Le formage et le cintrage sont des opérations essentielles du métier de métallurgiste (ajusteur). Ces procédés transforment la tôle ou le profilé métallique par déformation plastique, sans enlever de matière. Contrairement à l'usinage, le formage modifie la géométrie de la pièce en la pliant, la roulant ou la cintrant selon des rayons et des angles précis.
Pour l'examen Sceau rouge, vous devez maîtriser les principes physiques de la déformation, les limites de formabilité des matériaux, les calculs de développement (longueur dépliée), les facteurs de correction (facteur K, coefficient de pliage) et les procédures d'opération sécuritaires des équipements.
Principes fondamentaux de la déformation plastique
Limite élastique et limite de rupture
Lorsqu'une force est appliquée sur un métal, celui-ci subit d'abord une déformation élastique (réversible). Si la force dépasse la limite élastique (σe), le métal entre en déformation plastique (permanente). Le cintrage exploite cette déformation plastique sans atteindre la limite de rupture (σr).
La relation entre la contrainte appliquée et la déformation est illustrée par la courbe de traction du matériau. Pour le formage, les propriétés critiques sont :
Module d'élasticité (E) : rigidité du matériau (en MPa ou GPa)
Limite élastique (σe) : seuil de déformation permanente
Allongement à la rupture (%) : capacité de déformation avant rupture
Dureté : résistance à la pénétration, souvent corrélée à la résistance
Fibre neutre et axe neutre
Lors du cintrage, la section transversale de la tôle subit des contraintes inégales :
Les fibres extérieures (côté convexe) sont en traction (allongement)
Les fibres intérieures (côté concave) sont en compression (raccourcissement)
La fibre neutre est la ligne imaginaire où la contrainte est nulle et la longueur ne change pas
Pour les tôles minces (épaisseur < 3 mm), la fibre neutre est approximativement au centre de l'épaisseur. Pour les tôles plus épaisses, elle se déplace vers l'intérieur du pli, à environ 0,33 à 0,45 de l'épaisseur depuis la surface intérieure.
Facteur K et position de la fibre neutre
Le facteur K (k) est le rapport entre la distance de la fibre neutre à la surface intérieure et l'épaisseur de la tôle :
k = t / e
Où :
t = distance de la fibre neutre à la surface intérieure (mm)
e = épaisseur de la tôle (mm)
Valeurs typiques du facteur K :
Rayon de cintrage intérieur r < e : k ≈ 0,33
Rayon de cintrage intérieur r = e : k ≈ 0,40
Rayon de cintrage intérieur r > 2e : k ≈ 0,50
Épaisseur (mm)
Rayon intérieur (mm)
Facteur K
1,5
1,5
0,40
3,0
3,0
0,40
3,0
6,0
0,45
6,0
12,0
0,48
6,0
3,0
0,35
Calcul de la longueur développée (dépliée)
Principe général
La longueur développée (Ld) est la longueur totale de la tôle avant pliage, mesurée le long de la fibre neutre. Elle se calcule en additionnant les longueurs des segments droits et les longueurs des arcs de cintrage.
Ld = L1 + L2 + ... + Ln + A1 + A2 + ... + An
Où :
Ln = longueur des segments droits (mm)
An = longueur des arcs de cintrage (mm)
Longueur d'un arc de cintrage
La longueur de l'arc de cintrage se calcule selon la formule :
A = (π × R × α) / 180
Où :
A = longueur de l'arc (mm)
R = rayon de la fibre neutre = r + k × e (mm)
α = angle de cintrage en degrés
π ≈ 3,1416
Exemple de calcul complet
Problème : Plier une tôle d'acier doux de 3 mm d'épaisseur à 90°, avec un rayon intérieur de 3 mm. Les segments droits mesurent 50 mm et 80 mm.
Solution :
49.Facteur K pour r = e : k = 0,40
50.Rayon de la fibre neutre : R = 3 + 0,40 × 3 = 3 + 1,2 = 4,2 mm
51.Longueur de l'arc : A = (π × 4,2 × 90) / 180 = (3,1416 × 4,2 × 90) / 180 = 6,597 mm
Tableau des coefficients de pliage (approximations)
Pour les calculs rapides en atelier, on utilise souvent des coefficients de pliage (CP) pour un angle de 90° :
Épaisseur (mm)
Rayon intérieur (mm)
Coefficient de pliage (mm)
1,0
1,0
1,7
1,5
1,5
2,6
2,0
2,0
3,5
3,0
3,0
5,2
4,0
4,0
7,0
5,0
5,0
8,7
6,0
6,0
10,5
Le coefficient de pliage représente la quantité à soustraire de la somme des dimensions extérieures pour obtenir la longueur développée.
Opérations de cintrage
Cintrage à la presse plieuse
La presse plieuse est l'équipement le plus courant pour le cintrage de la tôle. Elle comporte un poinçon (matrice supérieure) et une matrice (v inférieure). Le cintrage s'effectue par pénétration du poinçon dans la matrice.
Paramètres de réglage :
Angle de cintrage : contrôlé par la profondeur de pénétration du poinçon
Retour élastique (springback) : le métal reprend partiellement sa forme initiale après relâchement. L'angle de cintrage doit être légèrement inférieur à l'angle désiré pour compenser ce retour.
Ouverture de la matrice (V) : généralement 6 à 8 fois l'épaisseur de la tôle
Rayon de cintrage : dépend de l'ouverture de la matrice et du rayon du poinçon
Formule du retour élastique (approximation) :
Δα = α × (σe / E) × 180 / π
Où :
Δα = angle de retour élastique (degrés)
α = angle de cintrage (degrés)
σe = limite élastique (MPa)
E = module d'élasticité (MPa)
Pour l'acier doux : E = 200 000 MPa, σe ≈ 250 MPa → Δα ≈ 0,07° par degré de cintrage.
Cintrage au rouleau (roulage)
Le roulage (ou cintrage à trois rouleaux) est utilisé pour former des cylindres, des cônes et des arcs de grand rayon. Les trois rouleaux (deux inférieurs fixes, un supérieur mobile) exercent une pression progressive sur la tôle.
Paramètres de réglage :
Écartement des rouleaux inférieurs : détermine le rayon de cintrage
Position du rouleau supérieur : contrôle la profondeur de pénétration
Nombre de passes : plusieurs passes successives pour éviter la déformation excessive
Calcul du rayon de cintrage au rouleau (approximation) :
R = (L² + 4 × h²) / (8 × h)
Où :
R = rayon de cintrage (mm)
L = distance entre les rouleaux inférieurs (mm)
h = flèche (profondeur de pénétration du rouleau supérieur) (mm)
Cintrage de tubes et profilés
Le cintrage de tubes et de profilés nécessite des équipements spécifiques :
Cintreuse à mandrin : pour tubes de petit diamètre, avec mandrin interne pour éviter l'écrasement
Cintreuse à galets : pour tubes de grand diamètre
Cintreuse à induction : pour tubes épais, chauffage localisé par induction électromagnétique
Limites de cintrage des tubes :
Rayon minimal : généralement 2 à 3 fois le diamètre extérieur du tube
Écrasement maximal : 5 à 8 % du diamètre (selon la norme)
Ovalisation : différence entre le diamètre maximal et minimal après cintrage
Type de tube
Rayon minimal (× diamètre)
Écrasement maximal (%)
Acier doux
2,5
8
Acier inoxydable
3,0
5
Aluminium
3,5
5
Cuivre
2,0
10
Formage à froid et à chaud
Formage à froid
Le formage à froid s'effectue à température ambiante. Il est utilisé pour :
Les tôles minces et moyennes (jusqu'à environ 12 mm)
Les aciers doux et les alliages d'aluminium
Les pièces nécessitant une bonne précision dimensionnelle
Avantages :
Précision dimensionnelle élevée
Surface de finition propre
Pas de déformation thermique
Coût énergétique faible
Inconvénients :
Écrouissage : le métal durcit et devient plus cassant
Limite de formabilité pour les matériaux fragiles
Risque de fissuration pour les rayons trop petits
Formage à chaud
Le formage à chaud s'effectue au-dessus de la température de recristallisation du matériau. Il est utilisé pour :
Les tôles épaisses (> 12 mm)
Les aciers à haute résistance
Les pièces de grande dimension
Températures typiques :
Acier doux : 850 °C à 1 100 °C
Acier inoxydable : 1 000 °C à 1 200 °C
Aluminium : 350 °C à 450 °C
Avantages :
Formabilité accrue (rayons plus petits possibles)
Réduction de l'écrouissage
Forces de formage réduites
Inconvénients :
Déformation thermique (retrait au refroidissement)
Oxydation de surface (calamine)
Coût énergétique élevé
Risques de sécurité (brûlures, vapeurs)
Normes canadiennes applicables
CSA W59 (Norme canadienne sur le soudage des structures en acier)
La norme CSA W59 (Soudage des structures en acier) s'applique aux assemblages soudés, mais elle contient des exigences relatives au formage des éléments structuraux :
Article 5.4 : Tolérances de fabrication pour les éléments pliés ou roulés
Article 5.5 : Tolérances dimensionnelles après formage
Article 7.2 : Exigences pour le formage à chaud et à froid des éléments
Les tolérances typiques pour le cintrage des éléments structuraux selon la CSA W59 :
Écart angulaire maximal : ± 2° par rapport à l'angle spécifié
Écart de rayon : ± 5 % du rayon spécifié
Ondulation maximale de la surface : 3 mm sur 300 mm
CSA S16 (Règles de calcul des charpentes en acier)
La norme CSA S16 (Règles de calcul des charpentes en acier) définit les exigences pour les éléments formés à froid :
Article 13.5 : Résistance des éléments formés à froid
Article 21.2 : Exigences de fabrication pour les éléments pliés
La norme précise que le formage à froid réduit la ductilité du matériau et peut nécessiter un traitement thermique de détensionnement pour les éléments fortement déformés.
CSA B149.1 (Code canadien du gaz naturel et du propane)
Pour les tuyauteries cintrées dans les installations de gaz, la norme CSA B149.1 impose :
Article 6.3.2 : Rayon de cintrage minimal pour les tubes d'acier : 3 fois le diamètre nominal
Article 6.3.3 : Interdiction de cintrer les tubes en fonte
La cintreuse à trois rouleaux (ou rouleuse) est utilisée pour le roulage des tôles en cylindres ou cônes. Ses paramètres de réglage :
Écartement des rouleaux inférieurs : ajustable selon l'épaisseur et le rayon désiré
Pression du rouleau supérieur : contrôle la déformation
Vitesse de rotation : affecte la qualité de surface
Précautions d'utilisation :
Pré-cintrer les extrémités pour éviter les zones droites
Effectuer plusieurs passes progressives
Vérifier le rayon avec un gabarit après chaque passe
Outils de mesure et de contrôle
Pour vérifier la qualité du formage, le métallurgiste utilise :
Rapporteur d'angle : mesure les angles de cintrage (± 0,5°)
Gabarit de rayon : vérifie les rayons intérieurs et extérieurs
Pied à coulisse : mesure les épaisseurs et les dimensions
Niveau à bulle : vérifie l'aplomb des pièces
Détecteur de fissures (magnétoscopie ou ressuage) : contrôle les défauts de surface
Défauts de formage et remèdes
Fissuration
La fissuration survient lorsque la déformation dépasse la capacité du matériau. Causes possibles :
Rayon de cintrage trop petit par rapport à l'épaisseur
Matériau fragile (trempé, à haute teneur en carbone)
Cintrage dans le sens du laminage (fibres parallèles au pli)
Température trop basse pour le formage à chaud
Remèdes :
Augmenter le rayon de cintrage
Cintrer perpendiculairement au sens du laminage
Préchauffer le matériau
Utiliser un matériau plus ductile
Retour élastique excessif
Le retour élastique est la tendance du métal à reprendre sa forme initiale. Causes :
Limite élastique élevée du matériau
Rayon de cintrage important par rapport à l'épaisseur
Angle de cintrage faible
Remèdes :
Sur-cintrer (cintrer à un angle plus petit que l'angle désiré)
Utiliser une matrice avec un angle plus fermé
Effectuer un cintrage de calibrage (pression maintenue en fin de course)
Ondulation et flambage
L'ondulation de la surface intérieure du pli est causée par une compression excessive. Le flambage des ailes se produit lorsque la largeur de l'aile est trop grande par rapport à l'épaisseur.
Remèdes :
Utiliser une matrice avec un rayon d'entrée plus grand
Réduire la vitesse de cintrage
Ajouter des supports latéraux
Tableau des défauts courants
Défaut
Cause probable
Remède
Fissure extérieure
Rayon trop petit
Augmenter le rayon
Fissure intérieure
Matériau fragile
Préchauffer
Retour élastique
Limite élastique élevée
Sur-cintrer
Ondulation
Compression excessive
Réduire la vitesse
Flambage des ailes
Largeur excessive
Ajouter des supports
Marques de poinçon
Poinçon usé
Remplacer le poinçon
Épaisseur réduite au pli
Étirement excessif
Réduire la force
Procédures de sécurité
Règles générales de sécurité
Le formage et le cintrage présentent des risques spécifiques :
Écrasement : les mains et les doigts peuvent être pris entre le poinçon et la matrice
Cisaillement : les bords de tôle sont tranchants
Projection : des éclats de métal peuvent être projetés
Brûlures : lors du formage à chaud
Règles impératives :
225.Ne jamais placer les mains entre le poinçon et la matrice
226.Utiliser des dispositifs de maintien (pinces, ventouses) pour les petites pièces
227.Porter des gants de protection, des lunettes de sécurité et des chaussures de sécurité
228.Vérifier l'état des équipements avant utilisation
229.Respecter les capacités maximales des machines (tonnage, longueur)
Sécurité spécifique à la presse plieuse
Barrière immatérielle : dispositif optique qui arrête la machine si un objet traverse le faisceau
Pédale de commande : doit être à deux positions (sécurité)
Butée mécanique : limite la course du poinçon
Arrêt d'urgence : accessible en tout temps
Sécurité spécifique au formage à chaud
Porter des gants isolants et un tablier de cuir
Utiliser des pinces longues pour manipuler les pièces chaudes
Ventiler la zone de travail pour évacuer les fumées
Avoir un extincteur à proximité
Pièges à éviter
241.Oublier le retour élastique : ne jamais cintrer exactement à l'angle désiré sans compenser le retour élastique du matériau.
242.Confondre rayon intérieur et rayon de fibre neutre : le calcul de la longueur développée utilise toujours le rayon de la fibre neutre, pas le rayon intérieur.
243.Utiliser un facteur K incorrect : le facteur K varie selon le rapport r/e. Ne pas utiliser 0,5 pour tous les cas.
244.Négliger le sens du laminage : cintrer parallèlement au sens du laminage augmente le risque de fissuration.
245.Ignorer les tolérances des normes : la CSA W59 et la CSA S16 imposent des tolérances précises. Les dépasser entraîne le rejet de la pièce.
246.Calculer la force de cintrage sans tenir compte de la résistance réelle du matériau : utiliser la résistance à la traction (σr), pas la limite élastique.
247.Oublier le pré-cintrage des extrémités au roulage : les extrémités restent droites si elles ne sont pas pré-cintrées.
248.Confondre les températures de formage à chaud : l'acier doux se forme entre 850 °C et 1 100 °C, pas à 500 °C.
249.Ne pas vérifier l'ovalisation des tubes cintrés : la norme CSA B149.1 limite l'ovalisation à 8 % du diamètre.
250.Utiliser des matrices usées : des matrices usées produisent des plis de mauvaise qualité et augmentent le risque de fissuration.
Résumé
Le formage et le cintrage sont des opérations fondamentales du métier de métallurgiste. Pour réussir l'examen Sceau rouge, retenez :
La fibre neutre est la ligne de longueur constante lors du cintrage. Sa position est définie par le facteur K (0,33 à 0,50 selon le rapport r/e).
La longueur développée se calcule en additionnant les segments droits et les arcs de cintrage, en utilisant le rayon de la fibre neutre.
Le retour élastique doit toujours être compensé par un sur-cintrage. Son ampleur dépend de la limite élastique et du module d'élasticité.
La force de cintrage se calcule avec la formule F = (1,42 × σr × e² × L) / V. Elle augmente avec le carré de l'épaisseur.
Les normes canadiennes (CSA W59, CSA S16, CSA B149.1, Code canadien de l'électricité) imposent des tolérances et des rayons minimaux spécifiques.
Le formage à chaud est réservé aux matériaux épais ou à haute résistance, avec des températures de 850 °C à 1 200 °C selon le matériau.
Les défauts courants (fissuration, retour élastique, ondulation) ont des causes identifiables et des remèdes connus.
La sécurité est primordiale : ne jamais placer les mains entre le poinçon et la matrice, utiliser les dispositifs de protection, respecter les capacités des machines.
Maîtrisez ces concepts, pratiquez les calculs et connaissez les valeurs des normes. Bonne préparation pour l'examen !
