Façonnage du métal : un guide complet des 8 principaux procédés de forgeage

Le forgeage est une méthode utilisée pour façonner les métaux par compression. Cette méthode améliore la résistance du métal, affine sa structure granulaire et améliore sa résistance à la fatigue, permettant ainsi de produire des pièces plus robustes que celles moulées ou usinées. Cette méthode est idéale pour les industries qui ont besoin de pièces robustes et fiables.

Classification du forgeage par outillage

Forgeage à matrice ouverte

Le forgeage libre, aussi appelé forgeage libre, façonne le métal chaud entre des matrices plates ou un marteau et une enclume. L'absence de parois latérales ni de moules pleins permet au métal de s'écouler relativement librement lorsqu'il est déformé de différents côtés.

Avantages

• Flux continu de grains : La structure du grain s'aligne sur la forme de la pièce, améliorant ainsi la résistance et la résistance à la défaillance.
• Moins de déchets : Comme il n'y a pas de bavure, cela permet de réduire les coûts des matières premières, en particulier avec les alliages coûteux.
• Grandes pièces : Il convient au forgeage de formes surdimensionnées ou personnalisées qui ne rentrent pas dans les moules.

Le forgeage à matrice ouverte est généralement utilisé pour les grands arbres destinés à la production d'énergie, les cylindres dans les presses hydrauliques et les outils et objets personnalisés pour les travaux de forge.

Forgeage par matrice fermée (empreinte)

Il s'agit d'un procédé où une billette chauffée est placée entre des matrices profilées qui reprennent le contour exact de la pièce. Le métal remplit la cavité de la matrice sous pression, et l'excédent de matière s'écoule sous forme de bavures, qui sont ensuite éliminées.

Ressources: Forgeage à matrice fermée vs. forgeage à matrice ouverte

Ce processus comprend souvent trois étapes :

1. Bordure: Cette étape répartit le métal dans la billette pour la préparer au moule.
2. Blocage: Ici, le métal est façonné dans une forme qui ressemble étroitement à la pièce finale.
3. Impression finale : Presse le métal dans la forme finale avec des tolérances étroites.

Avantages

• Formes proches du filet : Cela signifie que la pièce forgée est très proche de sa taille et de sa forme finales.
• Haute précision: Les matrices profilées contrôlent chaque détail, de sorte que les pièces sortent avec des tolérances serrées.
• Répétabilité : Une fois les matrices posées, chaque pièce forgée est quasiment identique. Que vous produisiez 100 ou 10 000 unités, la régularité reste la même.
• Haute résistance : Cela rend le métal plus dur et plus résistant aux fissures et aux chocs.

Forgeage à anneaux laminés

Ce procédé commence par une billette ronde, puis un trou est percé en son centre, la transformant en un anneau épais. L'anneau est ensuite chauffé et laminé entre des outils qui l'étalent. Le métal s'étire vers l'extérieur tandis que l'anneau s'affine et s'élargit. Le grain du métal suit également une trajectoire circulaire, ce qui confère à l'anneau une résistance dans toutes les directions.

Ce procédé est utilisé pour fabriquer des pièces telles que des roulements, des engrenages, des brides d’éoliennes et des composants de jets.

Avantages

• Le flux de grain est constant, ce qui améliore la résistance à la fatigue.
• Il offre une structure quasi continue, ce qui réduit le besoin de soudage.
• Étant donné que la bague est forgée à partir d'une seule pièce de métal sans coutures ni soudures, la pièce tient mieux sous contrainte.

Forgeage par catégorie de température

Forgeage à chaud

Le forgeage à chaud consiste à façonner le métal au-dessus de son point de recristallisation, généralement compris entre 0,3 et 0,5 fois sa température de fusion absolue (Tm). Ainsi, le métal est beaucoup plus facile à façonner, notamment pour les métaux difficiles à travailler à froid.

Avantages

• Grâce aux températures élevées, la résistance du métal à la déformation est nettement plus faible, ce qui facilite le façonnage de pièces complexes ou de grande taille.
• La chaleur et la pression peuvent aider à fermer les petites fissures internes, les pores ou les vides dans le métal, ce qui améliore la structure et la résistance globales de la pièce.
• Parce que le forgeage à chaud rend le métal plus facile à déformer, il est idéal pour forger de très grandes pièces ou des formes avec des sections épaisses.

Désavantages

• Lorsque le métal est chauffé à l’air, il réagit avec l’oxygène et forme une couche de tartre à la surface, ce qui peut donner à la pièce un aspect rugueux.
• En plus de rendre la surface rugueuse, le tartre peut réduire la précision de la pièce et entraîner une légère perte de matière au cours du processus.

Forgeage à chaud

Ce procédé est réalisé à des températures intermédiaires entre le forgeage à chaud et le forgeage à froid. Le forgeage à chaud offre une finition plus lisse, mais il exige plus de force et use les outils plus rapidement. Le contrôle de la température est également plus crucial.

Le forgeage à chaud permet un meilleur contrôle des dimensions et des formes que le forgeage à chaud. Bien qu'il ne soit pas aussi précis que le forgeage à froid, il offre une précision suffisante pour de nombreuses pièces.

Forgeage à froid

Forgeage à froid Ce procédé utilise une forte pression pour façonner le métal à température ambiante ou inférieure, ce qui est nettement inférieur à sa température de recristallisation. Les techniques couramment utilisées dans ce procédé comprennent :

• Frappe : Presse des lettres, des logos ou d’autres détails fins sur la surface du métal.
• Frappe à froid : Forme des têtes sur des clous, des boulons et des goupilles sans couper ni souder.
• Dessin: Tire le métal à travers une matrice pour réduire sa section transversale et produire de longs fils ou tubes.
• Extrusion: Force le métal à travers un orifice de matrice façonné sous haute pression pour créer des tiges, des barres ou des tubes.

Avantages

• Ce procédé offre une finition de surface lisse et excellente.
• Il offre une excellente précision dimensionnelle et une excellente finition de surface, bien que le retour élastique doive être pris en compte dans la conception de la matrice.
• Comme il n’y a pas d’étape de chauffage, cela permet d’économiser beaucoup d’énergie.

Techniques de forge spécialisées

Emboutissage

Emboutissage Il s'agit d'une méthode de martelage ou de compression utilisant des matrices radiales ou rotatives qui impactent rapidement la pièce, que ce soit en rotation ou en déplacement. Le matriçage peut être effectué à chaud ou à froid, selon le métal et la pièce. Il est souvent utilisé pour effiler, réduire ou élargir les extrémités de tiges ou de tubes.

Il est principalement utilisé dans :

• Douilles de balles
• Tubes de stylo en métal
• Production d'arbres ou de broches

Forgeage à la presse

Forgeage à la presse Utilise une pression lente et constante pour façonner le métal, au lieu de coups de marteau rapides. Ce procédé peut être utilisé à chaud, tiède ou froid. Le mouvement lent enfonce le métal en profondeur dans la matrice, ce qui permet un remplissage plus complet et une surface extérieure plus lisse.

Parce qu'il s'agit d'une presse plutôt que d'une frappe, le forgeage à la presse impose des charges d'impact plus faibles aux matrices, ce qui prolonge la durée de vie de l'outil et réduit les dommages à la machine.

Avantages du forgeage à la presse

• Haute précision : La force constante permet au métal de remplir entièrement la matrice, ce qui permet un meilleur contrôle de la forme et de la taille de la pièce.
• Flux de grains plus fort : La pression continue améliore l’alignement des grains, ce qui renforce la pièce.
• Finition de surface lisse : Le forgeage à la presse réduit les turbulences dans le métal. Il en résulte une surface extérieure plus propre et moins défectueuse.

Cogging

Cogging (également appelé étirage) est un procédé incrémental utilisé pour réduire un gros bloc de métal (lingot ou bloom) en une billette ou une barre plus longue et plus fine. Une matrice plate martèle des sections de la pièce lors d'un mouvement de va-et-vient systématique. La section transversale se rétrécit et la structure du grain s'uniformise après chaque passe.

Le forgeage ne crée pas la pièce finale. Il prépare plutôt le métal pour d'autres méthodes de forgeage, comme le forgeage à matrice ouverte ou fermée.

Rôles clés

• Préformation des billettes : En réduisant progressivement la billette, le cogging permet d'obtenir un bloc de départ plus uniforme. Cela permet un meilleur contrôle de la pièce finale et des économies de matière. Cela contribue également à casser la structure brute de coulée.
• Affinage du grain : Le cogging brise les gros grains et comble les vides ou les défauts internes. Il en résulte des pièces plus robustes, plus durables et plus résistantes aux fissures.

Chauffage par induction (pour le forgeage des billettes)

Chauffage par induction Utilise des bobines électromagnétiques pour chauffer le métal sans feu ni contact. Ces bobines créent un champ magnétique qui chauffe rapidement le métal, principalement de la surface vers l'intérieur, grâce à l'effet de peau. Cette technique est souvent utilisée avant le forgeage pour amener la billette à la bonne température rapidement et proprement.

Avantages

• Chauffage rapide : Grâce au chauffage ciblé, l'atelier de forge peut chauffer uniquement la partie de la pièce à façonner. Les billettes atteignent la température de forge en quelques secondes ou minutes, selon leur taille.
• Efficacité énergétique : Parce qu’elle chauffe directement le métal, l’induction utilise beaucoup moins d’énergie qu’un four.
• Mise à l'échelle minimale : Le chauffage par induction maintient une zone de chauffe concentrée et courte. La surface n'est pas exposée longtemps à une chaleur élevée, ce qui réduit considérablement l'entartrage.

Comment choisir la bonne méthode de forgeage

Le choix de la meilleure méthode de forgeage dépend de différents facteurs :

Taille et forme des pièces

• • Utilisez le forgeage libre pour les pièces de grandes dimensions ou longues, comme les poutres ou les arbres. Les outils ouverts permettent au métal de se répartir librement.
  • Forgeage en matrice fermée pour pièces petites ou moyennes nécessitant des formes exactes ou des détails précis.

Tolérances et finition de surface

• • Le forgeage à froid offre une précision et une finition optimales. Idéal pour les pièces nécessitant un ajustement parfait.
  • Le forgeage à chaud donne de bons résultats mais nécessite des outils et des machines plus robustes.
  • Le forgeage à chaud est préférable lorsque la forme est plus importante que la finition.
  • Le forgeage à la presse donne des formes lisses avec moins de fissures que les coups de marteau.

Volume de production

• • Le forgeage à froid et en matrice fermée est idéal pour la production de masse. Une fois les outils fabriqués, chaque pièce est rapide et reproductible.
  • Le forgeage à matrice ouverte est plus lent, mais meilleur pour les pièces personnalisées ou à faible volume.
  • L'emboutissage fonctionne aussi bien pour les petits que pour les grands lots, selon la configuration.

type de materiau

• • Les métaux durs nécessitent davantage de chaleur. Privilégiez le forgeage à chaud ou à chaud pour éviter les fissures.
  • Les métaux mous comme l’aluminium ou le cuivre peuvent être forgés à froid, ce qui permet d’économiser de l’énergie.
  • Utilisez le chauffage par induction lorsqu'un chauffage propre et rapide des billettes est nécessaire sans four.

Compromis de coûts

• • Le forgeage à froid et à matrice fermée nécessite des matrices personnalisées, qui coûtent plus cher au départ mais permettent de réaliser des économies en grandes séries.
  • Le forgeage à matrice ouverte utilise des matrices plates, qui sont moins chères mais plus lentes pour les pièces répétitives.
  • L'emboutissage et le sertissage utilisent des outils de base mais nécessitent des travailleurs qualifiés.
  • Le chauffage par induction coûte plus cher à installer, mais il permet d’économiser de l’énergie et fonctionne proprement.

Cas d'utilisation dans l'industrie

• Aérospatial: Forgeage par anneaux laminés et matrice fermée pour anneaux de moteurs à réaction, trains d'atterrissage et pièces critiques pour le vol.
• Automobile: Forgeage à froid et à chaud pour engrenages, essieux et pièces de transmission où la précision est essentielle.
• Énergie: Forgeage à matrice ouverte et à anneaux laminés pour moyeux d'éoliennes, brides à gaz et pièces résistantes à la chaleur.
• Équipement lourd et exploitation minière : Forgeage à la presse et denture pour pièces épaisses et résistantes comme les mâchoires de concasseur, les marteaux et les bras.
• Médical: Forgeage à froid pour pièces précises et petites comme des vis chirurgicales et des pointes d'outils.

Conclusion

Toutes les pièces forgées ne sont pas fabriquées de la même manière, et les méthodes ne le sont pas non plus. Un procédé adapté permet de réduire les déchets, d'améliorer l'ajustement et de prolonger la durée de vie. Le choix du procédé de forgeage optimal nécessite une prise en compte attentive des facteurs décrits ci-dessus.