Forgeage C-1 C. FORGEAGE 1. Introduction Le but de ce TP est l'initiation et l'apprentissage à un des plus anciens procédés de mise en forme des métaux et alliages métalliques (env. 5000 ans avant J.-C.). L'objectif de la mise en forme des métaux est de confectionner une pièce métallique de dimensions respectant les tolérances de fonctionnement. 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 se sont mises en place récemment pour assurer la production en grande série de pièces à faible coût. La figure 1 résume les principaux procédés de mise en forme des matériaux métalliques tandis que dans le tableau 1 l'historique de l émergence de ces différentes techniques est donné. Fig. 1: Principaux procédés de mise en forme des matériaux métalliques et leur interdépendance. Tab. 1: Historique de l apparition des différentes techniques de mise en forme des métaux (d après [1]).
C-2 Forgeage Procédés primitifs Date d émergences Formes modernes Forgeage libre du produit chaud 5000 avant J.-C. Matriçage, estampage entre matrice sur pilon, presses mécaniques, hydrauliques, 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 premiers siècles Coupe par tournage, fraisage, perçage, brochage, taraudage, sciage Usinage par abrasion : meulage, rectification, polissage, rodage Gravure par eau forte XV e siècle Usinage 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 pèlerin, 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 à froid (20 C) des aciers 2. Forgeage Dans son sens général, le forgeage est l'opération de mise en forme d'un métal malléable. Cette opération est basée 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, une déformation permanente laissant invariant en première approximation leur volume. Le paramètre fondamental du forgeage est la température de forgeage qui doit être supérieure à 0.5T f (T f = température de fusion en K) mais est souvent plutôt de l ordre de 0.8T f. Quelques valeurs de T forgeage : - aciers bas carbone 1200 C - aciers teneur en C >0.30% C 1150 C - aciers alliés et inox. martensitiques 1100 C Un autre paramètre important est la force de mise en forme qui est fonction aussi de T f. Ces paramètres dépendent des caractéristiques et de la qualité du produit à fabriquer, par exemple : tolérances dimensionnelles, état de surface, structure métallurgique etc. Nous pouvons voir schématiquement (Fig. 2) les divers phénomènes apparaissant lors de la mise en forme par déformation plastique.
Forgeage C-3 Fig. 2: Aspects à prendre en compte lors de l analyse d un procédé de mise en forme par déformation plastique à l exemple du laminage [1]. Dans ce schéma, l'écoulement de matière est représenté par le champ de vitesse u et par le champ de température qui vont les deux déterminer le champ de contraintes se développant dans le métal. Les champs de vitesse, de contrainte et de température vont nous aider à comprendre et à chiffrer les forces et les énergies de mise en forme, la forme du produit etc. À titre d'information, nous illustrons une courbe de forgeabilité déterminée par des essais de forgeabilité sur des éprouvettes (Fig. 3), par exemple essai de traction rapide à chaud qui permet de simuler les conditions de forgeage en faisant varier les forces et les températures dans un même cycle. Ces courbes permettent de déterminer théoriquement les limites des intervalles de température de forgeage. Il ne faut pas oublier qu'en pratique, la forgeabilité du lingot est beaucoup plus complexe (Fig. 4).
C-4 Forgeage Fig. 3: Courbe de forgeabilité déterminé par différentes mesures de ductilité en fonction de la température Fig. 4: Presse hydraulique de forgeage avec le piston hydraulique (en haut) et le profil à forger (en bas). 3. Forgeage à la main Le forgeage à la main est un art qui nécessite un long et difficile apprentissage. Quelques illustrations de pièces forgées sont données en figures 5 et 6. Fig. 5: Quelques exemples de pièces forgées : a) coin, b) anneau (maillon de chaîne), c) berceau de grille, d) clavette à talon, e) fer à cheval (reproduit de [2] p. 175). Fig. 6: Exemple de ferronnerie d'art (reproduit de [2] p. 175). L'équipement de base d un forgeron est constitué de : - feu de forge (Fig. 7) - enclume, sa table est trempée et est prolongée par deux appendices appelés bigornes (Fig. 8)
Forgeage C-5 - différents marteaux (Fig. 9) - différentes pinces de forgeron (Fig. 10) - outils accessoires : poinçon etc. - instruments de mesure pour travaux de forgeage (Fig. 11) - habillement (tablier en cuir, chaussures, gants, lunettes etc.) Fig. 8: Enclume (reproduit de [2] p. 177). Fig. 7: Feu de forge (reproduit de [2] p. 177). Fig. 9: Jeu de marteau des taille et forme différentes (reproduit de [2] p. 178) Fig. 10: Différents pinces de forgeron (reproduit de [2] p. 179) Fig. 11: Instruments de mesure pour travaux de forgeage (reproduit de [2] p. 179)
C-6 Forgeage 4. Manipulation à effectuer Nous vous proposons de confectionner un outil (lame de couteau, coupe papier etc. selon votre créativité). Vous disposez d'une ébauche de section rectangulaire 5x20 mm, de longueur 220 mm, en acier d amélioration Ck45, W. Nr 1.1191, acheté chez Hertsch & Cie AG, livré à l'état laminé à froid, recuit et décapé. La composition chimique est la suivante : en pour cent poids C = 0.45% Si = 0.30 % Mn = 0.70 % P = 0.04 % S = 0.01 % Cr+Ni+Mo 0.63 % Les propriétés mécaniques à l état recuit, selon catalogue, sont : R p0.2 = 400 [N/mm 2 ] R m = 650 [N/mm 2 ] A 5 = 20 [%] HB = 210-230 [-] 4.1 Équipement mis à disposition - Duromètre Wolpert HV - Forge à charbon - Forge à gaz - Enclume - Marteaux - Différents pinces de forgeron - Tablier en cuir, gants, etc 4.2 Mode opératoire - Mesure de dureté HV 62.5 sur votre ébauche - Austénitiser votre ébauche, déterminer la température d'austénitisation selon la fiche technique - Mettre votre ébauche dans la forge à charbon ou à gaz, y laisser le temps nécessaire (voir Fig. 12)
Forgeage C-7 - À l'aide d'un marteau, forger votre ébauche sur l'enclume - Si nécessaire, répéter cette opération autant de fois, jusqu'à l'étape finale - Refroidir votre ébauche et faire des mesures de dureté - Réausténitiser votre pièce forgée en vue d'un refroidissement à l air - Faire des mesures de dureté pour contrôler si votre fabrication a réussi - Finition (meulage, affûtage, polissage etc.) Rédaction d'un rapport décrivant le forgeage que vous avez effectué et les résultats de mesures. 5. Bibliographie [1] Techniques de l'ingénieur, Procédés de mise en forme M3000 disponible sous: http://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/materiaux-th11/mise-en-formedes-metaux-aspects-mecaniques-et-thermiques-42348210/procedes-de-mise-en-formem3000/ consulté le 17 mars 2012. [2] F. Bendix, Technologie des Travaux sur Métaux, Éditions Spes-Lausanne et Eyrolles- Paris, 1968 Rédaction du document : Gökhan Karadeniz 06.02.2005 Changements apportés par L.Weber 24.09.2014