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v POd1l PAR COMMISSION *eu
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La présente invention est relative au formage d'articles au moyen de force* de compression, et plus particuliè- rementt à des procédés et à des appareil* destinés à former par compression des articles métalliques plain,
Divers types de procédés d'extrusion dans lesquels des matières relativement peu ductiles, telles que les métaux, sont pressées, forgeas, ou extrudées au moyen de matrices, sont bien connue dans la technique du travail des métaux* En outre, digère procédés de mise à tome par estampage et laminage sont abondamment décrits dans la littérature.
Dans toutes ces méthodes connues et dans l'utilisation de l'appareillage connu, la limite de l'extrusion ou du formate en une moule opération d'une pièce pleine ou creuse, dépend en partie des caracté- ristiques de durcissement en cours de travail et de la réels* tance ultime de la matière.
Avec le développement des superalliages durs, relativement cassants, du type à base de nickel ou des alliages relativement cassants à base de tungstène et de chrome, les procédés connus de formage ne peuvent être utilisés seule étant donné qu'ils entraînent des ruptures ou la production d'articles fileur'. ou défectueux.
Ses opérations supplément taures, coûteuses et demandant du temps, telles que l'usinage et le polissage, sont nécessaires* En outre, les métaux plue ductile* ne peuvent être mis à forme suivant des formes plus
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complexes, telles que des aubes de turbine et de routa d'appareil de propulsion, en sensiblement une seule étape par les procédés connue* un certain nombre d'expériences réalisées dans le ont domaine de la rupture des métaux /. montré que J'application de pressions extérieures par l'intermédiaire d'un liquide à une matière métallique en cours de travail, telle qu'un essai de traotion,
a pour effet un accroissement considérable de ma ductilité* Des exemples types sont mentionnés dans "Studies in large Plastic Flow and Fraoture" par P.W. Bridgman dans le
Metallurgy and metallurgioal Sériée publié par MoGraw Hill Book
Oompany, Ino.en 1952.
La présente invention a pour objet un procède améli- oré de formage par compression d'un article dans une matrice profilée par application d'une contre-pression contrôlée à la partie en cours de déformation d'une pièce en cours de fabri- cation*
Dans les dessine annexée ! - les figures 1 à 3 sont des vues en coupe$ partiel- lement schématiques, d'une forme d'exécution de la matrice suivant la présente invention, en coure de fonctionnement ;
- les figures 4 et 5 sont des vue. en coups, partiel- lement schématiques, d'une autre forme d'exécution de la matrice suivant la présente invention, en cours de fonctionnement
Les figures 6, 7 et 8 sont des vues en coupe, iso- métriques, partiellement schématiques, d'autres formes d'exécu- tion de l'appareil suivant la présente invention :
- les figures 9, 10 et 11 sont des vues en couper partiellement schématiques, d'une autre forme d'exécution sui- vant la présente invention et - la figure 12 est une vue en coupe, isométrique,
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d'une roue réalisée dans l'appareil des figures 9 à il*
Suivant la présente invention, il est prévu un procé- dé de formage d'un article par compression dans une matrice, consistant à remplir d'abord la matrice d'une matière présen- tant une résistance à la compression et à matricer ensuite une pièce d'une matière présentant une résistance à la compres- sion plue élevée, dans la matrice,
avec une force de déformation de la pièce pour repousser la première matière hors de la matrice. La matrice peut être remplie de la première matière par matriçage de la matière dans l'évidement avec une force suffisante capable de déformer la matière. La vitesse d'expel- .ion de la première matière est commandée ainsi que la contre- pression exercée par la première matière.
Il est prévu un appareil pour mettre en oeuvre le procédé de formage d'un article par compression dans une matrice présentant un évidement,dans lequel il cet prévu un moyen d'introduire une première matière dans l'évidement de la matrice et de remplir ce dernier, et dans lequel il est prévu un moyen d'application d'une force de compression pour matrioer la pièce dans la matrice pour repousser la première matière de l'évidement* Il peut être prévu des orifices d'échappement de l'évidement de la matrice et des dispostifs à valve aux orifices d'échappement pour commander le débit de déplacement de la première matière de l'évidement de la matrice.
Il peut être également prévu un collecteur relié à l'évidement de matrice pour commander la oontre-presuion de la première matière.
La mise en oeuvre de la présente invention, élimine le formage à chaud et l'enrobage nécessaire avec de nombreuses matières récentes. Elle permet également le formage de mati-
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créa hautement réactionnelle$ telles que les matières réagis*
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sant à laxydatia et aux condition* habituelles du forgeage Par exemple, les matières telles que le ber,y111U8, 1 tungstène le niobium et le molybdène pourrait être formels à froid à l'état non enrobé lin outra, les alliages cassants tels que , lea superalliages à base de nîokelo la fonte, etcoe qui ne sont actuellement utilisés qu'à l'état coule, étant donné leur relativement faible ductilité,
ont été mis en oeuvre par le procédé suivant la présente invention avec pour résultat une résistance supérieure résultant de l'amélioration de la taille des graine et des caractéristiques d'écoulement rendue*
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pOIJ,1ble suivant la présente inventions Le procédé est également applicable aux alliages classiques # plus ductiles, pour 1'éa1iu81' en une seule opération par forgeage des formes plus complexes que celles réalisées dans les procèdes actuel*# os qui élimine les opérations de finissage et réduit les frais en conséquence*
L'utilisation d'un appareillage à pression très élevée pour déformer les métaux a été décrite dans la littéra-
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turo,
Un tel article a paru dans "Meohanioal Engineering* publié par the Amerioan Society of mochanical Engineera, en octobre 1961j aux pages 37 - 43. La présente invention envi- raga l'utilisation d'un tel appreillage pour appliquer les force? schématiquement représentées par les diverses flèche%
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dani.
les dessins* Bn outre, la technologie des matrices, y compila le concept de l'anneau concentrique d'interférence illustré dans cet article, peut être utilisée conjointement à laprésente invention moyennant les modifications importantes
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illustrées dans les dessins en particulier, en et qui concer"' ne 2) déchargement de la matrice*
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Dans les dessins, les figures 1 à 3, inclusivement représentent une séquence d'utilisation de l'appareil suivant la présente invention, dans la mise en oeuvre d'un aspect du procédé suivant la présente invention, pour transformer une billette 20, figure 1,
en un disque matrice 20a la figure 3.
A la figure 1,une matrice 24 présentant un évidement 26;de forme adaptée à l'article à former par compres- sion, est préalablement remplie d'un noyau 28, Une billette 20, introduite à travers la chambre de réception de la pièce à travailler 22 prend contact avec le noyau 28 à l'interface 32. La matière du noyau 28 est une matière qui présente une résistance à la compression inférieure à celle de la matière de la billette 20. La résistance à la compression est définie, par rapport à la rupture comme la tension maximum à laquelle peut résister une matière soumise à compression sans défor- mation plastique d'une valeur prédéterminée.
Par conséquent, la matière du noyau 28 fluiera à une pression unitaire inférieure que celle de la matière de la billette 20.
La matrice 24 est pourvue d'orifices ou dispositifs d'échappement 30 à travers lesquels le noyau 28 peut s'écouler* les orifices 30 peuvent être d'une dimension prédéterminée ou peuvent être pourvus de dispositifs à valve, tels que 42 à la figure 6, pour commander le débit d'écoulement du noyau 28. Cette disposition donne lieu à une pression prédéterminée à l'intérieur de l'évidement 26, en particulier, à l'inter- face 32 séparant la billette 20 de la pièce à travailler du noyau 28.
La taille et la forme de l'évidement 26 peuvent être maintenues de façon uniforme au cours du rocédé au moyen de forces extérieures appliquées, ainsi qu'il st représenté par les flèches 34, ou par la construction et a résistance
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aux déformations de la matière de la Matrice elle-momet rela- tivement à l'amplitude des forcée appliqué*$ à l'intérieur de la matrice au cours du processus*
Dans le procédé illustre aux figures la?, une force de déformation de la pièce à travailler, représentée par la flèche 36, est appliquée à la biellette 20 de la pièce à travailler pour matricer la pièce dans la matrice.
La
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valeur minimum requise de la force '6 est la somme de (1) une force égale à la résistance de compression de la matière de la biellette 20 dans les conditions ordinaires de rupture, (2) d'une force prédéterminée pour matricer le noyau 28 à travers l'orifice 30 et (3) une force de frottement s'opposant
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à l'écoulement de la p.bae h travailler dans la matrice.
Il a été constaté que l'application d'une contre-pression à l'inter-faoe de déformation 32 de la pièce à travailler 20 par un noyau 28 préchargé dans l'évidement de matrice, retardé
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l'apparition des fissurée de la matière de la piéae h travail- ler à l'interface et permet une déformation beaucoup plus grande de la pièce à travailler 20 que celle qui peut être obtenue dans les conditions types d'extrusion normale. Il a été, en outre, constaté que la valeur préférable de la contre- pression exercée par le noyau sur la pièce à travailler 20 est au moins égale aux trois quarte de la résistance de compression de la matière de la pièce à travailler.
Bien que des vitesses
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supérieures de déformation de la pièce travailler puissent dtre réalisées lorsque la contre-pression est inférieure à cet- (te valeur, pour ces faibles oontre-preeaion, il y a accrocssement notable de la possibilité de production de fissures dans la région de 1'interface 32.
Une force de déformation de la pièce à travailler 36 est appliquée à la pièce à travailler 20, figure 2, la
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Matière de la pièce 20 est déf;raée plastiquement dans l'évi- dement 26 de la matrice lorsque le noyau 28 commence } s'écou- ler à travers l'orifice 30, sous la pression de la forée 36.
Toutefois, le noyau exerce simultanément une contre-pression sur la pièce à travailler à l'interface 32. Lorsque l'entièroté du noyau a été repoussée de l'évidement 26 de la matrice, ainsi qu'il cet illustré à la figure 3, la matière de la pièce 20 a pris en une seule opération la forme désirée de l'article 20a.
Etant donné que la matière de la pièce à travailler a été soumise à la contre-pression commandée, adéquate et continue, exercée par le noyau 28, aucune fissure n'existe dans l'article 20a dont Ion dimensions sont aussi précises que celles de l'évidement 26 de la matrice,
Ainsi qu'il est illustré au figures 4 et 5,la mine en oeuvre et l'appareil des figures 1 à 3 peuvent être modifiée suivant la présente invention pour donner lieu à l'applica- tion d'une force 36 à la pièce à travailler 20, dans plusieurs directions de façon à commander l'écoulement de la matière de la pièce à travailler.
Le noyau 28 est commandé et déchargé de la même manière que décrit conjointement aux figures 1 - 3 .
Le phénomène d'accroissement de la ductilité des matières métalliques soumises à un état hydrostatique du type existant dans l'évidement 26 de la matrice au cours de la mise en oeuvre de la présente invention, pourrait être expliqué par la théorie dans laquelle tne pression aussi élevée empêche la formation de vides autour des discontinuités et des défauts intérieurs de la matière. Les recherches ont montré que ces vides et ces défauts agissent comme point de départ des fissures. Une autre explication possible réside dans le fait que la pression hydrostatique élevée répare, par soudage sous pression les microfissures se produisant dans les
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matières en coure de déformation.
Dans certains cas, en particulier, ceux faisant intervemir la formation d'article de forme complexe. tels qu'une hélice de navire, il est souhaitable de commander 1 écoulement du noyau hors de l'évidement des matrices d'une manière qui guidera mieux l'évoulement de la Matière de la pièce à travailler jusqu'à sa forme finale dans la matrice* Ainsi qu'il est illustré à la figure 6,
un certain nombre d'orifice. 30 peuvent être disposés de façon approprier dans la metrce 20 pour encore guider l'écoulement de la matière de pièce à travailler au moyen de la décharge du. noyau 28 de l'évidement 26 de matrices Un collecteur 38 peut être adjoint à la matrice 26, ainsi qu'il est illustré à la figure 6,
pour commander la contre-pression tout en permettant aux orifices 30 de commander les débite d'écou- lements Il peut être prévu des moyen$ de commander l'écoulement du noyau depuis le oolleoteur 38 sous la forme d'un ou de plusieurs orifices 30a qui peuvent comprendre des valves 42 disposées dans les orifices ou reliées au collecteur 38 pour commander en dernier ressort, la contre-pression appliquée à l'interface 32 de la matière de la pièce à travailler 20. En prévoyant le passage du noyau 28 à travers plusieurs valves 42,on peut réaliser une commande précise de l'écou- lement de la matière de la pièce à travailler.
Les figures 7 et 8 illustrent une autre font d'exécution suivant la présente invention) faisant usage de deux demi -matrices accollées 44 et 44a maintenues l'une contre l'autre par des forces extérieures 46, par exemple, au moyen d'une presse mécanique. La force extérieure 46 coopère avec la force de déformation de la pièce à travailler '6, par unité de surface et est inférieure à cette dernière.
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Lors de l'application de la force 36, les demi'-matrices 44 et 44a se sépareront pour constituer un orifice 48 afin de permettre l'extrudage ou la décharge du noyau 28; Dans ce cas, l'orifice 48 est une rainure annulaire. Le rapport de la force de déformation de la pièce à travailler 36 à la force 46 détermine la distance séparant les demi-matrices 44 et 44a et par.suite, la taille de l'orifice 48. Ces deux forces peuvent être modifiées pour commander le débit d'écou- lement et la contre-pression du noyau 28 sur l'interface de déformation 32 entre le noyau 28 et la matière de la pièce à travailler 20.
La présente invention peut être utilisée pour réaliser une roue d'un étage de compresseur à écoulement axial pourvue d'une ouverture centrale destinée à permettre le montage de la roue sur un arbre. Une telle roue est illustrée à la figure 12. Une pièce forgée annulaire 50, à la figure 9, peut être utilisée conjointement au procédé et à l'appareillage suivant la présente invention illustrée aux figures 9, 10 et 11, de la manière susdécrite. Ainsi qu'on peut le voir à la figure 10, la matière de la pièce à travailler 50 de chaque partie de l'anneau est déformée dans deux direction en même temps que le noyau est déchargé à travers plusieurs orifices tels que 52 et 54.
En outre, le concept illustré aux figures 4 et 5, impliquant l'application d'une force à partir d'un grand nombre de directions, à chaque partie de la pièce à travailler, peut être appliqué aux opération des figures 9, 10 et 11, dans le cadre de la présente invention, pour former un article tel que celui illustré à la figure 12.
La matière du noyau préchargée dans un évidement de matrice et coopérant avec celui-ci, est d'une matière plus
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ductile ou possédant une résistance à la compression inférieure à celle de la matière constituant la pièce à travailler et à celle de la matière de la matrice.
Une telle matière ductile de noyau, est, de préférence, à baie d'éléments tels que le plamb, le cuivre, le zinc et d'autres matières facilement extrudées* Toutefois, des matières moins ductiles peuvent être utilisées à condition que la matière de la matrice puisse résister à la résultante des forces de compression requises par suite de l'utilisation d'un noyau plue difficile à faire fluer.
La matière du noyau qui rempli l'évidement de la . matrice avant l'exécution du procédé, peut être introduite de différentes façons* Toutefois, un procédé ayant donné satisfaction consiste à matrioer un noyau, à base de plomb par exemple, sous l'action d'une pression importante dans l'évidement, au moyen d'un piston, à travers l'orifice d'introduction de la pièce à travailler jusqu'à. ce que l'évi- dement soit remplit Ensuite, la matière de la pièce à tra- vailler est disposée dans l'évidement d'introduction de la pièce à travailler, au contact du noyau,
et le procédé susdécrit de matriçage de la matière de la pièce à 'travailler dans la matrice est mis en oeuvre,le noyau plus duotile étant repoussé par la pièce à travailler fluant dans l'évide- ment de matrice* Ainsi que mentionné précédemment, la contrepression exercée par le noyau dépend de la matière de noyau utilisée, du débit avec lequel le noyau est déplacé et de la taille et de la forme de l'orifice ou de la commande exercée par la valve conjointement à l'orifice.
La contre-pression, quelque fois dénomée "pression hydrodynamique-, peut être commandée par ces variables pour satisfaire aux conditions requises par la matière de la pièce à travailler et la forme
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de l'article à réaliser.
Ainsi que mentionne précédemment il a été émis la théorie que les fissures de tension des matières ductiles commencent par la formation de cavités! microscopiques ooneou- raament à un glissement plastique. Suivant la présente invention, il est prévu des forcée exercées par la contre-pression pour empêcher de façon efficiente la formation ou l'ouverture de ces cavités.
En outre, la contre-pression exercée par le noyau a pour effet une distribution uniforme des déformations dans l'article formé par compressions Dans les procèdes normaux de forgeage en matrice ouverte, la distribution non uniforme de déformations provenant du frottement de la matrice entraîne une distribution complexe des tensions dans l'article de son centre jusqu'à ses bords. Une telle distribution peut conduire à la fissuration des bords du fait de l'apparition de tensions de traction élevée. La faible tension de déformation du noyau, utilisée suivant la présente invention, limite l'effet de frottement et donne lieu à une distribution plus homogène éliminant la fissuration par commande de la vitesse de déformation de la matière de la pièoe à travailler.