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Procédé de Fabrication de pièces métalliques et en particulier de pistons en magnésium ou autres métaux
Le magnésium et ses alliages ont déjà été employés pour la fabrication de certaines pièces fondues; c'est ainsi que l'on a fait des pistons en magnésium fondu. Mais la résistance mécanique de ce métal se mon- tre insuffisante pour de/nombreux usages, si l'on ne l'a- méliore au préalable par certains traitements d'ordre
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thermo-mécaniquep ,
On a tenté, par la suite, de laminer et d'estam- .par le magnésium pour obtenir la formation, dans le métal, d'une tessiture fibreuse qui améliore ses qualités méca-
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niques.
Il a même été tenté de faire des pièces tubulai- res filées, il n'a pas été possible jusqu'ici, toutefois ;, de faire subir au magnésium et à ceux de ces alliages in- dustriels couramment employés, des transformations de dé- formations mécaniques importantes, provoquant des modi- fications profondes et nettement déterminées de la struc- ture moléculaire du métal.
Le matriçage s'effectue en effet entre deux demi matrices complètement fermées; il permet le remplis- sage des vides de la matrice, mais le réseau fibreux ain- si obtenu ne se trouve pas forcément dirigé dans le sens le mieux approprié à la résistance du métal ni, dans le cas particulier de pistons, dans la direction la plus favorable à l'évacuation des calories.
La :présente invention a précisément pour objet l'obtention de pièces et en particulier de pièces de ma- gnésium ou d'alliages de magnésium présentant une struc- ture fibreuse particulièrement avantageuse au point de vue de leur résistance mécanique et de leurs caractéris- tiques thermiques. Elle consiste à faire subir à ces mé- taux des opérations combinées de forgeage et matriçage telles que celle qui consiste à faire agir un poinçon sur du métal contenu dans une matrice, de forme partiel- lement fermée, opérations qui entraînent forcément des déformations et des glissements moléculaires considéra- bles et provoquent, dans le métal ainsi traité, la forma- tion de fibres orientées suivant'les besoins et très visibles à l'examen*métallographique.
La présente invention a pour objet, d'autre part l'application spéciale de ce procédé à la fabrica- tion des pistons.
Afin de faciliter l'intelligence de la descrip-
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tion on a représenté aux dessins annexés :
Fig. 1 et 2 deux schémas explicatifs illustrant deux modes opératoires particuliers.
Fig. 3 une figure montrant, avec détails, com- ment peut être réalisé l'enfcement d'un poinçon dans une matrice de forme partiellement fermée.
Fig. 4 un croquis montrant la répartition op- tima des fibres dans un piston de moteur à combustion interne ou à explosion.
Les opérations combinées de forgeage et matri- gage ci-dessus mentionnées peuvent évidement être réa- lisés de diverses manières suivant les formes particu- lières des pièces que l'on veut obtenir et la direction qu'il est utile de donner aux fibres. Toutefois, il est avantageux de procéder suivant l'une des deux méthodes ci-dessous décrites :
1 MATRICE A FOND PLEIN.-
La billette ou l'ébauche de métal est placée dans une matrice ou moule, en une ou plusieurs pièces de forme convenable. Dans cette billette ou débauche on fait pénétrer un poinçon, ayant une dépouille suffisante pour son facile retrait. L'enfoncement de ce poinçon produit un refoulement du métal entrainant sa remontée le long des parois entre la matrice et le poinçon.
La structure du métal, primitivement cristalline ou compo- sée de fibres dirigées dans des directions quelconques, se trouve transformée en une structure fibreuse, les fi- bres étant distribuées suivant une répartition voulue que l'on réalise, en donnant à la matrice d'une part, et au poinçon d'autre part, des formes convenables. La fig. 1 montre un exemple de répartition de ces fibres.-
La figure 3 montre de quelle manière pourrait être constitués les dispositifs servant à effectuer cette opération. Le métal I est contenu dans une matrice, ou
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moule, ou forme 2.
Le fond de cette forme 2 est obturé par un culot 3, établi, de préférence de manière à pou- voir glisser dans la forme 2, La forme n'est pas fermée à sa partie supérieure de manière que le métal refoulé puisse librement se déplacer dans le sens des flèches :CI, Mais, sur la forme 2 repose une pièce 4 formant à la fois guidage pour le poinçon 5 et butée pour l'organe de com- mande 6 du mouvement d'enfoncement du poinçon ( marteau de marteau-pilon, plateau de presse etc.....) qui agit sur ce poinçon dans le sens de la flèche f3.
On voit immédiatement comment se passe l'opéra- tion. Lorsque le poinçon, enfoncé dans le sens de la flè- che f3 a effectué une course suffisante, la pièce 4 empè- che que son mouvement continue, car elle reçoit à partir de ce moment tout l'effet de l'organe de commande 6. On éloigne alors l'organe 6 et l'on fait subir au culot 3 une poussée dans le sens de la flèche f2 poussée qui dé- moule la pièce finie. De préférence, on ménage à la partie supérieure de la matrice 2 une rainure circulaire 8 desti- née à recevoir, le cas échéant; l'excédent de métal re- foulé vers le haut par l'action du poinçon.
Ce mode opératoire tire son intérêt particulier du fait que le métal subit un refoulement sous très forte pression ayant pour effet non pas seulement de l'appliquer latéralement contre les parois de la matrice, mais surtout de provoquer la remontée du métal entre le poinçon et la matrice ; cette remontée du métal entre le poinçon et la matrice produit une sorte de filage (en sens inverse) du métal, qui lui donne des 'fibres sensiblement parallèles aux parois et fortement comprimées, de sorte que, d'une part, la structure du métal présente un intérêt tout par- ticulier à cause de la disposition des fibres et que, d'autre part, la dureté superficielle est considérable- ment augmentée, aussi bien surle fond de la pièce que
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latéralement.
2 -MATRICE AFOND OUVERT.-
Le poinçon dans ce cas, après s'être enfoncé dans' la matière, comme dans le cas précédent, la fait dé- boucher par le fond, en lui faisant subir une très forte friction latérale qui ajoute à l'effet de formation des fibres (fig. 2)
Le mouvement d'entraînement est obtenu par sui- te, simplement, du fait que le poinçon porte des protec- tions latérales, de préférence en forme de rebord ou collerette 7 (fig. 2) qui viennent s'appuyer sur le mé- tal, lorsque le piston s'est enfoncé suffisamment,à partir de ce moment le poinçon, au lieu de continuer à s'enfoncer dans le métal-.immobile par rapport à. son moule, l'entraîne dans son mouvement et le force à pas- ser par l'orifice ménagé dansle fond du moule.
3 - PROCEDE MIXTE .
La seconde méthode peut être avantageusement combinée avec la première, les ébauches préparées dans une.matrice à fond plein sont alors finies dans une ma- trice à fond ouvert. Cette seconde opération présente un intérêt particulier du fait de la sur compression des fibres obtenues.
Ces procédés permettent, en outre, de réduire au minimum et même de supprimer dans certains cas la dé- pouille extérieure et intérieure, ce qui est partiouliè- rement intéressant pour réduire les frais d'usinage, économiser le métal constitué par la dépouille et lais- ser intacte la tomme des fibres au voisinage des parois.
On admet en général comme dépouille normale 10 % à l'es- tampage et comme dépouille minimum 3%/ Il est possible ici de la supprimer entièrement dans la majorité des cas, en tous cas de la réduire à des proportions ne dé- passant pas 1%.
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L'emploi de la matrice à fond ouvert permet en particulier d'obtenir directement'et sans dépouille des surfaces parfaitement cylindriques ; sera possible ainsi de donner à la pièce mécanique sa forme définitive sans avoir, à l'usinage, à couper aucune des fibres ainsi ob- tenues,
Ces procédés sont particulièrement applicables à la fabrication des pistons.
On sait que les calories réparties sur le fond des pistons (par exemple dans les moteurs à explosion ou à combustion interne) s'évacuent presque complètement par les parois refroidies du cylindre en suivant des trajec- toires à peu près paraboliques, (fig. 3).
L'accroissement considérable, dans les moteurs modernes, de la compression sur le fond des pistons et de la vitesse de rotation, et l'augmentation consécuti- ve du nombre de calories réparties sur le fond du piston, impliquent une pressante/nécessité d'assurer la meilleure évacuation possible des calories, tout en réduisant au mi- nimum le poids du piston.
Les procédés ci-dessus spécifiés permettent pré- cisément à la fois d'obtenir une amélioration des quali- tés mécaniques générales du métal et la disposition des fibres la mieux appropriée à l'évacuation des calories et à la résistance aux pressions développées dans le cy- lindre.
Les figures 1 et 3 montrent schématiquement la disposition générale des fibres, obtenue par les procédés ci-dessus et qui sont favorables au dégagement des calo- ries et à l'amélioration des caractéristiques physiques.
Il doit être entendu quejles procédés de fabri- cation ci-dessus décrits s'appliquent également aux métaux et alliages autres que le magnésium et ses alliages et en particulier aux autres métaux et alliages légers.