Procédé de forgeage sans matrice typique pour les pièces forgées typiques

Dans un contexte de concurrence féroce sur le marché et d'amélioration continue des technologies de forgeage, les entreprises visent des taux d'utilisation des matériaux plus élevés, ce qui conduit à l'émergence de nouvelles technologies pratiques. Dans le processus de forgeage des grandes presses hydrauliques, la conception et l'utilisation judicieuses de matrices et de plaques de fuite permettent de réduire les surépaisseurs d'usinage, d'économiser des matériaux et de diminuer les coûts de production. Cependant, cela augmente les coûts de moulage et allonge le cycle de production. Parfois, si l'on considère uniquement la conception du procédé, des résultats inattendus peuvent être obtenus grâce à une conception intelligente et à l'exploitation optimale des schémas d'écoulement du métal. De nombreux exemples de ce type sont disponibles en production réelle. Cet article présente les procédés de formage sans matrice pour trois types de pièces forgées : les grandes sphères, les crochets de levage et les sièges de tubes à ouverture réduite de forme relativement complexe.

1. Procédé de formage sans matrice pour grandes pièces forgées sphériques

Une entreprise de machines aérospatiales possédait deux grandes pièces forgées sphériques en acier 45#, d'un poids de 5 908 kg, forgées à partir d'un lingot d'acier de 8 tonnes et d'un diamètre de Φ1 100 mm. Auparavant, de nombreux fabricants de presses hydrauliques n'avaient aucune expérience dans la production de telles pièces forgées et envisageaient généralement d'abord de fabriquer des matrices hémisphériques. Cependant, la fabrication et le traitement de ces matrices sont non seulement longs, mais aussi coûteux et posent des difficultés importantes. En nous basant sur les principes de formage des métaux et les schémas d'écoulement, nous avons développé un nouveau procédé, présenté dans le tableau 1, qui a été mis en œuvre avec succès en production. La forme finale de la pièce forgée était une sphère polyédrique composée d'innombrables petites surfaces planes. Après le traitement thermique post-forgeage, les contrôles par ultrasons n'ont détecté aucun défaut supérieur à Φ1 mm.

Ce processus peut être divisé en deux étapes. La première privilégie le compactage et le forgeage complet selon les principes de la méthode de forgeage par compactage efficace, tandis que la seconde se concentre sur le façonnage. Lors de la dernière étape de la formation de la sphère, en suivant simplement la hauteur marquée sur l'échelle de la presse hydraulique et en pressant plusieurs fois les bords tout en tournant la pièce avec des pinces, une sphère composée d'innombrables petites facettes se forme naturellement. Pendant le façonnage, certains bords et angles peuvent progressivement refroidir, devenant rouge foncé, voire noirs. Cependant, à mesure que la forme se rapproche progressivement de celle d'une sphère, la température de surface s'uniformise et la température des bords et des angles remonte. Une fois terminée, la sphère, composée de nombreuses petites facettes, apparaît scintillante et spectaculaire, surtout dans l'obscurité.

2. Processus optimisé pour le forgeage des crochets

Les procédés traditionnels de forgeage de crochets comprennent généralement l'emboutissage de la soie, le refoulage, l'étirage d'un carré plat, l'encochage, le laminage de la tige, puis la découpe à chaud. Cette méthode est relativement peu gourmande en matière et entraîne d'importantes surépaisseurs d'usinage. En effet, lors de l'encochage du pas de la tige, la différence importante de pas se traduit souvent par le forgeage d'une surface conique. Basée sur les principes de l'écoulement du métal, la nouvelle méthode utilise d'abord environ 85 % de la matière de la tige du crochet pour presser le lingot. Ensuite, lors du refoulage et de l'étirage pour former le carré plat, une partie de la matière est comprimée dans le pas de la pince à chaque opération de refoulage. Enfin, le laminage de la tige lui donne sa forme exacte. Ainsi, pour un crochet forgé d'environ 5 tonnes, le nouveau procédé réduit souvent le poids de plus d'une tonne par rapport à l'ancienne méthode. Pour un crochet forgé en matériau 20Mn, pesant 10 330 kg et utilisant un lingot de 16 tonnes, son nouveau procédé de forgeage est présenté dans le tableau 

3. Procédé de forgeage sans matrice pour le siège de boîte à tube à ouverture réduite

Le siège de boîte à tubes à ouverture réduite présente une forme complexe, avec une extrémité présentant une ouverture plus grande et l'autre plus petite, ainsi que des parois intérieures et extérieures coniques (plus étroites en haut et plus larges en bas). Traditionnellement, la production d'un tel composant nécessite la fabrication d'un moule intérieur de taille correspondante. Après forgeage et préformage, la billette est placée sur ce moule pour sa mise en forme finale. En 2003, une entreprise a reçu une commande urgente pour trois pièces forgées de sièges de boîtes à tubes de spécifications différentes. Le matériau était du 20MnMo, pour un poids de produit de 12 567 kg et un poids de lingot de 18 tonnes. En raison du court délai de livraison, il était impossible de fabriquer trois jeux de moules différents. Grâce à des analyses et des calculs détaillés, un procédé de forgeage innovant a été ingénieusement conçu, comme indiqué dans le tableau 3. Grâce à un contrôle précis des opérations de formage sans utiliser de moule, la commande a été exécutée avec succès et livrée dans les délais. Le façonnage final du siège de la boîte à tubes montre que l'utilisation d'une enclume supérieure plate et d'une table rotative inférieure, ainsi que la rotation de l'extrémité supérieure du cylindre avec une enclume étroite, entraînent l'écoulement du matériau vers l'alésage intérieur et le diamètre extérieur. Ensuite, lors du laminage circulaire extérieur, le métal est davantage entraîné vers l'alésage intérieur, tandis que la face inférieure du cylindre reste pratiquement inchangée (un refroidissement par eau peut être appliqué si nécessaire). Répéter ce processus environ trois fois permet d'obtenir la forme souhaitée de la pièce forgée.

Lors du façonnage final du siège de la boîte à tubes, on observe que l'utilisation d'une enclume supérieure plate et d'une table rotative inférieure à enclume étroite pour presser l'extrémité supérieure du cylindre provoque un écoulement de la matière vers l'alésage intérieur et le diamètre extérieur. Ensuite, lors du laminage circulaire extérieur, le métal est davantage entraîné vers l'alésage intérieur, tandis que la face inférieure du cylindre reste pratiquement inchangée (un refroidissement par eau peut être appliqué si nécessaire). Répéter ce processus environ trois fois permet d'obtenir la forme souhaitée de la pièce forgée.

4. Conclusion

(1) En utilisant habilement les principes du flux de métal, des pièces forgées complexes peuvent souvent être produites en utilisant uniquement des méthodes de forgeage libre.

(2) L'optimisation des procédés de forgeage peut réduire considérablement les coûts de production et raccourcir le cycle de production. (Cet article est extrait du compte rendu public du Forging Technology Circle. Une mention spéciale est donnée ici.)