Article

1 - ASPECTS GÉNÉRAUX

  • 1.1 - Principales opérations de fabrication des pièces métalliques
  • 1.2 - Évolutions de la mise en forme des métaux
  • 1.3 - Problématiques scientifiques

2 - DESCRIPTION GÉOMÉTRIQUE ET CINÉMATIQUE DES PROCÉDÉS

  • 2.1 - Procédés de mise en forme par déformation plastique sans enlèvement de matière
  • 2.2 - Procédés de mise en forme par enlèvement de matière
  • 2.3 - Procédés de mise en forme par fonderie
  • 2.4 - Procédés de mise en forme par frittage

3 - PHÉNOMÈNES PHYSIQUES FONDAMENTAUX

  • 3.1 - Transition liquide-solide et refroidissement jusqu’à la température ambiante
  • 3.2 - Déformation plastique, et frottement et ductilité
  • 3.3 - Frittage et densification plastique

4 - MISE EN ŒUVRE DES PRINCIPAUX PROCÉDÉS

  • 4.1 - Comparaison de la mise en forme à chaud et à froid
  • 4.2 - Évolution des conditions de l'ébauchage vers la finition
  • 4.3 - Cas des aciers
  • 4.4 - Cas des alliages non ferreux

5 - PRÉSENTATION DE LA RUBRIQUE

6 - CONCLUSION

7 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : M3000 v2

Mise en forme des métaux - Aspects mécaniques et thermiques

Auteur(s) : Eric FELDER

Date de publication : 10 nov. 2015

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RÉSUMÉ

Après avoir situé l’importance économique du domaine de la mise en forme des métaux, l’article présente l’ensemble des procédés de fabrication des pièces métalliques, puis décrit de manière détaillée les opérations de mise en forme par déformation plastique avec et sans enlèvement de matière. Il précise ensuite la géométrie et la cinématique des différents procédés, puis les phénomènes physiques fondamentaux mis en jeu dans la mise en forme,  et  les modalités de la mise en œuvre pratique des procédés selon la  température et la nature des principaux alliages (base fer, aluminium et cuivre).

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ABSTRACT

After stating precisely the economical importance of the field of the metal forming, the article presents the various manufacturing processes of metallic parts, then it describes more in details the operations of metal forming by plastic deformation with and without material removal. Then after having described the geometry and the kinematics of the various processes, the article presents the fundamental physical phenomena involved in metal forming and the practical application conditions according to the temperature and the nature of alloys (based on iron, aluminum and copper).

Auteur(s)

  • Eric FELDER : Ingénieur civil des Mines de Paris, docteur es Sciences Physiques, - Maître de Recherches honoraire MINES ParisTech – CEMEF (Centre de Mise en Forme des Matériaux), Sophia-Antipolis, France

INTRODUCTION

Les matériaux métalliques représentent une des trois grandes classes de matériaux utilisés par l’industrie manufacturière, aux côtés des matériaux de construction (bétons, agrégats minéraux…) et des polymères naturels (cellulose extraite du bois pour fabriquer du papier, bois d’ameublement ou de construction) et tirés du pétrole (polyéthylène…). En outre, ce sont des composants de matériaux composites de grande importance : fils d’acier pour renforcer les bétons ou les pneumatiques, liants des carbures cémentés, comme les carbures de tungstène liés par une matrice cobalt et utilisés comme outils en usinage, forge à froid, tréfilage ou comme éléments de roulements (billes…). Ils présentent en outre l’avantage de pouvoir être recyclés facilement et réutilisés à moindre coût sans perte de performances. La plupart des objets métalliques d'utilisation courante ont subi plusieurs opérations de mise en forme à l'état massif ou/et à l’état de feuilles. La mise en forme des métaux et alliages métalliques a donc une importance économique non négligeable et correspond, pour un pays développé, généralement à quelques pourcents du produit national brut.

Traditionnellement, la mise en forme d'une pièce métallique est suivie d'un traitement thermique permettant de conférer à la pièce la microstructure et les propriétés mécaniques requises par son utilisation, voire d'un traitement de surface pour maîtriser ses propriétés superficielles : rugosité, propriétés mécaniques, chimiques et tribologiques. Les techniques de la mise en forme ont fortement évolué depuis les années 1960 : elles visent maintenant à fournir directement des pièces ayant une géométrie, une rugosité, une microstructure et des propriétés mécaniques vérifiant un cahier des charges donné tout en économisant au maximum énergie et matière, notamment les éléments d’alliage rares et chers.

Au total, la mise en forme des matériaux métalliques est un secteur industriel très important, de haute technicité et en évolution constante, avec grand nombre de problèmes, dont la résolution nécessite le recours massif à des moyens très performants, comme le développement d’essais et les techniques informatiques. L’informatique est utilisée pour trois raisons principales :

  • le contrôle et la conduite de procédés,

  • la constitution, la gestion et l’utilisation de banques de données sur les matériaux, les procédés…,

  • le calcul scientifique pour simuler numériquement une opération ou la chaîne des opérations (mises en forme, traitements thermiques) afin de concevoir les opérations (établir la faisabilité, estimer le prix de revient de pièces), de résoudre les problèmes de mise au point (suppression de défauts de pièces), d'optimiser les opérations pour améliorer la productivité (réduction des énergies de mise en œuvre et/ou de la quantité de matière utilisée, amélioration de la durée de vie des outils).

Il n'est donc pas étonnant que la mise en forme représente un des principaux débouchés du marché de la Productique, l'activité centrée sur l'application de l'informatique aux procédés de fabrication et positionnée devant le matériel de transport terrestre, la construction électrique et électronique, et la mise en forme des polymères.

Il importe en général d'essayer de tirer parti au mieux, et de manière complémentaire, des performances des divers procédés de mise en forme, avec et sans enlèvement de matière, à l'état massif comme à l'état de feuilles, pour bâtir la gamme de fabrication la plus économique possible. Le concepteur a donc intérêt, sinon à disposer de la panoplie la plus large possible de procédés de mise en forme, du moins à bien connaître l'état actuel de leurs possibilités techniques. L'un des objectifs de cet article est donc d'effectuer une présentation générale de ces divers procédés, sous leurs divers aspects techniques et scientifiques, pour faciliter ce choix et orienter le lecteur vers les articles de la rubrique, où il pourra trouver une description plus détaillée des procédés et des divers aspects de ce secteur industriel.

L’article présente l’ensemble des procédés de fabrication des pièces métalliques, puis décrit de manière détaillée les opérations de mise en forme par déformation plastique avec et sans enlèvement de matière. La géométrie et la cinématique des différents procédés, les phénomènes physiques fondamentaux, puis les modalités de la mise en œuvre pratique des procédés selon la température et la nature des principaux alliages (base fer, aluminium et cuivre) sont abordés. Il termine par une présentation de la rubrique « Mise en forme des métaux et fonderie ».

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KEYWORDS

metallurgy   |   plasticity   |   thermomechanics   |   tribology

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-m3000


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - CHENOT (J.L.), FOURMENT (L.), HACHEM (E.), PERCHAT (E.), (P.) -   Recent and future developments in finite element metal forming simulation.  -  11th International Conference on Technology of Plasticity, ICTP 2014, Nagoya Congress Center, Nagoya, Japan, 22 p. (19-24 October 2014).

  • (2) - BONTE (M.H.A.), FOURMENT (L.), DO (T.-T.), VAN DEN BOOGAARD (A.H.), HUETINK (J.) -   Optimization of forging processes using Finite Element simulations A comparison of Sequential Approximate Optimization and other algorithms.  -  Struct Multidisc Optim 42 797-810 (2010).

  • (3) - DUCLOUX (R.), FOURMENT (L.), MARIE (S.), MONNEREAU (D.) -   Automatic optimization techniques applied to a large range of industrial test cases.  -  Int J Mater Form. 3 Suppl 1 : 53-56 (2010).

  • (4) - PUGH (H.L.D.) (Ed.) -   The mechanical behaviour of materials under high pressure.  -  Appl. Sc. Publ. Ltd, London p. 391 (1971).

  • (5) - BAQUE (P.), FELDER (E.), HYAFIL (J.), D'ESCATHA (Y.) -   Mise en Forme des Métaux – Calculs en plasticité.  -  Dunod,...

1 Outils logiciels

Transvalor a développé une suite de logiciels de simulation hautement performants, qui couvrent une vaste gamme de procédés de formage des matériaux métalliques solides et liquides, ainsi que des polymères :

  • FORGE® pour la mise en forme du métal à très haute température, à chaud et à froid ;

  • COLDFORM® pour le formage des métaux à froid ;

  • THERCAST® pour la coulée en lingotière et les procédés de fonderie en continu ;

  • Rem3D® pour l’injection des matériaux polymères.

http://www.transvalor.com/fr/

http://www.3ds.com/products-services/simulia/products/abaqus/...

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