Présentation du processus
Le formage de pièces métalliques par application de forces de compression et de traction élevées est courant dans toute la fabrication industrielle. Dans les opérations d'emboutissage, le métal, le plus souvent sous forme de feuilles, de bandes ou de bobines, est façonné en formes spécifiques à température ambiante par cisaillement, pressage et étirement entre les matrices, généralement en une série d'une ou plusieurs étapes d'impact discrètes. L'acier laminé à froid est le matériau de départ de nombreuses opérations d'emboutissage créant des pièces en tôle dans l'automobile, l'électroménager et d'autres industries. Environ 15 % des travailleurs de l'industrie automobile travaillent dans des opérations ou des usines d'emboutissage.
Dans le forgeage, la force de compression est appliquée à des blocs préformés (ébauches) de métal, généralement chauffés à des températures élevées, également en une ou plusieurs étapes de pressage discrètes. La forme de la pièce finale est déterminée par la forme des cavités de la ou des matrices métalliques utilisées. Avec les matrices d'impression ouvertes, comme dans le forgeage au marteau, l'ébauche est comprimée entre une matrice fixée à l'enclume inférieure et le vérin vertical. Avec des matrices d'impression fermées, comme dans le forgeage à la presse, l'ébauche est comprimée entre la matrice inférieure et une matrice supérieure fixée au vérin.
Les forges à marteaux-pilons utilisent un cylindre à vapeur ou à air pour soulever le marteau, qui est ensuite lâché par gravité ou entraîné par de la vapeur ou de l'air. Le nombre et la force des coups de marteau sont contrôlés manuellement par l'opérateur. L'opérateur tient souvent l'extrémité froide du stock tout en actionnant le marteau-pilon. Le forgeage au marteau tombant représentait autrefois environ les deux tiers de tous les forges effectués aux États-Unis, mais il est moins courant aujourd'hui.
Les forges d'emboutissage utilisent un vérin mécanique ou hydraulique pour façonner la pièce d'un seul coup lent et contrôlé (voir figure 1). Le forgeage à la presse est généralement contrôlé automatiquement. Elle peut être réalisée à chaud ou à température normale (forgeage à froid, filage). Une variante du forgeage normal est le laminage, où des applications continues de force sont utilisées et l'opérateur tourne la pièce.
Figure 1. Forgeage à la presse
Les lubrifiants de matrice sont pulvérisés ou autrement appliqués sur les faces de matrice et les surfaces vierges avant et entre les coups de marteau ou de presse.
Les pièces de machine à haute résistance telles que les arbres, les couronnes dentées, les boulons et les composants de suspension de véhicule sont des produits de forgeage en acier courants. Les composants d'avion à haute résistance tels que les longerons d'aile, les disques de turbine et les trains d'atterrissage sont forgés à partir d'alliages d'aluminium, de titane ou de nickel et d'acier. Environ 3 % des travailleurs de l'automobile travaillent dans des opérations ou des usines de forgeage.
Conditions de travail
De nombreux risques courants dans l'industrie lourde sont présents dans les opérations d'emboutissage et de forgeage. Ceux-ci incluent les microtraumatismes répétés (RSI) dus à la manipulation et au traitement répétés des pièces et au fonctionnement des commandes de la machine telles que les boutons de la paume. Les pièces lourdes exposent les travailleurs à des problèmes de dos et d'épaule ainsi qu'à des troubles musculo-squelettiques des membres supérieurs. Les opérateurs de presse dans les usines d'emboutissage automobile ont des taux de RSI comparables à ceux des travailleurs des usines d'assemblage occupant des emplois à haut risque. Des vibrations et du bruit à forte impulsion sont présents dans la plupart des opérations d'emboutissage et certaines opérations de forgeage (par exemple, vapeur ou marteau pneumatique), entraînant une perte auditive et une éventuelle maladie cardiovasculaire; ce sont parmi les environnements industriels les plus bruyants (plus de 100 dBA). Comme dans d'autres formes de systèmes automatisés, les charges énergétiques des travailleurs peuvent être élevées, en fonction des pièces manipulées et des taux de cycle de la machine.
Les blessures catastrophiques résultant de mouvements imprévus de la machine sont courantes dans l'emboutissage et le forgeage. Celles-ci peuvent être dues à : (1) une défaillance mécanique des systèmes de commande de la machine, tels que les mécanismes d'embrayage dans des situations où les travailleurs sont censés se trouver régulièrement dans l'enveloppe de fonctionnement de la machine (une conception de processus inacceptable) ; (2) des lacunes dans la conception ou les performances de la machine qui invitent des interventions non programmées des travailleurs, telles que le déplacement de pièces bloquées ou mal alignées ; ou (3) des procédures de maintenance inappropriées à haut risque effectuées sans verrouillage adéquat de l'ensemble du réseau de machines concerné, y compris l'automatisation du transfert de pièces et les fonctions des autres machines connectées. La plupart des réseaux de machines automatisées ne sont pas configurés pour un verrouillage rapide, efficace et efficace ou un dépannage sûr.
Les brouillards d'huiles de lubrification des machines générés pendant le fonctionnement normal sont un autre risque générique pour la santé dans les opérations d'emboutissage et de forgeage alimentées par de l'air comprimé, exposant potentiellement les travailleurs à des risques de maladies respiratoires, dermatologiques et digestives.
Problèmes de santé et de sécurité
Estampillage
Les opérations d'emboutissage présentent un risque élevé de lacération sévère en raison de la manipulation requise de pièces à bords tranchants. La manipulation des déchets résultant des périmètres coupés et des sections découpées des pièces est peut-être pire. Les déchets sont généralement collectés par des goulottes et des convoyeurs alimentés par gravité. L'élimination des bourrages occasionnels est une activité à haut risque.
Les risques chimiques spécifiques à l'emboutissage proviennent généralement de deux sources principales : les composés d'étirage (c'est-à-dire les lubrifiants de matrice) dans les opérations de presse réelles et les émissions de soudage provenant de l'assemblage des pièces embouties. Les composés d'étirage (DC) sont nécessaires pour la plupart des estampages. Le matériau est pulvérisé ou roulé sur la tôle et d'autres brouillards sont générés par l'événement d'emboutissage lui-même. Comme d'autres fluides pour le travail des métaux, les composés d'étirage peuvent être des huiles pures ou des émulsions d'huile (huiles solubles). Les composants comprennent des fractions d'huile de pétrole, des agents lubrifiants spéciaux (par exemple, des dérivés d'acides gras animaux et végétaux, des huiles et des cires chlorées), des alcanolamines, des sulfonates de pétrole, des borates, des épaississants dérivés de la cellulose, des inhibiteurs de corrosion et des biocides. Les concentrations de brouillard dans l'air lors des opérations d'emboutissage peuvent atteindre celles des opérations d'usinage typiques, bien que ces niveaux aient tendance à être inférieurs en moyenne (0.05 à 2.0 mg/m3). Cependant, un brouillard visible et un film d'huile accumulé sur les surfaces des bâtiments sont souvent présents, et le contact avec la peau peut être plus élevé en raison d'une manipulation intensive des pièces. Les expositions les plus susceptibles de présenter des dangers sont les huiles chlorées (cancer possible, maladie du foie, troubles cutanés), les dérivés d'acides gras de colophane ou de tallol (sensibilisants), les fractions pétrolières (cancers digestifs) et, éventuellement, le formaldéhyde (provenant de biocides) et les nitrosamines (provenant de alcanolamines et nitrite de sodium, soit en tant qu'ingrédients DC, soit dans des revêtements de surface sur de l'acier entrant). Un cancer digestif élevé a été observé dans deux usines d'emboutissage d'automobiles. Les efflorescences microbiologiques dans les systèmes qui appliquent des DC en les faisant rouler sur des tôles à partir d'un réservoir ouvert peuvent présenter des risques pour les travailleurs pour des problèmes respiratoires et dermatologiques analogues à ceux des opérations d'usinage.
Le soudage des pièces embouties est souvent effectué dans des usines d'emboutissage, généralement sans lavage intermédiaire. Cela produit des émissions qui comprennent des fumées métalliques et des produits de pyrolyse et de combustion provenant du composé d'étirage et d'autres résidus de surface. Les opérations de soudage typiques (principalement par résistance) dans les usines d'emboutissage génèrent des concentrations totales de particules dans l'air comprises entre 0.05 et 4.0 mg/m3. La teneur en métal (sous forme de fumées et d'oxydes) représente généralement moins de la moitié de cette matière particulaire, ce qui indique que jusqu'à 2.0 mg/m3 est un débris chimique mal caractérisé. Le résultat est un voile visible dans de nombreuses zones de soudage des usines d'emboutissage. La présence de dérivés chlorés et d'autres ingrédients organiques soulève de sérieuses inquiétudes quant à la composition de la fumée de soudage dans ces environnements et plaide fortement en faveur de contrôles de la ventilation. L'application d'autres matériaux avant le soudage (tels que l'apprêt, la peinture et les adhésifs de type époxy), dont certains sont ensuite soudés, ajoute une préoccupation supplémentaire. Les activités de réparation de la production de soudage, généralement effectuées manuellement, présentent souvent des expositions plus élevées à ces mêmes contaminants atmosphériques. Des taux excessifs de cancer du poumon ont été observés chez les soudeurs d'une usine d'emboutissage d'automobiles.
Forger
Comme l'emboutissage, les opérations de forgeage peuvent présenter des risques élevés de lacération lorsque les travailleurs manipulent des pièces forgées ou coupent les bavures ou les bords indésirables des pièces. Le forgeage à fort impact peut également éjecter des fragments, du tartre ou des outils, causant des blessures. Dans certaines activités de forgeage, le travailleur saisit la pièce à usiner avec des pinces lors des étapes de pressage ou d'impact, ce qui augmente le risque de blessures musculo-squelettiques. En forge, contrairement à l'emboutissage, les fours de chauffage des pièces (pour le forgeage et le recuit) ainsi que les bacs de pièces forgées à chaud sont généralement à proximité. Ceux-ci créent un potentiel de conditions de stress thermique élevé. D'autres facteurs de stress thermique sont la charge métabolique du travailleur lors de la manipulation manuelle des matériaux et, dans certains cas, la chaleur dégagée par les produits de combustion des lubrifiants à base d'huile.
La lubrification des matrices est nécessaire dans la plupart des pièces forgées et a la particularité supplémentaire que le lubrifiant entre en contact avec des pièces à haute température. Cela provoque une pyrolyse et une aérosolisation immédiates non seulement dans les matrices, mais également par la suite à partir des pièces de fumage dans les bacs de refroidissement. Les ingrédients lubrifiants de la matrice de forgeage peuvent comprendre des boues de graphite, des épaississants polymères, des émulsifiants de sulfonate, des fractions de pétrole, du nitrate de sodium, du nitrite de sodium, du carbonate de sodium, du silicate de sodium, des huiles de silicone et des biocides. Ceux-ci sont appliqués sous forme de pulvérisations ou, dans certaines applications, par écouvillonnage. Les fours utilisés pour chauffer le métal à forger sont généralement alimentés au mazout ou au gaz, ou ce sont des fours à induction. Les émissions peuvent provenir de fours à combustible avec un tirage insuffisant et de fours à induction non ventilés lorsque le stock de métal entrant contient des contaminants de surface, tels que de l'huile ou des inhibiteurs de corrosion, ou si, avant le forgeage, il a été lubrifié pour le cisaillement ou le sciage (comme dans le cas du stock de barres). Aux États-Unis, les concentrations totales de particules dans l'air dans les opérations de forgeage varient généralement de 0.1 à 5.0 mg/m3 et varient considérablement au sein des opérations de forgeage en raison des courants de convection thermique. Un taux élevé de cancer du poumon a été observé chez les travailleurs du forgeage et du traitement thermique de deux usines de fabrication de roulements à billes.
Pratiques de santé et de sécurité
Peu d'études ont évalué les effets réels sur la santé des travailleurs exposés à l'emboutissage ou au forgeage. La caractérisation complète du potentiel de toxicité de la plupart des opérations de routine, y compris l'identification et la mesure des agents toxiques prioritaires, n'a pas été effectuée. L'évaluation des effets à long terme sur la santé de la technologie de lubrification des matrices développée dans les années 1960 et 1970 n'est devenue possible que récemment. Par conséquent, la réglementation de ces expositions se réfère par défaut à des normes génériques de poussière ou de particules totales telles que 5.0 mg/m3 aux Etats-Unis. Bien que probablement adéquate dans certaines circonstances, cette norme n'est manifestement pas adéquate pour de nombreuses applications d'emboutissage et de forgeage.
Une certaine réduction des concentrations de brouillard de lubrifiant est possible avec une gestion soigneuse de la procédure d'application à la fois dans l'emboutissage et le forgeage. L'application au rouleau dans l'emboutissage est préférable lorsque cela est possible, et l'utilisation d'une pression d'air minimale dans les pulvérisations est bénéfique. L'éventuelle élimination des ingrédients dangereux prioritaires doit être étudiée. Les enceintes avec pression négative et collecteurs de brouillard peuvent être très efficaces mais peuvent être incompatibles avec la manipulation des pièces. Le filtrage de l'air libéré des systèmes d'air à haute pression dans les presses réduirait le brouillard d'huile de la presse (et le bruit). Le contact avec la peau lors des opérations d'estampage peut être réduit grâce à l'automatisation et à de bons vêtements de protection individuelle, offrant une protection contre les lacérations et la saturation en liquide. Pour le soudage en usine d'emboutissage, le lavage des pièces avant le soudage est hautement souhaitable, et des enceintes partielles avec LEV réduiraient considérablement les niveaux de fumée.
Les contrôles visant à réduire le stress thermique lors de l'emboutissage et du forgeage à chaud comprennent la minimisation de la quantité de manipulation manuelle des matériaux dans les zones à haute température, le blindage des fours pour réduire le rayonnement de la chaleur, la minimisation de la hauteur des portes et des fentes du four et l'utilisation de ventilateurs de refroidissement. L'emplacement des ventilateurs de refroidissement doit faire partie intégrante de la conception du mouvement de l'air pour contrôler les expositions au brouillard et le stress thermique ; sinon, le refroidissement ne peut être obtenu qu'au prix d'expositions plus élevées.
La mécanisation de la manutention des matériaux, le passage du martelage au forgeage à la presse lorsque cela est possible et l'ajustement du rythme de travail à des niveaux pratiques sur le plan ergonomique peuvent réduire le nombre de blessures musculo-squelettiques.
Les niveaux de bruit peuvent être réduits en combinant le passage du marteau aux forges à presse lorsque cela est possible, des enceintes bien conçues et le silence des soufflantes de four, des embrayages pneumatiques, des conduits d'air et de la manipulation des pièces. Un programme de préservation de l'ouïe devrait être institué.
L'EPI nécessaire comprend une protection de la tête, une protection des pieds, des lunettes de protection, des protections auditives (autour comme en cas de bruit excessif), des tabliers et des leggings résistants à la chaleur et à l'huile (avec une utilisation intensive de lubrifiants à base d'huile) et une protection infrarouge des yeux et du visage (autour fours).
Dangers environnementaux pour la santé
Les risques environnementaux découlant des usines d'emboutissage, relativement mineurs par rapport à ceux de certains autres types d'usines, comprennent l'élimination des déchets de composés d'étirage et de solutions de lavage et l'évacuation des fumées de soudage sans nettoyage adéquat. Certaines usines de forgeage ont historiquement causé une dégradation aiguë de la qualité de l'air local avec la fumée de forgeage et la poussière de tartre. Cependant, avec une capacité d'épuration de l'air appropriée, cela n'a pas besoin de se produire. L'élimination des chutes d'emboutissage et des calamines de forgeage contenant des lubrifiants de matrice est un autre problème potentiel.