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PROCEDES D’OBTENTION DES PIECES BRUTES 2
Mise à jour le: 18/03/2007
C'est vers 5000 av. J.-C. que se situent les premiers témoignages de forgeage. Les pépites étaient martelées après avoir été chauffées à blanc, puis refroidies. Cette opération, répétée régulièrement au cours du martelage, permettait de conserver le métal à l'état malléable. La chauffe se faisait alors au feu de bois, qui servait également à la cuisson des poteries : on appelle ce procédé «!le recuit». Un martelage répété sans chauffage aurait rendu le métal trop dur et cassable, créant ainsi des fissures. Au Moyen Âge, pour donner davantage de solidité au fer forgé, on le trempait, après l'avoir chauffé, dans un bain.
Un peu d’histoire!
"Le masque d'Epheistos sur fond de forge Dieu du Feu, fils de Zeus et
d'Héra"En acier repoussé au marteau.
Le forgeage est l'ensemble des techniques permettant d'obtenir une pièce mécanique en applicant une force mécanique sur une pièce de métal, à froid ou à chaud, afin de déformer la pièce pour obtenir la forme voulue.
La forge ne permet pas tout à fait d'obtenir les mêmes marges de tolérance que l'usinage , ce qui la rend inutilisable pour obtenir directement les pièces mécaniques ayant besoin d'un maximum de précision dimensionnelle.
En revanche, les pièces obtenues sont plus résistantes aux contraintes mécaniques car la déformation des métaux engendre un grand nombre de phénomènes métallurgiques, autant au niveau microscopique que macroscopique. Parmi ces phénomènes on trouve notamment le corroyage , qui lui même est à l'origine du fibrage du métal.
Le terme fibrage est utilisé par analogie avec des matériaux qui présentent réellement cette caractéristique tels que le bois ou encore certains composites, dans le cas des métaux il fait référence à l'orientation globale que prend la structure métallurgique en fonction du sens d'écoulement du matériau durant sa déformation.
LE FORGEAGE
La déformation à froid
La déformation à chaud
LE FORGEAGE LIBRE
Le forgeage libre est la déformation manuelle d'un lopin métallique à l'aide d'un pilon ou d'un marteau. Le résultat obtenu est dépendant du savoir-faire de l'ouvier. Un forgeron réalisant un fer à cheval réalise du forgeage libre. Ce moyen de production tend à disparaitre du fait de la standardisation et de la production en grande série, et n'est utilisé que pour les petites séries ou les pièces unitaires.
Les barreaux de fer sont travaillés à l'aide d'un marteau et d'une enclume . La forge (le foyer) est alimentée en charbon minéral , et activée par une vache, espèce de gros soufflet de foyer. La température du barreau peut atteindre 1100 °C avec ce type de foyer.
La température des barreaux d'acier est estimée d'après la couleur du métal. Le façonnage s'effectue à température relativement faible, à une couleur allant du rouge cerise (assez sombre) au rouge brillant. La soudure s'effectue à température élevée, à une couleur rouge-blanc.
Pour former petit à petit le métal chaud, le forgeron dispose d’un ensemble d’outils polyvalents mais simple:
-Le marteau
-Le dégorgeoire
-La chasse
-La tranche
-L’enclume…
•L’étirage: réduire la section par une série de frappes successives
•Le roulage: transformation d’une section carré en section circulaire
•Le cambrage: pliage du barreau
•Le poinçonnage: faire un trou dans le lopin
•Le bigornage: augmentation du trou en étirant la rondelle
•Le tranchage: couper la matière
Pour facilité au maximum les tâches de manipulation du forgeron, il existe des manipulateurs et outillages appropriés. Mais dans tous les cas, il fait appel à une main d’œuvre extrêmement qualifiée.
Quand fait on appel à la forge libre?
Essentiellement pour la réalisation d’ébauche de pièces unitaires ou de petites séries (<50p) reprise ou non en usinage.
Les pièces peuvent varier de 1kg à plusieurs Tonnes
L’ESTAMPAGE (forgeage de pièces métalliques)
La forge par estampage consiste à former, après chauffage, des pièces brutes par pression entre deux blocs -- les matrices -- portant en creux la forme exacte du produit à réaliser.
InconvénientsElle suppose la création d'outillages spécifiques pour la confectionner.Elle n'est donc utilisée que lorsque le nombre de pièces à produire est assez élevé.La masse des pièces ainsi produites ne dépasse pas, en général, 250 kilogrammes pour l'acier, mais, dans certains cas exceptionnels et avec des outillages appropriés, on atteint des masses de l'ordre d'une tonne.
AvantagesElle permet d'obtenir une précision dimensionnelle plus grande qu'avec les autres procédés de forgeage et le formage du produit à grande vitesse a pour effet d'ennoblir au maximum le métal par l'affinage de son grain.
Principe simplifié
L’outillage est mis en contact plus ou moins rapidement par des machines
•De choc V>1m/s (marteau pilon)
•Ou de pression V<1m/s (presse mécanique)
Presse 400T
Conception des pièces forgées
Il est nécessaire de respecter:
• Les surépaisseurs d’usinage
• Le rayonnage des pièces
• Les dépouilles
• Le cordon de bavure
Généralement: 1à6° pour les dépouilles extérieures
6à10°pour les dépouilles intérieures (afin d’éviter le serrage)
Conception des matrices
La particularité des outillages de forges est l’existence d’une bavure, indispensable pour être sur de bien remplir l’empreinte.
Cordon de bavure
Problèmes technologiques liés à l’estampage Après avoir fait le choix de la forme du plan de joint, il reste à préparer l’opération d’estampage et sa réalisation pratique. Il faut définir la quantité de métal ainsi que la gamme d’usinage.
1. Détermination de la matière nécessaire Estampage à la barre (surtout pour piece simple et petite) Estampage en lopin
La quantité de matière est : la pièce + les pertes, qui sont: La bavure La perte au feu La perte au fer
La bavure
C’est le surplus nécessaire au bon remplissage de l’empreinte.
Le rôle de la bavure est également de freiner l’écoulement de métal et donc d’augmenter la pression à l’intérieure de l’empreinte pour favoriser son remplissage.
La dimension du cordon est très importante, la largeur dépend de la dimension mini et l’épaisseur de la complexité
Logement du supplément de matière
La bavure occasionne généralement 10à20% de matière en plus
La perte au feu
Il s’agit de la perte de matière due à l’oxydation par l’échauffement. (pour l’acier c’est la calamine)
Une chauffe rapide par induction ou sous atmosphère neutre permet de réduire fortement cette oxydation
Il faut éliminer la calamine, soit par une ébauche au marteau pilon, soit par un jet d’air durant l’opération d’estampage.
L’oxydation est une perte non négligeable qui est de l’ordre de 2 à 3% du volume de la pièce
La prise au fer
Lorsque l’on estampe des lopins, il est parfois difficile de les saisir avec des outils de préhension. Dans ce cas il est necessaire de prévoir un morceau de matière supplémentaire qui sera supprimé à l’ébavurage.
La définition du lopin initial (forme, volume) est défini a partir d’un coefficient que l’on appel: mise au mille.
Ce coefficient est très souvent issu de l’expérience de entreprise dans le domaine.
L’aide de l’outil informatique
il existe des logiciels qui permettent de vérifier et optimiser le dessin de la matrice, du nombre de passe, du lopin:
forgeage orbital a froid: cet exemple montre la frappe à froid d’une pièce automobile en forgeage orbital. le calcul des contraintes dans l’outillage a permis de détecter une zone critique (en rouge).
Exemple complet d’une pièce forgée
ici
Application au calcul de bavure
Dimensionner le cordon de bavure Calculer la masse tombante Définir le nombre de coups
formules
K=A/B= épai moyenne intégrale
largeur moyenne intégrale
Epais moy (cm)= Volume pièce+Volume cordon
Surface pièce+Surface cordon
Largeur moy (cm)=surface pièce + surface cordon
Longueur de la pièce
