M 45] dans le présent traité) ;

— soit utiliser des abaques, comme par exemple ceux proposéspar le CETIM [1] ;

— soit utiliser des formules faciles à manipuler sur des calcula-trices programmables (§ 2.2.2).

Un certain nombre de méthodes permettant d’avoir une idée desforces de forgeage nécessaires pour les principales opérations dedéformations élémentaires sont exposées dans les paragraphessuivants.

2.2.2 Coefficient de déformation

Une déformation donnée doit pouvoir être caractérisée en gran-deur et signe ; en prenant comme axes de coordonnées ceux desdéformations principales (supposées fixes) on peut écrire :

et de même pour les axes Y et Z .

Si l’on considère la plus grande section plane du solide déformé A,on a :

On remarque que les coefficients de déformation sont :• > 0 s’il y a traction ;• < 0 s’il y a compression.

On a bien évidemment :

La plus grande déformation est égale à la somme des deuxautres. C’est elle que nous prendrons en compte pour le calcul desefforts. La correspondance entre les déformations relatives et lesdéformations logarithmiques est évidente :

Nota : il faut être attentif au signe : par exemple est < 0 dans l’extrusion inverse(diminution de sections).

2.2.3 Courbes rationnelles de traction

Pour les principaux métaux déformables, il est intéressant deconnaître la résistance à la déformation par unité de surface σ enfonction du taux de déformation, le métal étant soumis à une sol-licitation monodimensionnelle.

Les essais de compression, traction, torsion, etc. permettent dedéterminer de telles courbes, sur lesquelles on peut également déter-miner l’énergie a par unité de volume, nécessaire pour obtenir ladéformation (figure 7).

2.2.4 Calcul théorique approché des énergiesde déformation

Dans le cas d’un matériau écrouissable [2] :

avec σ ,

V volume de la zone déformée plastiquement.

En posant :

il vient :

(1)

et (2)

2.2.5 Calcul théoriquedes efforts nécessaires au formage

Deux cas sont à distinguer.

■ Toutes les sections perpendiculaires à l’axe de forgeage sont uni-formément écrouies.

La surface déformée varie en cours de déformation. C’est le casde la traction et de l’écrasement :

Ft = σ A1 (3)

avec Ft force maximale nécessaire au formage.

■ La surface déformée est la même en début et en fin de forgeage :

W = V a = Ala = FI

avec I distance parcourue,

A section plane la plus grande en contact avec l’outillage,

soit Ft = Aa (4)

2.2.6 Calculs pratiques de l’énergieet des efforts nécessaires au forgeage

En ce qui concerne l’énergie, on fait la moyenne des forces néces-saires en début et fin de forgeage et on multiplie par la course. Onpourrait employer la formule (1) si a était constant (filages directsou inverses) ; en réalité il faut faire intervenir le rendement dedéformation η :

— pour l’écrasement :

(5)

∆εX∆XX

----------= soit εXX1 X0–

X0----------------------= ou d εX

dXX

----------= εX

X1

X0--------ln=

∆εA∆AA

----------= ; εAA1 A0–

A0--------------------= ; d εA

dAA

----------= εAA1

A0--------ln=

εX εY εZ+ + 0=

ε

ε A 1 εA+( )ln= εA exp εA( ) 1–=

ε A

W V � 0 ε σ d ε =

f ε( )=

σm1ε

------ �0

εσ d ε=

W V σm ε aV= =

a σm ε=

Fσ A1

η--------------=



— pour le filage direct et inverse :

(6)

Les valeurs de η, facilement mémorisables, sont données figure 8pour les différentes formes de filage.

■ Pour l’écrasement, on calcule :

avec µ coefficient de frottement,

D 1 diamètre du lopin en fin d’écrasement,

h1 hauteur du lopin en fin d’écrasement.

■ Pour le filage inverse, il peut être intéressant de calculer lacontrainte σp sur le poinçon par unité de surface :

(7)

soit d’après (2) :

avec S surface du poinçon.

Un exemple de calcul sera donné lors de l’étude d’une vis, en cequi concerne l’écrasement et le filage direct (§ 3).

Figure 7 – Courbes rationnelles de traction

F a Aη

-----------=

η 1

1 µ3

------D1

h1--------+

-----------------------------=1

1 0,04D1

h1---------+

-----------------------------------≈

σpaAηS----------- a

ηε---------= =

σpσm ε

ηε---------------=

Figure 8 – Rendement des opérations de filage (d’après VDI 03 138/2 p. 1)



Effort sur le poinçon :

[d’après (7)]

On voit que les valeurs trouvées sont proches de celles donnéespar les abaques du Cetim (force de forgeage = 1,5 MN etp = 2 200 MPa).

3. Étude d’une gammede déformation pratique

3.1 Énoncé du problème

Il s’agit de réaliser une vis en acier 42 CD 4 (figure 11). C’est unevis de 50 mm sur plat, de cote minimale sur angle 55,4 mm avecune épaisseur de tête de (19 – 0,84) mm.

Nota : les calculs de volume évidents qui permettent de remonter de la pièce finie aulopin ne sont pas exposés ici.

L’examen de la figure 11 conduit à faire quatre constatations :— a priori, le diamètre sous tête amène à envisager la fabrication

de cette pièce sur une presse à quatre matrices type h (tableau 1) ;— seule l’expérience peut indiquer le gonflement de diamètre

dont il faut tenir compte de poste à poste ;— le diamètre du lopin est choisi de telle sorte que le rapport de

filage soit assez grand pour avoir un bon état de surface et assezpetit pour que l’on puisse filer en l’air ;

Nota : i c i , on a pr is ε = – 0 ,18 ou = – 0 ,20 , ce qu i donne

— on aurait pu éviter la station II, le rapport de refoulementétant < 2,3 d, mais on la maintient pour améliorer le fibrage etavoir une tête bien cylindrique pour la découpe.

3.2 Études des forces de forgeage

3.2.1 Poste I : filage

A0 = 804,2 mm2 ; A1 = 660,5 mm2 ;

les courbes VI de la figure 7 donnent a = 150 N · mm/mm3 et lafigure 8 η ≈ 0,37 :

• force de forgeage :

[d’après (6)]

• course : 217,7 – 55 = 162,7 mm.

Exemple : réalisation d’un godet par poinçonnement d’un lopincylindrique contenu dans une matrice : filage inverse (figure 9).

On lit sur la courbe V de la figure 7 a = 470 N · mm/mm3 et sur lacourbe III de la figure 8 η = 0,44 ; d’après (6) la force nécessaire auforgeage est :

Figure 9 – Exemple de filage inverse

Figure 10 – Détermination de (courbe V figure 7)et II : (courbe V figure 7)

εA 1A 0-----------ln

402 302–402--------------------------------ln 0,83–= = =

F 470 π 402

4----------------× 1

0,44-------------× 1 342 316 N = = 1,35 MN ≈

ε d 2

D 2----------– 0,56– σp

4700,44 0,56×------------------------------- 1 907 N/mm 2 = = = =

�m . I : a f � ( ) =� f �( )=

Remarque

: on peut chercher à évaluer graphiquement

σ

m

;considérons la figure

10

extraite de la figure

7

et reprenonsl’exemple ci-avant.

Pour un coefficient de déformation = – 0,83,

σ

= 670 MPa.En traçant une parallèle à l’axe des déformations, telle que lesdeux surfaces hachurées soient égales, on obtient :

Aux erreurs de lecture graphique près, on retrouve donc lemême résultat que précédemment.

En appliquant l’équation (2) :

= 560

×

0,83 = 465 N · mm/mm

3

ce qui correspond approximativement à la valeur donnée par lacourbe .

ε

σm 560 MPa= et Fσm ε A

η-------------------- 560 0,83× 402× π×

4 0,38×-------------------------------------------------------= =

1 537 000 N ≈

a σm ε=

a f ε( )=

ε

D0 D1 exp � ε–2

----------� 29 exp 0,1( ) 32,05= = =

εA1

A0--------ln 0,20–= =

F 150 804,2×0,37

--------------------------------- 326 kN= =



3.2.2 Poste II : préforme

A0 = 834,6 mm2 ; A1 = 1 307,4 mm2 ;

— début de forgeage : la résistance à la déformation en début deforgeage est σ = 650 MPa :

• force nécessaire en début de déformation :

F = 834,6 × 650 = 542,5 kN (η = 1) [d’après (5)]

— fin de forgeage : la résistance à la déformation en fin deforgeage est σ = 980 MPa :

• force nécessaire en fin de forgeage :

[d’après (5)]

• course : 55,6 – 44,8 = 10,8 mm.

3.2.3 Poste III : frappe

A0 = 834,6 mm2 A1 = 2 463 mm2

— début de forgeage : la résistance à la déformation en début deforgeage est σ = 650 MPa :

• force nécessaire en début de déformation :

F = 650 × 834,6 = 542,5 kN [d’après (5)]

— fin de forgeage : la résistance à la déformation en fin deforgeage est σ = 1 100 MPa :

• force nécessaire en fin de forgeage :

[d’après (5)]

• course : 44,8 – 18,3 = 26,5 mm.

3.2.4 Poste IV : écornage et filage

■ Écornage (six pans) : l’outil travaille au début à la compression,puis au cisaillement (comme un outil coupant).

La force théorique en début de forgeage est :

F = 1 100 × 385,5 = 424 kN

385,5 mm2 étant la différence entre la surface de la galette dediamètre 56 mm et la surface six pans.

En pratique, cet effort dépend beaucoup de l’état de l’outil. Onadmet :

— que l’effort peut atteindre 1,6 fois la valeur théorique ;— qu’il est constant en cours de forgeage.

La force nécessaire en début de forgeage sera donc :

F = 424 × 1,6 = 678 kN

et la course : 17,5 mm.

■ Filage

A0 = 671,5 mm2 ; A1 = 596,1 mm2 ;

= 0,12 + 0,20 = 0,32 et a = 260 N · mm/mm3

• force nécessaire à la déformation :

[d’après (6)]

• course : 36,85 mm.

3.3 Calcul des énergies

En première approximation, on peut faire la moyenne entre laforce nécessaire en début de déformation et celle nécessaire en finde déformation, et multiplier par la course.

3.4 Conclusions

On porte les forces sur un graphique en les additionnant et oncompare avec la force autorisée par le constructeur à une distancedonnée du point mort avant. On constate, dans le cas présent, quel’on ne dépasse jamais la force de forgeage autorisée (figure 12).

On vérifie ensuite si la presse peut, par coup, nous donnerl’énergie disponible nécessaire à la fabrication de la pièce.

Dans le cas présent, on constate que nous avons besoinde 134 000 N · m alors que l’énergie disponible n’est quede 119 105,9 N · m avec un moteur de 210 kW (la presse standardne donnant que 87 600 N · m).

Par ailleurs, la force maximale utilisable par poste pour la presseest donnée à 2 600 kN alors que nous avons besoin de 3 010 kN auposte III.

La pièce n’est donc pas réalisable sur le modèle de presse henvisagé, contrairement à la première idée que nous avions eue.

Figure 11 – Forgeage d’une vis

εA1

A0--------ln 0,45= =

F 1 307,4 980 × 0,9

-------------------------------------- 1 423,6 kN = =

ε 1,08=

F 1 100 2 463 × 0,9

--------------------------------------

3 010 kN = =

ε 0,12=

ε1

F 260 671,5×0,46

--------------------------------- 379 kN= =



4. Outillage

4.1 Pivot de rotule

La figure

13

donne un exemple de gamme de fabrication d’un

pivot de rotule et la figure

14

donne le dessin de l’outillage.

4.2 Matériaux utilisés et durée de vie

Le tableau

2

donne la matière utilisée et la durée de vie des outil-lages, en se référant à l’exemple du pivot de rotule. Ces indicationsont une portée générale. Dans le tableau

2

, nous avons repris éga-lement le cas de l’extrusion inverse qui n’est pas illustré ici (figure

9

).

Les règles générales de frettage sont bien sûr applicables ettoutes les pièces d’usure non soumises à des chocs doivent être encarbure (ici les matrices de filage).

(0)

Figure 12 – Forgeage d’une vis M30

×

200 : diagramme course-force

I

poste

I

(figure

11

et §

3.2.1

)

II

poste

II

(figure

11

et §

3.2.2

)

III

poste

III

(figure

11

et §

3.2.3

)

IV

poste

IV

(figure

11

et §

3.2.4

)

(écornage)et

V

poste

V

(figure

11

et §

3.2.4

)

(filage)

Figure 13 – Gamme de fabrication d’un pivot

Tableau 2 – Tenue des outillages

Appellation Repère

(1)

Matière utilisée Dureté HRCDurée de vie moyenne

(pièces)

Matrice de filage directAiguille de filage directPoinçon de préformeMatrice de frappePoinçon de frappePoinçon de filage inverseMatrice de filage inverse

2/4 et 28/303

1510/12 et 18/20

23/25voir figure 9voir figure 9

Carbure G 40Z 85 WDV 06.05.02XC 100Z 85 WDV 06.05.02Z 85 WVV 06.05.02Z 85 WDV 06.05.02Z 85 WDV 06.05.02

–61 à 6362 à 6459 à 6161 à 6362 à 6462 à 64

450 0001 000 000

150 000200 000150 000

45 000150 000

(1) Repère de la figure 14.



4.3 Tolérances

Elles diffèrent suivant la nature de la mise en forme, si l’onconsidère les exemples de la figure 15 on a :

— sur les diamètres filés, ∅ 1 ; ∅ 4 ; ± 0,02 ;— sur les diamètres refoulés ∅ 5 : ≈ 0,8 % du ∅ ;— sur les diamètres non travaillés ∅ 2 ; ∅ 3 : ± 0,05 ;— sur les longueurs données par l’outillage : :

± 0,05 ;

— sur les longueurs données par l’outillage et la presse : : ± 0,075 ;— faux ronds des diamètres (désaxage) côté poinçon (∅ 1 ou ∅ 2)

par rapport aux diamètres côté matrice (∅ 3 ou ∅ 4) : 0,08 (lecturetotale au comparateur entre matrice et poinçon) ;

— faux ronds entre deux diamètres qui sont tous les deux côtépoinçon (∅ 1 et ∅ 2) ou tous les deux côté matrice (∅ 3 et ∅ 4) : 0,02(lecture totale au comparateur entre matrice et poinçon) ;

— faux ronds entre deux diamètres dans le cas de l’extrusioninverse ou différence d’épaisseur de paroi : 0,15 ;

— sur les diamètres ∅ 6 et ∅ 7 : ± 0,05 (± 0,02 si l’on enfermecomplètement le godet dans l’outillage.

Figure 14 – Dessin de l’outillage pour la fabrication du pivot de la figure 13

�1, �2, �3, �4

�5



5. Matériaux utilisésen frappe à froid. Problèmes rencontrés

5.1 Parachèvement des acierspour l’opération de frappe à froid

D’une manière générale, les aciers ont une structure globulaire ;phosphatés au zinc et étirés avec une tolérance de h 10, ils seprésentent en fil-couronne.

La gamme de fabrication la plus simple est la suivante :— laminage ;— recuit globulaire ;— phosphatation ;— étirage, avec εA = 7 à 10 %.

Si l’on désire une excellente globulisation, il est nécessaire dedemander à l’aciérie un premier tréfilage avec un taux de réductionimportant ; on a alors la gamme suivante :

— laminage ;— recuit ;— tréfilage avec un écrouissage important, > à 20 % ;— recuit de globulisation ;— phosphatation ;— étirage, avec un coefficient de réduction de 8 % environ.

L’étirage final peut évidemment, dans tous les cas, être effectuédevant la machine avec un banc à tréfiler.

Comme cela a été dit (§ 1.2), toutes les presses transfert peuventêtre alimentées avec des lopins, ce qui est indispensable dansdeux cas :

— quand il s’agit de réaliser une pièce pour laquelle l’emplace-ment disponible et la force de forgeage conviennent pour unemachine donnée mais quand la cisaille est trop faible ;

— quand il est nécessaire d’avoir les deux extrémitésphosphatées.

5.2 Lubrification

Toutes les presses transfert travaillent sous arrosage.

On utilise, en général, des huiles haute pression, dites huiles defrappe ou d’extrusion.

Elles doivent avoir une viscosité comprise entre 8 et 12o Englerà 50 oC.

Une huile trop visqueuse, bien que favorisant la déformation,présente plusieurs inconvénients :

— elle est difficilement pompable avec les installations d’origine ;— elle ne s’évacue pas assez rapidement des outillages lors de

la frappe, ce qui provoque des contraintes hydrostatiques pouvant,d’une part, entraîner des ruptures de poinçons ou de matrices et,d’autre part, nuire à la précision des pièces frappées ;

— elle s’accumule dans les congés, ce qui crée des défauts deforme, en particulier en provoquant des chanfreins ou des rayonstrop importants.

De plus, l’huile doit présenter une bonne aptitude au vieillis-sement et avoir la propriété d’être anti-rouille, surtout, bien sûr, sil’on travaille à partir de fil-couronne, les deux extrémités n’étantpas phosphatées.

5.3 Défauts rencontrésen frappe à froid

Ils sont de deux ordres :— défauts dus au procédé ;— défauts dus à la matière.

5.3.1 Défauts dus au procédé

La frappe à froid est un procédé de fabrication de pièces méca-niques extrêmement fiable. Une fois la gamme au point, toutes lespièces produites doivent être de qualité constante, sous réserveévidemment que les outillages montés soient toujours identiques,que les réglages soient toujours les mêmes et que la périodicité dechangement des outillages soit respectée.

5.3.2 Défauts dus à la matière

C’est le plus grand problème rencontré par les techniciens defrappe à froid fabriquant des pièces spéciales. Les métaux livrés parles aciéries sont, en général, conformes au point de vue des pro-priétés chimiques et mécaniques. Malheureusement, ils présententsouvent des défauts qui peuvent être classés en trois catégories :

— lignes de tréfilage (figure 16) ;— défauts dus à une mauvaise manutention, laissant des traces

de choc, fil frotté (figure 17) ;— repli de laminage (figure 18).

En conséquence et malheureusement, toutes les pièces de sécu-rité doivent être triées unitairement aux courants de Foucault.

On peut utiliser une sonde mobile qui copie la forme de la pièce,ou deux sondes fixes (article Essais non destructifs [A 875] dans letraité Génie mécanique).

Heureusement , ces machines sont rap ides (env i ron1 000 pièces/heure).

Ces machines sont faciles à réaliser si l’on dispose bien évidem-ment de l’électronique (article Essais non destructifs [A 875] dansle traité Génie mécanique).

Figure 15 – Étude des tolérances



Figure 16 – Lignes de tréfilageFigure 17 – Défaut dû à la manutention (fil frotté) Figure 18 – Repli de laminage Figure 19 – Fibrage

6. Conclusions

6.1 Notions économiques

6.1.1 Avantages du procédé

■ Extrême facilité de réglage : c’est un des rares procédés de fabri-cation où l’on dispose en même temps de la matière de départ et dela pièce finie sans avoir de stocks tampons ; on peut donc facilementretoucher la forme d’une ébauche intermédiaire avant decommencer la production.

■ Tolérances : elles peuvent permettre (§ 4.3), dans le cas, bien sûr,où il n’y a pas de gorge, de produire des pièces qui peuvent être trai-tées et rectifiées sans autre enlèvement de copeaux.

■ Fibrage : s’il n’y a pas de gorge à usiner par enlèvement decopeaux, les pièces présentent un fibrage non coupé, donc sansamorce de rupture, d’où amélioration des résultats en fatigue(figure 19).

6.1.2 Considérations économiques

Si l’on ne tient pas compte des frais de mise en route, c’est-à-diresi les cadences sont très importantes, il y a économie tant sur le plande la main-d’œuvre que sur le plan de l’investissement.

6.1.3 Limites du procédé

■ Limites techniques : elles sont données par les caractéristiquesdes plus grandes presses (tableau 1).

Les pièces ne doivent pas nécessiter plus d’un recuit et d’unephosphatation.

Elles ne doivent pas avoir une masse de plus de quelquescentaines de grammes ( 1 kg).

■ Limites économiques : les frais de mise en route sont élevés :250 000 F environ, en 1986, pour une pièce un peu difficile sur unemachine de type K 64.

Ces frais comprennent l’étude de la gamme, le premier outillage,les essais sur machine et les retouches éventuelles.

Il y a une économie de matière du point de vue de la masse miseen œuvre par rapport au procédé d’enlèvement de copeaux, maisla matière est plus chère.

Si une pièce peut être réalisée à la fois par enlèvement de copeauxet par frappe à froid, une étude économique est donc indispensablepour savoir si le procédé de frappe à froid est rentable.

6.2 Perspectives d’avenir

Actuellement apparaissent sur le marché des fils prétraités àstructures très homogènes donc bien déformables qui présententun certain nombre d’avantages :

— on peut supprimer le traitement thermique sur pièces frappées,ce qui est intéressant du point de vue économique, le traitement surcouronnes étant meilleur marché ;

— on est affranchi des déformations dues au traitement ther-mique sur pièces finies ;

— on obtient des améliorations importantes sur la tenue enfatigue d’une part et l’allongement du domaine plastique d’autrepart.

Les possibilités apportées par cette nouvelle technique sontréelles. Elles remplacent l’argument souvent donné pour valoriserla forge à froid : l’amélioration des caractéristiques du métal parécrouissage donc la possibilité de supprimer certains traitementsthermiques. Cet argument s’est révélé en pratique peu réaliste.

Les outillages continueront à évoluer, tant du point de vue métal-lurgique que du point de vue de leur conception, et permettront,certainement, de réaliser des pièces de plus en plus difficiles.

En revanche, nous ne pensons pas que la puissance et la tailledes machines augmentent de manière à pouvoir produire des piècesnettement plus importantes que celles qui peuvent être produitesà ce jour.

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Do

c. M

62

8

10

- 1

986

POUR

EN

S

Frappe à froid de l’acier

par Noël JOFFRETResponsable Déformation à la Société Toucy Mécanique Générale (TMG)

et Jean PERRIERIngénieur Mécanicien-Électricien de l’École Spéciale des Travaux Publics,du Bâtiment et de l’Industrie de Paris (ETP)Directeur de la Société Toucy Mécanique Générale

Toute reproductest strictemen

AVOIR

Références bibliographiques[1] RAVASSARD (P.). – Forge à froid : forces de

forgeage. CETIM Information (F), no 51,p. 60-71, juin 1977.

[2] Kaltfliesspressen von Stählen und NE-Metal-len : Anwendung. VDI Richtlinien 3138/2, p. 1.

PLUS

Constructeurs – FournisseursHammond Machinery Ltd.Univacier (Sté).Hatebur Umformmaschinen AG.Hahn et Kolb France (Sté).Kieserling Th. und Albrech GmbH and Co.EMI (Équipements Modernes Industriels).National Machinery (Sté).Nedschroef Machinefabriek Herentals.Sacma Limbiate Spa.Madeform (Sté).Schuler GmbH (L.)Schuler Voith SA.

ion sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copiet interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques Doc. M 628 − 1

Documents

L'Extrusion