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PERFECTIONNEMENTS A LA MISE A FORME DE TUBES METALLIQUES.
La présente invention est relative à la formation de courbes dans des tubes faits de métal ductile et concerne particulièrement le traitement de ces tubes dans lequel le diamètre est grand par rapport à l'épaisseur des parois. L'invention s'applique ainsi particulièrement à la fabrication d'ins- truments de musique à vent, dont le corps principal consiste en un tube de mé- tal ayant une ou plusieurs courbes. La manière habituelle de donner la forme nécessaire à un tube pour un instrument à vent de cette espèce est de partir d'un flan de tôle dont on formera le tube et ensuite de courber le tube à la main en passant par de nombreuses petites étapes.
Lorsqu'on courbe un tube de cette manière, on applique au tube un moment de flexion, habituellement sous forme de forces opposées agissant sur les parois extérieures, en sorte que lorsque le tube se courbe, un axe neutre est établi, qui passe approximativement par le centre de gravité du tube. Ain- si toutes les parties de la paroi du tube qui se trouvent d'un côté de cet axe neutre sont soumises à tension, tandis que les parties de l'autre côté sont soumises à compression. Bien que la matière du tube s'allonge simplement sous l'action de la tension, l'effet de la compression est d'amener la paroi mince à flamber et à périr.
La grandeur des forces de compression qui peuvent être supportées par la paroi mince du tube qui agit ainsi comme étrésillon est très petite, et il en résulte que dès qu'un moment de flexion est appliqué au tube, de petites rides apparaissent à l'intérieur de la courbe, là où s'exerce la com- pression.
Dans le procédé ordinaire, par conséquent, ces rides ou boursouflu- res doivent être rabattues ou rematées à la main, après quoi le tube est recuit et ensuite courbé d'une quantité nouvelle. En vue d'obtenir le degré de cour- bure final désiré, il faut un grand nombre d'étapes alternantes de flexion et de rematage, avec phases de recuit intermédiaires, et le processus tel quel est très long.
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Une manière dont peuvent être évitées les boursouflures de la paroi du tube qui se trouve à l'intérieur de la courbe est d'appliquer au tube un mo- ment de flexion sans développer aucune sollicitation de compression appréciable dans la paroi. Diverses propositions ont été faites pour satisfaire à ces con- ditions et bien qu'en pratique quelques unes aient réussi avec des tuyaux de p e- tits diamètres, on éprouve des difficultés considérables en traitant des tubes de grand diamètre à paroi mince, où le rapport du diamètre à l'épaisseur de paroi est supérieur à environ 35 à 1.
De la tuyauterie de ce type général a des usages variés dans l'in- dustrie, par exemple pour des coudes courts à grande section pour les réser- voirs de pétrole et d'huile dans les appareils d'aéronautique, dans les conduits, en particulier pour l'aéronautique et des bateaux à moteur, et également comme bagues distributrices de carburant et d'air secondaire, dans des turbines à gaz, et on recherche depuis longtemps un procédé satisfaisant pour courber des tuyauteries de ce type.
Suivant la présente invention, une longueur de tube qui doit être courbée est d'abord comprimée latéralement pour que les parties de la paroi qui doivent constituer les surfaces intérieure et extérieure de la.courbure, res- pectivement, se rapprochent l'une de l'autre pour donner une forme de tube qui, vue en coupe, est concave vers le côté qui doit constituer le côté extérieur de la courbe. Après quoi, le tube est pressé en contact avec un outil formeur pour lui donner la courbure désirée en direction axiale, de préférence au moy- en d'un galet tournant dans un bras pivotant autour du centre de courbure.
L' effet de cette opération est de faire que le tube comprimé se comporte à la manière d'une bande mince, les deux parois opposées qui ont été rapprochées tout près l'une de l'autre par la compression étant pressées l'une en contact avec l'autre et'pliées ensemble pour se conformer à la forme de l'élément for- mateur. Ainsi la paroi qui doit constituer l'intérieur de la courbe et qui nor- malement se boursouflerait du fait de l'éveil de sollicitation de compression, est courbée doucement par un moment de flexion qui crée un axe neutre qui pas- se directement à travers la matière de la paroi elle-même, réduisant ainsi la. compression à une valeur, négligeable.
Le tube courbé comprimé est finalement enfermé à l'intérieur d'une matrice ayant une forme intérieure correspondant au contour extérieur du tube, et du fluide sous pression est appliqué, pour obliger la paroi à se déformer vers l'extérieur de manière à dilater le tube jusqu'à ce qu'il ait pris la forme finale désirée.
Le tube sera ancré à l'intérieur de la matrice de telle sorte que le rayon intérieur de la courbure arrive exactement à la paroi de la matri- ce, et d'une manière qui empêche le tube de se déplacer vers l'avant sous l'ap- plication de la pression fluide. L'application de fluide sous pression à 1' intérieur du tube étend la matière uniformément sous l'effet de sollicitations radiales de tension prépondérantes et pourvu que le rayon intérieur du tube soit convenablement adapté à la matrice et y soit sûrement fixé, il n'y a pas de tendance au développement de sollicitations de compression du côté rayon inté- rieur de la.courbe et le danger de boursouflure est de ce fait éliminé.
Pour permettre l'insertion rapide du tube dans la matrice une ma- trice brisée consistant en deux moitiés peut être utilisé, et afin que le tube courbé s'adapte exactement dans la moitié inférieure de la matrice avant que la matrice soit fermée, on préfère que le tube soit comprimé dans le sens d'une configuration semi-circulaire ou en forme d'U, considéré en coupe. En d'autres termes, la partie de la paroi du tube qui doit constituer l'intérieur de la courbe est autorisée à conserver sa courbure initiale, tandis que l'autre partie de la paroi du tube est comprimée vers l'intérieur en contact avec la première partie de manière que la forme finale du tube comprimé soit celle d' une auge allongée.
L'application de fluide sous pression dans la matrice a peu d'ef- fet sur la partie de la paroi qui doit former l'intérieur de la courbe,puis- que celle-ci est étroitement soutenue par la paroi de la matrice. L'effet prin- cipal de l'application de la pression est d'abord de renverser la courbure de la partie restante de la paroi et ensuite de l'étendre de force en contact avec
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l'autre paroi de la matrice. Ce processus-d'expansion suppose un.degré élevé de travail à froid du métal et il est préférable d'y procéder en deux étapes.
Dans la première étape, on applique une pression juste suffisante pour renver- ser la courbure de la partie concave de la paroi et réaliser un faible degré initial d'extension. Après cela le tube est enlevé de la matrice et recuit, et alors l'opération finale d'extension est menée à terme. Les autres étapes du procédé, savoir la compression initiale, suivie de la flexion, supposent éga- lement un haut degré de travail à froid, et ces étapes aussi, par conséquent, doivent habituellement être suivies d'un traitement de recuit.
Un procédé de courbure d'un tube suivant l'invention sera décrit à présent en plus de détails en manière d'exemple en se référant aux dessins ci-annexés, dans lesquels ; - les figures 1 à 4 montrent des étapes successives dans le traite- ment du tube; - les figures 5 et 6 illustrent schématiquement l'étape initiale de compression du tube; - la figure 7 est une vue en plan d'un outil formateur, illustrant la manière de courber le tube comprimé; - la figure 8 est une coupe suivant la ligne VIII-VIII de la fi- gure 7; - la figure 9 est une vue perspective d'une matrice brisé dans la position ouverte avec un tube courbé en place dans la moitié inférieure; - la figure 10 est une vue en plan de la moitié inférieure de la matrice montré à la figure 9 avec une partie du tube en coupe;
- la figure 11 est une coupe partielle suivant la ligne XI-XI de la figure 10, montrant la coupe du tube comprimé dans la matrice, et - les figures 12, 13 et 14 sont des schémas du circuit hydraulique employé en association avec la matrice.
Le principe employé suivant l'invention sera le mieux compris d'a- près les figures 1 à 4, qui montrent les étapes successives dans la forme d'un tube ou tuyau en cours de traitement. Une longueur entière du tube ou tuyau 1, comme on le voit à la figure 1 est d'abord comprimée pour arriver à la forme montrée à la figure 2 de manière à faire que les parois du tube, qui doivent constituer les parties intérieure et extérieure de la courbe, respectivement, s'approchent l'une de l'autre sur une longueur 2, qui doit constituer la par- tie courbéee La partie comprimée du tube est approximativement semi-circulai- re ou en forme d'U en coupe comme on peut le voir à la figure 2 et aussi plus clairement à la figure 11.
Le tube comprimé est alors courbé axialement jusqu' à avoir la courbure désirée, et la figure 3 montre le tube de la figure 2 cour- bé en une courbe de 1800. Finalement, le tube courbé, comprimé de la figure 3 est étendu par la pression hydraulique dans une matrice pour arriver à la for- me finale montrée à la figure 4. L'opération initiale de compression est réa- lisée dans une presse mécanique, le tube 1 étant placé dans la pièce femelle 3 de la presse, montrée schématiquement à la figure '5, où elle est comprimé par la pièce mâle 4 de la manière montrée à la figure 6.
Après recuit, le tube comprimé, de la forme montrée à la figure 2, est alors traité sur l'appareil formateur montré à la figure 7. Cet appa- reil formateur est fait de métal dur et a un contour 5 correspondant à la forme désirée de la courbe, dans ce cas un demi-cercle. En outre,le bord qui donne la forme à un profil concave 6, comme on le voit à la figure 8, pour re- cevoir la face convexe du tube comprimé. Au centre de courbure du contour se- mi-circulaire 5 est monté à pivotement au moyen d'une broche amovible 7, un levier de manoeuvre 8 comprenant des pièces latérales écartées 9 entre lesquel- les est monté un galet presseur 10 tournant sur un pivot 11. Ce galet a un pro- fil convexe 12 pour coopérer avec le profil concave 6 du bord formateur 5.
Un bout du tube comprimé est agrippé dans un mandrin 15 de sorte que le tube s'étend le long d'un côté du formateur dans la position montrée en
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la, avec l'extrémité de la partie comprimée 2 coïncidant approximativement avec le début du contour semi-circulaire 5. Le levier de manoeuvre 8 est ensuite pla- cé dans la position montrée en 8a avec ses pièces latérales 9 enjambant le tu- be, et la broche 7 est mise en place. Le galet 10 vient alors en contact avec l'extrémité de la partie comprimée 2. L'opérateur fait alors basculer le levier 8 autour de la broche pivot 7 et le tube 1 est courbé à la forme désirée. Une position intermédiaire du levier 8 est montrée en 8b, dans laquelle le tube a été courbé jusqu'à la forme 1b. Lorsque l'opération est achevée, une courbe se- mi-circulaire a été formée dans le tube.
Comme on le verra le mieux d'après la figure 8, la coopération entre le profil 12 du galet et le profil 6 du forma- teur est propre à faire naître un moment de flexion avec un axe neutre passant à travers le matériau de la paroi du tube. Ainsi les sollicitations de compres- sion sont réduites à une valeur très faible, et en outre l'effet de laminage empêche la formation de toutes boursouflures en sorte que le tube se comporte virtuellement comme une bande mince.
Le tube courbé est alors recuit et est introduit dans la moitié d'inférieure 19 d'une matrice brisée faite de laiton blanc, et portée par un socle comme on le voit aux figures 9 et 10. Une extrémité du tube est chevillée au moyen d'une cheville ou bouchon 21 prévue avec une bague d'étanchéité. La paroi extérieure du tube est serrée par une douille fendue 23 qui sert à blo- quer en place la cheville 21. La cheville 21 est conformée avec une tête agran- die 24 qui s'adapte dans un évidement correspondant de la matrice 20 et sert à bloquer fermement en place cette extrémité du tube. A l'autre bout du tube, une soupape d'admission de fluide hydraulique 25 prévue avec une bague d'é- tanchéité 26 est introduite et bloquée en place par une douille fendue 27 qui sert à ancrer cette extrémité du tube également.
Avec ses deux extrémités ancrées de cette manière, la face intérieure du tube est maintenue étroitement contre la face correspondante de la matrice, et toute tendance au boursoufle- ment est évitée. La section transversale du tube dans la matrice est montrée à la figure 11 d'où on voit clairement l'adaptation étroite et la nature de la déformation de la paroi extérieure nécessaire pour la forcer à aller dans la position montrée par la ligne en pointillés.
Lorsque le tube est en place dans la moitié inférieure de la ma- trice 20, la moitié supérieure 30 est abaissée en place, se déplaçant sur des guides 31 sous l'action de la pression hydraulique appliquée par un cylindre 32. Pour faire commencer l'opération nécessaire pour dilater le tube, du flui- de hydraulique sous basse pression est d'abord introduit au moyen d'un tube de liaison 32 relié à la soupape d'admission 25. Pour expulser l'air contenu dans le tube, le bouchon 21 est formé avec un passage étroit 33 prévu avec un robinet purgeur 34, pourvu d'un tronçon de tube de caoutchouc 35 qui sert à drainer tout fluide qui peut être expulsé pendant le processus d'expulsion.
Dès que l'expulsion est achevée, le robinet est fermé et la pres- sion du fluide hydraulique est augmentée jusqu'à une valeur propre à produire l'expansion initiale du tube. Après qu'on ait supprimé cette pression, le tube est retiré de la matrice et recuit. Il est ensuite remis dans la matrice pour l'opération d'expansion finale. Une extrémité est chevillée et serrée par la cheville 21 et la douille fendue 23 comme ci-avant, mais l'autre extrémité, dans laquelle est introduite la soupape de pression 25, reste libre de glisser dans la matrice, en remplaçant la douille fendue 27 par uné douille ronde qui est une garniture coulissante. La pleine pression hydraulique est alors appli- quée à l'intérieur du tube et sert à étendre la paroi à l'extérieur de la cour- be pour l'amener en contact avec la paroi de la matrice.
Cette expansion peut nécessiter qu'un court extra de longueur du tube soit tiré dans la matrice, et c'est pour cette raison qu'une extrémité du tube est laissée libre. Lorsque le tube a été finalement dilaté, il est retiré de la matrice et de nouveau re- cuit. Les extrémités du tube qui ont été serrées dans la matrice sont décou- pées et alors, après un traitement superficiel final, tel qu'un polissage, le tube est prêt à l'emploi.
Le procédé pour obtenir la pression hydraulique nécessaire tant pour dilater le tube que pour actionner la moitié supérieure 30 de la matrice,
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qui agit comme un étau pour serrer le tube, est illustré schématiquement aux figures 12, 13'et 14.
.En pratique, le fluide hydraulique employé est de l'eau, conte- nant en dissolution une petite quantité d'huile soluble suffisante pour empêcher la corrosion des pièces travaillanteso Cette eau est fournie à pression relati- vement basse de l'ordre de 100 livres par pouce carré, par 50, et cette basse pression est employée pour ouvrir et fermer l'étau. La haute pression néces- saire pour l'expansion du tube est obtenue par l'emploi d'un intensificateur 51 comprenant des pistons 52 et 53 reliés ensemble par une tige 54 et agis- sant en opposition l'un à l'autre, Le piston 52, qui peut avoir une surface al- lant environ de 30 à 120 fois celle du piston 53, est actionné par de l'air com- primé également à une pression de l'ordre de 100 livres par pouce carré, qui est admise au système par la voie d'un tuyau 55.
La pression exercée par le piston 53 sur l'eau qui est en contact avec lui est par conséquent plus grande que celle de l'air comprimé, dans le rapport des surfaces des pistons 52 et 53, et pour les rapports donnés plus haut,. cela se tiendra entre environ 1 fois et demie et cinq fois, suivant le travail à exécuter. Le fonctionnement du systè- me est contrôlé au moyen d'une boite à soupapes indiquée de fagon générale par 56 et comprenant six soupapes culbutées s'appliquant positivement sur leurs sièges, qui sont actionnées par des cames et qui produisent les trois change- ments de circuit nécessités, en faisant tourner une manche qui commande la ca- me par échelons de 120 .
Dans la position des soupapes montrée à la figure 12, le tube a tout juste été introduit dans la moitié inférieure 20 de la matrice et l'étau est en voie d'être fermé. L'eau à basse pression entrant dans le système en 50 (indiquée par un hachurage transversal) passe d'abord à travers une soupape de retenue 60. Passant par un tuyau 63, de l'eau à basse pression est en con- tact avec la face supérieure du piston 53, qui est dans sa position inférieure.
L'eau à basse pression passe également par la voie d'un tuyau 65, par une autre des soupapes culbutées 66 et de là par un tuyau 67 pour agir sur la surface su- périeure d'un piston 68 travaillant dans le cylindre 32 et commandant la ferme- ture de l'étau. En outre, l'eau à basse pression passe par la voie d'un tube 69 et d'une soupape d'isolement 70 pour remplir un tronçon de tube en traite- ment en 71.
Dès que l'étau est complètement formé, et que tout l'air a été ex- pulsé du tube, les soupapes sont mises dans la position montrée à la figure 13. Dans cette position, de l'air comprimé pénétrant dans le système en 55, (indiqué par un hachurage longitudinal) passe par un tuyau 75, une soupape ré- ductrice de pression R et un manomètre G, par une autre soupape culbutée 76 et de la par le tuyau 62 à la face inférieure du piston 52. La face supérieu- re du piston 52 est reliée par un tuyau 77 en passant par une des soupapes 78 à l'échangeur en 64 (indiqué par un hachurage longitudinal interrompu) et de la même manière la face inférieure du piston 68 est également reliée à l' échappement au moyen du tuyau 79.
L'action de l'air comprimé faisant pression sur la face inférieure du piston 52 applique la haute pression à l'eau en contact avec la face supé- rieure du piston 53 (indiqué par un hachurage en quadrillé). Cette haute pres- sion est transmise le long du tuyau 61 et de là par la soupape 66 et le tuyau 67 à l'étau et également au tube en 71, étant empêchée de revenir à la source par la présence de la soupape de retenue 60. Cette haute pression serre forte- ment l'étau et en même temps dilate le tube dans la matrice.
Lorsque l'expansion est complète, les soupapes sont mises dans la position montrée à la figure 14, 'relâchant la pression dans le tube, et en mê- me temps ouvrant l'étau. Dans cette position, l'air comprimé est coupé de la face inférieure du piston 52, qui est alors relié à l'échappement par la voie de la soupape 53.Le mouvement d'une autre des soupapes 80 applique l'air com- primé à la face supérieure du piston 52, le faisant retourner au bas de sa course, et également par le tuyau 79 applique la pression à la face inférieu- re du piston 58, ouvrant ainsi l'étau En même temps, le mouvement de la sou- pape 81 relie l'eau agissant sur le haut du cylindre 68 et sur le tube en 71,
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à l'échappement (comme indiqué par le hachurage oblique interrompu).
Ce re- trait de la pression du haut du piston 68 permet à celui-ci de se déplacer vers le haut sous l'action de l'air comprimé agissant sur sa face inférieure, en sorte d'ouvrir l'étau, Semblablement, le retrait de la pression du tube per- met de débrancher celui-ci en toute sécurité. Il peut être isolé, en plus, de la source de pression au moyen de la soupape 70,
La pression effective de l'eau à haute pression est réglée par celle de l'air comprimé dans l'intensificateur et par suite par le réglage de la soupape de réduction R. Ainsi pour la première étape de cette expansion, la soupape réductrice R est réglée pour donner une valeur de la pression juste suffisante pour renverser la courbure de la paroi du tube qui doit former l'ex- térieur de la courbe, et le cycle d'opérations qui vient d'être décrit est a- lors réalisé.
Après que le tube a,été recuit, il est réintroduit dans la ma- trice la soupape R est réglée pour donner la pleine pression et le cycle d'o- pérations est répété pour achever l'expansion du tube.
Dans la fabrication d'instruments de musique, le tube qui doit être courbé est rarement de section uniforme et habituellement va en se rétrécis- sant d'un bout à l'autre. L'introduction d'une conicité dans le tube entraîne encore des complications lorsqu'on fabrique le tube à la main comme décrit plus haut. En employant la méthode suivant l'invention, cependant, du tube pa- rallèle ordinaire peut être employé comme matériau de départ et la conicité nécessaire peut être introduite alors dans la matrice. La matrice brisée est formé avec la conicité désirée et l'étape d'expansion finale dilate alors le tube pour lui donner une conicité correspondante.
Par ailleurs, la courbure dans le tube n'a pas besoin nécessaire- ment d'avoir la forme d'un arc circulaire. Le bord formateur 5 peut avoir toute forme désirée, être par exemple parabolique ou hyperbolique. Dans ce cas, naturellement, le levier d'actionnement 8 ne peut pas être simplement monté à pivotement mais doit servir à déplacer le galet autour d'un guidage con- formé de manière correspondante. La matrice brisée doit naturellement aussi se conformer à la courbe en question.
Comme déjà mentionné, le procédé qui vient d'être décrit est spé- cialement utile dans la fabrication d'instruments de musique. Les résultats obtenus de cette manière sont de beaucoup supérieurs et plus uniformes que ceux obtenus au moyen des procédés antérieurs de courbure à..la main et, par cette méthode, pour la première fois il s'est révélé possible de fabriquer les embranchements et courbes à grande section des sousaphones, des basses, des tu- bas, des euphonums et d'instruments de basse semblables en partant de tubes de laiton sans soudure ordinaire.
Bien que le problème ait été traité en ayant en vue d'abord son application à la fabrication d'instruments de musique, des problèmes sembla- bles se présentent dans d'autres branches de l'industrie où des tuyaux ayant un grand diamètre par rapport à leur épaisseur de paroi doivent être courbés.
Ce procédé est particulièrement utile dans la courbure de tuyaux faits en lai- ton ou d'autres métaux ductiles tels qu'un quelconque les alliages légers bien connus.