Cours DEPL Forge Fichier

Le Formage des produits massifs
Demo DEPL 2014-2015
Etienne Pessard
Le formage des produits massifs
2
2
Forgeage
Produits
massifs
Extrusion
+ de 20 procédés
…
Procédés de
mise en forme
Fluotournage
Emboutissage
Métaux en
feuille
+ de 22 procédés Pliage
…
Ref de la classification: Vol 14B, ASM Handbook, ASM International, 2006, p 3–10
Le formage des produits massifs
3
Fils de Diamètre
0,8mm jusqu’à !40mm
(poids bobine jusqu’à
1 Tonne)
Barres
De 1mm jusqu’à !1m
Le formage des produits massifs
4
Exemples de pièces estampées ou matricées
8
8
Le formage des produits massifs
9
1) Différence entre
Forgeage à chaud et forgeage à froid
2) Le forgeage libre
3) L’estampage et le matriçage
4) La frappe à froid, l’extrusion
5) L’extrusion à chaud de profilés
Source: Mise en forme de l’acier par extampage Marcel Gaucheron Techniques de
l’Ingénieur M3200, 1998
Forgeage à chaud et forgeage à froid
10
Forgeage à chaud et forgeage à froid
11
11
Forgeage à chaud et forgeage à froid
12
Matériau
Température de mise en forme
à chaud
Alliages légers
360-490°C
Aluminium Pur
450-490°C
Magnésium pur
350-430°C
Cuivre pur
800-880°C
Nickel Pur
1110-1160°C
Acier
1050-1250°C
matriçage
estampage
12
Le forgeage libre
13
Le forgeage libre est défini par la déformation plastique
à chaud de lingots, barres, … à l’aide d’outils simples
pour réaliser une pièce ou une ébauche de pièce
Intérêts
ü grande souplesse de production (pièces de quelques
grammes à plusieurs tonnes)
ü mise en œuvre rapide sans création d’outillage
ü réalisation de grosses pièces (> 15 t)
ü automatisation des presses (production de séries précises)
Le forgeage libre
Modes d’action
ü travail par chocs
• vitesse du tas :
plusieurs m/s
• la déformation se
localise au voisinage
du point d’impact
ü travail par pression
• vitesse du tas : 10 à
100 mm/s
• symétrie de la
déformation de part
et d’autre du plan
médian du lopin
14
Le forgeage libre
15
Étirage
Diminuer la section d’un lingot
ou d’une pièce pour
augmenter sa longueur
taux de corroyage =
section initiale / section finale
(généralement < 8)
Hauteur/longueur def<3
Étampage
Opération terminale de l’étirage
destinée à mettre au rond une section à
l’aide d’étampes
15
Le forgeage libre
16
Refoulement
Opération inverse de
l’étirage (fabrication
d’arbres à plateaux,
boulons, …)
Dégorgeage
Opération permettant d’obtenir une
brusque diminution de section
Poinçonnage
Réalisation d’un trou à l’aide d’un
poinçon plein ou creux
16
Le forgeage libre
17
Bigornage, laminage
circulaire
Rétreinte et étirage avec mandrin
Mandrinage, élargissement,
trianglage, maillage, …
17
maillage
Le forgeage libre
Exemple de pièce obtenue en forgeage libre
18
BoschGotthardsHütte
Le forgeage libre
19
Manuel: Marteau pilon autocompresseur
19
Principe du matriçage/estampage
20
sans outillage spécifique ayant l’empreinte de
la forme de la pièce
FORGE LIBRE
avec outillage spécifique portant l’empreinte de
la forme de la pièce ESTAMPAGE- MATRICAGE
Principe du matriçage/estampage
21
Après chauffage à haute température d’un lopin, celui-ci
est comprimé entre deux matrices comportant des
gravures en creux et en relief
ü Estampage
• pour les pièces en
acier, en alliage de
nickel et de cobalt
ü Matriçage
• pour les pièces en
alliage d’aluminium,
de magnésium et de
cuivre
Exemples de pièces matricées
23
Exemples de pièces estampées
24
Matriçage/estampage
25
25
Matriçage/estampage
26
26
Matriçage/estampage
27
27
Matriçage/estampage
28
28
Matriçage/estampage
29
•Prévoir un cordon de bavure pour freiner la sortie du métal
•Prévoir un logement de bavure pour loger l’excédent de métal
29
Matriçage/estampage
30
Ne pas oublier les
30
sur-épaisseurs d’usinage
Presses
72
Figure 14.17 Schematic illustration of the principles of various forging
machines. (a) Mechanical press with an eccentric drive; the eccentric
shaft can be replaced by a crankshaft to give the up-and-down motion to
the ram. (b) Knuckle-joint press. (c) Screw press. (d) Hydraulic press.
Presses
73
Presses
74
Presse hydraulique de 15 000 KN mise en œuvre chez
SETFORGE Industries à la Clayette
75
Bilan-procédé/taille série
79
Procédé
T°C
Forgeage
libre
400 à
1200
Estampage
850 à
1200
Ferreux et
alliages
particuliers
Matriçage
400 à
950
Non ferreux
froid
Ferreux et
non-ferreux
Extrusion
Matériaux
Ferreux et
non-ferreux
Masse
Pièce
Série
Machine
Toléra
nce
1Kg à
200T
1 à 50
Chocs et
pression
5mm
50 à
50gr à 3T plusieurs
millions
Chocs et
pression
50 à
plusieurs
millions
pression
50gr à
15Kg
1à
2mm
Autres
opérations
Grenaillage,
ébavurage,
calibrage à
froid,
usinage
0,3 à
0,4mm
0,05 à
0,1mm
Pas ou peu
d’usinage
Le Formage des produits massifs
ED PMP DEPL 2014-2015
Etienne Pessard, Julien Artozoul
Le formage des produits massifs
2
1) Règles de conception d’une pièce estampée ou
matricée - exercice:
+ Règles générales
+ Dimensionnement
2) Estimation des efforts : Utilité et principe de
la courbe de plasticité
3) Outillage et formage sans bavure
Source: Mise en forme de l’acier par extampage Marcel Gaucheron Techniques de
l’Ingénieur M3200, 1998
Exercice: conception d’un brut forgé
3
Définition B.E « parfaite du moyeu »
- Taille de série 5000 pièces
géométrie réelle
fabriquée en
estampage
?
Exercice: conception d’un brut forgé
4
Définition B.E « parfaite du moyeu »
- Taille de série 5000 pièces
Diam 60 mini
Diam 40 H7
40
50
70
20
Diam 70 H7
Diam 90 mini
géométrie réelle
fabriquée en
estampage
?
Exercice: conception d’un brut forgé
5
1-Calcul de la taille du brut
Dimensions du lopin de départ:
Vbrut=Vpièce finale +Vbavure + V perte au feu +V prise au fer
Vpièce finale : donné par le dessin de la pièce après forgeage
Vbavure: entre 10 et 20% de matière en plus
V perte au feu : pour les aciers, oxydation responsable d’une perte
entre 2 et 3% en volume, dépend du temps de chauffe
V prise au fer : dépend de l’outillage, partie permettant de tenir le lopin
Exercice: conception d’un brut forgé
6
1-Calcul de la taille du brut
Diam 60 mini
Diam 40 H7
40
50
70
20
Taille du Lopin:
Diam 70 H7
Diam 90 mini
Risque de flambement si H/D<3
Exercice: conception d’un brut forgé
7
2-Surépaisseurs d’usinage
Diam 60 mini
La surépaisseur dépend
de la masse de la pièce
Diam 40 H7
Poids Surépaisseurs
40
50
70
20
Diam 70 H7
Diam 90 mini
0 à 1 Kg
1 à 3 Kg
3 à 10 Kg
10 à 20 Kg
20 à 50 Kg
Plus de 50 Kg
1 mm
1,5 mm
2 mm
3 mm
4 mm
5 mm
Exercice: conception d’un brut forgé
8
2-Surépaisseurs d’usinage
Prévoir une surépaisseur d’usinage
pour les surfaces demandant une
tolérance faible et un bon état de
surface:
Diam 60 mini
Diam 40 H7
40
50
Poids Surépaisseurs
70
20
Diam 70 H7
Diam 90 mini
0 à 1 Kg
1 à 3 Kg
3 à 10 Kg
10 à 20 Kg
20 à 50 Kg
Plus de 50 Kg
1 mm
1,5 mm
2 mm
3 mm
4 mm
5 mm
Exercice: conception d’un brut forgé
9
3-Définition du plan de joint
- Le plan de joint doit être perpendiculaire au sens de l’estampage, si
possible plan et passant par la plus grande surface de la pièce
- Aucun volume creux le long des surfaces strictement parallèles au
sens de l'estampage.
- Eviter de positionner le plan de joint au niveau des arêtes de la
pièces (pour simplifier la découpe ultérieure de la bavure)
- Placer le plan de joint afin de faciliter le remplissage (éviter les
replis)
Règles de conception en forgeage
10
3-Définition du plan de joint
Joint plan
Joint brisé
10
Règles de conception en forgeage
11
3-Définition du plan de joint
Position du
plan de joint?
Forgeage à plat
Forgeage debout
Nécessité d’ajouter une toile et des noyaux
Exemple de défaut: replis
14
Formation
d’un replis
Règles de conception en forgeage
31
Cordon de bavure:
Logement pour bavure normale
Logement pour forte sortie de bavure
Estimation des efforts en forgeage
33
Ecrasement simple:
ez
ez
h0
er
D0
h
D
er
Pour l’exemple H0=20mm, D0=20mm
Estimation des efforts en forgeage
34
Ecrasement sans frottement
Pente en 1/h
"(MPa)
800°C
1000°C
1200°C
#
Estimation des efforts en forgeage
35
Comportement du matériau:
25
Frottement fort
Frottement nul
Effort en Tonnes
20
Cste/x
15
10
5
0
0
5
10
15
Hauteur H en mm
20
25
Estimation des efforts en forgeage
36
Comportement du matériau:
25
Frottement fort
Frottement nul
Cste/x
20
Effort en Tonnes
Effort en forgeage libre:
æ 2mr ö
F = s 0pr ç1 +
÷
3h ø
è
2
15
µ:coefficient de frottement (coulomb)
10
5
0
0
5
10
15
Hauteur H
20
25
Courbe de plasticité
37
Abaque permettant d’estimer l’effort en forgeage en considérant
l’effet du frottement via un facteur géométrique H/D de la pièce
Courbe de plasticité
38
Pression
Motrice
#=F/S
600
C35
plasticité
500
400
300
200
80 60 40
100
K=H/D
Courbe de plasticité
Pression
Motrice (Mpa)
39
Al 2017 (AU 4 G)
600
500
400
300
200
100
120
95
73
Al 2017 (AU 4 G)
Estimation des efforts en forgeage
40
Méthode 1: utilisation d’un facteur correcteur k
F = ks 0 S
#0 : seuil d’écoulement
(à la température de mise en forme)
Méthode 2: utilisation de la courbe de plasticité
F = Pm S
Avec Pm= pression motrice
issue d’un abaque
(dépend du rapport H/D et de la température)
Estimation des efforts en forgeage
41
Méthode 1: utilisation d’un facteur correcteur k
F = ks 0 S
#0 : seuil d’écoulement
(à la température de mise en forme)
Méthode 2: utilisation de la courbe de plasticité
F = Pm S
Avec Pm= pression motrice
issue d’un abaque
(dépend du rapport H/D et de la température)
Estimation des efforts en forgeage
42
Méthode 1: utilisation d’un facteur correcteur k
F = ks 0 S
#0 : seuil d’écoulement (à la température de mise en forme)
S : surface projetée de la pièce dans le plan perpendiculaire
à la direction de forgeage
Application:
#0 =100MPa
D=110mm
k= 8 géométrie complexe
F=760T
Estimation des efforts en forgeage
43
Méthode 2: utilisation de la courbe de plasticité
F = Pm S
Avec Pm= pression motrice sur la surface i dépend de
H/D et issue d’un abaque
H/D=e bavure/D=1,5/110=0,014
Pm=1200MPa
F=Pm x S=11400 KN $1160 Tonnes
Règles de conception en forgeage
44
Résultats issus de simulation numérique:
Fmaxi=656T
Résultat de
simulation Forge
Utilisation de la
courbe de plasticité
limité pour les pièces
complexes
Fabrication des matrices
47
Matrice d’estampage
Généralement toutes les gravures sont
fabriquées par fraisage ou par électroérosion par enfonçage dans un bloc
unique de grandes dimensions. Car il
va servir de butée à la course du Pilon
en fin d’Estampage.
Logement de bavure
Cordon de bavure
Forme d’étirage
Matrice d’Aube de turboréacteur
Sur les faces opposées aux gravures
il y a une queue d’aronde pour la fixation sur
la chabotte ou la masse.
Prise de fer
Forme de roulage
Matrice d’estampage de bielle sur Pilon