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"PROCEDE DE F'ABRICATION DE TAMBOURS DE FREIN A GARNITURE DE FONTE ET DE STRUCTURES COMPOSITES ANALOGUES"
Cette invention a trait à un procédé pour établir une structure composite, comprenant une virole externe faite d'une tôle su ible d'être façonnée par lami- nage .,ou matriçage et p ealablement façonnée et une garniture ou chemise interne faite d'un métal fondu possé dant des propriétés métallurgiques différentes de celles de la virole externe, les deux éléments étant unis intimement l'un à l'autre par fusion.
Une des structures susceptibles d'être fabriquées très avantageusement par ce procédé est un tambour de frein d'automobile comportant une virole externe en tôle d'acier laminée ou matri- cée, et une garniture ou chemise de freinage interne, en fonte, unie à la virole de façon inséparable,de telle sorte qu'on obtient une surface d'usure interne en fonte et une gaine ou enveloppe externe faite d'un métal tel que l'acier qui ne possède pas la nature cassante de la fonte et est plus tenace, plus durable et plus apte à résister aux efforts, la bande ou garniture interne de fonte résistant beaucoup mieux que l'acier au frottement
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et à l'usure, et la construction composite possédant le faible poids nécessaire.
La présente invention a principalement pour objet un procédé de moulage permettant d'établir une structure composite de ce genre, la fonte étant appliquée à l'état fondu sur la surface interne d'une virole externe animée d'un mouvement de rotation rapide, de façon à constituer une bande ou chemise interne en fonte d'épaisseur constante unie de façon inséparable et de préférence par fusion, à la virole.
Un autre but de l'invention est de permettre de distribuer la fonte à l'état fondu et à une température très élevée sur la virole externe, qu'on préchauffe de préférence de façon d'une part à créer une soudure par fusion entre le métal fondu et la surface interne de la virole et d'autre part à éviter que le métal fondu ne soit refroidi par son contact avec la surface interne de la virole, ce préchauffage présentant en outre l'avantage de dilater la virole de telle sorte que, lors du refroidissement, elle se contracte sur le métal fondu pendant que celui-ci se solidifie, ce qui contribue à assurer l'union intime qu'on cherche à créer entre la bande interne et la virole externe et à éviter en même temps que des efforts internes exagérés soient créés dans le produit composite obtenu.
Un grand nombre d'autres buts et avantages de l'invention seront mis en évidence au cours de la description donnés ci-après en se référant aux dessins annexés dans lesquels:
Fig. 1 est une vue en élévation d'une machine comportant un appareil suivant l'invention agencé pour garnir les viroles métalliques ou pièces analogues de métal fondu.
Fig. 2 est une vue en bout de cette machine.
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Fig. 3 est une vue en plan fragmentaire d'une des extrémités de la machine et représente le creuset ou poche de coulée dans sa position de remplissage.
Fig. 4 est une coupe longitudinale à grande échelle faite par l'axe de l'arbre de la machine.
Fig. 5 est une coupe transversale d'une virole en tale préalablement formée et représente la façon dont on incline la poche pendant la coulée du métal fondu.
Fig. 6 est une coupe longitudinale verticale de la structure composite obtenue à l'achèvement de l'opération.
Fige 7 est une vue perspective d'une poche employée pour contenir et couler le métal fondu.
Fig. 8 est une coupe longitudinale d'un mode de réalisation préféré du mécanisme servant à. maintenir la virole, les mâchoires de maintien étant représentées ouvertes et développées comme elles le sont après l'enlèvement d'une structure composite terminée.
Fig. 9 est une vue en plan avec coupe horizontale partielle représentant une des façons dont on peut chauffer la.partie de la machine qui maintient la virole si un chauffage de ce genre est désiré.
Fige 10 est une vue à grande échelle analogue 1 fig.
5 et représente la façon de couler le métal fondu sur la surface interne de la virole.
Fig. Il est une coupe verticale de fig. 10 et représente la virole en train d'être munie de sa garniture de métal fondu.
Fig. 12 est une coupe transversale 1 grande échelle d'un des cotés de la structure composite terminée.
Fig. 13 est une coupe analogue représentant la façon dont la structure est sectionnée suivant un plan médian pour créer deux ailes de tambour de frein.
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Fig. 14 est une coupe représentant la façon dont une de ces ailes est fixée à la paroi latérale d'un tambour de frein.
La machine représentée comprend un bâti de support 1 sur lequel est montée une poupée 2 munie de deux paliers espacés 3 contenant des roulements à billes convenables 4 servant à supporter une broche ou arbre creux rotatif 5 s'étendant à travers lesdits paliers. A l'extrémité externe de l'arbre 5 se trouve une tête en forme de cloche comprenant une pa roi conique 6 ouverte à son extrémité externe et alésée coniquement et un rebord annulaire 7 allant en s'élargissant vers l'extérieur à partir de ladite paroi. La tête 6,7 peut être recouverte par une enveloppe, représentée en 8 dans la fig. 1.
L'arbre 5 est agencé pour recevoir un mouvement de rotation à des vitesses différentes, selon les dimensions de la structure composite qu'on se propose d'établir. En d'autres termes, pour établir un tambour de frein de grand diamètre, l'arbre devra tourner à une vitesse moindre que pour un tambour de frein de petit diamètre, la vitesse périphérique étant sensiblement la même pour les divers tambours à fabriquer quels qu'en soient les diamètres.
Pour ces raisons et d'autres il est nécessaire de pouvoir faire varier la vitesse du mouvement de rotation entre les limites d'une grande échelle. Un pignon 9 porté par l'arbre 5 peut recevoir sa commande, par une chaîne sans fin 10, d'un pignon 11 monté sur l'arbre d'un moteur à vitesse variable 12 logé, dans le présent exemple, à l'intérieur du bâti creux 1 de la machine (fig. 1). Il est bien entendu que le moteur 12 pourrait être placé à tout endroit approprié, par exemple au-dessus de la machine ou sur un de ses côtés, ou qu'il pourrait être relié directement à l'arbre 5.
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Un arbre tubulaire 13 s'étend sur toute la longueur et au-delà des extrémités de la broche ou arbre 5.
Un tête 14 est fixée à l'extrémité externe de l'arbre 13, près de l'extrémité de l'arbre 5 et à l'intérieur de la tête 6. Sur l'extrémité opposée de l'arbre tubulaire 13 est monté un bottier 15 renfermant un roulement de butée 16. Une barre 17 reliée par une de ses extrémités au boîtier 15 s'étend à partir de ce boîtier à l'alignement de l'arbre 13 et est reliée par son autre extrémité à un piston 18 monté dans un cylindre 19. Le cylindre 19 fait partie intégrante d'une enveloppe 20 fixée à la poupée 2, son rôle étant de supporter le cylindre 19 à l'alignement de l'arbre 13 et 9. un certain écartement de la poupée.
Le cylindre 19 est fermé à chacune de ses extrémités, les deux fonds de cylindre présentant chacun une lumière par laquelle un fluide de travail sous pression peut être admis ou s'échapper, respectivement par des tuyaux 21 reliés par une de leurs extrémités auxdites lumières et par leur autre extrémité à une boîte de distributeur 22 recevant du fluide sous pression d'un tuyau 23. Un distributeur 24 actionné par un levier à main 24a permet d'admettre le fluide sous pression à l'une quelconque des extrémités du cylindre 19 et de le laisser s'échapper de l'extrémité opposée du cylindre par la lumière d'échappement 25.
Il ressort de la description qui précède que le piston 18 peut être amené soit à la position de fig.
8, soit à la position de fig. 4, l'arbre tubulaire 13 et sa tête 14 étant déplacés d'une façon correspondante.
La tête 14 est représentée éloignée de l'extrémité de 1.'arbre 5 dans la fig. 8 et rapprochée de cette extrémité dans la fig. 4.
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Une barre 26 portant un disque 28 à son extrémité externe s'étend axialement à l'intérieur de l'arbre 13 sur la majeure partie de la longueur de cet arbre et prend appui contre un ressort à boudin 27 logé à l'intérieur de l'arbre, entre l'extrémité de ladite barre et un bouchon obturant l'extrémité de l'arbre. Le disque 28 présente une gorge annulaire continue à sa périphérie et sert à actionner un mandrin ou appareil de fixation extensible et contractile, lequel mandrin est composé d'une série de segments présentant chacun une paroi interne courbe 30 présentant des rainures 31, une paroi externe conique 32, une extrémité externe 33 reliant les parois 30 et 32 et une extrémité interne 34 reliant ces parois à leurs bords internes.
De l'extrémité arrière de chacun des segments creux ainsi constitués s'étend radialement vers l'intérieur, jusqu'au disque 28, une aile sensiblement trapézoidale 35 dont l'extrémité interne est munie d'un doigt arrondi 36 qui pénètre dans la gorge annulaire 29 du disque 28. La capacité 37 constituée par les parois 30 et 32 et les extrémités 30 et 34 de chaque segment peut être remplie d'une matière calorifuge convenable empêchant notablement ou réglant la dissipation de chaleur ainsi qu'on le verra plus loin.
De cette manière, lorsqu'une virole de tambour de frein préchauffée à une température élevée est maintenue dans le mandrin, la chaleur de cette virole ne se dissipe pas rapidement et sa température'reste à la valeur élevée désirée. Les segments sont munis chacun d'un doigt 38 s'étendant vers l'intérieur et relié de façon pivotante à des oreilles 39 s'étendant radialement à partir de la tête 14. Sur le coté interne et l'extrémité externe de chacun des segments du mandrin décrit est prévue une
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lèvre segmentaire 40 s'étendant vers l'intérieur.
Il est évident que lorsqu'on admet du fluide sous pression à l'extrémité interne du cylindre 19, en supposant les pièces dans la position de fig. 8, le piston 18 est amené à la position de fig. 4 et entraîne dans ce mouvement l'arbre tubulaire 13 et sa tête 14, qui, étant donné qu'elle est reliée par les doigts 38 aux divers segments du mandrin, fait mouvoir également ces segments vers l'intérieur en les obligeant à se refermer les uns sur les autres comme représenté dans la fig. 4, en raison du contact des parois externes coniques 32 desdits segments avec la surface interne conique complémentaire du rebord 7.
Ce mouvement du piston a aussi pour effet de faire mouvoir le disque 28 vers l'intérieur, la barre 26 se mouvant en surmontant la résistance du ressort 27. Dans la position de fig. 4, le mandrin ou appareil de fixation composé des divers segments décrits qui ont été refermés étroitement les uns contre les autres est sensiblement circulaire et des structures telles qu'une virole de tambour de frein préalablement établie peuvent être serrées dans ce mandrin dont la forme est déterminée par celle de la virole qu'on se propose de garnir. Il convient que le diamètre interne du mandrin fermé soit tel qu'il effectue une légère compression de la virole préalablement établie après que cette virole a. été chauffée à sa température maximum désirée, comme on le verra ci-après plus en détail.
41 désigne une virole, de préférence faite de métal forgé et munie d'ondulations 42 constituant des rainures annulaires sur la face interne de ladite virole et de rebords latéraux continus 43. Dans la mise en pratique du présent procédé, on chauffe une virole de .ce genre à toute température désirée, usuellement comprise entre
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650 et 870 C. Le mandrin segmentaire ayant été développé comme dans la fig. 8, on place la virole chauffée dans ce mandrin et manoeuvre la poignée 24 pour admettre du fluide sous pression contre la face interne du piston.
Comme précédemment décrit, ceci a pour effet de refermer le mandrin sur la virole chauffée, qui est ainsi fermement serrée et fixée de façon à participer au mouvement de rotation du mandrin. Les segments au mandrin décrit présentent des rainures 31, mais il est évident que la nature de ces rainures ou leur présence ou absence dépendront du type particulier et de la forme de la virole qu'on se propose de garnir. Lorsque les segments du mandrin embrassent la virole, c'est-à-dire lorsqu'ils occupent la position de fermeture représentée dans la fig. 4, il est nécessaire qu'ils constituent un support sensiblement continu autour de la périphérie entière de la virole afin d'empêcher la déformation de la virole chauffée.
Les reborde 43 ont pour rôle de retehir le métal fondu à l'intérieur de la virole et de permettre de donner toute épaisseur désirée à la garniture de fonte.
On voit en outre que lorsque l'appareil occupe la position représentée dans la fig. 8 où il est prêt à recevoir la virole, il n'existe aucune liaison d'entraînement permettant de faire tourner l'arbre tubulaire 13, la tête 14 et les segments y reliés du mandrin par l'ensemble de l'arbre 5 et de la tête 6 lorsqu'on fait tourner cet ensemble. Toutefois, lorsque le piston 18 a été déplacé pour rentrer le mandrin à l'intérieur de la tête 6, il s'établit entre les segments et le rebord 7 ainsi qu'entre la tête 14 et l'arbre 5, comme indiqué en 14a, un accouplement à friction qui assure la rotation de la virole fixée à l'intérieur du mandrin.
La barre 26 sou-
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mise à l'action du ressort à boudin comprimé 27 a pour rôle de dilater automatiquement les segments de façon à permettre l'enlèvement du tambour à l'achèvement de l'op- ération ainsi que de maintenir un contact à friction entre le rebord 7 et les divers segments du mandrin.
Une console de support 44 (fig. 1) prévue à l'une des extrémités du bâti supporte l'enveloppe 8 et est aussi utilisée pour le montage d'une potence 45 destinée à supporter un creuset ou poche de coulée. La potence 45 présente à l'une de ses extrémités une saillie cylindrique verticale 46 montée sur une saillie similaire ou douille 47, qui est elle-même montée de façon réglable, comme indiqué en 48, sur la console 44. La potence 45 est coudée vers le haut à son extrémité libre 45. La poche de coulée 49, représentée dans la fig.
7, est munie près d'une de ses extrémités d'oreilles 50 destinées à être assemblées de façon pivotante, en 51, avec l'extrémité relevée 45a de la potence 45. Pour protéger la poche. et éviter qu'elle soit brûlée ou fondue par le métal fondu, la poche est garnie intérieurement d'une matière réfractaire convenable.
La potence 45 est munie d'un bras 52 (fig. 2) qui s'étend vers le bas et à l'extrémité duquel est relié de façon pivotante un cylindre à air 53 disposé verticalement. Une tige de piston 54 actionnée par de l'air comprimé admis à l'extrémité inférieure du cylindre 53 s'élève au-dessus de l'extrémité supérieure dudit cylindre et pivote par son extrémité supérieure sur d'autres oreilles s'étendant vers le bas à partir eu cote inférieur de la poche 49, la. disposition étant telle que, lorsque la tige de piston 54 s'élève, la poche s'incline à partir de sa position horizontale représentée dans la fig. 2 jusqu'à la position de coulée représentée dans les fig. 5 et 10.
L'air est admis
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graduellement au cylindre 55, de sorte que la poche s'incline non pas instantanément, mais progressivement, de préférence pendant l'intervalle d'une période pouvant varier de 3 à 5 secondes. Bien que, dans le mode de réalisation décrit, la commande du piston 54 qui sert à incliner la poche 49 y reliés soit effectuée à l'aide d'air comprimé, il est évident que cette commande pourrait être effectuée d'un grand nombre d'autres façons. Par exemple, on pourrait in- ciner la poche manuellement, avoir recours à un liquide sous pression ou effectuer le mouvement graduel de la poche à l'aide de toute autre force convenable. La poche présente sur un de ses bords supérieurs une dépression ou entaille 55 et sur son autre bord une dépression ou entaille 56 (fig.
7). L'entaille 55 gouverne le niveau du métal fondu que renferme la poche lorsqu'elle est remplie, tandis que l'entaille 56, plus longue, gouverne le largeur de la nappe de métal fondu qui se déverse hors de la poche lorsqu'on l'incline.
L'air comprimé est admis à la partie inférieure du cylindre 53, dans le but d'élever la tige 54 et d'incliner la poche, par un tube 59 qui le reçoit d'un tuyau 57 par l'intermédiaire d'un distributeur 58 propre à permettre de régler le courant d'air de façon à assurer l'inclinaison graduelle de la poche pour permettre de couler une nappe uniforme de métal fondu depuis le moment où la poche commence à s'incliner jusqu'au moment où elle est complètement inclinée et où tout le'métal fondu qu'elle contenait a été déversé.
La tête 6 doit pouvoir être chauffée initialement et, si nécessaire, soit d'une façon continue, soit par intervalles, suivant qu'il peut être désirable. Fig. 9 représente une façon dont cette tête peut être chauffée à l'aide
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d'un élément de chauffage électrique 60 qui l'entoure partiellement. Dans la pratique, au commencement de l'opération de la machine, on peut aussi chauffer initialement la tête 6 par un chalumeau et s'en reposer ensuite sur la chaleur transmise par les viroles chauffées 41 et le métal fondu coulé à l'intérieur desdites viroles pour maintenir cette tête à la température de travail désirée.
Comme représenté dans la fig. 4, l'arbre 5 peut aussi être muni de tout frein convenable permettant d'arrêter sa rotation, 61 indiquant un frein magnétique approprié au but visé.
Le mandrin occupant sa position externe de fig. 8, on place une virole 41, préalablement chauffée à la température désirée, à l'intérieur des segments développés dudit mandrin et fait mouvoir la poignée 24a de la position de fig. 8 à celle de fig. 4, ce qui a pour effet d'amener le mandrin avec la virole à la position de fig. 4. On remplit de préférence la poche 49 de métal fondu pendant que cette poche occupe sa position externe représentée dans la fig. 3. La poche est complétement remplie de métal fondu 62 jusqu'au moment où celui-ci se déverse par l'entaille de trop-plein 55. On fait alors pivoter la poche pour l'amener à la position représentée dans les fig. 1 et 4, cette poche étant ainsi partiellement introduite à l'intérieur d'une virole 41 maintenue dans le mandrin.
On manoeuvre le distributeur 58 pour admettre de l'air comprimé au cylindre 53, ce qui incline la poche d'une façon continue de telle sorte que le métal fondu coule sous forme d'une nappe mince hors de ladite poche par l'entaille large 56 et tombe dans le tambour rotatif.
Avant de placer la virole à l'intérieur du mandrin, on nettoie parfaitement sa surface interne et on peut
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traiter cette surface de quelque autre manière propre à la protéger contre l'oxydation, la formation de battitures, etc... en se servant à cet effet de tout fondant à soudure convenable bien connu de l'homme du métier.
Pour obtenir les meilleurs résultats dans la fabrication de structures métalliques cylindriques composites du genre décrit et dans lequel la virole est faite d'une tôle d'acier laminée ou matricée et la garniture de fonte de fer, il convient que la température du fer fondu soit supérieure à 1550 C et que la virole soit préchauffée à une température de 650 C ou à une température supérieure. La nature de la bande de matal solidifié dépend beaucoup de la température que possède le métal au moment où on le coule et de la vitesse à laquelle on fait tourner la virole pendant que s'effectue la solidification.
Il convient en outre que la vitesse à laquelle la virole tourne soit relativement faible pendant la période pendant laquelle le métal fondu se dépose, étant donné que, si la virole tournait à une vitesse élevée au commencement, le métal fondu aurait tendance à se répandre ou à être projeté extérieurement. Toutefois, si cette vitesse de rotation était maintenue basse, à mesure que la quantité de métal fondu déposée augmente, l'action centrifuge ne suffirait pas pour maintenir le métal contre la surface interne de la virole rotative. Dans le cas de tambours de frein garnis de fonte, il convient que la vitesse périphérique de la virole, pendant la coulée, ne dépasse pas 135 mètres à 180 mètres environ par minute.
Toutefois, lorsque le métal a été déposé dans la virole rotative à cette vitesse, de telle sorte qu'il ne risque pas d'être projeté et de se répandre au dehors, et qu'il a été uniformément distribué sur la surface interne de la virole, il est important que la vitesse de rotation soit augmentée rapidement jusqu'à ce
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que la vitesse périphérique de la virole ait atteint au moins 1050 mètres par minute, avant que le métal fondu ait passé de l'état liquide à l'état solide. La vitesse peut d'ailleurs excéder 1050 mètres par minute et n'est limitée que par la résistance mécanique de la virole et de son mandrin de support, afin d'éviter une rupture susceptible de résulter des forces centrifuges.
On constate que le fait d'augmenter rapidement la vitesse de rotation à une valeur au moins égale ou supérieure à 1050 mètres par minute pendant que le métal fondu est encore à l'état liquide assure l'expulsion de tous gaz,, air et matières étrangères telles que des scories ou battitures hors dudit métal fondu sous l'action des forces centrifuges.
Le gaz et l'air sont expulsés et les matières étrang- ères telles que : scories, battitures, etc. sont amenées à la surface interne de la bande fondue, d'où on peut les enlever par une opération d'usinage telle que celle exécutée pour finir le tambour de frein, de telle sorte qu'on obtient un tambour à garniture de fonte perfectionné.
Lorsque le métal fondu a été coulé à l'aide de la poche 49, on ouvre le distributeur 58 pour produire l'échappement de l'air comprimé, de telle sorte que la poche revient à sa position initiale et qu'on peut alors la faire pivoter vers l'extérieur jusqu'à la position de fig. 3. La rotation du tambour continue jusqu'à ce que le métal fondu ait été solidifié. On arrête alors le moteur 12, ce qui ralentit progressivement la vitesse des pièces rotatives jusqu'à ce que ces pièces aient été complètement arrêtées.
Cet arrêt graduel ou progressif est désirable et la machine représentée permet de réaliser facilement l'accroissement de vitesse progressif à la mise en marche et la diminution de vitesse progressive à l'arrêt.
Lorsque le métal fondu qui a été déposé sur la surface
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interne du tambour s'est solidifié, on manoeuvre de nouveau la poignée 24 pour l'amener à la position de fig. 8, les pièces venant alors occuper la position de fig. 4 dans la- quelle la structure composite, comprenant la virole de tôle externe et la garniture de fonte fermement unies l'une à l'autre, peut être retirée du mandrin segmentaire, la ma- chine étant de nouveau à l'état voulu pour répéter l'opér- ation.
La température du métal fondu, dans le cas de'la fonte de fer, atteint quelque fois 1650 C ou davantage et l'ap- plication de températures élevées de ce genre en combinaison avec la coulée du métal et le choc dudit métal contre la surface interne de la virole et avec le préchauffage décrit de la virole assure une union parfaite entre la bande de métal fondu et la virole externe. Il se produit une fusion entière ou partielle de la surface interne entière de la virole et, par suite, une union sensiblement intégrale entre les deux éléments, qui peuvent être considérés comme d'une seule pièce.
Le procédé décrit présente une grande utilité pratique pour beaucoup d'objets et, en particulier, les tambours de frein. Tous les avantages tels que: résistance mécanique, ténacité, etc.. de l'acier laminé sont combinés avec tous les avantages de la fonte, considérée comme surface d'usure et de freinage, et les inconvénients que présenterait l'em- ploi de chacun de ces éléments séparément sont évités. On obtient la légéreté nécessaire qu'il serait impossible d'ob- tenir si la fonte était employée seule et tous les avanta- ges que possède la fonte dans l'une quelconque de ses com- positions applicables à titre de surface de freinage.
Dans le cas d'un tambour de frein en acier laminé à garniture de fonte de fer, la température du métal fondu @
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et la température à laquelle la virole d'acier du tambour est préchauffée peuvent varier. par exemple, si la température du métal fondu n'est pas supérieure à 1550 C, il convient que la virole soit préchauffée ;,au-dessus de 650 C, mais si l'on augmente la température du métal fondu, on peut diminuer celle de la virole, le degré de préchauffage de la virole dépendant de la température du métal fondu.
En fait, dans la pratique, si le métal fondu est coulé une température supérieure à 1650 C, on peut se dispenser de préchauffer la virole et obtenir néammoins une union parfaite dans un grand nombre de cas, bien qu'il soit recommandable de chauffer la virole pour avoir la certitude d'une union parfaite.
Il est en outre évident que l'union de métaux tels que la fonte et l'acier forgé par fusion dépend dans une grande mesure de la composition des métaux. Lorsque le métal fondu contient un grand pourcentage de silicium, soufre, phosphore ou autres éléments d'alliages relativement mous, on peut abaisser la température de ce métal, au contraire, l'incorporation de carbone, magnésium ou autres éléments d'alliages de grande dureté rend nécessaire d'élever la température du métal fondu pour créer une union convenable par fusion.
Bans l'application de l'invention aux tambours de frein, application qui est particulièrement avantageuse mais à laquelle l'invention n'est limitée en aucune façon, on remarquera qu'on utilise une virole de largeur double telle que 41 munie de deux nervures annulaires 42 et de deux rebords 43 et munit cette virole d'une garniture 64 de largeur double. Cette virole de largeur double est destinée à être divisée en deux moitiés identiques par uri plan situé à midistance entre ses côtés, comme indiqué en 65 dans la fig.
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13, de telle sorte qu'on obtient un tambour de frein annulaire à garniture de fonte de largeur convenable muni d'un rebord latéral auquel on,peut fixer une paroi de support 66, faite de la même matière que la virole 41, par une soudure par points. Il est par conséquent possible de doubler la production par l'application de viroles de largeur double tout en constituant de part et d'autre de 1a bande annulaire externe 41 et les rebords 43 qui ont pour rôle de retenir le métal fondu et de l'empêcher de se répandre, ces rebords étant utiles ultérieurement pour terminer le tambour de frein.
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"METHOD OF MANUFACTURING CAST IRON-LINED BRAKE DRUMS AND SIMILAR COMPOSITE STRUCTURES"
This invention relates to a method for establishing a composite structure, comprising an outer shell made of sheet metal capable of being formed by rolling, or die-stamping and possibly shaped and an inner liner or liner made of a sheet metal. molten metal having metallurgical properties different from those of the outer shell, the two elements being intimately united to one another by fusion.
One of the structures capable of being manufactured very advantageously by this process is an automobile brake drum comprising an outer shell made of rolled or die-cast sheet steel, and an internal brake lining or liner, made of cast iron, joined to one another. the ferrule inseparably, so that an internal wear surface of cast iron and an outer sheath or shell made of a metal such as steel which does not have the brittle nature of cast iron and is more tenacious, more durable and more able to withstand stress, the internal cast iron strip or lining resists friction much better than steel
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and wear, and the composite construction having the necessary low weight.
The main object of the present invention is a molding process making it possible to establish a composite structure of this kind, the cast iron being applied in the molten state to the internal surface of an external ferrule driven by a rapid rotational movement, of so as to constitute an internal band or cast iron jacket of constant thickness united inseparably and preferably by fusion, to the shell.
Another object of the invention is to make it possible to distribute the cast iron in the molten state and at a very high temperature on the outer shell, which is preferably preheated so as on the one hand to create a fusion weld between the molten metal and the internal surface of the shell and on the other hand to prevent the molten metal from being cooled by its contact with the internal surface of the shell, this preheating also having the advantage of expanding the shell so that , during cooling, it contracts on the molten metal while the latter solidifies, which helps to ensure the intimate union that one seeks to create between the internal band and the external shell and to avoid at the same time exaggerated internal forces are created in the resulting composite product.
A large number of other objects and advantages of the invention will be demonstrated during the description given below with reference to the accompanying drawings in which:
Fig. 1 is an elevational view of a machine comprising an apparatus according to the invention arranged to line the metal ferrules or similar parts with molten metal.
Fig. 2 is an end view of this machine.
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Fig. 3 is a fragmentary plan view of one end of the machine and shows the crucible or ladle in its filling position.
Fig. 4 is a longitudinal section on a large scale taken through the axis of the machine shaft.
Fig. 5 is a cross section of a previously formed tale ferrule and shows how the ladle is tilted during the pouring of molten metal.
Fig. 6 is a vertical longitudinal section of the composite structure obtained at the end of the operation.
Fig 7 is a perspective view of a pocket used to contain and flow molten metal.
Fig. 8 is a longitudinal section of a preferred embodiment of the mechanism for. maintaining the ferrule, the holding jaws being shown open and developed as they are after removal of a completed composite structure.
Fig. 9 is a plan view partially in horizontal section showing one of the ways in which the part of the machine which holds the ferrule can be heated if such heating is desired.
Fig 10 is a large scale view similar to 1 fig.
5 and shows how the molten metal is poured onto the inner surface of the ferrule.
Fig. It is a vertical section of fig. 10 and shows the ferrule being fitted with its molten metal lining.
Fig. 12 is a large-scale cross section of one side of the finished composite structure.
Fig. 13 is a similar section showing how the structure is sectioned along a median plane to create two brake drum wings.
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Fig. 14 is a section showing how one of these wings is attached to the side wall of a brake drum.
The machine shown comprises a support frame 1 on which is mounted a headstock 2 provided with two spaced apart bearings 3 containing suitable ball bearings 4 for supporting a rotating spindle or hollow shaft 5 extending through said bearings. At the outer end of the shaft 5 is a bell-shaped head comprising a conical pa king 6 open at its outer end and conically reamed and an annular flange 7 extending outwardly from said wall. The head 6, 7 may be covered by an envelope, shown at 8 in FIG. 1.
The shaft 5 is arranged to receive a rotational movement at different speeds, depending on the dimensions of the composite structure that it is proposed to establish. In other words, to establish a brake drum of large diameter, the shaft will have to rotate at a lower speed than for a brake drum of small diameter, the peripheral speed being substantially the same for the various drums to be manufactured whatever. 'be the diameters.
For these and other reasons it is necessary to be able to vary the speed of the rotational movement between the limits of a large scale. A pinion 9 carried by the shaft 5 can receive its control, by an endless chain 10, from a pinion 11 mounted on the shaft of a variable speed motor 12 housed, in the present example, inside of the hollow frame 1 of the machine (fig. 1). It is understood that the motor 12 could be placed at any suitable place, for example above the machine or on one of its sides, or that it could be connected directly to the shaft 5.
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A tubular shaft 13 extends the entire length and past the ends of the spindle or shaft 5.
A head 14 is attached to the outer end of the shaft 13, near the end of the shaft 5 and inside the head 6. On the opposite end of the tubular shaft 13 is mounted a housing 15 enclosing a thrust bearing 16. A bar 17 connected at one end to the housing 15 extends from this housing to the alignment of the shaft 13 and is connected at its other end to a piston 18 mounted in a cylinder 19. The cylinder 19 is an integral part of a casing 20 fixed to the doll 2, its role being to support the cylinder 19 in alignment with the shaft 13 and 9. a certain spacing of the doll.
The cylinder 19 is closed at each of its ends, the two cylinder heads each having an opening through which a pressurized working fluid can be admitted or escaped, respectively by pipes 21 connected by one of their ends to said openings and by their other end to a distributor box 22 receiving pressurized fluid from a pipe 23. A distributor 24 actuated by a hand lever 24a makes it possible to admit the pressurized fluid to any one of the ends of the cylinder 19 and to let it escape from the opposite end of the cylinder through the exhaust port 25.
It emerges from the above description that the piston 18 can be brought either to the position of FIG.
8, or in the position of fig. 4, the tubular shaft 13 and its head 14 being moved in a corresponding manner.
The head 14 is shown remote from the end of the shaft 5 in FIG. 8 and brought closer to this end in FIG. 4.
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A bar 26 carrying a disc 28 at its outer end extends axially inside the shaft 13 over the major part of the length of this shaft and bears against a coil spring 27 housed inside the shaft. 'shaft, between the end of said bar and a plug closing the end of the shaft. The disc 28 has an annular groove continuous at its periphery and serves to actuate an expandable and contractile mandrel or fixing device, which mandrel is composed of a series of segments each having a curved inner wall 30 having grooves 31, an outer wall conical 32, an outer end 33 connecting the walls 30 and 32 and an inner end 34 connecting these walls to their inner edges.
From the rear end of each of the hollow segments thus formed extends radially inward, up to the disc 28, a substantially trapezoidal wing 35 whose internal end is provided with a rounded finger 36 which penetrates into the groove. annular 29 of the disc 28. The capacity 37 formed by the walls 30 and 32 and the ends 30 and 34 of each segment can be filled with a suitable heat-insulating material which notably prevents or regulates the dissipation of heat as will be seen later. .
In this way, when a brake drum ferrule preheated to a high temperature is maintained in the mandrel, the heat of this ferrule does not quickly dissipate and its temperature remains at the desired high value. The segments are each provided with a finger 38 extending inwardly and pivotally connected to lugs 39 extending radially from the head 14. On the inner side and the outer end of each of the segments of the described mandrel is provided a
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segmental lip 40 extending inward.
It is evident that when fluid under pressure is admitted to the internal end of cylinder 19, assuming the parts in the position of FIG. 8, the piston 18 is brought to the position of FIG. 4 and drives in this movement the tubular shaft 13 and its head 14, which, given that it is connected by the fingers 38 to the various segments of the mandrel, also causes these segments to move inwards, forcing them to close. on top of each other as shown in fig. 4, due to the contact of the conical outer walls 32 of said segments with the complementary conical inner surface of the rim 7.
This movement of the piston also has the effect of causing the disc 28 to move inwardly, the bar 26 moving overcoming the resistance of the spring 27. In the position of FIG. 4, the mandrel or fixing apparatus composed of the various segments described which have been closed tightly against each other is substantially circular and structures such as a previously established brake drum ferrule can be clamped in this mandrel whose shape is determined by that of the shell that we propose to garnish. The internal diameter of the closed mandrel should be such that it performs a slight compression of the previously established ferrule after this ferrule has. been heated to its maximum desired temperature, as will be seen below in more detail.
41 denotes a ferrule, preferably made of forged metal and provided with corrugations 42 constituting annular grooves on the internal face of said ferrule and continuous lateral flanges 43. In the practice of the present method, a ferrule is heated. this kind at any desired temperature, usually between
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650 and 870 C. The segmental mandrel having been developed as in fig. 8, the heated ferrule is placed in this mandrel and the handle 24 is operated to admit pressurized fluid against the internal face of the piston.
As previously described, this has the effect of closing the mandrel on the heated ferrule, which is thus firmly clamped and fixed so as to participate in the rotational movement of the mandrel. The mandrel segments described have grooves 31, but it is obvious that the nature of these grooves or their presence or absence will depend on the particular type and on the shape of the shell which it is proposed to fill. When the segments of the mandrel embrace the ferrule, that is to say when they occupy the closed position shown in FIG. 4, it is necessary that they constitute a substantially continuous support around the entire periphery of the ferrule in order to prevent deformation of the heated ferrule.
The rims 43 have the role of retehir the molten metal inside the shell and to give any desired thickness to the cast iron lining.
It can also be seen that when the apparatus occupies the position shown in FIG. 8 where it is ready to receive the ferrule, there is no drive connection making it possible to rotate the tubular shaft 13, the head 14 and the segments of the mandrel connected thereto by the assembly of the shaft 5 and of head 6 when this assembly is rotated. However, when the piston 18 has been moved to retract the mandrel inside the head 6, it settles between the segments and the flange 7 as well as between the head 14 and the shaft 5, as indicated at 14a. , a friction coupling which ensures the rotation of the ferrule fixed inside the mandrel.
The 26 bar is
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actuation of the compressed coil spring 27 has the role of automatically expanding the segments so as to allow removal of the drum on completion of the operation as well as to maintain frictional contact between the flange 7 and the various segments of the mandrel.
A support bracket 44 (fig. 1) provided at one end of the frame supports the casing 8 and is also used for mounting a bracket 45 intended to support a crucible or ladle. The bracket 45 has at one of its ends a vertical cylindrical projection 46 mounted on a similar projection or bush 47, which is itself mounted in an adjustable manner, as indicated at 48, on the bracket 44. The bracket 45 is angled. upwards at its free end 45. The ladle 49, shown in FIG.
7, is provided near one of its ends of ears 50 intended to be assembled in a pivoting manner, at 51, with the raised end 45a of the bracket 45. To protect the pocket. and to prevent it from being burned or melted by the molten metal, the ladle is lined internally with a suitable refractory material.
The bracket 45 is provided with an arm 52 (Fig. 2) which extends downwardly and at the end of which is pivotally connected an air cylinder 53 arranged vertically. A piston rod 54 actuated by compressed air admitted to the lower end of the cylinder 53 rises above the upper end of said cylinder and pivots at its upper end on other lugs extending towards the left. bottom from the lower side of pocket 49, la. arrangement being such that when the piston rod 54 rises, the pocket tilts from its horizontal position shown in FIG. 2 up to the casting position shown in fig. 5 and 10.
Air is admitted
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gradually to cylinder 55, so that the pocket tilts not instantaneously, but gradually, preferably over the interval of a period which may vary from 3 to 5 seconds. Although, in the embodiment described, the control of the piston 54 which serves to tilt the pocket 49 connected thereto is effected by means of compressed air, it is obvious that this control could be effected from a large number of 'other ways. For example, one could tilt the bag manually, use a pressurized liquid, or effect the gradual movement of the bag using any other suitable force. The pocket has a depression or notch 55 on one of its upper edges and a depression or notch 56 on its other edge (fig.
7). Notch 55 governs the level of molten metal contained in the ladle when filled, while notch 56, which is longer, governs the width of the sheet of molten metal which flows out of the ladle when it is filled. 'inclined.
The compressed air is admitted to the lower part of the cylinder 53, with the aim of raising the rod 54 and tilting the pocket, by a tube 59 which receives it from a pipe 57 via a distributor 58 adapted to allow the air flow to be adjusted so as to ensure the gradual inclination of the ladle to allow a uniform sheet of molten metal to flow from the moment when the ladle begins to tilt until the moment when it is completely tilted and where all the molten metal it contained was dumped.
The head 6 should be able to be heated initially and, if necessary, either continuously or at intervals, as may be desirable. Fig. 9 shows one way in which this head can be heated using
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an electric heating element 60 which partially surrounds it. In practice, at the beginning of the operation of the machine, it is also possible to initially heat the head 6 by a torch and then rely on the heat transmitted by the heated ferrules 41 and the molten metal cast inside said. ferrules to maintain this head at the desired working temperature.
As shown in fig. 4, the shaft 5 can also be provided with any suitable brake making it possible to stop its rotation, 61 indicating a magnetic brake suitable for the intended purpose.
The mandrel occupying its external position of FIG. 8, a ferrule 41, previously heated to the desired temperature, is placed inside the developed segments of said mandrel and the handle 24a is moved from the position of FIG. 8 to that of fig. 4, which has the effect of bringing the mandrel with the ferrule to the position of FIG. 4. The pocket 49 is preferably filled with molten metal while this pocket occupies its external position shown in FIG. 3. The ladle is completely filled with molten metal 62 until the latter pours out through the overflow notch 55. The ladle is then rotated to bring it to the position shown in FIGS. 1 and 4, this pocket thus being partially introduced inside a ferrule 41 held in the mandrel.
The distributor 58 is operated to admit compressed air to the cylinder 53, which tilts the pocket in a continuous fashion so that the molten metal flows in the form of a thin sheet out of said pocket through the wide notch. 56 and falls into the rotating drum.
Before placing the ferrule inside the mandrel, its internal surface is perfectly cleaned and it is possible to
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treat this surface in some other way suitable for protecting it against oxidation, the formation of scale, etc., using for this purpose any suitable solder flux well known to those skilled in the art.
To obtain the best results in the manufacture of composite cylindrical metal structures of the kind described and in which the ferrule is made of a rolled or die-forged steel sheet and the liner of cast iron, the temperature of the molten iron should be greater than 1550 C and that the shell is preheated to a temperature of 650 C or higher. The nature of the solidified matal strip depends very much on the temperature the metal has when it is poured and the speed at which the ferrule is rotated while solidification is taking place.
In addition, the speed at which the ferrule rotates should be relatively low during the period in which the molten metal is settling, since if the ferrule were to rotate at a high speed initially, the molten metal would tend to spill out or to be projected externally. However, if this rotational speed were kept low, as the amount of molten metal deposited increases, the centrifugal action would not be sufficient to hold the metal against the inner surface of the rotating ferrule. In the case of brake drums lined with cast iron, the peripheral speed of the ferrule during casting should not exceed approximately 135 meters to 180 meters per minute.
However, when the metal has been deposited in the rotating ferrule at this speed, so that it is not liable to be thrown and spilled out, and that it has been evenly distributed over the inner surface of the ferrule, it is important that the speed of rotation is increased rapidly until
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that the peripheral speed of the shell has reached at least 1050 meters per minute, before the molten metal has passed from the liquid state to the solid state. The speed can moreover exceed 1050 meters per minute and is limited only by the mechanical resistance of the shell and of its support mandrel, in order to avoid a rupture liable to result from centrifugal forces.
It is noted that the fact of rapidly increasing the speed of rotation to a value at least equal to or greater than 1050 meters per minute while the molten metal is still in the liquid state ensures the expulsion of all gases, air and materials. foreign materials such as slag or scale outside said molten metal under the action of centrifugal forces.
Gas and air are expelled and foreign matter such as: slag, scale, etc. are brought to the inner surface of the molten strip, from where they can be removed by a machining operation such as that performed to finish the brake drum, so as to obtain an improved cast-lined drum.
When the molten metal has been poured with the aid of the ladle 49, the distributor 58 is opened to produce the exhaust of the compressed air, so that the ladle returns to its initial position and can then be removed. rotate outwards to the position of fig. 3. Drum rotation continues until the molten metal has solidified. The motor 12 is then stopped, which progressively slows down the speed of the rotating parts until these parts have been completely stopped.
This gradual or gradual stopping is desirable and the machine shown makes it easy to achieve the gradual increase in speed when starting and the gradual decrease in speed when stopping.
When the molten metal that has been deposited on the surface
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internal drum has solidified, the handle 24 is maneuvered again to bring it to the position of FIG. 8, the parts then coming to occupy the position of FIG. 4 in which the composite structure, comprising the outer sheet metal ferrule and the cast iron liner firmly united to one another, can be removed from the segmental mandrel, the machine being again in the state required for repeat the operation.
The temperature of the molten metal, in the case of iron casting, sometimes reaches 1650 C or more and the application of such high temperatures in combination with the pouring of the metal and the impact of said metal against the surface. internal of the shell and with the preheating described of the shell ensures a perfect union between the molten metal strip and the outer shell. There occurs a full or partial melting of the entire internal surface of the shell and, as a result, a substantially integral union between the two elements, which can be considered as one piece.
The described method has great practical utility for many objects and, in particular, brake drums. All the advantages such as: mechanical resistance, toughness, etc. of rolled steel are combined with all the advantages of cast iron, considered as a wear and braking surface, and the drawbacks that the use of each of these separately are avoided. There is obtained the necessary lightness which would be impossible to obtain if cast iron were used alone and all the advantages which cast iron possesses in any of its compositions applicable as a braking surface.
In the case of a rolled steel brake drum with a cast iron lining, the temperature of the molten metal @
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and the temperature to which the steel shell of the drum is preheated can vary. for example, if the temperature of the molten metal is not higher than 1550 C, the ferrule should be preheated;, above 650 C, but if the temperature of the molten metal is increased, it can be reduced of the shell, the degree of preheating of the shell depending on the temperature of the molten metal.
In fact, in practice, if the molten metal is poured at a temperature above 1650 C, it is possible to dispense with preheating the shell and still obtain a perfect union in a large number of cases, although it is advisable to heat the shell. ferrule to have the certainty of a perfect union.
It is further evident that the union of metals such as cast iron and fusion forged steel depends to a great extent on the composition of the metals. When the molten metal contains a large percentage of silicon, sulfur, phosphorus or other relatively soft alloying elements, the temperature of this metal can be lowered, on the contrary, the incorporation of carbon, magnesium or other high alloy elements. hardness makes it necessary to raise the temperature of the molten metal to create a proper fusion union.
Bans applying the invention to brake drums, an application which is particularly advantageous but to which the invention is not limited in any way, it will be noted that a double-wide ferrule such as 41 is used, provided with two ribs. annular 42 and two flanges 43 and provides this ferrule with a lining 64 of double width. This double-wide ferrule is intended to be divided into two identical halves by a plane located midway between its sides, as indicated at 65 in FIG.
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13, so that an annular brake drum with cast iron lining of suitable width is obtained provided with a side flange to which can be attached a support wall 66, made of the same material as the ferrule 41, by a spot welding. It is therefore possible to double the production by the application of double-wide ferrules while constituting on either side of the outer annular band 41 and the flanges 43 which have the role of retaining the molten metal and prevent spillage, these edges being useful later in terminating the brake drum.