Leçon 3.1DéformerChapitre 3 · Formage massif

Forgeage (matrice ouverte et matrice fermée)

Écraser du métal chaud entre des matrices plates ou façonnées

Le forgeage façonne un morceau de métal solide en l'écrasant ou en le martelant, en général quand il est rouge vif. Les clés, les vilebrequins de voitures et les pièces de trains d'atterrissage d'avions commencent tous ainsi. Le métal n'est jamais fondu, donc son fibrage (le motif en fibres de ses cristaux) suit le contour de la pièce, ce qui rend les pièces forgées très tenaces.

Photo : F. Broer, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Forgeage : chauffer, puis façonner en matrices ouvertes ou ferméesLes numéros cerclés correspondent aux étapes ci-dessous : l'étape 2 est la voie à matrice ouverte, les étapes 3 à 5 la voie à matrice fermée.

Forgeage (matrice ouverte et matrice fermée) en une minute, par MecMade

Comment ça marche

Chauffer la billette. Une billette (un tronçon de barre coupé) va dans un four. L'acier est typiquement chauffé à environ 1 100–1 250 °C, jusqu'à rougeoyer orange-jaune et être assez mou pour s'écouler.
Forgeage libre : presser, tourner, recommencer. Des matrices plates (blocs d'acier trempé) pressent ou martèlent la barre chaude une section à la fois. Un manipulateur (une grande pince mécanique) tourne et déplace la barre entre les coups. Peu à peu, la barre est étirée, aplatie ou refoulée (écrasée plus courte et plus large).
Forgeage en matrice fermée : placer la billette. Pour la production de masse, la billette chaude repose sur une matrice inférieure qui porte la moitié de la forme de la pièce sous forme d'empreinte. La matrice supérieure porte l'autre moitié.
Fermer les matrices. Un marteau ou une presse enfonce la matrice supérieure en un à quelques coups. Le métal s'écoule dans chaque recoin de l'empreinte. L'excès est expulsé entre les matrices sous forme de bavure (une fine nageoire de métal en surplus).
Ébarber et finir. Une presse d'ébarbage cisaille la bavure, qui est recyclée. La pièce est ensuite en général débarrassée de sa calamine (la peau d'oxyde sombre), traitée thermiquement, et usinée partout où un ajustement précis est nécessaire.

Chiffres clés

Matériaux: Aciers au carbone et alliés, acier inoxydable, aluminium, titane, alliages de cuivre, superalliages de nickel
Pièces typiques: Vilebrequins, bielles, engrenages, outils à main, brides, disques de turbines, arbres de navires et de génératrices
Taille de pièce: Matrice fermée : de quelques grammes à des centaines de kilogrammes. Matrice ouverte : jusqu'à des arbres et des anneaux de plus de 100 tonnes
Précision: Matrice fermée : environ ±0,5 mm. Matrice ouverte : plusieurs millimètres, puis usinage
État de surface: Peau rugueuse et calaminée ; nettoyée par grenaillage, avec les faces critiques usinées
Taille de série adaptée: Matrice ouverte : de la pièce unique à quelques dizaines. Matrice fermée : de milliers à des millions
Coût d'outillage et de machine: Jeux de matrices fermées : de milliers à dizaines de milliers de dollars. Grosses presses et marteaux : des millions
Vitesse: Matrice fermée : de quelques secondes à environ une minute par pièce. Matrice ouverte : de minutes à heures par pièce, avec réchauffage

Atouts et limites

Atouts

Très résistant et tenace : le fibrage suit la forme et il n'y a pas de trous cachés
Le travail en matrice fermée est rapide et répétable pour les grandes séries
Le forgeage libre peut faire d'énormes pièces que peu d'autres procédés savent faire
Économe en matière : la bavure et les chutes sont recyclées

Limites

Tolérances larges et peau rugueuse, donc la plupart des pièces forgées demandent un peu d'usinage
Les matrices fermées sont coûteuses et prennent des semaines à fabriquer, donc les petits lots sont chers
Le chauffage consomme beaucoup d'énergie, et le travail est chaud, bruyant et lourd
Les creux intérieurs, les contre-dépouilles (formes en surplomb) et les parois très minces sont difficiles ou impossibles

Où on l'utilise

AutomobileVilebrequins, bielles, engrenages, fusées de direction, moyeux de roues
AéronautiquePoutres de trains d'atterrissage, disques de turbines, supports moteur, ferrures d'ailes
ÉnergieArbres de génératrices et de turbines, viroles d'appareils à pression, corps de vannes, brides d'éoliennes
Outils et quincaillerieClés, marteaux, pinces, burins
Pétrole, gaz et minesCorps de trépans, brides de tuyaux, crochets lourds, maillons de chaînes

Comment le reconnaître

Une fine bande autour de la pièce là où la bavure a été ébarbée, souvent légèrement rugueuse ou meulée (le plan de joint).
Des bords arrondis et des côtés légèrement inclinés (la dépouille, une légère conicité qui permet à la pièce de quitter la matrice).
Une peau sombre ou mate, légèrement piquée, sur les zones non usinées, avec des faces usinées brillantes seulement là où les pièces s'ajustent.
Des lettres ou des numéros de pièces en relief, copiés de marquages gravés dans la matrice.

À comparer avec

Moulage en sable1.1la fonderie verse du métal liquide dans un moule ; le forgeage écrase du métal solide, donc il est plus tenace mais moins libre dans la forme.Laminage3.2le laminage écrase le métal en continu entre des cylindres tournants ; le forgeage façonne une pièce à la fois.Frappe à froid3.5une version rapide et à froid du forgeage en matrice fermée pour de petites pièces comme les vis et les boulons.

À regarder

Scot Forge Company · Comment une forge chauffe, presse et tourne le métal en matrices ouvertes

Shubham Kola · Les principaux types de forgeage expliqués côte à côte

CFS Forge · Un vilebrequin forgé en matrices fermées, puis ébarbé de sa bavure

HBEPRESS · L'échelle impressionnante du forgeage libre sur un lingot incandescent

Voir de vraies photos

Wikipédia : Forgeage — photos de marteaux, de presses et de pièces forgées à chaud
Recherche de photos sur Wikimedia Commons

À retenir

Le forgeage écrase du métal solide, généralement rouge vif, pour le mettre en forme ; rien n'est fondu ni enlevé.
Les matrices ouvertes façonnent les grosses pièces ou les pièces uniques peu à peu ; les matrices fermées copient une empreinte rapidement pour la production de masse.
Choisissez le forgeage quand une pièce ne doit pas casser : vilebrequins, trains d'atterrissage, outils à main.