FORGEAGE

FORGEAGE

Terme générique utilisé pour définir un ensemble d’opérations de mise en forme des matériaux, le forgeage permet la production de pièces mécaniques ébauchées ou finies dont les hautes caractéristiques sont très recherchées. Cette mise en forme s’effectue à chaud ou à froid, mais toujours dans le domaine de déformation plastique, c’est-à-dire en exerçant un effort supérieur à la limite élastique du matériau ^{[cf. ÉNERGIE]}. Les phénomènes physiques mis en jeu se retrouvent tous plus ou moins intimement associés. Les deux grandeurs caractéristiques – le champ de vitesse ゙ et le champ de contrainte – résultent, du fait des équations de la plasticité, de quatre paramètres: la géométrie et la cinématique de l’outillage; la rhéologie du corps en déformation; les interactions superficielles entre le corps en cours de façonnement et les outils (frottements); la ductilité du corps déformé.

Les techniques de forgeage

Du point de vue industriel, le forgeage comporte cinq techniques dérivées (cf. tableau).

La forge par estampage consiste à former, après chauffage, des pièces brutes par pression entre deux blocs – les matrices – portant en creux la forme exacte du produit à réaliser. Cette technique de fabrication suppose l’exécution préalable d’outillages spécifiques aux produits à confectionner. Elle n’est donc utilisée que lorsque le nombre de pièces à produire est assez élevé. Elle permet d’obtenir une précision dimensionnelle plus grande qu’avec les autres procédés de forgeage et le formage du produit à grande vitesse a pour effet d’ennoblir au maximum le métal par l’affinage de son grain. La masse des pièces ainsi produites ne dépasse pas, en général, 250 kilogrammes pour l’acier, mais, dans certains cas exceptionnels et avec des outillages appropriés, on atteint des masses de l’ordre d’une tonne.

La forge par matriçage consiste, comme l’estampage, à former après chauffage des pièces brutes réalisées en alliages non ferreux tels que les alliages d’aluminium, de cuivre, de titane, de nickel, etc.

La forge par extrusion , procédé plus récent, repose sur le même principe que l’estampage, mais elle est conduite à froid. À la température ambiante, on contraint le matériau à remplir complètement la forme en creux d’une matrice grâce à une très forte pression exercée sur un poinçon. Ce procédé donne des pièces aux formes encore plus précises que celles qui sont réalisées avec les deux premiers procédés et présentant des états de surface excellents, ce qui permet souvent de les utiliser sans usinage complémentaire. La masse moyenne des pièces extrudées est de l’ordre d’un kilogramme.

La forge libre est la plus ancienne des techniques de forgeage. Elle permet d’obtenir à chaud des ébauches ou des pièces mécaniques brutes dont la forme est atteinte au terme d’un nombre plus ou moins grand de transformations successives. Ne nécessitant pas d’outillages spécifiques, cette technique est appliquée lorsqu’il s’agit de produire, dans des délais parfois courts, des pièces à l’unité ou en très petites séries. Ces ébauches peuvent avoir des dimensions importantes et atteindre une masse de plusieurs tonnes.

La forge par laminage et par bigornage permet d’obtenir des couronnes en tous matériaux. En laminage, ces couronnes peuvent avoir un profil rectiligne ou un profil d’une forme quelconque, soit intérieur, soit extérieur, soit les deux à la fois. Le diamètre des couronnes varie de quelques centimètres à une dizaine de mètres au maximum. Des couronnes peuvent aussi être obtenues par bigornage dans certains cas de profil droit et pour de faibles séries.

Ces différents procédés de fabrication relèvent d’une industrie de première transformation qui est située entre, d’une part, le secteur de la sidérurgie ou des producteurs de métaux et d’alliages non ferreux, qui élaborent les produits métallurgiques de départ sous forme de barres de différentes sections, et, d’autre part, le secteur de la construction mécanique, qui assemble, généralement après usinage, les pièces estampées, matricées, extrudées, forgées, laminées ou bigornées.

En France, l’ensemble du métal mis en œuvre, toutes techniques confondues, varie entre 250 000 et 300 000 tonnes par an.

Les machines

Les engins de fabrication agissent selon deux principes distincts: le choc ou la pression.

Les engins de choc sont classés en trois familles selon l’énergie totale dont ils disposent.

Dans les moutons (fig. 1), la masse tombante est relevée par un système mécanique (chaîne, courroie, planche, etc.); cette masse tombe ensuite sous le simple effet de la gravité. Les énergies disponibles varient de 5 000 à 50 000 joules.

Dans les marteaux-pilons (fig. 2), la masse tombante est relevée comme celle des moutons, mais elle s’en différencie par le fait qu’elle est projetée ensuite vers le bas par l’action mécanique due à la détente d’un gaz. Il y a donc un double effet: gravité plus poussée. Les énergies disponibles varient de 30 000 à 35 000 joules.

Dans les marteaux à contre-frappe , une liaison mécanique ou hydraulique est établie entre la masse supérieur m et la masse inférieure mH , qui est mobile. La détente d’un gaz dans une chambre projette les deux masses l’une vers l’autre selon l’équation d’équilibre m ^v = mH ^vH , où v et vH sont les vitesses respectives des masses m et mH . Ces engins, qui sont ainsi équilibrés mécaniquement, nécessitent des fondations de génie civil moins importantes que les engins à double effet similaires. Les énergies disponibles varient de 150 000 à 800 000 joules.

On trouve des engins de choc surtout en forge libre et en forge par estampage.

Les engins de pression mettent à profit trois principes.

Les presses mécaniques (fig. 3), dont l’axe est vertical ou horizontal selon les constructeurs, comportent un coulisseau mû par un système bielle-manivelle. Le villebrequin est entraîné par embrayage sur un volant d’inertie qui est mis en rotation par le moteur. À chaque «coup», l’énergie nécessaire à la déformation est donc empruntée au volant d’inertie. Malgré cet aspect, les constructeurs continuent à classer leurs engins d’après leur force, exprimée en tonnes-force. Les valeurs correspondantes représentent en fait la limite de l’effort au-delà de laquelle le bâti de la presse risque de subir une déformation élastique. Les forces des machines varient de 5 000 à 120 000 kilonewtons (de 500 à 12 000 tonnes-force).

Les presses hydrauliques (fig. 4) opèrent par la descente d’un piston mû hydrauliquement dans une chambre. Pour les petites machines, l’ensemble actionneur est situé au-dessus des enclumes; pour les engins plus importants, l’action est inversée, c’est-à-dire que les organes de commande sont situés au-dessous du sol. Cette conception se traduit par un faible encombrement au-dessus du sol. Le centre de gravité de la machine étant bas, les efforts latéraux sont faibles, ce qui assure une meilleure rigidité de l’ensemble. Quelle que soit la taille de la presse, le mouvement de rapprochement des enclumes s’accomplit très lentement. De ce fait, l’usage des presses hydrauliques est réservé, en forge libre, pour la production de grosses pièces ou, en sidérurgie, pour la transformation de lingots en barres, et, en forge par matriçage, pour la déformation de matériaux tels que des alliages légers, en particulier ceux qui exigent une déformation lente. Ces conditions interdisent son usage en forge par estampage d’acier. Les forces nominales disponibles varient de 5 000 à 25 000 kilonewtons (de 500 à 2 500 tonnes-force) pour les presses à deux colonnes et de 25 000 à 160 000 kilonewtons (de 2 500 à 16 000 tonnes-force) pour les presses à quatre colonnes. Au-delà, il faut noter la présence en France, à Issoire, de la plus grosse presse hydraulique du monde occidental: 650 000 kilonewtons (65 000 tonnes-force).

Les presses à vis (fig. 5) sont des machines constituées d’un bâti monobloc ayant à sa partie supérieure un écrou fixe. Une vis entraînée en rotation par l’intermédiaire d’un vérin à double effet transforme son mouvement circulaire en un mouvement rectiligne, déplaçant ainsi le coulisseau. Ces machines cumulent les avantages des engins de choc et des engins de pression. Elles sont utilisées en forge par estampage et en forge par extrusion. Les forces nominales varient de 500 à 63 000 kilonewtons (de 50 à 6 300 tonnes-force).

Les laminoirs à couronne (fig. 6) comportent un socle dans lequel se trouve le rouleau principal, qui est entraîné par un moteur à courant continu. Un bras escamotable assure le guidage du mandrin pendant le travail. L’opération de forge par laminage consiste à transformer le lopin cylindrique percé, qui est l’ébauche de départ, en une bague ou couronne de plus grand diamètre mais de même volume. Les caractéristiques des machines utilisées s’expriment plutôt en capacité de diamètre maximal qu’en force de forgeage. Avec des laminoirs automatiques, on peut produire en grandes séries des couronnes de roulements, à billes ou à aiguilles, dont le diamètre varie de 50 à 250 millimètres. Avec des laminoirs semi-automatiques, on peut produire des couronnes d’orientation dont le diamètre atteint 7 mètres. En forge par estampage, le choix de l’engin optimal entre les engins de pression et les engins de choc s’effectue en fonction de considérations économiques, souvent liées à la quantité de pièces à produire. En pratique, toutes les pièces mécaniques en acier d’une masse inférieure à 100 kilogrammes peuvent être fabriquées indifféremment sur l’un ou l’autre de ces engins.

Aspects métallurgiques

Le métal utilisé par le forgeron possède avant déformation des caractéristiques mécaniques conformes à celles que stipulent les normes de produit. Quelle que soit l’opération de forgeage qu’il subit, ce métal, après déformation, se trouve corroyé. Pendant la déformation, si une dimension géométrique diminue, les deux autres augmentent, à cause de l’invariabilité du volume. Par définition, on appelle taux de corroyage (T ) le rapport section initiale (S ) sur section finale (S ) du produit obtenu: T = S /S . L’accroissement du taux de corroyage améliore certaines propriétés mécaniques des matériaux, mais en amoindrit d’autres (fig. 7). Ces évolutions varient aussi avec la direction du corroyage: l’orientation de ce dernier permet de distinguer une direction longitudinale et deux directions transversales selon la forme du demi-produit (fig. 8).

Quel que soit le procédé qui est utilisé pour la mise en forme du matériel, le forgeron doit orienter les fibres préexistantes dans le sens qui est le plus adapté aux besoins fonctionnels de la pièce. Ce «fibrage» rationnel constitue un des avantages principaux du forgeage.

La C.A.O. en forge

Lorsqu’on évoque le sigle C.A.O. en forge, on traduit immédiatement par conception assistée par ordinateur en forge. Or le forgeron n’est, jusqu’à présent, qu’un exécutant, c’est-à-dire un fabricant de pièces mécaniques.

S’il se contente de fabriquer des pièces et qu’il s’efforce de les optimiser au point de vue de leur réalisation, il ne prend en considération qu’une partie du problème. Désormais, il faut arriver à optimiser les produits dès le stade de la conception, ce qui signifie que, dès la naissance d’un produit, il est indispensable que le concepteur prenne en compte les impératifs de la fabrication. Cette équation est d’autant plus difficile à résoudre que les problèmes techniques de la forge ne sont pas, ou peu, ou mal formalisés. En effet, cette profession, essentiellement expérimentale, a accompli beaucoup plus de progrès grâce à sa pugnacité devant l’adversité que grâce à ses réflexions logiques. En conséquence, c’est beaucoup plus en se fondant sur différentes règles expérimentales que des progrès significatifs peuvent être réalisés. C’est ainsi que Copest (système de conception et d’optimisation de pièces estampées) est né. Les règles de transformation de la pièce finale souhaitée par le client en une pièce estampable sont inclues dans ce logiciel. Copest est un programme d’habillage de pièces estampées, l’habillage consistant à transformer géométriquement la morphologie d’une pièce strictement déterminée en fonction de critères mécaniques tels que la résistance des matériaux, par exemple, en une pièce dont la forme permette une fabrication au moindre coût.

À ce titre, Copest réalise des opérations géométriques de base telles que le positionnement du plan de joint, la mise en place de surépaisseurs d’usinage, le positionnement et le dimensionnement des toiles, la mise en place des dépouilles, le calcul et le positionnement des arrondis.

Les différentes règles d’habillage contenues dans Copest sont fortement inspirées des travaux de A. Chamouard; aussi le programme travaille-t-il sur des sections planes extraites de volumes. Les principales manipulations à réaliser pour utiliser Copest sont :

– définir une pièce tridimensionnelle dans un modeleur volumique;

– choisir un plan de coupe;

– choisir un plan de joint;

– extraire une coupe;

– traiter cette coupe à l’aide de Copest;

– exploiter le résultat.

Ce résultat consiste en l’habillage d’une pièce. Il se matérialise à l’écran (fig. 9) par la superposition du volume final de la pièce au volume de la pièce estampable optimale aux points de vue technique et économique. Copest est intégré au logiciel de conception et de fabrication assistées par ordinateur (C.F.A.O.) Euclid version 2.3 de Matra Datavision. Il est donc «vu» comme une application utilisateur de ce dernier.

Dans la majorité des cas de conception de pièces mécaniques, l’optimisation des formes et des coûts est donc désormais possible. En configuration à deux dimensions, la confrontation des solutions proposées et des résultats obtenus est là pour en attester. Les logiciels de simulation ont donc un bel avenir, d’autant que des efforts très importants sont consentis pour que leur développement continue.

Pour parfaire le système, les concepteurs de logiciels se penchent sur la mise au point de standards permettant à plusieurs codes de converser entre eux et de simuler le processus d’estampage dans sa totalité. Le dessin de la pièce livrée devrait permettre, dans une étape ultérieure, d’aboutir à la genèse d’une base de données matériaux, profils, etc., dont l’enchaînement direct pourra, par exemple, servir au pilotage de machines d’usinage à commande numérique.

forgeage [ fɔrʒaʒ ] n. m.

• 1755; de forger

♦ Techn. Mise en forme (d'un métal, d'un alliage) par déformation plastique. Forgeage à froid par étirage, laminage, tréfilage. Forgeage à chaud par pressage, pilonnage. Forgeage au marteau.

● forgeage nom masculin (de forger) Mise en forme par déformation plastique d'un métal ou d'un alliage par rapprochement des deux outillages (matrices, poinçons ou tas). Procédé de transformation des matières plastiques par modification de préformes massives.

forgeage

n. m. Action de forger.

⇒FORGEAGE, subst. masc.

TECHNOL. (en partic. ds le domaine industr.). Action de forger (un métal). Des vides très faibles et nombreux qui rendent le métal spongieux, que le forgeage n'améliore pas (BARNERIAS, Aciéries, 1934, p. 241). Le forgeage donne aux fibres du métal le sens correct, lui conférant une résistance aux chocs sans égale (CHAPELAIN, Techn. automob., 1956, p. 57). Le forgeage s'était longtemps accompli à l'aide de marteaux à main puis, dès le moyen âge, de masses actionnées par l'énergie des chutes d'eau (P. ROUSSEAU, Hist. techn. et invent., 1967, p. 301).

Prononc. :[]. Étymol. et Hist. 1755 (GRIGNON, Mém. sur l'art de fabriq. le fer, p. 431 ds DG). Dér. de forger; suff. -age.

forgeage [fɔʀʒaʒ] n. m.

ÉTYM. 1775; de forger.

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♦ Techn. Action, manière de forger. || Forgeage au marteau, à la presse. || Forgeage à chaud, à froid. || Le forgeage comprend des opérations de façonnage (bigornage, étirage, mandrinage; estampage, matriçage…) et d'amélioration (cinglage, corroyage, recuit, revenu, trempe…).

0 (…) d'autres problèmes encore sont apparus avec la métallurgie du fer qui impliquait non plus la fonte mais le forgeage de la lame (…)

A. Leroi-Gourhan, le Geste et la Parole, t. II, p. 132-133.

REM. On a dit aussi forgement.

Encyclopédie Universelle. 2012.