Telechargé par karimi Mohammed Lamine

Cours Mise en Forme L3 fini

publicité
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
Téléchargement
Explore flashcards