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PREMIERE APPROCHE DE LA TECHNIQUE DE
MISE EN FORME DES MATERIAUX PAR FORGEAGE
CAS DE L’ESTAMPAGE
INITIATION A PARTIR D’UN EXEMPLE
BTS Mise en Forme des Matériaux par Forgeage
Lycée Marie Curie
Boulevard Pierre de Coubertin
60180 Nogent sur Oise
Tel et Fax 03 44 71 31 71
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PREAMBULE
La forge par estampage (Steel drop forging, or closed die forging)
Ce procédé de forgeage à chaud utilise des outillages spécifiques pour fabriquer des pièces, ce
qui sous entend que l’on y a recours dés qu’il y a une certaine quantité de pièces à faire : les
petites séries, à partir d’une vingtaine de pièces environ, les moyennes séries d’environ 500 à
1000 pièces et les grandes séries au-delà. La forge par estampage met en forme uniquement
des métaux ferreux, à hautes températures avec des pilons ou des presses.
Forme Masse Température Nuance Série
Forge par
Estampage
toutes de quelques
grammes à
plusieurs
centaines de
kilogrammes
élevée, mais
toujours
inférieure
au solidus
métaux
ferreux
à partir de
quelques
centaines de
pièces, selon
la forme
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I/ PLAN DE LA PIECE USINEE
Matiére : 30Mn5
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II/ ADAPTATION A L’ESTAMPAGE
Pour adapter une pièce à l’estampage il faut définir les paramètres suivants :
- Position du plan de joint
- Surépaisseurs d’usinage - Dépouilles - Arrondis d’arêtes - Congés de raccordement - Cordon et logement de bavure
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PLAN DE LA PIECE ESTAMPEE
Quantifiez les paramètres relatifs à l’adaptation à l’estampage
- Position du plan de joint
- Surépaisseur d’usinage
- Dépouilles
- Arrondis d’arêtes
- Congés de raccordement
- Cordon et logement de bavure
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III/ GAMME DE FABRICATION
III.1/ De l’utilité ou non d’une opération intermédiaire
Ce choix résulte de la prise en compte de plusieurs critères :
- un passage direct du lopin de départ à la gravure de finition engendre un défaut de forge
systématique : une opération intermédiaire est indispensable
- un passage direct du lopin de départ à la gravure de finition n’engendre pas de défaut de
forge : une opération intermédiaire n’est pas indispensable. La mise en place de cette
opération peut néanmoins se justifier par :
- une meilleure mise en position
- le souci de décalaminer correctement le lopin pour une plus grande qualité de surface
- l’augmentation de la durée de vie de la gravure de finition
- la répartition de l’énergie de forgeage sur deux opérations (capacité machine)
Dans le cas étudié, une opération intermédiaire n’est pas indispensable
III.2/ Positionnement du lopin sans opération intermédiaire
Le diamètre du lopin permet un centrage dans la gravure de finition, la longueur est calculée
en fonction du volume de la pièce. Cette longueur ne doit pas excéder 2,5 fois le diamètre de
la barre.
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III.3/ Tracé d’une opération intermédiaire
Le profil de cette opération doit respecter les consignes suivantes :
- le lopin est correctement centré dans l’opération d’écrasement
- l’opération d’écrasement sera elle-même correctement centrée dans l’opération de finition
- cette opération peut permettre aussi de répartir certains volumes de matière à l’intérieur de
la gravure
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IV/ POSTE DE TRAVAIL
1 : Cisaille à lopins
2 : Chauffeuse par induction
3 : Convoyeur
4 : (Robot)
5 : Presse d’estampage
6 : Convoyeur
7 : Presse d’ébavurage
8 : Refroidissement contrôlé
1
2
4
3
5 6
7 8
9
V/ DEBIT
V.1/ La machine
Lopins cisaillés
V.2/ Principe du cisaillage
1 :
2 :
3 :
4 :
5 :
6 :
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VI/ CHAUFFAGE PAR INDUCTION
VI.1/ La chauffeuse
VI.2/ Principe du chauffage par induction
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VI.3/ Montée en température
Situez la zone de température de chauffage sur le diagramme fer-carbone en fonction de la
composition chimique de l’acier
Commentez les courbes de montée en température enregistrées sur un lopin
Echauffement d'un lopin
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 10 20 30 40 50
Temps (s)
tem
péra
ture
(°C
)
coeur
peau
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VII/ PRESSE D’ESTAMPAGE
VII.1/ La machine
VII.2/ Principe de fonctionnement
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VII.3/ Schéma de la presse
Repérez les éléments suivants :
- 1 - bâti
- 2 - coulisseau
- 3 - excentrique
- 4 - bielle
- 5 - volant d’inertie
- 6 - embrayage
- 7 - frein
- 8 - éjecteurs
- 9 - réglage de la longueur bielle
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VIII/ OUTILLAGE D’ESTAMPAGE
VIII.1/ Vue d’ensemble de l’outillage
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VIII.2/ Vue de l’outillage de finition
Indiquez le nom des différentes pièces constitutives de l’outillage
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VIII.3/ Matériau d’outillage
L’insert de finition est fabriqué dans un acier de nuance X38CrMoV5-3
C Cr Mo V Analyse théorique
Trempe à Milieu de
trempe
Dureté
HRC
Résistance
(MPa)
Traitement
thermique
°C 400 450 500 550 600 650 700
HRC 52 53 55 55 52 45 36
Revenu
MPa 1850 1900 2000 2000 1850 1500 1200
Donnez la vitesse critique de trempe martensitique :
Quelle doit être la température de revenu pour une dureté en service de 50 à 52 HRC ?
Perlite
Bainite
Martensite
Austénite +
Carbures
Ac1
Ac3
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VIII.4/ Traitement superficiel de nitruration
Le traitement superficiel de nitruration consiste en une diffusion d’azote à l’état atomique (N)
en phase α, à une température de 550°C pendant environ 20h.
Il est pratiqué après le traitement de trempe et revenu.
Ce traitement conduit à la formation de nitrures qui s’insèrent dans le métal de base ce qui
engendre une forte augmentation de dureté, et permet ainsi d’augmenter la durée de vie des
outillages.
Courbe de dureté d'une couche nitrurée
0
200
400
600
800
1000
1200
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4
distance (mm)
Du
reté
(H
V0
.2)
Mesurez la profondeur conventionnelle de nitruration ( = distance pour laquelle la dureté reste
supérieure à la dureté à cœur + 100HV)
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IX/ MISE EN FORME PAR ESTAMPAGE
Les différentes étapes de déformation par estampage sont simulées numériquement à partir du
logiciel Forge2. Tous les éléments relatifs à cette opération sont modélisés :
- Matériau forgé
- Echanges thermiques
- Outils
- Lubrification
- Machine d’estampage
Le calcul se fait par la méthode des éléments finis.
IX.1/ Modélisation du comportement du matériau forgé
SIG = sigma = contrainte d’écoulement
EPS = epsilon = déformation
Vitesse constante = 1 mm/s/mm
SIG = sigma = contrainte d’écoulement
EPS = epsilon = déformation
Température constante = 1000°C
Acier 30Mn5
Quelle est l’influence de l’élévation de température sur la contrainte d’écoulement du
matériau ?
Quelle est l’influence de l’élévation de la vitesse de déformation sur la contrainte
d’écoulement du matériau ?
800°C
1000°C
1200°C
10mm/s/mm
1mm/s/mm
0,1mm/s/mm
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IX.2 : Résultats des calculs
IX.2.1/ Opération préliminaire
1 2
3 4
Courbe Effort (ecrasement)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
14,0 19,0 24,0 29,0 34,0 39,0 44,0
hauteur (mm)
forc
e (
T)
Quel est l’effort ultime de forgeage ?
1
2
3
4
20
IX.2.2/ Finition
1 2
3 4
Courbe d'effort (finition)
0
50
100
150
200
250
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0
hauteur (mm)
eff
ort
(T
)
Quel est l’effort ultime de forgeage ?
Que se passe t’il au stade n°3 ?
1
2
3
4
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X/ EBAVURAGE – DEBOUCHAGE
Cette opération consiste à séparer de la pièce estampée, la bavure et la débouchure par
cisaillement. Dans l’outillage qui est représenté ce cisaillement se fait en une seule opération
X.1/ Vue d’ensemble de l’outillage
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X.2/ Vue des outils spécifiques
Repérez les pièces suivantes :
- 1 - support de pièce
o il est fixé à la semelle et permet de poser et de centrer la pièce
- 2 - poinçon
o il est fixé au coulisseau et assure le débouchage
- 3 - découpe
o elle est fixée au coulisseau et assure l’ébavurage
- 4 - extracteur de pièce
o il permet d’extraire la pièce qui est emprisonnée par le poinçon et la découpe
- 5 - extracteur de bavure
o il assure le rôle de plaqueur pendant l’ébavurage
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X.3/ Principe d’un système d’ébavurage débouchage combiné
1 2
3 4
5 6
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XI/ ASPECTS METALLURGIQUES DU FORGEAGE
XI.1/ Evolution historique
Pratique classique :
dissociation dans l’espace
et dans le temps des deux
fonctions
Forgeage
Traitements
classiques dans la
masse
Tendance actuelle :
association forgeage -
traitements thermiques
Forgeage
Traitements
thermiques directs
sur chaleur résiduelle
d’estampage
Evolution à moyen terme :
fusion forgeage -
traitements
thermomécaniques
Forgeage
Traitements thermomécaniques
XI.2/ Evolution de la taille de grain au cours du forgeage
1 2
Lopin 27MnCr5
Chauffage induction
1 Structure après chauffage seul
2 Structure après estampage (Refroidissement
air) : zone faiblement déformée
3 Structure après estampage (Refroidissement
air) : zone fortement déformée
Grossissement : x70 0,2 mm
3
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IX.3/ Refroidissement contrôlé après forgeage
Le traitement thermique s’effectue directement après forgeage à partir de l’état
microstructural (température et taille de grain) tel qu’il est après l’opération d’ébavurage.
Par exemple sur un acier de nuance 35MnV7, on cherche à obtenir une microstructure
bainitique. L’obtention de cette microstructure impose la gestion d’une vitesse de
refroidissement contrôlée.
Tracez la courbe de refroidissement visée
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XI.4/ Différents aciers et traitements possibles
- Aciers classiques à structure contrôlée ferrite + perlite
o Aciers non alliés
o Aciers alliés au manganèse
- Aciers micro alliés à structure ferrite + perlite
o Famille MnV
o Famille MnSiV
o Famille MnVNb
- Aciers pour bielle sécable
- Aciers à microstructure bainitique
o Acier 35MnV7
o Bainite à moyen carbone
o Bainite à bas carbone
- Aciers alliés pour trempe et revenu
o Acier de type 35 à 42CrMo4
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XII/ CONCLUSION
D’après le descriptif qui vient d’être fait sur le procédé de mise en forme par estampage, quels
sont d’après vous les avantages et les inconvénients de ce procédé ?
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