Les boulons et les vis sont les composants mécaniques les plus élémentaires, largement utilisés dans diverses industries telles que l'automobile, les machines industrielles et la construction. Contrairement au soudage et au rivetage, la principale caractéristique des boulons est qu'ils peuvent être facilement retirés même après serrage et peuvent être réutilisés en resserrant-.
Processus de fabrication des boulons en titane
Le matériau de fabrication des boulons est généralement du fil enroulé. Après un traitement secondaire tel que le décapage, la lubrification, le recuit et le tréfilage, la tête du boulon et les filetages sont formés, -traités thermiquement et-traités en surface par forgeage à froid. Selon le type de produit, certains nécessitent un traitement thermique avant le filetage, d'autres non. La transformation secondaire est généralement effectuée par du personnel spécialisé, mais elle est parfois effectuée dans l'usine de fabrication de boulons.
Le formage de la tête de boulon fait généralement référence au processus de forgeage à froid de la tête de boulon à l'aide d'une machine de forgeage telle qu'une machine à refouler ou une machine à goupilles poussoirs, appelée « refoulement ». Le forgeage à froid, également appelé pressage à froid, fait référence au traitement à température ambiante. C'est un terme qui contraste avec le travail à chaud, où le matériau est chauffé avant d'être traité. Le processus de forgeage consiste à couper l'acier enroulé en longueurs appropriées, puis à presser le matériau à l'aide de plusieurs matrices de forgeage. Le forgeage comprend quatre étapes : le refoulement, l'emboutissage profond, l'extrusion inverse et la finition. Le refoulement consiste à presser le matériau d'une extrémité pour l'étendre au-delà de son diamètre d'origine ; l'emboutissage profond, à l'inverse, comprime le matériau d'une extrémité pour le rétrécir à un diamètre plus petit ; l'extrusion inverse consiste à presser le matériau d'une extrémité dans une matrice de plus petit diamètre, le faisant extruder vers l'extérieur tout en créant simultanément un trou ; la finition consiste à éliminer la surépaisseur à l'aide d'une matrice de forgeage. Selon la forme du produit, ces méthodes peuvent être utilisées séparément ou en combinaison. Les formes plus complexes nécessitent davantage d'étapes de traitement pour façonner progressivement le produit, mais les boulons ordinaires peuvent être formés en seulement 2 à 5 étapes.
Le processus de formage de la partie filetée implique l'utilisation d'une machine de formage à rouleau pour forger à froid et façonner le filetage dans le processus de formage du filetage du boulon. La méthode de formage est la même que celle de la tête du boulon. La forme du fil est formée en serrant l'ébauche entre deux ensembles de matrices de forgeage, en faisant tourner l'une des matrices tout en faisant tourner simultanément l'ébauche, et en la façonnant en un fil par formage plastique. Les matrices de forgeage utilisées pour le formage des filetages sont appelées « matrices de formage par laminage ». Il existe trois types de laminoirs de formage : les laminoirs de forgeage plats, les laminoirs de forgeage ronds et les laminoirs planétaires. Les machines de formage à plat pour forgeage utilisent deux matrices de formage ordinaires ; l'un est fixe tandis que l'autre se déplace d'avant en arrière pour rouler et façonner le flan. Les machines de formage à matrice de forgeage rond utilisent deux matrices de laminage cylindriques parallèles qui tournent dans le même sens pour rouler et façonner l'ébauche prise en sandwich entre les deux matrices. Les machines de formage par laminage planétaires serrent l'ébauche entre une matrice de forgeage cylindrique et une matrice de forgeage en forme d'éventail-, puis la laminent et la façonnent en faisant tourner la matrice de forgeage cylindrique.
Les boulons formés par forgeage à froid et traitement thermique sont généralement fabriqués à partir de matériaux d'une dureté adaptée à la transformation du plastique. Les matériaux à haute teneur en carbone ou avec des éléments d'alliage ajoutés sont intrinsèquement durs et difficiles à traiter, c'est pourquoi certains nécessitent un recuit pour les ramollir. La plupart des matériaux ne peuvent pas atteindre la résistance requise dans des conditions de forgeage à froid. Le traitement thermique, effectué après le forgeage à froid, confère au boulon la résistance et les propriétés mécaniques requises et constitue l'étape la plus cruciale de la fabrication du boulon. Les boulons sont classés en différents niveaux de résistance en fonction de leur application et de leur utilisation. Un traitement thermique est nécessaire pour garantir que les boulons formés possèdent leurs propriétés mécaniques respectives requises.
Les boulons utilisés dans les moteurs automobiles adhèrent souvent à l'huile lubrifiante et ne rouillent donc pas même sans traitement de surface. Cependant, il ne s’agit que d’une petite partie des boulons ; la plupart sont utilisés dans des environnements corrosifs et rouilleront donc rapidement sans traitement de surface. Si les boulons rouillés ne sont pas traités, la corrosion empêchera leur dévissage et, dans les cas graves, ils pourraient se briser, entraînant de graves accidents. Par conséquent, les boulons utilisés dans des environnements corrosifs nécessitent des traitements de surface tels que la galvanoplastie. Les traitements de surface des boulons peuvent être largement divisés en galvanoplastie et revêtement. La méthode la plus largement utilisée est la galvanoplastie, qui présente les avantages d’un faible coût et d’une bonne résistance à la corrosion. Lorsqu'une résistance à la corrosion plus élevée est requise que la galvanoplastie, la galvanoplastie en alliages tels que le fer galvanisé et le zinc-nickel peut être utilisée, ou un revêtement composite zinc-aluminium peut être appliqué.
Direction du développement des boulons automobiles
Ces dernières années, les constructeurs automobiles ont exigé une réduction des coûts des composants, un poids plus léger et une résistance accrue. Simultanément, pour résoudre les problèmes environnementaux, les émissions de CO2 doivent être réduites et pour réduire la consommation de carburant, le poids des véhicules doit être minimisé. Dans les coûts de fabrication des boulons, le coût de l’ébauche représente une part importante ; par conséquent, la méthode la plus efficace consiste à réduire le coût du matériau lui-même. Les constructeurs automobiles japonais étudient l'utilisation de matériaux étrangers peu coûteux pour réduire les coûts d'approvisionnement en matériaux. Pour répondre aux exigences des clients, les fabricants de boulons ont également mené diverses études sur la réduction du poids des boulons. Pour réduire le poids des boulons, certains utilisent des métaux légers tels que l'aluminium ou le titane, tandis que d'autres réduisent la taille des boulons. Bien que la réduction de la taille des boulons puisse réduire le poids, si la taille du boulon est réduite pour le même niveau de résistance, la force de serrage du boulon diminuera en raison de la section transversale réduite.
Par conséquent, pour garantir le même niveau de résistance tout en réduisant la taille du boulon, la résistance du boulon doit être augmentée. Les normes publiques actuelles telles que JIS et les propres normes des constructeurs automobiles spécifient uniquement les exigences pour les boulons ayant un degré de résistance inférieur à 12,9. Pour les boulons trempés et revenus ordinaires, les caractéristiques de rupture retardée se détériorent considérablement lorsque le degré de résistance dépasse 12,9. Dans certaines applications où des boulons à haute résistance de 10,9 ou 12,9 sont déjà utilisés, la réduction du poids grâce à la réduction de la taille nécessite l'utilisation de boulons avec un degré de résistance supérieur à 12,9 et l'emploi de méthodes pour améliorer les caractéristiques de rupture retardée. Pour obtenir une résistance élevée, certains boulons trempés et revenus améliorent les caractéristiques de rupture retardée en ajoutant des éléments d'alliage. Bien que l’ajout d’éléments d’alliage puisse améliorer dans une certaine mesure les caractéristiques de rupture retardée, le prix élevé de ces éléments augmente inévitablement les coûts.
Une autre approche consiste à utiliser des boulons non-trempés et revenus. Les boulons non-trempés et revenus ne nécessitent pas de traitement thermique après formage ; leur solidité est assurée principalement par l'écrouissage. La microstructure des boulons non trempés et revenus est complètement différente de celle des boulons trempés et revenus, présentant une forte résistance à la rupture retardée. Les boulons non trempés-utilisent des matériaux avec une teneur en carbone plus élevée que les boulons trempés. Grâce à un refroidissement et un traitement thermique contrôlés pendant la phase de billette, une forte réduction de surface peut être obtenue. Après l'écrouissage par tréfilage, un écrouissage supplémentaire pendant l'étape de formage du boulon garantit la résistance du boulon. Bien que les boulons ordinaires ne soient pas trempés après formage, ils doivent subir un bleuissement pour éliminer les contraintes internes provoquées par le forgeage à froid. L'inconvénient est que la dureté du matériau est supérieure à celle des boulons trempés, ce qui les rend très difficiles à former. Actuellement, la résistance des boulons non trempés-utilisés dans les moteurs est de 1 600 MPa, et la résistance des boulons non-trempés utilisés dans les carrosseries de véhicules a atteint 1 400 MPa. On s'attend à ce que la demande pour ces-boulons à haute résistance augmente encore à l'avenir.
