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PREMIERE APPROCHE DE LA TECHNIQUE DE

MISE EN FORME DES MATERIAUX PAR FORGEAGE

CAS DE L’ESTAMPAGE

INITIATION A PARTIR D’UN EXEMPLE

BTS Mise en Forme des Matériaux par Forgeage

Lycée Marie Curie

Boulevard Pierre de Coubertin

60180 Nogent sur Oise

Tel et Fax 03 44 71 31 71

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PREAMBULE

La forge par estampage (Steel drop forging, or closed die forging)

Ce procédé de forgeage à chaud utilise des outillages spécifiques pour fabriquer des pièces, ce

qui sous entend que l’on y a recours dés qu’il y a une certaine quantité de pièces à faire : les

petites séries, à partir d’une vingtaine de pièces environ, les moyennes séries d’environ 500 à

1000 pièces et les grandes séries au-delà. La forge par estampage met en forme uniquement

des métaux ferreux, à hautes températures avec des pilons ou des presses.

Forme Masse Température Nuance Série

Forge par

Estampage

toutes de quelques

grammes à

plusieurs

centaines de

kilogrammes

élevée, mais

toujours

inférieure

au solidus

métaux

ferreux

à partir de

quelques

centaines de

pièces, selon

la forme

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I/ PLAN DE LA PIECE USINEE

Matiére : 30Mn5

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II/ ADAPTATION A L’ESTAMPAGE

Pour adapter une pièce à l’estampage il faut définir les paramètres suivants :

- Position du plan de joint

- Surépaisseurs d’usinage - Dépouilles - Arrondis d’arêtes - Congés de raccordement - Cordon et logement de bavure

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PLAN DE LA PIECE ESTAMPEE

Quantifiez les paramètres relatifs à l’adaptation à l’estampage

- Position du plan de joint

- Surépaisseur d’usinage

- Dépouilles

- Arrondis d’arêtes

- Congés de raccordement

- Cordon et logement de bavure

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III/ GAMME DE FABRICATION

III.1/ De l’utilité ou non d’une opération intermédiaire

Ce choix résulte de la prise en compte de plusieurs critères :

- un passage direct du lopin de départ à la gravure de finition engendre un défaut de forge

systématique : une opération intermédiaire est indispensable

- un passage direct du lopin de départ à la gravure de finition n’engendre pas de défaut de

forge : une opération intermédiaire n’est pas indispensable. La mise en place de cette

opération peut néanmoins se justifier par :

- une meilleure mise en position

- le souci de décalaminer correctement le lopin pour une plus grande qualité de surface

- l’augmentation de la durée de vie de la gravure de finition

- la répartition de l’énergie de forgeage sur deux opérations (capacité machine)

Dans le cas étudié, une opération intermédiaire n’est pas indispensable

III.2/ Positionnement du lopin sans opération intermédiaire

Le diamètre du lopin permet un centrage dans la gravure de finition, la longueur est calculée

en fonction du volume de la pièce. Cette longueur ne doit pas excéder 2,5 fois le diamètre de

la barre.

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III.3/ Tracé d’une opération intermédiaire

Le profil de cette opération doit respecter les consignes suivantes :

- le lopin est correctement centré dans l’opération d’écrasement

- l’opération d’écrasement sera elle-même correctement centrée dans l’opération de finition

- cette opération peut permettre aussi de répartir certains volumes de matière à l’intérieur de

la gravure

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IV/ POSTE DE TRAVAIL

1 : Cisaille à lopins

2 : Chauffeuse par induction

3 : Convoyeur

4 : (Robot)

5 : Presse d’estampage

6 : Convoyeur

7 : Presse d’ébavurage

8 : Refroidissement contrôlé

1

2

4

3

5 6

7 8

9

V/ DEBIT

V.1/ La machine

Lopins cisaillés

V.2/ Principe du cisaillage

1 :

2 :

3 :

4 :

5 :

6 :

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VI/ CHAUFFAGE PAR INDUCTION

VI.1/ La chauffeuse

VI.2/ Principe du chauffage par induction

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VI.3/ Montée en température

Situez la zone de température de chauffage sur le diagramme fer-carbone en fonction de la

composition chimique de l’acier

Commentez les courbes de montée en température enregistrées sur un lopin

Echauffement d'un lopin

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 10 20 30 40 50

Temps (s)

tem

péra

ture

(°C

)

coeur

peau

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VII/ PRESSE D’ESTAMPAGE

VII.1/ La machine

VII.2/ Principe de fonctionnement

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VII.3/ Schéma de la presse

Repérez les éléments suivants :

- 1 - bâti

- 2 - coulisseau

- 3 - excentrique

- 4 - bielle

- 5 - volant d’inertie

- 6 - embrayage

- 7 - frein

- 8 - éjecteurs

- 9 - réglage de la longueur bielle

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VIII/ OUTILLAGE D’ESTAMPAGE

VIII.1/ Vue d’ensemble de l’outillage

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VIII.2/ Vue de l’outillage de finition

Indiquez le nom des différentes pièces constitutives de l’outillage

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VIII.3/ Matériau d’outillage

L’insert de finition est fabriqué dans un acier de nuance X38CrMoV5-3

C Cr Mo V Analyse théorique

Trempe à Milieu de

trempe

Dureté

HRC

Résistance

(MPa)

Traitement

thermique

°C 400 450 500 550 600 650 700

HRC 52 53 55 55 52 45 36

Revenu

MPa 1850 1900 2000 2000 1850 1500 1200

Donnez la vitesse critique de trempe martensitique :

Quelle doit être la température de revenu pour une dureté en service de 50 à 52 HRC ?

Perlite

Bainite

Martensite

Austénite +

Carbures

Ac1

Ac3

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VIII.4/ Traitement superficiel de nitruration

Le traitement superficiel de nitruration consiste en une diffusion d’azote à l’état atomique (N)

en phase α, à une température de 550°C pendant environ 20h.

Il est pratiqué après le traitement de trempe et revenu.

Ce traitement conduit à la formation de nitrures qui s’insèrent dans le métal de base ce qui

engendre une forte augmentation de dureté, et permet ainsi d’augmenter la durée de vie des

outillages.

Courbe de dureté d'une couche nitrurée

0

200

400

600

800

1000

1200

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4

distance (mm)

Du

reté

(H

V0

.2)

Mesurez la profondeur conventionnelle de nitruration ( = distance pour laquelle la dureté reste

supérieure à la dureté à cœur + 100HV)

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IX/ MISE EN FORME PAR ESTAMPAGE

Les différentes étapes de déformation par estampage sont simulées numériquement à partir du

logiciel Forge2. Tous les éléments relatifs à cette opération sont modélisés :

- Matériau forgé

- Echanges thermiques

- Outils

- Lubrification

- Machine d’estampage

Le calcul se fait par la méthode des éléments finis.

IX.1/ Modélisation du comportement du matériau forgé

SIG = sigma = contrainte d’écoulement

EPS = epsilon = déformation

Vitesse constante = 1 mm/s/mm

SIG = sigma = contrainte d’écoulement

EPS = epsilon = déformation

Température constante = 1000°C

Acier 30Mn5

Quelle est l’influence de l’élévation de température sur la contrainte d’écoulement du

matériau ?

Quelle est l’influence de l’élévation de la vitesse de déformation sur la contrainte

d’écoulement du matériau ?

800°C

1000°C

1200°C

10mm/s/mm

1mm/s/mm

0,1mm/s/mm

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IX.2 : Résultats des calculs

IX.2.1/ Opération préliminaire

1 2

3 4

Courbe Effort (ecrasement)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

14,0 19,0 24,0 29,0 34,0 39,0 44,0

hauteur (mm)

forc

e (

T)

Quel est l’effort ultime de forgeage ?

1

2

3

4

20

IX.2.2/ Finition

1 2

3 4

Courbe d'effort (finition)

0

50

100

150

200

250

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0

hauteur (mm)

eff

ort

(T

)

Quel est l’effort ultime de forgeage ?

Que se passe t’il au stade n°3 ?

1

2

3

4

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X/ EBAVURAGE – DEBOUCHAGE

Cette opération consiste à séparer de la pièce estampée, la bavure et la débouchure par

cisaillement. Dans l’outillage qui est représenté ce cisaillement se fait en une seule opération

X.1/ Vue d’ensemble de l’outillage

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X.2/ Vue des outils spécifiques

Repérez les pièces suivantes :

- 1 - support de pièce

o il est fixé à la semelle et permet de poser et de centrer la pièce

- 2 - poinçon

o il est fixé au coulisseau et assure le débouchage

- 3 - découpe

o elle est fixée au coulisseau et assure l’ébavurage

- 4 - extracteur de pièce

o il permet d’extraire la pièce qui est emprisonnée par le poinçon et la découpe

- 5 - extracteur de bavure

o il assure le rôle de plaqueur pendant l’ébavurage

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X.3/ Principe d’un système d’ébavurage débouchage combiné

1 2

3 4

5 6

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XI/ ASPECTS METALLURGIQUES DU FORGEAGE

XI.1/ Evolution historique

Pratique classique :

dissociation dans l’espace

et dans le temps des deux

fonctions

Forgeage

Traitements

classiques dans la

masse

Tendance actuelle :

association forgeage -

traitements thermiques

Forgeage

Traitements

thermiques directs

sur chaleur résiduelle

d’estampage

Evolution à moyen terme :

fusion forgeage -

traitements

thermomécaniques

Forgeage

Traitements thermomécaniques

XI.2/ Evolution de la taille de grain au cours du forgeage

1 2

Lopin 27MnCr5

Chauffage induction

1 Structure après chauffage seul

2 Structure après estampage (Refroidissement

air) : zone faiblement déformée

3 Structure après estampage (Refroidissement

air) : zone fortement déformée

Grossissement : x70 0,2 mm

3

25

IX.3/ Refroidissement contrôlé après forgeage

Le traitement thermique s’effectue directement après forgeage à partir de l’état

microstructural (température et taille de grain) tel qu’il est après l’opération d’ébavurage.

Par exemple sur un acier de nuance 35MnV7, on cherche à obtenir une microstructure

bainitique. L’obtention de cette microstructure impose la gestion d’une vitesse de

refroidissement contrôlée.

Tracez la courbe de refroidissement visée

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XI.4/ Différents aciers et traitements possibles

- Aciers classiques à structure contrôlée ferrite + perlite

o Aciers non alliés

o Aciers alliés au manganèse

- Aciers micro alliés à structure ferrite + perlite

o Famille MnV

o Famille MnSiV

o Famille MnVNb

- Aciers pour bielle sécable

- Aciers à microstructure bainitique

o Acier 35MnV7

o Bainite à moyen carbone

o Bainite à bas carbone

- Aciers alliés pour trempe et revenu

o Acier de type 35 à 42CrMo4

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XII/ CONCLUSION

D’après le descriptif qui vient d’être fait sur le procédé de mise en forme par estampage, quels

sont d’après vous les avantages et les inconvénients de ce procédé ?