Mise en forme des métaux - Aspects mécaniques et thermiques

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 ».