Qu'est-ce que l'estampage à chaud?
L’emboutissage à chaud, connu sous le nom de durcissement sous presse en Europe, et le formage sous pression à chaud en Asie, est un processus de formage thermique pour la tôle où le formage et le traitement thermique métallurgique ont lieu pendant le processus d’estampage. Le durcissement sous presse a été développé à l’origine dans les années 1970 pour fabriquer des outils agricoles en acier trempé, mais a depuis eu un impact commercial majeur sur la fabrication de corps blancs légers et à haute résistance dans l’industrie automobile. La réduction de la consommation de carburant et la sécurité des véhicules ont conduit à l’utilisation universelle de composants en acier à très haute résistance, rendue possible par l’avènement du processus d’estampage à chaud.
Le développement initial et la progression de l’estampage à chaud se sont concentrés sur l’acier allié au manganèse-bore à faible teneur en carbone 22MnB5 en raison de l’utilisation actuelle et de la disponibilité dans le secteur des corps blancs. En chauffant la tôle 22MnB5 à plus de 900 °C, la microstructure du métal est convertie d’acier ferritique en acier austénitique, puis avec un refroidissement rapide dans la matrice d’emboutissage, la phase d’acier est transformée en martensite, avec une résistance pouvant atteindre 1500 MPa [220 KSI]. Des nuances d’acier à plus forte teneur en carbone, dotées de revêtements spécialisés et de compositions chimiques avancées, ont été développées depuis, avec une résistance allant jusqu’à 2000 MPa [290 KSI] et de nombreux avantages significatifs en termes de processus et de propriétés des matériaux.
L’estampage à chaud nécessite une presse servo-hydraulique programmable avec des vitesses d’avance rapides et une capacité d’arrêt pour contrôler de manière répétée le tonnage pour les processus de formage à chaud et de refroidissement. L’équipement auxiliaire comprend généralement un four à sole à rouleaux ou un four à empilement pour chauffer la tôle, une robotique ou des alimenteurs de transfert de matière, un système de refroidissement de matrice et des opérations de coupe de pièces. Le style du châssis de la presse, les systèmes de guidage, les vitesses, le tonnage, la direction d’alimentation du matériau, le changement rapide de matrice et la capacité de chargement décentré doivent tous être soigneusement évalués pour garantir qu’une presse est optimisée pour des applications d’estampage à chaud spécifiques.
Considérations relatives aux matériaux
Tout métal traitable thermiquement ou difficile à former peut bénéficier de l’estampage à chaud lorsque la production de pièces complexes à haute résistance est un avantage. Quelques exemples de matériaux sont présentés dans le tableau 1 ci-dessous.
| Matériel | Noter | Force |
| Acier allié au bore, 0,22% C | 22MnB5 | 1500 MPa |
| Acier allié au bore, 0,30% C | 30MnB5 | 1 800 MPa |
| Acier allié au bore, 0,37% C | 37MnB5 | 2000 MPa |
| Alliage d’aluminium, série 6000 | 6061-T6 | 300 MPa |
| Alliage d’aluminium, série 7000 | 7075-T76 | 500 MPa |
| Alliage de magnésium | AZ31B-H | 300 MPa |
| Alliage de titane | Ti-6Al-4V | 900 MPa |
| Alliage de cuivre et de nickel | C71500 | 500 MPa |
Tableau 1: Exemples de matériaux en tôle pour l’estampage à chaud
Tous les métaux ne présenteront pas la transformation à haute résistance trouvée dans les aciers au bore lorsqu’ils sont estampés à chaud. L’ajout de bore aux aciers au carbone favorise la transformation de phase en martensite lorsqu’ils sont refroidis rapidement. Les tôles d’acier qui ne sont pas alliées pour la transformation de phase ne peuvent pas être durcies à très haute résistance, cependant, l’adaptation de la dureté via le refroidissement et le chauffage de zone peut être utilisée pour contrôler la microstructure et donc les propriétés du matériau. La plupart des alliages non ferreux présenteront des améliorations limitées en termes de dureté, mais le formage sous presse à chaud peut améliorer la formabilité de formes complexes, éliminer le retour élastique et réduire les défauts dans de nombreuses applications.
La corrosion, la décarbonisation et l’entartrage des matériaux en feuille à des températures de four élevées sont un problème pour l’estampage à chaud. Les aciers non revêtus nécessitent une atmosphère de gaz inerte pour minimiser l’entartrage. Les revêtements résistants à la corrosion, tels que l’aluminium-silicium, sont souvent appliqués sur les tôles d’acier pour éliminer le besoin de détartrage. L’ajout d’éléments d’alliage spécifiques peut également réduire la corrosion et, dans certains cas, réduire le refroidissement nécessaire pour maintenir la dureté et permettre des opérations de formage en plusieurs étapes.
Des efforts importants ont été consacrés par les métallurgistes et les producteurs d’acier pour améliorer les matériaux utilisés pour l’estampage à chaud. La figure 1 ci-dessous illustre la relation entre l’allongement et la résistance à la traction pour l’acier au bore 22MnB5 à l’état recuit et estampé à chaud par rapport à d’autres compositions d’acier, telles que l’acier doux et les aciers à haute résistance conventionnels. La superposition du diagramme de phase température-temps sur la droite illustre les conditions requises pour produire de l’acier martensitique et les zones de temps et de température où d’autres phases se produiront dans 22MnB5.
Avantages de l'estampage à chaud
Les avantages des composants structurels d’estampage à chaud sont la résistance à la traction exceptionnelle telle que formée et les géométries complexes qui peuvent être formées. La résistance élevée des pièces estampées à chaud permet de réduire le poids des composants en utilisant une tôle de plus mince épaisseur tout en conservant à la fois l’intégrité structurelle et les performances de collision. D’autres avantages sont énumérés ci-dessous:
- Moins d’opérations d’assemblage par soudure ou fixation.
- Moins de retour de ressort et de gauchissement de partie.
- Moins de défauts de pièces tels que des fissures et des fissures.
- Tonnage de presse réduit par rapport au formage à froid.
- Possibilité d’adapter les propriétés des matériaux par zone de pièce.
- Capacité à améliorer les microstructures reçues.
- Moins d’étapes opérationnelles vers un produit fini.
Quand utiliser l'estampage à chaud
Le nombre de parties du corps formées à chaud et le degré de réduction de poids continuent d’augmenter sur ce marché hautement concurrentiel et strictement réglementé.
Les utilisations dans l’aviation, l’aérospatiale, la défense et d’autres marchés émergents commencent à bénéficier des avantages d’une résistance accrue et d’un poids plus léger rendus possibles par l’estampage à chaud d’alliages avancés difficiles à former.
Les processus capables d’atteindre des résultats similaires comprennent:
Emboutissage du métal [froid] : Si le matériau formé est suffisamment ductile à température ambiante, des pièces similaires à haute résistance peuvent être fabriquées sans qu’il soit nécessaire de chauffer et de recuire la tôle. Des méthodes plus traditionnelles de conception de pièces et de matrices pour gérer le retour élastique sont généralement nécessaires pour produire des pièces précises.
Estampage à chaud: Généralement utilisé pour les alliages non ferreux difficiles à former à température ambiante. Un processus de refroidissement et de vieillissement contrôlé est souvent nécessaire après le formage pour restaurer les microstructures durcies en solution présentes avant que la feuille ne soit recuite par chauffage.
Hydroformage: Un processus avancé de formage de tôles et de tubes qui utilise la pression hydraulique au lieu d’un poinçon fixe pour produire des géométries non adaptées à l’estampage, y compris des formes en contre-dépouille ou bombées.
Fabrication: Pour le prototypage ou les petites séries de production, les pièces peuvent être produites à partir de plusieurs feuilles via le soudage ou d’autres processus d’assemblage. Dans la plupart des cas, la fabrication n’est appropriée que lorsque le volume de production n’est pas suffisamment élevé pour justifier le coût d’un outillage dédié.
Aperçu
L’estampage à chaud implique la trempe rapide des aciers à très haute résistance qui ont été chauffés et mis en forme. Le processus commence par le désempilage d’une ébauche qui est placée dans un four ou un four à chauffer. Le flan chauffé est transféré par un système d’alimentation de la presse vers une presse hydraulique d’estampage à chaud, qui se ferme pour générer un tonnage très rapide et maintient la pièce jusqu’à ce qu’elle soit refroidie. Lorsque ce processus est terminé, le composant durci est automatiquement déchargé de la presse hydraulique par un système de déchargement de la presse pour la finition. La figure 3 ci-dessous illustre les éléments de base de l’estampage à chaud.
Figure. 3: Eléments du processus d’estampage à chaud direct et indirect
Facteurs de succès
L’emboutissage direct à chaud est plus répandu dans l’industrie. L’estampage à chaud indirect ajoute une étape de formage à froid avant le chauffage.
Un examen complet de tous les paramètres qui affectent l’estampage à chaud dépasse le cadre de cet article. Au lieu de cela, nous examinerons quelques facteurs clés qui se traduisent bien pour une économie de processus acceptable: les propriétés des matériaux, l’outillage de trempe, les taux de production et la réduction des défauts.
Propriétés matérielles:
Une trempabilité élevée du matériau se traduit par une résistance supérieure, ce qui réduit directement le poids de la pièce. Dans le secteur automobile, cela signifie une meilleure économie de carburant et une sécurité accrue des passagers. Une résistance à la traction élevée n’est pas la seule exigence. La résistance aux chocs repose également sur les propriétés de l’acier ductile absorbant l’énergie pour être présent dans les zones de déformation. Les aciers avancés à haute résistance doivent répondre à ces deux objectifs. Les méthodes clés pour obtenir ces résultats sont des ébauches personnalisées et un traitement thermique par zone dans l’outillage de trempe.
Outillage de forme et de trempe:
Un outil de formage et de trempe bien conçu est essentiel au succès de la pièce produite. Les zones à haute résistance doivent être trempées rapidement pour produire les propriétés de matériau souhaitées. Les zones de composants isolées nécessitant des propriétés plus ductiles sont refroidies plus lentement et dans certains cas, l’outillage est chauffé pour obtenir la microstructure appropriée. Des aciers à outils spécialisés pour le travail à chaud qui peuvent survivre aux rigueurs des cycles thermiques répétés sont nécessaires pour minimiser l’usure des matrices et réduire les défaillances de l’outillage. Les surfaces de travail de l’outil sont souvent durcies par nitruration et d’autres techniques de dépôt de matériau pour résister à l’abrasion et augmenter la durée de vie de l’outil.
Taux de production:
Le durcissement à la presse est un processus nettement plus lent que l’estampage traditionnel, principalement en raison du temps nécessaire pour tremper la pièce. Les taux de cycle de presse typiques sont de 10 à 30 secondes avec des matériaux plus épais prenant plus de temps en raison du temps supplémentaire nécessaire pour tremper. Un retard supplémentaire peut également être attribué à la nécessité d’un découpage au laser lorsque la pièce trempée est trop dure pour le découpage et le poinçonnage post-traitement à la presse. Une technique qui a été employée pour réduire les temps de cycle est l’ajout de silicium à la composition d’alliage qui permet des sorties de température de trempe plus élevées pour faciliter un formage en plusieurs étapes plus rapide avec poinçonnage et découpage à chaud.
Réduction des défauts:
L’estampage à chaud obtient un retour de ressort comme un défaut en raison du processus de recuit qui rend possible le formage de formes profondes et complexes, mais des températures élevées signifient de l’acier collant. La température élevée signifie également qu’aucune lubrification ne peut être appliquée à la feuille et le frottement est un problème important. De plus, les revêtements de matériaux utilisés pour empêcher la décarburation et la formation de tartre pendant le chauffage de l’ébauche peuvent être très abrasifs pour les surfaces d’outils. En conséquence, la gestion du frottement est essentielle pour éviter un amincissement excessif, un fendillement et une fissuration dans la pièce, ainsi qu’une usure excessive de la matrice due à l’abrasion.
La conception des pièces et des outils de presse visant à réduire et à prévenir les défauts au cours du processus d’emboutissage à chaud est principalement axée sur le maintien des températures de formage et le contrôle du flux de matériau. Si la tôle se refroidit trop rapidement avant la fin du formage, la pièce risque de durcir et de se fissurer. Si la friction de formage ne peut être gérée ou réduite efficacement, les pièces présenteront des plis.
Minimiser les effets négatifs du frottement et maintenir le flux de matériau est un défi important pour l’estampage à chaud. Les températures élevées ne permettent pas l’utilisation de lubrifiants de formage et le métal devient très mou et collant à chaud. Dans la mesure du possible, la conception doit tenter de minimiser le contact de surface entre la géométrie de la pièce et le flan de tôle. La réduction du contact permet un écoulement plus libre de la matière, mais l’écoulement doit également être contrôlé pendant le cycle afin d’éviter le plissement de la bride et le désalignement de la pièce.
Maintenir la tôle suffisamment chaude pour éviter qu’elle ne durcisse et ne se fissure pendant le processus de formage constitue un autre défi de taille. La contraction du matériau pendant le refroidissement peut rendre difficile le contrôle de la géométrie des pièces. À ce problème s’ajoute l’usure de l’outil due à l’abrasion et aux cycles thermiques, qui peut réduire la durée de vie de l’outil et compromettre la qualité de la pièce. Les aciers à outils pour travail à chaud sont généralement nécessaires pour minimiser les effets du choc thermique, de la déformation et de l’usure. L’usure peut être encore réduite en appliquant des traitements de surface durcis, tels que la nitruration, aux cavités finies de l’outil. Le maintien d’une bonne qualité de surface permet d’accélérer les cycles et de mieux contrôler le durcissement des pièces pendant la trempe.
Le tableau 2 présente quelques techniques courantes qui favorisent la réussite de la conception des pièces et des outils.
Élément de conception | Question contrôlée |
Minimiser le contact entre la matrice et l’ébauche | Réduction du frottement |
Plaquettes à vide sur les brides | Limiter la hauteur des rides |
Plaquettes à espace fermé sur les brides | Repasser les rides |
Tampons centralisés | Emplacement vide |
Jauges d’épingle ou d’arête | Déplacement latéral |
Jaugeage dynamique | Rétrécissement |
Durcissement de la surface des matrices | Usure de l’outil / temps de cycle |
Limiter l’utilisation des coussins de pression | Réduction du frottement |
Tableau 2 : Stratégies de conception des pièces et des outils.
Paramètres de base
La configuration d’une presse pour produire des pièces embouties à chaud commence par les exigences du processus de fabrication des pièces. La configuration nécessite des informations concernant le type de matériau, les spécifications des pièces, le volume de production, la vitesse de production et le prix cible. Ces facteurs ont alors une influence directe sur les exigences de manutention, de formage et de trempe, qui à leur tour influencent les spécifications de l’installation et de l’outillage. Un diagramme de la température en fonction du temps de processus ci-dessous illustre les étapes du processus qui dicteront les exigences du processus et le taux de production réalisable.
Il existe plusieurs variables clés à prendre en compte lors de l’achat d’une presse d’estampage à chaud ou d’une ligne de presse d’estampage à chaud entièrement automatisée.
- Les systèmes hydrauliques et de contrôle pour une presse d’estampage à chaud doivent être entièrement programmables et offrir un contrôle de tonnage répétable, c’est pourquoi de nombreuses applications d’estampage à chaud utilisent des presses servo-hydrauliques. Avec ces systèmes, l’huile doit être extrêmement propre et il peut être intéressant d’envisager des systèmes de filtrage en ligne ou hors ligne en plus des filtres à cartouche standard.
- Les servo-hydrauliques sont généralement de conception beaucoup plus compliquée et la plupart des clients apprécient d’avoir une connexion à distance entre l’OEM et la presse pour faciliter le dépannage.
- Bien qu’il existe de nombreuses conceptions de circuits différentes, la presse voudrait généralement avoir un circuit de pré-pressage qui peut être rapidement déplacé vers le pressage à plein tonnage lorsque cela est nécessaire.
- Comme les presses d’estampage à chaud sont coûteuses et doivent généralement exécuter plusieurs produits avec plusieurs matrices, les chariots de matrices ainsi que les systèmes de serrage automatique des matrices sont populaires pour réduire le temps de changement de matrice et maximiser la production annuelle.
Le lit d’une presse doit pouvoir accueillir l’empreinte du plus grand ensemble d’outils attendu. Pour les formes vierges rectangulaires ou complexes, l’orientation de la pièce à l’intérieur du lit déterminera les dimensions globales du lit. Une estimation approximative de la taille du lit peut être calculée en fonction de la taille du blanc. Un large accès au lit depuis les quatre côtés d’une presse d’estampage à chaud est avantageux pour le transfert de matière automatisé et l’outillage de changement rapide de matrice.
Le système de commande d’une presse hydraulique d’estampage à chaud doit être capable d’un contrôle de tonnage entièrement programmable et reproductible pour optimiser le processus et réduire la consommation d’énergie. La presse doit être capable de produire un tonnage suffisant pour former la pièce et la maintenir / durcir, mais un tonnage excessif doit être évité. Le tonnage appliqué au-delà de ce qui est requis peut entraîner une consommation d’énergie excessive et une usure de l’outillage. Une gamme typique de tonnage d’estampage à chaud se situe entre 500 et 1500 tonnes.
L’ébauche chauffée commence à refroidir rapidement immédiatement après avoir été retirée du four, il est donc essentiel que la presse se ferme et génère un tonnage pour former la pièce très rapidement. Le chargement automatisé des pièces nécessite généralement que la presse soit ouverte sur une quantité considérable pour permettre un dégagement suffisant. Ce grand jeu rend encore plus critique que la presse puisse s’ouvrir et se fermer très rapidement. En règle générale, des vitesses de fermeture de 500 à 1 000 mm par seconde sont requises. Les vitesses de retour rapide sont un peu plus lentes mais sont optimisées pour réduire les temps de cycle.
Certaines fonctionnalités avancées d’estampage à chaud comprennent:
- Formage en plusieurs étapes avant la trempe en utilisant des aciers avancés qui inhibent la perte de martensite à des températures plus élevées.
- Poinçonnage à chaud et parage à chaud avant trempe et durcissement des pièces.
- Fours à induction qui peuvent préchauffer les ébauches à différentes températures par zone de pièce pour produire des pièces à microstructures multiples.
Références d’images
- Figure. 1 : HS101-F1, Garcia Aranda L, Chastel Y, Fernandez Pascual J, Dal Negro T, 2002 Expériences et simulation d’emboutissage à chaud d’aciers trempés. Technologie avancée de plasticité 2, 1135-40
- Figure. 2 : HS101-F2, A. Nagathan et L. Penter, Chapitre 7 : Estampage à chaud », dans Sheet Metal Forming Processes and Applications (T. Altan et A. Tekkaya, eds.), pp. 153{163, ASM International, 2012.
- Figure. 3: HS101-F3, H. Engels, O. Schalmin, C. Müller-Bollenhagen, « Contrôle et surveillance du processus d’estampage à chaud des aciers traités thermiquement au bore », La conférence internationale « Nouveau développement dans le formage de tôles Technologie », pp. 135~150, Stuttgart Allemagne, 2006
- Fig. 4 : HS101-F5, Erhardt, R., Boke, J. : Industrial application of hot forming press simulation,1st International Conference on Hot Sheet Metal Forming of High-Performance, Steel, Kassel, Allemagne, (2008) pp. 83-88.
- Figure. 5 : HS101-F6, Macrodyne 1000 Ton Hot Stamping Press Line (ligne de marquage à chaud de 1000 tonnes)
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