Forgeage à froid : Comprendre le processus et quelques calculs clés

Depuis l'invention de la conception assistée par ordinateur (CAO) au début des années 1960, il est devenu beaucoup plus facile pour les concepteurs de produits de concevoir des composants et des pièces en tôle pour différentes applications. Mais un défi constant est la nécessité de trouver une méthode de fabrication appropriée pour créer ces modèles.

Les machines CNC offrent une grande précision et respectent des tolérances strictes, mais elles présentent l'inconvénient d'un coût élevé et d'un gaspillage de matériaux. Bien que l’impression 3D élimine ce problème de gaspillage de matériaux, les concepteurs de produits disposent d’options limitées en matière de métal en matière d’impression 3D. Le forgeage à froid est une méthode de fabrication populaire qui aide les concepteurs de produits à créer avec précision des pièces en tôle rentables.

Mais qu’est-ce que le forgeage à froid exactement et qu’est-ce qui rend le processus si spécial ? Cet article explique le processus de forgeage à froid et fournit certains des calculs clés que les concepteurs de produits doivent connaître sur le forgeage à froid.

Les presses à forger industrielles sont utilisées pour fabriquer des pièces en tôle. Source : Nataliya Hora/Adobe Stock

Qu'est-ce que le forgeage à froid ?

Le forgeage à froid est un processus de mise en forme et de fabrication du métal qui déforme et comprime plastiquement un morceau de matière première sous un poinçon et une matrice. Le processus se déroule généralement à température ambiante plutôt qu’à des températures plus élevées comme le forgeage à chaud.

Contrairement à l'usinage conventionnel, où des sections d'une pièce sont retirées pour former les pièces souhaitées, le forgeage à froid déforme le matériau existant dans la forme souhaitée. Cela permet d'obtenir une production à grande vitesse, avec peu ou pas de gaspillage de matériaux et des produits finis solides grâce à l'écrouissage de la matière première.

Selon le type de matrices utilisées, le forgeage à froid peut être de deux types :

1. Forgeage à matrice ouverte
2. Forgeage à matrice fermée

Forgeage à matrice ouverte

En forgeage à ciel ouvert, la matière première est placée entre deux matrices plates sans profils prédécoupés et qui n'enferment pas la pièce. La force de compression des matrices déforme la pièce métallique jusqu'à ce que la forme souhaitée soit formée.

Forgeage à matrice ouverte. Source : Banerjee/CC [SA] [2,5]

La force de forgeage requise pour cette pièce cylindrique (sur la figure 2) peut être calculée à l'aide de :

Où:

Yf = contrainte d'écoulement du matériau (Pa)

A = section transversale de la pièce (m2)

r = rayon instantané de la pièce (m)

h = hauteur instantanée de la pièce (m)

µ = coefficient de frottement entre la matrice et la pièce

Certains des avantages de l’opération de forgeage à froid à matrice ouverte sur une pièce comprennent une résistance améliorée et une résistance à la fatigue. Cependant, gardez à l’esprit que les produits obtenus à partir d’opérations de forgeage à froid à matrice ouverte nécessitent généralement un usinage secondaire (ou un affinage) pour atteindre les dimensions et tolérances souhaitées. Ce n’est peut-être pas une méthode de forgeage idéale pour créer des pièces complexes et précises.

Forgeage à matrice fermée

Le forgeage à matrice fermée est un processus de forgeage qui consiste à placer la pièce entre une ou plusieurs matrices de forme personnalisée. Lorsqu'elle est comprimée et déformée, la pièce s'écoule pour remplir la cavité de la matrice (représentée sur la figure 3), prenant la forme de la cavité et formant le produit final souhaité. L'excédent de matière, également appelé bavure, issu de ce processus de forgeage est ensuite coupé.

Forgeage à matrice fermée. Source : sanya_zx9r/Adobe Stock

Par rapport au forgeage à froid à matrice ouverte, les opérations de forgeage à froid à matrice fermée produisent des pièces avec une meilleure finition de surface, des propriétés mécaniques supérieures et des tolérances plus strictes. Le processus élimine le besoin d’opérations de post-usinage supplémentaires courantes dans les opérations de forgeage à froid à matrice ouverte. C'est la méthode idéale pour une production à grande échelle.

La force de forgeage requise pour effectuer une opération de forgeage à froid en matrice fermée peut être calculée à l’aide de :

Où:

k = facteur multiplicateur

Yf = contrainte d'écoulement du matériau (Pa)

A = surface projetée de la pièce forgée, y compris le flash (m2)

La plage de valeurs k pour différents types de formes a été fournie dans le tableau 1.

Tableau 1. Plage de valeurs k pour le forgeage en matrice fermée

Considérons un scénario dans lequel il est nécessaire de forger à froid une pièce cylindrique ayant une surface projetée (avec bavure) de 0,03 m2 et une contrainte d'écoulement de 500 MPa. Si la valeur k pour la pièce simple est obtenue à 6, alors la force de forgeage serait de 90 MN.

Bien que cet article fournisse des informations utiles sur le forgeage à froid, il existe encore de nombreuses autres considérations et facteurs qui affectent la qualité des pièces forgées à froid. Il est conseillé aux concepteurs de produits de contacter les fabricants pour discuter des exigences de leur projet, notamment les dimensions, les tolérances et les délais de livraison.