Principes clés de conception pour l'aptitude au forgeage

TL ;DR

Concevoir une pièce pour la fabricabilité par forgeage implique de planifier stratégiquement sa géométrie afin de faciliter le processus de forgeage des métaux. Cela suppose un contrôle rigoureux de caractéristiques clés telles que la ligne de joint, les angles de dépouille, les rayons de congé et l'épaisseur des parois, afin d'assurer un écoulement uniforme du matériau, d'éviter les défauts et de permettre un démoulage facile de la pièce à partir du moule. Une conception adéquate permet de réduire les coûts, diminue les opérations de post-traitement et maximise la résistance intrinsèque de la pièce forgée.

Les principes fondamentaux de la conception pour la fabricabilité par forgeage (DFM)

La conception pour la fabricabilité par forgeage (DFM) est une pratique d'ingénierie spécialisée visant à optimiser la conception d'une pièce pour le procédé de forgeage. L'objectif principal est de créer des composants qui sont non seulement fonctionnels, mais aussi économiques et rentables à produire. En tenant compte dès le départ des contraintes et des capacités du forgeage, les ingénieurs peuvent réduire considérablement les coûts de production, améliorer la qualité de la pièce finale et minimiser le besoin d'opérations secondaires importantes telles que l'usinage. Comme le précisent les experts, le forgeage aligne le flux de grains du métal avec la forme de la pièce, ce qui améliore les propriétés mécaniques telles que la résistance à la fatigue et la ténacité au choc. Ce procédé produit des composants dotés d'une résistance et d'une durabilité supérieures par rapport à la fonderie ou à l'usinage .

Les objectifs fondamentaux de la DFM pour le forgeage comprennent :

• Réduction de la complexité : Les formes simples et symétriques sont plus faciles à forger, nécessitent des outillages moins complexes et entraînent moins de défauts.
• Assurer l'écoulement du matériau : La conception doit permettre au métal de s'écouler uniformément et de remplir complètement la cavité du moule sans créer de vides ni de replis.
• Standardisation des composants : Lorsque possible, l'utilisation de dimensions et de caractéristiques standard peut réduire les coûts d'outillage et le temps de production.
• Minimisation des déchets : L'optimisation de la taille initiale de la billette et de la géométrie de la pièce réduit les chutes de matière, en particulier le « flash » qui est éliminé après la forgeage.

Ignorer ces principes peut entraîner des difficultés importantes. De mauvais choix de conception peuvent provoquer des défauts de fabrication, une usure accrue des outils, un gaspillage accru de matériaux et, en fin de compte, un produit final plus faible et plus coûteux. Pour les entreprises opérant dans des secteurs exigeants comme l'automobile et l'aérospatiale, il est essentiel de collaborer avec un fabricant expérimenté. Par exemple, des spécialistes du forgeage à chaud automobile, tels que Shaoyi Metal Technology , exploitent leur expertise en fabrication de matrices et en procédés de production afin d'assurer une conception optimisée tant sur le plan de la performance que de l'efficacité, de la phase de prototypage à celle de la production de masse.

Considération géométrique fondamentale 1 : La ligne de joint et les angles de dépouille

Parmi les éléments les plus critiques dans la conception du forgeage figurent la ligne de joint et les angles de dépouille. Ces caractéristiques influencent directement la complexité des outils, l'écoulement du matériau et la facilité avec laquelle une pièce finie peut être extraite de l'outillage. Une approche bien planifiée de ces aspects est fondamentale pour un procédé de forgeage réussi et efficace.

La ligne de joint

La ligne de joint est la surface où se rejoignent les deux moitiés de l'outil de forgeage. Son emplacement constitue une décision critique dans le processus de conception et doit être clairement indiqué sur tout plan de forgeage. Idéalement, la ligne de joint doit se situer dans un seul plan et être positionnée autour de la plus grande aire projetée de la pièce. Cela permet d'assurer un écoulement uniforme du matériau et de minimiser les forces nécessaires pour forger la pièce. Selon les directives de Engineers Edge , une ligne de joint correctement placée aide également à contrôler la direction du fil du matériau et empêche les sous-dépouilles, ce qui rendrait impossible l'éjection de la pièce hors du moule.

Angles de dépouille

Les angles de dépouille sont de légers conicités appliquées à toutes les surfaces verticales du forgeage parallèles au mouvement du moule. Leur objectif principal est de faciliter le retrait facile de la pièce du moule après sa formation. En l'absence d'une dépouille adéquate, la pièce peut rester coincée, ce qui risque d'endommager à la fois la pièce elle-même et le moule coûteux. L'angle de dépouille requis dépend de la complexité de la pièce et du matériau forgé, mais les angles de dépouille typiques pour les pièces forgées en acier varient de 3 à 7 degrés . Un angle de dépouille insuffisant peut provoquer des défauts, augmenter l'usure du moule et ralentir le cycle de production.

Considération géométrique principale 2 : nervures, voiles et rayons

Au-delà de la forme générale, la conception de caractéristiques spécifiques telles que les nervures, les voiles et les rayons des coins et des congés est essentielle pour la fabricabilité. Ces éléments doivent être conçus pour favoriser un écoulement uniforme du matériau et éviter les défauts courants d'emboutissage, tout en assurant l'intégrité structurelle de la pièce finale.

Nervures et Voiles

Les nervures sont des éléments étroits surélevés souvent utilisés pour renforcer la rigidité d'une pièce sans ajouter un poids excessif. Les voiles sont les sections minces de matériau reliant les nervures et autres éléments. Lors de la conception de ces éléments, il est crucial de maîtriser leurs proportions. Des nervures hautes et étroites peuvent être difficiles à remplir de matière, ce qui peut entraîner des défauts. Une règle générale veut que la hauteur d'une nervure ne dépasse pas six fois son épaisseur. En outre, l'épaisseur de la nervure devrait idéalement être égale ou inférieure à celle du voile afin d'éviter des problèmes de traitement.

Rayons des Coins et des Congés

L'une des règles les plus importantes en conception de forgeage est d'éviter les angles internes et externes vifs. Les coins aigus entravent l'écoulement du métal, provoquant des défauts tels que des recouvrements et des soufflures froides, où le matériau se replie sur lui-même. Ils créent également des concentrations de contraintes dans la matrice et dans la pièce finale, ce qui peut réduire la durée de vie en fatigue. L'utilisation de rayons de congé (internes) et d'angles (externes) généreux est essentielle. Ces bords arrondis permettent au métal de s'écouler uniformément dans toutes les parties de la cavité de la matrice, assurent un remplissage complet et répartissent les contraintes de manière plus homogène. Cela améliore non seulement la résistance de la pièce, mais prolonge également la durée de vie des matrices de forgeage en réduisant l'usure et le risque de fissuration.

Gestion de l'écoulement du matériau : Épaisseur des sections et symétrie

La physique fondamentale du forgeage consiste à forcer un métal solide à s'écouler comme un fluide épais vers une forme souhaitée. Par conséquent, la maîtrise de cet écoulement matière est primordiale pour produire une pièce sans défaut. La clé réside dans le maintien d'une épaisseur de section constante et l'exploitation de la symétrie autant que possible.

Les changements brusques d'épaisseur de paroi peuvent provoquer des problèmes importants. Le métal suit toujours le chemin de moindre résistance, et une transition soudaine entre une section épaisse et une section fine peut restreindre l'écoulement, empêchant ainsi le remplissage complet de la section mince. Cela peut également créer des gradients thermiques pendant le refroidissement, entraînant des déformations ou des fissures. Une conception idéale en forgeage prévoit une épaisseur de paroi uniforme sur l'ensemble de la pièce. Lorsque des variations sont inévitables, elles doivent être progressives, avec des transitions douces et affinées. Cela garantit une répartition uniforme de la pression et un écoulement homogène du métal dans toutes les zones de l'outil.

La symétrie est un autre outil puissant pour le concepteur. Les pièces symétriques sont par nature plus faciles à forgeer car elles favorisent un écoulement uniforme du matériau et simplifient la conception des matrices. Les forces sont réparties plus uniformément, et la pièce est moins sujette à la déformation pendant le forgeage et le refroidissement ultérieur. Lorsque l'application le permet, concevoir des formes simples et symétriques mènera presque toujours à un processus de fabrication plus robuste, plus rentable, et à un composant final de meilleure qualité.

Planification du post-traitement : marges d'usinage et tolérances

Bien que le forgeage puisse produire des pièces très proches de leur forme finale (forme quasi définitive), un usinage secondaire est souvent nécessaire pour atteindre des tolérances strictes, des finitions de surface spécifiques ou des caractéristiques qui ne peuvent pas être forgées. Une partie essentielle de la conception pour la fabricabilité consiste à prévoir ces étapes de post-traitement dès le départ.

Une 'marge d'usinage' est un matériau supplémentaire ajouté intentionnellement au forgeage sur les surfaces qui seront usinées ultérieurement. Cela garantit qu'il y a suffisamment de matière à enlever pour atteindre la dimension finale précise. Une marge d'usinage typique peut être d'environ 0,06 pouce (1,5 mm) par surface, mais cette valeur peut varier selon la taille et la complexité de la pièce. Le concepteur doit tenir compte de l'accumulation des tolérances dans le cas le plus défavorable ainsi que des angles de dépouille lors de la spécification de cette marge.

Les tolérances dans la forge sont naturellement plus faibles que dans l'usinage de précision. Il est essentiel de fixer des tolérances réalistes pour la pièce forgée pour gérer les coûts. La tentative de maintenir des tolérances de forge inutilement serrées peut augmenter considérablement les coûts d'outillage et les taux de rejet. Au lieu de cela, la conception doit faire la distinction entre les surfaces critiques qui seront usinées et les surfaces non critiques qui peuvent rester forgé. En communiquant clairement ces exigences sur le dessin, les concepteurs peuvent créer une pièce à la fois fonctionnelle et économique à produire, comblant ainsi l'écart entre le forgeage brut et le composant fini.

Questions fréquemment posées

1. le nombre de personnes Quelles sont les considérations de conception pour la forge?

Les principales considérations de conception pour la forge comprennent la sélection du bon matériau, la définition de la géométrie de la pièce pour faciliter le flux métallique et la spécification des caractéristiques clés. Ces mesures comprennent l'emplacement de la ligne de séparation, des angles de tirage adéquats pour l'éjection des pièces, des rayons généreux de filetage et de coin pour éviter les concentrations de contraintes et le maintien d'une épaisseur de paroi uniforme. En outre, les concepteurs doivent prévoir des limites d'usinage et des tolérances réalistes pour les opérations post-forge.

2. Le dépôt de la demande. Comment concevoir une pièce pour la fabrication?

La conception d'une pièce pour la fabrication, ou DFM, consiste à simplifier la conception afin de réduire la complexité et le coût. Les principes clés sont notamment de réduire le nombre total de pièces, d'utiliser des composants standard lorsque cela est possible, de concevoir des pièces multifonctionnelles et de choisir des matériaux faciles à traiter. Spécialement pour la forge, cela signifie concevoir pour un flux de matière uniforme, éviter les coins tranchants et minimiser le besoin d'opérations secondaires.

3. Le retour de la guerre Qu'est-ce qui caractérise la conception pour la fabrication?

La conception pour la fabrication (DFM) se caractérise par une approche proactive où le processus de fabrication est considéré au début de la phase de conception. Ses principes fondamentaux consistent à optimiser la conception pour faciliter la fabrication, le coût et la qualité. Cela signifie se concentrer sur des éléments tels que la sélection des matériaux, les capacités de processus, la normalisation et la minimisation de la complexité pour garantir que le produit final peut être produit de manière fiable et efficace.