MINISTERE DE L’ENSEINGEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE DE TUNIS EL MANAR INSTITUT PREPARATOIRE AUX ETUDES D’INGENIEURS D’EL MANAR Support de Cours de Fabrication Mécanique Partie II Procédés d’obtention des pièces brutes Classes Préparatoires Technologiques aux Etudes d’Ingénieurs Mouna Elakhdar Année universitaire 2018-2019 Présentation générale du cours Contenu : Classification des différents procédés Moulage des pièces métalliques Travail des métaux à l’état massif : Forgeage mécanique Travail des métaux en feuille : Découpage et poinçonnage, Pliage, cintrage et fluotournage, Emboutissage Travail des métaux en poudre : Métallurgie de poudres Soudage Mise en œuvre des plastiques Objectifs : Connaître les différents procédés d’obtention des pièces brutes Connaitre pour chacun des procédés étudiés : les principes, les possibilités et les domaines d'application ainsi que les principales variantes, Choisir un parmi plusieurs procédés d’obtention pour une pièce de caractéristiques et de matériau donné. Références principales : 1. Quatremer R., Trotignon J-P Dejans M. et Lehu H., « Précis de construction mécanique, Tome 1 », France, 1996. 2. Guillaume Sabatier , François Ragusa , Hubert Antz, « Manuel de construction mécanique - 3ème édition » Collection, Dunod, 2009 3. Jean - Louis Fanchon, « Guide des Sciences et Technologies Industrielles », Ed. Afnor/Nathan, 2007. 4. J.-P. Trotignon, T. Coorevits, J.-M. David, R. Dietrich, G. Facy, E. Hugonnaud, M. Nicolas, M. Pompidou, « Précis De Construction Mécanique Projets-Méthodes, Production, Normalisation ». Nathan / Afnor, 2007 - Tome 2 Fabrication mécanique II Table des matières Table des matières Généralités : Classification des différents procédés .................................................................1 Chapitre I - Moulage des pièces métalliques ...........................................................................3 I. Généralités ...................................................................................................................3 1. Principe ....................................................................................................................3 2. Différents types de moulage .....................................................................................3 3. Avantages et limitations ...........................................................................................3 II. Moulage en sable (Procédé classique : en châssis et avec modèle) ............................4 1. Principe ....................................................................................................................4 2. Procédure .................................................................................................................4 3. Conception du moule ................................................................................................8 3.1 . Obtention du dessin du brut de moulage ............................................................9 3.2 . Obtention du dessin modèle et du noyau ............................................................9 3.3 . Conception du moule.........................................................................................9 Chapitre II - Procédés d’obtention des pièces mécaniques par déformation plastique ............ 12 I. Généralités ................................................................................................................. 12 II. Forgeage mécanique ............................................................................................... 12 1. Forgeage libre ........................................................................................................ 13 1.1 . Principe ........................................................................................................... 13 1.2 . Equipement ..................................................................................................... 14 1.3 . Procédure ........................................................................................................ 15 1.4 . Opérations fondamentales de forgeage libre .................................................... 15 2. Forgeage en matrice fermée : Estampage/ matriçage ............................................... 17 2.1 . Principe et équipement .................................................................................... 17 2.2 . Procédure ........................................................................................................ 18 2.3 . Règles de conception des pièces estampées (ou matricées) .............................. 19 3. Laminage ............................................................................................................... 21 4. Extrusion, filage ..................................................................................................... 22 III. Travail des métaux en feuille .................................................................................. 23 1. Découpage et poinçonnage ..................................................................................... 24 1.1 . Découpage et poinçonnage classique ............................................................. 24 Fabrication mécanique II Table des matières 1.2 . Autres procédés de découpage : Découpage au jet d’eau, Découpage au plasma, Découpage au laser ...................................................................................... 28 1.3 . Découpage et poinçonnage CNC ................................................................... 31 2. Pliage, Cintrage, fluotournage ............................................................................... 31 2.1 . Pliage .............................................................................................................. 31 2.1 . Pliage avec commande numérique CNC ......................................................... 35 2.2 . Cintrage .......................................................................................................... 36 2.3 . Fluotournage/repoussage ................................................................................. 36 3. Emboutissage ......................................................................................................... 37 3.1. Emboutissage avec ou sans serre-flan .................................................................. 37 3.2. Etude de cas : emboutissage cylindrique à une passe ........................................... 39 IV. Métallurgie de poudres ........................................................................................... 41 1. Principe .................................................................................................................. 42 2. Préparation des poudres métalliques ....................................................................... 42 3. Compactage............................................................................................................ 43 4. Frittage ................................................................................................................... 44 5. Opérations secondaires ........................................................................................... 44 6. Avantages et inconvénients .................................................................................... 44 Chapitre III - Soudage des métaux ........................................................................................ 46 I. Généralités ................................................................................................................. 46 II. Opération de soudage ............................................................................................. 46 1. Définitions ............................................................................................................. 46 2. Etapes du procédé de soudage ................................................................................ 47 3. Classification des procédés de soudage selon la source d'énergie ............................ 48 III. Soudage oxyacéthylénique (au chalumeau) ............................................................. 48 1. Principe .................................................................................................................. 48 2. Considérations pratiques......................................................................................... 49 3. Limitations ............................................................................................................. 49 IV. Soudage à l’arc électrique ....................................................................................... 50 V. Soudage par résistance ............................................................................................... 52 VI. Règles de conception .............................................................................................. 53 VII. Calcul de la résistance du cordon de soudure en traction et en cisaillement ............. 55 Chapitre IV – Mise en œuvre des matières plastiques ........................................................... 56 I. Généralités sur les matières plastiques ....................................................................... 56 Fabrication mécanique II II. Table des matières Mise en œuvre par injection.................................................................................... 57 1. Principe .................................................................................................................. 58 2. Equipement ............................................................................................................ 58 3. Procédure ............................................................................................................... 59 III. Mise en œuvre par extrusion ................................................................................... 59 1. Principe .................................................................................................................. 60 2. Equipement ............................................................................................................ 60 3. Procédure ............................................................................................................... 61 IV. Mise en œuvre par soufflage/extrusion ................................................................... 61 1. Principe et équipement ........................................................................................... 61 V. Mise en œuvre par compression ................................................................................ 62 Fabrication mécanique II Table des matières Fabrication mécanique II Généralités Généralités : Classification des différents procédés Le matériau subit, pour fabriquer une pièce, différentes étapes de fabrication qui font intervenir un ou plusieurs modes de déformation et /ou de transformation. L’objectif est d’obtenir une pièce conforme au cahier des charges de point de vue précision et de point de vue caractéristiques (résistance mécanique, résistance à la corrosion, coût…). D’où, le choix du matériau ayant des propriétés mécaniques et métallurgiques influence grandement le choix du procédé de fabrication. (Exemple : Les fontes ne peuvent pas être forgées à cause de leur fragilité). De point de vue économique, il est important de réduire au maximum les coûts de production par : - Le choix du procédé le plus adapté en cas de production unitaire, d’une petite série ou une grande série de pièces et ce, à cause du coût élevé des outillages. - La réalisation des pièces brutes qui diminuent les usinages et simplifient les assemblages terminaux. Les procédés d'obtention des pièces brutes permettent d'obtenir des pièces : - aux formes simples ou compliquées - de qualité parfois suffisante (états de surface et caractéristiques dimensionnelles). Ceci permet d’éviter les usinages longs et coûteux. - finies (le cas des pièces frittées) Matière première Procédé d’obtention des pièces brutes Pièce brute Produit semi-fini Usinage Pièce fonctionnelle Produit fini La pièce brute nécessite parfois l'utilisation successive de différents procédés de fabrication. Il existe trois voies principales d’obtention des pièces brutes selon l’état de départ du matériau métallique : - le moulage à partir de l’état liquide; le façonnage à partir d’une ou plusieurs pièces à l’état solide. Les pièces peuvent être façonnées par formage (mise en forme sans enlèvement de matière : pliage, emboutissage, ...) ou usinées (mise en forme avec enlèvement de matière : tournage, fraisage, ...) On distingue dans le formage : le travail des métaux à l’état massif, pratiqué essentiellement dans les industries métallurgiques (ex : forgeage,…) Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 1 Fabrication mécanique II Généralités le travail des métaux en feuilles, pratiqué dans les industries mécaniques (ex : pliage,…) le frittage ou compactage (métallurgie des poudres) à partir de l’état pulvérulent par dispersion des poudres à haute température et éventuellement sous pression. Moulage à partir de l’état liquide Assemblage : soudage, brasage, collage, … Frittage à partir de poudres Façonnage à partir de l’état solide Formage : sans enlèvement de la matière à chaud ou à froid Travail des métaux à l’état massif : laminage, forgeage (estampage, matriçage), filage, étirage, tréfilage Usinage : avec enlèvement de matière Travail des métaux en feuilles : emboutissage, pliage, fluotournage, découpe, … Traitements thermiques et/ou de surface Figure 1 - Principaux procédés de mise en forme des matériaux métalliques Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 2 Fabrication mécanique II Moulage des pièces métalliques Chapitre I - Moulage des pièces métalliques I. Généralités 1. Principe La fonderie (le moulage) est un mode d'obtention des pièces brutes associé au coulage du matériau métallique possédant une bonne fluidité, une assez basse température de fusion et un faible retrait à la solidification (métaux ferreux et non ferreux tels que les fontes grises et malléables, les aciers, l’aluminium et alliages, le cuivre…). Les procédés de moulage employés dépendent de l’alliage fondu, des dimensions, des caractéristiques et des quantités de pièces à produire. Ils permettent la réalisation de pièces métalliques de masses imposantes et/ou ayant des formes très compliquées sur une base unitaire ou en grandes séries. Le moulage consiste à : - faire fondre le métal - le couler dans le moule contenant l'empreinte de la pièce à obtenir - démouler la pièce après solidification Exemples de pièces obtenues par moulage : les bâtis de machines outils, blocs moteurs, cylindres de laminoirs, carters moteur pour les véhicules,… 2. Différents types de moulage Les procédés de moulage comprennent : - le moulage en moule non permanent utilisé pour les productions unitaires ainsi que pour les petites séries le moulage en moule permanent réservé aux grandes séries (supérieures à 2000 pièces). Pour le moulage en moule non permanent, le moule sera détruit pour l’extraction de la pièce moulée. Il comprend le moulage en sable, à la cire perdue, avec plaque modèle, en carapace, etc. Le moulage en moule permanent exige la fabrication et l'utilisation de moules métalliques (coquilles) ayant de grandes durées de vie permettant la production de grandes séries de pièces. On trouve le moulage sous pression, par centrifugation et en continu. 3. Avantages et limitations Le moulage permet de : Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 3 Fabrication mécanique II - Moulage des pièces métalliques Obtenir de formes de pièces particulièrement compliquées difficilement réalisables avec d'autres techniques. Réaliser les formes intérieures et extérieures des pièces Mettre en œuvre des métaux très variés Produire de petites et grandes séries Diminuer le cout et les délais de fabrication Par contre, les limitations sont : - Faible précision dimensionnelle Mauvais état des surfaces pour le moulage en sable par exemple Des défauts dus au retrait Nécessité d’usinage pour éliminer les conduits d'alimentation et de coulée II. Moulage en sable (Procédé classique : en châssis et avec modèle) 1. Principe Le moulage en sable convient aux métaux à haute température de fusion ou pour la fabrication des pièces de grande taille. Il consiste à réaliser une empreinte (cavité) dans un matériau plastique (sable) à partir du modèle de la pièce, à couler le métal fondu dans cette empreinte et à extraire la pièce après destruction du moule. Figure I.1 - Moulage en sable 2. Procédure a) Préparation du sable de moulage Les sables de moulage sont principalement constitués de sables siliceux ou de sables de minéraux réfractaires. Ces grains sont enrobés de liants et d’adjuvants. Le sable de moulage doit satisfaire à plusieurs exigences fondamentales : - Plasticité: Le sable de moulage doit conserver l’empreinte laissée par le modèle jusqu’à la solidification complète du métal. - Réfractairité: Le sable de moulage doit résister à la grande température du métal en fusion Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 4 Fabrication mécanique II - - - Moulage des pièces métalliques Cohésion: Le sable de moulage doit résister à la pression statique du métal liquide ainsi qu’à la pression dynamique (par effet d'érosion) pour éviter l'effondrement du moule lors de la coulée, du moulage, du montage et du transport. Perméabilité: Un sable de moulage devrait être perméable aux gaz dissous dans le métal liquide coulé et à la vapeur d’eau se dégageant des sables eux mêmes pour éviter la formation de retassures et de soufflures. Granulométrie: Le sable de moulage doit être préparé (avec trois tamis successifs) de manière à avoir des formes les plus semblables et les plus sphériques possible. Cette propriété a une incidence directe sur la perméabilité aux gaz et sur l’état de surface. Il existe trois types de sables : - sables de contact réfractaires (en contact direct avec la surface de la pièce et le métal en fusion), - le sable de remplissage utilisé pour remplir le reste du moule au dessus du sable de contact - le sable unique avec de meilleures propriétés utilisé à la fois comme sable de contact et sable de remplissage. Le sable unique est utilisé dans les fonderies mécanisées. La préparation des sables de moulage passe par trois étapes : - Le séchage de l’eau dans les sables de moulage - Le broyage de l'argile et des vieux noyaux. - La régénération c’est à dire le concassage des sables de moulage récupérés après le décochage. - Le mélange des différents constituants c’est à dire : l'argile, les additifs (plastifiants, antigrippants, matières organiques, ..) sont mélangés au sable siliceux avec de l'eau dans des malaxeurs spécialement conçus. b) Préparation du noyau Le noyau qui sera placé dans l’empreinte du modèle permet de créer les évidements présents dans les pièces. Il est préparé en sable auto-siccatif, réalisé séparément dans une boite à noyau en bois ou en métal. Il comporte deux parties : une donnant la forme intérieure de la pièce qui sera en contact avec le métal liquide, l’autre en contact avec le sable du moule qui sert à son positionnement (portées). Figure I.2 - Préparation du noyau Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 5 Fabrication mécanique II Moulage des pièces métalliques Figure I.3 - Positionnement du noyau dans le moule c) Réalisation de l’empreinte L’empreinte est réalisée en tassant le sable de moulage dans les deux parties du châssis métallique autour du modèle. Le modèle, généralement fabriqué en bois ou en résine, dépend de la forme du brut de fonderie et comprend 1) les surépaisseurs d'usinage 2) le retrait lors de la solidification de l’alliage (1,2 à 2,4% pour les aciers ; 1 à 1,5% pour les fontes ; 1,2 à 1,6% pour les alliages d’aluminium et cuivre) 3) la dépouille qui facilite son extraction sans dégradation de l’empreinte 4) les portées de noyau pour le maintenir et le positionner 5) les congés permettant d’éviter les tensions internes et de faciliter le démoulage Le modèle est ensuite retiré. L’empreinte correspond à la pièce brute (en tenant compte du retrait) et donne les parties extérieures de la pièce. Figure I.4 - Réalisation de l’empreinte Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 6 Fabrication mécanique II Moulage des pièces métalliques d) La réalisation du système d'alimentation et d’attaque - Le système de remplissage est destiné à couler et acheminer le métal fondu de l’extérieur vers l’empreinte. Il est constitué d’un entonnoir, une descente de coulée et des chenaux de coulée qui alimentent l’empreinte. - Les masselottes : ce sont des réserves de métal liquide, ménagées dans les moules, qui permettent d’alimenter la pièce pendant sa solidification. - Les trous d’évent: permettent l’échappement de l’air et des gaz formés lors de la coulée du métal en fusion. Figure I.5 - Système d'alimentation et d’attaque Après la mise en place du noyau, le moule est refermé. e) La coulée C'est le remplissage du moule par du métal fondu. f) Le décochage de la pièce C’est l'extraction ou le démoulage de la pièce après refroidissement et solidification du métal fondu. Figure I.6 - Pièce décochée g) L’ébarbage C'est l'enlèvement des conduits de remplissage et d'alimentation solidifiés avec la pièce. Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 7 Fabrication mécanique II Moulage des pièces métalliques h) Le contrôle Au stade final de la production, les pièces brutes doivent subir un certain nombre de contrôles : - Contrôle des caractéristiques mécaniques et physiques - La recherche d’éventuels défauts qui pourraient être détectés sur la surface de la pièce ou dans sa masse. Figure I.7 - Opérations du moulage en sable 3. Conception du moule La conception du moule prêt à la coulée passe par plusieurs étapes : 1- La conception du brut 2- La conception du modèle et du noyau 3- La conception du moule Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 8 Fabrication mécanique II Moulage des pièces métalliques 3.1 . Obtention du dessin du brut de moulage A partir du dessin de définition de la pièce à fabriquer, on peut concevoir le brut en suivant les règles suivantes : 1- Examiner les formes réalisables par moulage. 2- Déterminer les formes destinées à un usinage ultérieur ou autres techniques (contre dépouilles, détails géométriques fins, …). Le brut ne doit pas comporter ces détails. 3- Ajouter les surépaisseurs d’usinage au croquis du brut. 4- Choisir le sens de moulage (choix du plan de joint) Critères de choix du plan de joint : - Il est choisit selon la surface dominante de la pièce - Il permet l’évitement des contre dépouilles - Prévoit le minimum d’empreinte dans le châssis supérieur - Prévoit le minimum de nombre de composantes du moule (chape, noyau) - Facilite l'alimentation et la stabilité des noyaux 5- Ajouter les dépouilles, c'est l'angle de la paroi du moule avec la direction d'extraction du modèle. Il est prévu pour l’extraction du modèle sans destruction du moule Figure I.8 – Dépouille et contre dépouille 3.2 . Obtention du dessin modèle et du noyau Le croquis du modèle est obtenu à partir du croquis du brut en ajoutant les éléments suivants : 1- Le retrait : c’est la différence de dimensions linéaires entre l’empreinte du moule et la pièce solidifiée. Il s’exprime en %. et doit être tenu en compte dans le dimensionnement du modèle à partir du brut et ce par une augmentation de volume équivalente en valeur absolue. Sa valeur est la même pour toute la pièce car le retrait est une propriété intrinsèque du métal. 2- Les portées du noyau qui servent à positionner le noyau. Les axes des protées du noyau doivent être soit sur le plan de joint (solution à préférer) soit perpendiculaire au plan de joint. Ils doivent avoir d'importantes dépouilles. 3.3 . Conception du moule 1- Conception du système de remplissage progressif et continu de l'empreinte constitué de : - un entonnoir de coulée qui permet d’éviter la formation de tourbillon lors de la coulée Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 9 Fabrication mécanique II - Moulage des pièces métalliques une descente (ou jet) de coulée des chenaux qui lient le jet et les attaques des attaques qui débouchent directement dans l’empreinte. 2- Conception du système d'alimentation de la pièce par de l'alliage liquide au cours du refroidissement, afin d'éviter la formation de retassures. Ce système est constitué de masselottes. 3- Conception des évents qui facilitent le dégagement des gaz de la coulée. Leur dimensionnement et positionnement permettent d’éviter la formation des soufflures ou retassures. 4- Localisation du modèle et du noyau dans le châssis Note : Cette partie du chapitre est basée sur des applications réalisées en classe. Ces applications visent à concevoir le brut, le modèle et le moule prêt à la coulée pour certaines pièces à partir de leurs dessins de définition ou extraites des dessins d'ensemble. 4. Quelques défauts de fonderie et remèdes possibles Défaut Soufflures Description Origine Remèdes Cavités à parois lisses - Temps de remplissage - Viser un temps mini crées et occupées par trop long. - Abaisser la température les gaz provenant de Température de du moule ou attendre l'air entraîné pendant le démoulage trop élevée. plus longtemps avant le remplissage et non démoulage. évacué - Formation de turbulences - Modifier le tracé : la lors du remplissage de l'empreinte. position de l'attaque ou l'angle d'écoulement. - Peau de pièce trop fine qui ne peut pas résister à la pression des bulles d'air à proximité. Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 10 Fabrication mécanique II Formation de fissures Criques (fissures) (principalement dans les angles) Moulage des pièces métalliques - Retrait différentié du métal provoquant des contraintes (tension divergentes) dans le métal. - Veiller à l'uniformité des épaisseurs des parois - Arrondir les angles. Retassures Retraits visibles à - Différence dans le l’intérieur ou la surface refroidissement de de la pièce qui se certaines parties de la forment à la pièce. solidification du métal. Porosité (piqûre) Micro cavités d'origine gazeuse - Prévoir des masselottes Elles proviennent de la Modifier le tracé : la dissolution de gaz dans le position des évents métal liquide lors de la fusion donnant naissance à des porosités dans la structure. Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 11 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique Chapitre II - Procédés d’obtention des pièces mécaniques par déformation plastique I. Généralités Les procédés de mise en forme par formage utilisent l’aptitude des matériaux à la déformation plastique à l’état solide (plasticité, ductilité,..). La capacité du matériau à se déformer est fonction de ses caractéristiques, des moyens mis en œuvre et des conditions opératoires, en particulier la température de fromage. On distingue : la mise en forme à froid et la mise en forme à chaud. L’augmentation de la température induit : - une élévation de la malléabilité du métal (son allongement à la rupture) ce qui améliore sa capacité à la déformation plastique - une diminution de sa limite élastique donc le matériau nécessite moins de contrainte pour obtenir une déformation permanente. Matière de base Sollicitation Procédé Série Exemples Pression directe Forgeage Pièce unitaire ou petites série arbres de générateurs hydrauliques, disques de turbines, laminoirs… Rails de train, tôles, poutrelles… Vilebrequins, bielles, leviers… Visseries, douilles,… Laminage Solide Pression directe Cisaillement Feuille (tôle) Flexion Traction Poudre Pression + haute température Estampage/matriçage Grandes séries Filage direct (extrusion) Filage inverse Tréfilage Cisaillage Poinçonnage et découpage Pliage Roulage et cintrage Emboutissage Grandes séries Frittage Grandes séries Grandes séries Grandes séries Grandes séries Boites de coca,… Fils de bobine,… Tôlerie Tôles perforées Tôlerie Boites de tomate,… Automobiles, électroménagers,… Plaquettes de coupe en carbure, plaquettes de frein Tableau II.1 - Quelques procédés de fabrication par déformation plastique II. Forgeage mécanique Le forgeage est l'ensemble des techniques permettant d'obtenir une pièce mécanique en appliquant un effort important sur un lopin de métal, chauffé ou non, pour le contraindre à prendre la forme désirée. On distingue plusieurs techniques : forgeage libre, estampage, Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 12 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique matriçage, laminage et extrusion. Les pièces obtenues sont, le plus souvent, des ébauches qui doivent subir des opérations d’usinage à l’outil ou à la meule. Le forgeage peut être appliqué aux aciers de construction, aux alliages d'aluminium et aux laitons. Il permet l’obtention d’excellentes propriétés mécaniques du métal mis en œuvre. En effet, sous l’effet de la pression, le matériau de la pièce est corroyé. Il en résulte un fibrage permettant à la pièce d’avoir une meilleure tenue en fatigue (efforts alternés et répétés), une meilleure compacité en éliminant les défauts et une structure plus fine et plus homogène. Figure II.1 - Fibrage dans une pièce forgée 1. Forgeage libre 1.1 . Principe Le forgeage libre permet l’obtention des pièces brutes par déformation plastique du métal à chaud sous l’effet de choc ou de pression. Il exploite les propriétés qu’ont les métaux de passer à l’état pâteux avant de fondre et d’être à ce stade, plastiques et très malléables. Il conduit à l’obtention d’ébauche dont la forme est assez proche de la pièce finie. La matière première sous forme de lopins (demi-produits: lingots, blooms, barres, billettes) est comprimée suivant une direction et se déplace librement suivant les deux autres. Le forgeage libre est utilisé pour la fabrication de pièce unitaire ou de petites séries de pièces. Il permet la fabrication des pièces lourdes (jusqu’à 250t) du type arbres de générateurs hydrauliques, disques de turbines, vilebrequins des moteurs maritimes, etc. Les pièces forgées peuvent rester brutes de forgeage ou peuvent être façonnées par matriçage/estampage pour avoir des formes plus précises. Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 13 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique Figure II.2 - Forgeage libre 1.2 . Equipement Le forgeage libre met en œuvre des engins mécaniques de deux types - engins travaillant par choc : un des tas est animé d’une vitesse V 6m/s pour la frappe (moutons, marteaux-pilons). - engins travaillant par pression : le tas est porté par un coulisseau pour presses mécaniques, un piston pour les presses hydrauliques, il se déplace à une vitesse inférieure à 1m/s. Le marteau pilon est constitué d’un marteau soulevé par la pression de la vapeur agissant sous un piston. Il est dit à double effet lorsque cette énergie agit avec la gravité pour accélérer la descente et augmenter la force de frappe de la masse frappante. Il est dit à simple effet si l’énergie de la vapeur ne sert qu’à soulever la masse frappante après sa descente de son propre poids sur la pièce. Cette dernière est supportée par une enclume, fixée sur une chabotte. Figure II.3 - Marteau pilon à vapeur Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 14 Fabrication mécanique II 1.3 . Procédés de fabrication par déformation plastique Procédure 1- Le lopin de métal à forger est chauffé à la température de formage désirée. Sa section et ses dimensions doivent être proches de celles la pièce finie. Son poids est égal au poids de la pièce finie augmenté de la perte au feu due à l’oxydation du métal lors de son chauffage. 2- Le lopin est porté ensuite sur l’enclume 3- Une masse frappante tombe sur le lopin. 4- L’opérateur manipule la pièce entre les coups et peut utiliser des outils spéciaux pour façonner la pièce 1.4 . Opérations fondamentales de forgeage libre a) Étirage Cette opération permet la diminution de la section d’un lingot pour augmenter sa longueur. Elle se fait directement entre le marteau et l’enclume appelés tas par passes successives. Figure II.4 - Etirage b) Refoulement C’est l’opération inverse de l'étirage. Elle permet d'augmenter la section en diminuant la longueur. Figure II.5 - Refoulement c) Etampage C’est l’opération de mise au rond d’un lopin de section carré en utilisant des tas de forme arrondie. Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 15 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique Figure II.6 - Etampage d) Dégorgeage Cette opération permet d'obtenir des gorges (diminutions brusques de section). L’outil spécial utilisé est une gorge. Figure II.7 - Dégorgeage e) Poinçonnage Réalisation d’un trou, non calibré de forme conique, à l’aide d’un poinçon plein ou creux. Cette opération prépare le mandrinage. Figure II.8 - Poinçonnage f) Mandrinage C’est l’opération qui permet le calibrage du trou réalisé. Figure II.9 - Mandrinage Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 16 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique Il existe plusieurs autres opérations tels que : bigornage, laminage circulaire, rétreinte et étirage avec mandrin, élargissement, trianglage, maillage, etc. 2. Forgeage en matrice fermée : Estampage/ matriçage 2.1 . Principe et équipement L’estampage et le matriçage sont des procédés de forgeage en matrice fermée reproduisant la forme de la pièce recherchée. L’estampage est employé pour les métaux ferreux tandis que le matriçage pour les métaux non ferreux. Il consiste à former un lopin (généralement une ébauche) chauffé entre deux blocs (outillage spécifique appelé matrices) portant les gravures des pièces à obtenir et un cordon de matrice qui va former à la périphérie de la pièce estampée (cordon de bavure). Les blocs sont généralement montés sur un marteau pilon ou sur une presse à forger. L’estampage /matriçage permet la production de moyennes à de grandes séries de pièces avec une précision dimensionnelle plus grande qu’en forgeage libre. Figure II.10 - Procédé d’estampage/matriçage Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 17 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique Figure II.11 - Matrice d’estampage d’une bielle Le cordon de bavure est prévu pour freiner la sortie du métal et le logement de bavure pour loger l’excédent de métal. (a) (b) Figure II.12 - Exemples de pièces estampées (a) et matricées (b) 2.2 . Procédure - Chauffer le lopin de métal à la température convenable. - Intercaler le lopin chauffé entre la matrice inférieure et la matrice supérieure. - La machine-outil agit par choc ou par pression pour contraindre le lopin à se déformer et à épouser les formes de la gravure. C’est la première opération qui peut être réalisée en plusieurs étapes successives de formage: étirage, roulage, cambrage, ébauche, finition. - La bavure qui résulte de l'étape précédente est éliminée par cisaillage sur une presse auxiliaire appelée matrice à ébavurer. C’est l’opération d’ébavurage. Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 18 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique Exemple : Estampage d’une bielle Figure II.13 Différentes étapes d’estampage d’une bielle 2.3 . Règles de conception des pièces estampées (ou matricées) La conception d’une pièce pour estampage (ou matriçage) consiste à définir les caractéristiques d’une pièce brute répondant aux contraintes de la fabrication par estampage et qui permettra d’obtenir la pièce finie après usinage. Cette procédure s’appelle habillage de pièce à partir d’une géométrie de la pièce usinée. Les étapes à suivre pour l’habillage de la pièce sont les suivantes : Etape 1 : Sens de l’estampage Choisir une orientation de manière à n'avoir aucune forme en creux, perpendiculairement au sens de l'estampage Etape 2 : Plan de joint IL doit passer par la plus grande section de la pièce, perpendiculaire au sens de l'estampage, si possible. Etape 3 : Surépaisseurs d’usinage Ajouter les surépaisseurs d’usinage sur toutes les surfaces qui sont en contact avec d'autres surfaces. Les surfaces brutes libres peuvent rester sans surépaisseurs d’usinage. Etape 4 : Dépouille Prévoir des dépouilles de quelques degrés sur les faces parallèles au sens de l'estampage pour faciliter l’extraction de la gravure. Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 19 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique Etape 5 : Toiles Les noyaux utilisés dans l’estampage sont fabriqués en deux paries : une liée à la matrice supérieure, l'autre à la matrice inférieure. Afin d’éviter à ce que les deux demi-noyaux viennent en contact, une toile perpendiculaire au sens de frappe et répartie de part et d'autre du plan de joint est mise en place. Etape 6 : Rayons de raccordement Prévoir des rayons de raccordement les plus grands possibles dans les zones de changement de sections. Figure II.14 - Habillage d'une pièce estampée Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 20 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique 3. Laminage Le laminage est un procédé de déformation par compression continue d’un produit (lingot) lors de son passage entre deux cylindres tournant en sens inverse. Ces deux cylindres constituent le laminoir. Cette opération peut être réalisée à chaud ou à froid et permet l’obtention de tôles ou des profilés (rails, barres, poutrelles). Figure II.15 Procédé de laminage Il existe plusieurs types de laminoirs : - Laminoir à produits plats Laminoirs à produits longs Laminoirs à fils Laminoirs à rouleaux coniques utilisés pour le formage des roues pour le chemin de fer. Le laminage à chaud permet d’obtenir des produits longs (barres, fils, tubes, poutrelles, rails…) à partir des billettes et des blooms et des produits plats (tôles, bandes et feuillards) à partir des brames. Les cylindres du laminoir sont, alors, soit lisses (laminage plan), soit cannelés (laminage de mise en forme). Le laminage à chaud améliore les caractéristiques mécaniques dans le sens de l'étirement. Le laminage à froid s’applique aux produits plats issus du laminage à chaud et permet d’obtenir des tôles minces jusqu’à 0.1 mm. Le matériau est écroui par laminage, un recuit est nécessaire pour le rendre à nouveau isotrope et pour restaurer sa malléabilité. Applications: carrosserie d’automobile (tôle mince d’épaisseur moyenne comprise entre 0.5 et 1 mm, emballage (fer blanc d’épaisseur inférieur à 0.2 mm). Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 21 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique Figure II.16 - Procédure de laminage 4. Extrusion, filage L’extrusion ou filage est un procédé de mise en forme des matériaux par forgeage au cours duquel un piston oblige la matière (sous forme de billette) à passer dans un trou ou filière de section déterminée ou à remonter le long du piston. Pour assurer la poussée, des presses hydrauliques sont généralement utilisées. Ce procédé permet d'obtenir des produits longs (barres, tubes, profilés, etc.) présentant des états de surface excellents et peut être appliqué sur un grand nombre de métaux : alliages d'aluminium, aciers, alliages de cuivre, alliages de magnésium, etc. Figure II.15 - Procédé de filage Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 22 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique On distingue trois différents types de filages : - Le filage direct : un poinçon exerce une poussée sur la billette de métal chauffée. Le métal s’écoule dans le même sens de déplacement du poinçon - Le filage inverse ou indirect : le métal se déplace à contre sens du poinçon. - Le filage sur aiguille : Le métal s’écoule dans le même sens du déplacement du poinçon qui est doté d’une aiguille. (a) (b) (c) Figure II.16 - Différents types de filage : (a) direct, (b) inverse, (c) sur aiguille III. Travail des métaux en feuille Les métaux en feuilles sont les tôles métalliques respectant les conditions suivantes : ≤ 10 , e : épaisseur de la tôle On distingue les tôles fines (e<3 mm) ou fortes (e>3 mm). Le travail des métaux en feuilles consiste soit au découpage par cisaillement, soit à la déformation plastique à froid sous l'action d'une force mécanique (choc ou pression) des tôles métalliques (emboutissage, le pliage, etc). Des traitements de recuit sont nécessaires pendant les étapes de déformation des tôles pour restaurer la ductilité du matériau diminuée par écrouissage. L’industrie de mise en œuvre des métaux en feuille est appelée chaudronnerie. Cette branche industrielle permet la production de pièce unitaire et des séries de pièces par voie mécanique ou automatique. Les pièces produites entrent dans la réalisation d'équipements destinés aux secteurs des industries de l'alimentaire, de la chimie, de l'énergie, de l'aéronautique, etc. Exemple d’applications : Carrosserie automobile, carter de machine, équipements électroménagers, boites de conserves, etc. Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 23 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique Figure II. 17 - Exemples de travail des métaux en feuilles Les tôles sont préparées par découpage aux dimensions désirées par un procédé mécanique (cisaillage) ou par fusion localisée du métal (découpage au jet d’eau, découpage au plasma, découpage au laser, etc.) pour les procédés de poinçonnage, pliage, cintrage, fluotournage, emboutissage, etc. 1. Découpage et poinçonnage 1.1 . Découpage et poinçonnage classique a) Cisaillage Le cisaillage est une technique de découpage de tôles métalliques. Il consiste à séparer les tôles totalement ou partiellement à l’aide de deux lames dont l’une, au moins, est mobile. Ce procédé utilise des presses appelées cisailles qui peuvent être à lames parallèles, obliques, circulaires, longues ou courtes. Il permet d’obtenir un profil donné (contour) dans un métal en feuille en petites, moyennes ou grandes séries. Figure II.18 - Schéma de principe d’une cisaille b) Découpage et poinçonnage Le découpage-poinçonnage est un cisaillage sur un contour fermé sur une tôle appelée flan pour le découpage et débouchure pour le poinçonnage. Dans ce cas, un poinçon et une matrice en acier dur traité remplacent les lames du cisaillage. Le poinçon et la matrice ont la forme du contour (ajour) à poinçonner ou de la pièce à découper. La plaque poinçonnée est fixée par un dévêtisseur. Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 24 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique Figure II.19 - Procédé de découpage/poinçonnage Les opérations de découpage et poinçonnage classique sont données par le tableau suivant : Opérations de découpage Principe Découpage Obtention d'un flan par séparation suivant une ligne fermée dans une bande ou une feuille. Le déchet est appelé squelette. On conserve la partie extérieure. Le déchet est la débouchure. Poinçonnage Crevage Découpage partiel Encochage Découpage débouchant sur un contour Grignotage Poinçonnage partiel Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar Schéma de principe 25 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique Arasage ou repassage Découpage en reprise (précision et état de surface). Détourage Finition d'un contour déjà ébauché, modifié au cours d'une déformation Tableau II.2 Opérations de découpage et poinçonnage classique - Jeu fonctionnel : Un jeu fonctionnel adéquat entre la matrice et le poinçon est nécessaire pour diminuer l’effort de poinçonnage et l’écrouissage de la zone poinçonnée, pour réduire le risque de rupture de la matrice et pour obtenir un produit de qualité meilleure. Il est fonction de la nature du métal et de l’épaisseur de la tôle. Laiton et Cuivre : jeu = épaisseur /20 Acier demi-dur : jeu = épaisseur /16 Acier : jeu = épaisseur /14 Alliage d’aluminium : jeu = épaisseur /10 Figure II.20 - Jeu poinçon-matrice Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 26 Fabrication mécanique II - Procédés de fabrication par déformation plastique Effort de poinçonnage ou de découpe : Il est donné par la formule suivante : = × × avec : e (mm) : épaisseur de la tôle Fc (daN) : effort de découpe L (mm) : périmètre du profil détaché Rc (daN/mm2) : résistance au cisaillement. Elle dépend du matériau travaillé, on l’estime à environ 0,8 fois la résistance à la traction Rm . Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 27 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique 1.2 . Autres procédés de découpage : Découpage au jet d’eau, Découpage au plasma, Découpage au laser Procédé de découpage Découpage au jet d’eau Principe Ce procédé utilise un jet d'eau pour découper la matière sur deux données: - énergie potentielle due à la pression - transformation de l’énergie potentielle en énergie cinétique en accélérant le fluide L'eau sous très haute pression (jusqu'à 6000 bars) est produite par une pompe hydraulique et un multiplicateur de pression. Elle sort de la buse de découpe à une vitesse de 900 m/s à 4135 bars (environ 3 fois la vitesse du son) à une vitesse de 1 200 m/s à 6150 bars (environ 4 fois la vitesse du son). On distingue deux techniques de découpage : - la découpe à l'eau pure pour tous matériaux tendres: éponge, acier doux, cuir, tissus, plastiques, carton, etc. - la découpe à l'eau chargée d'abrasif type olivine, corindon ou grenat pour tous les matériaux sauf le verre trempé) Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar Schéma de principe Considérations pratiques - Les machines de dernières générations intègrent une tête montée sur deux axes et un algorithme permettant de compenser le principal point faible du jet d’eau : la dépouille (causée par la déviation ou le retard du jet en grande vitesse - Cette technique est très bonne en ligne droite car elle permet d’obtenir une vitesse de coupe supérieure mais montre des points faibles lors des changements de direction. - La découpe au jet d’eau permet de découper à l’aide de plusieurs têtes. Chaque tête de découpe supplémentaire exige un débit d’eau supplémentaire qui requiert soit une pompe plus grande, soit un orifice plus petit 28 Fabrication mécanique II Découpage au plasma Découpage au LASER Procédés de fabrication par déformation plastique Le Plasma est un procédé de découpe par fusion localisée dans lequel le jet de gaz ou d'air comprimé chasse le métal porté à une température de fusion. La température générée par l'arc électrique est voisine de 18000°C. Le Plasma est le quatrième état de matière obtenu lorsque plusieurs conditions sont réunies (gaz, pression, température élevée) ou la matière n'est plus composée d'atomes et de molécules, mais d'ions et d'électrons. La découpe LASER est un procédé de découpe de la matière grâce à une grande quantité d’énergie générée par un laser et concentrée sur une très faible surface. La focalisation d'un rayon laser permet d'élever la température d'une zone réduite de matière, jusqu'à vaporisation. La puissance d'un laser varie en fonction du matériau à découper et de son épaisseur. La zone affectée thermiquement (ou ZAT) par le rayon laser est relativement faible, ce qui explique le peu de déformation subi par les pièces découpées. Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar - L'usage de la torche de découpage (chalumeau coupeur) au plasma doit se faire impérativement dans des locaux spécialement ventilés ou en plein air à cause de dégagement de gaz toxiques généré par les très hautes températures de travail. - Certains systèmes de découpe au plasma comprennent un apport d'eau sous forme d'un jet calibré qui, jaillissant de la torche plasma, permet de refroidir le métal sitôt après sa découpe plasma, évitant également le dégagement de ces gaz toxiques. - Ce procédé permet une découpe précise, nette et rapide de nombreux matériaux (métal, textile, papier, carton, céramique, composite, cuir, verre, etc. ..) jusqu'à 25 mm. - La découpe peut se faire sur des objets plats (plaques) ou des objets en volume. - Certains matériaux possèdent toutefois des propriétés qui complexifient leur réaction au laser : par exemple l’argent et le cuivre en raison de leurs propriétés 29 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique Il est très courant d'utiliser un gaz additionnel (Argon, Azote, O2) dans la zone de découpage pour en améliorer l’efficacité : soit pour repousser les débris de découpe afin de maintenir une zone de travail propre, soit pour neutraliser la ZAT et éviter la formation de flamme, soit pour favoriser la découpe par oxydation. réfléchissantes. Il est toujours important de bien qualifier l’adéquation entre le laser et la matière. - Le choix d’utilisation d’un laser prend en compte des critères de performance tels que la vitesse de découpe, l’intégration dans une chaîne de production et le rendu final sur matériaux. Comparaison : Procédé de découpage Au jet d’eau Au plasma Au LASER Matériaux Tous types de matériaux même les matériaux hétérogènes (ex: tôle sandwich, composites multicouches Les matériaux conducteurs d'électricité: les aciers inoxydables, les métaux non ferreux, les aciers doux… Tous types de matériaux Epaisseur jusqu’à 150 mm d’épaisseur jusqu'à environ 75 mm de 0.5 à 150 mm Précision jusqu’à 0.025 mm. jusqu’à 0.25 mm. jusqu’à 0.025 mm. Limitations - Niveau sonore: pompes très bruyantes (supérieur à 80 dB) - Difficulté à découper des corps creux - Problème de recyclage des eaux usées - Vitesse d’exécution parfois faible (par rapport au laser) - Cout de fonctionnement élevé - Une protection adaptée de l'opérateur est indispensable. - L’usage de la torche de découpage doit se faire impérativement dans des locaux ventilés ou en plein air à cause du dégagement des gaz dangereux pour la respiration - L’effet thermique associé à l’opération de découpe et de marquage d’où la nécessité des techniques spécifiques de refroidissement de la matière à découper : soit par l’adaptation de la vitesse, soit par l’apport d’un gaz adapté, soit par l’optimisation des paramètres du laser. - La connaissance des règles de sécurité est un impératif préalable à l’utilisation d’un laser. Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 30 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique 1.3 . Découpage et poinçonnage CNC Le terme commande numérique, CNC, désigne l'ensemble de logiciels ayant pour fonction de donner les instructions de mouvements à tous les éléments d'une machine-outil dans un procédé de fabrication mécanique. Le découpage par CNC permet l’obtention d’une précision et une grande vitesse de coupe qu’une machine manuelle ne permet pas et de coordonner plusieurs outils ce qu’un opérateur ne peut pas réaliser. Les procédés de découpage au jet d’eau, au plasma et au laser s’adaptent bien avec la commande numérique. 2. Pliage, Cintrage, fluotournage 2.1 . Pliage a) Principe Le pliage est un procédé de déformation plastique permettant l’obtention de pièces de forme développable (réversible) et à plis rectilignes à partir d'une tôle métallique (flan) en utilisant un poinçon et une matrice de formes appropriées. Ce procédé est généralement réalisé sur des presses plieuses : - mécaniques (le déplacement du coulisseau est actionné par un système biellemanivelle). - hydrauliques (le coulisseau se déplace grâce à un ou plusieurs vérins hydrauliques) à tablier supérieur mobile ou à tablier inférieur mobile. - Plieuse universelle à tablier ou un coté du flan est fixé par un volet-presseur et le pli est obtenu par basculement d’un volet-plieur. Figure II.21 - Procédés de pliage : (a) pliage par rotation d’un outil pivotant, (b) pliage sur presse plieuse. b) Différentes techniques de pliage Deux techniques de pliage par presse plieuse sont utilisées : - Pliage en frappe Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 31 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique L'angle du poinçon et de la matrice en Vé est égal à celui du pli à réaliser. Ce procédé présente un retour élastique de 0,5 à 2 - Pliage en l'air L'angle du poinçon et de la matrice en Vé est inférieur à celui du pli à réaliser. L’angle final est celui du Vé, augmenté du retour élastique, environ 2 à 3°. Il permet l’obtention de plusieurs angles de pliage sur le même outillage et nécessite une force quatre fois moins élevée que le pliage en frappe. (a) (b) Figure II.22 - Différents types de pliage : (a) en frappe, (b) en l’air Plusieurs outils spéciaux existent pour le pliage des tôles selon des formes de V, U, Z. Figure II.23 - Divers outils de pliage c) Paramètre de pliage θ : angle de pliage r : rayon de pliage e: épaisseur de la tôle L : longueur du pli d) Rayon minimal de pliage (r) Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 32 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique Le rayon intérieur de pliage ne doit jamais être vif, car un amincissement trop important pourrait amener une apparition de fissures lors du pliage. Il dépend de plusieurs paramètres tels que : - La nature du métal L’épaisseur de la tôle L’état de malléabilité du métal (écroui, recuit, trempé, etc.) Pour l'acier doux et l'aluminium le rayon intérieur minimal de pliage est égal à l’épaisseur de la tôle à plier. Figure II.24 - Rayon minimal de pliage pour quelques métaux et alliages e) Etude sommaire du pliage en l’air i. Développement du flan (détermination du flan de départ) Lors du pliage, les fibres intérieures de la tôle sont comprimées alors que celles extérieures subissent un étirement. Seulement une seule fibre entre les deux zones de déformations qui ne subit aucune déformation. Elle est appelée fibre neutre. La longueur du flan de départ avant pliage est déterminée à partir de la longueur de cette fibre. Figure II.25 - Fibre neutre Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 33 Fabrication mécanique II - Procédés de fabrication par déformation plastique Position de la fibre neutre : Pour les épaisseurs ≤ 4mm et un rayon de cambrage Ri supérieur à 5 fois l’épaisseur de la tôle (Ri>5e), la fibre neutre est placée au milieu de l'épaisseur. Pour les épaisseurs > à 4 mm et un rayon de cambrage Ri inférieur à 5 fois l’épaisseur de la tôle (Ri< 5e) on prend la fibre neutre située au 1/3 de l'épaisseur à partir de la face intérieure. Figure II.26 - Position de la fibre neutre Longueur de la fibre neutre (= la longueur du flan de départ (L)) =∑ +∑ . Avec : n : nombre de segments droits m : nombre d’arcs (généralement n=m-1) Li : longueur du segment droit i αj : angle de l’arc j rj : rayon de l’arc j ii. Détermination de l’effort de pliage en V Plusieurs facteurs rendent difficile le calcul exact de l’effort nécessaire au pliage en V tels que : Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 34 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique - le frottement pièce – outils - le changement des propriétés de la tôle pliée (écrouissage, …) Une formule empirique est néanmoins utilisée pour calculer cet effort: = . . ². Avec : L (mm) : longueur du pli a (mm) : ouverture du V Rm (daN/mm²) : résistance à la rupture par traction de la tole e (mm) : épaisseur de la tôle k : facteur empirique dépendant de a/e a/e 6 8 12 16 k 1,40 1,33 1,24 1,20 2.1 . Pliage avec commande numérique CNC Les presses plieuses avec commande numérique (CNC) offrent une assistance et une optimisation du procédé de pliage et permettent l’obtention des pièces complexes. Les presses sont constituées d’une unité de pliage commandée numériquement par un calculateur (ordinateur) programmable. Toutes les fonctions principales de la machine et tous les axes impliqués dans le processus de pliage sont commandés numériquement. Le calculateur exploite des données telles que: - L’épaisseur de la tôle - Le type du matériau - Le type du poinçon et de la matrice - L’angle intérieur - La longueur de la pièce Et assure les fonctions suivantes : - La création et visualisation de la gamme de pliage optimale - Le calcul de la position des butées pour chacune des étapes - Le calcul de l’effort appliqué pour chaque étape Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 35 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique 2.2 . Cintrage Le cintrage est un procédé mécanique de déformation à froid d'un tube, d'une barre ou d’une tôle, suivant un rayon et un angle donnés. La presse utilisée est une cintreuse ou rouleuse équipée par trois rouleaux, la tôle est entrainée par deux rouleaux et cintrée par le troisième. La cintreuse permet d'obtenir un angle, ou un arc de cercle, ou encore un cercle complet. Exemples d’application : - à partir des tôles : citernes, cuves, etc. à partir des barres : rails, profilés courbés, etc. à partir des tubes, raccordements de canalisations métalliques, etc. Différence entre le cintrage et le pliage: - Le cintrage donne de grands rayons de courbure par rapport au pliage La déformation plastique est locale pour le pliage, générale pour le cintrage Figure II.27 - Procédé de cintrage 2.3 . Fluotournage/repoussage Le fluotournage est une technique de formage par déformation plastique à froid qui permet l’obtention de pièces creuses à partir d’un flan de tôle. Les métaux mis en œuvre sont des métaux malléables tels que l’aluminium et le cuivre. Le flan s’écoule par fluage entre un mandrin et une ou plusieurs molettes. Cette technique s’apparente à celle du potier. Le fluotournage entraine une réduction de l’épaisseur tandis que le repoussage se fait à épaisseur constante. Le fluotournage et le repoussage permettent l’obtention de pièces à faibles épaisseurs avec une précision dimensionnelle et un état de surface excellents. Les efforts mis en œuvre sont modérés et les machines sont à puissance moyenne. Le fluotournage et le repoussage permettent la production de pièces de révolution en grandes séries avec un cout faible. Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 36 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique Exemples d’application : Les secteurs de l'éclairage et du luminaire, l'électroménager, la ventilation, l'armement, l'aéronautique, etc. Figure II.27 - Procédé de fluotournage 3. Emboutissage 3.1. Emboutissage avec ou sans serre-flan a) Principe général L’emboutissage est un procédé de formage par déformation plastique, à froid ou à chaud, d’une tôle préalablement découpée (flan) permettant l’obtention de pièces creuses (emboutis). La pièce obtenue est non développable. L'équipement d'un tel procédé est composé: - d’une matrice qui est un creux ayant la forme extérieure de la pièce. - d’un poinçon mobile qui oblige le flan à s’enfoncer dans la matrice et épouser sa forme intérieure en réservant l’épaisseur de la tôle. - un serre flan qui entoure le poinçon pour les outils à double effet. Il sert à maintenir le flan lors de la descente du poinçon afin d’assurer un écoulement homogène du métal et prévenir les risques de plis. - un éjecteur pour évacuer la pièce par le haut de la matrice. Le poinçon et la matrice sont montés sur des presses hydrauliques ou mécaniques à simple effet (comportent un seul coulisseau pour le poinçon) ou à double effet (avec deux coulisseaux, l’un pour le poinçon et l’autre pour le serre-flan). (a) (b) Figure II.28 Procédé d’emboutissage (a) outil à simple effet, (b) outil à double effet Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 37 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique Les métaux utilisés sont les aciers extra-doux, les aciers spéciaux, les aciers inoxydables, le cuivre, le laiton, l’aluminium et quelques-uns de ses alliages. Les matériaux en emboutissage doivent être utilisés à l’état recuit pour avoir un maximum de malléabilité. Figure II.29 Exemples de pièces embouties Exemple d’applications : carrosseries, équipements électroménagers, récipients, etc. b) Principaux modes de déformation en emboutissage Il existe deux procédés d’emboutissage selon le mode de déformation imposé à la tôle : - L’expansion : dans le cas ou le flan est bloquée sous le serre flan ce qui résulte en une diminution de l’épaisseur de la tôle - Le retreint ou l’emboutissage profond: dans le cas ou le flan glisse librement sous le serre-flan, donc l’épaisseur entre serre-flan et matrice diminue et reste constante sous le poinçon. Une opération d’emboutissage quelconque consiste à réaliser le meilleur compromis entre ces deux modes de déformation. La compression latérale de la tôle pendant sa descente dans la matrice conduit à la formation de plis sur le pourtour de l’embouti pour les tôles épaisses et d’une manière plus accentuée pour les tôles minces. La pression exercée par le serre flan permettant le glissement du flan doit être réglée pour éviter la formation des plis et éviter l’étirement. L’opération d’emboutissage ne doit pas entraîner de variation sensible de l’épaisseur du flan. Figure II.30 - Principaux modes de déformation en emboutissage Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 38 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique c) Considérations pratiques - L’emboutissage permet l’obtention des pièces de forme : cylindrique, tronconique, rectangulaire, hémisphérique, complexe. - Ces formes sont généralement réalisées en plusieurs passes, un recuit de l'embouti est nécessaire entre les passes afin de restaurer la malléabilité de la tôle. - Pour faciliter le glissement du métal, on utilise souvent un lubrifiant entre le flan et la matrice. - La cavité de la matrice doit comporter un important arrondi (rayon 4 à 5 fois l'épaisseur de la tôle). - Un détourage est nécessaire pour couper le haut de l’embouti présentant des imperfections. 3.2. Etude de cas : emboutissage cylindrique à une passe La tôle doit être découpée dans une forme appropriée (flan) permettant l’obtention de la pièce finale. Le diamètre d'un flan pour pièces cylindriques peut être déterminé par la méthode graphique ou analytique. a) Détermination du flan de départ par la méthode analytique Dans l’emboutissage, le diamètre du flan primitif est un facteur primordial, car le rapport d/D détermine le nombre de passes nécessaires (nombre d’outils nécessaires) : - Si (k=d/D) est supérieur à sa limite (k1), alors une seule passe suffira pour réaliser la pièce. Si (k = d/D) est inférieur à sa limite (k1), la pièce doit être exécutée en deux ou plusieurs opérations. Figure II.31 - Valeurs moyennes des coefficients de réduction en emboutissage de quelques métaux Les diamètres des poinçons des différentes passes sont déterminés comme suit : 1ère passe d’emboutissage : d1 = k1.D 2ème passe d’emboutissage : d2 = k2.d1 nème passe d’emboutissage : dn = k2.dn-1 Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 39 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique La détermination du diamètre du flan a pour base l’égalité des surfaces du flan et de l’embouti (dans la plupart des cas, on néglige le changement de l’épaisseur de la tôle): = → = × Flan de départ Embouti cylindrique sans collerette Surface = ∑ = Embouti avec collerette + = + = + = + b) Détermination de l’effort d’emboutissage L’effort d’emboutissage est exprimé par la formule empirique suivante : = . . . . Fe: effort d’emboutissage en daN d: diamètre du poinçon en mm e: épaisseur du flan en mm Rm : résistance à la traction en daN/mm2 k : Coefficient de réduction du D d/D 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 k 1 0,86 0,72 0,60 0,50 0,40 Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 40 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique c) Détermination de l’effort du serre flan : L’effort du serre flan est exprimé par la formule empirique suivante : = .( − ). Avec : Fs: effort sur le serre-flan en daN D: diamètre du flan en mm d: diamètre du poinçon en mm P: pression spécifique du serre-flan en daN/mm² IV. Métallurgie de poudres La Métallurgie des poudres est un procédé thermomécanique de mise enforme des matériaux métalliques en poudre. Elle permet la fabrication de pièces fiables à partir des métaux et alliages ferreux et non ferreux en particulier les matériaux ayant des propriétés physiques ou mécaniques particulières (élaboration de métaux réfractaires, tel que le tungstène, etc.). C’est une méthode de fabrication qui permet l’obtention d’un grand nombre de pièces mécaniques à la forme voulue, avec peu ou pas de finition. Figure II.32 - Métallurgie des poudres, vue d’ensemble Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 41 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique 1. Principe Elle consiste à comprimer une poudre ou un mélange de poudres métalliques dans un moule. Cette opération est appelée compactage. Puis, ce mélange est chauffé dans un four sous atmosphère contrôlée à une température inférieure ou égale à la température de fusion du composant le plus fusible dans l'objectif de souder métallurgiquement les particules. Ce traitement thermique est appelé frittage. Exemples d’application : industrie de l’automobile, l’électroménager, le bâtiment, l’outillage, etc. Figure II.33 - Métaux en poudre Figure II.33 - Exemples de pièces frittées 2. Préparation des poudres métalliques a) Obtention des poudres Les matières premières sont des poudres métalliques dont la taille est généralement comprise entre 1 et 500 μm. Il existe plusieurs méthodes d’obtention des poudres : - Par voie mécanique : par broyage et concassage de métaux ou par atomisation Le broyage des poudres métalliques se fait à l'aide de broyeur qui est une enceinte fermée contenant des éléments broyant (billes, hélices). Il s’applique plutôt aux métaux fragiles et non aux métaux ductiles. Figure II.34 - Exemple de broyeur mécanique Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 42 Fabrication mécanique II - - Procédés de fabrication par déformation plastique Par atomisation : Les métaux liquides sont dispersés en fines gouttelettes (brouillards) qui sont ensuite solidifiées rapidement par refroidissement grâce à un jet d’air ou d’eau. Par voie chimique : par réduction ou par électrolyse. Ces procédés s'appliquent en fonction de la nature des métaux. b) Mélange des poudres Les poudres agglomérées sont mélangées à sec ou à la présence d’un lubrifiant (hydrocarbure, solvant chloré acétone ...) qui protège les produits de l'oxydation par l'air et facilite le mélange. Cette opération s’effectue dans des mélangeurs spéciaux. Figure II.35 Mélangeur 3. Compactage Après le mélange des poudres, le compactage ou le pressage est la phase ou les poudres sont comprimées et mises en forme en fonction de la pièce à obtenir grâce à un moule et un poinçon sous une forte pression. La presse utilisée est une presse mécanique ou hydraulique avec une capacité de quelques tonnes à quelques centaines de tonnes. Les grains sont reliés mécaniquement et la pièce obtenue (comprimé vert) est très faible. Le compactage des poudres métalliques est effectué en trois phases (le remplissage, la compression et l'éjection du comprimé). Figure II.36 - Compactage Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 43 Fabrication mécanique II Procédés de fabrication par déformation plastique Il est important de choisir une pression optimale de compression pour chaque mélange car la densité et la dureté du produit fini sont fonction de cette pression. 4. Frittage L’opération de frittage est réalisée dans un four sous atmosphère contrôlée à une température telle que l'ensemble des constituants reste en phase solide (température inférieure à la température de fusion du composant le plus fusible) ou à une température telle qu'un des constituants soit en phase liquide. Il consiste à la consolidation par action de la chaleur des grains ce qui forme la cohésion de la pièce. C’est le frittage qui donne à la pièce sa résistance mécanique recherchée. Le frittage dépend de plusieurs facteurs : - Les conditions de l'opération : température, durée ; compression - la nature de l'atmosphère dans laquelle est effectué le frittage : vide, atmosphère réductrice, oxydante, etc. Les gaz de frittage les plus utilisés sont : l’hydrogène, l’azote ainsi que des mélanges de ces deux gaz. - la nature du métal : morphologie, granulométrie, pureté Le frittage sans phase liquide est le plus employé car il permet un meilleur contrôle de la pièce. 5. Opérations secondaires - A cause de certaines limitations technologiques de la compression des poudres métalliques, l'obtention de la forme finale de la pièce doit passer par une opération d'usinage. Par exemple certains détails géométriques, comme les trous transversaux, les taraudages, les fraisages ne peuvent pas être obtenus par compactage. - Un traitement post frittage est nécessaire pour les applications exigeant une surface bien lisse. - Le métal fritté présente une structure poreuse. Afin de boucher les porosités, un traitement de surface est nécessaire pour protéger les pièces contre la corrosion. Par exemple par infiltration au cuivre (méthode assez couteuse), ou par imprégnation avec de la résine synthétique. - La pièce frittée peut être soudée à une pièce traditionnelle en utilisant les techniques de soudage par résistance électrique en titre d’exemple. 6. Avantages et inconvénients a) Avantages - Un cout diminué de la matière première permet la production de grandes séries de pièces complexes, précises et saines avec le moindre prix de revient. La gamme de fabrication par métallurgie des poudres est plus simple que celle du cycle d’élaboration des pièces usinées. En plus, c’est un procédé de fabrication sans perte de matière. Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 44 Fabrication mécanique II - Procédés de fabrication par déformation plastique L’aspect poreux des pièces frittées permet la fabrication de filtres et de coussinets auto lubrifiants. Une très bonne résistance à l’usure et un faible coefficient de frottement. La possibilité de fabriquer des pièces avec des métaux qui ne peuvent pas être alliés. b) Inconvénients - Certains détails géométriques ne peuvent pas être obtenus par compression. - La nature poreuse des pièces frittées peut devenir un inconvénient dans le cas de problèmes d’étanchéité. - Faible qualité et résistance mécanique des pièces frittées dans le cas d’une nonuniformité de la distribution de la matière lors de la compression des poudres métalliques. Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 45 Fabrication mécanique I Soudage des métaux Chapitre III - Soudage des métaux I. Généralités Plusieurs solutions technologiques peuvent être adoptées pour réaliser des liaisons complètes permanentes et non-démontables on distingue : le soudage, le rivetage, le collage, etc. Parmi ces techniques, le soudage permet l’obtention de formes complexes à moindre coût par assemblage de pièces. Figure III.1 - Châssis de trancheur agro-alimentaire assemblé par soudage II. Opération de soudage 1. Définitions Le soudage et le brasage sont des procédés d’assemblage permanent qui crée une continuité de matière entre les pièces assemblées. L’assemblage des pièces métalliques est assuré sous l’action d’une énergie calorifique générée par divers procédés mis en œuvre (combustion de gaz, arc électrique, résistance électrique, etc.) avec ou sans métal d’apport. Le soudage se fait par fusion des bords des pièces à souder, à l’aide d’une source de chaleur et d’un métal d’apport de même nature, ayant la même température de fusion. Certains procédés n’utilisent pas de métal d’apport. La partie soudée est désignée par soudure ou par cordon de soudure, c’est un joint formé par le métal de base et éventuellement un métal d'apport. Par contre, lors du brasage, c'est uniquement le métal d'apport qui fond (plus fusible que le métal de base). Le joint se forme ainsi par capillarité. De plus, si la technique opératoire ressemble à celle du soudage (chauffage du métal d’apport et exécution de la brasure de proche en proche), le procédé est dit soudo-brasage. Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 46 Fabrication mécanique I Soudage des métaux Figure III.2 - Concept de soudage On distingue deux catégories d’assemblage par soudage : - La soudure autogène : le métal d'apport est de même nature que les métaux de base à assembler La soudure hétérogène: les métaux de base de même nature sont assemblés avec un métal d'apport de nature différente. La réalisation d’un assemblage par soudage est contrainte par le coût du matériau et son aptitude au soudage. 2. Etapes du procédé de soudage Le chauffage Le chauffage est un résultat direct des transferts d'énergie survenant entre la source de chaleur et le métal. La fusion La solidification Le métal chauffé atteint la température de son point de fusion et fond, créant un bain de fusion dans lequel l'ajout du métal d'apport ou la réunion des bords formera la soudure proprement dite. Par la suite, on assiste à la solidification de la zone qui reste cependant encore chaude. Le refroidissement Finalement, on refroidit la pièce. La zone périphérique au bain de fusion est touchée par le chauffage et le refroidissement et est appelée «Zone Affectée Thermiquement» ou ZAT. Ceci a un impact sur la structure du métal et sa résistance dans la zone soudée. Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 47 Fabrication mécanique I Soudage des métaux 3. Classification des procédés de soudage selon la source d'énergie Énergie thermochimique • Soudage aux gaz : (oxyacétylénique) • Soudage aluminothermique Énergie électrothermique • Soudage à l'arc électrique : (manuel avec électrode enrobée, sous protection gazeuse [électrode réfractaire "TIG" ou aussi électrode fusible "MAG"], au plasma d'arc, sous flux, …). • Soudage à la résistance électrique ( par points, à la molette, soudage par bossages, par induction, par étincelage, …). Énergie mécanique • Soudage par friction • Autres : (soudage par explosion, soudage par ultrasons, soudage à froid). Énergie focalisée • Soudage par bombardement électronique • Soudage au laser III. Soudage oxyacéthylénique (au chalumeau) 1. Principe Le soudage au gaz oxyacéthylénique consiste à : - Créer la combustion d’un mélange d’oxygène et d’acétylène à l’extrémité d’un chalumeau, la température de la flamme peut atteindre les 3200 ° Amener le métal d'apport (baguette de fil dressé de Ø 0,8 mm à Ø 4,0 mm) manuellement dans le joint à souder. Orienter la buse du chalumeau d'où jaillit la flamme qui fera fondre localement la pièce à assembler et le métal d'apport pour constituer le bain de fusion. Après refroidissement, le bain de fusion devient le cordon de soudure. Figure III.3 - Soudage oxyacéthylénique La flamme est dite : Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 48 Fabrication mécanique I - Soudage des métaux Normale avec zone réductrice si volume d’oxygène ≈ volume d’acétylène Oxydante si la proportion d’O2 croit Carburante pour un excès de C2H2 La flamme normale avec zone réductrice (normale) présentant un dard (vert-bleu) permet l’obtention de contours très nets. (a) (b) Figure III.4 - Poste de soudage oxyacéthylénique (a) et flamme oxyacéthylénique (b) 2. Considérations pratiques - Le soudage oxyacéthylénique est surtout intéressant pour le soudage de tôles fines (souvent utilisé sans métal d'apport) et le raboutage de tubes (assemblage bout à bout) - Il est nécessaire d’opérer en une passe : e ≤ 8mm (métaux lourds), e ≤ 15 mm (métaux légers) - Le débit du mélange doit être réglé suivant l’épaisseur des métaux à souder - Une poudre protectrice est utilisée pour protéger le cordon de soudure 3. Limitations - Le soudage oxyacéthylénique entraîne des déformations importantes. - Procédé lent - Actuellement concurrencé par le soudage à l’arc électrique. - Ce procédé est difficilement automatisable - La zone de chauffe est importante ce qui affecte les propriétés mécaniques de l’assemblage - Les épaisseurs des pièces à souder sont limitées Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 49 Fabrication mécanique I IV. Soudage des métaux Soudage à l’arc électrique C’est un procédé de soudage dans lequel un arc électrique crée entre l’électrode et les pièces à souder, fournit la chaleur nécessaire à la fusion du métal et la constitution du bain de fusion. L'arc est établi en branchant un des pôles du poste de soudage à l'électrode et le deuxième à la pièce. Procédé de soudage à l’arc électrique Soudage à l’électrode enrobée Principe L’arc électrique jaillit entre la pièce à souder et une électrode enrobée fusible fournissant le métal d’apport. L’électrode enrobée est composée de : - une âme métallique cylindrique, qui fait office de conducteur électrique et de métal d’apport, - un enrobage qui i) favorise l’amorçage et la stabilité de l’arc ii) protège le métal en fusion de l’oxydation à l’air (dégagement de gaz protecteurs + formation de laitier) iii) concentre et dirige la chaleur de l’arc. Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar Schéma de principe Utilisations Limitations - acier doux - aciers au carbone alliées ou non - aciers inoxydable - cuivre et certains de ses alliages - nickel et ses alliages - aluminium et certains de ses alliages - ne convient pas aux métaux et alliages ayant une faible température de fusion: étain, plomb, zinc. - déconseillé pour les tôles dont l’épaisseur est inférieure à 2,5 mm à cause des risques d’effondrement du bain de fusion. - productivité limitée (0,5 à 4 kg/h – 30 cm/min) - ne se prête pas à l’automatisation (procédé manuel). 50 Fabrication mécanique I Soudage MIG/MAG Soudage des métaux MIG : Procédé – semiautomatique L’arc électrique jaillit entre l’électrode fusible, servant de métal d’apport, et la pièce à souder. L’arc et le cordon de soudure, sont protégés par un gaz inerte (argon (Ar), hélium (He), mélange argon-hélium) ne participant pas au processus de soudage. - alliages légers : aluminium, cuivre, nickel et certains de ses alliages, fontes. - aciers doux, aciers inoxydables (e ≤ 3 mm) MAG : Procédé semiautomatique L’arc électrique jaillit entre l’électrode fusible, servant de métal d’apport, et la pièce à souder. Le bain de fusion est protégé par un gaz actif, principalement, l’anhydride carbonique, CO2, qui favorise la pénétration de la zone fondue. uniquement utilisé pour les aciers non ou faiblement alliés. Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar - procédé très courant mais plus coûteux que l’électrode enrobée - caractéristiques mécaniques du joint obtenu par le procédé MAG sont légèrement inférieures à celles obtenues par le procédé M.I.G - coût beaucoup moins élevé du procédé M.A.G. 51 Fabrication mécanique I Soudage TIG V. Soudage des métaux - Aciers ordinaires en tôle très mince (jusqu’à 3/10 de mm). - Aciers spéciaux, particulièrement les aciers alliés inoxydables. - Les alliages d’aluminium, de nickel, de cuivre, de titane. L’arc électrique jaillissant dans une atmosphère inerte (ex: Argon) entre une électrode réfractaire (infusible) de tungstène et la pièce à souder. Le métal d’apport est amené manuellement (baguette) ou automatiquement (fil déroulé) - faible taux dépôt - difficile automatiser de à Soudage par résistance Principe Soudage résistance Schémas de principe Les pièces à assembler sont maintenues en Soudage par points contact par un effort de compression puis par par soudées recouvrement ou bout à bout sans métal d’apport. La fusion est provoquée par effet Joule : courant de forte intensité (I > 2000 A) sous basse tension. Après coupure du Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar Utilisations Considérations pratiques et limitations tôles d’aciers doux, - Les épaisseurs allié, inoxydable, soudées généralement d’aluminium, etc. comprises entre 0,5 et 10 mm. - Les surfaces des pièces à assembler doivent être nettoyées, avec une forme favorable au soudage - Le retrait du cordon de soudure au refroidissement est souvent la cause de 52 Fabrication mécanique I Soudage des métaux courant, l’effort de compression «forge» la soudure. Soudage par molettes Variantes : Soudage par points, soudage à la mollette, soudage par bossage, etc. VI. déformations importantes - Le choix du procédé (grande vitesse d'avance, forte concentration de chaleur) peut atténuer ce phénomène - Les assemblages sont également traités, mécaniquement par martelage ou thermiquement par chauffage à 625-650 C, afin de relaxer les contraintes résiduelles dues au soudage Règles de conception Afin d'obtenir des assemblages adéquats par soudage il faudrait : - Simplifier les formes à souder. - Tenir comptes des déformations de retrait. - Éviter les concentrations de soudures. - Favoriser les formes symétriques. - Permettre une bonne et facile accessibilité du joint de soudure. - Prévoir une surépaisseur d'usinage. D’autres règles sont présentées dans le tableau suivant : Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 53 Fabrication mécanique I Règles de conception Soudage des métaux Solutions à éviter Solutions recommandées Mettre les cordons dans des plans neutres et favoriser les formes symétriques Éviter les concentrations de soudures (croisement de cordons). Éviter les angles vifs et les cordons trop rapprochés Disposer les cordons en fonction des efforts exercés Éviter de soudes des épaisseurs différentes Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 54 Fabrication mécanique I VII. Soudage des métaux Calcul de la résistance du cordon de soudure en traction et en cisaillement Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 55 Fabrication mécanique I Mise en œuvre des matières plastiques Chapitre IV – Mise en œuvre des matières plastiques I. Généralités sur les matières plastiques Les matières plastiques sont présentes partout : emballage, bâtiment, électricité, bureautique, audiovisuel, mobilier, automobile, ménager, etc., sans oublier les plastiques techniques aux utilisations particulières. Leurs propriétés générales et structurales telles que leur : faible densité, bonnes qualités d’isolation électrique et thermique, absence d’oxydation en ont fait des matériaux indispensables et ils se posent en matériaux de substitution incontournables. Les matières plastiques sont élaborées par synthèse chimique des molécules de base appelées monomères qui sont des molécules organiques dont le noyau est l’atome de carbone. Cette opération chimique est la polymérisation, elle permet l’obtention des polymères. Les polymères peuvent contenir des additifs qui améliorent des propriétés spécifiques : • les adjuvants (matières organiques) qui ralentissent les processus de dégradation physique ; • les plastifiants (phtalate, huiles parafiniques, …) qui améliorent la souplesse ; • les lubrifiants (talcs,…) qui améliorent les propriétés des pièces en frottement relatif (tribologie) ; • les antistatiques qui diminuent l’accumulation des charges électriques ; • les ignifugeants qui contrôlent l’amorçage ou la propagation d’une combustion (alumine et phosphates). Les matières plastiques sont classées en deux familles: les thermoplastiques et les thermodurcissables. La mise en œuvre des résines plastiques, c'est-à-dire leur transformation en produits finis ou semi-finis, se fonde sur les propriétés physico- chimiques de ces matériaux. Famille de matière plastique Nature - Le nombre de branchements entre macromolécules est faible. - Les macromolécules ne sont liées que par des forces d'attraction électrostatiques. Mise en œuvre Elle consiste à - les chauffer, - les déformer - les refroidir. Ces matériaux se prêtent bien au soudage Matière plastique recyclable Thermoplastiques (TP) - Sous l'effet de l'élévation de la température, le matériau devient dans un état dit fondu (visqueux mais pas liquide) Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 56 Fabrication mécanique I Mise en œuvre des matières plastiques dans lequel les macromolécules peuvent se déplacer librement les unes par rapport aux autres. - Au refroidissement, les liaisons électrostatiques reprennent leur vigueur et le matériau se resolidifie. - Le cycle est réversible et théoriquement répétable un nombre infini de fois. Thermodurcissables (TD) - Les branchements entre macromolécules sont nombreux, solidarisent irréversiblement. Deux procédés : 1. couler la résine dans un moule et ajouter des réactifs et/ou la chaleur qui provoquent le durcissement de la résine 2. Appliquer une grande pression à chaud pour la mise en forme - Les macromolécules sont chimiquement Les produits sont non liées par des molécules "lien". soudables. - L'établissement de ce lien (réticulation) La matière plastique est un phénomène irréversible qui se passe est thermiquement non à haute température. recyclable. - Un chauffage excessif entraînera la dégradation du matériau et non l'inversion de la réticulation. - La structure tridimensionnelle (réseau) formée, stable, présente une résistance thermomécanique et chimique. II. Mise en œuvre par injection Le procédé d’injection est le mode de mise en œuvre le plus utilisé pour les thermoplastiques (exemple : polyéthylène (PE), le polypropylène (PP) et le polychlorure de vinyle (PVC)). Cette technique est destinée à produire très rapidement des pièces finies de formes complexes, de parois minces, dans une gamme de poids allant de quelques grammes à plusieurs kilogrammes et en très grandes quantités. Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 57 Fabrication mécanique I Mise en œuvre des matières plastiques Figure IV.1 - Exemple de pièces injectées 1. Principe Il consiste à chauffer la matière plastique originellement sous forme de poudre ou de granules, la comprimer et la ramollir (plastifier) dans une presse à injecter est la transfuser dans un moule métallique qui lui donnera sa forme finale. Figure IV.2 - Principe du procédé d’injection 2. Equipement Une presse d’injection des thermoplastiques se compose de : - - - Système d’alimentation (trémie) Système d’injection (piston) - plastification (vis). Le piston est caractérisé par la pression appliquée par le piston d'injection pouvant atteindre les 200 bars et la vis de plastification est caractérisée par la capacité d'injection (en kg ou en cm3) Système de fermeture (moule, vérin de fermeture). Ce moule comporte l’empreinte de la pièce à produire (ou de plusieurs pièces) par injection. Les empreintes sont généralement fabriquées en acier spécial. La carcasse est fabriquée en acier normal. Un système de mise en mouvement, Un système d'éjection des pièces. Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 58 Fabrication mécanique I Mise en œuvre des matières plastiques Figure IV.3 - Presse d’injection des thermoplastiques 3. Procédure On peut distinguer sept phases essentielles de la procédure d'injection d'un polymère : - Alimentation du cylindre de malaxage. - Plastification de la matière plastique - Fermeture du moule et verrouillage - Injection de la matière plastifiée et maintien sous pression pour compenser les retraits. - Refroidissement pour que le plastique se solidifie dans le moule. - Ouverture du moule : - Démoulage (éjection) de la pièce Remarque Pour avoir de bonnes pièces à partir du procédé d'injection, il est nécessaire de respecter les règles suivantes : - Concevoir des pièces à épaisseur constante et comportant des arrondis et des congés de raccordement. Prévoir des nervures afin de renforcer les pièces et d'éviter leur déformation. Prévoir des dépouilles afin de faciliter le démoulage de la pièce III. Mise en œuvre par extrusion Le procédé de mise en œuvre par extrusion est utilisé pour la fabrication des produits en thermoplastiques. Cette technique est largement utilisée pour la fabrication d’objets de formes variées (pièces pleines, creuses ou particulièrement longues) mais de sections constantes (profilé, tubes, plaques, feuilles, fils, films, etc.) à des cadences élevées. Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 59 Fabrication mécanique I Mise en œuvre des matières plastiques Figure IV.4 - Exemple de pièces extrudées 1. Principe Le procédé d’extrusion consiste à compresser la matière plastique homogène, originellement sous forme de poudre ou de granules, la ramollir (plastifier), et à la pousser à travers une filière lui donnant la forme de section souhaitée. La matière expulsée de cette filière en continu est ensuite refroidie et sectionnée à la bonne longueur. 2. Equipement Une extrudeuse est constituée d’un ensemble de systèmes : - un système d'alimentation (trémie). - un système de plastification- extrusion (vis) comprenant des éléments chauffants. La vis possède un diamètre variable (croissant dans la direction de la filière) et un pas variable (décroissant dans la direction de la filière). - une filière par la quelle la matière plastique est extrudée. - un système de refroidissement et d’étirage Figure IV.5 - Extrudeuse Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 60 Fabrication mécanique I Mise en œuvre des matières plastiques 3. Procédure Les phases de la procédure d'extrusion se résument en ces points: - Alimentation du cylindre de malaxage : le polymère descendant de la trémie sous forme de poudre ou de granulés est compacté et convoyé puis la trémie alimente en continu le cylindre chauffé. - Plastification de la matière plastique et fermeture du moule : le passage de l’état solide à l’état liquide est réalisé progressivement grâce à la chaleur fournie. Le polymère est mis en pression pour obtenir un débit régulier dans la filière. - Extrusion de la matière à travers la filière : Le polymère est refoulé sous pression dans la tête d'extrusion contenant une filière ayant la forme de la pièce. - Refroidissement: les pièces sont refroidies à l'eau ou à l'air pour prendre leurs formes finales. - Etirage des produits extrudés : les dispositifs d’étirage entraînent le polymère soit pour l'enrouler en bobine, soit pour permettre de le sectionner à la longueur. IV. Mise en œuvre par soufflage/extrusion La mise en œuvre pas soufflage est réservée aux thermoplastiques. Les pièces extrudées (demi-produits) sont la matière première de ce procédé appelées paraisons. Cette technique permet l’obtention de produits à faible épaisseur (permet de réaliser des films d'épaisseur inférieure à 0,2 mm) en grandes séries et à des cadences élevées. Exemple de pièces produites par soufflage/extrusion : bidons, bouteilles, récipients de tout genre, etc. Figure IV.4 - Exemple de pièces extrudées/soufflées 1. Principe et équipement Ce procédé permet l’obtention de produits creux et consiste à injecter l’air dans le produit extrudé (sortant de la filière et préalablement coupé) par une canne de soufflage. Le polymère est refroidit rapidement en contact avec les parois intérieures du moule froid. Le produit est ensuite démoulé. Le soufflage permet d'étirer la matière et d'obtenir l'épaisseur désirée. Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 61 Fabrication mécanique I Mise en œuvre des matières plastiques Figure IV.5 - Principe de l’extrusion/soufflage Le procédé d’extrusion/soufflage est réalisé par une extrudeuse comportant, outre ses systèmes standards, les éléments suivants : - Un système d'injection d'air comprimé. Un moule métallique en 2 parties donnant la forme du produit soufflé Un système de mise en mouvement, ouverture et fermeture du moule. V. Mise en œuvre par compression Cette technique est utilisée pour la mise en forme des thermodurcissables. Ces matières qui n’ont pas la particularité de fondre après moulage sont chauffées puis comprimées fortement dans un moule. Sous l'action de la chaleur, la polymérisation s'effectue dans le moule. Ce procédé permet la production des pièces automobiles, électriques, poignées d'ustensiles ménagers, des raquettes de tennis, des coques de piscine, etc.). Figure IV.6 - Procédure de compression des thermodurcissables Institut Préparatoire aux Etudes d’Ingénieurs d’El Manar 62
