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Pièce de forge - la filière de conception numérique - outils CAO et simulation numérique

Depuis quelques années, la chaîne numérique fait partie intégrante du process de conception des pièces forgées. Les avantages de la boucle conception-simulation sont multiples, outre le gain de temps dans la mise au point des outillages et des gammes de fabrication, elle apporte une sécurisation au client final. Son utilisation s’applique au développement de nouvelles pièces, à la ré-industrialisation et permet d’améliorer le process de forge d’une pièce existante.

La conception de la pièce forgée et la définition de la gamme de fabrication

L’objectif de la conception est de définir un brut forgé en partant de la pièce usinée, puis de remonter progressivement au lopin de départ en prenant en compte toutes les opérations successives de mise en forme. Bien entendu le retour d’expérience métier est très important mais il s’appuie sur les outils numériques et en particulier sur les logiciels de CAO. Les logiciels les plus utilisés sont Catia (Dassault Systèmes), PTC Creo (Parametric Technology Corporation) ou encore Unigraphics (Siemens).

Habiller la pièce usinée pour en faire une pièce de forge

Dans un premier temps, il s’agit « d’habiller » la pièce usinée et de définir le plan de joint. Pour la conception de la pièce brute, on appliquera les règles de conception adaptées au métier de la forge. On ajoutera à la pièce usinée les surépaisseurs pour éviter les zones de feu mais aussi dans certains cas réduire les écarts de section entre les différentes zones de la pièce (en vue d’optimiser la répartition matière et ainsi d’avoir une pièce réalisable en forge), les dépouilles pour « sortir » la pièce, les rayons pour favoriser l’écoulement matière et améliorer la durée de vie de l’outillage et enfin les prises de pièce pour l’usinage et le contrôle.

Simulation numérique des différentes opérations de la gamme (image Forge 3D – Transvalor).

Tous ces ajouts dépendront de la masse, de la morphologie de la pièce, de l’alliage retenu (plus ou moins ductile) et enfin du type de presse utilisé. Par exemple une dépouille en presse à vis est de l’ordre de 3° alors qu’elle est plus importante (5° à 6°) en marteau pilon. Le coefficient de dilatation de la matière est ensuite appliqué sur la pièce brute. Ce coefficient est fonction du matériau et de la massivité de la pièce (prise en compte du refroidissement avant la mise en forme).

Dimensionner la bavure

Dans un second temps, il faut dimensionner la bavure, dont les dimensions sont déterminées par la masse de la pièce pour les matériaux ferreux et par le volume pour les matériaux non ferreux. Les paramètres de la bavure sont la longueur, l’épaisseur et le rayon de raccordement pièce-bavure. Malgré les règles de conception, les dimensions du cordon peuvent être ajustées afin de libérer ou d’emprisonner la matière au détriment de la durée de vie de l’outillage du fait de la montée en pression dans le passage de bavure.

La définition du brut d’ébauche

Les outils numériques aident à la mise au point du process sur presse en permettant de prédéfinir numériquement les paramètres process.

L’étape suivante consiste à concevoir le brut ébauche dont la forme sera très similaire car le rapport de volume entre le brut ébauche et le brut fini sera très légèrement supérieur à 1 (quelques %). Le brut ébauche sera en particulier plus étroit pour éviter les recoupes en finition et plus haut pour éviter les problèmes de non-rendu en finition. Les rayons et congés seront supérieurs d’approximativement 1,5 à ceux de la finition. Pour la bavure, l’épaisseur sera plus importante que celle de la finition. Le rayon de passage de bavure sera, quant-à-lui, doublé pour favoriser l’écoulement de la matière.  Cet outillage d’ébauche aura pour fonctions outre le fait d’assurer la répartition matière du lopin pour éviter d’éventuels défauts, celle de préserver la durée de vie de l’outillage de finition en réduisant les phénomènes tels que la déformation plastique où l’usure abrasive.

Les opérations de forge avant l’ébauche

Puis,il convient de définir toutes les opérations de forge précédant l’ébauche. En effet, suivant la morphologie de la pièce à obtenir, des opérations de préparation et répartition matière sont nécessaires.  Ceci afin d’obtenir une répartition matière optimisée mais aussi de répondre à des problèmes de réduction du poids en mise en œuvre et à des problématiques techniques (métallurgiques, limitation de l’échauffement versus le taux de déformation…).

La simulation numérique pour optimiser la conception

L’objectif de la simulation numérique est de permettre l’ajustement de la gamme de forge et du design des différents outils définis dans la phase conception mais aussi la détermination, pour l’atelier de forge, des meilleurs réglages de la presse pour la mise au point du process. Le design des différents outils de forge sera ajusté suite aux premières simulations. Ceci pour supprimer les défauts (non-rendu, repli, …), favoriser l’écoulement et surtout d’assurer la santé métallurgique de la pièce. En effet, certains matériaux comme les alliages de titane (TA6V) sont sensibles à la température lors de la déformation et ne doivent pas dépasser la température de transus β.

Les outils de simulation numérique

Simulation numérique de opérations de la gamme de forgeage – image Transvalor

Les logiciels actuels (Forge de Transvalor, AFDEX d’Altair, Qform et Deform) permettent de prédire entre autres l’évolution de la température, la déformation équivalente dans la pièce au cours du forgeage, les efforts de presse, les défauts (replis, manques matière, …) et enfin le fibrage de la pièce. Il est également possible de faire des analyses des contraintes outillages pour suivre la répartition des efforts et de la température et de prédire leur usure. On peut également effectuer un calcul thermomécanique couplé entre la pièce et les outillages. Enfin, la simulation permet aussi de tester des alternatives de design et de gamme afin d’améliorer le process existant.

Le paramétrage de chaque étape de forge

La première étape consiste à effectuer le paramétrage des étapes liées à chaque séquence de mise en forme. En effet, chaque gamme de forgeage comporte un temps de transfert du four vers la presse, un temps d’attente sur outillage, une opération de mise en forme et enfin un temps de refroidissement. Le but est donc de décomposer chaque séquence de mise en forme pour obtenir une simulation la plus réaliste et conforme à la réalité atelier.

Le paramétrage des données d’entrée de la simulation concerne aussi bien la pièce (température, taille de maille…) que le process (vitesse du coulisseau, température des outillages, échanges thermiques…).  Le temps de calcul va dépendre de la précision voulue au niveau des résultats « pièce » donc du maillage de la pièce.