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LA FORGE
à
Saint Martin La Plaine

LOIRE, FRANCE

    Un peu de technique

                                                 

Qu'est-ce que le forgeage ?

C'est l'ensemble des techniques permettant d'obtenir une pièce mécanique en appliquant une force importante sur un lopin de métal, à des températures pouvant varier de l'ambiante jusqu'à des températures où le métal, tout en restant solide, devient facile à déformer.
Le forgeage implique un dispositif de frappe - marteau, masse, martinet ou marteau-pilon - et un support - enclume ou matrice .

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La matière première du forgeron est le Fer.
Ce fer, singulière particularité, se trouve en quantité illimitée dans la nature, apporté par les météorites qui bombardèrent la Terre lors de sa formation, il y des milliards d'années.
Il représente 5% de l'écorce terrestre, et 35% de la masse de la terre dans son ensemble avec le noyau terrestre.
Mais le fer en tant que tel n'est utilisé que pour des usages très particuliers.

Au cours des siècles, ses besoins en pièces diverses évoluant, l'homme inventa l'acier et mit au point une science, la Métallurgie.
De cette science va naître, non pas un, mais des aciers, car pour fabriquer les centaines de pièces forgées, aux fonctions différentes, nécessaires à l'homme pour sa vie quotidienne et ses industries, il lui faut de la matière répondant aux contraintes également différentes de chaque pièce :
pour forger un couteau, une bielle, un obus ou une prothèse, on ne peut pas utiliser le même acier.

Pour passer du Fer à l'Acier, une seule condition : ajouter du carbone dans la limite d'un maximum de 1%.

Puis, en fonction des caractéristiques mécaniques exigées sur la pièce forgée, on rajoute à l'acier un ou plusieurs autres éléments d'alliage :
manganèse, soufre, phosphore, chrome, nickel, aluminium, cuivre, vanadium, titane, etc...

Le forgeron doit donc avoir pour chaque famille de pièces à fabriquer :
  • Un acier spécifique avec ou sans élément d'alliage, en fonction des caractéristiques à obtenir.
  • Un process de forge, mettant en forme l'acier, pour obtenir des pièces conformes aux contraintes spécifiques de chacune d'elles.

Du point de vue industriel, le forgeage comporte sept techniques dérivées.
  1. La forge libre : la plus ancienne des techniques de forgeage, permettant d'obtenir à chaud des ébauches ou des pièces mécaniques brutes dont la forme est atteinte après un nombre de transformations successives. Ne nécessitant pas d'outillages spécifiques, cette technique est appliquée lorsqu'il s'agit de produire, dans des délais parfois courts, des pièces à l'unité ou en très petites séries. Ces ébauches peuvent avoir des dimensions importantes et atteindre une masse de plusieurs tonnes.                                
  2. L'estampage : consiste à former, après chauffage, des pièces brutes par pression entre deux blocs - les matrices - portant en creux la forme exacte du produit à réaliser. Cette technique de fabrication suppose l'exécution préalable d'outillages spécifiques aux produits à confectionner. Elle n'est donc utilisée que lorsque le nombre de pièces à produire est assez élevé. Elle permet d'obtenir une précision dimensionnelle plus grande qu'en forge libre et le formage du produit à grande vitesse a pour effet d'ennoblir au maximum le métal par l'affinage de son grain. La masse des pièces ainsi produites ne dépasse pas, en général, 250 kilogrammes pour l'acier, mais, dans certains cas exceptionnels et avec des outillages appropriés, on atteint des masses de l'ordre d'une tonne.
  3. L'extrusion : même principe que l'estampage, mais conduite à froid. À température ambiante, on contraint le matériau à remplir complètement la forme en creux d'une matrice grâce à une très forte pression exercée sur un poinçon. Les pièces obtenues ont des formes très précises et des états de surface excellents, ce qui permet souvent de les utiliser sans usinage complémentaire. La masse moyenne des pièces extrudées est de l'ordre d'un kilogramme.
  4. Le matriçage : consiste, comme l'estampage, à former après chauffage des pièces brutes réalisées en alliages non ferreux tels que les alliages d'aluminium, de cuivre, de titane, de nickel, etc. 
  5. Le laminage et le bigornage : permet d'obtenir des couronnes en tous matériaux. En laminage, ces couronnes peuvent avoir un profil rectiligne ou un profil d'une forme quelconque, soit intérieur, soit extérieur, soit les deux à la fois. Le diamètre des couronnes varie de quelques centimètres à une dizaine de mètres au maximum. Des couronnes peuvent aussi être obtenues par bigornage dans certains cas de profil droit et pour de faibles séries.
  6. La frappe à froid : permet d'obtenir des pièces à partir d'ébauche généralement longue, dont seule l'extrémité sera déformée. La cadence des machines est élevée (plusieurs pièces à la seconde). Cette technique est utilisée pour les séries importantes de pièces : visserie, boulonnerie....
  7. L'électrorefoulage : permet d'obtenir à l'extrémité d'un lopin long, une masse de métal importante qui sera ensuite forgée. L'extrémité à déformer est seule chauffée, le lopin glisse dans l'électrode "entrée de courant".
techniques tonnage   métaux séries
L'estampage 394.000 acier formé à chaud (1200°) entre 2 matrices (empreinte de la pièce). 70 % des pièces forgées sont estampées. séries moyennes à importantes (tous marchés)
L'extrusion   60.000 métaux formés par filage à froid de précision en outillage très résistant. 90 % des pièces extrudées sont destinées à l'automobile pièces inférieures à quelques kilos, séries très importantes 
Le forgeage libre   53.000 tous métaux travaillés à chaud, sans matrice spécifique pièces unitaires pouvant atteindre plusieurs tonnes.
Le matriçage   15.000 non ferreux formés à chaud (médical, aéronautique, robinetterie..)

Plus de 500 000 tonnes de pièces sont ainsi forgées chaque année en France, dont 60% destinées à l'automobile.


Deux principes distincts existent : le choc et la pression.

1.  Les engins de choc
Ils sont classés en trois familles, selon l'énergie totale dont ils disposent :

  • Les moutons(énergie disponible 5.000 à 50.000 joules) : masse relevée par un système mécanique (chaîne, courroie, planche, etc.), qui tombe ensuite sous le simple effet de la gravité. Ces machines ne sont pratiquement plus employées.
  • Les marteaux-pilons (énergie disponible 30.000 à 35.000 joules): masse tombante relevée comme celle des moutons, puis projetée vers le bas par l'action mécanique due à la détente d'un gaz                .
  • Les marteaux à contre-frappe (énergie disponible 150.000 à 300.000 joules): liaison mécanique ou hydraulique établie entre la masse supérieure et la masse inférieure  mobile. La détente d'un gaz dans une chambre projette les deux masses l'une vers l'autre.
On trouve des engins de choc surtout en forge libre et en forge par estampage.

2.  Les engins de pression
  • Les presses mécaniques (500 à 12.000 T) : l'axe vertical ou horizontal comporte un coulisseau mû par un système bielle-manivelle. Le vilebrequin est entraîné sur un volant d'inertie qui est mis en rotation par le moteur. À chaque "coup", l'énergie nécessaire à la déformation est donc empruntée au volant d'inertie.
  • Les presses hydrauliques (500 à 2.500 T) pour les presses à 2 colonnes et 2.500 à 16.000 T-force pour les presses à 4 colonnes) opèrent par la descente d'un piston mû hydrauliquement dans une chambre.
  • Les presses à vis (50 à 6300 T) sont constituées d'un bâti monobloc ayant à sa partie supérieure un écrou fixe. Une vis entraînée en rotation par l'intermédiaire d'un vérin à double effet transforme son mouvement circulaire en un mouvement rectiligne, déplaçant ainsi le coulisseau. Ces machines cumulent les avantages des engins de choc et des engins de pression. Elles sont utilisées en forge par estampage et en forge par extrusion.
  • Les laminoirs circulaires comportent un socle dans lequel se trouve le rouleau principal, entraîné par un moteur à courant continu. L'opération de forge par laminage consiste à transformer le lopin cylindrique percé, qui est l'ébauche de départ, en une bague ou couronne de plus grand diamètre mais de même volume. Les caractéristiques des machines utilisées s'expriment plutôt en capacité de diamètre maximal qu'en force de forgeage.                                                                                                                               

La forge est une industrie de transformation, située entre la sidérurgie, qui élabore les produits métallurgiques (acier, aluminium, titane, etc.) et la construction mécanique, qui assemble les pièces produites après leur avoir donné la forme voulue, généralement par usinage.
Mis en œuvre dans de nombreux processus de fabrication, le forgeage et ses divers procédés - estampage, matriçage, laminage, filage - se distinguent de l'usinage, dont le résultat est obtenu par enlèvement de métal.
Le forgeron réalise donc des pièces métalliques adaptées à des outillages, en les mettant en forme d'abord virtuellement à travers des bureaux d'études.
Ces études désormais faites par simulations numériques (logiciels de forge)ont remplacé la simulation par " plasticine".

Aspects métallurgiques                               
Le métal utilisé par le forgeron possède avant déformation des caractéristiques mécaniques conformes à celles que stipulent le cahier des charges du forgeron.
Quelle que soit l'opération de forgeage qu'il subit, ce métal, après déformation, est corroyé.
Le corroyage consiste en un martelage du métal au pilon, au marteau ou à la presse, de manière à améliorer ses caractéristiques mécaniques, après l'affinage. Il provoque un resserrement du métal et une orientation des cristaux par l'action d'un travail de déformation dans une ou plusieurs directions privilégiées. De ce fait, la forge est incontournable pour certaines pièces de sécurité.
Ces évolutions varient aussi avec la direction du corroyage : l'orientation de ce dernier permet de distinguer une direction longitudinale et deux directions transversales selon la forme du demi-produit.

Quel que soit le procédé qui est utilisé pour la mise en forme du matériel, le forgeron peut orienter les fibres préexistantes dans le sens qui est le plus adapté aux besoins fonctionnels de la pièce.               
Ce " fibrage " rationnel constitue un des avantages principaux du forgeage qui permet de réduire les dimensions des pièces donc de les alléger.

  • Véhicules : automobile, poids lourd, transport en commun, motocyclisme
  • Equipements lourds : manutention, travaux publics, agricoles
  • Aéronautique, spatial, armement
  • Ferroviaire : matériel roulant, aiguillage
  • Energie : prospection, extraction, raffinage, production, transport, distribution.
  • Outillage
  • Médical : prothèse, instruments, vis, plaque
  • Marine : accastillage, chaînes, manilles
  • Mécanique : roulements, soudage
  • Sport : alpinisme, plongée, parachutisme, nautisme, cyclisme
  • Luxe et décoration 
  • Autres : textile, serrurerie...


Liste des principales pièces forgées

L'arbre à cames L'arbre à cames est un dispositif mécanique permettant de transformer un mouvement rotatif en mouvement longitudinal et réciproquement.
Il fut découvert au moyen âge, où il a été principalement utilisé dans les moulins à eau spécialisés dans le battage du fer ou le tannage du cuir (entraînement de la roue à aubes par l'eau).
Aujourd'hui, c'est une pièce essentielle du moteur automobile : il transforme le mouvement rotatif issu du moteur en mouvement longitudinal actionnant les soupapes.
La bielle
Une bielle est une pièce mécanique reliant 2 articulations d'axes mobiles et permettant la transmission d'une force. Le système bielle-manivelle représente sans doute la plus importante innovation du Xve siècle.
Utilisées dans les moteurs thermiques, les bielles transforment le mouvement alternatif rectiligne des pistons en un mouvement rotatif continu (ou presque) du vilebrequin.
Une bielle de moteur automobile comporte 2 parties :
. "Le pied de bielle", de petit diamètre, qui est engagé autour de l'axe de piston
. "La tête de bielle", de grand diamètre, qui enserre le maneton du vilebrequin.
Pour permettre le montage dans le cas d'un vilebrequin assemblé, la tête est coupée en 2 dans un plan diamétral perpendiculaire à l'axe général de la pièce. La partie coupée s'appelle "le chapeau de bielle". Après montage, le chapeau est réassemblé au reste de la bielle par des boulons.
"La bielle sécable" est une technique qui consiste à fabriquer la bielle dans un acier cassant, et donc de casser la pièce au lieu de la couper, ce qui a l'avantage de pouvoir rapprocher parfaitement les 2 morceaux.
Le vilebrequin
Le vilebrequin est une pièce de moteur à combustion interne ou de moteur Stirling. Il est l'élément principal du dispositif bielle-manivelle. Il permet la transformation du mouvement linéaire alternatif du ou des piston(s)en un mouvement de rotation continu.
C'est donc le vilebrequin qui va entraîner tous les éléments du moteur qui ont besoin d'un mouvement rotatif comme :
. la transmission primaire
. les contre-arbres d'équilibrage.
Le vilebrequin est composé de plusieurs tourillons alignés, sur lesquels il tourne. Entre ces paliers se trouvent, excentrés, des manetons, sur lesquels sont montées les bielles.


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