Conception de pièces forgées

La conception de la pièce forgée nécessite :

• La forme générale, les dimensions, les séries

• Le plan de joint, les surépaisseurs, les bavures, les dépouilles, les pertes au feu

• Les précisions dimensionnelles, les tolérances géométriques, les états de surface, les surépaisseurs d'usinage

Les règles de tracé « métiers » d'habillage concernent :

• Les règles en relation avec le mode de forgeage (choix sens de estampage)

• L'épaisseur de la pièce, le cordon de bavure, les raccordements des parois, tolérance dimensionnelle

• Le tracé facilitant les opérations de forge et la conception des outillages (dépouilles, toiles, rayons)

Aspects à prendre en considération pour l'habillage :

• Surépaisseurs d'usinage

• Géométries à symétrie de révolution ou symétrie axiale

• Épaisseur d'une paroi ne peut pas être pressée au-delà d'une certaine limite dépendant du matériau

• Angles de dépouilles

• Rayons de raccordement doivent être aussi grands que possible

• Contre-dépouilles sont possibles mais augmentent les coûts d'usinage

• Les trous peuvent être ébauchés en conservant une toile pour les trous débouchant

La qualité et la précision dimensionnelle des pièces obtenues par le forgeage libre sont largement dépendues en la compétence l'opérateur. Le forgeage est réalisé entre des tas de surface plane, sur lesquels on peut interposer des outils de formes simples tels bagues, tasseaux, triangles. Les formes géométriques des pièces obtenues par forgeage libre seront donc simples.

La conception d'une pièce pour la forge est souvent limitée à l'habillage de pièce à partir d'une géométrie de la pièce usinée. L'habillage consiste à définir les caractéristiques d'une pièce brute répondant aux contraintes de fabrication de la forge, et à partir de laquelle il sera possible d'obtenir la pièce finie grâce aux opérations d'usinage. Il inclut la définition des surépaisseurs d'usinage, des dépouilles et des modifications de forme qui permettront d'améliorer l'obtention de ce brut par les procédés de forge.

L'habillage d'une pièce est défini en respectant certaines contraintes :

1 - Choix du sens de l'estampage : A partir de la pièce à fabriquer, on choisit l'orientation spatiale de celle-ci de manière à n'avoir aucune forme en creux, perpendiculairement au sens de l'estampage. Cette condition est indispensable pour permettre l'extraction de la pièce de la gravure.

Règle : Aucun volume en creux le long des surfaces strictement parallèles au sens de l'estampage.

2 - Tolérance dimensionnelle : En estampage comme dans tous les procédés de fabrication mécanique, les outils s'usent au fur et à mesure de leur utilisation. Cela se vérifie avec les gravures des matrices. En conséquence, on prend soin de les usiner de telle sorte que la première pièce estampée fabriquée corresponde aux cotes minimales de la pièce. Au fur et à mesure de la fabrication, la gravure va s'agrandir, s'évaser. On arrête la fabrication lorsque les cotes de la gravure de la matrice ont atteint les cotes maximales.

Règle : pour les cotes externes, le brut moyen est égal au brut mini + (valeur négative de l'intervalle de tolérance d'estampage). Pour les cotes internes, le brut moyen est égal au brut mini - (valeur positive de l'intervalle de tolérance d'estampage).

3 - Toiles : Les zones intérieures des pièces sont fabriquées avec des parties d'outillage appelées « noyaux ». On utilise souvent 2 noyaux : un lié à la matrice supérieure, l'autre à la matrice inférieure. Ces deux noyaux ne doivent pas venir en contact l'un avec l'autre, car il faudrait une force infinie pour évacuer toute la matière située entre eux. On prévoit donc la mise en place d'une toile.

Règle : la toile doit être perpendiculaire au sens de frappe et répartie de part et d'autre du plan de joint.

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

Règle : Éviter les angles saillants

5 - Rayons : Pour les mêmes raisons rhéologiques que celles indiquées pour l'épaisseur des toiles, on ne peut pas en estampage obtenir des pièces à angle vif, c'est-à-dire à rayon nul. 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.

Règles  :

• Il faut que le rayon, quelle que soit sa nature, soit le plus grand possible.

• Les arcs qui connectent chaque deux plans des pièces, on les nomme arrondis dans les sections. Ces arcs sont bénéfique à l'écoulement du métal de la pièce.

• Les arcs peuvent réduire l'usure dans les coins extérieurs de matrice de forgeage, ainsi qu'améliorer la durée de vie du matrice.

• Si les coins de la pièce forgée en métal sont trop tranchants, le matériau peut ne pas suivre complètement le chemin de ces coins, ce qui entraîne des vacances, des tours ou des coupures à froid.

• Les angles vifs agiront également comme augmentateurs de contraintes dans la cavité de la matrice.

• Une bonne conception de la matrice de forgeage devrait fournir un congé et un rayon d'angle suffisants pour permettre un écoulement facile du métal.

6- Dépouilles : 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. Le métal chaud en se refroidissant se frette sur les noyaux, la dépouille à leur attribuer est de ce fait plus importante.

7 - Angle de dépouille:

• Les angles de dépouille courants utilisés dans l'industrie manufacturière sont de 3, 5, 7 et 10 degrés.

• Est nécessaire à inclure dans la conception de la matrice de forgeage afin de permettre l'enlèvement de la pièce de la matrice après que la pièce a été forgée.

• Plus l'angle est grand, mieux il facilitera l'enlèvement de la pièce forgée en métal

• Certaines opérations de forgeage de précision produisent une pièce forgée sans angle de dépouille.

• En général, les métaux plus faciles à forger, tels que l'aluminium et le magnésium, nécessitent moins d'angles de dépouille que les matériaux plus difficiles à forger, tels que l'acier, le nickel et les alliages de titane.

8- Éjecteurs :

Souvent dans les opérations de forgeage des métaux, il y a un éjecteur pour aider à pousser la pièce hors de la cavité de la matrice. Cependant, les éjecteurs ne sont pas utilisés dans le forgeage par chute. L'angle de dépouille affecte la complexité de la pièce forgée qui peut être produite.

Règles :

1. Mettre des dépouilles uniquement sur les faces strictement parallèles au sens de l'estampage.

2. L'angle de dépouille doit être le plus faible possible pour minimiser la quantité de métal à mettre en œuvre, d'une part, et l'effort de remplissage, d'autre part. Généralement, quelques degrés suffisent. Pour les dépouilles des faces intérieures des pièces, il faut ajouter 2° à l'angle des dépouilles des faces extérieures pour éviter, avec le refroidissement de la pièce, un frettage de cette dernière sur les noyaux de la matrice.

Le tableau suivant résume les règles générales relatives au choix des dépouilles.

9 - Surface de joint :

Selon le procédé, le métal peut être forgé entre deux blocs qui s'ouvrent selon une seule surface séparative ou bien entre des outillages comportant trois ou plus. La surface de joint correspond physiquement à la surface de contact de la matrice supérieure et de la matrice inférieure. Le joint de surface séparative de deux blocs est très souvent un plan horizontal (perpendiculaire à la direction de frappe du pilon ou de la presse). Les plans inclinés sont à éviter. Pour des raisons économiques, on s'efforcera de la faire plane.

En plus d'être un facteur majeur dans l'écoulement du métal pendant le processus de forgeage, l'emplacement de la ligne de séparation est également critique dans la formation de la structure des grains de l'ouvrage forgé. La ligne de séparation agit pour perturber la structure du grain du métal. Il est plus facile de remplir le matériau près du plan de forgeage que dans les autres évidements de la cavité de la filière.

Règle  : la surface de joint doit être perpendiculaire au sens de l'estampage, si possible plane et passant par la plus grande section de la pièce. On peut, lorsque la forme de la pièce l'exige, avoir une surface de joint non plane. Mais la surface de joint ne doit pas être dans le prolongement immédiat d'un plan horizontal à cause de l'opération d'ébavurage. L'ébavurage est nettement facilité, donc moins coûteux, lorsque la surface de joint est tracée en respectant cette règle.

Exemple :

La figure ci-dessous a gauche montre une pièce forgée en métal avec trois emplacements possibles pour une ligne de séparation. L'emplacement de la ligne de séparation de C facilitera mieux l'écoulement du métal à travers la cavité de la filière, car contrairement à A ou B, l'emplacement C utilise la périphérie maximale de la pièce forgée.

La figure de droite montre également trois emplacements de ligne de séparation possibles pour une pièce forgée en métal. Le placement de la ligne de séparation en A et B a pour effet de perturber la structure des grains du métal au niveau du plan par lequel il passe. Le positionnement de la ligne de séparation en haut de la pièce forgée comme en C élimine la rupture de la structure du grain de la pièce forgée. De plus, cet emplacement particulier de la ligne de séparation permettra à l'empreinte entière de se former dans une matrice, tandis que l'autre matrice peut être plate. La conception de la matrice comme en C est à la fois plus économique et offre une structure de grain supérieure de la pièce forgée en métal.

10- Surépaisseurs d'usinage :

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.

La fabrication d'avant-produit conduit à avoir des surfaces brutes dont la géométrie et l'état de surface sont suffisants. Lorsque ces surfaces sont libres, c'est-à-dire sans contact avec d'autres surfaces de pièces adjacentes, elles peuvent rester brutes.

Règle : prévoir une surépaisseur d'usinage sur toutes les surfaces qui sont en contact avec d'autres surfaces. La valeur de la surépaisseur dépend du type d'usinage choisi.

11 - Tracé de pièce forgée :

Le tracé qui représente les conditions optimales techniques et, coût de fabrication dépend de :

• Nombre de pièces à fabriquer

• Coût

Le tracé doit respecter des règles permettant une conception optimale :

• Dessin de la pièce à usinée

• Positionnement du joint de matrice

• Surépaisseurs d'usinage

• Esquisse de la pièce

• Dessin de la pièce estampée en tenant compte de l'engin d'estampage ou de la série