Forgeage – Processus, classification et méthodes

Rejoignez le forum des designers !

Votre expertise est essentielle pour la communauté. Rejoignez-nous et apportez vos connaissances !

Partagez, apprenez et évoluez avec les meilleurs professionnels du secteur.

Le forgeage est un procédé de fabrication qui permet de façonner les métaux par martelage, pressage ou laminage. Ses origines remontent à la Mésopotamie, 4000 ans avant Jésus-Christ. Le processus a naturellement évolué à partir du simple martelage, les premiers hommes ayant découvert que le fait de chauffer le métal le rendait plus facile à façonner. Les forgerons utilisaient des fours pour chauffer les métaux, ce qui leur permettait de fabriquer des armes et des outils tels que des épées et des instruments agricoles.

Au fil des siècles, le forgeage a connu d’importantes avancées pour répondre aux exigences des industries modernes. Entrons dans le vif du sujet.

Qu’est-ce que le forgeage ?

Le forgeage est un procédé de fabrication qui utilise la chaleur et la haute pression pour donner au métal la forme souhaitée. Lorsqu’il est chauffé à des températures élevées, le métal brut devient malléable. Les fabricants peuvent utiliser la force manuelle, des presses hydrauliques et d’autres équipements spécialisés pour façonner le métal avec une relative facilité.

Aujourd’hui, la plupart des produits forgés sont fabriqués à l’aide de presses électriques. Toutefois, certains articles spécialisés, tels que les couteaux en acier Damas, sont encore fabriqués à l’aide de méthodes manuelles traditionnelles.

Parmi les métaux couramment utilisés pour le forgeage figurent l’acier allié, l’aluminium, le laiton, l’acier au carbone, le cuivre, l’acier duplex, le nickel, l’acier inoxydable, le titane et l’acier à outils. En général, les métaux qui ne sont pas très fragiles peuvent être forgés. En revanche, les matériaux tels que la fonte, certains aciers à haute teneur en carbone et d’autres alliages fragiles ne conviennent pas au forgeage en raison de leur incapacité à résister aux charges d’impact.

Les pièces forgées présentent de nombreux avantages, notamment une structure de grain affinée, une résistance à la fatigue et une solidité accrues. En outre, le produit final est exempt de défauts tels que la porosité, les fissures et les soufflures.

Le forgeage peut être conçu pour produire des pièces en masse sans utiliser de métal excédentaire. Elle est largement utilisée dans les industries axées sur la sécurité et les performances, notamment l’aérospatiale, l’automobile, le pétrole et le gaz, pour les composants critiques tels que les vilebrequins, les soupapes à haute pression, les joints à rotule, les cames et les engrenages.

Étapes du processus de forgeage

La chaleur et la haute pression ramollissent la plupart des métaux, ce qui permet au forgeage d’être efficace avec une large gamme de matériaux. Toutefois, comme les propriétés des différents métaux varient, le processus de forgeage doit être adapté en conséquence. Explorons un processus de forgeage typique pour en comprendre les principales étapes :

Conception et fabrication de la matrice

Les procédés de forgeage modernes utilisent des matrices pour améliorer l’exactitude, la précision et la rapidité des pièces produites. La conception et la fabrication des matrices constituent la première étape du processus de forgeage. Une bonne matrice peut offrir des avantages tels qu’un meilleur écoulement du grain, une bonne finition de surface, moins de pertes, une meilleure précision dimensionnelle et une qualité de production constante.

Préparation des billettes et des lingots

Les billettes ou les lingots de différentes sections servent de matières premières pour le processus de forgeage. En fonction des spécifications du produit, les longueurs nécessaires des sections appropriées sont coupées et intégrées dans la ligne de production de forgeage.

Chauffage

Il ne sert à rien de battre un métal qui est froid. Au cours de cette étape, le métal est chauffé, généralement dans un four, jusqu’à sa température de forgeage. La température de forgeage La température de forgeage de l’acier est comprise entre 850 et 1150 degrés Celsius.tandis que la température idéale de forgeage de l’aluminium est de 500 degrés Celsius. Les températures spécifiques de chauffage et de trempage pour le processus de forgeage sont déterminées en fonction du type de métal utilisé.

Forgeage

Le métal chauffé est déplacé vers la matrice, où il est pressé pour prendre forme. Plusieurs passages dans différentes matrices peuvent être nécessaires pour obtenir la forme finale. En outre, la pièce peut avoir besoin d’être réchauffée entre les presses.

Traitement thermique

La plupart des composants sont soumis à un traitement thermique après le forgeage afin d’améliorer certaines propriétés mécaniques, notamment la résistance et la dureté. Les procédés de traitement thermique normalement utilisés sont le recuit, le revenu, la trempe, la normalisation, le traitement en solution et la cémentation.

Refroidissement

Le refroidissement offre une excellente occasion d’améliorer les propriétés telles que la résistance et la structure du grain. En utilisant différents mécanismes et vitesses de refroidissement, il est possible de favoriser le développement de caractéristiques souhaitables dans les pièces forgées.

Finition

Le composant peut nécessiter des opérations de finition, telles que l’usinage, l’ébarbage et le traitement de surface, avant d’être utilisable. En outre, des propriétés telles que la résistance à la corrosion et l’attrait esthétique peuvent être améliorées par l’application de revêtements spécifiques au cours de cette étape.

Comment classer les procédés de forgeage

Les recherches et les progrès constants dans le domaine de la métallurgie ont conduit au développement de plusieurs variantes du processus de forgeage. Aujourd’hui, un large éventail de techniques de forgeage est utilisé pour obtenir différentes combinaisons de propriétés dans le produit final. Pour mieux comprendre les différents types de procédés de forgeage, nous utiliserons deux méthodes de classification principales. Les procédés de forgeage peuvent être classés selon –

Classification par température

Il existe trois principaux types de procédés de forgeage classés par température : le forgeage à froid, le forgeage à chaud et le forgeage à froid. ou le forgeage à chaud.

Forgeage à chaud

Le forgeage à chaud est la procédure de forgeage originale dans laquelle le métal est chauffé à une température supérieure à sa température de recristallisation. Cette température se situe généralement entre 0,3 et 0,4 fois le point de fusion des métaux purs, alors qu’elle se situe à peu près à mi-chemin pour les alliages. À cette température élevée, la microstructure du métal atténue les contraintes internes et forme de nouveaux grains, ce qui améliore les propriétés mécaniques telles que la résistance et la ductilité.

Une fois que le métal a atteint cette température, une force de compression est appliquée pour lui donner la forme souhaitée. Les produits forgés à chaud nécessitent une force de compression plus faible, car le matériau se déforme plus facilement à des températures plus élevées.

Le forgeage à chaud présente toutefois plusieurs inconvénients. Il offre une précision moindreet le résultat final l’état de surface est plus rugueux par rapport à d’autres procédés. En outre, la pièce est susceptible de présenter des défauts tels que l’oxydation, la décarburation et les brûlures.

Forgeage à chaud

Lors du forgeage à chaud, le métal est chauffé au-dessus de la température ambiante tout en restant nettement en dessous de la température de recristallisation. La chaleur rend le métal plus souple. Par rapport au forgeage à chaud, le forgeage à chaud permet d’obtenir une plus grande souplesse. une surface plus lisse et une plus grande précisionmais il présente également une plus grande résistance à la déformation. En conséquence, des forces de compression plus importantes sont nécessaires pour façonner le métal dans le cas du forgeage à chaud.

Forgeage à froid

Un processus de forgeage réalisé à température ambiante est appelé forgeage à froid. Dans ce processus, le métal n’est pas chauffé, mais des forces de compression sont appliquées pour façonner directement le matériau. Cette technique permet d’obtenir des finitions de surface supérieures, haute précision dimensionnelleet des pièces prêtes à être utilisées immédiatement. En outre, le forgeage à froid est l’une des méthodes de fabrication les plus efficaces. des processus les plus simples à automatiser.

Cependant, le processus nécessite des presses à fort tonnagecar des forces de compression importantes sont nécessaires. La pièce est également sujette à des fissures en raison de sa faible plasticité à basse température.

Selon l’outillage et l’équipement utilisés

Nous pouvons également utiliser l’outillage et l’équipement pour classer les procédés de forgeage. Traditionnellement, les forgerons utilisaient des équipements rudimentaires tels que des marteaux et des enclumes pour forger les métaux. Au fil du temps, les roues hydrauliques ont actionné de grands soufflets, ce qui a permis aux forgerons de forger des métaux. floraisons pour atteindre des températures de four plus élevées.

Puis, avec la révolution industrielle, des presses et des refouleuses mécaniques et hydrauliques ont été introduites, utilisant des matrices pour produire des formes plus complexes par forgeage. C’est également à cette époque qu’est apparue la mécanisation du forgeage par rouleaux, qui utilise des rouleaux robustes pour créer des pièces allongées de différentes sections.

Types de méthodes de forgeage

Le processus de forgeage se décline en plusieurs méthodes en fonction de facteurs tels que la configuration du processus, les types de pièces produites, le niveau d’automatisation et le type d’équipement utilisé. Dans cette section, nous intégrerons ces facteurs pour fournir une vue d’ensemble de certains des procédés de forgeage les plus populaires utilisés aujourd’hui. Les méthodes abordées sont les suivantes :

Forgeage par chute

Le forgeage par chute est un procédé de fabrication dans lequel un marteau-pilon est lâché sur une pièce à partir d’une hauteur spécifique. La pièce est placée sur une enclume fixe. Les forces générées par les impacts multiples compriment progressivement la pièce pour lui donner la forme souhaitée.

Le forgeage par chute peut être classé en deux catégories : le forgeage en matrice ouverte et le forgeage en matrice fermée. Dans le cas du forgeage à matrice ouverte, aucune matrice n’est placée au-dessus de la pièce à usiner ; le marteau est en contact direct avec la surface de la pièce. Une variante du procédé de forgeage à matrice ouverte est connue sous le nom de cogging où le matériau est maintenu en place à l’aide de griffes métalliques, tandis que les manipulateurs (matrices métalliques) s’approchent dans deux ou quatre directions pour modifier sa forme.

Au contraire, le forgeage en matrice fermée enferme la pièce à l’intérieur de la matrice. Le forgeage en matrice fermée est également connu sous le nom de forgeage par empreinte. La forme finale souhaitée peut être coulée dans l’une des matrices (supérieure et inférieure) ou dans les deux. Lorsque le marteau frappe la matrice supérieure, il force le métal à forger à remplir la cavité de la matrice.

Le procédé de contre-soufflage est une variante de la technique de forgeage par chute. Contrairement au procédé de forgeage par chute, qui repose sur la gravité, le procédé de contre-soufflage utilise de l’air ou de l’huile à haute pression pour accélérer les cavités des matrices de forgeage l’une vers l’autre. Le métal placé entre les matrices absorbe les forces d’impact intenses générées par les matrices en accélération, ce qui lui permet d’épouser la forme des matrices.

Forgeage à la presse

Le forgeage à la presse utilise un principe similaire à celui du forgeage par chute ; cependant, au lieu de s’appuyer sur l’impact, il utilise une force continue qui dure plus longtemps. Il s’agit d’un écrasement contrôlé plutôt que d’un impact soudain.

L’impact du forgeage par chute ne déforme pas le cœur de la pièce métallique ; les effets sont limités à la couche superficielle. En revanche, la pression continue appliquée lors du forgeage à la presse entraîne une déformation plastique dans tout le volume de la pièce. Les presses à forger peuvent utiliser un procédé de forgeage à froid ou à chaud.

Forgeage par refoulement

Le forgeage par refoulement, également connu sous le nom d’étêtage, utilise une série de matrices pour déformer ou refouler l’une des extrémités d’une pièce à usiner. Ce procédé est couramment utilisé pour augmenter la section transversale des barres rondes à une extrémité afin de former des articles tels que des clous, des boulons et des vis.

La barre ronde est fixée à l’aide de matrices de préhension, tandis qu’une autre matrice avance vers l’extrémité exposée, la comprime et modifie sa forme.

Forgeage à chaud automatique

La méthode de forgeage à chaud automatique offre une moyen rapide et efficace de produire en masse des ou des produits finis à partir de barres d’acier. D’un côté de la machine automatique de forgeage à chaud, des barres d’acier de longueurs spécifiées sont introduites dans la machine. Ces barres sont chauffées par induction, décalaminées, coupées et forgées en produits finis en quelques secondes dans la machine à forger.

Les pièces peuvent subir plusieurs étapes de formage à l’intérieur de la machine. La sortie de la machine de forgeage est parfois envoyée pour un forgeage à froid ou de précision afin d’obtenir ses avantages dans le produit fini.

Forgeage par roulage

Le laminage, similaire au forgeage automatique, est un procédé de forgeage spécialisé qui peut produire des pièces avec une section transversale unique à grande échelle.

Le forgeage par laminage fait appel à deux cylindres opposés qui reçoivent de longues barres de section plate ou ronde. Lorsque la barre passe dans l’espace entre les rouleaux, elle est comprimée, ce qui entraîne une réduction de l’épaisseur et une augmentation de la longueur du matériau.

Une fois traversée, la pièce peut être inversée et repassée par le même jeu de rouleaux ou par un jeu différent si le produit final nécessite plusieurs étapes.

Le laminage peut être réalisé à chaud ou à froid. Le forgeage à chaud nécessite des forces de compression plus légères. Le processus de forgeage par roulage permet d’obtenir une excellente structure de grain pour la pièce à usiner.

Forgeage d’anneaux roulés

Le processus de forgeage des anneaux roulés produit anneaux métalliques sans soudure du processus de forgeage. Le processus commence par le perçage d’une pièce cylindrique à partir du centre pour créer une forme de beignet. Un rouleau de renvoi est positionné dans ce centre creux. La pièce est ensuite tournée et manipulée à l’aide de deux jeux de rouleaux différents.

Un rouleau d’entraînement presse la pièce entre lui et le rouleau de renvoi, augmentant progressivement la taille du trou du beignet. Les rouleaux axiaux, situés en haut et en bas, compriment les surfaces du beignet pour en réduire l’épaisseur (ou la hauteur cylindrique).

Le produit final est un composant en forme d’anneau qui ne présente aucune couture et une excellente structure de grain dérivée de la pièce d’origine. Le forgeage d’anneaux laminés est généralement utilisé pour les composants critiques, tels que les engrenages, les embrayages et les roulements, qui nécessitent des pièces sans soudure à la fois pour des raisons fonctionnelles et de sécurité.

Forgeage de précision

Le forgeage de précision, également connu sous le nom de forgeage de forme nette ou de forme proche de la forme nette, est un procédé de forgeage. réalisé à des températures nettement inférieures que celles utilisées pour le forgeage à chaud, ce qui permet d’améliorer la précision. Pour l’acier, la plage de température du forgeage de précision se situe entre 750 et 950 degrés Celsius (1380 à 1740 degrés Fahrenheit).

Le forgeage de précision est avant tout un processus de finition plutôt qu’une opération autonome. Les pièces produites par d’autres méthodes de forgeage sont envoyées au forgeage de précision avant d’être utilisées ou de subir d’autres processus de fabrication.

Forgeage à froid

Le forgeage de précision peut également être réalisé à températures proches de l’ambianteun processus communément appelé forgeage à froid. Cette méthode permet d’obtenir des dimensions finales très précises et élimine généralement le besoin d’opérations de finition supplémentaires. Cependant, elle ne convient pas à tous les types de métaux et la lubrification joue un rôle crucial dans la préservation des surfaces de contact des matrices. Le forgeage à froid est fréquemment utilisé pour les métaux tendres tels que l’aluminium.

Forgeage isotherme

Comme son nom l’indique, le forgeage isotherme est réalisé à une température fixe. L’ébauche et la matrice sont maintenues à une température uniforme tout au long du processus de forgeage.

Ces conditions spécifiques permettent d’exploiter pleinement la plasticité d’un métal à une température donnée. Le forgeage isotherme est couramment utilisé pour forger l’aluminium, dont la température de forgeage de 430 °C (806 °F) est relativement plus basse que celle d’autres métaux.

Le forgeage isotherme présente plusieurs avantages, notamment une précision accrue, des taux de défauts réduits, des forces de compression plus faibles et une meilleure plasticité du matériau.

Forgeage par induction

Le forgeage par induction est n’est pas un procédé distinct de forgeage des métaux, mais plutôt une méthode de chauffage. utilisée pour atteindre la température de forgeage. Les bobines d’induction à haute puissance facilitent une augmentation rapide de la température et sont utilisées dans les environnements de production de masse pour réduire les temps de cycle.

Nous pouvons l’utiliser pour toute une série de processus en ajustant la configuration du chauffage en fonction du processus.

Le rétreint

Le rétreint est un procédé spécialisé de forgeage des métaux utilisé pour créer des cônes ou des bords pointus sur des sections transversales creusestelles que les tuyaux. Le rétreint est utilisé pour sceller les extrémités ouvertes ou pour élargir la circonférence de l’extrémité d’un tuyau, facilitant ainsi le raccordement avec d’autres sections de tuyaux.

Dans ce processus, le matériau est d’abord chauffé à sa température de forgeage, puis pressé contre une matrice pour remodeler l’extrémité du tuyau. Imaginez que vous forciez un tuyau d’arrosage flexible sur un raccord de sortie d’eau. Le rétreint ressemble visuellement à cela, sauf que le tuyau métallique conserve sa forme lorsqu’il est séparé de la matrice. Il ne s’agit là que d’un exemple spécifique. Les paramètres du processus peuvent être manipulés pour produire toute une série de résultats.

Conclusion

Le forgeage offre des avantages indéniables dans le domaine du travail des métaux. Il s’agit d’une méthode rentable et polyvalente pour fabriquer des produits fiables à haute résistance, adaptés à des applications critiques. La structure affinée du grain résultant du forgeage confère une résistance directionnelle et une intégrité structurelle exceptionnelles.

Ce procédé est donc utilisé pour des composants essentiels tels que les vilebrequins, les roues et les rails de chemin de fer, les essieux de véhicules, les bielles, les suspensions, les engrenages, les arbres et les roulements.

Le forgeage a été de plus en plus populairenotamment avec des métaux tels que le titane et les superalliages. Ce processus devrait se généraliser dans les décennies à venir, car il devient de plus en plus populaire. de plus en plus précis et affiné grâce à l’utilisation de matériaux avancés et de techniques de simulation.

Rejoignez le forum des designers !

Votre expertise est essentielle pour la communauté. Rejoignez-nous et apportez vos connaissances !

Partagez, apprenez et évoluez avec les meilleurs professionnels du secteur.