Forgeage: une analyse complète des avantages, des caractéristiques et des processus
Le forgeage est une technologie de travail plastique de base dans les domaines de la fabrication et de la métallurgie mécaniques. Son principe de base consiste à appliquer une force externe aux billettes métalliques à l'aide d'équipements tels que des marteaux et des presses, les faisant subir une déformation plastique à des températures élevées (forge à chaud) ou à température ambiante (forge à froid), obtenant ainsi des pièces ou des blancs qui répondent aux exigences de forme, de taille et de propriétés mécaniques. Par rapport aux méthodes de traitement telles que la coulée et la coupe, le forgeage est caractérisé par "l'optimisation de la structure interne des métaux et l'amélioration des propriétés mécaniques des composants" et est largement utilisé dans la fabrication d'équipements haut de gamme. Vous trouverez ci-dessous une explication détaillée de trois dimensions: avantages, caractéristiques et processus.
I. Avantages fondamentaux de la forge
En modifiant la structure interne et la forme des billettes métalliques par la force externe, les avantages forgeant sont concentrés dans les propriétés mécaniques, l'utilisation des matériaux et l'adaptabilité aux scénarios d'application:
1. Propriétés mécaniques métalliques significativement améliorées avec une fiabilité à forte composante
Structure interne optimisée: Pendant le processus de forgeage, des défauts tels que la porosité de la coulée, les trous de gaz et les cavités de rétrécissement dans la billette métallique sont compactés. Les grains sont raffinés et forment des "lignes d'écoulement fibreuses" (lignes d'écoulement métallique) le long de la direction de la contrainte, augmentant les propriétés mécaniques clés telles que la résistance à la traction, la limite d'élasticité et la ténacité d'impact du composant de 30% à 50% par rapport aux pièces moulées.
Adaptation aux conditions de travail extrêmes: les composants forgés ont une excellente résistance à la fatigue et une résistance à l'impact, et peuvent résister à des environnements durs tels que les charges alternées à long terme, la haute pression et la température élevée. Ce sont le «processus préféré pour les composants de charge de charge de base» dans des équipements haut de gamme tels que l'aérospatiale (disques de turbine moteur), le transport ferroviaire (essieux de roue) et les machines de construction (vilebrequin).
2. Utilisation élevée des matériaux avec des coûts de production contrôlables
Déchets de matériaux réduits: Forging Formes les composants à travers la "déformation plastique" sans éliminer une grande quantité de matériau en excès. Le taux d'utilisation des matériaux peut atteindre 70% à 95% (le forgeage de la filière de précision dépasse même 90%), ce qui est beaucoup plus élevé que celui de la réduction du traitement (généralement seulement 30% à 50%).
Coûts de traitement ultérieurs inférieurs: des processus tels que le forgeage de la matrice et le forgeage de précision peuvent produire directement des blancs "de forme quasi" près de la taille du produit fini, réduisant considérablement la charge de travail de processus de coupe ultérieurs tels que le tournant et le fraisage, en particulier adapté au contrôle des coûts dans les scénarios de production de masse.
3. Adaptabilité des matériaux larges et forte flexibilité du processus
Compatibilité des matériaux: il peut traiter presque tous les matériaux métalliques pardonnables, y compris l'acier au carbone, l'acier en alliage, l'alliage en aluminium, l'alliage de titane, l'alliage de cuivre, etc. Parmi eux, l'optimisation des performances des "matériaux difficiles à traiter" tels que l'acier en alliage à haute résistance et le superalliage repose davantage sur les processus de forge.
Compatibilité des produits: des petites pièces de précision (telles que des blancs et des boulons) aux grands composants lourds (tels que des coureurs de turbine hydroélectriques de 10 000 tonnes et des têtes de vaisseau de pression nucléaire), et des arbres simples à des pièces complexes en forme spéciale (comme les lames aérodynamiques), toutes peuvent être formées par la forge.
4. Stabilité dimensionnelle des composants et cohérence de haute qualité
La déformation des billettes métalliques pendant le forgeage est strictement contrôlée par les matrices (forgeage de dépérisation) ou les paramètres de l'équipement (forgeage ouvert). En particulier, la tolérance dimensionnelle des pièces de redoutage de la matrice peut être contrôlée de manière stable à IT12 à IT10, et la rugosité de surface atteint RA6.3 à RA12,5 μm. Pendant la production de masse, les propriétés mécaniques et la précision dimensionnelle des composants ont de petites fluctuations, et la cohérence de la qualité est meilleure que celle des pièces moulées.
Ii Caractéristiques principales de la forge
Les caractéristiques techniques du forgeage sont déterminées par la logique centrale de "déformation plastique métallique + chargement de force externe + contrôle de la température", avec une identification de processus distincte:
1. Centré sur la "déformation plastique solide" et dépendant des caractéristiques d'écoulement métallique
L'essence du forgeage est d'utiliser la "plasticité" des métaux à une certaine température (la capacité de subir une déformation permanente sans se casser sous une force externe). La forme est modifiée par le glissement des atomes à l'intérieur de la billette et la réorganisation des grains. L'ensemble du processus ne subit pas un changement de phase du «liquide au solide», conservant ainsi la compacité inhérente du métal.
2. Température en tant que paramètre de contrôle de clé, classé en "forge à chaud", "forge à froid" et "forge chaud"
Forge à chaud: la billette est chauffée au-dessus de la "température de recristallisation" (par exemple, 1000-1250 ℃ pour l'acier au carbone, 350-500 ℃ pour l'alliage d'aluminium). À l'heure actuelle, le métal a une plasticité élevée et une faible résistance de déformation, adapté à la formation de composants grands et complexes, mais l'échelle d'oxyde doit être éliminée par la suite.
Forge à froid: la billette est forgée à température ambiante. Le métal a une résistance à une forte déformation mais une haute précision (tolérance IT9-IT7) et une surface lisse (RA1,6-RA3,2 μm). Aucun nettoyage de chauffage ou d'échelle d'oxyde n'est requis, adapté aux petites pièces de précision (telles que les boulons et les engrenages).
Forge chaud: la billette est chauffée entre "température ambiante et température de recristallisation" (par exemple, 600-800 ℃ pour l'acier au carbone). Il combine la faible résistance à la déformation de la forge à chaud et de la haute précision de la forge à froid, et est un processus efficace développé ces dernières années.
3. Méthode de chargement de force externe Détermine le type de processus avec une forte dépendance de l'équipement
La charge de force externe du forgeage repose sur des équipements spécialisés, et différentes méthodes de chargement correspondent à différents processus: les marteaux de forgeage atteignent une déformation rapide par la «charge d'impact» (adaptée à la forgeage ouvert et à une petite forge); Les presses appliquent une charge lente par la «pression statique» (adaptée à un grand forgeage et à la forge de précision); Les machines de forgeage rouleau obtiennent la formation de pièces longues de l'arbre à travers une "déformation de roulement" (telles que les rails en acier et les arbres). Le tonnage et la précision de l'équipement déterminent directement la taille maximale et la qualité des formes.
4. "lignes d'écoulement fibreuses" évidentes dans des produits finis avec des propriétés mécaniques anisotropes
Les lignes d'écoulement fibreuses métalliques formées par le forgeage sont distribuées le long de la forme du composant (par exemple, les lignes d'écoulement fibreuses du vilebrequin se penchent avec la forme de la manivelle). Les propriétés mécaniques (résistance à la traction, résistance à l'impact) du composant le long de la direction de la ligne d'écoulement sont beaucoup plus élevées que celles de la direction de la ligne d'écoulement transversale. Cette "anisotropie" est l'une des caractéristiques fondamentales des pièces de rediffusion supérieures aux pièces moulées et un facteur clé à considérer dans la conception.
Iii. Liens de processus clés et classification de la forge
Les processus de forgeage doivent être formulés en fonction des propriétés des matériaux, des exigences du produit et des capacités d'équipement, incluant principalement quatre liens: "Préparation au billet - Chauffage - déformation - traitement ultérieur". Les classifications spécifiques sont les suivantes:
(I) Liens de processus de base
1. Préparation préliminaire: jetant les bases de la formation
Sélection et préparation des billettes: sélectionnez des billettes telles que l'acier rond et l'acier carré en fonction de la taille du produit fini. Coupez la billette par sciage, cisaillement, etc., pour garantir que l'erreur de poids de la billette est ≤ 5% (pour éviter une formation insuffisante ou des déchets de matériaux); Le "recuit sphéroïdisant" est nécessaire pour les billettes de forge à froid (pour réduire la dureté et améliorer la plasticité).
Chauffage: Les billettes à forage à chaud doivent être chauffées à la température cible dans les fours de chauffage (fours de résistance, fours à gaz). Contrôler strictement le taux de chauffage (pour éviter la fissuration de la billette) et le temps de maintien (pour assurer une température interne uniforme) pour éviter la surchauffe (grains grossiers) ou la brûlure (oxydation de surface sévère).
2. Déformation du noyau: réalisation de la forme et du contrôle des performances
Forme de forge: Mettez la billette chauffée dans un équipement de feux de forge ou de forge et réalisez la déformation par un chargement unique ou multiple - le forgeage ouvert repose sur les opérations des travailleurs pour former la billette sur l'enclume (adaptée à un petit lot en un seul morceau et à de grandes pièces); Le forces de dé die force la billette à se former à travers la cavité des matrices supérieures et inférieures (adaptées aux parties moyennes et complexes); Le forgeage de précision nécessite des matrices et des presses de haute précision pour obtenir directement des produits finis en forme presque net.
Démêlant et coupe: Après la formation, le forgeage de la filière est retiré et le «flash» (excès de métal débordant la cavité pendant la déformation) est retiré par une décolleté; "Lubrification de l'agent de libération" est requise pour les pièces forgées à froid (pour réduire l'usure et les rayures en billette).
3. Traitement ultérieur: optimisation des performances et de la précision
Traitement thermique: effectuer un traitement thermique tel que la normalisation (raffinement des grains), la trempe et la trempe (amélioration de la résistance et de la ténacité) et de la température de trempe (obtenant une dureté élevée) en fonction des exigences pour éliminer les propriétés mécaniques de contrainte et de contrôle.
Nettoyage et finition: nettoyer la surface par un coup de pouce (éliminer l'échelle de l'oxyde et améliorer la dureté de surface), le décapage (nettoyage de la couche d'oxyde résiduel), etc.; Effectuez un traitement ultérieur tel que le broyage et le fraisage sur les pièces de précision pour assurer la précision dimensionnelle finale.
Inspection de la qualité: assurer la qualification du produit grâce à l'inspection d'apparence (fissures de surface, résidu flash), à la mesure dimensionnelle (calicers, micromètres), aux tests non destructeurs (tests ultrasoniques pour les défauts internes) et aux tests de propriétés mécaniques (traction, test d'impact).
(Ii) des processus de forgeage spéciaux
Forge de poudre: la poudre métallique est pressée dans des billettes, puis fritté et forgé. Il combine les avantages de la métallurgie en poudre et du forgeage, adapté aux petites pièces avec une forte résistance et des formes complexes (telles que les engrenages et les manches de roulement).
Forgement isotherme: formé dans une matrice à température constante, adaptée aux "matériaux difficiles à déformer" tels que les alliages de titane et les superalliages. Il peut réduire la résistance à la déformation et garantir la précision de la formation (comme les disques de turbine aérodynamique).
Forging de filière liquide: le métal liquide est injecté dans la filière et immédiatement sous pression. Il combine les avantages de la coulée (formes complexes) et du forgeage (structure dense), adapté aux composants en alliage en aluminium et en alliage de magnésium (tels que les moyeux de roue automobile).
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