Créé le : 03/08/2009
Synthèse des principales informations technologiques présentées lors du congrès "New Developments in Forging Technology" les 15 et 16 mai 2001 à Stuttgart.
Parmi les conférences présentées, les éléments marquants concernent les points suivants:
- recherche de géométries de pièces plus complexes par extrusion latérale ou extrusion rotative
- développement du forgeage de pièces longues et creuses répondant à la recherche d'allègement dans l'automobile
- poursuite du développement de procédés concurrents comme le thixoforgeage
- intérêt des procédés modélisables par simulation numérique
- perspective de demi-produits pour thixoforgeage élaborés par métallurgie des poudres
- essais d'applications de procédés utilisés pour l'aluminium à certains aciers
- développement difficile du magnésium
- réalisation de pièces industrielles en aluminium par forgeage orbital
La vue d'ensemble du congrès fait ressortir l'importance croissante du forgeage des alliages d'aluminium et de leur mise en forme par thixoforgeage.
La simulation numérique des procédés de mise en forme apparaît comme un axe majeur de développement mais reste tributaire de données rhéologiques fiables nécessitant de bien caractériser les matériaux au préalable.
Extrusion latérale [3]
L'extrusion latérale est un procédé qui augmente les géométries possibles des pièces réalisables par extrusion simple. Les facteurs clés de cette technologie sont le maintien d'efforts symétriques qui nécessitent un développement des outillages et la tenue des matrices en position fermées pendant le formage des branches. Des essais expérimentaux ont été réalisés sur presse pour des alliages d'aluminium AlMgSi1 et des aciers 16MnCr5 et Cf53. Ils ont permis de déterminer la force de fermeture requise et l'influence sur celle-ci de l'angle de rattachement des branches extrudées par rapport à la perpendiculaire à l'axe de la force apppliquée sur le poinçon (augmentation de 13 kN pour une branche perpendiculaire à 67 kN pour une branche faisant un angle de 15°).
Extrusion rotative et laminage transversal [5]
La fabrication d'arbres longs creux a été relancée pour répondre au besoin d'allègement en construction automobile.
les pièces concernées sont les arbres creux d'engrenages pour boîtes de vitesses soumis essentiellement à des efforts répartis en surface. Ce procédé était considéré comme émergent en 1996. Il permettait de réaliser des formes simples mais butait sur un contrôle difficile et un temps de cycle long. En 1998 on a vu apparaître des formes plus complexes avec des cannelures intérieures. Lors de ce congrès, en 2001, on a pu constater un développement de cette technologie appliquée aux alliages d'aluminium et des essais sur des acier à roulement (100C6).
Augmentation de la durée de vie des outillages par revêtement céramique [6]
Compte tenu du coût élevé des matrices de forge, il est souhaitable d'augmenter leur durée de vie malgré les contraintes thermiques et mécaniques qu'elles subissent. L'IFUM de Hanovre a étudié l'utilisation de revêtements céramiques ainsi que l'emploi de céramiques pour réaliser les outillages. Pour amplifier les bénéfices constatés avec un revêtement céramique, des combinaisons multicouches TiN-TiCN-TiC ont été testées dans des combinaisons allant jusqu'à 27 couches. Un système à 18 couches a montré une usure réduite de 50% par rapport à une seule couche TiN. l'intérêt économique est cependant à considérer avec prudence car le bilan économique global doit tenir compte du coût élévé des multiples dépositions CVD
Forgeage orbital [4]
Le forgeage orbital est connu depuis plusieurs dizaines d'années et n' a pas connu de développement industriel majeur en dehors de la mise en forme de pièces axisymétriques. Cependant la société ZI Kaltumformung GmbH de Chemnitz, Allemagne, a réalisé à la demande d'un client industriel plusieurs pièces non symétriques. Ces pièces concernent plusieurs secteurs finaux d'application. L'alliage d'aluminium a été choisi pour ses caractéristiques technologiques:
- pièce pour frein à tambour: l'aluminium a été choisi pour son faible poids et sa résistance à la corrosion
- pièce électrotechnique pour haute tension en aluminium (bonne conductibilité électrique et résistance à la corrosion)
- pièce en aluminium pour chaîne d'obturation pour installation sous vide (faible poids et résistance à la corrosion)
- pièce en CuNi10Fe résistant à la corrosion par l'eau de mer
Etude expérimentale du thixoforgeage et simulation numérique [9] [10]
Le thixoforgeage est une des technologies en cours de développement dans le domaine du formage massif à chaud. Il est encore nécessaire d'optimiser le procédé notamment dans la phase de chauffage du lopin. la vitesse de chauffage et de répartition de la température dans la pièce conditionne la réussite de la mise en forme par thixoforgeage. L'intervalle de température à respecter pour obtenir la phase liquide-solide est très réduit, de l'ordre de quelques degrés. Le transfert de chaleur par radiation, convection et conduction thermique doit être contrôlé. Des essais à l'IFU de Stuttgart ont permis d'optimiser le temps de chauffage par induction du lopin et de maîtriser l'atteinte de la température de thixofogeage. La méthode utilisée permet une mesure indirecte de la température par celle de l'effet de la structure obtenue sur les caractéristiques électromagnétiques du lopin et donc sur l'intensité du courant. D'autre part le process doit prendre en compte l'état métallurgique initial du lopin (traitements thermiques, alliage coulé ou alliage laminé) et la durée du maintien à température car ces facteurs régissent la bonne répartition de la phase liquide. De même la vitesse du poinçon doit être la plus grande possible pour fermer la matrice le plus rapidement, ceci pour éviter le refroidissement rapide de la pièce. Les essais réalisés ont montré la réalisation possible de pièces thixoforgées de forme complexe comprenant notamment des jonctions de canaux de remplissage faisant le tour d'axes ou de noyaux (fusées de direction pour automobile). Un problème à résoudre est celui de la formation de zones mortes contenant des impuretés. La répartition des différentes phases du cycle de thixoforgeage montre que sur un cycle de 30 secondes la majeure partie du temps est occupée par les phases amont et aval, ce qui motive l'effort de robotisation entrepris.
La réalisation de formes géométriques complexes est possible grâce à la simulation numérique du thixoforgeage. Les essais réalisés à l'IFU ont montré une bonne correspondance avec les résultats de simulation par le logiciel Flow 3D (http://www.flow3d.com) des écoulements basée sur un calcul intégrant la viscosité, le taux de fraction solide et la vitesse de refroidissement. La caratérisation des matériaux pour déterminer des caratéristiques rhéologiques fiables est cependant nécessaire.
Billettes de thixoformage élaborées par spray forming [1]
Le spray forming, ou formage par pulvérisation, permet d'obtenir des billettes destinées à une mise en forme par thixoformage. La solidification de gouttelettes pulvérisées permet d'obtenir une structure globulaire très fine et donc très favorable à l'obtention de la phase liquide-solide nécessaire en vue du thixoformage. Cependant un problème rencontré après addition de carbone est la fragilisation qui en résulte au niveau des couches de solidification. Un filage à chaud ou un laminage ultérieurs, en provoquant des ségrégations de carbone, dégrade la structure et les caractéristiques du matériau. L'IFU de Stuttgart a étudié expérimentalement le thixoformage de billettes d'alliage Cu6Ni6Sn6 avec addition de 1 à 1,5% de C. Le thixoformage détruit les alignements de carbone et permet d'obtenir une pièce à structure homgène. Cette étude confirme donc l'intérêt du spray forming pour les demi-produts destinés au thixoformage et que cette technique peut en remplacer d'autres comme le brassage électromagnétique du bain.
Développement du thixoformage pour la construction automobile [2]
Le thixoformage (thixoforging ou thixocasting) est une des technologies de niche, comme l'hydroformage et l'emboutissage hydromécanique, destinée à se développer dans l'industrie automobile pour répondre à la tendance à l'allégement des pièces, à leur plus grande complexité et à leur plus grande précision. Le thixoformage permet de mettre en forme des alliages non ferreux adaptés à la production en moyenne série (30.000 à 60.000 pièces par an) qui est également une orientation future de l'industrie automobile. D'autre part les technologies, dont le thixoformage, qui seront modélisables par les techniques de simulation numérique et de réalité virtuelle, pourront se développer.
Métallurgie des poudres [8]
L'utilisation de la métallurgie des poudres pour réaliser des pièces par extrusion peut étendre considérablement le champ d'application de l'aluminium. Pour limiter la température et compte tenu du taux élevé de déformation, le filage inverse est préférable au filage direct pour éviter des forces de frottement élevées.
Forgeage du magnésium [7]
Les pièces en magnésium forgé ont un fort potentiel dans la construction automobile mais on manque encore d'expérience et leur intérêt reste à démontrer. On a seulement pu montrer une résistance en fatigue uniaxiale avec amplitude de charge constante supérieure à l'aluminium forgé. Cependant avec les niveaux de coûts matière actuels, tant les pièces forgées en magnésium que les profilés en magnésium restent dédiés à des secteurs de niche ou à des segments haut de gamme.
Forming of spray formed copper alloys, Siegert K., IFU Stuttgart, pp.99-118
The challenge of car manufacturing in 21st century, Flegel H.A., DaimlerChrysler AG, pp. 135-150
Theoretical and experimental investigation on lateral extrusion, Räuchle F., Räuchle GmbH, pp.151-172
Rotary Forging, D. Raabe, ZI Kaltumformung GmbH, pp.193-210
Hollow shafts in lightweight construction realised by cross rolling and spin extrusion, Neugebauer R., IWU Chemnitz, pp.211-226
Reduction of wear of forging dies by use of new technologies, Doege E., IFUM Hannover, pp. 315-328
Functional lightweight construction in automobile manufacturing through massive forming of magnesium, Stich A., Audi AG, pp.357-368
Extrusion of Al - PM - materials, Müller K. B., FZS TU Berlin, pp.369-382
Thixoforging, Wolf A., IFU Stuttgart, pp. 405-427
Simulation of a thixoforging process of aluminium alloys with Flow-3D, Messmer G., IFU Stuttgart, pp.429-441