Estampage à chaud 101

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 feuille de 22MnB5 au-dessus de 900 ° C, la microstructure du métal est convertie de l’acier ferritique à l’acier austénitique, puis avec un refroidissement rapide dans la matrice d’estampage, la phase d’acier est transformée en martensite, avec une résistance allant jusqu’à 1500 MPa[220 KSI] . Des nuances d’acier au carbone plus élevé avec des revêtements spécialisés et des compositions chimiques avancées ont depuis été développées avec une résistance allant jusqu’à 2000 MPa[290 KSI] et de nombreux avantages significatifs des propriétés de procédé et de matériau.

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.

Figure. 1: Propriétés des matériaux et cycles de refroidissement pour 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:

  1. Moins d’opérations d’assemblage par soudure ou fixation.
  2. Moins de retour de ressort et de gauchissement de partie.
  3. Moins de défauts de pièces tels que des fissures et des fissures.
  4. Tonnage de presse réduit par rapport au formage à froid.
  5. Possibilité d’adapter les propriétés des matériaux par zone de pièce.
  6. Capacité à améliorer les microstructures reçues.
  7. Moins d’étapes opérationnelles vers un produit fini.

Quand utiliser l'estampage à chaud

L’estampage à chaud fonctionne mieux lorsque des alliages à très haute résistance et à haute trempabilité, qui sont très difficiles à former à température ambiante, sont souhaités pour répondre aux exigences strictes du produit. Comme exemple répandu, les aciers alliés au bore à faible teneur en carbone et d’autres alliages d’acier avec des compositions avancées sont utilisés pour fabriquer des parties de carrosserie blanches pour véhicules de tourisme, telles que des piliers, des pare-chocs, des poutres de porte et des rails de toit. Voir la figure 2 ci-dessous pour des exemples de pièces adaptées à un poids léger.

Figure. 2: composants du corps blanc adaptés à 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.

Considérations relatives au processus

Décider si l’estampage à chaud est le processus préféré pour la fabrication de pièces est un défi complexe. Il faut tenir compte des volumes de production, des taux de production, du coût des pièces, de la fonction des pièces et des tolérances de fabrication. Une attention particulière est requise pour la sélection de la qualité de matériau appropriée qui peut bénéficier du processus de traitement thermique pour produire la meilleure pièce possible. Des ébauches préformées et sur mesure sont souvent souhaitables pour obtenir des propriétés optimales du matériau de la pièce. Les pièces estampées à chaud sont souvent trop dures pour être découpées dans une presse, de sorte qu’une découpe laser spécialisée peut être nécessaire après le formage.

Processus alternatifs

Les processus capables d’atteindre des résultats similaires comprennent:

Emboutissage de métal[Cold] : 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.

Processus d’estampage à chaud

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 chargée dans un four ou un four à chauffer. L’ébauche chauffée est transférée par un système d’alimentation de presse à une presse hydraulique d’estampage à chaud, qui se ferme très rapidement pour générer du tonnage et retient ensuite 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

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.

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.

Conception de pièces et d’outils pour éviter les défauts

Les principaux défis de l’estampage à chaud sont le froissement du matériau par frottement et le maintien des températures pour éviter le durcissement et la fissuration avant que la pièce ne soit terminée.

Pour réduire le frottement, le formage peut être effectué sans coussinets de pression lorsque la géométrie de la pièce permet la libre circulation du matériau dans la cavité de la matrice. Le contact de surface entre l’ébauche et la matrice doit être minimisé dans la conception de la pièce. La prévention du déplacement latéral peut être obtenue avec des jauges de bord ou d’épingles pour localiser le flan. Des coussinets de bâton peuvent être utilisés pour saisir ou former le matériau au centre de la pièce. Ces techniques sont contraires à l’estampage à froid où les billes d’étirage contrôlent le mouvement du matériau et garantissent un étirement suffisant du matériau pour éliminer le métal libre.

La compression des formes à rebord sur les rayons intérieurs peut provoquer des plis, des déformations et un double métal après le formage. Des tampons espacés peuvent être utilisés pour empêcher la formation d’une hauteur de plis excessive. Les cylindres d’espacement maintiennent le tampon écarté pour permettre un écoulement libre du métal dans la cavité, puis les cylindres d’espacement sont comprimés en bas de course pour aplanir les plis avant la trempe.

La dilatation thermique de l’ébauche suivie d’une contraction de la pièce formée lors de son refroidissement rend plus difficile le contrôle de la géométrie de la pièce. Le calibrage doit s’adapter au rétrécissement sans perdre en efficacité et permettre également à la pièce de se déplacer librement si nécessaire.

La détérioration de la pression de contact peut résulter de l’abrasion de la surface des outils, ce qui peut entraîner une trempe plus lente. Une usure excessive des outils augmentera la durée du cycle et le coût des pièces. L’usure des outils peut également entraîner une déformation de la pièce en raison d’une trempe déséquilibrée, laissant des contraintes résiduelles dues à un retrait irrégulier de la pièce.

Figure. 4: L'outillage de formage à chaud et de trempe nécessite plus d'entretien que les matrices d'estampage à froid conventionnelles en raison de la dilatation et de la contraction thermiques qui ont lieu à chaque cycle de presse. Le contrôle thermique du cyclage thermique peut provoquer des fissures dans l'outil et des fuites d'eau. Les aciers à outils requis sont généralement des matériaux de qualité H13 ou supérieure pour les chocs thermiques, les chocs de formage et l'abrasion.

Configuration de la presse

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.

Figure. 5: température vs temps de processus pour le formage à chaud

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.

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
Figure. 6: Ligne de presse d'estampage à chaud Macrodyne 1000 tonnes

Taille du lit

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.

Tonnages et vitesses

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.

AVC et lumière du jour

Une lumière du jour suffisante doit être disponible entre le poinçon entièrement rétracté et la face de la matrice pour permettre le retrait de la pièce finie de la presse. En pratique, cela se traduit par une lumière du jour qui représente environ le triple de la course de presse. Si une presse est utilisée pour produire plus d’une pièce, la course et la lumière du jour doivent s’adapter au plus grand outillage attendu. Des dégagements supplémentaires peuvent être nécessaires pour s’adapter au refroidissement de la matrice, au chauffage de la matrice, à l’accès au robot ou au chargeur et à l’outillage à changement rapide.

Capacités avancées

Certaines fonctionnalités avancées d’estampage à chaud comprennent:

  1. Formage en plusieurs étapes avant la trempe en utilisant des aciers avancés qui inhibent la perte de martensite à des températures plus élevées.
  2. Poinçonnage à chaud et parage à chaud avant trempe et durcissement des pièces.
  3. Fours à induction qui peuvent préchauffer les ébauches à différentes températures par zone de pièce pour produire des pièces à microstructures multiples.