Comprendre le Forgeage : Définition, Processus et Types

Qu'est-ce que le Forgeage ?

Le forgeage est un processus de fabrication impliquant le façonnage du métal par martelage, pressage ou laminage. Ces forces compressives sont appliquées avec un marteau ou une matrice. Le forgeage est souvent catégorisé selon la température à laquelle il est effectué : forgeage à froid, à chaud ou à tiède.

Une large gamme de métaux peut être forgée. Les métaux typiques utilisés dans le forgeage incluent l'acier au carbone, l'acier allié et l'acier inoxydable. Les métaux très tendres comme l'aluminium, le laiton et le cuivre peuvent également être forgés. Le processus de forgeage peut produire des pièces avec d'excellentes propriétés mécaniques et un minimum de déchets.

Le concept de base est que le métal original est déformé plastiquement à la forme géométrique désirée, lui donnant une résistance à la fatigue et une résistance plus élevées. Le processus est économiquement sain avec la capacité de produire en série des pièces et d'atteindre des propriétés mécaniques spécifiques dans le produit fini.

Le forgeage a été pratiqué par des forgerons pendant des millénaires ; les produits traditionnels étaient la vaisselle, la quincaillerie, les outils à main, les armes tranchantes, les cymbales et les bijoux.

Depuis la Révolution industrielle, les pièces forgées sont largement utilisées dans les mécanismes et machines partout où un composant nécessite une haute résistance ; de tels forgages nécessitent généralement un traitement supplémentaire (tel que l'usinage) pour atteindre une pièce presque finie. Aujourd'hui, le forgeage est une industrie mondiale majeure.

Histoire du Forgeage

Le forgeage est pratiqué par les forgerons depuis des milliers d'années. Au début, le bronze et le cuivre étaient les métaux forgés les plus courants, à l'Âge du bronze : plus tard, alors que la capacité à contrôler la température et le processus de fusion du fer furent découverts, le fer devint le métal forgé principal.

Les produits traditionnels incluent la vaisselle, la quincaillerie, les outils à main et les armes tranchantes. La Révolution industrielle a permis au forgeage de devenir un processus de production de masse plus efficace. Depuis lors, le forgeage a évolué avec les avancées en équipement, robotique, contrôles électroniques et automatisation.

Le forgeage est maintenant une industrie mondiale avec des installations de forgeage modernes produisant des pièces métalliques de haute qualité dans une vaste gamme de tailles, formes, matériaux et finitions.

Types de Processus de Forgeage

Il existe plusieurs méthodes de forgeage avec différentes capacités et avantages.

• Forgeage au marteau-pilon
• Forgeage par laminage
• Forgeage sous presse
• Forgeage par emboutissage
• Forgeage à froid
• Forgeage de précision
• Forgeage isotherme

1. Forgeage au Marteau-Pilon

Le forgeage au marteau-pilon tire son nom du processus consistant à laisser tomber un marteau sur le métal pour le mouler dans la forme de la matrice. La matrice fait référence aux surfaces qui entrent en contact avec le métal.

Il existe deux types de forgeage au marteau-pilon — forgeage à matrice ouverte et forgeage à matrice fermée. Les matrices sont généralement plates avec certaines ayant des surfaces distinctement formées pour des opérations spécialisées.

Forgeage à Matrice Ouverte (Forgeage de Forgeron)

Le forgeage à matrice ouverte est également connu sous le nom de forgeage de forgeron. Un marteau frappe et déforme un métal sur une enclume stationnaire. Dans ce type de forgeage, le métal n'est jamais complètement confiné dans les matrices — lui permettant de s'écouler sauf pour les zones où il est en contact avec les matrices.

C'est la responsabilité de l'opérateur d'orienter et de positionner le métal pour atteindre la forme finale désirée. Des matrices plates sont utilisées, certaines ayant des surfaces spécialement formées pour des opérations spécialisées. Le forgeage à matrice ouverte convient aux pièces simples et grandes, ainsi qu'aux composants métalliques personnalisés.

Avantages du forgeage à matrice ouverte :

• Meilleure résistance à la fatigue et résistance
• Réduit les risques d'erreurs et/ou de trous
• Améliore la microstructure
• Flux de grain continu
• Taille de grain plus fine

Forgeage à Matrice Fermée (Forgeage à Empreinte)

Le forgeage à matrice fermée est également connu sous le nom de forgeage à empreinte. Le métal est placé dans une matrice et attaché à une enclume. Le marteau est laissé tomber sur le métal, le faisant s'écouler et remplir les cavités de la matrice.

Le marteau est chronométré pour entrer en contact avec le métal en succession rapide à l'échelle des millisecondes. L'excès de métal est poussé hors des cavités de la matrice, résultant en une bavure (flash). La bavure refroidit plus vite que le reste du matériau, la rendant plus forte que le métal dans la matrice. Après le forgeage, la bavure est enlevée.

Pour que le métal atteigne l'étape finale, il est déplacé à travers une série de cavités dans une matrice :

• Empreinte d'étirage (également connue sous le nom de fourrage ou pliage) : Première empreinte utilisée pour mouler le métal en une forme brute.
• Cavités de blocage : Le métal est travaillé en une forme qui ressemble davantage au produit final. Le métal est façonné avec des courbes et des filets généreux.
• Cavité d'empreinte finale : Étape finale de finition et de détail du métal dans la forme désirée.

Avantages du forgeage à matrice fermée :

• Produit des pièces jusqu'à 25 tonnes
• Produit des formes quasi nettes ne nécessitant qu'une petite quantité de finition
• Économique pour la production lourde

2. Forgeage par Laminage

Le forgeage par laminage consiste en deux rouleaux cylindriques ou semi-cylindriques horizontaux qui déforment une barre ronde ou plate. Cela fonctionne pour réduire son épaisseur et augmenter sa longueur.

Cette barre chauffée est insérée et passée entre les deux rouleaux contenant chacun une ou plusieurs rainures formées — et est progressivement façonnée au fur et à mesure qu'elle est laminée à travers la machine. Ce processus se poursuit jusqu'à ce que la forme et la taille désirées soient atteintes.

Avantages du forgeage par laminage automatique :

• Produit peu ou pas de déchets de matériau
• Crée une structure de grain favorable dans le métal
• Réduit la section transversale du métal
• Produit des extrémités effilées

3. Forgeage sous Presse

Le forgeage sous presse utilise une pression ou une force lente et continue, au lieu de l'impact utilisé dans le forgeage au marteau-pilon. Le déplacement plus lent du bélier signifie que la déformation atteint plus profondément de sorte que tout le volume du métal est uniformément affecté.

En contraste, dans le forgeage au marteau-pilon, la déformation est souvent seulement au niveau de la surface tandis que l'intérieur du métal reste quelque peu non déformé. En contrôlant le taux de compression dans le forgeage sous presse, la contrainte interne peut également être contrôlée.

Avantages du forgeage sous presse :

• Économique pour la production lourde
• Plus grande précision dans les tolérances entre 0,01–0,02 pouce
• Les matrices ont moins de dépouille permettant une meilleure précision dimensionnelle
• Vitesse, pression et déplacement de la matrice sont automatiquement contrôlés
• L'automatisation du processus est possible
• Capacité des presses allant de 500 à 9000 tonnes

4. Forgeage par Emboutissage

Le forgeage par emboutissage est un processus de fabrication qui augmente le diamètre du métal en comprimant sa longueur. Les presses à manivelle, une machine spéciale à haute vitesse, sont utilisées dans les processus de forgeage par emboutissage.

Les presses à manivelle sont généralement disposées sur un plan horizontal pour améliorer l'efficacité et l'échange rapide du métal d'une station à l'autre. Les presses à manivelle verticales ou une presse hydraulique sont également des options.

Avantages du forgeage par emboutissage :

• Taux de production élevé jusqu'à 4500 pièces par heure
• Automatisation complète possible
• Élimination de la dépouille et de la bavure de forgeage
• Produit peu ou pas de déchets

5. Forgeage à Chaud Automatique

Dans le forgeage à chaud automatique, des barres d'acier de longueur d'usine sont insérées à une extrémité de la machine de forgeage à température ambiante, et des produits forgés à chaud émergent de l'autre extrémité. La barre est chauffée par des bobines à induction de haute puissance à une température allant de 1200 à 1300 °C en moins de 60 secondes.

La barre est ébarbée avec des rouleaux et cisailée en brames. À ce stade, le métal est transféré à travers plusieurs étapes de formage qui peuvent être couplées avec des opérations de formage à froid à haute vitesse. Typiquement, l'opération de formage à froid est laissée pour l'étape de finition. Ce faisant, les avantages du travail à froid peuvent être récoltés tout en maintenant la haute vitesse du forgeage à chaud automatique.

Avantages du forgeage à chaud automatique :

• Taux de sortie élevé
• Acceptation de matériaux à faible coût
• Main-d'œuvre minimale requise pour faire fonctionner la machinerie
• Produit peu ou pas de déchets de matériau (économie de matériau entre 20 et 30 % par rapport au forgeage conventionnel)

6. Forgeage de Précision (Forgeage à Forme Nette ou Quasi-Nette)

Le forgeage de précision nécessite peu ou pas d'usinage final. C'est une méthode de forgeage développée pour minimiser le coût et les déchets associés aux opérations post-forgeage. Les économies de coûts sont réalisées grâce à la réduction de la matière et de l'énergie, ainsi que la réduction de l'usinage.

7. Forgeage Isotherme

Le forgeage isotherme est un processus de forgeage où le métal et la matrice sont chauffés à la même température. Le chauffage adiabatique est utilisé, il n'y a pas de transfert net de masse ou d'échange thermique entre le système et l'environnement externe.

Les changements sont tous dus à des changements internes résultant en des taux de déformation hautement contrôlés. En raison de la perte de chaleur moindre, des machines plus petites peuvent être utilisées pour ce processus de forgeage.

Applications du Forgeage

En plus des pièces de moteur et de transmission, les forgés sont utilisés pour une grande variété d'engrenages, pignons, leviers, arbres, broches, rotules, moyeux de roue, rouleaux, fourches, poutres d'essieu, porte-roulements et biellettes.

• Les produits forgés sont principalement utilisés dans toutes les industries mécaniques.
• Rotors de turbine, rotors de générateur, etc. sont des produits forgés.
• Il donne une résistance à la fatigue plus élevée, donc la plupart des pièces mobiles comme vilebrequin, arbres à cames, engrenages, etc. sont fabriqués par forgeage.
• Le forgeage à froid est utilisé pour produire des ciseaux, boulons, etc.
• Ceux-ci sont principalement utilisés dans la fabrication d'outils à main et de quincaillerie.
• Il est utilisé dans la construction navale dans divers travaux de structure.

Avantages du Forgeage

Le forgeage fournit de meilleures propriétés mécaniques, ductilité et résistance à la fatigue et aux chocs car ce processus affine et dirige le flux de grain selon la forme de la pièce. Presque tous les métaux, ferreux et non ferreux, peuvent être forgés.

• Les pièces fabriquées par forgeage sont plus résistantes
• C'est plus fiable et moins coûteux
• Il offre une meilleure réponse au traitement thermique
• Il offre des propriétés métallurgiques plus cohérentes et meilleures
• Il offre une large gamme de tailles de produits
• Il nécessite moins d'opérations secondaires
• Il a une grande flexibilité de conception

Inconvénients du Forgeage

• Dans le forgeage à chaud, il est difficile d'effectuer des opérations secondaires
• Le coût en capital est plus élevé
• Des procédures de sécurité très strictes pour le personnel et les matériaux doivent être suivies