Procédés de mise en forme

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1 Dossier délivré pour Procédés de mise en forme Introduction par Éric FELDER Maître de recherches, école des mines de Paris Ingénieur civil des Mines de Paris, docteur ès sciences 1. Principales opérations de mise en forme... M Chaîne des opérations à chaud et à froid Importance économique et état technique actuel Présentation de la rubrique... 5 L objectif premier de la mise en forme des métaux est de conférer à une pièce métallique des dimensions situées dans une fourchette de tolérance donnée. Les principaux procédés de mise en forme des métaux sont apparus progressivement, donnant naissance par la suite à diverses variantes, parfois très nombreuses. Les formes modernes des divers procédés sont le plus souvent apparues récemment pour assurer la production en grande série de pièces à faible coût. On note dans le tableau A quatre stades principaux d émergence des divers procédés. Tableau A Évolution et formes diverses des procédés de mise en forme des métaux et alliages métalliques Procédés primitifs Date d émergence Formes modernes Forgeage libre du produit chaud 5000 avant J.-C. Matriçage, estampage entre matrices sur pilon, presses mécanique, hydraulique Forge à froid des aciers Forge à tiède, forgeage sans bavure Fonderie 5000 avant J.-C. Fonderie sous pression Coulée centrifuge Coulée continue de brames, blooms, billettes Formage des métaux en feuille par martelage, repoussage 5000 avant J.-C. Opérations d emboutissage Cisaillage, cintrage, profilage Chaudronnerie et travail des tôles fortes Fluotournage, repassage des produits tubulaires Étirage de fils premiers siècles Tréfilage multipasse Étirage de profilés Usinage par burin, bédane, foret, lime, scie Gravure par eau forte premiers siècles XV e siècle Coupe par tournage, fraisage, perçage, brochage, taraudage, sciage Usinage par abrasion : meulage, rectification, polissage, rodage Usinages physico-chimique : par électroérosion, faisceaux laser ou d électrons, par jet d eau, oxycoupage, chalumeau plasma, électrochimique, chimique Laminage XVI e siècle Laminages sur train tandem, avec cage universelle, avec laminoir Sendzimir, à pas pélerin, perceur Filage à froid de Pb, métaux mous XIX e siècle Filage à chaud des alliages Al, Cu Filage à chaud au verre des aciers Extrusion (20 C) des aciers Techniques de l Ingénieur, traité Matériaux métalliques M

2 PROCÉDÉS DE MISE EN FORME Dossier délivré pour Dès les débuts de l élaboration des métaux et alliages métalliques de minerais sont pratiqués, semble-t-il, le moulage de l état liquide, le forgeage libre à chaud de pièces massives brutes de coulée ou réchauffées et le formage à froid de feuilles métalliques. Il s agit en effet d une extension assez naturelle du processus d élaboration mettant en jeu des moyens simples : des moules, un outil de frappe et un support. Par la suite, il a fallu attendre 1940 pour que les Allemands inventent la forge à froid (extrusion) des aciers pour fabriquer des pièces d armement en économisant des éléments d alliage, et 1970 pour que, dans le cadre des politiques d économie d énergie, la coulée continue des demi-produits en acier prenne son véritable essor industriel. Vers les premiers siècles de l ère chrétienne, apparaissent les procédés d étirage de fils à travers des plaques percées et d usinage de pièces à l aide de burins, forets, limes et scies. Petit à petit, ces procédés mécaniques d usinage (dits traditionnels) se sont diversifiés en tournage, fraisage, perçage, rectification... procédés pratiqués sur diverses machines-outils spécialisées ; leur mise en œuvre et leurs performances ont considérablement évolué de 1960 avec l introduction de la commande numérique qui donne naissance, entre autres machines-outils polyvalentes, aux centres d usinage. Il s agit des procédés de mise en forme des métaux les plus importants d un point de vue économique. À la Renaissance, apparaissent le laminage, devenu depuis, du fait de sa très haute productivité et de sa grande polyvalence, le procédé de mise en forme sans enlèvement de matière le plus important, et le procédé de gravure par eau forte, devenu à l ère moderne l usinage chimique. Ce dernier procédé reste toutefois le procédé d usinage non traditionnel le plus confidentiel, à côté des autres procédés développés de 1945 : électroérosion, usinage électrochimique, au jet d eau avec et sans abrasif, oxycoupage, avec un faisceau de lumière laser ou d électrons, usinage par ultrasons... Ces procédés ont permis, entre autres applications, de résoudre les problèmes d usinage des matériaux de faible usinabilité mécanique, comme les outils de mise en forme. Au siècle dernier, apparaît le filage à chaud des alliages cuivreux rendu possible par la réalisation de presses hydrauliques de fortes capacités. C est au Français Séjournet que revient le mérite de l invention, vers 1945, de la lubrification au verre qui rend possible le filage à chaud des aciers et autres alliages de haute dureté. 1. Principales opérations de mise en forme La figure 1 qui récapitule les principales classes de procédés utilisés actuellement montre qu il existe trois voies principales de mise en forme selon l état de départ du matériau métallique : le moulage de l état liquide, objet de la rubrique Fonderie et moulage des volumes Mise en forme des métaux et fonderie ; le façonnage d une ou plusieurs pièces à l état solide. Cette voie peut, elle-même, se scinder en formage, ou mise en forme sans enlèvement de matière, usinage, ou mise en forme avec enlèvement de matière, dont les principaux aspects sont présentés dans le volume Usinage du traité Génie mécanique où l on solidarise deux ou plusieurs pièces selon des procédés présentés dans le volume Travail des matériaux. Assemblage du traité Génie mécanique ; le frittage de poudres par disparition des vides intergranulaires à haute température et éventuellement sous pression. En raison, entre autre causes, de la classification socio-économique des secteurs industriels correspondants, on distingue dans le formage : le travail des métaux à l état massif, pratiqué essentiellement dans les industries métallurgiques et objet, avec le frittage, des volumes Mise en forme des métaux et fonderie ; le travail des métaux en feuilles, pratiqué comme l usinage dans les industries mécaniques et objet du volume Travail des matériaux. Assemblage. Bien que le volume de pièces concernées soit nettement plus modeste, il ne faut pas oublier diverses autres voies permettant de modifier la forme d un solide et très utiles dans diverses situations, notamment pour la réalisation ou la réparation d outillages de mise en forme : addition d un matériau métallique solide à une pièce en le transformant temporairement en ions par électrolyse (électroformage), en liquide (rechargement) (cf. articles correspondants au volume Usinage du traité Génie mécanique) ou en gaz (pulvérisation et condensation) (cf. articles de la rubrique Traitements sous vide des volumes Traitements des métaux) ; M Techniques de l Ingénieur, traité Matériaux métalliques

3 Dossier délivré pour PROCÉDÉS DE MISE EN FORME Moulage : de l'état liquide Façonnage : de l'état solide Frittage : de l'état pulvérulent Procédés divers : d'états particuliers (solide-liquide par électrolyse, condensation...) Formage : sans enlèvement de matière à chaud et à froid Usinage : avec enlèvement de matière Assemblage : soudage, brasage collage, rivetage, agrafage, sertissage... Travail des métaux à l'état massif : laminage, forgeage, (matriçage, estampage), filage, étirage, tréfilage Travail des métaux en feuilles : emboutissage, pliage, fluotournage, repoussage, découpe Procédés traditionnels et non traditionnels : coupe, abrasion, physico-chimie Traitements thermiques et/ou de surface Figure 1 Principaux procédés de mise en forme des matériaux métalliques passage temporaire d un alliage métallique par l état semisolide (cf. l article Mise en forme à l état semi-solide : rhéoformage et thixoformage de la présente rubrique). 2. Chaîne des opérations à chaud et à froid La chaîne des opérations de mise en forme d un produit d utilisation courante en acier est assez longue et complexe : élaboration d un demi-produit par coulée continue à une vitesse assez faible et une section assez grande, conditions imposées par la vitesse d évacuation de la chaleur et la forte productivité nécessaire ; diminution des dimensions transversales par laminage, procédé continu de forte productivité, à chaud, puis à froid pour les produits les plus minces ; enfin mise à la forme définitive par des procédés spécialisés : travail des métaux en feuilles pour les produits plats (tôles) ; forgeage à chaud ou à froid, filage à chaud, tréfilage, usinage pour les produits longs (de section compacte) et/ou les pièces unitaires. Une des caractéristiques majeures de cette chaîne d opérations assez étendue est que la vitesse du métal lors de ses mises en forme successives augmente constamment afin de garantir une bonne productivité ; une brame, ébauche de produit plat, ou un bloom, ébauche de produit long, sont extraits de la lingotière à une vitesse de l ordre du mètre par minute alors que la tôle fine est laminée à plus de 30 m/s! Les produits non ferreux suivent des voies similaires, mais plus spécialisées dès l origine, avec, par exemple, pour les alliages d aluminium et de cuivre, une voie proportionnellement plus développée que dans le cas des aciers de mise en forme par filage à chaud, procédé semi-continu, de produits coulés. Les procédés de formage et d usinage mécanique sont basés sur une propriété fondamentale des alliages métalliques solides : la plasticité. La plasticité des alliages métalliques solides correspond à leur aptitude à présenter (après application d un état de contrainte vérifiant le critère de plasticité dont la valeur critique est définie par la contrainte d écoulement plastique σ 0 ) une déformation permanente laissant invariant en première approximation leur volume. La température de formage est un paramètre fondamental, car elle conditionne la valeur de la contrainte d écoulement plastique (figure 2). On distingue à cet égard mise en forme à froid et mise en forme à chaud. Il faut noter que ces termes ont deux sens qui peuvent ne pas coïncider. Dans les ateliers de formage, mise en forme à froid signifie mise en forme d un métal initialement à 20 C ; mise en forme à chaud signifie préchauffer le métal avant mise en forme à la température la plus élevée possible, c est-à-dire permettant l obtention d un produit aux propriétés acceptables. Exemple : la mise en forme à chaud des aciers est effectuée vers C ; le filage à chaud des alliages d aluminium est effectué entre 400 et 500 C. Au sens de la métallurgie physique, il s agit de déformation plastique dans un domaine de température thermodynamique T en rapport avec la température thermodynamique de fusion T f (en toute rigueur température du solidus) de l alliage métallique : Techniques de l Ingénieur, traité Matériaux métalliques M

4 PROCÉDÉS DE MISE EN FORME Dossier délivré pour σ 0 (N / mm 2 ) CrMo4 Formage à froid Cf53 16MnCr5 Domaine du formage à tiède 100Cr6 Formage à chaud Température ( C) métal. La valeur élevée des pressions de contact et des vitesses de glissement rendra le plus souvent critique le choix du mode de lubrification, ce choix devant rester compatible avec les exigences sur l état de surface final des pièces. On notera qu il existe le domaine intermédiaire de la déformation à tiède (ou à mi-chaud), notamment par forgeage (figure 2), permettant, au moins en théorie, de cumuler les avantages du chaud (contrainte d écoulement plus faible qu à froid) et du froid (durcissement du produit par écrouissage) ; toutefois cette pratique reste assez peu développée, du fait de gros problèmes de formulation des outils et des lubrifiants, sauf pour le formage de matériaux très peu ductiles comme les aciers rapides (étirage) ou le tungstène. Une comparaison des divers procédés de mise en forme est donnée dans le tableau Importance économique et état technique actuel Figure 2 Évolution avec la température T de la contrainte d écoulement plastique σ 0 de divers aciers-domaines du formage à froid, à tiède et à chaud froid correspond à une température comprise entre 0,15T f et 0,3T f où la structure du matériau n évolue notablement que durant la déformation plastique et cette évolution, appelée écrouissage, augmente sa contrainte d écoulement et diminue sa ductilité, c est-à-dire son aptitude à subir une déformation plastique sans apparition de fissures, voire rupture ; chaud correspond à une température supérieure à 0,5T f, c est-à-dire à une température où la structure du métal évolue notablement pendant et entre les séquences de déformation plastique par recristallisation et/ou restauration, phénomènes thermiquement activés ; cette évolution tend à effacer l écrouissage et limiter la valeur de la contrainte d écoulement qui devient fonction décroissante de la température et fonction croissante de la vitesse de déformation plastique. Pour les aciers, les deux définitions coïncident, mais la mise en forme à température ambiante (T = 300 K) d un alliage à bas point de fusion comme le zinc (θ f = 419 C, soit T f = 692 K), par exemple comme élément superficiel des tôles galvanisées, induit des phénomènes de recristallisation dynamique typiques d une déformation plastique à chaud. Les avantages et inconvénients respectifs des deux domaines thermiques de formage sont les suivants : La valeur faible de la contrainte d écoulement à chaud et la restauration continue de la ductilité permettent de réduire et de modifier la section des produits bruts de coulée pour une dépense d énergie raisonnable, mais les tolérances dimensionnelles et l état de surface résultants sont assez médiocres du fait du retrait thermique lors du refroidissement, des phénomènes d oxydation... Il importe, par ailleurs, de limiter le plus souvent les temps de contact du métal avec l outil et d assurer un refroidissement efficace de cet outil pour éviter un ramollissement excessif de sa surface et sa dégradation par fatigue thermique, abrasion, fluage... Enfin, le produit de mise en forme à chaud devra subir généralement divers traitements de finition thermiques et de surface (décalaminage) avant son utilisation ou la poursuite de sa mise en forme à froid. La mise en forme à froid va permettre d obtenir des produits présentant de très bons états de surface, des tolérances dimensionnelles plus serrées et de meilleures caractéristiques mécaniques du fait de l écrouissage ; mais l écrouissage persistant nécessitera d intercaler entre séquences de mise en forme des traitements de recuit (par réchauffage du produit) pour restaurer la ductilité du La plupart des objets métalliques d utilisation courante ont subi une ou plusieurs opérations de mise en forme à l état massif. La mise en forme des métaux et alliages métalliques a donc une importance économique non négligeable et correspond, pour un pays développé, généralement à quelques pour-cent du produit national brut (PNB). Traditionnellement, la mise en forme d une pièce métallique est suivie d un traitement thermique (cf. rubrique traitements thermiques des volumes Traitements des métaux), permettant de conférer à la pièce la structure et les propriétés mécaniques requises par son utilisation, et, le plus souvent, d un traitement de surface pour maîtriser ses propriétés superficielles : rugosité, aspect esthétique, propriétés mécaniques, chimiques et tribologiques des couches de surface (cf. rubrique traitements de surface des volumes Traitements des métaux). Si la nature des opérations de mise en forme n a pas fondamentalement changé durant les trente dernières années, leurs conditions de mise en œuvre ont très fortement évolué dans le sens d une productivité de plus en plus élevée. Trois grandes tendances se sont ainsi développées. Substitution de procédés Elle vise à remplacer diverses opérations d usinage, peu économes en matière première et en énergie, par des opérations de mise en forme sans enlèvement de matière comme le forgeage à froid ou le frittage. Dans l industrie automobile, par exemple, la forge à froid s est développée au détriment de l usinage. La coulée continue directe des demi-produits a permis d améliorer la qualité métallurgique tout en supprimant les opérations de laminage à chaud sur lingots. Pour les matériaux dont le coût matière est très élevé, de telles substitutions sont très attractives : ainsi le frittage permet de réduire notablement la perte de matière dans la réalisation d éléments de turbomachines en alliages réfractaires de l industrie aéronautique. Même pour des matériaux moins onéreux comme les aciers, le forgeage-frittage se révèle d un grand intérêt économique pour fabriquer des pièces comme les bielles des moteurs à explosions. Par ailleurs, le forgeage à chaud se soucie régulièrement des progrès de la fonderie et de sa volonté de conquérir le marché de certaines pièces mécaniques. Néanmoins, plutôt que de tenter la substitution systématique de procédés, il importe plutôt, à l heure actuelle, d essayer de tirer parti au mieux, et de manière complémentaire, des performances des divers procédés de mise en forme, avec et sans enlèvement de matière, à l état massif comme à l état de feuilles, pour bâtir la gamme de fabrication la plus économique possible. Le concepteur a donc intérêt, sinon à disposer de la panoplie la plus large possible de procédés de mise en forme, du moins à bien connaître l état actuel de leurs possibilités techniques. M Techniques de l Ingénieur, traité Matériaux métalliques

5 Dossier délivré pour PROCÉDÉS DE MISE EN FORME Tableau 1 Comparaison des divers procédés de mise en forme à chaud, à tiède et à froid Caractéristiques Mise en forme à froid à tiède à chaud état semi-liquide état liquide T/T f 0,15 0,5 0,7 à 0,85 1 > 1 θ ( C) : aciers > alliages cuivreux > alliages d aluminium Procédés σ 0 (N/mm 2 ) (aciers) Énergies Forces de mise en forme Qualité du produit : tolérances dimensionnelles laminage forgeage emboutissage tréfilage cisaillage coupe forgeage 400 à 480 > 600 laminage forgeage filage étirage frittage formage superplastique rhéoformage thyxoformage injection de gelées métalliques coulée continue moulage soudage oxycoupage faisceau laser torche plasma à à élevées moyennes faibles négligeables élevées moyenne faibles faibles faibles état de surface très bon bon médiocre médiocre médiocre structure métallurgique Aspects tribologiques : écrouie écrouie restaurée ou recristallisée dendritique lubrification variée problèmes difficile difficile (laitiers, verres...) sollicitations des outils mécaniques critiques thermomécanique thermiques Suppression ou réduction des traitements de finition des pièces Les praticiens de la mise en forme visent à produire directement et sans opérations supplémentaires la pièce avec toutes ses spécifications, tant dimensionnelles que mécaniques, à cœur comme en surface. D où le développement des traitements thermomécaniques pratiqués en laminage, forgeage et filage à chaud et, qui, moyennant un choix judicieux de la composition chimique de l alliage mis en forme et des conditions thermiques durant, entre et après les opérations de formages permettent d obtenir les structures et les propriétés adéquates pour l utilisation. D où par ailleurs, le développement progressif de procédures d essais permettant de maîtriser le régime de lubrification par optimisation des conditions de lubrification et du choix de la nature et de l état des outils de mise en forme et ainsi de contrôler l état de surface du produit tout en augmentant la durée de vie des outils. Enchaînement continu des diverses opérations Il se développe de manière irrésistible, avec élimination progressive des temps morts et des stockages intermédiaires, donnant naissance à une chaîne de production aussi continue que possible. Le caractère continu des diverses opérations a en effet un double avantage : réduction des coûts de stockage ; amélioration de la qualité du produit, toute rupture dans la chaîne de fabrication amenant l apparition de défauts ou une baisse de propriétés. On enfourne directement de plus en plus les demi-produits chauds élaborés par coulée continue dans les trains de laminage à chaud ; on assiste au développement pour les tôles, d installations réalisant sur une ligne continue les opérations de laminage à froid, de recuit, de déposition d un revêtement... Au total, la mise en forme des matériaux métalliques est un secteur industriel de haute technicité et en progrès constant, avec une foule de problèmes dont la résolution nécessite le recours à des moyens très performants. Parmi ces outils, l informatique occupe une place de choix, car la mise en forme représente 22 % environ du marché de la productique, c est-à-dire de l activité centrée sur l application de l informatique aux procédés de fabrication. Les techniques informatiques sont en effet de plus en plus utilisées dans l industrie de la mise en forme des matériaux métalliques de manière intensive et à tous les niveaux : banque de données matériaux et logiciels de CAO pour concevoir les pièces et les produits, aide à la conception des gammes de mise en forme, contrôle de procédé, simulation numérique des opérations de mise en forme. L informatique devient donc l auxiliaire incontournable de l ingénieur de mise en forme. 4. Présentation de la rubrique La rubrique «Mise en forme» est subdivisée en cinq grandes parties. Techniques de l Ingénieur, traité Matériaux métalliques M

6 PROCÉDÉS DE MISE EN FORME Dossier délivré pour Lubrifiant Ébauche u Écoulement : métal ; chaleur. Structure métallurgique : taille, forme grains ; répartition écrouissage ; textures (anisotropie). Interactions métal-lubrifiant-outil : frottement (+ thermique) ; aspect de surface du produit ; usure outil. Figure 3 Problèmes scientifiques de la mise en forme par déformation plastique Méthodes d approche scientifiques σ La figure 3 présente schématiquement les divers phénomènes induits par la mise en forme et conditionnant la qualité du produit. Un écoulement de matière, représenté par le champ de vitesse u, et de chaleur, associé au champ de température T, va déterminer le champ de contraintes σ se développant dans le métal. Plus globalement, les champs de vitesse, de contrainte et de température vont déterminer les forces et les énergies de mise en forme, la forme du produit et peuvent produire l apparition de défauts géométriques (replis, non-remplissage de l outillage...). Les articles présentent donc les équations thermomécaniques du problème, les méthodes de calcul de l écoulement de matière et des effets thermiques, des exemples de simulation numérique de procédés et de conception de gammes de fabrication et les méthodes de simulation physique des procédés à l aide de matériaux modèles. τ p Outil Produit Efforts : défauts internes (structures, hétérogénéités, fissures...) ; défauts sur surfaces libres (rugosité, fissures...). Une évolution marquée de la structure métallurgique du métal se développe en interaction étroite avec l histoire thermomécanique et va conditionner les propriétés mécaniques finales du produit et risque de produire divers défauts de cohésion internes ou superficiels (porosités, fissures...). Les articles fournissent donc les lois de comportement rhéologiques du métal mis en forme à chaud et à froid, complément indispensable des équations thermomécaniques, les lois d endommagement et d évolution des textures morphologiques et cristallographiques des métaux lors de leur mise en forme. Des interactions thermomécaniques avec l outil conditionnent l état des surfaces correspondantes du produit, les sollicitations mécaniques (cission de frottement et pression de contact) et thermiques (fluctuations de température de surface) de l outil et en finale son usure. Les articles décrivent l effet du régime de lubrification fixé, entre autres facteurs, par le choix du lubrifiant, la nature et l état de l outil et les phénomènes thermiques d interface. Principaux procédés de mise en forme par déformation plastique Le principe et l analyse scientifique de ces procédés sont présentés dans la série d articles qui suit les articles généraux, les aspects techniques de ces procédés étant généralement précisés dans ces articles pour le cas des aciers. On a ainsi : la modélisation mécanique du laminage à froid, le cas du laminage à chaud étant traité dans la rubrique laminage des volumes Élaboration et recyclage des métaux, et l aspect métallurgique du laminage des tôles sur trains continus ; les divers procédés de forgeage, de frappe et calibrage à froid, forgeage à chaud (libre, par estampage), forgeage à tiède, forgeagefrittage ; les procédés de filage à chaud, filage hydrostatique, étirage et tréfilage de fils ordinaires et ultrafins en cuivre ; les procédés de mise en forme à l état semi-solide et de formage superplastique. Monographies sur la mise en forme des alliages non ferreux Cette partie présente les aspects particuliers de la mise en forme par déformation plastique des alliages des principaux métaux. Aptitude à la mise en forme Cette partie regroupe divers articles traitant les aspects métallurgiques des procédés de mise en forme détaillés dans les volumes (Usinage et Travail des matériaux. Assemblage). Il s agit donc d articles sur l usinabilité, la formabilité des métaux en feuilles et la soudabilité des matériaux métalliques. Mise en forme par métallurgie des poudres Cette partie présente les principes et les débouchés de ce procédé de mise en forme de poudres, les techniques de fabrication et les propriétés des divers produits obtenus. M Techniques de l Ingénieur, traité Matériaux métalliques