Maîtriser les opérations de formage des matériaux : Procédés clés et mécanique

(v) Étirage (Swaging)

Variante du forgeage par chocs : coups répétés par mouvement radial de matrices profilées. Réduction de diamètre et conicité de barres et tubes.

(vi) Forgeage par laminage (Roll Forging)

Deux demi-cylindres rainurés sur arbres parallèles. Réduction de diamètre de barres. Pièce chauffée placée entre matrices en position ouverte. Après demi-tour, pièce roulée, puis remise dans rainure plus petite, jusqu'à dimension voulue.

Matrices de forgeage

Composant critique ; le succès en dépend largement.

Caractéristiques essentielles (voir fig. 3.41) :

• Rayon de filet aux angles pour faciliter l'écoulement, limiter l'usure et la fracture.
• Dépouille sur toutes les surfaces verticales pour démoulage aisé (comme en fonderie).
• Espace pour la bavure (flash) : gouttière à bavure recommandée.

En forgeage à chaud : dimensions matrice + retrait (compensation contraction refroidissement). Produit forgé généralement sans finition globale ultérieure. Matrice en acier allié moyenne/haute teneur en carbone. Dureté Rc 45-60.

Opération 3 : Étirage (Drawing)

Principalement pour réduire diamètre barres et fils. Vitesse : 10 m/min (gros diamètres) à 1800 m/min (fils très fins). Amorçage : bout étiré (swaged) pour entrée facile en filière. Démarrage à vitesse lente pour éviter chocs. Grosses réductions → plusieurs passes. Chaleur générée par écrouissage → refroidissement filière à l'eau parfois nécessaire. Tubes aussi étirables (opération = sinking).

Filières : grand diamètre → acier haut carbone ou rapide ; moyen → carbure de tungstène ; fil fin → diamant.

Opération 4 : Emboutissage profond (Deep Drawing)

D'après la mécanique, il faut tirer la tôle au maximum dans la matrice pour minimiser l'amincissement de la paroi. La circonférence extérieure du fondant réduit → contrainte de cerclage compressive → si limite dépassée : plissage plastique du collet (irréversible). Évité par porte-fondant (blank holder).

Pression excessive du porte-fondant résiste au tirage. Si rapport de tirage (r_j / r_d) ≤ 1,2 : possible sans porte-fondant. Rapports plus élevés selon épaisseur et profil matrice (fig. 3.43).

Rapport trop grand → plusieurs étapes. Opérations successives après la première = re-tirage (redrawing). Figures 3.44a et 3.44b : deux re-tirages types. Fig. 3.44b = re-tirage inverse : godet initial retourné. Semble plus sévère, mais en réalité :

• Re-tirage conventionnel (3.44a) : matière pliée en sens opposés (porte-fondant et angles matrice).
• Re-tirage inverse (3.44b) : pliage dans un seul sens (angles matrice extérieur/intérieur).
• Cas extrême : matrice à bord arrondi (3.44c) → travail moins sévère.

Écrouissage lors de l'opération initiale → recuit conseillé (restaurer ductilité) avant re-tirage.

Écoulement métal non uniforme → pièces rognées pour enlever excès. Rognage : manuel ou matrice dédiée.

Démoulage : logement d'usinage sous la matrice de tirage. Retour poinçon : pression enlevée → godet revient élastiquement → logement empêche le godet de suivre le poinçon.

Opération 5 : Pliage (Bending)

Analyse applicable pour produire des angles en tôle. Formes plus complexes possibles, souvent multi-étapes. Pliage continu avec série de galets profilés pour formes complexes. Galets d'appoint pour pression latérale.

Tubes et profils creux pliés en enroulant autour d'un bloc de forme avec galet essuyeur. Si galet à courbure constante → charnière au centre de courbure. Fig. 3.48 : pliage tube. Évitement effondrement : remplissage interne (ex. sable).

Opération 6 : Extrusion

L'un des procédés les plus puissants et utiles, nombreuses variantes. À chaud et à froid. Extrusion à chaud réduit effort (surtout matériaux haute résistance) mais pose problèmes : refroidissement, usure rapide matrice.

Analyse extrusion directe simple : tout le lingot avance → pertes frottement importantes, effort élevé → contraintes radiales élevées dans le conteneur.

Extrusion indirecte (backward) : lingot fixe → pas de frottement lingot/conteneur, seulement interface matrice/conteneur (beaucoup plus faible). Effort réduit, indépendant de la longueur du lingot.

Extrusion de tubes : mandrin + bélier (fig. 3.51). Produits à bout ouvert (3.51a) ou fermé (3.51b) selon forme initiale. Mandrin fixe au bélier ou corps séparé (3.51c).

Extrusion par impact : boîtes minces. Matériaux tendres/ductiles seulement. Généralement à froid.

Extrusion hydrostatique : fluide sous pression au lieu de bélier direct (fig. 3.53a). Frottement lingot/conteneur éliminé.

Variante pour matériaux fragiles : pression hydrostatique élevée sur lingot + pression moindre en chambre réception (~1/2 pression lingot) (fig. 3.53b). Gradient de contrainte réduit. Très gros objets possibles. Processus lent → applications limitées.

Extrusion en matrice fermée fendue : forme complexe, section non uniforme. Similaire forgeage matrice fermée (fig. 3.53c).

Lubrification et peau : Tout lingot a une couche d'oxyde. En extrusion normale, elle peut être entraînée dans le cœur (affaiblissement) sauf écoulement laminaire garanti. Lubrifiants lingot/matrice/conteneur : réduire effort + maintenir écoulement laminaire. Surface externe du lingot = peau du produit. Principe utilisé en extrusion à chaud matériaux haute résistance et produits plaqués.

Extrusion à chaud aciers : 1200-1500°C. Matrice ~200°C (éviter usure excessive). Fibres/poudres de verre comme lubrifiants (viscosité sensible température). Viscosité élevée surface matrice → protection usure + peau de verre (~0,025 mm). Viscosité faible interface lingot/conteneur → effort réduit.

Application gainage : barres combustible nucléaire (uranium, thorium). Gainage cuivre/laiton (moins réactifs, protègent oxydation/contamination). Lingot préparé avec gaine matériau de placage.

Opération 7 : Poinçonnage et Découpage (Punching and Blanking)

Opérations tôle les plus courantes (cisaillement). Autres similaires : (i) encoche, (ii) lance, (iii) refendage, (iv) grignotage, (v) rognage.

• Encoche : enlève matière sur côté tôle.
• Lance : coupe partielle sans déchets. Souvent combiné pliage pour former languettes.
• Refendage : coupe bobine dans le sens longueur → bandes plus étroites.
• Grignotage : formes complexes par encoches chevauchantes depuis bord ou trou poinçonné. Poinçon simple (rond/triangulaire, petit) va-et-vient position fixe. Tôle guidée pour forme voulue.
• Rognage : enlève excès matière en collet ou bavure.

Optimisation temps/coût : matrice-poinçon

Matrice-poinçon simple type. Positionnement précis par colonnes de guidage. Éjecteur (stripper) retire tôle du poinçon au retour. Goupilles de poussée à ressort retirent le fondant de la face poinçon. L'éjecteur fait aussi office de porte-fondant (anti-tirage).

Plusieurs opérations en un coup : plusieurs jeux matrice-poinçon même ensemble (fig. 3.56) = matrice composée (compound die). Poinçon/matrice de découpage en position inversée (fig. 3.56). Perçage trou intérieur avant découpage. Parfois combinaison tirage/pliage + découpage pour économie.

Matrice progressive : plusieurs éléments matrice-poinçon à positions différentes. Une opération par poste, tôle avancée au suivant → opération continue.

Minimisation déchets : imbrication (nesting)

Disposition optimale des fonds sur bande (fig. 3.58). Restrictions fig. 3.58b. Écart minimum bord fondant / bord bande : g = t + 0,015h (t = épaisseur, h = largeur fondant). Écart entre fonds successifs (b) selon t (tableau 3.1). Sens fibres (bande laminée) parfois imposé → liberté imbrication quasi perdue. Fondants circulaires : économie seulement par choix multiples rangées.

Opération 8 : Procédés de formage à haut taux d'énergie (HERF)

Jusqu'ici sources d'énergie conventionnelles. Sources chimique, magnétique, décharge électrique aussi utilisables. Taux d'écoulement énergie beaucoup plus élevé → High-Energy-Rate (HER). Énergie cinétique ∝ carré vitesse → grande énergie par corps petit à grande vitesse.

Exemple : presse 500 kN sur 0,15 m = 75 kJ. Même énergie : marteau 42 kN à 6 m/s. Front d'eau 26 N à 240 m/s par charge explosive = même énergie. Principe pour machines compactes.

Taux de libération énergie

• Presse : ~0,5 s → 150 kW
• Marteau pilon : ~0,06 s → 1,25 MW
• Explosif : ~0,0007 s → 107 MW

Cas explosif = machine la plus compacte et puissante. Formage haute vitesse (explosif, décharge électrique) basé sur ce principe.

Trois procédés HER courants :

i. Formage explosif

Figure 3.60 : deux schémas. Onde de choc dans fluide (eau) par détonation charge explosive.

• Petite pièce : onde de choc entière utilisée en espace confiné.
• Gros objet : seule partie front d'onde utilisée. Opération non confinée = moins efficace. Mais risque rupture matrice plus grand en confiné (manque contrôle inhérent).

Explosifs types : TNT, dynamite (haute énergie) ; poudre (basse énergie). Explosifs forts directement sur pièce → pressions jusqu'à 35 kN/mm². Explosifs faibles → 350 N/mm².

Eau comme milieu : pression de crête p = f(énergie, distance). Distance charge / surface libre eau (non confiné) ≥ 2 × distance de retrait. Sinon perte énergie → efficacité réduite. Divers outillages → variété formes. Effets sur propriétés matériaux similaires formage conventionnel.

ii. Formage électrohydraulique

Décharge électrique (étincelles) au lieu d'explosifs pour onde de choc dans fluide. Caractéristiques très similaires formage explosif. Banque condensateurs chargée par circuit charge ; interrupteur fermé → étincelle dans gap électrodes → décharge condensateurs.

Niveau énergie inférieur formage explosif. Pression crête = f(énergie déchargée, distance retrait).

iii. Formage électromagnétique

Énergie stockée banque condensateurs → déchargée dans bobine par fermeture interrupteur. Bobine crée champ magnétique ; intensité = f(courant). Pièce métallique dans champ variable → courant induit → champ propre. Directions champs : bobine rigidement tenue repousse pièce dans matrice. Pièce doit être conductrice électrique, pas forcément magnétique. Durée de vie bobine courte = problème majeur.

Opération 9 : Monnayage (Coining)

Forgeage matrice fermée qui donne variation d'épaisseur désirée (contraintes latérales) à pièces minces et plates. Utilisé pour monnaies et objets nécessitant empreinte nette de la matrice.

Opération 10 : Filetage par laminage (Thread Rolling)

Production massive pièces filetées (boulons, vis) : deux matrices plates alternatives (ou rouleaux filetés rotation opposée) → filet par déformation plastique. Opération de laminage de base → nom.

Opération 11 : Perçage de tubes (Tube Piercing)

Tubes sans soudure très importants. Barre pleine forcée à couler sur mandrin par deux rouleaux inclinés rotation opposée. Vitesse et inclinaison → vitesse alimentation. À chaud.

Pression + rotation simultanées → déformation elliptique + fissure grand axe. Rotation supplémentaire → fissure s'élargit → trou → forme/taille finale par mandrin.

Opération 12 : Emboutissage par tournage (Spinning)

Objet à surface de révolution à partir de tôle. Fondant maintenu contre matrice forme qui tourne ; tôle appliquée par outil/galet spécial. Si amincissement simultané → cisaillement par tournage (shear spinning).

Opération 13 : Formage par étirage (Stretch Forming)

Pliage tôle → contrainte compressive toujours développée → peut causer flambage/plissage local. Évité en maintenant bande sous tension pendant l'opération. Étirage + pliage simultanés = formage par étirage.