PREMIERE APPROCHE DE LA TECHNIQUE DE MISE EN FORME DES MATERIAUX PAR FORGEAGE CAS DE L ESTAMPAGE INITIATION A PARTIR D UN EXEMPLE

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1 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 Nogent sur Oise Tel et Fax

2 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. Forme Masse Température Nuance Série Forge par Estampage toutes de quelques grammes à plusieurs centaines de kilogrammes élevée, mais toujours inférieure au solidus métaux ferreux à partir de quelques centaines de pièces, selon la forme 2

3 I/ PLAN DE LA PIECE USINEE Matiére : 30Mn5 3

4 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 4

5 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 5

6 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

7 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 7

8 IV/ POSTE DE TRAVAIL : 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

9 V/ DEBIT V.1/ La machine Lopins cisaillés V.2/ Principe du cisaillage 1 : 2 : 3 : 4 : 5 : 6 : 9

10 VI/ CHAUFFAGE PAR INDUCTION VI.1/ La chauffeuse VI.2/ Principe du chauffage par induction 10

11 VI.3/ Montée en température Echauffement d'un lopin peau température ( C) coeur 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 11

12 VII.1/ La machine VII/ PRESSE D ESTAMPAGE VII.2/ Principe de fonctionnement 12

13 VII.3/ Schéma de la presse Repérez les éléments suivants : bâti coulisseau excentrique bielle volant d inertie embrayage frein éjecteurs réglage de la longueur bielle 13

14 VIII/ OUTILLAGE D ESTAMPAGE VIII.1/ Vue d ensemble de l outillage 14

15 VIII.2/ Vue de l outillage de finition Indiquez le nom des différentes pièces constitutives de l outillage 15

16 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 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? 16

17 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 Dureté (HV0.2) ,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) 17

18 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 1000 C 1200 C 1mm/s/mm 0,1mm/s/mm 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? 18

19 IX.2 : Résultats des calculs IX.2.1/ Opération préliminaire Courbe Effort (ecrasement) force (T) ,0 19,0 24,0 29,0 34,0 39,0 44,0 hauteur (mm) Quel est l effort ultime de forgeage? 19

20 IX.2.2/ Finition Courbe d'effort (finition) effort (T) ,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 Quel est l effort ultime de forgeage? Que se passe t il au stade n 3? hauteur (mm) 20

21 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 21

22 X.2/ Vue des outils spécifiques Repérez les pièces suivantes : support de pièce o il est fixé à la semelle et permet de poser et de centrer la pièce poinçon o il est fixé au coulisseau et assure le débouchage découpe o elle est fixée au coulisseau et assure l ébavurage extracteur de pièce o il permet d extraire la pièce qui est emprisonnée par le poinçon et la découpe extracteur de bavure o il assure le rôle de plaqueur pendant l ébavurage 22

23 X.3/ Principe d un système d ébavurage débouchage combiné

24 XI/ ASPECTS METALLURGIQUES DU FORGEAGE XI.1/ Evolution historique Pratique classique : dissociation dans l espace et dans le temps des deux fonctions Tendance actuelle : association forgeage - traitements thermiques Evolution à moyen terme : fusion forgeage - traitements thermomécaniques Forgeage Traitements Forgeage thermiques directs sur chaleur résiduelle d estampage Forgeage Traitements thermomécaniques Traitements classiques dans la masse XI.2/ Evolution de la taille de grain au cours du forgeage 1 2 Lopin 27MnCr5 Chauffage induction 1 Structure après chauffage seul 2 Structure après estampage (Refroidissement air) : zone faiblement déformée 3 Structure après estampage (Refroidissement air) : zone fortement déformée 3 Grossissement : x70 0,2 mm 24

25 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 25

26 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 26

27 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? 27

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