sujet - Épreuve E4 - BTS MFMF - Sous-épreuve U41 - juin

Brevet de Technicien Supérieur
en
Mise en Forme des Matériaux par Forgeage
__________
Session 2014
__________
Epreuve E 4
Etude des Systèmes d’outillage
------------Sous épreuve U 4.1
Comportement mécanique d’une machine et de son outillage
__________
Temps alloué : 2H00
Coefficient : 1
__________
DOCUMENTS REMIS AU CANDIDAT :
- Sujet de l’épreuve (pages 2 à 11 + plan au format A3)
DOCUMENTS DISPONIBLES :
- Copies de rédaction
- Feuilles pré imprimées de « Calcul prévisionnel de l’effort
et de l’énergie »
- Feuilles de brouillon
DOCUMENTS PERSONNELS AUTORISES :
-
Aucun
Estampage du corps d’un crochet
à verrouillage automatique
Dossier technique
Les crochets à verrouillage automatique sont constitués de quatre
pièces principales :
2
1- Le corps du crochet,
2- L’anneau - linguet,
3- L’axe d’articulation
4- Le verrou
4
3
1
Le client propose différents types de crochets qui se différentient
en remplaçant l’anneau par d’autres systemes d’attelage : Chape,
tige, émerillon…
Il propose aussi une famille composée de 6 dimensions
différentes.
L’objet de l’étude est le corps du crochet dans une dimension
moyenne de la gamme.
Le dessin de définition partiel du corps de crochet brut
d’estampage est fourni en ANNEXE 1 (format A3).
Matériau
Le corps du crochet étudié est produit dans une nuance d’acier inoxydable austénitique à haute
résistance : X6CrNiMoTi17-12-2 .
La masse du crochet est de 2,9 kg.
Les données rhéologiques de cet acier sont fournies en ANNEXE 2 page 4.
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U 4.1 : Comportement mécanique d’une machine et de son outillage
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Gamme de forgeage
-
Débit du lopin : ∅ 50 mm x L205 mm.
-
Chauffage à 1200°C par induction.
-
Ebauchage par laminage et cambrage sur machines annexes.
-
Estampage sans tenue sur marteau pilon en deux gravures.
N. B. : La première gravure sert essentiellement à limiter l’usure de la gravure de finition.
-
Ebavurage sur presse mécanique.
Les machines de l’atelier d’estampage
Les caractéristiques des principales machines de l’atelier d’estampage sont fournies dans le
tableau en ANNEXE 4 page 11.
Sur les marteaux pilons de l’entreprise, étant donné le type de fabrication en moyenne série,
voire grande série, le nombre économique de frappes pour la réalisation d’un estampage en
gravure est de l’ordre de 3 à 6.
__________________________
Travail demandé
Choisir la machine et déteminer le nombre de frappes
1- Calculer l’effort ultime de forgeage ainsi que l’énergie minimale de forgeage lorsqu’il
s’agit d’une pièce en acier non allié C35 produite dans des conditions normales de
forgeage (Chauffage à 1250°C).
Les tableaux et graphiques utiles à cette démarche sont fournis en ANNEXE 3
pages 4 à 10
2- En considérant le vrai matériau de la pièce (X6CrNiMoTi17-12-2) et les conditions de
forgeage, déterminer l’énergie utile de forgeage nécessaire pour chacune des machines.
3- Calculer le nombre de chocs corrrespondant.
4- Choisir la (ou les) machine(s) possible(s) ainsi que le nombre de frappes à prévoir et
leur répartion.
__________________________
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ANNEXE 2
Extrait d’une base de données matériaux
Dans une base de données de métaux forgés on trouve les coefficients de la loi de
comportement suivante
σ = A.e
m1 .T
.ε
m2
.ε& m3 .e
m4
ε
pour les nuances suivantes :
→ X6CrNiMoTi17-12-2
→ C35.
Dans cette loi de comportement les paramètres sont exprimés dans les unités suivantes :
σ
en MPa ; T en °C ;
ε
en m/m ;
ε&
en (m/m)/s.
Les valeurs des coefficients dans ce système d’unité sont donnés dans le tableau suivant :
A
m1
m2
m3
m4
X6CrNiMoTi17-12-2
8680
-0,00386
0,086
0,141
-0,0209
C35
1500
-0,00269
-0,127
0,145
-0,0596
Le domaine de validité de ces deux modèles est le même :
800 °C < T < 1200 °C ; 0.04 m/m <
ε
< 0.5 m/m ; 0.01 (m/m)/s <
ε&
< 100 (m/m)/s
100
Comparaison graphique établie
pour
T = 1200°C
ε& = 1 s-1
Contrainte (MPa)
90
80
70
60
50
40
C35
30
X6CrNiMoTi17-12-2
20
10
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Déformation (m/m)
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ANNEXE 3 - TABLEAU 1
Caractère de complexité (ou de simplicité) des gravures d’estampage
λ/ε
0,036
3,75
0,035
4
0,0335
4,25
0,032
4,5
0,0315
4,75
0,029
5
0,028
5,25
0,027
5,5
0,026
5,75
0,025
6
0,023
6,25
0,022
6,5
2
2,5
3
3,5
Largeur ou
diamètre
(en mm)
20
50
80
110
140
170
200
240
270
300
330
360
400
Pièces
extra simples
(pas de filage)
Pièces
simples
(pas de filage)
Pièces
semi simples
(filage
insignifiant)
Pièces
semi complexes
(léger filage)
Pièces
complexes
(filage
important)
Pièces
très complexes
(filage très
important)
prévoir arrêt de métal
Sur le cordon
Par l’acuité
r/L
ou
2r / D
1,5
(en MPa ou N /mm2)
En fonction de ses deux critères :
- filage par un orifice
- acuité des arêtes
Frein
(ε ≥ 1,5 mm)
Par le filage
h/e
1
CONTRAINTES
EXERCEES
Classification par les contraintes
Sur la pièce
CRITERES
p
à
1050°
q
à
950°
475
270
490
280
500
285
520
290
540
300
560
310
580
320
600
330
625
350
650
360
690
370
720
380
Valeurs de λ
en mm
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
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13.8
Masse SPécifique Unitaire (MSPU)
en fonction du caractère de MASSIVITE ou MINCIVITE
13.1
11.8
12.4
Plates
1 et 2
2 et 3
3 et 4
4 et 5
5 et 6
6 et 7
7 et 8
8 et 9
9 et 10
10 et 11
11 et 12
10.7
Semi plates
9.8
10.2
10
9.1
9.4
Semi
épaisses
1,00 à 1,04
1,04 à 1,08
1,08 à 1,12
1,12 à 1,165
1,165 à 1,205
1,205 à 1,25
1,25 à 1,30
1,30 à 1,345
1,345 à 1,395
1,395 à 1,445
1,445 à 1,505
5.7
5.7
5.7
5.7
6.1
6.2
6.0
5.8
6
6.3
6.5
6.7
6.9
Epaisses
7.1
7.3
7.5
8.0
7.8
8
8.2
8.5
8.8
MSPU (kg/cm²)
11.2
12
5.9
14
Multiplier MSPU
par
(en interpolant)
Graphique 2
14.5
Extra
plates
Si le coefficient
d’élancement
est compris entre
16
Extra
épaisses
4
0.00
Extra plates
0.05
0.10
0.15
0.20
Coefficient de mincivité A/B
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0.25
0.30
0.35
Extra
épaisses
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TABLEAU 3
Ce tableau donne le % de bavure en vue de déterminer le nombre de chocs pour matricer une ébauche préfabriquée.
La tenue, quand elle est prévue, n’intervient pas dans ce % (elle ne modifie pas le nombres de chocs).
L’utilisation de ce tableau se fait qu’en l’absence d’étude précise de fabrication.
ATTENTION : Le % de bavure indiqué ci dessous est celui de la bavure sans compter le cordon :
% bavure = (Vol. bavure / Vol. pièce + toile + cordon) x 100
5à
8%
8à
12%
12 à
15%
15 à
18%
19 à
22%
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22 à
25%
25 à
30%
30 à
33%
33 à
37%
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35
Graphique 4
Détermination du nombre de chocs pour estamper
sous réserve que la masse tombante soit celle prévue (découlant de MSPU - avec une hauteur de chute de 1,4 m)
30
30
30%
25
NOMBRE DE CHOCS n
20
20
20%
15
15
10%
10
10
0%
% de bavure
5
0
0.1
0,5
1
5
10
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Masse de la pièce en Kg
100
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13
Graphique 5
Rendement énergétique global ρ
et
Valeur associée du produit nρ
en fonction du nombre de chocs n
75%
RENDEMENT GLOBAL ρ
DES n CHOCS
70%
Valeur associée
du produit nρ
12
11
10
9
Pièces simples
8
65%
7
6
Pièces complexes
60%
5
4
3
55%
2
1
50%
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
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18
19
CHOCS
20 NOMBRE
21 22DE 23
24 n 25
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Tableau 6
Tableau 7
Influence de la vitesse
Influence de la température
sur le travail mécanique utile au matriçage
Vitesse Valeur du rapport
Engins
m/s
travail utile /
travail minimal
Presse à vitesse négligeable
1,00
≈0
de fin de matriçage sur le travail mécanique utile
Presse hydraulique très lente
Presse hydraulique moins lente
< à 0,05
< à 0,20
1,03
1,08
±1%
±1%
Vitesse Tgelle de l’excentrique
Maxipresse Vitesse Tgelle de l’excentrique
Vitesse Tgelle de l’excentrique
Vitesse Tgelle de l’excentrique
0,7 à 0,8
0,8 à 0,9
0,9 à 1,0
1,0 à 1,1
1,28
1,30
1,32
1,34
±2%
±2%
±2%
±2%
Vitesse d’impact 0,8 à 0,9
Vitesse d’impact 0,9 à 1,0
1,36
1,39
±4%
±4%
1,77
1,92
2,10
2,39
2,54
2,72
2,82
±4%
±5%
±5%
±5%
±6%
±6%
±6%
Presse à vis
Mouton
à
chute libre
ou Contre frappe
ou Course réduite
ou Double effet
Hauteur de chute 1,00
Hauteur de chute 1,20
Hauteur de chute 1,40
Hauteur de chute 1,70
Hauteur de chute 2,00
Hauteur de chute 2,20
Hauteur de chute 2,35
4,40
4,85
5,25
5,75
6,30
6,55
6,80
900°
950°
1000°
1050°
1100°
1150°
1200°
La Température de référence est de 1050°
Les coefficients multiplicateurs de conversion sont :
1,710
1,430
1,195
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1,000
0,835
0,697
0,585
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ANNEXE 4 - TABLEAU DESCRIPTIF DES PILONS
Numéro
1
2
3
4
5
Marque
MONTBARD
MONTBARD
MONTBARD
LASCO
MPM
Type
Chute libre
Chute libre
Chute libre
Chute libre
Double effet
Sytème
à planche
à planche
à planche
hydraulique
pneumatique
Masse tombante
1000
1250
1500
4200
6300
kg
Energie
maximale
20
28
36
58
170
kJ
Cadence
maximale
30
30
30
40
80
Coups/min
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Unités
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172
44
A
B
46
R9
B
A
R 78
A-A
147
R3 4
48
R5
R3 8
R6
R5
R6
9
R7
B-B
114
X6CrNiMoTi17-12-2
Volume de la pièce estampée = 363 000 mm3
Surface au plan de joint = 12 100 mm2
Rep. Nb.
Echelle 1 : 1
Désignation
Session 2014
Observations
Etude d'un système d'outillage
Corps estampé
CROCHET à verrouillage auto 4
Matière
BTS MFMF - E4 - U41
B. T. S.
Mise en Forme des Matériaux
par Forgeage
ANNEXE 1
Ne rien écrire dans cette zone
Document à agrafer à la copie sous la zone d'anonymat
Calcul prévisionnel de l'effort et de l'énergie
NOM de la pièce
Numéro repère
Matière
Largeur maximale de la pièce
Largeur du cordon (lambda)
mm
mm
Rayon le plus petit (2xRayon/Largeur pièce)
Frein (Lambda/epsilon)
Filage le + important (Hauteur/largeur)
Remarque : epsilon > 1,5 mm
Epaisseur du cordon (epsilon)
Surface de la pièce
Contrainte sur la pièce (p)
mm
mm2
Surface du cordon
MPa
Contrainte sur le cordon (q)
mm2
Force pour un acier à 1050°C en fin de forgeage
MPa
Force
kN
Volume pièce
Epaisseur moyenne
cm3 A = V(p+c)/S(p+c)
Largeur moyenne
cm2 B = S(p+c)/L(p+c)
Volume cordon
cm3
Surface pièce
Surface cordon
cm2
Longueur (pièce + cordon)
cm
cm
cm
Coefficient de massivité
K= A/B
Elancement
N = L(p+c)/B
Masse spécifique unitaire
MSPU
MSPU corrigée
MSPU x
Masse tombante
M = MSPU corrigée x S(p+c)
Surface (pièce + cordon)
Kg/cm2
cm2
Masse (p+c)
Kg
Nombre de chocs
Kg n =
Nombre de chocs efficaces
% n(ro)
Pourcentage de bavure /(p+c+t)
Energie minimale (de pressage) = M x 9,81 x 1,4 x n(ro) / 2,1
J
Type d'engin
Coefficient de vitesse
Energie utile pour un acier à 1050°C en fin de forg eage sur cet engin
Energie utile
J
Adaptation au matériau et à la température
Température (fin de forgeage)
Matériau
Résistance (Matériau, θ°C fin de forgeage, ε = 1, έ = 0,03 s-1 )
Résistance
°C
MPa
Correction de température et de matière = Résistance / 50 Mpa (C35, 1050°C , ε = 1, έ = 0,03 s-1 )
Force de forgeage
Energie utile de forgeage
FOLIO
/