Procédé d'extrusion par choc La présente invention a pour objet un procédé d'extrusion par choc, dans une presse à extruder à simple course, de sections métalliques d'un métal susceptible de se durcir, à partir d'un lingot dont une partie qui doit être extrudée pour achever l'opé ration peut subir un durcissement tout en étant en core dans le lingot quand on utilise de faibles vites ses du pilon de la presse. Un tel procédé peut per mettre l'extrusion à froid.
Pour que l'extrusion soit possible, il faut produire dans le métal une température suffisamment élevée pour lui donner la plasticité nécessaire.
Un lingot à extruder peut être chauffé avant d'être placé dans le logement d'une presse à extru der, ce procédé étant connu sous le nom d'extrusion à chaud.
Dans le procédé connu sous le nom d'extrusion à froid, un lingot non chauffé au préalable est placé dans le logement de la presse et soumis au choc. Le faible degré de plasticité produit par ce procédé est accompagné de températures d'extrusion comparati vement basses, qui nécessitent de fortes charges sur le pilon pour effectuer l'extrusion, d'où il résulte un durcissement considérable du métal.
Cela signifie qu'il n'est pas possible d'extruder la totalité du lin- got métallique en une seule opération au taux d'ex trusion requis et qu'un stade intermédiaire de recuit est nécessaire avant de poursuivre l'opération, ou aussi qu'il faut limiter les dimensions du lingot qui doit être extrudé en une seule opération.
Par conséquent, s'il est possible d'éliminer le durcissement pendant l'extrusion, le stade de recuit devient inutile et une déformation maximum peut être obtenue avec une énergie minimum. Le durcis sement du métal qui se produit pendant l'extrusion peut être évité en agissant sur la vitesse d'attaque du pilon, cette vitesse étant avantageusement maintenue constante pendant l'extrusion.
Quand on frappe un lingot métallique avec des vitesses relativement faibles du pilon, une portion du lingot dont l'extrusion est nécessaire pour com pléter l'opération peut se durcir quand elle est en core dans le lingot. Un des buts de l'invention est de permettre l'extrusion d'un lingot métallique en empêchant le durcissement à l'intérieur du lingot.
Le procédé objet de l'invention est caractérisé en ce qu'on actionne la presse du début à la fin d'une simple course d'extrusion à une vitesse du pilon supérieure à la plus haute desdites faibles vites ses pour lesquelles se produit un durcissement de ladite partie du lingot.
La figure unique du dessin annexé montre la courbe de la contrainte réelle, portée en ordonnée, en fonction de la tension réelle de la matière sou mise au refoulement, portée en abscisse.
On connaît une méthode pour déterminer la pres sion<U>minim</U>um nécessaire sur le pilon pour l'extru sion d'un lingot métallique. Cette détermination fait intervenir l'équation
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dans laquelle Y est la pression de charge du pilon pour une surface de la face de la matrice de 6,45 cm2, y est la limite d'écoulement du métal, z est la différence entre la charge de rupture maximum (relative à la surface initiale)
et la charge de rupture réelle (relative à la surface réelle de la section ex trudée), tous ces facteurs étant exprimés dans une même unité, et 0 est le taux d'extrusion, c'est-à-dire le quotient de la surface du lingot par la surface de la section refoulée désirée.
De nouveaux essais ont montré que cette équa tion peut s'écrire plus avantageusement <I>Y = (a</I> -1- <I>b)</I> 4n où a est la contrainte réelle pour une tension maxi mum Emax du spécimen, b est égal à cette con trainte a multipliée par cette tension smaX , et 0 est le taux d'extrusion. La tension s est exprimée par l'allongement que subit le spécimen travaillant à la traction sous l'effet de la charge, en fonction de sa longueur initiale.
La valeur maximum Emax de cette tension correspond au point de rupture du spécimen.
Cette expression peut se mettre sous la forme Y = K (a -I- a Em@x) 4O#33 K étant une constante numérique qui est égale à 1,9 pour des sections pleines régulières, à 2,1 pour des sections tubulaires régulières, à 2,3 pour des sec tions pleines irrégulières, et à 2,5 pour des sections creuses irrégulières.
La première équation indiquée plus haut con tient comme facteur la racine cubique du taux d7ex- trusion. On a trouvé maintenant, après de nouveaux essais portant sur une grande variété de matériaux de départ ou de lingots métalliques, que bien que la solution de cette équation donne de bons résul tats pour l'extrusion quand on donne au pilon la charge correspondant à la pression minimum ainsi calculée,
on peut obtenir une plus grande efficacité du procédé d'extrusion si l'on prend en considération la racine quatrième du taux d'extrusion à la place de la racine cubique.
Il s'ensuit que l'équation
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ou Y = K (a -E- a Em,X) 40a3 doit être remplacée par l'équation Y = K (a -f- a Em,,x) 40.2' <B>ou Y</B> = KCZ (1 -i- Emax) A''" a étant à nouveau la contrainte réelle donnée sur la courbe représentée au dessin pour la valeur maximum de la tension amyx obtenue dans un essai de traction.
On sait qu'il existe un autre facteur qui joue un rôle dans l'extrusion à froid, et qui est la vitesse d'attaque du pilon, c'est-à-dire la vitesse de ce pilon quand il frappe le lingot métallique. Une fois que la charge minimum du pilon a été calculée comme indiqué plus haut, il est désirable de régler la vitesse d'attaque du pilon jusqu'à ce que les températures produites dans les plans de glissement puissent être à leur tour contrôlées de manière à augmenter ou diminuer le durcissement admis du métal.
Une très forte vitesse d'attaque entraîne des températures très élevées dans les plans de glissement d'où résulte une extrusion donnant un métal complètement recuit. Des vitesses et températures peu élevées produisent un durcissement modéré. On peut réaliser ainsi un contrôle des propriétés physiques des articles finis.
Cette méthode connue n'enseigne pas comment obtenir la vitesse du pilon autrement que par la méthode dite des essais et erreurs , et le principal but de la présente invention est de fournir une mé thode simple permettant d'obtenir préalablement la vitesse du pilon minimum requise.
On savait qu'il existe une vitesse minimum criti que du pilon à laquelle ou au-dessus de laquelle le métal du lingot cesse de présenter les propriétés de durcissement rencontrées jusqu'ici. Ce fait a été con firmé à nouveau.
La vitesse à laquelle le métal est déformé pendant l'extrusion peut être décrite comme une déformation en fonction de la vitesse exprimée, par exemple en centimètres par cm/sec., et, sur une base théorique qui ne tient pas compte du change ment réel de la dimension du lingot, cette expression est entièrement correcte. Cependant, comme il est parfois difficile de mesurer les valeurs à partir des quelles la déformation fonction de la vitesse est cal culée, on se réfère ici non à la vitesse de déformation par unité de longueur du métal, mais à la vitesse du pilon qui déforme le métal ou, en d'autre mots,
à la vitesse de compression, étant entendu que la vitesse de déformation du métal est une valeur cri tique, quelle que soit la terminologie employée. Il est connu que le module d'élasticité peut être utilisé comme une propriété du métal pour déterminer aisé ment les vitesses du pilon pour refouler ce métal.
Si la vitesse du pilon au point d'impact d'un lin got à refouler est au-dessus de la vitesse critique pour le métal en cause, des lingots de plus grand volume peuvent être extrudés avec de forts taux d'ex trusion par une seule course du pilon.
Pour déterminer la vitesse du pilon pour l'extru sion de divers métaux, il est évidemment nécessaire de connaître quelque chose du métal ainsi que le taux d'extrusion désiré. Les propriétés nécessaires du métal peuvent être tirées d'une courbe ordinaire donnant la charge réelle en fonction de la tension réelle qui est établie pour la plupart des métaux.
De telles courbes sont établies en soumettant un spéci men à la traction jusqu'à sa rupture, en détermi nant les augmentations de la charge requises pour produire les augmentations de la traction et en tenant compte du changement de la section transversale du spécimen résultant de la charge. Si de telles cour bes ne sont pas connues, par exemple pour un nouvel alliage, il est possible de les établir par les méthodes connues. Une fois cette analyse faite, les réglages de la presse pour l'opération selon le présent pro cédé sont tout à fait faciles et s'effectuent simple ment.
On sait que la pression du pilon à vitesse cons tante est proportionnelle à une fonction du taux d'extrusion, et qu'à ce taux d'extrusion constant elle est inversement proportionnelle à une fonction de la vitesse
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On admet maintenant que pour être capable de déterminer par le calcul la vitesse critique minimum désirée du pilon pendant l'extrusion, l'équation sui vante peut être employée
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et que cette équation peut être utilisée avec succès pour l'extrusion à froid des métaux qui sont suscep tibles d'une déformation plastique, bien qu'on pré fère utiliser seulement cette équation quand il s'agit de ces métaux dans l'état. de recuit.
La vitesse minimum du pilon nécessaire pour l'extrusion à froid d'un lingot métallique est donc obtenue par la solution de cette équation dans la quelle Y est la pression de charge minimum du pilon pour une surface de la face de la matrice de 6,45 cmL, MR le module d'élasticité, e = 2,718... (base des logarithmes népériens), 4 le taux d'extru sion, C = a où a est la contrainte réelle au maxi- MR mum MR EmZx de la tension du spécimen, et VR la vitesse minimum du pilon.
Cette équation est égale ment illustrée par le dessin annexé.
Comme on l'a vu plus haut, avant de déterminer la vitesse minimum du pilon en résolvant la précé dente équation, on commence par déterminer d'abord la pression minimum sur le pilon requise pour le refoulement, en résolvant l'équation Y = Ka (1 -f- am;
@x) @o.2s Envisageons, à titre d'exemple, la détermination de la vitesse minimum du pilon requise pour l'ex trusion d'un tube obtenu à partir d'un lingot d'alu minium pur, c'est-à-dire d'une pureté de 99,6 à 99,8 %. On suppose qu'on désire obtenir un tube extrudé ayant un diamètre externe de 1,82 cm à partir d'un lingot ayant un diamètre de 4,45 cm, une longueur de 7 cm et un trou de l,82 cm, soit une surface de 12,
9 cm2. La surface du tube extrudé représente les 2 % de la surface du lingot, ce qui donne un taux d'extrusion égal à 50. II faut noter que, avant de pouvoir résoudre l'équation ci-dessus, des essais de tension et de compression doivent être effectués sur le métal.
Ces essais effectués sur le lin got défini ci-dessus ont donné une contrainte a, telle qu'elle est définie plus haut, de 1181 kg/cm2, et une tension e = 0,422.
On applique d'abord l'équation Y = 2,1 a (1 -I- Emax) 4o.2,1 qui donne
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Par conséquent, si un lingot d'aluminium de di mensions ci-dessus, doit être extrudé, et si le taux d'extrusion est égal à 50, une pression de charge minimum de 9370 kg/cm2 doit être prévue sur la face de la matrice.
La formule donne Y pour une surface de 6,45 cm2. Comme la surface du lingot, dans le cas présent, est de 12,9 cm2, la charge mini mum totale du pilon doit être de 9370 - 2 = 18 740 kg On peut résoudre maintenant l'équation pour déterminer la vitesse minimum VR du pilon.
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En substituant aux lettres les valeurs obtenues plus haut, et en prenant pour MR, effort de défor mation plastique la valeur 630 kg/em2, et pour C, égal à la charge divisée par MR, la valeur 1,88, on obtient finalement<B>:</B> VR, = 9,2 cm/sec.
On peut voir ainsi que, pour obtenir l'extrusion d'un lingot d'aluminium pur des dimensions don nées plus haut, il est possible avant l'extrusion de prévoir la pression minimum et la vitesse minimum du pilon, cette dernière étant de 9,2 cm/sec. dans l'exemple ci-dessus.. Il faut remarquer cependant que l'équation ci-dessus donne la charge minimum et la vitesse minimum, et que pour effectuer l'extrusion réelle il est avantageux d'utiliser une pression légè- rement supérieure,
de 5 à 10 % par exemple, à la pression<B><U>minim</U>um</B> calculée.
Les meilleures extrusions sont obtenues à des vitesses légèrement supérieures à la vitesse VR cal- culée. Cela est dû à la disposition cristallographique des diverses. parties du lingot, qui est telle que la vitesse VR calculée n'est pas suffisante. Cette aug mentation de VR assure la compression de.l'ensem- ble du lingot à la vitesse satisfaisante.
Une grande augmentation de VR produit des effets de chauffage depuis la matrice, d'où résultent de mauvaises ex trusions, dues en partie à des, problèmes de lubri fication. On a trouvé pratiquement que la vitesse calculée doit être dépassée d'environ 20 à 25 0/0.
Envisageons comme second exemple un alliage de magnésium, de silicium et d'aluminium, le lingot à extruder ayant les mêmes dimensions que celui du premier exemple et le taux d'extrusion requis étant également de 50. On a : 4 = 50, MR = 787,5 kg/ <I>ce,</I> a = 1386 kg/cm2 et emnx = 0,409. En appli quant l'équation Y = 2,1 a (1 -@ Emay) Do#25 on obtient: Y - 10 930 kg/cm2 La charge de pression minimum requise sur le pilon sera donc de 10 930 - 2 = 21 860 kg.
Pour obtenir la vitesse minimum du pilon, on applique à nouveau l'équation
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On obtient finalement VR = 10,5 cm/sec.
Impact extrusion method The present invention relates to a method of impact extrusion, in a single stroke extrusion press, of metal sections of a metal capable of hardening, from an ingot, part of which is which must be extruded to complete the operation may undergo hardening while still being in the ingot when low press pestle speeds are used. Such a process can allow cold extrusion.
For extrusion to be possible, it is necessary to produce in the metal a temperature high enough to give it the necessary plasticity.
An ingot to be extruded can be heated before being placed in the housing of an extrusion press, this process being known as hot extrusion.
In the process known as cold extrusion, a previously unheated ingot is placed in the press housing and impacted. The low degree of plasticity produced by this process is accompanied by comparatively low extrusion temperatures, which require high loads on the ram to perform the extrusion, resulting in considerable hardening of the metal.
This means that it is not possible to extrude all of the metallic flax in a single operation at the required extrusion rate and that an intermediate stage of annealing is necessary before continuing the operation, or also that it is necessary to limit the dimensions of the ingot which must be extruded in a single operation.
Therefore, if it is possible to eliminate hardening during extrusion, the annealing step becomes unnecessary and maximum strain can be obtained with minimum energy. The hardening of the metal which occurs during extrusion can be avoided by controlling the attack speed of the pestle, this speed being advantageously kept constant during the extrusion.
When striking a metal ingot with relatively low pestle speeds, a portion of the ingot which is required to be extruded to complete the operation may harden while still in the ingot. One of the aims of the invention is to allow the extrusion of a metal ingot while preventing hardening inside the ingot.
The method which is the subject of the invention is characterized in that the press is operated from the start to the end of a single extrusion stroke at a pestle speed greater than the highest of said low speeds at which hardening occurs. of said part of the ingot.
The single figure of the appended drawing shows the curve of the real stress, plotted on the y-axis, as a function of the real tension of the material subjected to delivery, shown on the x-axis.
A method is known for determining the <U> minimum </U> um pressure required on the pestle for the extrusion of a metal ingot. This determination involves the equation
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where Y is the pestle loading pressure for an area of the die face of 6.45 cm2, y is the flow limit of the metal, z is the difference between the maximum breaking load (relative to the surface initial)
and the real breaking load (relative to the real area of the extruded section), all these factors being expressed in the same unit, and 0 is the extrusion rate, that is to say the quotient of the area ingot by the surface of the desired upset section.
New tests have shown that this equation can be written more advantageously <I> Y = (a </I> -1- <I> b) </I> 4n where a is the real stress for a maximum tension Emax of the specimen, b is equal to this stress a multiplied by this voltage smaX, and 0 is the extrusion rate. The tension is expressed by the elongation undergone by the tensile specimen under the effect of the load, as a function of its initial length.
The maximum value Emax of this voltage corresponds to the point of rupture of the specimen.
This expression can be put in the form Y = K (a -I- a Em @ x) 4O # 33 K being a numerical constant which is equal to 1.9 for regular full sections, to 2.1 for tubular sections regular, to 2.3 for irregular solid sections, and to 2.5 for irregular hollow sections.
The first equation given above has as a factor the cubic root of the extrusion rate. It has now been found, after further testing on a wide variety of starting materials or metal ingots, that although the solution of this equation gives good results for extrusion when the pestle is given the load corresponding to the minimum pressure thus calculated,
Higher efficiency of the extrusion process can be obtained if the fourth root of the extrusion rate is taken into consideration instead of the cubic root.
It follows that the equation
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where Y = K (a -E- a Em, X) 40a3 must be replaced by the equation Y = K (a -f- a Em ,, x) 40.2 '<B> or Y </B> = KCZ ( 1 -i- Emax) A '' "a being again the real stress given on the curve shown in the drawing for the maximum value of the amyx tension obtained in a tensile test.
We know that there is another factor which plays a role in cold extrusion, and which is the attack speed of the pestle, that is to say the speed of this pestle when it hits the metal ingot. Once the minimum ram load has been calculated as indicated above, it is desirable to adjust the ram attack speed until the temperatures produced in the sliding planes can in turn be controlled so as to increase or decrease the allowed hardening of the metal.
A very high attack speed results in very high temperatures in the sliding planes, resulting in an extrusion giving a completely annealed metal. Low speeds and temperatures produce moderate cure. It is thus possible to control the physical properties of the finished articles.
This known method does not teach how to obtain the speed of the pestle other than by the so-called trial and error method, and the main object of the present invention is to provide a simple method for obtaining the minimum required speed of the pestle beforehand. .
It was known that there is a critical minimum speed of the pestle at or above which the ingot metal ceases to exhibit the hardening properties encountered heretofore. This fact has been confirmed again.
The rate at which the metal is deformed during extrusion can be described as deformation as a function of the speed expressed, for example in centimeters per cm / sec., And, on a theoretical basis which does not take into account the actual change of the dimension of the ingot, this expression is entirely correct. However, as it is sometimes difficult to measure the values from which the deformation function of the speed is calculated, we are referring here not to the deformation speed per unit length of the metal, but to the speed of the pestle which deforms. metal or, in other words,
at the compression rate, it being understood that the rate of deformation of the metal is a critical value, whatever the terminology used. It is known that the modulus of elasticity can be used as a property of the metal to easily determine the velocities of the ram for upsetting this metal.
If the speed of the pestle at the point of impact of a distressed flax is above the critical speed for the metal involved, larger volume ingots can be extruded with high extrusion rates by a single pestle stroke.
To determine the speed of the ram for the extrusion of various metals, it is obviously necessary to know something about the metal as well as the desired extrusion rate. The necessary properties of the metal can be taken from an ordinary curve giving the actual load against the actual tension which is established for most metals.
Such curves are established by subjecting a specimen to tensile strength to failure, determining the load increases required to produce the tensile increases, and accounting for the change in cross section of the specimen resulting from the charge. If such curves are not known, for example for a new alloy, it is possible to establish them by known methods. Once this analysis has been made, the adjustments of the press for the operation according to the present process are quite easy and are carried out simply.
We know that the pestle pressure at constant speed is proportional to a function of the extrusion rate, and that at this constant extrusion rate it is inversely proportional to a function of the speed.
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It is now admitted that in order to be able to determine by calculation the desired minimum critical speed of the ram during extrusion, the following equation can be used
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and that this equation can be used successfully for the cold extrusion of metals which are susceptible to plastic deformation, although it is preferred to use only this equation when dealing with those metals as is. annealing.
The minimum speed of the pestle necessary for the cold extrusion of a metal ingot is therefore obtained by the solution of this equation in which Y is the minimum load pressure of the pestle for a surface area of the face of the die of 6, 45 cmL, MR the modulus of elasticity, e = 2.718 ... (basis of natural logarithms), 4 the rate of extrusion, C = a where a is the real stress at the maximum MR mum MR EmZx of the tension of the specimen, and VR the minimum speed of the pestle.
This equation is also illustrated by the accompanying drawing.
As we have seen above, before determining the minimum speed of the pestle by solving the previous equation, we begin by first determining the minimum pressure on the pestle required for the delivery, by solving the equation Y = Ka (1 -f- am;
@x) @ o.2s Let us consider, as an example, the determination of the minimum speed of the pestle required for the extrusion of a tube obtained from a pure aluminum ingot, i.e. that is, 99.6 to 99.8% purity. Suppose that it is desired to obtain an extruded tube having an outer diameter of 1.82 cm from an ingot having a diameter of 4.45 cm, a length of 7 cm and a hole of 1.82 cm, that is to say a area of 12,
9 cm2. The surface of the extruded tube represents 2% of the surface of the ingot, which gives an extrusion rate equal to 50. It should be noted that, before being able to solve the above equation, tests of tension and compression must be done on metal.
These tests carried out on the Got flax defined above gave a stress a, as defined above, of 1181 kg / cm2, and a tension e = 0.422.
We first apply the equation Y = 2.1 a (1 -I- Emax) 4o.2.1 which gives
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Therefore, if an aluminum ingot of the above dimensions is to be extruded, and the extrusion rate is 50, a minimum loading pressure of 9370 kg / cm2 should be provided on the face of the matrix.
The formula gives Y for an area of 6.45 cm2. As the surface of the ingot, in this case, is 12.9 cm2, the minimum total pestle load must be 9370 - 2 = 18 740 kg We can now solve the equation to determine the minimum speed VR of the pestle .
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By substituting for the letters the values obtained above, and taking for MR, plastic deformation force the value 630 kg / em2, and for C, equal to the load divided by MR, the value 1.88, we finally obtain < B>: </B> VR, = 9.2 cm / sec.
It can thus be seen that, to obtain the extrusion of a pure aluminum ingot of the dimensions given above, it is possible before the extrusion to provide the minimum pressure and the minimum speed of the pestle, the latter being 9 , 2 cm / sec. in the example above .. Note however that the above equation gives the minimum load and the minimum speed, and that to perform the actual extrusion it is advantageous to use a slightly higher pressure,
from 5 to 10% for example, at the calculated <B> <U> minim </U> um </B> pressure.
The best extrusions are obtained at speeds slightly above the calculated VR speed. This is due to the crystallographic arrangement of the various. parts of the ingot, which is such that the calculated VR speed is not sufficient. This increase in VR ensures the compression of the whole ingot at the satisfactory speed.
A large increase in VR produces heating effects from the die, resulting in poor extrusions, due in part to lubrication problems. It has practically been found that the calculated rate must be exceeded by about 20 to 25%.
Let us consider as a second example an alloy of magnesium, silicon and aluminum, the ingot to be extruded having the same dimensions as that of the first example and the required extrusion rate also being 50. We have: 4 = 50, MR = 787.5 kg / <I> ce, </I> a = 1386 kg / cm2 and emnx = 0.409. By applying the equation Y = 2.1 a (1 - @ Emay) Do # 25 we obtain: Y - 10 930 kg / cm2 The minimum pressure load required on the pestle will therefore be 10 930 - 2 = 21 860 kg.
To obtain the minimum speed of the pestle, we apply the equation again
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Finally, VR = 10.5 cm / sec is obtained.