Forgeage d'anneaux laminés : processus d'anneaux sans soudure, tolérances et contrôles des fournisseurs

Un anneau échoue généralement là où le métal se rencontre. Il peut s'agir d'un cordon de soudure ou d'un bord coupé qui arrête le flux du grain dans son élan. Le forgeage d’anneaux laminés existe pour éliminer ce point faible. Au lieu de découper un anneau dans une plaque ou d'en souder un à partir d'une barre, le processus commence avec une préforme percée en forme de beignet et la roule jusqu'à ce que le matériau soit pressé dans un flux circonférentiel continu de grains sur 360 degrés.

La conclusion d’abord, car elle évite des retouches plus tard. Si un anneau supporte un couple, une pression interne, une charge d'inversion ou un cycle de service de fatigue, un anneau laminé sans soudure est normalement la bonne solution, même s'il coûte plus cher qu'un anneau à plaques découpées au plasma. Si la pièce est une entretoise à faible contrainte ou un couvercle plat, le laminage vaut rarement l'étape supplémentaire. Le reste de cette page explique comment le processus se déroule, à quelles tolérances s'attendre en cas de contrefaçon et ce qu'il faut vérifier avant de valider un bon de commande.

Pourquoi un anneau roulé sans soudure bat un anneau coupé ou soudé

Le métal a une direction une fois travaillé. Le forgeage aligne les inclusions et les joints de grains avec la direction du flux de matière, et le laminage annulaire les aligne autour de la circonférence, qui est exactement la direction dans laquelle un anneau rotatif exerce sa contrainte circonférentielle. Trois conséquences comptent dans le service.

• Aucun cordon de soudure signifie aucune zone affectée par la chaleur et aucune exigence d'inspection des soudures dans la section la plus sollicitée de la pièce.
• L'écoulement continu des grains cerclés offre une meilleure résistance à la fatigue et un meilleur comportement en matière d'arrêt des fissures qu'un anneau découpé dans une plaque, où l'écoulement s'effectue en ligne droite et s'arrête simplement au bord coupé.
• La déformation de l'épaisseur pendant le laminage ferme la porosité interne laissée par le lingot ou le bloom d'origine, c'est pourquoi les anneaux laminés sont préférés pour retenir la pression et pour les composants fortement chargés.

Une bague coupée n’est pas automatiquement une mauvaise pièce. Pour une entretoise non structurelle, un anneau de garde ou une pièce de réparation unique, la découpe dans une plaque est rapide et peu coûteuse. L'erreur coûteuse consiste à spécifier un anneau coupé pour une tâche nécessitant des propriétés d'écoulement forgées, puis à découvrir la différence via une défaillance sur le terrain ou un rejet inattendu lors d'une inspection par ultrasons.

La séquence de forgeage des anneaux roulés, étape par étape

Le laminage d'anneaux est la seconde moitié d'une séquence de forgeage plus longue, et la première moitié décide de la qualité de la seconde moitié. Un itinéraire typique se déroule comme suit.

1. Coupez la billette à un poids calculé et chauffez-la à la température de forgeage dans un four contrôlé.
2. Renversez la billette pour augmenter la section transversale et consolider la structure coulée.
3. Percez le flan bouleversé avec un poinçon pour créer une préforme creuse, souvent décrite comme un beignet.
4. Placer la préforme entre le rouleau principal et le mandrin. Le rouleau principal est entraîné, le mandrin appuie vers l'intérieur et la paroi s'amincit à mesure que le diamètre augmente.
5. Apportez des rouleaux axiaux ou coniques pour contrôler la hauteur et équarrir les faces pendant que l'anneau se dilate.
6. Rouler jusqu'à la taille finale, puis contrôler le refroidissement, traiter thermiquement, usiner et inspecter.

La variable critique est le taux de réduction, c'est-à-dire dans quelle mesure l'épaisseur de la paroi est réduite pendant le laminage par rapport à la paroi de la préforme. Une préforme trop percée ou laminée avec trop peu de réduction peut se retrouver avec une déformation insuffisante de l'alésage et une structure moins uniforme. Une préforme trop lourde gaspille de la matière et du temps de laminage. C'est pourquoi le laminage des anneaux est planifié vers l'arrière à partir de la pièce finie, et non vers l'avant à partir de la billette qui se trouve sur le rack.

Les laminoirs axiaux radiaux gèrent la majorité des travaux industriels, et les laminoirs à anneaux verticaux sont courants pour les diamètres plus grands où l'anneau a besoin d'être soutenu pendant sa croissance. La gamme de tailles est large. Les anneaux allant d'environ 200 mm jusqu'à plusieurs mètres de diamètre extérieur sont fabriqués selon le même principe, l'épaisseur de paroi, la hauteur et la capacité de la machine déterminant le tracé adapté au travail.

Comparaison des itinéraires de production d'anneaux

Avant de choisir un processus, il est utile de voir où chaque itinéraire est réellement gagnant. La comparaison ci-dessous utilise le débit des grains, l’état des joints et l’utilisation du matériau comme critères décisifs.

Lorsque la pièce est une ébauche de bride, une bague d'engrenage, une bague de roulement ou une bague de boîte de vitesses d'éolienne, le roulement est généralement la meilleure solution car les charges de service agissent dans la direction du cerceau et les conduites d'écoulement aboutissent là où la contrainte se produit.

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Tolérances et conditions forgées autour desquelles planifier

Les anneaux laminés sont fournis soit sous forme laminée avec une surépaisseur d'usinage, soit sous forme d'anneaux usinés bruts et usinés d'épreuve. Étant donné que les dimensions forgées sont un point de départ et non une tolérance finale, les chiffres varient en fonction du diamètre, de l'épaisseur de la paroi, du matériau et du nombre de passes de laminage. Le tableau ci-dessous présente la plage générale à prévoir et à confirmer sur le dessin.

Deux points pratiques suivent. Spécifiez toujours la surépaisseur d'usinage minimale sur l'alésage plutôt que le diamètre extérieur, car le nettoyage de l'alésage est normalement ce qui décide si une bague est récupérable. Et attendez-vous à ce que les anneaux à paroi mince et de grand diamètre soient les plus difficiles à garder. L’ovalité est le point de départ de la plupart des désaccords entre l’acheteur et le fournisseur.

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Choix de matériaux et de traitement thermique pour les pièces forgées en anneaux

Le laminage annulaire fonctionne sur les aciers au carbone, les aciers alliés, les aciers inoxydables, les alliages de nickel et les alliages de cuivre, à condition que le matériau puisse être percé et laminé dans sa fenêtre de température de forgeage. Les sélections typiques incluent :

• Aciers au carbone et microalliés pour anneaux structurels généraux et entretoises.
• Aciers alliés trempés et revenus tels que les nuances de type 4140 pour les couronnes dentées, les brides lourdes et les moyeux à charges élevées.
• Nuances de cémentation pour couronnes dentées qui seront carburées après forgeage.
• Aciers inoxydables austénitiques tels que le 316L pour les tâches de corrosion et d'hygiène, et nuances martensitiques telles que le 420 pour les bagues d'usure.

Le traitement thermique doit être motivé par les exigences de propriété finale et non par l'habitude. La normalisation affine la structure avant l'usinage, la trempe et le revenu atteignent une combinaison de résistance et de ténacité spécifiée, et le recuit en solution est utilisé pour les nuances austénitiques. Sur les bagues en acier inoxydable, la plage de température de forgeage et le chemin de refroidissement sont tous deux importants, car une mauvaise combinaison peut laisser une sensibilisation ou une structure grossière qu'aucun usinage ultérieur ne pourra corriger. Plus d’informations sont couvertes dans cet article sur comment forger des pièces forgées en acier inoxydable .

Où les anneaux roulés sont utilisés dans les équipements lourds

Les réducteurs d’éoliennes sont l’exemple le plus clair d’anneaux roulés effectuant un travail sérieux. Les couronnes dentées, les engrenages solaires et les porte-satellites de la classe 3 MW à 10 MW sont dimensionnés dans la plage métrique, fonctionnent sous couple d'inversion et sont censés survivre à deux décennies de service, de sorte que la couronne dentée est presque toujours une bague laminée sans soudure dans un acier allié de cémentation ou trempé et revenu.

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D’autres fonctions suivent la même logique, c’est pourquoi la forme en anneau continue d’apparaître dans l’industrie lourde :

• Chemins de roulement et bagues de roulement d'orientation pour grues, pelles et matériels de manutention portuaire.
• Composants d'arbre et de gouvernail marins, où l'écoulement forgé et la propreté par ultrasons sont spécifiés avant toute autre chose.
• Anneaux pour récipients sous pression et équipements de forage tels que têtes de tubage, supports de mandrin et corps de vannes.
• Boîtiers de roulements de laminoirs et rouleaux redresseurs, où la bague doit résister à la fois à la charge et à l'usure.

Les anneaux à bride méritent une mention distincte car ils sont si courants. Une ébauche de bride laminée conserve son flux de grains cerclés, ce qui est important pour les brides exposées à une pression cyclique ou à un mouvement thermique, et évite la faiblesse directionnelle qui apparaît dans une bride découpée dans une plaque.

Que vérifier chez un fournisseur de forgeage d'anneaux

Commencez par la liste du matériel. Un fournisseur qui roule des anneaux en interne devrait être en mesure d'indiquer la taille et la capacité de ses broyeurs et de ses marteaux ou presses, car ces chiffres définissent la plage de diamètres et de poids qui peuvent être produits en une seule pièce. Un atelier exploitant des laminoirs à anneaux verticaux de la classe de 1 m à 1,5 m ainsi que des marteaux de forgeage de 3 tonnes, 5 tonnes et 15 tonnes, par exemple, peut couvrir à la fois des anneaux moyens et des travaux à matrice ouverte plus lourds sans aucun effort supplémentaire.

La capacité d’inspection vient ensuite. Renseignez-vous sur les tests par ultrasons, les tests par particules magnétiques ou par ressuage, les tests de dureté et mécaniques selon une norme reconnue, ainsi que les rapports dimensionnels. Demandez ensuite quels documents accompagnent la pièce, normalement un certificat d'inspection de type 3.1 avec traçabilité du numéro de coulée qui relie l'anneau fini à l'acier dont il provient.

Enfin, renseignez-vous sur le côté non standard de l'activité, car la plupart des projets de bagues cessent d'être standard dès qu'un étage d'alésage, une rainure de clavette, une bride ou un ensemble de trous de boulons apparaissent sur le dessin. Un fournisseur qui gère déjà forgeage personnalisé non standard et l'usinage de finition sous un même toit supprime toute une chaîne de transport et d'étapes de réinspection du planning.

Points clés à retenir

• Le forgeage des anneaux laminés produit un anneau sans soudure avec un flux de grains circonférentiel continu, ce qui constitue le bon choix pour les anneaux soumis à des charges de couple, de pression ou de fatigue.
• La conception de la préforme et le taux de réduction déterminent la qualité interne, le laminage doit donc être planifié à rebours à partir de la pièce finie.
• Car les dimensions forgées sont un point de départ. Convenez par écrit de la tolérance d'alésage minimale et de l'ovalité acceptable avant la première manche.
• Le matériau et le traitement thermique doivent être spécifiés à partir des exigences de service et non copiés à partir d'un ancien dessin.
• Vérifiez la capacité de l'usine, la portée de l'inspection et la traçabilité de la certification avant de passer une commande d'achat.