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
Lorsqu'un seul dessin est préparé pour une pièce forgée, la quantité de stock restant sur la pièce forgée pour l'usinage est indiquée comme dans la Fig. 15-8.
Les lignes extérieures, représentées comme des lignes de position alternées, montrent à quoi ressemblera la pièce forgée avant l'usinage. Les lignes pleines indiquent la pièce finale une fois tout l'usinage effectué. Les symboles de finition sont toujours utilisés pour spécifier les surfaces usinées.
Métallurgie des poudres
Une autre méthode de formage de pièces métalliques à la taille et à la forme est le procédé de métallurgie des poudres. Il convient de noter que ce procédé est souvent appelé procédé de métal pressé. (Ce nom ne doit pas être confondu avec le pressage de pièces à partir de feuilles de métal.)
Il consiste à comprimer des poudres métalliques, avec ou sans ajout de poudres non métalliques, et à les chauffer à haute température. La poudre est pressée dans la forme requise dans une matrice par la pression d'un outil appelé poinçon. Le procédé de pressage des poudres dans la forme consiste d'abord à mélanger soigneusement les poudres et à les mélanger dans une machine à culbuter.
Après avoir été mélangée, la poudre est versée dans de petits seaux, puis dans un récipient appelé trémie, sur une presse. La trémie permet à la poudre de s'écouler sur une plate-forme mobile ou un sabot, qui, à son tour, dépose la quantité appropriée de poudre dans la cavité de la matrice avant chaque coup de poinçon.
Les pièces sont ensuite pressées ou pressées pour prendre forme par la force du poinçon. La poudre est comprimée à environ un tiers de son volume d'origine.
La presse, Fig. 15-11, est capable d'exercer des pressions de 10 à 50 tonnes par pouce carré. Elle peut être conçue de manière à ce que le poinçon puisse pousser uniquement par le haut ou à la fois par le haut et par le bas.
fig. 15-11. Une presse pour la métallurgie des poudres
Les pièces
peuvent être pressées à une vitesse pouvant atteindre 30 par minute. Les pièces
sont éjectées ou soulevées mécaniquement de la matrice. Elles doivent être
manipulées avec précaution, car elles sont assez fragiles et cassantes. Après
pressage, les pièces, représentées sur la Fig. 15-12, sont appelées briquettes.
fig. 15-12. Briquettes
Les briquettes sont transférées dans un four pour être frittées ou cuites. À l'exception des opérations d'usinage, de calibrage ou de culbutage requises, elles sont prêtes à l'emploi.
Il y a environ cinq mille ans, les Égyptiens fabriquaient des objets en acier, selon un procédé similaire à celui décrit ci-dessus. Le minerai de fer était broyé en petites particules, puis forgé à la main pour lui donner sa forme.
La métallurgie des poudres telle que nous la connaissons aujourd'hui a été utilisée avec succès pour la première fois en 1937 dans la production de pièces de machines. Le succès du procédé était dû, en grande partie, aux méthodes perfectionnées de production de poudres métalliques et au développement d'un four à atmosphère contrôlée.
L'histoire d'une méthode de fabrication des poudres métalliques destinées à la métallurgie des poudres est typique de l'ingéniosité de l'industrie moderne.
Les poudres de laiton, de bronze, de nickel, d'argent, de cuivre et de zinc sont fabriquées en faisant fondre le métal et en le versant dans un mince jet liquide.
Un jet de vapeur, d'eau, d'air ou d'un autre gaz à grande vitesse est dirigé contre le jet de métal en fusion. Le jet de métal est en fait soufflé sous forme de poudre. Le mélange est tamisé à travers un tamis fin, testé et est alors prêt à l'emploi.
Les pièces à fabriquer par le procédé de métallurgie des poudres doivent être soigneusement conçues spécifiquement pour ce procédé. Il existe des limites précises qui doivent être prises en compte dans la conception de la pièce et des matrices.
Bien que la plupart de ces considérations de conception dépassent le cadre de ce texte, elles peuvent être brièvement résumées comme suit :
1. Les pièces ayant des filetages et des contre-dépouilles ne peuvent pas être formées.
2. Les sections minces de moins de 1/8 de pouce et les bords en plumes (extrêmement fins) ne peuvent pas être formés.
3. Les changements importants et brusques de taille et de forme doivent être évités. Contrairement au métal liquide, la poudre ne coule pas dans les coins.
4. Les surfaces sphériques ne peuvent pas être comprimées.
5. Les trous qui ne sont pas parallèles à la direction du poinçon ne peuvent pas être formés ; c'est-à-dire ceux qui peuvent être transversaux ou à un angle par rapport au poinçon.
Les matrices sont conçues par des ingénieurs spécialement formés et sont fabriquées par des ouvriers hautement qualifiés. Elles sont généralement fabriquées en acier à outils et peuvent être utilisées pour produire jusqu'à 500 000 pièces identiques.
Les matrices en carboloy ou en carbure de tungstène sont connues pour produire plus d'un million de pièces. Les matrices sont fabriquées en une seule pièce. Les matrices divisées ou en deux pièces ne sont pas considérées comme pratiques par les ingénieurs en métallurgie des poudres. Les poinçons sont fabriqués en acier à outils.
Les pièces en poudre pressée peuvent être facilement usinées. En fait, il a été constaté que les pièces fabriquées par ce procédé ont de meilleures caractéristiques d'usinage que les métaux de composition similaire qui ont été coulés.
Cependant, certaines compositions métalliques donnent des propriétés physiques inférieures à celles obtenues par d'autres méthodes.
D'autre part, le procédé peut
conduire à la mise au point de mélanges spéciaux impossibles à produire par
toute autre méthode.
La taille des pièces pouvant être produites à partir de
métaux en poudre est largement limitée par la taille de la presse.
Lorsque la taille de la presse augmente, la vitesse à laquelle elle peut fonctionner est plus lente. Il est généralement admis que les pièces de plus de 9 pouces de diamètre et 6 pouces d'épaisseur ne peuvent pas être produites de manière économique par le procédé de métallurgie des poudres.
La fabrication de pièces par ce procédé présente de nombreux avantages importants.
1. Généralement, seules les surfaces des pièces nécessitant des tolérances extrêmement serrées doivent être usinées. L'excellente finition de surface obtenue est considérée comme au moins égale, et dans certains cas supérieure, à celle d'une surface meulée de précision.
2. La métallurgie des poudres est un procédé de production à grande vitesse.
3. Les pièces en fer et en acier pressées à la forme par ce procédé peuvent être durcies ultérieurement.
4. Les pièces peuvent être produites avec précision. Par exemple, lorsque des bagues sont fabriquées selon ce procédé, des tolérances de ±0,001 pouce par pouce peuvent être obtenues sur le diamètre et de ±0,005 pouce par pouce sur la longueur.
5. Les surfaces des pièces offrent une meilleure résistance à l'usure, en raison de l'excellente finition de surface.
6. Il existe une excellente uniformité (ou régularité) de taille pour toutes les pièces.
7. Il y a peu de chutes ou de déchets.
8. Une grande variété de différents types de matériaux pour la même pièce peuvent être produits par les mêmes matrices et poinçons.
9. Les pièces avec des angles vifs peuvent être facilement produites.
La métallurgie des poudres est considérée comme relativement peu coûteuse pour une production en grande quantité. Des études ont montré des économies de 50 à 90 pour cent, selon la pièce, par rapport à d'autres méthodes de production de pièces.
Les applications de l'utilisation des pièces fabriquées par ce procédé sont nombreuses, Fig. 15-13.
fig. 15-13. Pièces produites par métallurgie des poudres
De nouvelles
possibilités dans pratiquement tous les domaines sont constamment développées
dans cette industrie en pleine expansion.
Les pièces couramment fabriquées par ce procédé se retrouvent dans divers appareils électroménagers, outils électriques, articles de sport, machines commerciales, jouets et quincaillerie et dans d'innombrables autres utilisations commerciales et militaires.
Pratiques de dessin de la métallurgie des poudres
Les fabricants de matrices travaillent à partir de dessins détaillés de la pièce de la machine et n'ont donc pas besoin d'un dessin spécial. Les dessins des pièces fabriquées par ce procédé ne nécessitent aucune technique spéciale et sont préparés de la même manière que ceux des pièces usinées à partir de stock.
Pièces en métal pressé
Les machines-outils utilisées pour les métaux pressés comprennent des cisailles et des presses mécaniques ou hydrauliques géantes. De grandes feuilles de métal peuvent être cisaillées à la taille et à la forme voulues par un seul coup de cisaille, comme le montre la Fig. 15-14.
fig. 15-14. Une cisaille à tôle
La presse plieuse, Fig. 15-15, est utilisée pour plier des bandes ou des feuilles de métal.
fig. 15-15. Une presse plieuse
La presse plie
et pousse le métal dans la forme finale dans une matrice sous une pression
énorme. La matrice peut être comparée à un moule utilisé dans la coulée au
sable.
Au lieu de verser du métal en fusion dans la cavité du moule, comme dans la coulée, une feuille de métal plate est forcée par un poinçon dans la cavité de la matrice sous une forte pression. La forme de la pièce finale est déterminée par la forme du poinçon et de l'empreinte dans la matrice.
Une presse hydraulique géante est illustrée dans la Fig. 15-16.
fig. 15-16. Une presse hydraulique géante
Une autre machine-outil utilisée dans le formage des métaux est la presse à poinçonner. Cette machine perfore des trous ou des ouvertures de différentes formes et tailles dans des tôles, illustrées dans les Fig. 15-17 et 12-7.
fig. 15-17. Une presse à poinçonner
Comme décrit précédemment,
les machines qui forment des pièces métalliques à partir de bandes et de tôles
nécessitent des matrices et des poinçons spéciaux. Les dessins de ces matrices
et poinçons sont préparés par des concepteurs de matrices et des dessinateurs de
machines hautement qualifiés. Les dessins doivent être préparés selon des normes
rigoureuses.
Les éléments de conception dans ce domaine très complexe sont considérés comme dépassant le cadre de ce texte.
Les dessinateurs de machines sont souvent tenus de préparer des dessins de pièces fabriquées selon ce procédé. Dans ce cas, les pièces sont souvent dessinées à plat, ou telles qu'elles apparaîtraient avant le pliage.
Les pièces en tôle fabriquées par le procédé du métal pressé sont généralement formées entièrement par des moyens mécaniques.
C'est-à-dire que la pièce est généralement estampée à la taille à partir d'une tôle plate, puis pliée mécaniquement à la forme requise. Les pièces en métal pressé nécessitent peu d'usinage supplémentaire une fois les angles vifs supprimés.
Les pièces métalliques minces fabriquées par des méthodes autres que le pressage ou le poinçonnage sont abordées dans la section 16.
Notation pour les trous sur les pièces fabriquées par pression
La notation pour un trou sur des pièces produites par pression se lirait, par exemple, 7/8 DIA, ou, si une tolérance est requise, 1,500/1,505 DIA.
La notation pour les trous qui : sont encore agrandis ou qui sont entièrement produits par des opérations d'atelier doit spécifier le diamètre du trou suivi du mot FORET, POINÇON, BROCHE, ALÉSAGE, etc.
Questions de révision
1. Énumérez quelques-uns des métaux les plus couramment utilisés dans le forgeage.
2. Expliquez pourquoi les pièces forgées sont dites moins poreuses et plus résistantes que les pièces produites par moulage.
3. Décrivez brièvement le processus de forgeage à matrice ouverte.
4. Décrivez brièvement le processus de forgeage à matrice fermée.
5. Décrivez brièvement la méthode de forgeage à la presse.
6. Comment les matrices de forgeage déterminent-elles la forme finale de la pièce ?
7. En quoi les dessins de forgeage et les dessins d'usinage diffèrent-ils dans leur utilisation ?
8. Expliquez ce que l'on entend par ligne de séparation. Quel symbole est utilisé sur le dessin pour identifier cette ligne ?
9. Comment compareriez-vous l'objectif de l'ébauche utilisée dans le forgeage à l'ébauche utilisée dans le processus de moulage ?
10. Comment la surépaisseur d'usinage est-elle indiquée sur un dessin de forgeage ?
11. Comment les surfaces finies sont-elles spécifiées sur un dessin de forgeage ?
12. Préparez un bref aperçu pour décrire le processus de la métallurgie des poudres.
13. Quand ce procédé a-t-il été utilisé avec succès pour la première fois dans la production de pièces de machines aux États-Unis ?
14. Quel facteur limite la taille des pièces qui peuvent être produites par ce procédé ?
15. Énumérez certains des avantages de ce procédé.
16. Des dessins spécialement préparés sont-ils nécessaires pour ce procédé ? Expliquez.
17. Décrivez l'utilisation d'une presse plieuse.
18. Quelles opérations les presses à poinçonner sont-elles capables de produire ?
