Processus de forgeage expliqué : types et techniques

1.0Définition et caractéristiques essentielles du forgeage

Le forgeage est un procédé de fabrication impliquant le façonnage du métal par compression localisée. Les coups sont portés à l'aide d'un marteau (souvent un marteau-pilon) ou d'une matrice. Le forgeage est souvent classé selon la température à laquelle il est réalisé : forgeage à froid (un type de travail à froid), forgeage à chaud (un type de travail à chaud). Pour les deux derniers, le métal est chauffé, généralement dans une forge. Le poids des pièces forgées peut varier de moins d'un kilogramme à plusieurs centaines de tonnes. Le forgeage est pratiqué par des forgerons depuis des millénaires ; les produits traditionnels étaient des ustensiles de cuisine, de la quincaillerie, des outils à main, des armes blanches, des cymbales et des bijoux.

Depuis la révolution industrielle, les pièces forgées sont largement utilisées dans les mécanismes et les machines, partout où un composant requiert une résistance élevée ; ces pièces forgées nécessitent généralement un traitement supplémentaire (comme l'usinage) pour obtenir une pièce finie. Aujourd'hui, la forge est une industrie mondiale majeure.

2.0Classification par température de forgeage

La classification des températures repose principalement sur la température de recristallisation du métal, point critique auquel les atomes se réorganisent pour former de nouveaux grains. Sur cette base, le forgeage peut être divisé en forgeage à chaud, forgeage à chaud et forgeage à froid.

2.1Forgeage à chaud

• Plage de température : Pour l’acier, généralement 950–1260 °C (varie selon les différents métaux et alliages).
• Caractéristiques principales :
  • Excellente plasticité du métal, bonne formabilité et faible force de formage.
  • L'écrouissage est compensé par la recristallisation, ce qui entraîne une faible contrainte interne.
  • Peut produire des dépôts d'oxyde, entraînant une finition de surface et une précision dimensionnelle inférieures.
• Applications : Pièces forgées de grandes dimensions (par exemple, arbres, moyeux), ébauche d'alliages à haute résistance. Convient à la production en série où une précision élevée n'est pas requise.

2.2Forgeage à chaud

• Plage de température : Température inférieure à la température de recristallisation, mais supérieure à la plage de forgeage à froid. Pour l'acier, généralement entre 650 et 950 °C.
• Caractéristiques principales :
  • Écailles minimales ou inexistantes, meilleure finition de surface par rapport au forgeage à chaud.
  • Précision dimensionnelle entre le forgeage à chaud et à froid, force de formage inférieure à celle du forgeage à froid.
  • Formabilité légèrement réduite par rapport au forgeage à chaud ; nécessite un contrôle précis de la température pour éviter les fissures.
• Applications : Pièces de précision moyennes à petites telles que les ébauches d'engrenages, où la qualité de surface est requise mais où une précision de forgeage à froid extrême n'est pas nécessaire.

Lectures recommandées :Procédé de forgeage à froid : principes, avantages, applications et technologies clés

3.0Classification par contrainte de matrice

Le forgeage peut également être classé en fonction de l'étendue de l'enveloppe du moule : forgeage à matrice ouverte et forgeage à matrice fermée.

4.0Classification par équipement et fonctionnement

4.1Forgeage par estampage

• Principe: Le forgeage par estampage utilise un marteau ou un bélier, actionné par des moteurs à vapeur, hydrauliques, pneumatiques ou électriques, qui s'abat sur la pièce pour la déformer instantanément. Il existe des variantes en matrice ouverte et en matrice fermée. Le forgeage libre nécessite un repositionnement manuel de la pièce, tandis que le forgeage en matrice fermée permet à l'excédent de matière de s'écouler sous forme de bavure. Les installations modernes utilisent souvent un Marteau-pilon pneumatique pour forge pour fournir un impact contrôlé à haute fréquence, améliorant la cohérence et réduisant la fatigue de l'opérateur.
• Applications : Idéal pour les pièces de taille moyenne à petite, comme les arbres, les outils agricoles et les composants mécaniques, le forgeage libre permet de produire des formes larges ou irrégulières où le sens du grain est crucial.
• Avantages et limites : Déformation rapide, fortes propriétés directionnelles ; cependant, la précision dimensionnelle dépend des compétences de l'opérateur et un rognage par bavure est nécessaire pour le forgeage en matrice fermée.

4.2Forgeage à la presse

• Principe: Le forgeage à la presse applique une pression lente et continue plutôt qu'un impact, assurant une déformation uniforme du métal. Il peut être réalisé avec des matrices ouvertes ou fermées, sur des presses mécaniques ou hydrauliques.
• Applications : Convient aux composants de grande taille ou complexes, notamment les vilebrequins, les bielles et les pièces structurelles nécessitant une répartition uniforme des contraintes.
• Avantages : Déformation contrôlée, finition de surface améliorée, meilleure précision des détails avec des matrices chauffées.
• Limites: Plus lent que le forgeage et coût d'équipement initial plus élevé.

4.4Forgeage à chaud automatique

• Principe: Les lignes automatisées de forgeage à chaud combinent chauffage, décalaminage, cisaillage et forgeage sur plusieurs postes. Les procédés sans bavure minimisent le gaspillage de matière et améliorent l'efficacité.
• Applications : Production en grande série de pièces symétriques de petite à moyenne taille telles que des composants automobiles.
• Avantages et limites : Rendement élevé et qualité constante ; la cadence de production et les tolérances dépendent de la géométrie des pièces. L'investissement en équipements s'élève à plusieurs millions de dollars et les lignes sont généralement conçues pour de petites pièces symétriques.

De nombreux modernes Machines de forgeage à rouleaux CNC sont utilisés dans les lignes de forgeage à chaud automatisées pour contrôler la déformation précise et assurer la répétabilité sur de grands lots.

4.8Forgeage par induction

• Principe: L'induction électromagnétique chauffe rapidement et localement les billettes avant le forgeage, souvent combiné au forgeage par chute ou par presse.
• Applications : Composants automobiles et aérospatiaux nécessitant une déformation localisée à haute température.
• Avantages : Chauffage efficace, tartre réduit, processus cohérent ; contrôle précis des zones chauffées.
• Limites: Investissement élevé en équipement ; limité par la taille de la pièce et la conception de la bobine.

5.0Procédés auxiliaires de forgeage

La performance finale d'une pièce forgée dépend non seulement de l'opération de formage elle-même, mais aussi d'une série de procédés auxiliaires conçus pour optimiser la qualité métallurgique. Parmi les techniques clés, on compte le recuit, le revenu et la lubrification de l'outil :

Recuit :

• But: Améliore la ductilité et l'usinabilité du métal, soulage les contraintes internes générées lors du forgeage et réduit la dureté.
• Processus: La pièce forgée est chauffée soit au-dessus de la température de recristallisation (post-forgeage à chaud), soit en dessous (pré-forgeage à froid), maintenue pendant une durée définie, puis refroidie de manière contrôlée. L'ajustement de la vitesse de refroidissement permet d'affiner la granulométrie, les grains fins améliorant la ténacité.
• Application:Le recuit post-forgeage à chaud empêche la fissuration lors de l'usinage ultérieur, tandis que le recuit sphéroïdisant pré-forgeage à froid affine les structures perlitiques, améliore la ductilité et réduit les charges de formage.

Trempe :

• But:Équilibrez la dureté et la ténacité de la pièce forgée, réduisez la fragilité après trempe et stabilisez la précision dimensionnelle.
• Processus:La pièce forgée trempée est réchauffée à une température inférieure au point critique (généralement 200 à 600 °C pour les aciers), maintenue pendant une durée déterminée, puis refroidie. La dureté diminue et la ténacité augmente avec l'augmentation des températures de revenu.
• Application:Les composants soumis à des impacts ou à des charges cycliques (par exemple, les vilebrequins, les engrenages) nécessitent un revenu pour obtenir une combinaison de résistance élevée et de ténacité élevée.

Lubrification des matrices :

• Fonction:Réduisez la friction entre le métal et les matrices, évitant ainsi les défauts de surface ou les déformations en forme de tonneau, tout en prolongeant la durée de vie de la matrice et en facilitant un écoulement correct du métal dans les détails de la cavité.
• Exigences:Le forgeage à chaud nécessite des lubrifiants résistants aux hautes températures (par exemple, à base de graphite), tandis que le forgeage à froid nécessite des lubrifiants à faible frottement et facilement amovibles (par exemple, à base de savon métallique).

6.0Sélection de métaux pour le forgeage

Presque tous les métaux et alliages peuvent être forgés, mais le choix du matériau dépend de l'application prévue et des performances requises pour la pièce finie. Les métaux industriels courants et leurs caractéristiques sont les suivants :

6.1Pièces forgées et autres procédés de fabrication

Les avantages des pièces forgées résident dans leur déformation plastique à l'état solide et leur structure granulaire optimisée. Leurs propriétés diffèrent sensiblement de celles des produits moulés, soudés et usinés :

Pièces forgées vs. pièces moulées

Pièces forgées vs. assemblages soudés :

• Force:Les pièces forgées sont des structures monoblocs exemptes de défauts de soudure (par exemple, porosité, fusion incomplète), offrant une résistance constante aux chocs et à la fatigue. Les assemblages soudés présentent des points faibles, propices à l'amorçage de fissures sous l'effet de la concentration des contraintes.
• Utilisation du matériel :Les pièces forgées prennent leur forme par déformation avec un minimum de rebuts. Les structures soudées nécessitent la découpe et l'assemblage de plusieurs pièces, ce qui entraîne des pertes de matière plus importantes.
• Efficacité de la production :Les pièces forgées peuvent être hautement automatisées pour la production de masse, tandis que les assemblages soudés nécessitent un soudage manuel ou robotisé, ainsi que des tests non destructifs supplémentaires (par exemple, une inspection aux rayons X), augmentant la complexité du processus.

Pièces forgées vs. barres usinées :

• Structure du grain :Dans les pièces forgées, le flux de grain suit la géométrie de la pièce, améliorant ainsi la résistance directionnelle. L'usinage coupe à travers le grain, réduisant ainsi la résistance à la fatigue.
• Gamme de tailles :Les pièces forgées peuvent produire des composants de moins de 1 pouce à plus de 450 tonnes, tandis que l'usinage est limité par les tailles de stock disponibles.
• Coût:Les pièces forgées à forme quasi définitive réduisent l'usinage ultérieur, diminuant ainsi les coûts de production en série. Les déchets d'usinage peuvent atteindre 30 à 50 µt de matière première.

7.0Défauts de forge courants et leurs causes

Bien que le forgeage soit un procédé éprouvé et bien établi, des défauts peuvent néanmoins survenir en raison de défauts de conception, d'erreurs opérationnelles ou de problèmes liés aux matériaux. Les principaux types de défauts de forgeage, leurs manifestations et leurs causes profondes sont résumés ci-dessous :

7.1Équipement de forgeage de noyaux

Le choix des équipements de forgeage dépend du type de procédé et de la taille de la pièce. Les principales machines et leurs fonctions comprennent :

• Four de forge : Fournit la température de forgeage requise. Les systèmes modernes utilisent principalement le chauffage au gaz ou électrique. Les fours à induction, utilisés pour le forgeage à chaud automatisé ou le forgeage par induction, permettent un chauffage rapide et localisé.
• Marteau-pilon: L'équipement principal pour le forgeage par estampage. Il est classé selon la source d'énergie : marteaux à vapeur, marteaux hydrauliques et marteaux électriques. Le poids des marteaux varie d'environ 230 kg (petit modèle) à plusieurs tonnes (grand modèle), offrant une force de déformation à fort impact.
• Presse : Les presses industrielles vont de quelques tonnes à plusieurs milliers de tonnes ; les presses extrêmement grandes peuvent atteindre des dizaines de milliers de tonnes, mais elles sont rares.
• Machine à bouleverser : Presses horizontales ou verticales spécialisées conçues pour les opérations de refoulement. Équipées d'outils fendus multi-empreintes, ces machines permettent le transfert automatique des pièces et le formage en continu.
• Laminoir à anneaux : Équipement dédié au forgeage d'anneaux, composé d'un rouleau d'entraînement, d'un rouleau mandrin et de rouleaux de guidage. Le diamètre intérieur, le diamètre extérieur et la hauteur de l'anneau sont contrôlés par l'espacement entre les rouleaux.
• Machine de forgeage à rouleaux: Composé d'une ou plusieurs paires de rouleaux rainurés, le métal est déformé par la rotation des rouleaux, ce qui rend le système adapté au forgeage continu de pièces allongées telles que des barres ou des arbres.

8.0Foire aux questions (FAQ)

Q1 : Quelle est la principale différence entre le forgeage à la matrice et le forgeage à la presse ?

R : Le forgeage par frappe utilise un marteau pour appliquer un impact instantané, ce qui le rend adapté aux pièces de petite et moyenne taille présentant un flux de grain directionnel important. Le forgeage par presse applique une pression lente et continue, assurant une déformation uniforme et un meilleur contrôle des pièces de grande taille ou complexes.

Q2 : Quelles machines sont utilisées pour la production d'arbres de haute précision ?

R : Les arbres et les composants allongés sont souvent forgés à l'aide de machines de laminage CNC pour un contrôle dimensionnel précis et un écoulement régulier du grain. Pour les arbres coniques ou étagés, une machine de laminage à coins croisés permet de préformer la barre avec un minimum de perte de matière avant le forgeage final.

Q3 : Comment sont produites les bagues sans soudure et quelles machines sont utilisées ?

R : Les anneaux sans soudure sont produits par expansion de billettes creuses entre des rouleaux rotatifs. Les anneaux de petite et moyenne taille sont généralement fabriqués avec une rouleuse à anneaux CNC, tandis que les anneaux de grande taille, nécessitant un contrôle du diamètre et de la hauteur, sont fabriqués avec des rouleuses radiales et axiales.

Q4 : Quels matériaux conviennent à ces procédés de forgeage ?

R : Les métaux courants comprennent les aciers au carbone et alliés, l'acier inoxydable, l'aluminium, le cuivre et les alliages hautes performances comme le titane. Le choix dépend de la taille de la pièce, des propriétés mécaniques requises et de la compatibilité avec le procédé de forgeage (à chaud, tiède ou à froid).

Q5 : Quelle est la différence entre une machine de forgeage à rouleaux CNC et une configuration de forgeage à rouleaux traditionnelle ?

R : Une machine de forgeage CNC offre un contrôle précis de la vitesse des cylindres, de l'écartement et de la rotation des billettes, garantissant une précision dimensionnelle constante et un flux de grain répétable. Le forgeage traditionnel repose souvent sur des réglages manuels et l'expérience de l'opérateur, ce qui complique la production en grande série et de haute précision.

 

Références

https://en.wikipedia.org/wiki/Forging

https://www.tfgusa.com/resources/metal-forging-processes-methods/

https://www.iqsdirectory.com/articles/forging.html

https://www.compass-anvil.com/forging-vs-casting