PREMIERE APPROCHE DE LA TECHNIQUE DE MISE

PREMIERE APPROCHE DE LA TECHNIQUE DE
MISE EN FORME DES MATERIAUX PAR FORGEAGE
CAS DE L’ESTAMPAGE
INITIATION A PARTIR D’UN EXEMPLE
BTS Mise en Forme des Matériaux par Forgeage
Lycée Marie Curie
Boulevard Pierre de Coubertin
60180 Nogent sur Oise
Tel et Fax 03 44 71 31 71
1
PREAMBULE
La forge par estampage (Steel drop forging, or closed die forging)
Ce procédé de forgeage à chaud utilise des outillages spécifiques pour fabriquer des pièces, ce
qui sous entend que l’on y a recours dés qu’il y a une certaine quantité de pièces à faire : les
petites séries, à partir d’une vingtaine de pièces environ, les moyennes séries d’environ 500 à
1000 pièces et les grandes séries au-delà. La forge par estampage met en forme uniquement
des métaux ferreux, à hautes températures avec des pilons ou des presses.
Forge par
Estampage
Forme
Masse
Température Nuance
Série
toutes
de quelques
grammes à
plusieurs
centaines de
kilogrammes
élevée, mais
toujours
inférieure
au solidus
à partir de
quelques
centaines de
pièces, selon
la forme
2
métaux
ferreux
I/ PLAN DE LA PIECE USINEE
Matiére : 30Mn5
3
II/ ADAPTATION A L’ESTAMPAGE
Pour adapter une pièce à l’estampage il faut définir les paramètres suivants :
-
Position du plan de joint
-
Surépaisseurs d’usinage
Dépouilles
Arrondis d’arêtes
Congés de raccordement
Cordon et logement de bavure
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PLAN DE LA PIECE ESTAMPEE
Quantifiez les paramètres relatifs à l’adaptation à l’estampage
-
Position du plan de joint
-
Surépaisseur d’usinage
-
Dépouilles
-
Arrondis d’arêtes
-
Congés de raccordement
-
Cordon et logement de bavure
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III/ GAMME DE FABRICATION
III.1/ De l’utilité ou non d’une opération intermédiaire
Ce choix résulte de la prise en compte de plusieurs critères :
- un passage direct du lopin de départ à la gravure de finition engendre un défaut de forge
systématique : une opération intermédiaire est indispensable
- un passage direct du lopin de départ à la gravure de finition n’engendre pas de défaut de
forge : une opération intermédiaire n’est pas indispensable. La mise en place de cette
opération peut néanmoins se justifier par :
- une meilleure mise en position
- le souci de décalaminer correctement le lopin pour une plus grande qualité de surface
- l’augmentation de la durée de vie de la gravure de finition
- la répartition de l’énergie de forgeage sur deux opérations (capacité machine)
Dans le cas étudié, une opération intermédiaire n’est pas indispensable
III.2/ Positionnement du lopin sans opération intermédiaire
Le diamètre du lopin permet un centrage dans la gravure de finition, la longueur est calculée
en fonction du volume de la pièce. Cette longueur ne doit pas excéder 2,5 fois le diamètre de
la barre.
6
III.3/ Tracé d’une opération intermédiaire
Le profil de cette opération doit respecter les consignes suivantes :
- le lopin est correctement centré dans l’opération d’écrasement
- l’opération d’écrasement sera elle-même correctement centrée dans l’opération de finition
- cette opération peut permettre aussi de répartir certains volumes de matière à l’intérieur de
la gravure
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IV/ POSTE DE TRAVAIL
1
4
2
5
6
3
1 : Cisaille à lopins
2 : Chauffeuse par induction
3 : Convoyeur
4 : (Robot)
5 : Presse d’estampage
6 : Convoyeur
7 : Presse d’ébavurage
8 : Refroidissement contrôlé
8
7
8
V/ DEBIT
V.1/ La machine
Lopins cisaillés
V.2/ Principe du cisaillage
1:
2:
3:
4:
5:
6:
9
VI/ CHAUFFAGE PAR INDUCTION
VI.1/ La chauffeuse
VI.2/ Principe du chauffage par induction
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VI.3/ Montée en température
Echauffement d'un lopin
1400
1200
peau
température (°C)
1000
800
coeur
600
400
200
0
0
10
20
30
40
Temps (s)
Situez la zone de température de chauffage sur le diagramme fer-carbone en fonction de la
composition chimique de l’acier
Commentez les courbes de montée en température enregistrées sur un lopin
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50
VII/ PRESSE D’ESTAMPAGE
VII.1/ La machine
VII.2/ Principe de fonctionnement
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VII.3/ Schéma de la presse
Repérez les éléments suivants :
- 1 - bâti
- 2 - coulisseau
- 3 - excentrique
- 4 - bielle
- 5 - volant d’inertie
- 6 - embrayage
- 7 - frein
- 8 - éjecteurs
- 9 - réglage de la longueur bielle
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VIII/ OUTILLAGE D’ESTAMPAGE
VIII.1/ Vue d’ensemble de l’outillage
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VIII.2/ Vue de l’outillage de finition
Indiquez le nom des différentes pièces constitutives de l’outillage
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VIII.3/ Matériau d’outillage
L’insert de finition est fabriqué dans un acier de nuance X38CrMoV5-3
Analyse théorique
C
Cr
Mo
V
Traitement
thermique
Trempe à
Milieu de
trempe
Dureté
HRC
Résistance
(MPa)
Revenu
°C
HRC
MPa
400
52
1850
450
53
1900
500
55
2000
550
55
2000
600
52
1850
650
45
1500
700
36
1200
Ac3
Ac1
Austénite +
Carbures
Perlite
Bainite
Martensite
Donnez la vitesse critique de trempe martensitique :
Quelle doit être la température de revenu pour une dureté en service de 50 à 52 HRC ?
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VIII.4/ Traitement superficiel de nitruration
Le traitement superficiel de nitruration consiste en une diffusion d’azote à l’état atomique (N)
en phase α, à une température de 550°C pendant environ 20h.
Il est pratiqué après le traitement de trempe et revenu.
Ce traitement conduit à la formation de nitrures qui s’insèrent dans le métal de base ce qui
engendre une forte augmentation de dureté, et permet ainsi d’augmenter la durée de vie des
outillages.
Courbe de dureté d'une couche nitrurée
1200
Dureté (HV0.2)
1000
800
600
400
200
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
distance (mm)
Mesurez la profondeur conventionnelle de nitruration ( = distance pour laquelle la dureté reste
supérieure à la dureté à cœur + 100HV)
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IX/ MISE EN FORME PAR ESTAMPAGE
Les différentes étapes de déformation par estampage sont simulées numériquement à partir du
logiciel Forge2. Tous les éléments relatifs à cette opération sont modélisés :
- Matériau forgé
- Echanges thermiques
- Outils
- Lubrification
- Machine d’estampage
Le calcul se fait par la méthode des éléments finis.
IX.1/ Modélisation du comportement du matériau forgé
SIG = sigma = contrainte d’écoulement
EPS = epsilon = déformation
Vitesse constante = 1 mm/s/mm
SIG = sigma = contrainte d’écoulement
EPS = epsilon = déformation
Température constante = 1000°C
800°C
10mm/s/mm
1mm/s/mm
1000°C
0,1mm/s/mm
1200°C
Acier 30Mn5
Quelle est l’influence de l’élévation de température sur la contrainte d’écoulement du
matériau ?
Quelle est l’influence de l’élévation de la vitesse de déformation sur la contrainte
d’écoulement du matériau ?
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IX.2 : Résultats des calculs
IX.2.1/ Opération préliminaire
2
1
3
4
Courbe Effort (ecrasement)
18
16
4
14
3
force (T)
12
10
2
8
6
4
1
2
0
14,0
19,0
24,0
29,0
hauteur (mm)
Quel est l’effort ultime de forgeage ?
19
34,0
39,0
44,0
IX.2.2/ Finition
1
2
3
4
Courbe d'effort (finition)
250
4
effort (T)
200
150
100
3
2
50
1
0
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
hauteur (mm)
Quel est l’effort ultime de forgeage ?
Que se passe t’il au stade n°3 ?
20
10,0
12,0
14,0
16,0
X/ EBAVURAGE – DEBOUCHAGE
Cette opération consiste à séparer de la pièce estampée, la bavure et la débouchure par
cisaillement. Dans l’outillage qui est représenté ce cisaillement se fait en une seule opération
X.1/ Vue d’ensemble de l’outillage
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X.2/ Vue des outils spécifiques
Repérez les pièces suivantes :
- 1 - support de pièce
o il est fixé à la semelle et permet de poser et de centrer la pièce
- 2 - poinçon
o il est fixé au coulisseau et assure le débouchage
- 3 - découpe
o elle est fixée au coulisseau et assure l’ébavurage
- 4 - extracteur de pièce
o il permet d’extraire la pièce qui est emprisonnée par le poinçon et la découpe
- 5 - extracteur de bavure
o il assure le rôle de plaqueur pendant l’ébavurage
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X.3/ Principe d’un système d’ébavurage débouchage combiné
1
2
3
4
5
6
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XI/ ASPECTS METALLURGIQUES DU FORGEAGE
XI.1/ Evolution historique
Pratique classique :
dissociation dans l’espace Forgeage
et dans le temps des deux
fonctions
Tendance actuelle :
association forgeage Forgeage
traitements thermiques
Traitements
classiques dans la
masse
Traitements
thermiques directs
sur chaleur résiduelle
d’estampage
Evolution à moyen terme : Forgeage
fusion forgeage Traitements thermomécaniques
traitements
thermomécaniques
XI.2/ Evolution de la taille de grain au cours du forgeage
2
1
Lopin 27MnCr5
Chauffage induction
1 Structure après chauffage seul
2 Structure après estampage (Refroidissement
air) : zone faiblement déformée
3 Structure après estampage (Refroidissement
3
air) : zone fortement déformée
Grossissement : x70
0,2 mm
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IX.3/ Refroidissement contrôlé après forgeage
Le traitement thermique s’effectue directement après forgeage à partir de l’état
microstructural (température et taille de grain) tel qu’il est après l’opération d’ébavurage.
Par exemple sur un acier de nuance 35MnV7, on cherche à obtenir une microstructure
bainitique. L’obtention de cette microstructure impose la gestion d’une vitesse de
refroidissement contrôlée.
Tracez la courbe de refroidissement visée
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XI.4/ Différents aciers et traitements possibles
-
-
-
-
Aciers classiques à structure contrôlée ferrite + perlite
o Aciers non alliés
o Aciers alliés au manganèse
Aciers micro alliés à structure ferrite + perlite
o Famille MnV
o Famille MnSiV
o Famille MnVNb
Aciers pour bielle sécable
Aciers à microstructure bainitique
o Acier 35MnV7
o Bainite à moyen carbone
o Bainite à bas carbone
Aciers alliés pour trempe et revenu
o Acier de type 35 à 42CrMo4
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XII/ CONCLUSION
D’après le descriptif qui vient d’être fait sur le procédé de mise en forme par estampage, quels
sont d’après vous les avantages et les inconvénients de ce procédé ?
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