Procédé pour obtenir une pièce métallique par fluage forcé à froid et machine pour la mise en aeuvre de ce procédé Il est déjà connu de former des pièces métalli ques, par fluage forcé à froid, en utilisant pour cela une machine dans laquelle on emmagasine de l'éner gie par déformation élastique dans au moins un or gane élastiquement déformable de cette dernière, tout en amenant à sa limite d'écrasement le métal de la pièce à obtenir et qui, au moment où cette li mite est atteinte, rend cette énergie pour donner la forme finale désirée à la pièce.
On peut utiliser pour cela, même une presse à marche relativement rapide, ce qui réduit notable ment le coût de la fabrication des objets envisagés.
Mais il est par contre apparu que cette manière de faire ne s'applique pas à des métaux durs, par exemple à l'acier doux.
On sait d'autre part qu'un choc très brusque, ap pliqué à un métal, même très dur, enfermé dans une cavité, comme c'est le cas par exemple dans une presse mécanique utilisée pour la frappe, ne permet de faire surgir du métal que des bossages de faible relief en comparaison avec l'épaisseur de l'ébauche.
L'une et l'autre manière de procéder ne permet pas de faire fluer à froid de l'acier doux. La pression élastique citée en premier lieu devient insuffisante et un choc capable de produire la déformation recher chée atteindrait, selon des observations faites, envi ron vingt fois la limite élastique du métal en usi nage. La limite élastique des meilleurs aciers pour outil à étamper ne dépassant pas quatre fois celle de l'acier doux, toute tentative de déformer ce maté riau en le faisant fluer à froid sous la seule influence d'un choc provoque par conséquent la rupture de l'outil.
Des essais ont par contre montré que si l'acier doux est préalablement soumis à une très forte pres sion, de l'ordre de celles permettant le fluage à froid d'autres métaux moins résistants, l'application brus que d'un choc à ce moment en permet le fluage sans surcharger l'outil d'une manière dépassant les li mites pratiquement admissible.
Se basant sur de telles observations, le procédé pour obtenir une pièce métallique par fluage forcé à froid selon la présente invention, est caractérisé en ce qu'on soumet l'ébauche de la pièce à obtenir à une pression en interposant au moins un organe élas- tiquement déformable, mais en amenant l'ébauche au-delà de sa limite d'élasticité, après quoi on sup prime brusquement l'amortissement élastique pour soumettre l'ébauche à un choc brusque la faisant fluer.
Cela revient à dire que, soumettant l'ébauche à une pression brusquement appliquée, on ralentit tou tefois la vitesse de l'outil dès l'application de cette pression, de façon que cette dernière augmente pro gressivement, ce qui évite une sollicitation excessive à laquelle l'outil ne pourrait pas résister, après quoi on fait subir à l'ébauche l'effet d'un choc, comme si on lui donnait un coup de marteau alors qu'elle a dé passé la limite d'élasticité. A ce moment l'ébauche se comporte comme si elle avait atteint un certain degré de plasticité.
La machine pour la mise en #uvre de ce procédé comportera un outil comprenant une matrice desti née à contenir l'ébauche et un poinçon, l'une au moins de ces deux parties étant reliée à un méca nisme moteur par l'intermédiaire d'au moins un or- gane élastiquement déformable, des moyens étant agencés pour établir brusquement avant la fin de course du poinçon, une liaison rigide entre celui-ci et ledit mécanisme moteur, cela au moment où les organes élastiquement déformables ont atteint une déformation qui peut être prédéterminée par réglage.
Les presses de tout genre se prêtent à être la ma chine pour la mise en oeuvre du présent procédé.
Le dessin sert à expliquer le procédé selon l'in vention au moyen d'un exemple de mise en oeuvre. La fig. 1 montre, plus ou moins schématiquement en coupe, la tête d'une presse à manivelle et l'outil au moment où, l'ébauche ayant déjà été découpée par le poinçon, celui-ci prend appui sur elle et celle- ci, au fond de la matrice.
La fié. 2 montre les mêmes organes au début de l'opération et alors que l'ébauche, sous l'action de la pression élastique, présente déjà une faible dé formation, mais de l'ordre de grandeur de celle ob tenue au cours d'une opération de frappe habituelle. La fig. 3 dans laquelle apparaît la liaison rigide du poinçon avec le mécanisme moteur, montre l'opé ration de fluage proprement dite. La fig. 4 représente enfin les éléments précités de la presse au moment où la pièce étant terminée, le poinçon se retire.
La fig. 5 est un diagramme sur lequel sont repré sentés le mouvement de la tête de la presse, celui du poinçon, et enfin l'écrasement correspondant des or ganes élastiquement déformables interposés.
Les fig. 6 et 7 sont des coupes verticales par tielles similaires à celle de la fig. 3, mais montrant à une échelle un peu plus grande, deux des multiples et différentes formes que peuvent présenter le poin çon et la matrice. En se référant à la fig. 1 on voit que la presse comprend une tête 1, présentant des tourillons 2, sur lesquels sont articulées des bielles 3 liées à un ar bre à manivelle, ou à excentrique, non représenté.
Cette tête présente une chambre cylindrique, dans l'axe de laquelle s'étend une tige verticale 4 coulis sant librement dans la tête, et dont la partie supé rieure est filetée et porte un écrou 5 destiné à buter contre la tête 1. La partie inférieure de la tige est solidaire d'un bloc fileté 6, portant un écrou 7 dont la position en hauteur est réglable par rotation.
Le dispositif représenté usine dans ce cas des ébauches cylindriques x découpées d'une bande de métal X, qui repose sur la face supérieure de la matrice 10. Le poinçon 8 sert à la fois au découpage en question, et au travail de la pièce découpée.
Dans l'exemple représenté, il s'agit d'obtenir une pièce constituée d'un disque circulaire, du centre duquel s'élève une tige d'une longueur multiple de l'épaisseur de l'ébauche. Le poinçon 8 présente, à cet effet, un trou axial 9.
Dans la chambre cylindrique de la tête, entre le bloc fileté 6 et la paroi supérieure, sont disposés les organes élastiquement déformables, constitués ici de rondelles Belleville 12 entourant la tige 4 et pre nant appui contre le bloc 6 d'une part et contre la paroi supérieure précitée d'autre part. Mais il reste entendu que même si l'exemple décrit ici prévoit un organe élastique composé de rondelles Belleville, d'autres types d'organes élastiques peuvent être dis posés en un endroit quelconque de contact avec l'ou til et employés pour la mise en oeuvre du procédé sur une presse quelconque. Pour la clarté de l'expli cation, nous en resterons ici au cas des rondelles Belleville seulement.
Donc chacune de ces rondelles est en forme de soucoupe dont le fond serait percé. Ces rondelles sont superposées alternativement face contre face, de manière à former une pile axialement compressi ble ; on peut les assembler ainsi par groupes de deux (comme représenté au dessin), ou d'un plus grand nombre de rondelles. Ces rondelles sont en acier à ressort, très dur. La façon de les grouper permet d'obtenir divers coefficients d'élasticité de la pile. On prévoira par exemple un assemblage de dix ron delles disposées en cinq groupes opposés, compre nant chacun deux rondelles superposées, comme le montre le dessin.
Dans la disposition représentée au dessin, les rondelles élastiques sont en outre soumises à une faible pression initiale lorsque la presse est à vide, c'est-à-dire lorsque l'écrou 5 bute contre la tête 1. Il est parfois désirable de les soumettre à une pres sion initiale ou précompression d'une certaine impor tance ; on y parvient en vissant l'écrou 5.
Dans l'exemple, ces rondelles sont en particulier suffisamment résistantes pour que la pression qu'el les exercent sur le poinçon permette à celui-ci de découper une ébauche dans la bande X lorsque, la tête de la presse commençant sa course de descente, le poinçon rencontre cette dernière.
L'ébauche découpée tombe ou est poussée dans le fond de la matrice et l'opération de fluage dé bute, comme le montre la fig. 1, par l'application du poinçon 8 sur l'ébauche x, les rondelles élastiques 12 présentant leur tension minimum prédéterminée par réglage.
La tête de la presse continuant à descendre, les rondelles élastiques sont de plus en plus comprimées et l'ébauche subit une pression élastique allant en s'accroissant, pratiquement jusqu'à la position de la fig. 2.
Dans cette position on voit qu'une faible partie du volume de l'ébauche x a pénétré en y dans le trou axial 9, y constituant un bossage de l'ordre de gran deur de ce que l'on obtiendrait par frappe habituelle du métal, ou à peine un peu supérieur.
Vu que cette déformation a été obtenue sans choc, il apparaît qu'en appliquant brusquement la pression élastique à l'ébauche, on crée dans la ma tière un état dépassant sa limite d'élasticité qui, maintenu durant un laps de temps prédéterminé, semble rendre le métal relativement plastique. C'est en raison de cela qu'au-delà de cette période de pression élastique, l'ébauche commence très légère ment à fluer dans le trou 9 du poinçon, et y pro duit le bossage représenté. Mais, si l'opération était interrompue à ce moment, le déplacement du métal serait tout à fait insuffisant, comme on l'a dit, de l'ordre de grandeur de ce que l'on pourrait obtenir par frappe habituelle.
Or, c'est à ce moment que la tête s'abaissant un peu plus qu'en fig. 2, sa base rencontre l'écrou 7, comme on le voit en 13 à la fig. 3, et que le poinçon forme subitement un tout rigide avec la tête de la presse, au mouvement de laquelle il participe brus quement. Dès lors, l'ébauche est subitement soumise à un choc semblable à un coup de marteau.
Ce changement soudain de la qualité et de la ra pidité de la pression oblige alors le métal déjà plas tique de l'ébauche à Huer dans le trou 9 et à le rem plir, comme représenté en z à la fig. 3, ce qui provo que donc une perte de volume de l'ébauche initiale en faveur de cet élément émergeant.
Ce remarquable déplacement de métal se produit donc à froid, c'est-à-dire sans chauffer préalablement la bande et l'ébauche, ni le poinçon 8, ni la matrice 10. C'est par le choix judicieux de la durée et des valeurs de la pression qu'on rend l'ébauche relative ment plastique ; puis on profite de cette plasticité pour mettre le métal dont elle est composée en mou vement et on le fait fluer dans le trou du poinçon et de la matrice.
On peut aussi dire que le procédé comporte deux intervalles de temps, soit celui durant lequel la pres sion initiale ou précompression est appliquée, et celui durant lequel s'effectue le fluage. Le premier, quoi que d'une durée de quelques centièmes de seconde seulement par exemple, est plus long que le second.
A une vitesse donnée de la presse, la durée du premier intervalle peut être prédéterminée par le choix d'un certain chemin de pression élastique. La durée du second intervalle est limitée notamment par la caractéristique de la presse employée. Mais tou tes deux doivent être choisies d'après la qualité du métal de l'ébauche, l'épaisseur de celle-ci et la pro portion du métal à déplacer.
On règle l'espace devant subsister entre le poin çon et le fond de la matrice ou enclume, lorsque la presse atteint son point bas, de façon à obtenir une certaine dimension finale de l'objet terminé. A cet effet, on peut soit rendre la position du poinçon axialement ajustable par rapport au bloc 6, soit ajuster la hauteur de l'enclume ; parfois, on a avan tage à inverser les positions en reliant la matrice et l'enclume au bloc 6, en lieu et place du poinçon. Ces dispositions n'ont pas été représentées au dessin.
Du fait de l'élasticité de divers organes, en l'ab sence d'une ébauche, le cas peut se présenter où, à son point bas, le poinçon entre en contact avec le fond de la matrice.
La fig. 4 montre enfin comment, la tête 1 se re tirant une fois l'opération terminée, les rondelles 12 se détendent jusqu'au moment où, l'écrou 5 de la tige 4 rencontrant la face supérieure de la tête 1, le poinçon 8 se retire à son tour.
Les courbes de la fig. 5 expliquent ce qui se passe au cours d'une opération de fluage telle que celle que l'on vient de décrire.
La ligne sinusoïdale 14 correspond au mouve ment de descente et de remontée que le vilebre quin de la presse transmet à la tête 1, et qui serait aussi le mouvement imparti au poinçon 8, si ce der nier était rigidement relié à ladite tête.
La courbe 15, par contre, montre la course du poinçon 8 qui, jusqu'en 16, accompagne la tête. Ren contrant à ce moment l'ébauche x (nous faisons abs traction du découpage), le poinçon reste presque im mobile, tandis que la tension 17 des ressorts aug mente.
Les points 18 et 19 correspondent alors à l'ac couplement rigide brusque du poinçon et de la tête, soit en 18 au départ d'un mouvement sinusoïdal du poinçon et en 19 au début de la phase de surtension des ressorts.
Le surplus de ces courbes s'explique de lui- même.
Quoique, pour raison de simplicité, la descrip tion qui précède concerne une enclume non perforée et un poinçon ne présentant qu'un seul trou, ce qui produit donc un objet plat présentant une seule tige se dressant sur sa face supérieure, il est bien entendu que l'on peut obtenir d'autres objets de formes di verses.
Ainsi par exemple, la fig. 6 montre la fabrication d'un objet présentant plusieurs tiges z1, z2, sur une face et une (ou plusieurs autres) tiges z3 sur l'autre face. Dans ce cas, la tige inférieure résultera de la présence d'un trou dans l'enclume 11.
La fig. 7 montre enfin la fabrication d'un objet présentant une nervure annulaire z sur une face et une tige centrale zà sur l'autre face ; le poinçon 8 présente un logement en forme de rainure annulaire en lieu et place d'un trou. Il pourrait aussi présenter un logement se continuant par au moins un trou, par exemple de direction générale perpendiculaire au plan selon lequel la pression s'exerce sur l'ébau che.
Lorsqu'on forme un plus grand nombre de par ties en relief, il est possible de déplacer une plus grande quantité de métal. Mais cette quantité dépend aussi du volume initial de l'ébauche.
Il est évident que les exemples donnés d'ébauches de profil circulaire ne sont pas limitatifs et que l'on peut aussi bien travailler des ébauches carrées, rec tangulaires, polygonales, etc., et obtenir des proémi nences de section correspondante.
Des essais ont montré qu'en travaillant des ébau ches plates du genre de celle décrite, la couche de métal en contact avec la matrice et celle en contact avec le poinçon ne contribuent pas à la formation des bossages ; ce sont les couches plus profondes ou intermédiaires qui fournissent le métal nécessaire. Le métal de ces couches coule tout d'abord dans une direction parallèle aux faces de l'ébauche puis change de direction pour couler dans les trous de l'outil.
Une certaine quantité de chaleur presque instan tanée est probablement dégagée durant la déforma tion de l'ébauche, aidant le métal à se maintenir dans un état malléable et retardant le durcissement ou écrouissage qu'on observe souvent lorsque du métal a été travaillé à froid.
Lorsqu'on met en oeuvre des métaux tendres, le fluage peut être obtenu sans grandes difficultés, du fait que les efforts nécessaires à déformer rapide ment de tels métaux en les obligeant à remplir com plètement la cavité de l'outil n'excèdent pas la résis tance de l'acier à outil. Mais lorsqu'on travaille de l'acier doux, une durée supérieure de la première phase de travail est nécessaire à l'obtention de ré sultats satisfaisants, c'est pourquoi le présent procédé prévoit un ralentissement de la vitesse de déplace ment du poinçon dès le moment où celui-ci entre en contact avec l'ébauche, cela pour éviter de le sou mettre à des efforts dangereux.
Cette vitesse dépend de la limite d'élasticité du métal à usiner ; plus cette limite sera élevée, plus faible devra être la vitesse du poinçon.
Le premier laps de temps sera d'autant plus long que la forme définitive différera plus de celle de l'ébauche, c'est-à-dire que l'obtention de l'état de plasticité qu'on pourrait aussi désigner par état de pression hydrostatique, exigera plus de temps. Une fois cette condition atteinte, la déformation ou fluage devra intervenir rapidement.
Comme cela a été indiqué ci-dessus, on limite la pression appliquée à l'ébauche lors du premier con tact du poinçon avec le métal puis on l'augmente, ou la maintient à sa valeur, selon le sens large qu'on en tend donner dans le présent brevet à l'expression organe élastiquement déformable . Dans l'exemple donné, la pression augmente du fait que les rondelles élastiques sont de plus en plus comprimées. Il est évident que les organes élastiquement déformables pourraient se trouver ailleurs que décrit et représenté, c'est-à-dire qu'ils pourraient se trouver quelque part dans la chaîne cinématique reliant l'outil au moteur.
Dans l'exemple décrit, c'est au cours de la période précitée d'augmentation de la pression, qui ne dure dans ce cas que quelques centièmes de seconde, que l'ébauche est obligée de prendre exactement la forme de la cavité dans laquelle elle est enfermée. Immé diatement après, lorsque l'état de pression hydrosta tique est atteint, la pression dite de fluage est ap pliquée afin d'obtenir le déplacement de métal désiré. Pendant ce déplacement de métal, il n'est plus néces saire de limiter la vitesse à laquelle le poinçon se meut.
Des essais effectués au moyen d'une presse à ma nivelle tournant à 100 tours à la minute, et dont la course était de 60 mm, sur des ébauches d'acier doux d'un diamètre de 11,5 mm et de 3 mm d'épaisseur, avec un poinçon présentant un trou dont le diamètre était environ 22 % de celui de l'ébauche, ont fourni les résultats suivants Sans rondelles élastiques, le métal de l'ébauche a pénétré dans le trou du poinçon sur une longueur de 0,3 mm seulement.
En utilisant huit rondelles élastiques, disposées en quatre groupes de deux rondelles opposées, et en agissant pendant un temps très court et avec une faible déformation élastique de 2,2 mm, le résultat obtenu était à peu près le même pour autant que la pression appliquée n'était qu'élastique, soit sans accouplement rigide entre poinçon et tête de presse. Mais en réglant l'écrou 7 de façon qu'il vienne buter contre la tête 1 à la fin de la période de pression élastique, la matière Huée dans l'ouverture centrale du poinçon atteignait une longueur de 1,5 mm.
Avec deux fois plus de rondelles élastiques et 4,4 mm de déformation élastique et dans les mêmes conditions, la tige de métal Huée dans le trou mesu rait 3,2 mm.
Avec trois fois plus de rondelles, se déformant d'une longueur de 6,6 mm, le métal s'élevait de 4,1 mm dans le trou du poinçon.
Toutefois l'expérience montre, dans le cas parti culier des rondelles élastiques seulement, qu'en aug mentant la déformation élastique au-delà de ces li mites, c'est-à-dire en allongeant encore l'intervalle de temps pendant lequel la pression initiale est appli quée, les résultats ne sont pas meilleurs, mais au con traire moins satisfaisants. Ainsi, en augmentant la déformation élastique des rondelles jusqu'à 8,8 mm, on obtient une tige de métal fluée de seulement 3,1 mm de haut.
Une augmentation de la déforma- tion élastique de 25% supérieure, permet de fluer une tige de 2,6 mm de long. Il y a donc une valeur optimum de la durée de la pression élastique pour le cas produisant un déplacement maximum de ma tière. Un tel optimum dépend de causes diverses, entre autres de la nature et de la dureté du métal à usiner et on peut la calculer sur la base d'essais, pour un métal donné, en fonction de la quantité de matière que l'on veut déplacer.
Elle dépend aussi des taux de progression de la pression élastique im posée à l'ébauche. Ainsi dans les cas d'organes élas tiques à taux de progression constant, une loi géné rale pour déterminer le ralentissement nécessaire ou optimum n'a pas encore pu être établie.
Cette durée de l'application de la pression élas tique était comprise dans un cas donné, entre 5 à '5/m de seconde, tandis que le temps durant lequel le poinçon s'est déplacé rigidement avec la tête de la presse était notablement inférieur, soit entre 1 et de seconde. En pratique, ces temps diffèrent considé rablement, dépendant de conditions particulières, telles que les dimensions et la dureté de l'ébauche, la quantité de métal à déplacer, le genre d'organe élas tique employé, etc.
Dans le dispositif décrit, l'instant où l'on passe de la pression élastique à l'application d'une pression non élastique par l'accouplement rigide du poinçon, peut être prédéterminé à volonté en modifiant la po sition de l'écrou 7 sur le bloc 6. Par cette modifi cation on fait varier aussi les durées respectives des deux phases de l'opération.
Concernant la valeur de la pression nécessaire, il a été constaté que pour des ébauches d'acier doux, d'une dureté de 100 à 115 Brinell et ayant une sur face de<B>100</B> à 110 mme, la pression élastique maxi mum requise était de 17 tonnes, soit donc environ 200 kg/mm=.
Le pourcentage de métal qu'il est possible de déplacer par fluage, selon le présent procédé, est relativement grand. Par exemple, pour de l'acier doux et avec un poinçon présentant une ouverture évaluée à 22 % du diamètre de l'ébauche, le métal déplacé représente environ 28 % du volume initial total de l'ébauche. Mais d'autres circonstances ont permis d'obtenir jusqu'à 60'% de déplacement, dans le cas d'acier doux également.