La frappe à froid (extrusion) appartient au traitement sous pression des métaux et est l'un des procédés de traitement sous pression des métaux non coupants.
En production, à température normale, une force externe est appliquée au métal pour le former dans le moule prédéterminé. Cette méthode est généralement appelée frappe à froid (extrusion).
Dans le processus de formage des fixations, la technologie de frappe à froid (extrusion) est une technologie de traitement principale. La technologie de frappe à froid est la plus appropriée pour produireboulons, des vis, écrous et rivets.
Aujourd'hui, Xiao Bian présente le concept de base de la frappe à froid, l'historique du développement de l'extrusion à froid, les avantages et les inconvénients de la frappe à froid et la comparaison de la frappe à froid, de la frappe à chaud et de la frappe à chaud.
Concept de base de la frappe à froid
La frappe à froid (extrusion) est une partie importante de la technologie de formage de volume en plastique de précision. L'extrusion à froid consiste à placer une ébauche métallique dans la cavité du moule à l'état froid, forçant le matériau métallique à produire un écoulement plastique sous l'action d'une forte pression et d'une certaine vitesse, afin d'obtenir la forme, la taille et certaines propriétés mécaniques requises des pièces d'extrusion .
De toute évidence, le processus d'extrusion à froid repose sur le moule pour contrôler le flux de métal et repose sur le transfert massif de volume de métal pour former des pièces.
En fait, le formage de n'importe quelle fixation peut être réalisé non seulement par frappe à froid, mais également par extrusion directe et inverse, extrusion composée, poinçonnage, laminage et autres méthodes de déformation en plus de la déformation par refoulement.
Par conséquent, le terme "frappe à froid" dans la production n'est qu'un terme usuel. Plus précisément, il convient de l'appeler "frappe à froid (extrusion)".
Histoire du développement de l'extrusion à froid moderne
La technologie moderne d'extrusion à froid a commencé à la fin du 18ème siècle. Les Français ont commencé l'extrusion à froid en extrudant du plomb de petits trous dans des balles pendant la Révolution française.
En 1830, certains en France ont commencé à utiliser des presses mécaniques pour produire des tubes de plomb et d'étain par extrusion inverse.
En 1906, afin de fabriquer des boutons de costume en laiton aux États-Unis, quelqu'un a obtenu le droit de brevet de l'ébauche de coupelle creuse de l'extrusion avant.
La méthode Hooker, qui a été brevetée par les Américains en 1909, est la méthode d'extrusion par poinçonnage vers l'avant. La direction d'écoulement du métal est la même que la direction d'extrusion de poinçonnage. Il a été développé après l'achat du brevet de 1906. L'ébauche de gobelet dans le brevet est fabriquée par le procédé d'emboutissage profond.
Pendant la Première Guerre mondiale, la méthode Hooker a été utilisée pour fabriquer l'étui en laiton. En 1934, avant la Seconde Guerre mondiale, les Allemands ont utilisé cette méthode pour tester la douille en acier, mais ont échoué en raison de la forte adhérence thermique.
Ce n'est qu'au milieu de la Seconde Guerre mondiale que la méthode d'extrusion a réussi à fabriquer le boîtier de cartouche en acier grâce à l'utilisation d'une nouvelle méthode de traitement de lubrification de surface - pour former un film de phosphate à la surface de la pièce.
Depuis lors, la technologie d'extrusion à froid est devenue pratique et est devenue la méthode la plus largement utilisée dans la technologie de forgeage à froid.
Dans les années 1960, la croissance de l'industrie automobile japonaise a créé des conditions favorables au développement de la technologie d'extrusion à froid. Du point de vue de l'équipement d'extrusion à froid, depuis que la première presse de précision PK de 2 000 kN (presse à coude) du Japon a été produite par la société japonaise Keida Corporation en 1933, plus de 2 000 presses de la série PK ont été produites jusqu'à présent.
Avec le développement de l'industrie automobile, la demande de presse de haute précision devient de plus en plus urgente. Huida Co., Ltd. a également développé diverses presses à forger.
Dans le même temps, Komatsu du Japon a développé des presses de forgeage à froid des séries LIC et LZC avec une haute précision et une utilisation facile comme objectif.
Du point de vue des produits d'extrusion à froid, le Japon a réussi à extruder à froid l'engrenage d'embrayage de démarrage, la cannelure de l'arbre d'entraînement et le noyau du pôle de l'alternateur dans les années 1970. Dans les années 1980, il a également réussi à extruder à froid une grande bague extérieure à billes à vitesse constante de haute précision, une bague intérieure, un arbre transversal, un engrenage conique différentiel d'automobile et d'autres pièces de haute précision. Il a grandement contribué aux hautes performances des voitures japonaises et à la réduction des coûts de production.
La technologie d'extrusion à froid en Chine a un temps de démarrage similaire à celui du Japon. Dans les années 1970, la Chine avait l'habitude de promouvoir la technologie d'extrusion surfondue dans la production par lots de bicyclettes, d'appareils électriques automobiles et d'autres produits, et a développé avec succès le formage par extrusion de l'engrenage de démarrage et l'a mis en production par lots.
Cependant, une série de problèmes techniques tels que le processus, l'équipement, les matériaux, les moules, la lubrification, les dispositifs d'automatisation et la taille d'origine, l'état d'origine et le post-traitement de l'ébauche n'ont pas été fondamentalement résolus, il n'a donc pas été beaucoup développé. Dans les années 1980, avec le développement rapide des appareils électroménagers et des industries de l'automobile et de la moto, l'introduction, la digestion et l'absorption des équipements de procédé d'extrusion à froid et de la technologie de production, les chercheurs scientifiques ont surmonté de nombreux problèmes de la technologie d'extrusion à froid grâce à la pratique de la production, et en même temps , l'équipement de forgeage à froid s'est également beaucoup développé.
À l'heure actuelle, la Chine est en mesure de produire des boîtiers de montres, des volants de vélo, des arbres centraux, des engrenages forgés de précision, des joints universels homocinétiques pour automobiles, des bougies d'allumage et des axes de piston pour moteurs à combustion interne, des poussoirs automobiles, des pièces de caméra, des manchons directionnels de démarreur automobile, engrenages de démarrage, etc. avec la technologie d'extrusion à froid, et a atteint le même niveau à la maison et à l'étranger.
Avantages du procédé de frappe à froid (extrusion)
La technologie d'extrusion à froid est une technologie de production avancée à haute précision, haute efficacité, haute qualité et faible consommation, qui est principalement utilisée dans la production à grande échelle de pièces forgées de petite et moyenne taille. Par rapport à d'autres procédés de traitement, l'extrusion à froid présente les avantages suivants :
a) Économisez les matières premières. L'extrusion à froid consiste à utiliser la déformation plastique du métal pour fabriquer des pièces de la forme requise, ce qui peut réduire considérablement la coupe et améliorer l'utilisation des matériaux. Le taux d'utilisation des matériaux de l'extrusion à froid peut généralement atteindre plus de 80 %.
b) Améliorer la productivité du travail. L'utilisation du processus d'extrusion à froid au lieu de la découpe pour fabriquer des pièces peut augmenter la productivité plusieurs fois, des dizaines de fois, voire des centaines de fois.
c) Les pièces peuvent obtenir une rugosité de surface et une précision dimensionnelle idéales. La précision des pièces peut atteindre IT7~IT8, et la rugosité de surface peut atteindre R0.2~R0.6. Par conséquent, les pièces traitées par extrusion à froid sont rarement retaillées et ne doivent être finement meulées qu'aux endroits présentant des exigences particulières.
d) Améliorer les propriétés mécaniques des pièces. L'écrouissage à froid du métal après extrusion à froid et la formation d'une répartition rationnelle des fibres à l'intérieur des pièces rendent la résistance des pièces bien supérieure à celle des matières premières. De plus, un processus d'extrusion à froid raisonnable peut former une contrainte de compression sur la surface des pièces et améliorer la résistance à la fatigue. Par conséquent, le processus de traitement thermique peut être omis pour certaines pièces qui nécessitent à l'origine un renforcement par traitement thermique après le processus d'extrusion à froid. Certaines pièces doivent à l'origine être en acier à haute résistance et peuvent être remplacées par de l'acier à faible résistance après le processus d'extrusion à froid.
e) Il peut traiter des pièces de forme complexe et difficiles à couper. Tels que la section irrégulière, la cavité interne complexe, les dents internes et la rainure interne invisible.
f) Réduire les coûts des pièces. Étant donné que le processus d'extrusion à froid présente les avantages d'économiser des matières premières, d'améliorer la productivité, de réduire la quantité de pièces à découper et de remplacer des matériaux de haute qualité par des matériaux de mauvaise qualité, le coût des pièces est considérablement réduit.
Difficultés d'application de la technologie d'extrusion à froid
1) Exigences élevées pour les moules. Lors de l'extrusion à froid, l'ébauche est soumise à une contrainte de compression tridimensionnelle dans la matrice, ce qui augmente considérablement la résistance à la déformation, ce qui rend la contrainte de la matrice bien supérieure à celle de la matrice d'emboutissage générale. Lors de l'extrusion à froid de l'acier, la contrainte de la matrice atteint souvent 2000MPa ~ 2500MPa. En plus d'une résistance élevée, le moule doit également avoir une résistance aux chocs et une résistance à l'usure suffisantes. De plus, la forte déformation plastique de l'ébauche métallique dans le moule augmentera la température du moule à environ 250 degrés ~ 300 degrés. Par conséquent, le matériau du moule a besoin d'une certaine stabilité de trempe. En raison des conditions ci-dessus, la durée de vie de la matrice d'extrusion à froid est bien inférieure à celle de la matrice d'emboutissage.
2) Une presse à gros tonnage est nécessaire. En raison de la grande résistance à la déformation de l'ébauche lors de l'extrusion à froid, des centaines voire des milliers de tonnes de presse sont nécessaires.
3) En raison du coût élevé de la filière d'extrusion à froid, celle-ci n'est généralement applicable qu'aux pièces produites en grande quantité. Sa taille de lot minimale appropriée est de 50 000 à 100 000 pièces.
4) L'ébauche doit être traitée en surface avant l'extrusion. Cela augmente non seulement le nombre de processus et occupe une grande surface de production, mais rend également difficile la réalisation d'une automatisation de la production.
5) Il ne convient pas au traitement de matériaux à haute résistance.
6) La plasticité et la résistance aux chocs des pièces d'extrusion à froid deviennent médiocres et la contrainte résiduelle des pièces est importante, ce qui entraînera une réduction de la déformation et de la résistance à la corrosion des pièces (corrosion sous contrainte).
Tendance de développement de la technologie d'extrusion à froid
1) Avec la crise énergétique de plus en plus grave, les gens accorderont plus d'attention à la qualité de l'environnement, et la concurrence de plus en plus féroce sur le marché favorisera le développement de la production de pièces forgées dans le sens d'une efficacité élevée, d'une qualité élevée, du raffinement, des économies d'énergie et des économies de matériaux. Par conséquent, la production de pièces forgées raffinées produites par extrusion et autres moyens technologiques sera fortement développée dans la concurrence sur le marché.
2) Avec le développement de l'automobile dans le sens de la légèreté, de la vitesse élevée et de la douceur, des exigences plus élevées sont mises en avant pour la précision dimensionnelle, la précision du poids et les propriétés mécaniques des pièces forgées. Par exemple, en plus des exigences relatives à l'erreur entre les grandes et les petites extrémités, l'erreur de poids de chaque forgeage de bielle pour moteur de voiture ne doit pas non plus dépasser 8 g. Les exigences élevées des nouveaux produits favoriseront le développement d'une technologie de production raffinée.
3) L'organisation spécialisée et à grande échelle de la production est toujours la direction du développement et la tendance de la production d'extrusion à froid. En France, la productivité totale du travail des industriels professionnels qui produisent des pièces forgées par extrusion de 1991 à 1994, c'est-à-dire la production et la valeur de la production de pièces d'extrusion par personne, sont supérieures à celles des fabricants généralistes qui produisent des pièces matricées ou forgées libres. Prenons l'exemple de 1994, la production par habitant de pièces d'extrusion de fabricants professionnels était de 51 024 kg, créant une valeur de production de 775 688 francs. Au cours de la même période, la production moyenne par personne des fabricants produisant des pièces forgées n'était que de 39344 kg, avec une valeur de production de 592384 francs, soit seulement 77,1% et 76,37% des fabricants professionnels de pièces d'extrusion. Comparé à l'usine de forgeage libre, il est inférieur.
4) La machine d'extrusion spéciale deviendra une tendance de développement. Avec le développement de la production raffinée de pièces forgées moyennes et petites et la promotion et l'application des procédés d'extrusion à froid et d'extrusion à chaud, les presses d'extrusion à froid multipostes, les presses de précision et les machines spéciales conçues et fabriquées pour certaines pièces forgées seront fortement développées.
Les méthodes d'extrusion courantes peuvent être divisées dans les catégories suivantes
a) Lors de l'extrusion vers l'avant, la direction d'écoulement du métal est cohérente avec la direction de mouvement du poinçon. L'extrusion avant peut être divisée en deux types : l'extrusion avant pleine et l'extrusion avant creuse. La méthode d'extrusion directe peut produire des pièces pleines et creuses de formes diverses, telles que des vis, des mandrins, des tubes et des douilles.
b) Contre-extrusion : Lors de l'extrusion, le sens d'écoulement du métal est opposé au sens de déplacement du poinçon. La contre-extrusion peut être utilisée pour fabriquer des pièces en forme de coupelle avec différentes formes de section transversale, telles que le boîtier d'instrument, le manchon de palier de joint universel, etc.
c) Extrusion composée : pendant l'extrusion, une partie de la direction d'écoulement du métal de l'ébauche est identique à la direction de mouvement du poinçon, tandis que l'autre partie de la direction d'écoulement du métal est opposée à la direction de mouvement du poinçon. La méthode d'extrusion composée peut produire des pièces à double coupelle, peut également produire des pièces à coupelle et à tige.
e) L'extrusion à diamètre réduit est une sorte de méthode d'extrusion avant anormale avec une petite déformation, et la section vierge n'est que légèrement réduite. Il est principalement utilisé pour la fabrication de pièces d'arbre étagées avec une petite différence de diamètre et comme processus de finition de pièces de cuvette à trous profonds.
La caractéristique commune des méthodes d'extrusion ci-dessus est que la direction d'écoulement des copeaux d'or est parallèle à l'axe du poinçon, de sorte qu'elle peut être collectivement appelée méthode d'extrusion axiale. En outre, il existe une extrusion radiale et une extrusion refoulante.
Comparaison de l'extrusion à froid, de l'extrusion à chaud et de l'extrusion à chaud
a) Bien que la méthode d'extrusion à froid présente de nombreux avantages, la grande résistance à la déformation limite la taille des pièces et limite également l'utilisation de la technologie d'extrusion à froid pour les matériaux à grande résistance à la déformation.
b) Bien que la méthode de formage par extrusion à chaud puisse réduire la résistance à la déformation du matériau, elle peut réduire la précision dimensionnelle et la qualité de surface du produit en raison des problèmes d'oxydation, de décarburation et de dilatation thermique causés par le chauffage. Par conséquent, il nécessite généralement beaucoup d'usinage avant de pouvoir être utilisé comme produit final.
c) La méthode d'extrusion à chaud consiste à chauffer l'ébauche à une température appropriée en dessous de la température de recristallisation du métal pour l'extrusion. En raison du chauffage du métal, la résistance à la déformation de l'ébauche est réduite, le formage est facile, le tonnage de la presse peut également être réduit et la durée de vie de la matrice est prolongée. Cependant, il est différent de l'extrusion à chaud, car la possibilité d'oxydation et de décarburation est faible lorsqu'il est chauffé à basse température, et les propriétés mécaniques du produit ne sont pas différentes de celles de l'extrusion à froid. En particulier, les matériaux difficiles à usiner à température ambiante, tels que l'acier inoxydable, l'acier à haute teneur en carbone, certains aciers à forte teneur en chrome et les superalliages qui précipitent des phases durcies, peuvent devenir usinables ou faciles à usiner lors de l'extrusion à chaud.
d) L'extrusion à chaud convient non seulement aux matériaux difficiles à traiter avec une résistance élevée à la déformation, mais convient également à l'acier à faible teneur en carbone adapté à l'extrusion à froid, car l'extrusion à chaud a l'avantage de faciliter la production continue. Pendant l'extrusion à froid, y compris l'extrusion à froid d'acier à faible teneur en carbone, un recuit de pré-adoucissement est généralement nécessaire avant le traitement, et un recuit est également nécessaire entre les processus d'extrusion à froid. Le traitement de passivation doit être effectué avant l'extrusion à froid. Cela rend difficile l'organisation d'une production continue. Lors de l'extrusion à chaud, le recuit de pré-adoucissement et le recuit entre divers processus peuvent être évités, et le traitement de surface peut également être évité, ce qui permet une production continue de microstructure. Au moins, de nombreux processus auxiliaires peuvent être réduits.
e) L'extrusion à chaud peut adopter une grande déformation, ce qui peut réduire le nombre de processus. Les coûts de matrice peuvent également être considérablement réduits et un équipement de forgeage universel peut être utilisé à la place d'un équipement de forgeage coûteux avec une rigidité extrêmement élevée. Ainsi, bien que l'extrusion à chaud doive chauffer le métal, le coût total de traitement est relativement bon marché, en particulier lors de la fabrication de pièces de forme non axisymétrique avec des processus complexes, l'extrusion à chaud peut jouer son rôle.
f) A l'heure actuelle, le lubrifiant utilisé en extrusion à chaud n'est pas totalement satisfaisant. En même temps, il y a aussi un manque de données pratiques sur le traitement, et il y a de nombreux problèmes techniques à résoudre.
Comparaison des procédés de refoulement à chaud et à froid des fixations
Bouleversant à chaud
Dans le processus de refoulement à chaud, la billette est chauffée par induction ou dans le four ou le four de forgeage à la température supérieure au point de cristallisation du métal.
Cette température extrêmement élevée est nécessaire pour éviter l'écrouissage du métal lors de la déformation. Parce que le métal est à l'état de façonnage, il peut faire des formes assez complexes. Le métal conserve sa ductilité et sa ténacité.
La température moyenne de forgeage requise pour le frappe à chaud de différents métaux est :
Acier jusqu'à 1150 degrés C
Alliage d'aluminium 360 à 520 degrés C
Alliage de cuivre 700 à 800 degrés C
Pour forger certains métaux, comme l'acier superallié, on adopte un refoulement à chaud appelé forgeage isotherme.
Ici, le moule est chauffé à la température proche de la billette pour éviter le refroidissement superficiel des pièces pendant le processus de forgeage. Le forgeage est parfois effectué dans une atmosphère contrôlée pour minimiser la formation de tartre d'oxyde.
D'une manière générale, les pièces complexes sont fabriquées par refoulement à chaud car cela permet à la matière de se déformer dans son état plastique et le métal est plus facile à travailler.
Les facteurs à prendre en compte comprennent :
Réalisation de pièces complexes
Dimensions de moyenne et basse précision
Faible contrainte ou faible écrouissage
Structure granulaire uniforme
Ductilité accrue
Les inconvénients de la frappe à chaud comprennent :
Tolérances moins précises
Le matériau peut se déformer pendant le refroidissement
Modification de la structure du grain métallique
Réaction possible entre l'atmosphère environnante et le métal
Frappe à froid (ou formage à froid)
La frappe à froid provoque la déformation du métal en dessous de son point de cristallisation. La frappe à froid réduit la ductilité et améliore la résistance à la traction et la limite d'élasticité. La frappe à froid est généralement réalisée à température ambiante.
Le métal le plus courant dans les applications de frappe à froid est généralement l'acier au carbone ou l'acier allié au carbone. La frappe à froid est généralement un procédé à matrice fermée.
La frappe à froid est généralement moins chère que la frappe à chaud et le produit final nécessite peu de finition. En raison de l'amélioration de la résistance du métal par frappe à froid, des matériaux de qualité inférieure peuvent parfois être utilisés pour produire des pièces qui ne peuvent pas être usinées ou frappées à chaud.
La frappe à froid est également moins sensible à la pollution et la pièce finale présente un meilleur état de surface global.
Les inconvénients incluent :
La surface métallique doit être propre et exempte de tartre d'oxyde avant le forgeage
Mauvaise ductilité du métal
Un stress résiduel peut survenir
Besoin d'un équipement plus lourd et plus grand
Besoin d'un moule plus résistant
Chaleur bouleversant
Le refoulement à chaud est effectué en dessous de la température de recristallisation mais au-dessus de la température ambiante, surmontant les inconvénients du refoulement à chaud et du refoulement à froid et gagnant ses avantages.
La formation d'une petite quantité de tartre d'oxyde peut être contrôlée plus précisément que la frappe à chaud. Par rapport à la frappe à froid, le coût de traitement est inférieur et la pression requise pour la fabrication est également inférieure.
Par rapport à l'écrouissage à froid, l'écrouissage est réduit et la ductilité est améliorée.
