Le procédé essentiel de forgeage pour les joints universels

TL ;DR

Le procédé de forgeage des joints universels est une méthode de fabrication sophistiquée qui consiste à façonner des alliages d'acier de haute qualité sous une pression extrême afin de créer des composants robustes et durables. Les techniques clés incluent le forgeage à chaud, lors duquel le métal est chauffé au-dessus de sa température de recristallisation pour faciliter le façonnage, et le forgeage à froid pour une précision accrue. Ce procédé utilise des presses à haute tonnage et des matrices spéciales pour former les pièces principales, telles que les fourches et croix, garantissant une résistance supérieure et une structure de grain continue essentielle pour les applications à haute contrainte.

Comprendre les joints universels et l'avantage du forgeage

Un joint universel, souvent appelé joint en U, est un accouplement mécanique essentiel qui relie des arbres rotatifs, leur permettant de transmettre le couple et le mouvement même lorsqu'ils sont inclinés l'un par rapport à l'autre. Cette flexibilité est indispensable dans d'innombrables applications, allant des arbres de transmission automobiles et des systèmes de direction aux machines industrielles et agricoles. Le joint se compose généralement de deux fourches reliées par un élément en forme de croix, ou spider, qui abrite des roulements afin de faciliter une rotation fluide.

Le forgeage est la méthode de fabrication privilégiée pour ces composants en raison de la résistance exceptionnelle qu'il confère. Contrairement à la fonderie ou à l'usinage à partir de matière pleine, le forgeage met en forme le métal par une déformation maîtrisée, en alignant la structure granulaire interne du matériau avec la forme finale de la pièce. Cela crée un flux de grains continu qui suit les contours de la croix et de la fourche, offrant ainsi une résistance élevée à la traction, une excellente tenue en fatigue et une grande durabilité aux chocs. Cette intégrité structurale est primordiale pour un composant appelé à supporter des charges complexes, alternées et constantes tout au long de sa durée de service.

Le choix des matériaux pour les cardans est déterminé par ces conditions exigeantes. Les aciers alliés de haute qualité sont le choix standard en raison de leur excellente résistance, ténacité et résistance à l'usure. Par exemple, les aciers au carbone moyen comme l'acier 45 sont couramment utilisés pour des composants tels que la fourche du joint universel. Dans certaines applications spécialisées, notamment celles nécessitant une forte résistance à la corrosion, des alliages d'acier inoxydable peuvent être utilisés, et les surfaces peuvent être revêtues afin de réduire le frottement et d'éviter le grippage.

Techniques fondamentales de forgeage : Forgeage à chaud contre forgeage à froid

La fabrication des joints universels repose principalement sur deux techniques de forgeage : le forgeage à chaud et le forgeage à froid. Le choix entre ces deux méthodes dépend du composant spécifique, des propriétés requises pour le matériau et du volume de production. Chaque méthode présente un ensemble distinct d'avantages et d'inconvénients en termes de précision, de résistance et de coût.

Forgage à chaud est la méthode la plus courante pour produire des composants d'accouplement universel comme la croix. Dans ce procédé, le billet d'acier est chauffé à une température supérieure à son point de recristallisation. Cette chaleur extrême rend le métal malléable et plastique, ce qui permet de le façonner avec moins de pression à l'aide d'une presse ou d'un marteau de forgeage. Le principal avantage du forgeage à chaud réside dans sa capacité à créer des géométries complexes en 3D et des déformations importantes avec une relative facilité, ce qui le rend idéal pour la forme complexe d'une croix d'accouplement universel. Il affine également la structure du grain du métal, élimine la porosité et améliore sa ténacité.

Forge à Froid , en revanche, est effectué à température ambiante ou proche de celle-ci. Ce procédé nécessite une pression nettement plus élevée pour façonner le métal, mais offre une précision dimensionnelle supérieure, une meilleure finition de surface et une résistance accrue grâce à un phénomène appelé écrouissage. Moins courant pour la mise en forme initiale de pièces complexes comme la croix, le forgeage à froid peut être utilisé pour certains composants ou comme opération secondaire de finition afin d'obtenir des tolérances serrées sans avoir recours à un usinage intensif.

Voici une comparaison des deux méthodes principales :

Le processus de fabrication étape par étape

La création d'une articulation universelle par forgeage est un processus à plusieurs étapes qui transforme une simple barre d'acier en un composant mécanique haute performance. Chaque étape est soigneusement contrôlée afin de garantir que le produit final respecte des normes strictes de qualité et de durabilité. Bien que les détails spécifiques puissent varier, le flux de travail général suit un parcours clair et séquentiel.

1. Préparation et découpe du matériau : Le processus commence par la sélection de barres en alliage d'acier de haute qualité. Ces barres sont inspectées pour vérifier leur qualité, puis coupées en longueurs précises, appelées billettes ou masses brutes. Le poids et le volume de chaque billette sont calculés afin d'obtenir exactement assez de matière pour remplir la cavité du moule, minimisant ainsi les pertes (appelées bavures).
2. Chauffage (pour le forgeage à chaud) : Les billets coupés sont transportés dans un four, souvent un four à induction, où ils sont chauffés à la température de forgeage optimale. Pour l'acier, cela se situe généralement entre 1100 ° C et 1250 ° C. Cette étape est essentielle pour rendre le métal suffisamment malléable pour être façonné sous pression.
3. Pour les machines à laver ou à laver les mains La billette chauffée est rapidement placée dans la moitié inférieure d'un matriciel conçu sur mesure dans une presse à forgeage de grande capacité. La presse applique alors une pression immense, obligeant le métal plastique à couler et remplit la cavité du matricule, qui a la forme du composant souhaité (par exemple, un joug ou une croix). Il s'agit souvent d'un processus en plusieurs étapes, qui implique une étape de pré-forge pour former grossièrement la pièce et une étape de forge finale pour obtenir la forme nette et les détails fins.
4. Découpe : Après la forge, la pièce a une fine ligne de matière excédentaire autour de ses bords où les deux moitiés du matricule se sont rencontrées. Cet excès, appelé flash, est retiré dans une presse à découpage. Le flash est ensuite recyclé.
5. Traitement thermique: Pour obtenir les propriétés mécaniques finales souhaitées, les composants forgés subissent un traitement thermique. Comme détaillé par HYB Joint universel , cela implique des procédés tels que la trempe (refroidissement rapide) pour durcir l'acier et la revenu (réchauffage à une température plus basse) pour augmenter la ténacité et réduire la fragilité. Certains composants peuvent également être cémentés afin de créer une surface dure et résistante à l'usure.
6. Finition et usinage : Bien que le forgeage permette d'obtenir une forme quasi-définitive, un usinage de précision est nécessaire pour atteindre les tolérances strictes requises pour les surfaces de paliers et les points de connexion. Des opérations telles que le perçage, le meulage et le tournage sont effectuées à l'aide de machines CNC afin de garantir un ajustement parfait et un fonctionnement fluide.
7. Assemblage et contrôle qualité : Enfin, les composants individuels — fourches, croix et roulements — sont assemblés. Tout au long du processus, des contrôles qualité rigoureux sont effectués, incluant des inspections dimensionnelles et des tests de durabilité, afin de s'assurer que chaque joint universel respecte les spécifications de performance.

Composants spécifiques de forgeage : Fourches et croix

Les composants principaux de l'articulation universelle, la fourche et la croix, possèdent des géométries distinctes qui nécessitent des conceptions spécialisées de matrices de forgeage ainsi que des considérations particulières de procédé. L'optimisation de ces procédés est essentielle pour améliorer l'utilisation du matériau, prolonger la durée de vie des matrices et garantir l'intégrité structurelle de la pièce finale.

Forgeage de la fourche d'articulation universelle

La fourche d'articulation universelle, ou yoke, est une pièce typique en forme de fourche dont la répartition du métal varie fortement. Sa forme complexe, caractérisée par des nervures étroites et hautes, rend son forgeage efficace particulièrement difficile. Les méthodes traditionnelles peuvent entraîner un écoulement imparfait du matériau, provoquant un surplus de matière excédentaire (flash) dans certaines zones et un remplissage incomplet dans d'autres. Cela gaspille non seulement le matériau, mais accélère également l'usure des matrices et exige des pressions de forgeage plus élevées.

Pour surmonter ces difficultés, des techniques avancées telles que le procédé de pré-forgeage semi-fermé ont été développées. Comme expliqué dans une analyse réalisée par Xinlong Machinery , cela implique une refonte de la structure de la matrice afin de mieux contrôler l'écoulement du métal, en le dirigeant vers les cavités nécessaires plutôt que vers les canaux de débordement. En optimisant la forme de préforgeage et la disposition des matrices, les fabricants peuvent augmenter le taux d'utilisation du matériau de environ 61,5 % à 75 % ou plus, réduire significativement la charge finale de forgeage et doubler largement la durée de vie des matrices.

Pour les entreprises recherchant des composants automobiles robustes et fiables, les services spécialisés de forgeage sont essentiels. Par exemple, pour des composants automobiles robustes et fiables, découvrez les services de forgeage sur mesure proposés par Shaoyi Metal Technology . Ils se spécialisent dans le forgeage à chaud de haute qualité certifié IATF16949 pour l'industrie automobile, offrant tout, depuis la prototypage rapide pour de petites séries jusqu'à la production de masse à grande échelle. Leur expertise en fabrication interne de matrices garantit précision et efficacité pour des pièces complexes telles que les yokes de joint universel.

Forgeage de l'arbre en croix

L'arbre transversal, également connu sous le nom d'étoile, est l'élément central qui relie les deux fourches. Sa géométrie à quatre branches constitue un exemple classique de pièce 3D complexe particulièrement adaptée au forgeage à chaud en matrice fermée. Le procédé doit garantir une continuité du flux de grains depuis le centre jusqu'aux extrémités de chacune des quatre broches (ou axes). Cela est essentiel pour résister aux forces de torsion et de flexion subies pendant le fonctionnement.

Le processus de forgeage d'un croisillon d'accouplement universel consiste à comprimer une barre d'acier chauffée dans un outil de forge qui force le matériau à s'écouler vers l'extérieur, formant les quatre bras de la croix. La conception de la préforme et de l'outil est cruciale afin d'assurer un remplissage complet du moule sans défauts. Après le forgeage, le croisillon subit un traitement thermique, tel que la cémentation, afin de créer une surface très dure et résistante à l'usure sur les broches où viendront se loger les roulements à aiguilles, tout en conservant un cœur plus résistant et plus ductile, capable d'absorber les charges de choc.

Questions fréquemment posées

1. Quels sont les 4 types de procédés de forgeage ?

   Il existe quatre principaux types de procédés de forgeage utilisés pour façonner le métal. On y trouve notamment la forgeage à matrice fermée (ou forgeage en matrices fermées), où le métal est comprimé entre deux matrices contenant une forme précise ; le forgeage à platines ouvertes, où le métal est façonné entre des matrices planes sans être enfermé ; le forgeage à froid, réalisé à température ambiante pour une précision accrue ; et le forgeage de bagues laminées sans soudure, utilisé pour créer des composants en forme d'anneau.

2. De quoi sont constitués les joints universels ?

   Les joints universels sont généralement fabriqués à partir d'alliages d'acier à haute résistance et pouvant subir un traitement thermique afin de supporter un couple élevé et l'usure. Les matériaux courants incluent les aciers au carbone comme l'acier 45 et divers aciers alliés. Pour les applications nécessitant une forte résistance à la corrosion, comme dans les environnements marins ou offshore, les composants peuvent être réalisés en acier inoxydable, par exemple de qualité 316L. Des revêtements tels que le PTFE peuvent également être appliqués pour réduire le frottement.

3. Qu'est-ce que le procédé de forgeage croisé ?

   Le forgeage transversal est le travail préliminaire du brut de forge dans des plans alternés afin de développer les propriétés mécaniques. Pour une croix de joint universel, un procédé à matrice fermée est utilisé, où un billet chauffé est comprimé, forçant le métal à s'écouler vers l'extérieur dans les quatre cavités de la matrice. Pour une croix de joint universel, cela implique l'utilisation d'un procédé à matrice fermée où un billet chauffé est comprimé, forçant le métal à s'écouler vers l'extérieur dans les quatre cavités de la matrice qui forment les branches de la croix. Le procédé est conçu pour garantir que la cavité de la matrice soit complètement remplie tout en minimisant les déchets (bavure).