Mise en forme des métaux Les procédés de mise en forme des matériaux métalliques PARAMETRES ET CRITERES : L'organisation des procédés de mise en forme se présente en fonction du cahier des charges et du coût final (Prix de revient) de la pièce fabriquée = la somme des coûts des ressources utilisées. Les inputs ou entrées pour le output de fabrication d’une pièce : Les techniques de mise en forme des matériaux ont pour objectif de donner une forme déterminée au matériau tout en lui imposant une certaine géométrie, afin d'obtenir un objet ayant les propriétés souhaitées. Pour les métaux les principaux procédés sont : - Fonderie : cette technique consiste à fondre et à couler le métal dans un moule. - Frittage : permet de consolider la poudre sous l'action de la chaleur et la rend ainsi compacte. - Usinage : famille de techniques de fabrication de pièces par enlèvement de copeaux ; par enlèvement de matière. - Forgeage : consiste à déformer, par choc ou par pressage entre deux outils, une masse métallique rendue malléable par chauffage. (Produits volumiques) - Emboutissage : permet d'obtenir, à partir d'une feuille de tôle mince, un objet dont la forme est non développable. (Produits plats) Dr Rezini Page 1 Mise en forme des métaux REMARQUE : Pour tous les procédés de fabrication de pièces SOLIDES, la mise en forme est réalisée à partir de métaux à l’état SOLIDE : EXCEPTIONS : (Fonderie/moulage, Frittage, Impression 3D) A. LA FONDERIE : Technique et industrie de la fabrication des pièces en métal fondu et coulé dans des moules ou lingotières. Fabrication des produits métalliques semi-finis ; en coulée continue : Dr Rezini Page 2 Mise en forme des métaux LES PRODUITS SEMI-FINIS : Les produits semi-finis ou intermédiaires sont des produits parvenus à l’un des stades de leur fabrication, et qui sont destinés à entrer dans une nouvelle phase du processus de production (fabrication). B. LE MOULAGE est l'action de prendre une empreinte (du modèle) qui servira ensuite de moule dans lequel sera versé un métal et qui permettra le tirage ou la production en un ou plusieurs exemplaires d'un modèle. Dr Rezini Page 3 Mise en forme des métaux Le moulage (à chaud) utilise la fusion des métaux que l'on laisse solidifier dans un moule. 1) INJECTION (MOULAGE SOUS PRESSION) La plupart des petites pièces de formes complexes en aluminium, zinc ou magnésium sont faits par moulage sous pression. Dans ce procédé, le métal fondu est injecté sous haute pression dans un moule métallique par un système de carottes et de canaux. La pression est maintenue jusqu'à ce que la pièce soit solidifiée, alors, le moule s'ouvre et la pièce est éjectée. Les moules sont usinés avec précision dans des aciers résistants à la chaleur et sont refroidis par eau pour accroître leur durée de vie. Dr Rezini Page 4 Mise en forme des métaux 2) MOULAGE EN COQUILLE PAR GRAVITE Dans la FONDERIE EN MOULE PAR GRAVITE ou FONDERIE EN MOULES PERMANENTS (COQUILLES), on verse par gravité le métal fondu dans un moule en métal jusqu’à ce qu’il se solidifie. On ouvre alors le moule et on en retire la pièce. Le moule est généralement fait en fonte de fer mais on peut également utiliser des aciers à bas taux de carbone et des aciers pour moules. Les moules peuvent être de construction relativement simple et produits en deux moitiés. On peut utiliser des noyaux en métal ou en sable pour faire les détails internes. Les formes sont relativement simples avec des noyaux simples et des épaisseurs de parois assez uniformes. On peut mécaniser (automatique) ce procédé. 3) MOULAGE AU SABLE Dans la fonderie au sable vert, un mélange de sable et d'argile est compacté dans un moule en deux parties autour d'un modèle qui a la forme de l'objet à couler. Le modèle est enlevé pour laisser la cavité dans laquelle le métal est versé. On utilise des modèles bon marché en bois, avec des canaux de coulée et des risers qui leur sont attachés lorsque la taille de la série est petite et le procédé est manuel mais ceci est lent et requiert beaucoup de main d'œuvre. Dr Rezini Page 5 Mise en forme des métaux 4) MOULAGE A LA CIRE PERDUE Dans la fonderie à la cire perdue, on fabrique les modèles en cire et, s'ils sont petits, on les assemble sur un arbre avec des systèmes d'alimentation et de seuil. La cire perdue est un procédé de moulage de précision, pour obtenir une sculpture en métal à partir d'un modèle en cire. Ce modèle en cire sera ensuite éliminé par chauffage pendant l'opération. Il faut donc l'envelopper dans une matière réfractaire et permettre au métal de prendre la place de la cire, par des entonnoirs et des conduits, après qu'elle s'est écoulée par d'autres conduits. En d’autres thermes, on fait alors fondre la cire et cuire la coquille en céramique avant d'y verser le métal fondu. On casse ensuite le moule pour retirer les pièces coulées. C. FRITTAGE Le but du frittage est d'obtenir à partir des poudres un solide plus ou moins dense sans passer par l'état liquide (frittage d'une poudre d’une nature donnée : Métal, Céramique), ou en maintenant à l'état solide au moins un des constituants du système (frittage en phase liquide d'un mélange de poudres). Dr Rezini Page 6 Mise en forme des métaux Contrairement aux procédés de la métallurgie classique, qui font toujours intervenir la solidification d’un métal fondu, le frittage part d’une poudre métallique. Vers 1908 apparition des premières pièces autolubrifiantes, puis en 1935 fabrication des premières pièces mécaniques pour l’automobile. La métallurgie des poudres, ou frittage, permet d’obtenir des pièces d’une grande précision géométrique, de quelques grammes à plusieurs kilos, et pouvant résister à des efforts mécaniques importants. Le frittage est particulièrement adapté aux moyennes et très grandes séries. ETAPES DU PROCEDE DE FRITTAGE Dr Rezini Page 7 Mise en forme des métaux A. Poudres formant l’alliage ; pesage + liant Les poudres métalliques peuvent être soit des poudres de métal pur (fer, cuivre), soit des poudres alliées (bronze, laiton, acier, etc.). La nature différente des poudres (éponge, irrégulière, sphérique, laminaire), confère des propriétés différentes au composant. B. Mélangeur de poudre La poudre de base est mélangée avec différents éléments d’alliage, en fonction de la composition de la matière finale, avec un lubrifiant organique solide (nécessaire pour le compactage), et avec des additifs spéciaux. C. Compactage Le mélange de poudres est compacté à l’intérieur de l’outillage, lequel a la forme en négatif de la pièce finale. L’outil est un élément d’une très grande précision et d’une grande durabilité. Le mélange de poudre est chargé par gravité dans la cavité de l’outil, et, en fonction de la densité finale à atteindre, une pression uni-axiale entre 200 et 1500 MPa est appliquée sur la poudre. La pièce compactée est ensuite éjectée de l’outillage, il s’agit alors d’une “pièce à vert”, qui a une certaine consistance mécanique et qui peut être manipulée (avec soin). D. Four de Frittage (zone de déliantage/préchauffage, zone de maintien du Frittage, zone de refroidissement) Le frittage est un cycle thermique consistant à chauffer la pièce compactée pendant un certain temps à une température inférieure au point de fusion du métal de base. L’élévation de la température provoque la soudure des particules de poudre entre elles, et la diffusion des éléments d’alliage, par un mécanisme de diffusion à l’état solide. Le frittage est effectué dans des fours à tapis, à vitesse contrôlée, et sous une atmosphère de composition chimique contrôlée.Normalement le four travaille à des températures situées entre 750° et 1300°C, en fonction de la matière et des caractéristiques à obtenir. Le résultat de ces opérations de base est une pièce métallique avec une certaine microporosité, une grande précision dimensionnelle, et parfaitement fonctionnelle dans le cas où les caractéristiques obtenues sont conformes aux spécifications du composant. E. Travaux auxiliaires et de finition Le Calibrage : L’opération de frittage engendre une augmentation de la dispersion dimensionnelle et des défauts de formes. Si la pièce frittée ne satisfait plus aux exigences du plan, un calibrage sur presse peut être nécessaire. Autres opérations secondaires • Usinage • Rectification • Ebavurage • Densification • Traitement thermique • Traitement de surface • Imprégnation / Imprégnation sous vide PHENOMENE PHYSIQUE : 1 : Mise en contact des grains métalliques (Densification poudre mélange à un liant) Dr Rezini Page 8 Mise en forme des métaux 2 : Compression (plastification aux points de contact), ce qui compactage de la poudre 3 : Phase de Frittage : Diffusion surfacique et volumique des atomes ; Formation de cous 4 : Evolution du cou, formage par soudure des particules (par diffusion) 5 : Corps finale obtenu par Frittage de 2 particules Remarque : Porosité ; des micropores subsistent ! La diffusion des atomes vers la région de contact, conduit à la formation d’un pont entre les particules. Après la formation de pont, les atomes continue de diffuser à la région de pont, qui induit à la croissance de rayon de courbure, et par conséquence ralentir le processus de frittage, de faite que les forces motrices sont atténuées. Pendant l’étape intermédiaire de frittage les pores changent de forme de cylindres interconnectés à la forme sphérique et leur volume diminue. DIFFERENTES FORMES COMPLEXES DE PIECES SONT OBTENUES Dr Rezini Page 9 Mise en forme des métaux Mise en forme, ou Façonnage, par FORMAGE des métaux et alliages métalliques Dr Rezini Page 10 Mise en forme des métaux Le FORMAGE est un terme général englobant les procédés de fabrication qui consistent à obtenir une géométrie désirée en déformant la matière dans son domaine plastique en lui appliquant une force. FIG : Le domaine de déformation plastique utile est indiqué en gris. Autrement dit : Les techniques de FORMAGE des pièces mécaniques utilisent la propriété de déformation plastique d’un matériau pour lui donner une forme, par un outillage approprié, sans prélèvement de métal. LES PROCEDES DE FORMAGE sont regroupés en deux familles : la déformation plastique des produits (métalliques) massifs et les produits (plats) en feuille. Dr Rezini Page 11 Mise en forme des métaux TEMPERATURE ET PROCEDES DE FORMAGE La température de formage est un paramètre important dans la mise en forme de pièces métalliques. La ductilité désigne la capacité d'un matériau à se déformer plastiquement sans se rompre. La ductilité est une propriété conditionnée par la malléabilité. La ductilité dépend de la température de déformation. Dr Rezini Page 12 Mise en forme des métaux La température de formage conditionne la valeur de la limite d’élasticité e , note Re. Une mise en forme à chaud est une déformation plastique dans un domaine de température en rapport avec la température de fusion Tm (température du solidus) de l’alliage métallique. Selon la température, on distingue 3 types de mise en forme : (i) la mise en forme à froid, (ii) le domaine du formage tiède et (iii) la mise en forme à chaud. Chacun de ces domaines est illustré sur la figure ci-dessus et présente certains avantages et inconvénients : Dr Rezini Page 13 Mise en forme des métaux (i) La mise en forme à froid permet d’obtenir des produits présentant un excellent état de surface, des tolérances dimensionnelles plus serrées et de meilleures caractéristiques mécaniques. La lubrification doit permettre de produire des pièces qui respectent les exigences sur l’état de surface final des pièces. (ii) Le domaine du formage tiède (ou à mi-chaud) est un domaine intermédiaire entre les deux, il est peu employé jusqu’à présent. Ce domaine intermédiaire de la déformation tiède permet en théorie de cumuler les avantages de la mise en forme à froid (écrouissage du matériau) et à chaud (contrainte d’écoulement plus faible qu’à froid). Cette pratique reste cependant assez peu développée. (iii) La mise en forme à chaud permet de réduire la valeur de la contrainte d’écoulement pour une dépense d’énergie raisonnable, mais les tolérances dimensionnelles et l’état de surface résultant sont assez médiocres du fait du phénomène du retrait thermique lors du refroidissement et des phénomènes d’oxydation qui apparaissent à ces températures. Le produit obtenu par une opération de mise en forme à chaud doit généralement subir divers traitements de finitions thermiques et de surface (décalaminage) avant son utilisation ou la poursuite de sa mise en forme à froid. Important : La température de formage conditionne les caractéristique mécaniques des métaux et alliages, à savoir la valeur de la limite d’élasticité Re, de limite à la Rupture Rm, de l’allongement A% et par conséquent la Ténacité KC. PROCEDES DE FORMAGE DEFORMATION A FROID : La déformation à froid est obtenue par la mise en œuvre d'efforts importants qui permettent de dépasser la limite élastique du métal. Dr Rezini Page 14 Mise en forme des métaux Présentation de quelques procédés de formage par DEFORMATION A FROID 1) Forgeage à froid En forgeage, un lingot métallique est forcé de prendre une forme donnée par des matrices qui le soumettent à une grande déformation plastique. Dans le forgeage à froid, le flan en métal est initialement froid, bien que la déformation provoque un certain échauffement. 2) L'extrusion à froid est apparentée à la forge à froid. Elle est également appelée forge de précision. C'est un procédé de formage de pièces métalliques pleines ou creuses, généralement axisymétriques par déformation plastique d’un matériau brut, le lopin. L'extrusion est un procédé de fabrication (thermo-) mécanique par lequel un matériau compressé est contraint de traverser une filière ayant la section de la pièce à obtenir. On forme en continu un produit long (tube, tuyau, profilé…) et plat (plaque, feuille, film…). Les cadences de production sont élevées. L’extrusion (direct) est un procédé qui permet de produire de longs profilés dotés de sections complexes. Une billette cylindrique est chauffée à température avant d’être placée dans une matrice de la forme souhaitée pour y recevoir la poussée d’un piston, ce qui force le métal, alors dans un état pâteux, à traverser la matrice. Lorsque le refroidissement est terminé, le profilé extrudé est découpé à des longueurs voulues. Dr Rezini Page 15 Mise en forme des métaux L’extrusion par percussion (indirect) consiste à exercer une pression sur une pastille de métal (ex. Aluminium) déposée dans une matrice, ce qui force alors l’aluminium à remonter dans la cavité libre entre la matrice et le piston. Dr Rezini Page 16 Mise en forme des métaux 3) Tréfilage Etirage consiste à étirer une ébauche, le plus souvent laminée, au travers d’une filière. Généralement, cette opération se réalise à froid. La matière subit un écrouissage important qui augmente sa résistance élastique et sa résistance à la rupture par extension. Suivant les sections obtenues on parle de : Tréfilage pour les files calibrés Etirage pour les profils quelconques Les pièces obtenues par ce procédé ont des qualités géométriques et dimensionnelles de qualité supérieures. Le matériau est souvent déformé tout juste au-delà de la limite d’élasticité. Il existe différentes variantes de ce procédé. Du file extra fin au gros profilé : 4) LE REPOUSSAGE Le repoussage est un procédé de formage utilisé pour la production de formes symétriques (axiales) par une combinaison de force et de rotation. Il s’agit d’un procédé de déformation ponctuelle où un disque métallique, une pièce cylindrique ou une préforme est poussé contre un mandrin concentrique en rotation par un outil au bout arrondi. Dr Rezini Page 17 Mise en forme des métaux 5) Emboutissage et Hydroformage Emboutissage est un procédé qui permet de déformer une tôle plane en une forme creuse de géométrie plus ou moins complexe. Ce procédé est réalisé à l’aide d’une presse hydraulique ou mécanique équipée d’un poinçon et d’une matrice. Le métal se déforme de manière permanente lorsque la tôle est entraînée par le poinçon dans la matrice. L'hydroformage est un procédé de fabrication par déformation; il consiste à déformer plastiquement des pièces d'épaisseur faible (plaques, tubes). La forme finale de la pièce est déterminée par un « moule » appelé matrice. L’hydroformage utilise la pression hydraulique pour forcer un tube ou une tôle à épouser la forme d’une matrice (du moule). Dr Rezini Page 18 Mise en forme des métaux PROCEDES DE FORMAGE DEFORMATION A CHAUD : La déformation à chaud combine des efforts importants et une chauffe préalable pour que la pièce soit plus facile à déformer. 6) FORMAGE SUPERPLASTIQUE Lors du formage superplastique (voisin de l’hydroformage), une tôle de métal est chauffée uniformément, puis une pression de gaz est appliquée pour déformer la tôle jusqu’à ce qu’elle épouse les formes du moule. Ce procédé permet de grandes déformations des tôles sans déchirement ni retour élastique ainsi que la réalisation de formes complexes. Ce processus permet la déformation de grandes tôles sans déchirement ni retour élastique en plus de la création de formes complexes. 7) MATRICAGE ET ESTAMPAGE Ces deux termes sont aujourd’hui synonymes, mais la distinction matriçage (pour des métaux non ferreux) et estampage (pour des métaux ferreux) est encore usitée dans certaines industries. Cette technique consiste à former à chaud, une ébauche appelée lopin entre deux matrices, dans lesquelles des empreintes sont préalablement creusées par usinage conventionnel ou par électroérosion. Les matrices peuvent avoir plusieurs empreintes qui correspondent à des passes successives de mise en forme du lopin. Dr Rezini Page 19 Mise en forme des métaux Sous l’action de chocs répétés ou d’une pression, le lopin remplit les empreintes et l’excédent de matière constitue la bavure logée dans le plan de joint. Les pièces ainsi obtenues ont une qualité supérieure et leurs caractéristiques mécaniques sont accrues par rapport à celles du matériau d'origine. 8) LAMINAGE A CHAUD Ce procédé consiste à façonner des produits de section constante et de grande longueur (tôles, profilés), par écrasement entre des cylindres, à chaud (ou à froid). Ce travail se fait à partir d’ébauches venant de la sidérurgie (lingots) qui, par passage successifs entre les cylindres de laminoir, arrivent progressivement aux dimensions de formes marchandes. Le laminage conduit à deux types de produits : les semi-finis (brames, blooms, billettes,…) les finis (ronds, carrés, hexagonaux, tôles, profilés,…) Dr Rezini Page 20 Mise en forme des métaux Dr Rezini Page 21 Mise en forme des métaux Caractérisation du comportement plastique Pour étudier le comportement plastique du matériau, une panoplie d’essais est disponible. L’essai de traction uniaxiale est une expérience dont l’objectif est de mettre en évidence l’écrouissage isotrope du matériau. Rappel sur les déformations et contraintes lors d’un essai de traction Le principe de l’essai de traction uniaxiale est de déformer une éprouvette dont la zone utile de section constante peut être cylindrique ou parallélépipédique. La longueur de l’éprouvette est généralement grande devant les dimensions de la section de la zone utile afin de respecter les conditions géométriques nécessaires à l’essai de traction. Durant un essai de traction, la zone utile de l’éprouvette est soumis à un effort unidirectionnelle longitudinale jusqu’à sa rupture. La charge appliquée F et l’allongement ∆L de la longueur initiale de la zone utile Lo sont enregistrés simultanément au cours de l’essai. Dr Rezini Page 22 Mise en forme des métaux Zone de déformation plastique homogène (Force-Déplacement) Dr Rezini Page 23 Mise en forme des métaux Note : La déformation rationnelle (ou « vraie » ou logarithmique) εV dans la direction de traction définie par : Dr Rezini Page 24 Mise en forme des métaux Les principales propriétés mécaniques du matériau (ici métallique) qui ont une grande influence sur le procédé de mise en forme (plastique) sont : la limite élastique (Re), la résistance à la rupture (Rm), l’allongement uniforme réparti (Ag% homogène), l’exposant d’écrouissage (n) et le coefficient d’anisotropie plastique (R). Ces propriétés mécaniques peuvent être déterminées à partir de l’essai de traction uniaxiale. L'écrouissage d'un métal est le durcissement d'un métal sous l'effet de sa déformation plastique (définitive). On appelle modèle de comportement la relation qui relie la contrainte appliquée à la température, la déformation et la vitesse de déformation (2.1). Dr Rezini Page 25 Mise en forme des métaux La courbe de traction (contrainte-déformation) dépend de la température d’essai mais aussi de la vitesse de déformation : A) Température : B) Vitesse de déformation Dr Rezini Page 26 Mise en forme des métaux Critères rationnels : Ce sont les plus difficiles et les plus coûteux à déterminer mais ce sont eux qui offrent le meilleur jugement face à l'emboutissage d'une tôle par exemple: 1. Coefficients d'écrouissage, noté n. L’écrouissage est l’évolution des propriétés et de la microstructure d’un matériau cristallin lorsque sa structure interne subit une déformation plastique. Il en résulte un durcissement par la multiplication de défauts dans la maille cristalline (dislocations). Les procédés de déformation à froid comme le laminage, l’étirage, le tréfilage, ou des mises en œuvre par pliage produisent ce type de durcissement. (Explication dans ce cours) Dr Rezini Page 27 Mise en forme des métaux Afin de déterminer les caractéristiques des coefficients d'écrouissage et d'anisotropie, 2. Coefficients d'anisotropie, noté r. Du fait de l'orientation préférentielle des cristaux, la tôle ne possède pas les mêmes propriétés mécaniques suivant la direction considérée. Il en résulte aussi une perte de l'équilibre des déformations entre la largeur et l'épaisseur lors d'un essai de traction uni axiale. Lors de l'emboutissage profond des découpes de tôle circulaires l'anisotropie (texture cristallographique) provoque une collerette irrégulière du godet. Le coefficient d'anisotropie plastique se définit comme le rapport de la variation de largeur à la variation d'épaisseur durant un essai de traction. Le coefficient de Lankford indique la tendance du métal à s'amincir ou s'épaissir. (Explication dans ce cours) Le coefficient d'anisotropie moyen : dans le plan d'une tôle, la valeur du coefficient d'anisotropie normale varie suivant les directions : Dr Rezini Page 28 Mise en forme des métaux Coefficient d'anisotropie moyen pour différents matériaux : Dr Rezini Page 29 Mise en forme des métaux Méthodes de calcul de la mise en forme par déformation plastique Dans la mise en forme par déformation plastique, les définitions traditionnelles des termes contrainte et déformation ne sont plus exactes. En effet, de nouvelles mesures, à savoir contrainte vraie et déformation vraie, sont mises en place. Sans ce qui suit, on ne considère que la zone plastique ! Définitions utiles : (a) Déformation plastique vraie ou déformation logarithmique: La déformation vraie est définie v ln lo , où l désigne la longueur finale et lo la longueur l initiale non déformée du corps. Application : Déformation plastique vraie ou taux de déformation est donnée comme suit: Hypothèse : Déformation plastique à volume constant : lo wo ho l1w 1h 1 1 l1w 1h 1 lo wo ho On applique la fonction logarithme népérien et on obtient les taux de déformation respectifs : Dr Rezini Page 30 Mise en forme des métaux Déformation plastique à volume constant, la somme des taux de déformation est nulle : (b) Contrainte plastique vraie ou écoulement plastique: Si la déformation d'un corps en tension (traction ou compression) devient trop importante (domaine plastique), l'aire de la section correspondante sera modifiée. À chaque instant (ou longueur l), la contrainte vraie est définie : v F(l ) A(l ) Kf F(l ) (Kf étant Contrainte d'écoulement plastique) A(l ) À chaque instant (ou longueur l), la contrainte vraie est donnée : Ao lo A l V Const. A(l ) Ao lo l Contrainte d’écoulement plastique: Kf F(l ) F(l ) l A(l ) Ao lo Kf F(l ) 1 t Ao Courbe d’écoulement plastique: Pour la mise en forme des matériaux métalliques, les courbes d’écoulement plastique à la température et la vitesse de formage sont répertoriés dans des ouvrages (normes) et des banques de données. Pour une déformation à froid, les courbes d’écoulement plastiques de quelques métaux est donné dans la figure ci-dessous. La contrainte de l’écoulement plastique Kf est fonction du taux de déformation Kf f( ) Dr Rezini Page 31 Mise en forme des métaux Les courbes d’écoulement plastique Kf f(l )sont fonction de la vitesse de déformation et de la température de mise en forme (voir ici-haut) : Dr Rezini Page 32 Mise en forme des métaux Réflexion / Discussion : Comment a-t-on déterminé les courbes cicontre ??? Dr Rezini Page 33 Mise en forme des métaux Exercice : Tige pour vis à tête cylindrique : - Tige cylindrique 20, h = 20 - Tête cylindrique 30, h = 60 Acier Ck 35 (DIN) Rendement : F 0.8 0.15 Calcul: - Dimensions du cylinder initial - Nombre de passes - Force de déformation compression - Travail de déformation Solution : 1) Volume de la tête, noté Vk : 2) Choix du initial do de la tige ou cylindre (et calcul de la section Ao) 3) Hauteur initiale avant déformation de la tête hok 4) Longueur initial du Rohling (pour tête + tige) Dr Rezini Page 34 Mise en forme des métaux 5) Rapport d’écrasement (instabilité/ Flambage) ; sadm = 2.6 Note : Puisque S 2.6 , la déformation est faite en 1 passe ! 6) Le taux de déformation (suivant h) Note : - Condition : h h adm ; pour cet acier h adm 140% (voir Tables à cet effet) - La déformation est faite en 1 passe 7) Contrainte d’écoulement plastique Kf 8) Travail de déformation Dr Rezini Page 35 Mise en forme des métaux Mise en forme par usinage conventionnel Nota : Présentation des machines (et procédés respectifs) qui ont fait l’objet de TP dans le Hall-Technologique USTMBO. Généralités sur la coupe des matériaux La coupe des métaux est un processus thermomécanique fortement couplé dans lequel les déformations plastiques, la chaleur et les phénomènes de frottement jouent un rôle critique en termes d’usure. Quand un outil pénètre dans une pièce métallique pour former un copeau, la matière située près de la surface est fortement cisaillée. La déformation s’effectue à très grandes vitesses de déformation et le copeau se trouve en contact intime avec la face de coupe de l’outil. Les contraintes et la température à l’interface sont considérablement élevées et conduisent à des phénomènes physico-chimiques très complexes. Ceux-ci ayant lieu dans une région très petite autour de la pointe de l’outil, les phénomènes liés à la tribologie de la coupe sont très difficiles à étudier et à modéliser. Le principe de l'usinage est d'enlever de la matière de façon à donner à la pièce brute (semifinie) la forme et les dimensions voulues. Note : Le copeau est la partie de matière qui se détache lors de la coupe dans un procédé d'usinage. L'usinage est une famille de techniques de fabrication de pièces par enlèvement de la matière, sous forme de copeaux, résultant de la coupe du matériau. Tous les procédés d’usinage impliquent des opérations de coupe dans le matériau. L'enlèvement de matière nécessite l'emploi d'un élément physique permettant d'extraire de la matière du volume de base appelé brut, ou semi-fini, (en forme de bloc, barre, plaque, ...). Cet élément est très souvent un outil (de coupe) dont la résistance et la géométrie sont spécifiques (procédé, matière, opération…). Dr Rezini Page 36 Mise en forme des métaux La coupe la plus élémentaire est la coupe dite « orthogonale » (Figure ci-dessous). Dans cette configuration, l’arête de coupe est perpendiculaire à la fois aux directions de coupe et d’avance. L’outil est incliné de l’angle de coupe α par rapport à la verticale et se déplace avec la vitesse de coupe Vc. Pour générer une ou plusieurs surfaces élémentaires, il est nécessaire de combiner deux mouvements générateurs : le mouvement de coupe Mc le mouvement d’avance Mf Les principales caractéristiques pouvant être associées à chacun de ces mouvements : la vitesse (donnée cinématique essentielle réglable à partir de la boîte de vitesse) ; la trajectoire rectiligne ou circulaire ; la direction et le sens du déplacement. Cependant, pour couper un matériau 2 possibilités sont envisageables : Le mouvement de coupe est donné à l'outil et le mouvement d’avance à la pièce : par exemple le fraisage. Le mouvement de coupe est donné à la pièce et le mouvement d’avance à l'outil : c’est le cas du tournage. Dr Rezini Page 37 Mise en forme des métaux Les paramètres de coupe Les paramètres de coupe sont similaires pour les procédés d’usinage. La formation du copeau résulte d'actions mécaniques complexes. L'arête de coupe (intersection de la face de coupe avec la face de dépouille) pénètre dans la matière et provoque la formation du copeau. Le frottement de celui-ci sur la face de coupe et le frottement de la pièce sur la face de dépouille provoquent une élévation importante de la température, qui peut entraîner une fusion locale du copeau. Ce phénomène peut conduire à l'adhérence du copeau sur la face de coupe (copeau adhérent). Distribution des températures en coupe orthogonale Dr Rezini Page 38 Mise en forme des métaux Formation de copeau : En fonction des conditions de coupe et du couple outil/matière, des copeaux de morphologies (formes) très différentes peuvent être formés (voir Figures ci-dessous). On les classe traditionnellement en trois catégories : Les copeaux continus formés dans un état de déformation plastique stationnaire (associés à une coupe stable) : les champs de déformation, des vitesses de déformation et de la température sont constants dans le temps, Les copeaux formés avec arête rapportée qui résultent d’un état d’équilibre dynamique du système composé de l’outil, du copeau et d’une zone de stagnation de matière au niveau de l’arête, Les copeaux discontinus ou segmentés formés dans un état de déformation plastique non stationnaire; les copeaux sont composés d’éléments plus ou moins connectés entre eux. On parle aussi de copeaux ondulants ou festonnés, de copeaux à localisation de déformation ou encore de copeaux à dents de scies. La segmentation des copeaux est très influencée par les phénomènes de fissuration et de rupture, d’instabilité et de localisation des déformations plastiques. La coupe est alors qualifiée d’instable. Les principaux facteurs influençant la formation du copeau sont : • • • • • • la vitesse de coupe Vc [m/min] ; la profondeur de passe a [mm] ; la vitesse d'avance Vf [mm/tour] ou [mm/dent/tour]; la géométrie de l'outil ; les matériaux de l'outil et de la pièce ; la lubrification. Dr Rezini Page 39 Mise en forme des métaux Vues au MEB Différents types de copeaux Les principaux procédés d'usinage conventionnel L'usinage par enlèvement de matière est réalisé toujours en regroupant les opérations par catégorie. On distingue 4 classes importantes en usinage conventionnel : le tournage, le fraisage, le perçage, alésage, taraudage, la rectification et autres. Dr Rezini Page 40 Mise en forme des métaux A. LE FRAISAGE Le fraisage est un procédé de fabrication où l'enlèvement de matière sous forme de copeaux résulte de la combinaison de deux mouvements : la rotation de l'outil de coupe, d'une part, et l'avancée de la pièce à usiner d'autre part. Le fraisage est réalisé à l'aide d'une fraise que l'on monte sur une fraiseuse. Cette machine outil dédiée fait partie des indispensables au sein de toutes les usines mécaniques. La fraise rogne la matière en formant des copeaux. Le fraisage est habituellement réalisé par une machine-outil, la fraiseuse qui est particulièrement adaptée à l'usinage de pièces prismatiques et permet également, si la machine est équipée de commande numérique, de réaliser tous types de formes même complexes. L'outil classiquement utilisé est la fraise. Dr Rezini Page 41 Mise en forme des métaux Pour les pièces réalisées en série, l'usinage de fraisage se fait sur des machines outils à commandes numériques (fraiseuse ou centre d'usinage). Le fraisage et le tournage sont généralement des techniques complémentaires. Les principales opérations de fraisage En fraisage les outils comportent plusieurs arêtes tranchantes. Par rapport au tournage le déplacement selon les axes principaux de la machine (trois directions de travail) n'est plus réalisé par l'outil mais par la pièce qui est fixée dans un porte-pièce appelé étau. Le mouvement de coupe Mc est réalisé par l’outil. Sur la figure suivante sont reproduites les diverses opérations d'usinage pouvant être mises en place sur les machines outils de type fraiseuses. Dr Rezini Page 42 Mise en forme des métaux FRAISAGE AVEC FRAISES DE FORME Dr Rezini Page 43 Mise en forme des métaux B. LE TOURNAGE Le tournage consiste comme le fraisage à enlever de la matière sur une pièce mécanique. Le tournage se distingue toutefois du fraisage par le fait qu'il ne permet qu'un mouvement rotatif. En général un outil de coupe est constitué d’un corps et d’une queue (Figure II.1), cette dernière est de section circulaire ou carrée et a pour rôle le maintient de l’outil au porte-outil (la tourelle en tournage, la broche en fraise et perçage), la première partie est destinée à recevoir les éléments tranchant ou les plaquettes. L’élément coupant est limité par des faciès dont l’intersection forme les arêtes (Figure II.2). Seules les arêtes, la face de coupe et la face de dépouille qui interviennent dans le processus de la coupe du métal, c’est ces derniers qui forment la partie active. Outils à charioter à plaquettes amovibles Dr Rezini Page 44 Mise en forme des métaux La pièce à façonner est en effet fixée dans un mandrin ou une pince. C'est elle qui tourne. L'outil coupant peut rogner la pièce selon un mouvement d'avance. Dr Rezini Page 45 Mise en forme des métaux Les principales opérations de tournage En tournage les outils ne comportent qu'une seule arête tranchante dont l'engagement dans la matière provoque la coupe de celle-ci. Le déplacement de l'outil se fait en une ou deux directions principales de travail, selon l'angle de direction de l'arrête de coupe Kr. Si cet angle est droit, un seul déplacement sera possible, quand il a des valeurs inférieures à cette valeur on peut l'utiliser pour travailler dans les deux sens, longitudinal et transversal, des déplacements permis sur la machine. Le mouvement de coupe Mc est réalisé par la pièce qui est serrée dans un porte-pièce appelé mandrin. Il est possible de réaliser des opérations de tournage extérieur et intérieur. Sur la figure suivante sont reproduites les diverses opérations d'usinage pouvant être mises en place sur les machines outils de type tours. Dr Rezini Page 46 Mise en forme des métaux Chariotage: Opération qui consiste à usiner une surface cylindrique ou conique extérieure. Alésage: Opération qui consiste à usiner une surface cylindrique ou conique intérieure. Dressage: Opération qui consiste à usiner une surface plane perpendiculaire à l’axe de la broche extérieure ou intérieure. Perçage: Opération qui consiste à usiner un trou à l’aide d’un forêt . Rainurage: Opération qui consiste à usiner une rainure intérieure ou extérieure pour le logement d’un circlips ou d’un joint torique par exemple. Dr Rezini Page 47 Mise en forme des métaux Chanfreinage: Opération qui consiste à usiner un cône de petite dimension de façon à supprimer un angle vif. Tronçonnage: Opération qui consiste à usiner une rainure jusqu’à l’axe de la pièce afin d’en détacher un tronçon. Filetage: Opération qui consiste à réaliser un filetage extérieur ou intérieur Les outils utilisés sur un tour permettent d'obtenir le plus souvent des cylindres pleins ou creux mais aussi toutes sortes de formes même complexes. Un tour de décolletage par exemple peut fabriquer des vis, des boulons... Dr Rezini Page 48 Mise en forme des métaux Comme dans le cadre du fraisage, le tournage peut être conventionnel ou assisté par ordinateur (tour conventionnel ou tour à commandes numériques). Le tournage et le fraisage sont généralement des techniques complémentaires utilisées par des tourneurs-fraiseurs. Dr Rezini Page 49 Mise en forme des métaux C. LE PERÇAGE Le perçage est un procédé d’usinage qui consiste à obtenir un trou circulaire par enlèvement de copeaux. Le perçage est obtenu a l’aide d’un outil de coupe appelé foret. Il est animé d’un mouvement de rotation continu et d’un mouvement d’avance. 1) Le mouvement de rotation (MC) : L’outil tourne sur lui-même, c’est la vitesse de rotation en tour par minute (Tr /min). 2) Le mouvement de descente (Mf) : L’outil pénètre dans la matière, c’est l’avance en mètre par minute (m/min). Le perçage est un usinage consistant à faire un trou dans une pièce. Ce trou peut traverser la pièce de part en part ou bien ne pas déboucher. On parle alors de trou borgne. Descriptif du foret hélicoïdal Le foret hélicoïdal, également appelé foret américain, est l’outil de perçage le plus couramment employé, il comprend : 1. la tête ou partie active formée par les deux surfaces d’affûtage, partie conique dont l’arrête d’intersection forme le sommet du foret. Les arrêtes tranchantes, ou lèvres du foret, sont déterminées par les intersections des surfaces coniques et des rainures hélicoïdales. 2. le corps constitué par un cylindre dans lequel ont été fraisées deux rainures hélicoïdales servant au dégagement des copeaux et au passage du lubrifiant. 3. la queue cylindrique ou tronc conique. Les queues troncs coniques se terminent par un tenon d’entraînement qui empêche toute rotation dans l’organe de la machine. Dr Rezini Page 50 Mise en forme des métaux Dr Rezini Page 51 Mise en forme des métaux L'opération de perçage par usinage (avec un foret) est une des plus utilisées dans la fabrication de pièces mécaniques. Environ 25 % des usinages sont des perçages dans la mécanique générale. On parle de micro-perçage pour des diamètres inférieurs à 5 mm, alors que les trous d'un diamètre supérieur à 20 mm sont du domaine du macro-usinage. Le perçage doit être considéré comme une opération d'ébauche, et donc nécessite une opération d'alésage pour obtenir une cote diamétrale précise. Néanmoins, des avancées majeures dans la conception des forets ont permis l'obtention directe de trous avec une tolérance IT9, soit une qualité suffisante dans une grande majorité des applications. Le perçage est également découpé en deux catégories en fonction de la profondeur du trou, et plus particulièrement du rapport diamètre sur longueur. On admet en général qu'au-delà de 10 fois le diamètre on se trouve en perçage profond, et qu'au-delà de 20 fois, c'est le domaine du forage. Dr Rezini Page 52 Mise en forme des métaux Dr Rezini Page 53 Mise en forme des métaux Conclusion : Pour garder une vitesse de coupe convenable pour chaque matériau, il faut donc régler la machine et sa vitesse de rotation. La vitesse de rotation varie selon le Ø du foret et la vitesse de coupe du matériau. (Le réglage se fait en déplaçant la courroie sur les poulies, voir descriptif de la perceuse à colonne). Il est très important d’avoir une bonne vitesse de rotation pour éviter les échauffements et ne pas ainsi endommager les forets ou les matériaux à percer. D. LA RECTIFICATION La rectification fait partie de famille de l’usinage par abrasion ! L’usinage par abrasion consiste à enlever une partie de la matière de pièces généralement métalliques au moyen d’outils constitués de particules coupantes agglomérées par un liant. Chaque particule au contact avec la pièce à grande vitesse (de l’ordre de 30 m.sec -1) génère un copeau de très petite section (ordre de grandeur du micromètre). Le copeau n’est pas « tranché» mais « gratté ». Conception d'une meule Les meules sont réalisées par moulage, généralement sous pression, à l'état humide. Après séchage, elles sont taillées approximativement sur un tour de potier, puis placées dans des fours à haute température, afin de vitrifier les substances céramiques. Cette opération est assez longue : au moins plusieurs jours et jusqu'à 2 semaines. Après refroidissement, les meules sont amenées à leurs cotes définitives. La meule (outil) (ou outil meule) est un disque constitué de grains d’émeri, diamant, céramique etc., montée sur une machine-outil appelée meuleuse, rectifieuse … ou disqueuse, qui sert à usiner de la matière par abrasion. Dr Rezini Page 54 Mise en forme des métaux Meules de finition / cylindriques / au diamant / en céramique Les abrasifs Action des grains abrasifs sur une pièce Les abrasifs utilisés sont très durs, aussi peuvent-ils attaquer même les aciers trempés invulnérables aux outils de coupe ordinaires. Ils sont Dr Rezini Page 55 Mise en forme des métaux naturels (grès, émeri, diamant) ou artificiels (alumine cristallisée ou carbure de silicium cristallisé). L'agglomérant Pour constituer une meule, les particules abrasives de grosseur déterminée doivent être liées entre elles par un agglomérant. La répartition des particules abrasives doit être régulière, de telle manière que la meule présente la plus grande homogénéité possible. Cette condition d’homogénéité est très importante. L’agglomérant retient chaque particule de matière abrasive qui se trouve ainsi sertie dans la matière. L’agglomérant n’exerce aucune action abrasive, mais c’est de sa nature que dépend la résistance de la meule au travail, aux chocs et à tout effort de rupture. L'agglomérant peut être de différentes natures : argile, céramique, caoutchouc, résines synthétiques ou laques. L’intérêt de l’usinage par abrasion • L’usinage de pièces très dures : La dureté de l’abrasif et son indifférence à la chaleur permettent d’usiner des pièces métalliques de n’importe quelle dureté (pièces ayant subi l’effet de trempe, outils en carbure,...) • L’enlèvement de très faibles passes : Il est possible de finir des surfaces avec précision par abrasion grâce à la finesse du copeau coupé. Les états de surface s’en trouvent améliorés. Ainsi l’abrasion conduit à la haute qualité mécanique. On peut couramment respecter sur les machines à rectifier des tolérances de 2 microns, soit 10 fois plus petites que celles observées sur les machines à outils coupants métalliques. Techniques d'abrasion mécanique Les principales techniques d'abrasion mécanique sont : • La rectification et rectification grande vitesse • Le rodage et la superfinition par le procédé de pierrage • L'affûtage • Le tronçonnage • Le polissage • L'ébavurage Les rectifieuses et les affûteuses n’utilisent pas des outils coupants mais des meules abrasives. L’usinage par abrasion correspond le plus souvent à une opération de finition qui a pour but essentiellement d’améliorer les états de surface et les tolérances dimensionnelles ; mais ne permet pas l’obtention de la géométrie des surfaces. En fonction de la nature de la surface à obtenir, on trouvera des rectifieuses planes, cylindriques, extérieures, intérieures qui permettront la finition de surfaces simples ou complexes. Dr Rezini Page 56 Mise en forme des métaux Les affûteuses sont destinées à la retouche des outils de coupe (affûtage) ; Les machines à roder permettent la finition des alésages avec de très bonnes qualités dimensionnelle et de surface. Dr Rezini Page 57 Mise en forme des métaux Nota-Bene : L'usinage peut être fait soit avec une machine traditionnelle soit à la machine à commande numérique (CN). Il peut être fait soit en usinage classique soit en grande vitesse (UGV). L'usinage peut être fait par plusieurs techniques dans le but d'améliorer la précision et le rendu de la pièce. LES SYMBOLES SONT CEUX DE LA NORME NFE 05-019 DE 1992; LES DIFFERENTS PROCEDES D'USINAGE SONT : l'alésage (al) ; le brochage (br) ; le fraisage : fraisage en bout (frb), fraisage en roulant (frr) ; le décolletage ; le découpage par : tronçonnage, grugeage, encochage, grignotage, poinçonnage ; le mortaisage (mo) ; le lamage ; le chambrage ; le perçage (pc), filetage (fl), taraudage (ta) ; le rabotage (rb) ; la rectification (re) : rectification plane (rcp), rectification cylindrique (rcc) ; le planage ; le rasage (usinage) ou shaving, finition d'engrenages ; le tournage (to) : dressage (dr), chariotage, repoussage, fluotournage ; l'étincelage (éi) ; procédé d'usinage par électro-érosion (éé) ; le polissage (po) ; l'électro-polissage (ep) ; la super finition (sf), le pierrage (pi), le rodage (rd), le galetage (ga) ; le sablage : sablage à sec (sas), sablage humide (sah) ; le grattage (usinage) (gr) ; le meulage (me) ; le grenaillage : grenaillage sphérique (gns), grenaillage angulaire (gna) ; le roulage : usinage entre galets, comme le filetage à froid ; le polygonage ; le sciage, le cisaillage ; le limage ; le burinage ; le pointage ; Dr Rezini Page 58 Mise en forme des métaux Mise en forme par usinage non-conventionnel L’appellation « Procédés non-conventionnels » est utilisée pour désigner un ensemble de techniques de production relativement récentes. L’emploi a été rendu nécessaire par l’usage croissant de matériaux à caractéristiques mécaniques élevées, pour lesquels les procédés conventionnels étaient limités. Les procédés non conventionnels sont les techniques d’usinage autres que la coupe et rectification pour lesquelles l’énergie est fournie différemment, par un mode autre qu’une action mécanique transmise par contact direct et effort entre un outil et la pièce. La surface de la terre et de nombreux matériaux naturels ont été façonnés par l’action de la chaleur, de la lumière, de l’eau, des solutions chimiques, de l’énergie électrique, du vent, de procédés abrasifs. Les procédés non-conventionnels utilisent le courant électrique, la lumière amplifiée, des gaz, des abrasifs libres, des solutions chimiques, ou même l’eau comme moyens d’usinage plutôt qu’un outil de coupe ou d’abrasion conventionnel. Parmi ces procédés nous distinguons : le découpage (dé) : découpage plasma, découpage jet d'eau, découpage laser ; l'usinage chimique ; l'usinage électrolytique ; l'usinage électrochimique ; l'usinage par ultrasons. Découpage par jet d’eau Electroérosion Dr Rezini Page 59
