Pièces forgées à chaud pour composants industriels

Description du produit et processus

Pièces forgées à chaud pour composants industriels

Processus de production: processus de forgeage à chaud du métal (processus de forgeage par goutte)

Processus d’usinage: machine CNC, centre d’usinage, tour, fraiseuse, perceuse, etc.

Procédé de traitement de surface: revêtement de peinture, revêtement électrophorétique, revêtement électro-galvanisant, phosphatation, revêtement d’oxyde noir, revêtement en poudre, etc.

Matériau du produit et utilisations

Normalement produire avec de l’acier à faible teneur en carbone, de l’acier à carbone moyen, de l’acier faiblement allié, tel que l’acier 1018, l’acier 1020, l’acier 1035, l’acier 1045, l’acier 16Mn, 35Mn, 40Mn2, Q235, Q345, A105, 20MnMo, 35Crmo, 42CrMo, l’acier 4140, l’acier 4340, l’acier 8620, etc.

Les produits de forgeage en acier sont largement utilisés pour les pièces automobiles, les pièces de camion, les pièces de train, les composants de véhicules, les composants de machines de construction, d’autres composants de machines, etc.

Types de procédés de forgeage

Il existe essentiellement quatre méthodes (ou processus) pour fabriquer une pièce forgée.

1. Impression Die Forgeging

2. Forgeage à froid

3. Forgeage de matrice ouverte

4. Forgeage d’anneau roulé sans soudure

Forgeage d’empreintes

La matrice d’impression forge ou presse le métal entre deux matrices (appelées outillage) qui contiennent un profil prédécoupé de la pièce souhaitée. Des pièces de quelques onces à 60 000 lb peuvent être fabriquées à l’aide de ce processus. Certaines des plus petites pièces sont en fait forgées à froid.

Capacités du processus de forgeage de la matrice d’impression

Communément appelé forgeage à matrice fermée, le forgeage par empreinte d’acier, d’aluminium, de titane et d’autres alliages peut produire une variété presque illimitée de formes 3D dont le poids varie de quelques onces à plus de 25 tonnes. Les pièces forgées à empreinte sont régulièrement produites sur des presses hydrauliques, des presses mécaniques et des marteaux, avec des capacités allant jusqu’à 50 000 tonnes, 20 000 tonnes et 50 000 lb respectivement.

Comme son nom l’indique, deux ou plusieurs matrices contenant des empreintes de la forme de la pièce sont réunies au fur et à mesure que le matériel de forgeage subit une déformation plastique. Étant donné que l’écoulement du métal est limité par les contours de la matrice, ce processus peut produire des formes plus complexes et des tolérances plus proches que les processus de forgeage à matrice ouverte. Une flexibilité supplémentaire dans la formation de formes symétriques et non symétriques provient de diverses opérations effectuées (parfois en pliant) avant le forgeage dans les matrices de finition.

La géométrie des pièces va de certaines des formes sphériques simples les plus faciles à forger, des solides rectangulaires en forme de bloc et des configurations en forme de disque aux composants les plus complexes avec des sections minces et longues qui incorporent des toiles minces et des projections verticales relativement élevées comme des nervures et des bossages. Bien que de nombreuses pièces soient généralement symétriques, d’autres intègrent toutes sortes d’éléments de conception (brides, protubérances, trous, cavités, poches, etc.) qui se combinent pour rendre le forgeage très non symétrique.

De plus, les pièces peuvent être pliées ou incurvées dans un ou plusieurs plans, qu’elles soient essentiellement longitudinales, équidimensionnelles ou plates.

La plupart des métaux et alliages d’ingénierie peuvent être forgés via des procédés conventionnels de matrice d’impression, parmi lesquels: les aciers au carbone et alliés, les aciers à outils et les alliages inoxydables, d’aluminium et de cuivre, et certains alliages de titane. Les matériaux sensibles à la déformation et à la température (magnésium, superalliages à base de nickel fortement allié, alliages réfractaires et certains alliages de titane) peuvent nécessiter des procédés de forgeage plus sophistiqués et/ou un équipement spécial pour le forgeage dans les matrices d’empreinte.

Forgeage à froid

La plupart du forgeage est effectué à chaud, à des températures allant jusqu’à 2300 degrés F, cependant, une variation du forgeage de la matrice d’impression est le forgeage à froid. Le forgeage à froid englobe de nombreux processus - pliage, étirage à froid, traçage à froid, frappe de pièces, extrusions et plus encore, pour obtenir une gamme variée de formes de pièces. La température des métaux forgés à froid peut varier de la température ambiante à plusieurs centaines de degrés.

Capacités du processus de forgeage à froid

Le forgeage à froid englobe de nombreux processus de pliage, d’étirage à froid, de traçage à froid, d’assemblage, d’extrusion, de poinçonnage, de laminage de filetage et plus encore pour obtenir une gamme variée de formes de pièces. Ceux-ci comprennent divers composants en forme d’arbre, des géométries en forme de coupe, des pièces creuses avec des tiges et des arbres, toutes sortes de configurations renversées (tête) et pliées, ainsi que des combinaisons.

Plus récemment, des pièces avec un écoulement radial comme des configurations rondes avec des brides centrales, des pièces rectangulaires et des pièces non axisymétriques avec une symétrie de 3 et 6 fois ont été produites par extrusion à chaud. Avec le forgeage à froid d’une tige d’acier, d’un fil ou d’une barre, les pièces en forme d’arbre avec des courbures à 3 plans et des caractéristiques de conception de tête ne sont pas rares.

Les pièces typiques sont les plus rentables dans la gamme de 10 lb ou moins; les pièces symétriques jusqu’à 7 lb se prêtent facilement au traitement automatisé. Les options de matériaux vont des aciers à faible alliage et au carbone aux séries 300 et 400 inoxydables, en passant par les alliages d’aluminium sélectionnés, le laiton et le bronze.

Il y a des moments où les pratiques de forgeage à chaud sont choisies plutôt que le forgeage à froid, en particulier pour les qualités d’acier à haute teneur en carbone ou où les recuits en cours de fabrication peuvent être éliminés.

Souvent choisies pour des caractéristiques de conception intégrales telles que les brides et les bossages intégrés, les pièces forgées à froid sont fréquemment utilisées dans les pièces de direction et de suspension automobiles, les systèmes de freinage antiblocage, le matériel, les composants de défense et d’autres applications où une résistance élevée, des tolérances étroites et une production en série en font un choix économique.

Dans le processus, une limace à barre lubrifiée chimiquement est forcée dans une matrice fermée sous une pression extrême. Le métal non chauffé s’écoule ainsi dans la forme souhaitée. Comme indiqué, l’extrusion vers l’avant implique un écoulement d’acier dans le sens de la force du bélier. Il est utilisé lorsque le diamètre de la barre doit être diminué et la longueur augmentée. L’extrusion à l’envers, où le métal s’écoule à l’opposé de la force du bélier, génère des pièces creuses. En bouleversant, le métal s’écoule perpendiculairement à la force du bélier, augmentant le diamètre et réduisant la longueur.

Forgeage de matrices ouvertes

Le forgeage de matrices ouvertes est effectué entre des matrices plates sans profils prédécoupés dans les matrices. Le mouvement de la pièce est la clé de cette méthode. Les pièces plus grandes de plus de 200 000 lb et 80 pieds de longueur peuvent être martelées ou pressées de cette façon.

Capacités du processus de forgeage à matrice ouverte

La forge à matrice ouverte peut produire des pièces forgées de quelques livres à plus de 150 tonnes. Appelé matrice ouverte parce que le métal n’est pas confiné latéralement par des matrices d’empreinte pendant le forgeage, ce processus travaille progressivement le stock de départ dans la forme souhaitée, le plus souvent entre les matrices à face plate. Dans la pratique, le forgeage à matrice ouverte comprend de nombreuses variations de processus, ce qui permet de produire une gamme extrêmement large de formes et de tailles. En fait, lorsque les critères de conception dictent l’intégrité structurelle optimale d’un énorme composant métallique, la capacité de taille même du forgeage à matrice ouverte en fait le choix clair du processus par rapport aux alternatives non forgées. À l’extrémité haute de la gamme de tailles, les pièces forgées à matrice ouverte ne sont limitées que par la taille du stock de départ, à savoir le plus gros lingot pouvant être coulé.

Pratiquement tous les alliages ferreux et non ferreux forgeables peuvent être forgés à l’air libre, y compris certains matériaux exotiques comme les superalliages durcissants à l’âge et les alliages réfractaires résistants à la corrosion.

La capacité de forme de matrice ouverte est en effet large en latitude. En plus des barres rondes, carrées, rectangulaires, hexagonales et d’autres formes de base, les procédés à matrice ouverte peuvent produire:

1. Arbres de marche arbres solides (broches ou rotors) dont le diamètre augmente ou diminue (marches vers le bas) à plusieurs endroits le long de l’axe longitudinal.

2. Creux de forme cylindrique, généralement d’une longueur bien supérieure au diamètre de la pièce. La longueur, l’épaisseur de la paroi, l’ID et le OD peuvent être modifiés selon les besoins.

3. Les pièces en forme d’anneau peuvent ressembler à des rondelles ou approcher des cylindres creux en forme, en fonction du rapport hauteur/épaisseur de paroi.

4. Coques métalliques formées de contour comme des récipients sous pression, qui peuvent incorporer des buses extrudées et d’autres caractéristiques de conception.

Tout comme les opérations de forgeage successives dans une séquence de matrices, plusieurs opérations de forgeage à matrice ouverte peuvent être combinées pour produire la forme requise. Dans le même temps, ces méthodes de forgeage peuvent être adaptées pour atteindre la quantité appropriée de déformation totale et une structure d’écoulement de grain optimale, maximisant ainsi l’amélioration des propriétés et les performances ultimes pour une application particulière. Le forgeage d’une ébauche d’engrenage et d’un moyeu intégrés, par exemple, peut impliquer plusieurs opérations d’étirage ou de forgeage solide, puis de bouleversement. De même, les ébauches pour les anneaux peuvent être préparées en bouleversant un lingot, puis en perçant le centre, avant de forger l’anneau.

Forgeage d’anneau roulé sans soudure

Le forgeage d’anneaux laminés sans soudure est généralement effectué en perforant un trou dans un morceau de métal épais et rond (créant une forme de beignet), puis en roulant et en pressant (ou dans certains cas, en pilonnant) le beignet dans un anneau mince. Les diamètres d’anneau peuvent aller de quelques pouces à 30 pieds.

Capacités du processus de forgeage à anneau laminé sans soudure

Les anneaux forgés par le processus de laminage des anneaux sans soudure peuvent peser

Les configurations d’anneaux sans soudure peuvent être plates (comme une rondelle) ou comporter des parois verticales plus élevées (approximant une section cylindrique creuse). Les hauteurs des anneaux roulés vont de moins d’un pouce à plus de 9 pieds. Selon l’équipement utilisé, les rapports épaisseur/hauteur de paroi des anneaux vont généralement de 1:16 à 16:1, bien que des proportions plus élevées aient été obtenues avec un traitement spécial. En fait, des tubes sans soudure jusqu’à 48 po de diamètre et plus de 20 pieds de long sont extrudés sur des presses à forger de 20 à 30 000 tonnes.

Même si les formes de base avec des sections rectangulaires sont la norme, les anneaux avec des sections transversales complexes et fonctionnelles peuvent être forgés pour répondre à pratiquement toutes les exigences de conception. Bien nommées, ces bagues laminées profilées peuvent être produites dans des milliers de formes différentes avec des contours à l’intérieur et / ou à l’extérieur des diamètres. L’un des principaux avantages des bagues profilées est une réduction significative des opérations d’usinage. Sans surprise, les bagues aux contours personnalisés peuvent entraîner des consolidations de pièces économiques.

Par rapport aux bagues laminées sans soudure à face plate, les dimensions maximales (hauteurs de face et O.D.) des bagues laminées profilées sont un peu plus basses mais restent très impressionnantes en taille.

Une résistance tangentielle et une ductilité élevées rendent les bagues forgées bien adaptées aux composants résistant au couple et à la pression, tels que les engrenages, les roulements de moteur pour avions, les roulements de roue, les accouplements, les entretoises de rotor, les disques et boîtiers scellés, les brides, les récipients sous pression et les corps de soupape. Les matériaux comprennent non seulement les aciers au carbone et les aciers alliés, mais aussi les alliages non ferreux d’aluminium, de cuivre et de titane, ainsi que les alliages à base de nickel.

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