Ligne de production d'emboutissage à chaud à grande vitesse pour acier à ultra-haute résistance (aluminium)
Caractéristiques principales
La ligne de production est conçue pour optimiser la fabrication de pièces automobiles grâce à la technologie d'emboutissage à chaud. Ce procédé, appelé emboutissage à chaud en Asie et trempe par pressage en Europe, consiste à chauffer la matière première à une température spécifique, puis à la presser dans des moules adaptés à l'aide d'une presse hydraulique, tout en maintenant une pression constante pour obtenir la forme souhaitée et provoquer une transformation de phase du métal. On distingue deux techniques d'emboutissage à chaud : l'emboutissage direct et l'emboutissage indirect.
Avantages
L'un des principaux avantages des composants structuraux emboutis à chaud réside dans leur excellente formabilité, permettant la production de géométries complexes et une résistance à la traction exceptionnelle. La haute résistance des pièces embouties à chaud permet l'utilisation de tôles plus fines, réduisant ainsi le poids des composants tout en préservant leur intégrité structurelle et leur comportement en cas de collision. Parmi les autres avantages, on peut citer :
Réduction des opérations d'assemblage :La technologie d'estampage à chaud réduit le besoin d'opérations de soudage ou de fixation, ce qui améliore l'efficacité et renforce l'intégrité du produit.
Rebond élastique et déformation minimisés :Le procédé d'estampage à chaud minimise les déformations indésirables, telles que le retour élastique et le gauchissement des pièces, garantissant une précision dimensionnelle optimale et réduisant le besoin de retouches supplémentaires.
Moins de pièces défectueuses :Les pièces estampées à chaud présentent moins de défauts, tels que des fissures et des fentes, que les méthodes de formage à froid, ce qui améliore la qualité du produit et réduit les déchets.
Tonnage de presse inférieur :Le marquage à chaud réduit la force de presse requise par rapport aux techniques de formage à froid, ce qui entraîne des économies de coûts et une efficacité de production accrue.
Personnalisation des propriétés des matériaux :La technologie d'estampage à chaud permet de personnaliser les propriétés des matériaux en fonction de zones spécifiques de la pièce, optimisant ainsi les performances et la fonctionnalité.
Améliorations microstructurales accrues :Le marquage à chaud permet d'améliorer la microstructure du matériau, ce qui se traduit par des propriétés mécaniques améliorées et une durabilité accrue du produit.
Étapes de production simplifiées :Le marquage à chaud élimine ou réduit les étapes de fabrication intermédiaires, ce qui simplifie le processus de production, améliore la productivité et raccourcit les délais de livraison.
Applications du produit
La ligne de production d'emboutissage à chaud à grande vitesse en acier haute résistance (aluminium) est largement utilisée dans la fabrication de pièces de carrosserie automobile. Elle produit notamment des montants, des pare-chocs, des barres de porte et des barres de toit pour véhicules de tourisme. Par ailleurs, l'utilisation d'alliages de pointe, rendue possible par l'emboutissage à chaud, est de plus en plus explorée dans des secteurs tels que l'aérospatiale, la défense et les marchés émergents. Ces alliages offrent des avantages en termes de résistance accrue et de poids réduit, difficiles à obtenir par d'autres méthodes de formage.
En conclusion, la ligne de production d'emboutissage à chaud à grande vitesse en acier haute résistance (aluminium) garantit une production précise et efficace de pièces de carrosserie automobile de formes complexes. Grâce à une formabilité supérieure, des opérations d'assemblage réduites, des défauts minimisés et des propriétés des matériaux améliorées, cette ligne de production offre de nombreux avantages. Ses applications s'étendent à la fabrication de pièces de carrosserie blanches pour véhicules de tourisme et offrent des avantages potentiels dans les secteurs de l'aérospatiale, de la défense et sur les marchés émergents. Investissez dans la ligne de production d'emboutissage à chaud à grande vitesse en acier haute résistance (aluminium) pour bénéficier de performances exceptionnelles, d'une productivité accrue et d'une conception allégée dans l'industrie automobile et les secteurs connexes.
Qu'est-ce que le marquage à chaud ?
L'emboutissage à chaud, également appelé durcissement par pressage en Europe et formage à chaud en Asie, est un procédé de mise en forme des matériaux. Une ébauche est chauffée à une température précise, puis emboutie et trempée sous pression dans une matrice adaptée afin d'obtenir la forme souhaitée et d'induire une transformation de phase dans le métal. Cette technologie consiste à chauffer des tôles d'acier au bore (d'une résistance initiale de 500 à 700 MPa) jusqu'à austénitisation, à les transférer rapidement dans la matrice pour un emboutissage à grande vitesse, puis à tremper la pièce dans la matrice à une vitesse de refroidissement supérieure à 27 °C/s. Un maintien sous pression suit ce processus, permettant d'obtenir des composants en acier à très haute résistance présentant une structure martensitique uniforme.
Les avantages du marquage à chaud
Amélioration de la résistance à la traction ultime et de la capacité à former des géométries complexes.
Réduction du poids des composants grâce à l'utilisation de tôles plus fines, tout en préservant l'intégrité structurelle et la résistance aux chocs.
Diminution du besoin d'opérations d'assemblage telles que le soudage ou la fixation.
Réduction du retour élastique et du gauchissement des pièces.
Moins de défauts sur les pièces, tels que des fissures et des fentes.
Exigences de tonnage de presse inférieures à celles du formage à froid.
Possibilité d'adapter les propriétés des matériaux en fonction de zones spécifiques de la pièce.
Microstructures améliorées pour de meilleures performances.
Processus de fabrication rationalisé avec moins d'étapes opérationnelles pour obtenir un produit fini.
Ces avantages contribuent à l'efficacité, à la qualité et aux performances globales des composants structuraux estampés à chaud.
Plus de détails sur le marquage à chaud
1. Marquage à chaud vs marquage à froid
L'emboutissage à chaud est un procédé de formage réalisé après préchauffage de la tôle d'acier, tandis que l'emboutissage à froid désigne l'emboutissage direct de la tôle d'acier sans préchauffage.
L'emboutissage à froid présente des avantages indéniables par rapport à l'emboutissage à chaud. Cependant, il comporte également certains inconvénients. En raison des contraintes plus élevées induites par le procédé d'emboutissage à froid, les produits emboutis à froid sont plus susceptibles de se fissurer et de se fendre. Par conséquent, un équipement d'emboutissage de précision est indispensable pour l'emboutissage à froid.
L'emboutissage à chaud consiste à chauffer la tôle d'acier à haute température avant l'emboutissage, puis à la tremper simultanément dans la matrice. Ce procédé induit une transformation complète de la microstructure de l'acier en martensite, ce qui confère à la pièce une résistance élevée, de l'ordre de 1 500 à 2 000 MPa. Par conséquent, les produits emboutis à chaud présentent une résistance supérieure à celle des produits emboutis à froid.
2. Processus de marquage à chaud
L'emboutissage à chaud, également appelé « durcissement par pressage », consiste à chauffer une tôle à haute résistance (résistance initiale de 500 à 600 MPa) à des températures comprises entre 880 et 950 °C. La tôle chauffée est ensuite rapidement emboutie puis trempée dans la matrice, atteignant des vitesses de refroidissement de 20 à 300 °C/s. La transformation de l'austénite en martensite lors de la trempe augmente considérablement la résistance de la pièce, permettant la production de pièces embouties d'une résistance allant jusqu'à 1 500 MPa. Les techniques d'emboutissage à chaud se classent en deux catégories : l'emboutissage à chaud direct et l'emboutissage à chaud indirect.
Dans le procédé d'emboutissage à chaud direct, l'ébauche préchauffée est introduite directement dans une matrice fermée pour l'emboutissage et le refroidissement. Les opérations suivantes comprennent le refroidissement, l'ébavurage des bords, le poinçonnage (ou la découpe laser) et le nettoyage de surface.
Figure 1 : Mode de traitement par marquage à chaud – marquage à chaud direct
Dans le procédé d'estampage à chaud indirect, l'étape de préformage à froid est effectuée avant d'entamer les étapes de chauffage, d'estampage à chaud, de découpe des bords, de poinçonnage et de nettoyage de surface.
La principale différence entre l'emboutissage à chaud indirect et l'emboutissage à chaud direct réside dans l'intégration, dans la méthode indirecte, d'une étape de préformage à froid avant le chauffage. En emboutissage à chaud direct, la tôle est introduite directement dans le four de chauffage, tandis qu'en emboutissage à chaud indirect, c'est la pièce préformée à froid qui y est envoyée.
Le processus de marquage à chaud indirect comprend généralement les étapes suivantes :
Préformage à froid – Chauffage – Estampage à chaud – Ébavurage et perforation – Nettoyage de surface
Figure 2 : mode de traitement par marquage à chaud – marquage à chaud indirect
3. L'équipement principal pour l'estampage à chaud comprend un four de chauffage, une presse de formage à chaud et des moules d'estampage à chaud.
Fournaise de chauffage :
Le four de chauffage est équipé d'un système de chauffage et de régulation de température. Il permet de chauffer des tôles à haute résistance jusqu'à la température de recristallisation dans un délai déterminé, afin d'obtenir un état austénitique. Il doit pouvoir s'adapter aux exigences d'une production continue automatisée à grande échelle. La manutention des billettes chauffées étant assurée par des robots ou des bras mécaniques, le four requiert un système de chargement et de déchargement automatisé d'une grande précision. De plus, lors du chauffage de tôles d'acier non revêtues, une protection gazeuse est nécessaire pour prévenir l'oxydation superficielle et la décarbonatation de la billette.
Presse de formage à chaud :
La presse est l'élément central de la technologie d'emboutissage à chaud. Elle doit permettre un emboutissage et un maintien rapides, et être équipée d'un système de refroidissement rapide. La complexité technique des presses de formage à chaud dépasse largement celle des presses d'emboutissage à froid classiques. Actuellement, seules quelques entreprises étrangères maîtrisent la conception et la fabrication de ces presses, et leur dépendance aux importations explique leur coût élevé.
Moules pour marquage à chaud :
Les moules d'emboutissage à chaud réalisent les étapes de formage et de trempe. Lors du formage, une fois la billette introduite dans la cavité du moule, celui-ci effectue rapidement l'emboutissage afin d'assurer la formation complète de la pièce avant la transformation martensitique. Vient ensuite l'étape de trempe et de refroidissement, durant laquelle la chaleur de la pièce est transférée en continu au moule. Des tubes de refroidissement intégrés au moule évacuent instantanément la chaleur grâce à la circulation d'un fluide caloporteur. La transformation martensitique-austénitique débute lorsque la température de la pièce atteint 425 °C. Cette transformation s'achève à 280 °C, et la pièce est extraite à 200 °C. Le rôle du maintien du moule est d'éviter les variations de dilatation et de contraction thermiques lors de la trempe, qui pourraient entraîner des déformations importantes de la pièce et des rebuts. De plus, il améliore l'efficacité du transfert thermique entre la pièce et le moule, favorisant ainsi une trempe et un refroidissement rapides.
En résumé, l'équipement principal pour l'emboutissage à chaud comprend un four de chauffage pour atteindre la température souhaitée, une presse de formage à chaud pour un emboutissage et un maintien rapides avec un système de refroidissement rapide, et des moules d'emboutissage à chaud qui effectuent à la fois les étapes de formage et de trempe pour assurer une formation correcte des pièces et un refroidissement efficace.
La vitesse de refroidissement lors de la trempe influe non seulement sur le temps de production, mais aussi sur l'efficacité de la conversion entre l'austénite et la martensite. Cette vitesse détermine le type de structure cristalline formée et est liée à l'effet de durcissement final de la pièce. La température critique de refroidissement de l'acier au bore est d'environ 30 °C/s ; la formation de la structure martensitique n'est optimale que lorsque la vitesse de refroidissement dépasse cette température critique. En deçà, des structures non martensitiques, telles que la bainite, apparaissent lors de la cristallisation de la pièce. Cependant, une vitesse de refroidissement trop élevée peut entraîner la fissuration des pièces formées. Il est donc nécessaire de déterminer la plage de vitesses de refroidissement optimale en fonction de la composition du matériau et des conditions de traitement des pièces.
Le dimensionnement du tube de refroidissement étant directement lié à la vitesse de refroidissement, il est généralement conçu pour une efficacité de transfert thermique maximale. De ce fait, son tracé est plus complexe et difficile à réaliser par perçage mécanique après la coulée. Afin de s'affranchir des contraintes de l'usinage, on privilégie généralement la méthode consistant à prévoir des canaux d'eau avant la coulée.
Du fait de son fonctionnement prolongé à des températures comprises entre 200 °C et 880-950 °C, sous des conditions de températures extrêmes alternant chaud et froid, le matériau de la matrice d'emboutissage à chaud doit présenter une rigidité structurelle et une conductivité thermique élevées. Il doit également résister au fort frottement thermique généré par la billette à haute température et à l'usure abrasive due aux particules de la couche d'oxyde déposées. De plus, le matériau du moule doit offrir une bonne résistance à la corrosion par le liquide de refroidissement afin de garantir un écoulement optimal dans le circuit de refroidissement.
Taille et piercing
Comme la résistance des pièces après estampage à chaud atteint environ 1500 MPa, le recours à la découpe et au poinçonnage exige une force de frappe plus importante et entraîne une usure significative des arêtes de coupe. C'est pourquoi on utilise souvent la découpe laser pour réaliser les bords et les perçages.
4. Nuances courantes d'acier d'estampage à chaud
Performance avant estampage
Performances après estampage
Actuellement, l'acier couramment utilisé pour l'emboutissage à chaud est le B1500HS. Sa résistance à la traction avant emboutissage se situe généralement entre 480 et 800 MPa, tandis qu'après emboutissage, elle peut atteindre 1300 à 1700 MPa. Autrement dit, une tôle d'acier présentant une résistance à la traction de 480 à 800 MPa peut être transformée par emboutissage à chaud en pièces présentant une résistance à la traction d'environ 1300 à 1700 MPa.
5. Utilisation de l'acier d'estampage à chaud
L'utilisation de pièces embouties à chaud permet d'améliorer considérablement la sécurité en cas de collision des automobiles et d'alléger la carrosserie brute. Actuellement, cette technologie est appliquée aux éléments de carrosserie brute des voitures particulières, tels que la ligne de caisse, les montants A et B, les pare-chocs, les traverses de porte, les barres de toit, etc. Voir la figure 3 ci-dessous pour des exemples de pièces pouvant être allégées.
figure 3 : Composants de carrosserie blancs adaptés au marquage à chaud
Fig. 4 : Ligne de presse à chaud de 1200 tonnes de Jiangdong Machinery
À l'heure actuelle, les solutions de lignes de production de presses hydrauliques d'emboutissage à chaud de JIANGDONG MACHINERY sont très abouties et stables. Elles figurent parmi les leaders du secteur de l'emboutissage à chaud en Chine. En tant que vice-président de la branche des machines de forgeage de l'Association chinoise des machines-outils et membre du Comité chinois de normalisation des machines de forgeage, nous avons également mené des travaux de recherche et d'application sur l'emboutissage à chaud à très grande vitesse de l'acier et de l'aluminium au niveau national, contribuant ainsi largement au développement de l'industrie de l'emboutissage à chaud en Chine et même dans le monde.
