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Les procédés

Qu'est-ce que la forge ?

La forge consiste à produire des pièces de formes diverses par déformation, dans différents métaux ou alliages et à différentes températures. De nombreux procédés de forge existent.

La pièce finie est une pièce brute de forge qui pourra subir des transformations selon le besoin du client : calibrage, usinage, traitement thermique, traitement de surface, peinture...

Procédés de forge

Estampage / Matriçage

L'estampage et le matriçage consistent au formage à chaud, par choc ou pression, d'un lopin intercalé entre les gravures (reproduisant la forme recherchée) de blocs d'acier dur appelés matrices. Sous l'action de l'engin de forgeage (marteau-pilon ou presse), le matériau se déforme et remplit les empreintes. Suivant la forme à obtenir, il peut être nécessaire de faire subir au lopin de départ une succession d'ébauches (cambrage, roulage, étirage,...) afin de répartir convenablement la matière dans la gravure de finition.  

Le terme estampage est utilisé pour les pièces en métaux ferreux, le terme matriçage pour les pièces en alliages non ferreux tels que les alliages d'aluminium, de cuivre, de titane, de nickel, etc. 

Forgeage à froid / à mi-chaud

Le forgeage à froid, ou extrusion, consiste à réaliser des pièces en forçant, à l’aide d’outils, le métal à s’écouler dans une ou plusieurs directions sans chauffage préalable. A la température ambiante, on contraint le matériau à remplir complétement la forme en creux d'une matrice grâce à une très forte pression exercée sur un poinçon. Les caractéristiques du métal sont améliorées par écrouissage et fibrage.

Ce procédé donne des pièces très précises dimensionnellement avec des états de surface excellents, ce qui permet souvent de les utiliser sans usinage complémentaire. Il permet d'obtenir des pièces sans dépouille et aux des formes en creux géométriquement complexes. 

Les coûts du forgeage à froid réservent ce procédé au domaine de la très grande série, dans le domaine de l’automobile, de la visserie, et de la quincaillerie en général.

Pour certaines applications limites (nuances très chargées en carbone, taux de déformation élevés liés à des géométries complexes, etc.), il peut être nécessaire de chauffer à une température intermédiaire, 550 à 800oC : le forgeage est dit à mi-chaud.

Forge libre

La Forge libre consiste à réaliser des pièces, à chaud, sans outillages spécifiques, par une succession de déformations progressives. Cette technique est la plus ancienne.

Ce procédé est utilisé pour produire, dans des délais parfois courts, des pièces unitaires ou en très petite série (dont les coûts d'outillage rendraient le coût unitaire trop élevé) et des pièces de dimensions importantes, pouvant atteindre plusieurs tonnes, réalisables par cette technique uniquement.

Le savoir-faire de l'opérateur de forge est 

Laminage / Laminage circulaire

Le laminage consiste à déformer le métal entre deux cylindres qui tournent en sens opposé. Le métal est alors écrasé et prend la forme des outils disposés sur les cylindres. Le laminage est utilisé en forge pour préformer les lopins avant les opérations d’estampage qui donneront la forme définitive à la pièce. Cette opération oriente les caractéristiques mécaniques dans le sens de la déformation du métal avant l’écrasement définitif sous la presse ou le pilon. Ce phénomène est caractérisé en forge comme étant le fibrage.

Cintrage

Le cintrage consiste à donner mécaniquement, à chaud ou à froid, la courbure souhaitée à un tube, à un profilé ou à une barre, suivant un rayon et un angle.

Grenaillage

Le grenaillage élimine la calamine des pièces forgées par projection à grande vitesse de grenaille (petites billes). Mais, il peut aussi avoir un effet bénéfique, par cet effet de matage de la surface, qui va permettre de la rendre plus résistante aux efforts mécaniques. On parle dans ce cas de grenaillage de précontrainte.

Traitements thermiques

La structure microscopique du métal évolue fortement lorsqu’il subit des variations importantes de température. Ces phénomènes de changement de structures cristallographiques sont connus et utilisés habilement en forge pour faire évoluer les caractéristiques mécaniques des alliages.

Il est tout d’abord possible d’adoucir le métal et de le rendre plus homogène par des recuits à haute température.

D’autre part, le fait de refroidir brusquement l’acier lorsqu’il est à une température supérieure à 850°C s’appelle la trempe. La structure de cet acier est très dure et cassante. Il est alors nécessaire de réaliser un recuit à basse température (200 à 600°C) pour faire perdre sa fragilité au métal tout en gardant une très grande résistance.

Il est enfin possible par des traitements de grande précision de faire naître dans le métal des petits précipités qui seront des obstacles, à l’échelle microscopique, aux déformations que subira le métal. Cela se traduit par une augmentation de la dureté. Ces phénomènes sont provoqués par des refroidissements contrôlés depuis des températures élevées associées à des revenus. Cela s’appelle le durcissement structural. Les forgerons l’utilisent pour les alliages d’aluminium et pour les aciers dispersoïdes.

Traitements de surface

Les traitements de surface ont pour but de modifier les propriétés physiques et mécaniques des métaux en surface. Leur premier rôle est souvent d’améliorer la résistance à l’agression de l’oxygène, appelée corrosion. Ces traitements, très diversifiés, consistent à déposer des couches de métaux qui bloquent le passage de l’oxygène et stoppe ainsi la corrosion. C’est le cas par exemple du zingage. Il est possible également d’utiliser des peintures techniques qui offrent au métal un film de protection.

D’autres traitements de surface, dit de conversion, vont modifier la composition chimique du métal, et donc sa structure cristalline, sur une faible épaisseur. L’objectif est essentiellement d’améliorer en surface les propriétés mécaniques et la résistance au frottement, mais cela peut améliorer également la résistance à la corrosion. C’est le cas des traitements de cémentation ou nitruration (enrichissement en carbone et azote).

Pour l’aluminium, on pratiquera des traitements d’anodisation qui consistent simplement à modifier la structure en surface.

Enfin, il existe des traitements dit mécaniques qui consistent à écrouir l’alliage en surface afin d’améliorer ses caractéristiques mécaniques. C’est le cas du galetage, du martelage et surtout du grenaillage. 

Calibrage

Le calibrage est essentiellement une opération de mise à la cote précise d'une faible partie de la pièce forgée, le plus souvent plane. Il est effectué à froid à l'aide d'outillages spécifiques simples. Il permet d'obtenir des tolérances serrées et un bon état de surface. On peut alors utiliser directement ces surfacex calibrées comme surface de contact évitant une reprise en usinage.

Polissage

Le polissage est un procédé de finition des pièces visant à obtenir un état de surface de haute qualité. Cette qualité de surface est caractérisée par la rugosité, la brillance, l'éclat... Le polissage peut être manuel ou robotisé.

Usinage / Tournage

L'usinage consiste à enlever de la matière de façon à donner à la pièce brute la forme et les dimensions voulues, à l'aide d'une machine-outil. Par cette technique, on obtient des pièces d'une grande précision.

Aujourd'hui, les machines-outil (fraiseuses ou tours) à commande numérique (CN) permettent d'automatiser partiellement ou totalement la procédure.

De très nombreux procédés d'usinage existent, par exemple : fraisage, tournage, perçage, taraudage, filetage, etc.

Rectification

La rectification est un procédé mécanique d'usinage de surface plane ou cylindrique pour améliorer l'état de surface de la pièce