Conception de pièces forgées

La conception des composantes en forgeage se fait en plusieurs étapes :

• Cisaillage à froid du lopin

• Chauffage du lopin par induction

• Première étape de forgeage ou pré-forgeage

• Refroidissement et retrait des bavures

• Finition

• Traitement

Les opérations de préformage sont généralement utilisées pour distribuer correctement le matériau dans diverses régions de l'ébauche en utilisant des formes simples meurent de différentes couleurs.

1 - La conception de la pièce forgée et la définition de la gamme de fabrication

• Concevoir un brut forgé en partant de la pièce usinée, puis de remonter progressivement au lopin de départ en prenant en compte toutes les opérations successives de mise en forme.

• Le retour d'expérience métier est très important

• Les outils numériques et en particulier sur les logiciels de CAO sont indispensables.

2 - Habiller la pièce usinée pour en faire une pièce de forge

• Habiller la pièce usinée et de définir le plan de joint.

• Conception de la pièce brute, on appliquera les règles de conception adaptées au métier de la forge.

• Ajout des surépaisseurs pour éviter les zones de feu mais aussi dans certains cas réduire les écarts de section entre les différentes zones de la pièce (en vue d'optimiser la répartition matière et ainsi d'avoir une pièce réalisable en forge)

• Ajout des dépouilles pour « sortir » la pièce, les rayons pour favoriser l'écoulement matière et améliorer la durée de vie de l'outillage et enfin les prises de pièce pour l'usinage et le contrôle.

Tous les ajouts dépendront de la masse, de la morphologie de la pièce, de l'alliage retenu (plus ou moins ductile) et enfin du type de presse utilisé.

Par exemple une dépouille en presse à vis est de l'ordre de 3° alors qu'elle est plus importante (5° à 6°) en marteau pilon. Le coefficient de dilatation de la matière est ensuite appliqué sur la pièce brute. Ce coefficient est fonction du matériau et de la massivité de la pièce (prise en compte du refroidissement avant la mise en forme).

3 - Dimensionner la bavure

Dimensionner la bavure, dont les dimensions sont déterminées par la masse de la pièce pour les matériaux ferreux et par le volume pour les matériaux non ferreux. Les paramètres de la bavure sont la longueur, l'épaisseur et le rayon de raccordement pièce-bavure. Malgré les règles de conception, les dimensions du cordon peuvent être ajustées afin de libérer ou d'emprisonner la matière au détriment de la durée de vie de l'outillage du fait de la montée en pression dans le passage de bavure.

4 - Conception du brute

L'étape suivante consiste à concevoir le brut ébauche dont la forme sera très similaire car le rapport de volume entre le brut ébauche et le brut fini sera très légèrement supérieur à 1 (quelques %). Le brut ébauche sera en particulier plus étroit pour éviter les recoupes en finition et plus haut pour éviter les problèmes de non-rendu en finition. Les rayons et congés seront supérieurs d'approximativement 1,5 à ceux de la finition. Pour la bavure, l'épaisseur sera plus importante que celle de la finition. Le rayon de passage de bavure sera, quant-à-lui, doublé pour favoriser l'écoulement de la matière. Cet outillage d'ébauche aura pour fonctions outre le fait d'assurer la répartition matière du lopin pour éviter d'éventuels défauts, celle de préserver la durée de vie de l'outillage de finition en réduisant les phénomènes tels que la déformation plastique où l'usure abrasive.

5 - La simulation numérique pour optimiser la conception

L'objectif de la simulation numérique est de permettre l'ajustement de la gamme de forge et du design des différents outils définis dans la phase conception mais aussi la détermination, pour l'atelier de forge, des meilleurs réglages de la presse pour la mise au point du process. Le design des différents outils de forge sera ajusté suite aux premières simulations. Ceci pour supprimer les défauts (non-rendu, repli, ...), favoriser l'écoulement et surtout d'assurer la santé métallurgique de la pièce.

• Les logiciels (Forge de Transvalor, AFDEX d'Altair, Qform et Deform) permettent de prédire entre autres l'évolution de la température, la déformation équivalente dans la pièce au cours du forgeage, les efforts de presse, les défauts (replis, manques matière, ...) et enfin le fibrage de la pièce.

• Il est également possible de faire des analyses des contraintes outillages pour suivre la répartition des efforts et de la température et de prédire leur usure.

• Effectuer le paramétrage des étapes liées à chaque séquence de mise en forme. En effet, chaque gamme de forgeage comporte un temps de transfert du four vers la presse, un temps d'attente sur outillage, une opération de mise en forme et enfin un temps de refroidissement. Le but est donc de décomposer chaque séquence de mise en forme pour obtenir une simulation la plus réaliste et conforme à la réalité atelier.

• Le paramétrage des données d'entrée de la simulation concernant la pièce (température, taille de maille...) et le procédé (vitesse de frappe, température des outillages, échanges thermiques.).

• Le temps de calcul va dépendre de la précision voulue au niveau des résultats « pièce » donc du maillage de la pièce.

Pour simplifier le processus de l'extraction des pièces hors des gravures. Nous concevons un angle sur la surface de matrice.

• On porte le nom de cet angle que les parois des gravures des matrices font avec la direction du déplacement  : La dépouille. Les parties en relief dans les gravures des matrices portent le nom de noyaux. Le métal chaud en se refroidissant se frette sur les noyaux, la dépouille à leur attribuer est de ce fait plus importante.

• Il est parfois possible d'introduire des éjecteurs dans l'outillage, la dépouille peut alors être réduite notablement.

• Les arcs qui connectent chaque deux plans des pièces : arrondis dans les sections. Ces arcs sont bénéfique à l'écoulement du métal de la pièce. Le métal peut forger et remplir facilement dans les rainures. Ils peuvent améliorer la qualité des pièces forgées et peut éviter la fissure dans les coins internes des matriçages. De plus, ces arcs peuvent réduire l'usure dans les coins extérieurs de matrice de forgeage, ainsi qu'améliorer la durée de vie du matrice.

• Les arêtes saillantes : des sections doivent présenter des arrondis dépendant de la plus grande dimension de la section.