Formage de pièces par pression
Introduction
Nous avons étudié le formage
des pièces par usinage et par moulage. Les pièces peuvent également être formées
à la forme souhaitée par forgeage, par le procédé de métallurgie des poudres et
par le procédé de pressage à partir de feuilles de métal.
Bien que chacun de
ces procédés diffère dans la méthode de fabrication, il existe une certaine
similitude.
Dans chaque cas, une pression doit être appliquée à une forme de métal, forçant ou comprimant ainsi le métal dans des cavités qui forment la forme des pièces métalliques. Le métal peut être chaud ou froid ou même sous forme de poudre au moment où la pression est appliquée.
Pièces forgées
Les pièces produites par pressage ou martelage pour obtenir la forme souhaitée sont appelées pièces forgées. Les forgerons utilisent les techniques de base du forgeage des métaux depuis de nombreux siècles.
À l'origine, les armures, les armes, les outils, les fers à cheval, etc. étaient forgés à la main.
La différence essentielle entre le travail de la forge villageoise et les méthodes de forgeage industrielles modernes réside dans la mécanisation et le raffinement du processus. Pratiquement tous les métaux et alliages industriels peuvent être forgés. Il s'agit notamment de l'aluminium, du laiton, du bronze, du cuivre, du magnésium, de l'acier et du titane.
Le processus de forgeage permet de presser le métal pour lui donner la forme souhaitée. Les pièces forgées sont moins poreuses que les pièces moulées et extrêmement solides. La plus grande résistance est due à la structure fibreuse produite dans les pièces forgées.
La structure peut être comparée au grain du bois, souvent appelé la figure. Dans les métaux, la structure fibreuse peut être rendue visible à l'œil nu en polissant une zone plane puis en gravant chimiquement la surface polie. La structure de certaines pièces métalliques peut être observée sans polissage ni gravure préalable si la surface est déjà lisse.
La figure 15-1 compare la structure d'échantillons métalliques produits par moulage, par usinage à partir de matières solides et par forgeage. Les pièces forgées présentent un flux de fibres ininterrompu qui suit généralement le contour ou la forme de la pièce.
Fig. 15-1. Structure du grain
Pour
cette raison, les pièces nécessitant une résistance aux chocs et aux contraintes
soudaines sont généralement forgées. Les pièces couramment fabriquées par
forgeage comprennent les pièces de moteur et de châssis d'avion et d'automobile,
ainsi que les clés, les boulons et les rivets.
La figure 15-2 montre des exemples de pièces produites par ce procédé.
Fig. 15-2. Pièces produites par forgeage
Les métaux peuvent être forgés à chaud ou à froid. En général, les métaux les plus durs doivent être forgés à chaud. Certains des métaux les plus tendres peuvent être forgés à froid sans chauffage préalable.
Les pièces forgées à chaud et à froid sont fabriquées sur les mêmes types de presses.
Trois méthodes générales de production de pièces forgées sont couramment utilisées :
le forgeage par forgeage, le forgeage par estampage et le forgeage par presse.
Forgeage par forgeage
Le marteau à vapeur ou marteau hydraulique, illustré à la figure 15-3, est le principal type de machine utilisé dans le forgeage par forgeage. Le processus est connu sous le nom de forgeage à matrice ouverte.
Fig. 15-3. Forgeage à matrice ouverte
Le marteau est
fixé à l'extrémité d'une tige de piston et se déplace entre des guides. Le
marteau peut peser d'une demi-tonne à trente tonnes. La pièce est d'abord
chauffée puis déplacée manuellement pendant le forgeage sur un bloc d'enclume
plat. La pièce est ainsi martelée dans la forme requise.
Forgeage à la presse
Les forges à la presse sont réalisées par des coups répétés d'un marteau-pilon, comme illustré à la Fig. 15-4.
Fig. 15-4. Le marteau-pilon
Le procédé est
connu sous le nom de forgeage à matrice fermée. Deux matrices sont utilisées.
Chaque matrice comporte une empreinte découpée correspondant à la forme du
contour de la pièce requise.
La matrice supérieure est fixée au bélier (poids de frappe) et la matrice inférieure est fixée au bloc d'enclume. La pièce métallique chauffée est insérée entre les matrices et, lorsque le bélier tombe, le métal est amené à couler dans l'empreinte des matrices. Les matrices peuvent contenir une seule empreinte ou deux ou trois empreintes.
Par exemple, pour une matrice comportant trois empreintes, la pièce peut être martelée dans la première empreinte pour obtenir sa taille et sa forme générales. La deuxième empreinte forme la pièce plus proche de la forme et de la taille souhaitées, et l'empreinte finale forme la pièce forgée finie.
Forgeage à la presse
La méthode de forgeage à la presse, illustrée à la figure 15-5, permet de produire des pièces forgées en insérant du métal entre les matrices, de manière similaire au procédé de forgeage par frappe.
fig. 15-5. La méthode de forgeage à la presse
La pression est
d'abord appliquée par un coup de marteau sur le métal. À la fin du coup, une
pression supplémentaire est appliquée de manière constante, ce qui pousse et
comprime le métal dans l'empreinte des matrices. Sur certaines des plus grandes
presses, le métal est formé par une pression uniforme sur toute la longueur,
sans force de frappe.
Matrices de forgeage
Il est important de comprendre que la forme de la pièce forgée finale est toujours déterminée par l'empreinte qui a été préalablement usinée dans les matrices. La fabrication des matrices est un processus qui prend du temps et qui nécessite une grande habileté ; par conséquent, la fabrication des matrices est coûteuse.
Les matrices doivent être
fabriquées avec précision.
Une erreur non découverte peut ruiner jusqu'à
plusieurs milliers de pièces forgées, ce qui est la quantité habituelle à
fabriquer sur une base de production.
Pratiques de dessin de forgeage
De nombreuses industries préfèrent avoir deux dessins distincts d'une pièce forgée. L'un des dessins, le dessin de forgeage, est préparé uniquement pour le fabricant de matrices. Seules les dimensions de la pièce nécessaires à la fabrication de la matrice sont indiquées, comme le montre la figure 15-6. Le dessin montre la pièce après forgeage mais avant usinage.
fig. 15-6. a Dessin de forgeage
Un deuxième dessin, le dessin d'usinage, est préparé pour le machiniste. Seules les dimensions qui s'appliquent aux opérations d'usinage requises après les opérations de forgeage sont indiquées, comme le montre la figure 15-7.
fig. 15-7. a Dessin d'usinage
Les pratiques
industrielles varient légèrement dans la manière dont les dessins doivent être
préparés. Alors que certaines entreprises préfèrent des dessins séparés pour le
forgeage et l'usinage, d'autres n'en préparent qu'un seul, Fig. 15-8.
fig. 15-8. a Dessin de forgeage et d'usinage
Un tel dessin
fournit des informations à la fois au mouleur et au machiniste. Examinons
certaines des caractéristiques particulières d'un dessin de forgeage qui le
différencient du dessin d'exécution habituel.
Échelle
Dans la mesure du possible, les dessins de forgeage doivent toujours être dessinés en taille réelle.
Ligne de séparation
La ligne de séparation, Fig. 15-9, est visible lorsque les matrices sont accouplées. Elle sépare les matrices supérieure et inférieure. La face intérieure de chaque matrice entourant l'empreinte est appelée plan de séparation.
fig. 15-9. Une ligne de séparation
La position de
la ligne de séparation dépend de la forme de la pièce. Elle peut être située de
telle sorte qu'une moitié de la matrice contienne toute l'empreinte, selon la
forme de la pièce.
Dans ce cas, l'autre moitié de la matrice serait plate sans empreinte. Dans d'autres cas, l'empreinte pourrait être répartie de manière égale entre les deux moitiés de la matrice.
La figure 15-10 montre plusieurs positions pour les lignes de séparation. Notez que la ligne de séparation peut s'étendre le long d'une ligne droite ou être décalée. La ligne de séparation doit être indiquée sur le dessin de forgeage comme dans les Fig. 15-6 et 15-8.
fig. 15-10. Positions des lignes de séparation
Le symbole PL
est placé aux deux extrémités de la ligne.
Dépouille
La pente ou la conicité qui doit exister sur toutes les surfaces d'une pièce forgée pour qu'elle puisse être retirée librement de l'outil est appelée dépouille.
La dépouille est toujours indiquée et spécifiée sur les dessins de forgeage. L'angle de dépouille standard pour les surfaces extérieures varie de 5° à 7°, selon la forme de la pièce forgée. Les surfaces intérieures doivent avoir un angle de dépouille de 10°.
Une méthode de dimensionnement de l'angle de dépouille est illustrée dans les figures 15-6 et 15-8. Si l'angle de dépouille est le même pour toutes les surfaces d'une pièce forgée, il peut être indiqué dans une note générale dans ou à proximité du bloc de titre de la feuille.
Congés et arrondis
Les congés et les ronds que l'on trouve sur les pièces forgées ont les mêmes fonctions que ceux des pièces moulées. Ils doivent être aussi grands que possible sans interférer avec la conception de la pièce.
Les angles vifs ou les petits rayons peuvent produire des défauts dans le forgeage et réduire la durée de vie des matrices. Aucun rayon ne doit être inférieur à 1/8 de pouce.
Surépaisseur d'usinage