L'invention concerne principalement un procédé d'extrusion de précision selon le préambule de la revendication 1 pour réaliser des pièces métalliques creuses.
L'invention concerne également un dispositif selon le préambule de la revendication 9 pour mettre en oeuvre un tel procédé.
Un exemple d'un tel procédé et dispositif est connu du brevet
Il est connu que les pièces creuses en alliages métalliques peuvent être réalisées par une succession d'opérations à savoir une opération d'estampage à 1250°C d'une pièce monobloc sur marteau pilon suivie d'une opération d'ébavurage au cours de laquelle la bavure formée lors de l'opération d'estampage est sectionnée, puis d'une opération de forgeage dans laquelle la déformation de la matière est obtenue par extrusion.
Plus précisément, l'opération d'estampage consiste à chauffer à haute température le demi produit appelé lopin que l'on vient écraser entre deux matrices.
Parmi les procédés d'extrusion utilisés couramment, l'extrusion arrière (« back extrusion ») est un procédé dans lequel, en référence aux
Il en résulte l'enfoncement du poinçon 1 dans l'ébauche forgée 5a et le filage simultané de la matière métallique chaude 5b entre le poinçon 1 et l'assise 3 dans le sens inverse B au sens d'extrusion A.
C'est le diamètre D de la tête de poinçon 2 qui détermine le diamètre interne de la pièce métallique creuse finale 5c, ce diamètre D étant sensiblement supérieur au diamètre d du corps du poinçon 6 qui est détalonné pour éviter les frottements pendant le filage de la matière métallique chaude.
En référence à la
La longueur de la pièce creuse n'étant pas contrôlée lors d'une telle opération d'extrusion, cette pièce est le plus souvent reprise lors d'une opération supplémentaire, par exemple une opération d'usinage.
Aussi, une autre opération supplémentaire de débouchage doit être mise en oeuvre lorsque l'on souhaite obtenir un corps creux débouchant.
Toutes ces opérations sont en général effectuées dans la foulée dans une même chaude de forge, chacune des opérations d'ébavurage, d'extrusion et de débouchage étant réalisée sur des presses spécifiques.
Comme décrit précédemment, l'obtention d'une pièce métallique creuse débouchante ou non nécessite plusieurs opérations, ce dont il résulte que les tolérances obtenues ne sont pas toujours compatibles avec les exigences des cahiers des charges, notamment à cause des déformations induites pendant l'extrusion lors de l'enfonçage du poinçon dans la matière métallique chaude.
L'objectif principal de l'invention est de pallier aux inconvénients précités en proposant un procédé permettant de réaliser une pièce creuse débouchante ou non, tout en contrôlant simultanément les déformations de volume engendrées par l'opération d'extrusion.
Un autre objectif de l'invention consiste à réduire le nombre d'opérations et ainsi à optimiser l'outillage nécessaire pour réaliser la pièce métallique creuse et par la même, à réduire les coûts de production et améliorer les rendements et les temps de production.
A cet effet, le procédé de l'invention est selon la revendication 1.
Avantageusement, la contre-pression de compensation à appliquer correspond, à une température donnée, à la différence entre l'effort d'extrusion de la pièce métallique et la résistance de cette pièce à la striction.
De préférence, la contre-pression de compensation est calculée selon la formule suivante :
- D1 est le diamètre correspondant à la section moyenne du poinçon,
- D2 est le diamètre correspondant à la section moyenne interne de l'assise,
- S1 est la surface correspondant à la section d'un poinçon de diamètre D1,
- S2 est la surface correspondant à la section d'une assise de diamètre D2,
- σ(T,D2-D1) est la contrainte associée au matériau métallique et déterminée en fonction de la différence D2-D1 pour une température donnée, et
- σstriction (T) est la résistance à la striction de la pièce métallique à une température T donnée.
Selon un aspect avantageux de l'invention, la contre-pression de compensation est appliquée au niveau du fond sur lequel repose la matière métallique.
Plus avantageusement encore, une opération d'ébavurage de la pièce métallique préalablement estampée, est réalisée simultanément à l'opération d'extrusion.
En outre, il peut être prévu que pendant sa course aller, le poinçon entraîne un outil d'ébavurage dans une position permettant de réaliser l'opération d'ébavurage.
Préférentiellement, la pièce métallique creuse obtenue est désengagée du poinçon pendant la course retour de ce poinçon dans le sens opposé au sens d'extrusion.
Par ailleurs, la course aller du poinçon peut être ajustée de façon, soit qu'en fin de course aller, soit la tête du poinçon est contenue dans la matière métallique ce dont il résulte la réalisation d'une pièce creuse non débouchante, ou le poinçon traverse le fond de la pièce (60b) ce dont il résulte la réalisation d'une pièce creuse débouchante.
L'invention concerne également un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé décrit précédemment defini selon la revendication 9.
De préférence, le fond mobile est monté sur au moins un vérin hydraulique auquel est appliqué une pression correspondant à la contre-pression de compensation.
Avantageusement, le dispositif de l'invention comprend un outil d'ébavurage solidaire du poinçon pendant sa course aller jusqu'à une position d'ébavurage de la pièce métallique estampée.
En outre, le dispositif peut comprendre un extracteur de pièce qui est mobile relativement à ce poinçon pendant au moins une partie de sa course retour de façon que la pièce métallique obtenue dans laquelle est engagé le poinçon, vienne en butée contre l'extracteur et se désolidarise ainsi du poinçon en déplacement.
Il peut être également prévu que, soit le fond mobile est plein de façon à réaliser une pièce creuse non débouchante, ou soit le fond mobile présente une cavité dans laquelle s'engage la tête de poinçon en fin de course aller en traversant le fond de cette pièce de façon à réaliser une pièce creuse débouchante.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit et qui est faite au regard des dessins annexés qui représentent des exemples non limitatifs de réalisation du procédé et du dispositif de l'invention et sur lesquels :
- la
figure 1 est une représentation schématique en plan d'un dispositif d'extrusion de l'art antérieur en position initiale ; - la
figure 2 représente le dispositif de lafigure 1 pendant la course aller de ce poinçon; - la
figure 3 représente le dispositif de lafigure 1 en fin de course aller du poinçon; - la
figure 4 est une représentation schématique en plan du dispositif de l'invention selon un premier mode de réalisation lorsque le poinçon est dans une position de fin de course aller ; - la
figure 5 est une vue schématique en perspective avec un arrachement du dispositif de l'invention selon le premier mode de réalisation lorsque le poinçon est en cours de course aller ; - la
figure 6 est une vue schématique en perspective du dispositif de l'invention selon le premier mode de réalisation en cours de course aller ; - la
figure 7A est une représentation schématique en plan de la moitié gauche du dispositif de l'invention selon le premier mode de réalisation (corps creux débouchant) lorsque le poinçon est en fin de course aller ; - la
figure 7B est une représentation schématique en plan de la moitié droite du dispositif de l'invention de lafigure 7A lorsque le poinçon est en position initiale ; - la
figure 8A est une représentation schématique en plan de la moitié gauche du dispositif de l'invention selon un deuxième mode de réalisation (corps creux non débouchant) lorsque le poinçon est en fin de course aller ; - la
figure 8B est une représentation schématique en plan de la moitié droite du dispositif de l'invention de lafigure 8A lorsque le poinçon est en position initiale ; et - la
figure 9 représente l'abaque d'extrusion arrière à 1100°C donnant la contrainte σ en fonction du rapport D1/D2 avec D1 qui est le diamètre moyen interne de l'assise et D2 le diamètre moyen du corps de poinçon.
En référence aux
Cette plaque circulaire 12 est liée et maintenue parallèle à la plaque de base 11 par l'intermédiaire de tiges de maintien 14 qui s'étendent selon l'axe longitudinal XX' et qui sont montées solidaires dans une plaque intermédiaire 11a en appui de liaison avec la plaque de base 11 par l'intermédiaire d'une vis épaulée de guidage V traversant la plaque intermédiaire 11a et montée solidaire à la plaque de base 11, et autour de laquelle un logement L reçoit un ressort R de faible course.
Le poinçon 16 est de forme générale longitudinale cylindrique et comporte une base tronconique 17 dans le prolongement de laquelle s'étend un corps cylindrique 18 terminé par une extrémité tronconique en pointe 19 dirigée vers la plaque de base 11.
La base tronconique 17 du poinçon 16 est rigidement liée à une pièce porte poinçon 20 qui est disposée dans l'alignement longitudinal du poinçon et qui est elle-même solidaire d'une plaque porte poinçon 21 surmontée d'une plaque d'adaptation supérieure 15 de laquelle elle est solidaire.
Les moyens de maintien et de déplacement de la plaque porte poinçon 21 seront décrits plus loin.
Le dispositif de l'invention comporte également un extracteur de pièce 22 concentriquement disposé en contact plan à appui glissant contre la base 17 du poinçon 16 et dont la face inférieure 22a coïncide avec la face supérieure 60c de l'ébauche forgée 60a (
Plus précisément, la face externe latérale 30 de l'extracteur 22 est alignée avec la face externe latérale 33 de l'extrémité supérieure 13 formant collerette de l'assise 10, et la face inférieure 22a de cet extracteur 22 présente en outre un épaulement 31 qui est en regard de la pièce creuse formée non représentée sur cette figure et dont la largeur correspond approximativement à l'épaisseur de cette pièce, soit l'espacement entre le poinçon 16 et la surface interne 32 de l'assise 10.
Par ailleurs, cet extracteur 22 est rigidement lié à une plaque d'extraction 23 par l'intermédiaire de tiges de maintien 24, cette plaque d'extraction 23 étant montée sous la plaque porte poinçon 21 et mobile selon l'axe XX' relativement à la plaque de base 11 par l'intermédiaire de tirants d'extraction longitudinaux 26 dont l'extrémité supérieure 27 est montée coulissant dans cette plaque d'extraction 23 et qui sont montés coulissants dans un boîtier de guidage associé 28 dont la base 28a est solidaire de la plaque de base 11.
Le dispositif de l'invention comprend également un outil d'ébavurage 29 monté concentriquement en appui plan à contact glissant autour de l'extracteur 22 et qui, comme représenté sur la
Pour cela, l'outil d'ébavurage 29 est muni d'une section tranchante au niveau de l'arête 36 qui est disposée en regard et contre la collerette 13.
Cet outil d'ébavurage 29 est rigidement lié à une plaque porte découpe 35 en étant monté dans cette plaque 35 qui est disposé sous la plaque d'extraction 23 et qui est solidaire de l'extrémité supérieure 38 d'une bague de guidage 40 d'une colonne de guidage longitudinale 39 dont la base 41 est fixée dans la plaque de base 11.
La bague de guidage 40 est concentriquement disposée en appui plan à contact glissant autour de la colonne de guidage correspondante 39.
Comme visible sur la
Ainsi, la plaque porte découpe 35 est autorisée à coulisser selon la direction d'extrusion, c'est-à-dire selon l'axe XX', relativement à la plaque de base par l'intermédiaire des colonnes de guidages 39.
Comme plus visible sur la
Ainsi, l'écartement entre la plaque porte poinçon 21 et la plaque porte découpe 35 est maintenu fixe par la présence des plots 43, tandis que la plaque d'extraction 23 est mobile dans la direction d'extrusion XX' relativement aux plaques porte poinçon 21 et porte découpe 35, sa course étant limitée entre ces deux plaques 21, 35 et mise en oeuvre par les tirants d'extraction 26 et qui sont au nombre de deux (
La mobilité selon la direction d'extrusion XX' de la plaque porte poinçon 23 et de la plaque porte découpe 35 est assurée par les colonnes de guidage 39 auxquelles est fixée la plaque porte-découpe 35.
L'écartement fixe entre la plaque porte poinçon 21 et la plaque porte découpe 35 est établie de façon que lorsque le poinçon est en fin de course aller, l'outil de découpe 22 est dans la position décrite en référence avec la
Selon l'invention, le dispositif comprend un fond mobile 50 qui est une pièce de révolution comportant une embase 51, et un corps cylindrique 52 dont le diamètre correspond au diamètre interne de l'assise 10 pris au niveau de sa partie inférieure 53.
Le diamètre du corps cylindrique 52 du fond mobile 50 est ajusté de façon à être en appui plan à contact glissant contre la paroi interne 54 de la partie inférieure 53 de l'assise 10.
Par ailleurs, ce fond mobile 50 est monté flottant à une plaque d'adaptation inférieure 59, elle-même rigidement fixée à la plaque de base 11 par l'intermédiaire de plots fixes 59a.
Dans le mode de réalisation représenté sur les
En référence aux
Pour les deux modes de réalisation précités, le fond mobile 50 est monté sur des vérins hydrauliques à pression de retenue réglable 58.
La pression P des vérins ou contre-pression de compensation P est variable selon la géométrie de la pièce métallique à réaliser et est calculée de la manière suivante.
Cette contre-pression de compensation P à appliquer aux vérins hydrauliques correspond à la différence entre l'effort d'extrusion (F extrusion) et la résistance de la pièce à la striction (E striction), soit P = F extrusion - E striction.
Le poinçon 19 mobile crée pendant sa course aller dans l'assise fixe 10 une contre-pression qui permet de générer la fuite dans le sens opposé au sens d'extrusion de la matière métallique emprisonnée entre le poinçon 16 et l'assise 10.
Cette contre-pression s'oppose à la descente du poinçon 16 avec un effort proportionnel à la pression qui naît dans l'assise, et à la surface de ce poinçon 16.
On comprend que cette contre-pression sera d'autant plus importante que la différence entre le diamètre D2 moyen interne de l'assise 10 et le diamètre moyen D1 du poinçon 16, soit l'épaisseur de la pièce métallique, est faible (voir
L'effort d'extrusion est donc déterminé de la façon suivante.
S1 est la surface du poinçon. Pour un diamètre D1 du corps 18 du poinçon 16 de 112 mm, S1 = 9850 mm2.
σ(1100°C,D2-D1) est la contrainte évaluée, dans cette exemple de réalisation, pour une température de travail de 1100°C, qui est fonction du rapport D2-D1 pour D2 = 165 mm et qui est lu dans les abaques déterminées depuis de nombreuses années dans ce domaine tel que celui de la
L'abaque d'extrusion donne σ(1100°C,D2=165mm,D1=112mm) = 15 daN/mm2.
On a donc F extrusion = 9850 mm2 x 15 daN/mm2 = 147 000 daN
soit F extrusion = 147 tonnes.
La résistance à la striction est déterminée comme suit.
- S2 est la surface qui correspond au diamètre D2 moyen interne de l'assise 10 soit S2 = 21372 mm2.
- S1 est la surface qui correspond au diamètre D1 moyen interne de l'assise 10 soit S1 = 10662 mm2.
σstriction correspond à la résistance à la striction de la pièce métallique à 1100°C, cette résistance étant de 10 daN/mm2.
On a donc E striction = 21372-10662 mm2 x 10 daN/mm2 - 107009 daN.
Soit E striction = 107 tonnes
On a donc P = 147 tonnes - 107 tonnes, soit P = 40 tonnes.
Cette contre-pression de compensation P correspond à la pression à appliquer aux vérins 58 qui permet de compenser l'effort d'extrusion. C'est cette contre-pression de compensation qui doit être appliqué sur le fond mobile 50.
Cet effort de compensation est réalisé par le réglage de la pression hydraulique des vérins 58 positionnés sous le fond mobile 50.
Un réglage avec un limitateur de pression hydraulique permet d'ajuster le niveau de pression adéquat.
L'ajustement de la pression P des vérins hydrauliques 58 confère à ce fond mobile 50 deux fonctions.
La première fonction consiste à créer une contre pression P dans l'assise 10 pour permettre à la matière de filer autour du poinçon 16 et cette contre pression est suffisamment élevée pour permettre l'extrusion du métal autour du poinçon 10 sans créer de striction dans la zone filée.
La deuxième fonction de ce piston consiste à compenser la variation de volume pendant l'enfonçage du poinçon 16 dans la matière métallique.
La course de compensation est calculée par rapport au volume de matière déplacé pendant l'extrusion de la matière.
De cette façon, la qualité de la pièce métallique obtenue respecte le cahier des charges et la pièce métallique peut être réalisée à la cote voulue en une seule course aller retour du poinçon 19 du dispositif de l'invention.
Le fonctionnement du dispositif de l'invention est décrit ci-après plus particulièrement en référence aux
Les
L'ébauche forgée 60 est une pièce réalisée en alliage métallique de tout type, alliage lourd ou léger, qui a été préalablement estampée sur marteau pilon à 1250°C et qui peut peser jusqu'à 300 kg voir plus.
Cette ébauche forgée 60 est de forme grossièrement cylindrique et de diamètre tel qu'il peut être logé dans l'assise 10 en reposant sur le fond mobile 50.
L'ébauche forgée 60 présente une collerette annulaire 61 qui repose sur la collerette 13 de l'assise 10 et dans le prolongement de laquelle s'étend la bavure radiale 34 résultant de l'opération préalable d'estampage.
Une presse non représentée applique une force dirigée dans le sens d'extrusion C à la plaque d'adaptation supérieure 15 qui entraîne en translation selon ce sens d'extrusion C la plaque porte poinçon 21, la plaque porte découpe 35 mais également la plaque d'extraction 23 lorsque celle-ci vient en butée contre la plaque porte poinçon 21 en mouvement.
Le poinçon 16 est ainsi en mouvement dans sa course aller au cours de laquelle, simultanément, ce poinçon 16 s'enfonce dans la matière métallique 60, le fond mobile 50 s'abaisse selon la pression P qui a été appliquée aux vérins hydrauliques et déterminée comme expliqué plus haut.
En fin de course aller, la pièce métallique 60 est ébavurée par l'outil d'ébavurage 29 dont l'appui sur l'assise 10 est amorti par le ressort R de la plaque intermédiaire 11a.
Puis, soit la pièce métallique 60 est débouchée (
A ce stade, la réalisation de la pièce métallique 60 est terminée.
Le poinçon effectue alors sa course retour par effort de traction appliqué sur la plaque d'adaptation supérieure 15 qui entraîne en translation dans le sens opposé D au sens d'extrusion C la plaque porte poinçon 21, la plaque porte découpe 35 mais également la plaque d'extraction 23 lorsque celle-ci vient en butée contre la plaque porte découpe 35 en mouvement.
Lors de l'entraînement en translation de l'outil d'ébavurage 29, la détente du ressort R permet de sortir la bavure 34 qui peut être sertie sur la surface externe 33 de la collerette 13 de l'assise 10.
Avant la fin de la course retour du poinçon 16, la plaque d'extraction 23 est maintenue fixe par blocage des tirants d'extraction 26 tandis que la plaque porte poinçon 21 continue son mouvement de translation dans le sens opposé D au sens d'extrusion C, ce dont il résulte que la pièce métallique 60, qui est restée attachée au poinçon 16 vient en butée contre l'extracteur 22, se détache du poinçon 16 et retombe dans l'assise.
Ainsi, en une course aller retour du poinçon 16, une pièce métallique creuse débouchante ou non est réalisée dans des tolérances précises et est ébavurée et extraite du dispositif d'extrusion dans le même temps.
Le procédé et dispositif de l'invention permettent ainsi de réaliser des perçages profonds par extrusion simultanément à l'opération d'ébavurage.
Ces procédé et dispositif sont par ailleurs adaptés à toute géométrie de pièce, la contre-pression de compensation P étant déterminée spécifiquement pour chaque pièce.
Et selon la valeur de cette contre pression, sera adaptée le nombre de vérins hydrauliques 58 à monter sous le fond mobile 50.
Les pièces pouvant être réalisées par un tel procédé sont des pièces métalliques utilisées dans le domaine de la robinetterie, du BTP, de l'industrie mécanique mais encore dans le domaine ferroviaire, de l'énergie, de l'aéronautique ou du transport, par exemple des pivots creux de grues mobiles montées sur camion.