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" Durcissement de la surface des objets en métal
L'invention concerne le durcissement superficiel de por- tions localisées de surfaces, en particulier de forme circu- laire, telles que les têtes de boulons, les vis de réglage de poussoirs et les percuteurs, ainsi que les surfaces annulaires, telles que les anneaùx de roulement à billes et les petites couronnes dentées.
'Le durcissement superficiel des objets dont la surface est d'étendue limitée s'effeectue par un procédé appelé ,trempe par points-. Ce procédé consiste a faire agir la chaleur à hau- te température, sur la surface à traiter, de façon à faire pren- dre à la totalité de la surface la température nécessaire sans Imprimer aucun mouvement relatif à la surface et au dispositif de chauffage pendant la période de chauffage. Lorsque la sur- face a atteint la température nécessaire, on interrompt l'arri- vée de la chaleur, puis on refroidit ou trempe la portion chauffée.
On a constaté dans la pratique que la surface traitée dans ces conditions a tendance à se oriquer au moment de la trempe. Ces criques sont dues probablement au moins en partie au défaut d'uniformité du chauffage ou de la trempe ou des deux, d'où résulte un défaut d'uniformité de la dureté dans les di- versas portions de la surface. Lorsqu'il s'agit de tremper une surface irrégulière, le défaut d'uniformité peut être dû à la difficulté de disposer un appareil de chauffage approprié dans une position permettant d'élever toutes les parties de la sur- faoe à une température uniforme.
De même, lorsqu'on trempe automatiquement des pièces en série, en introduisant successivement des séries de pièces sem- blables dans la flamme d'un brûleur et en les retirant, il peut arriver qu'une portion localisée du bord antérieur de la sur- face et une portion localisée semblable du bord postérieur ou même une bande étroite en travers de la surface subissent 1' action de la flamme de chauffage un peu plus longtemps que les autres parties de la surface et il en résulte un défaut'd'uni- formité dans le chauffage.
Par exemple, il a été proposé d'in- troduire les boulons et petites pièces analogues dans des blocs conducteurs de la chaleur avec compartiments servant à loger 'les pièces et de faire arriver les pièces dans ces comparti- ments à des moments séparés par des intervalles déterminés d' abord'dans un dispositif de chauffage, puis dans un dispositif de trempe. Il a été proposé de mettre ce procédé en pratique
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au moyen d'une installation,
consistant dans un tambour rotatif sur la périphérie duquel sont répartis des blocs métalliques avec compartiments servant à loger les pièces à tremper et'dans des.dispositifs situés au-dessus de la moitié supérieure du tambour faisant arriver les pièces dans les compartiments et chauffant et trempant leurs surfaces découvertes.
En raison de la présence des blocs conducteurs de la chaleur il est possible, dans ces conditions, de maintenir les pièces pendant un temps suffisant pour que le chaleur se répartisse uniformément sur la surface, mais on a découvert maintenant qu'on peut réaliser une trempe superficielle sensiblement uniforme, sans qu'il soit né- cessaire de maintenir les pièces dans des blocs conducteurs de la chaleur, jusqu'à ce que la chaleur se soit uniformément ré- partie sur la surface, en faisant tourner chaque pièce au mo- ment où elle subit l'influence du dispositif de chauffage, au- tour dtun axe passant par la surface à tremper.
Par suite, suivant une caractéristique de l'invention, le procédé de trempe superficielle d'une surface ou d'une portion localisée d'une pièce métallique consiste à diriger la chaleur à haute température sur elle, à faire tourner simultanément la pièce autour d'un axe normal ou sensiblement normal à la surfa- ce ou à la portion de surface, de façon à faire prendre en même temps d'une nanière sensiblement uniforme à la totalité de la surface ou de la portion de surface une température uniforme déterminée et à refroidir la surface chauffée.
suivant une autre caractéristique de l'invention, le pro- cédé de trempe d'une surface ou d'une portion de surface de chacune des pièces d'une série consiste à monter les pièces à une certaine distance l'une de l'autre, à imprimer un mouvement relatif de translation aux pièces et à une source de chaleur à haute température de façon à faire subir à chaque pièce suc- cessive l'action de la chaleur à haute température pendant une période d'une durée déterminée et à imprimer à chaque pièce su- bissant l'action de la ohaleur à haute température un mouvement de rotation autour d'un axe normal ou sensiblement normal à la surface ou à la portion de surface à chauffer.
De préférence, la pièce reçoit le mouvement de rotation avant que son bord antérieur subisse l'aotion de la chaleur à haute température en évitant ainsi une surchauffe localisée du bord antérieur. De même, il convient de préférence de continuer le mouvement de rotation de la pièce, une fois la période de chauffage terminée, jusqu'à ce que le bord postérieur de la sur- face chauffée ne soit plus soumis à l'action de la source de chaleur, en évitant ainsi la surchauffe localisée du bord pos- térieur.
Pour traiter thermiquement une surface circulaire de fai- ble diamètre, telle, qu'une tête de boulon ou un poussoir de soupape, on peut employer une tête de brûleur émettant un jet unique ou des jets multiples, mais lorsqu'il s'agit de chauffer des surfaces de plus grande étendue, il est nécessaire d'em- ployer plusieurs de ces brûleurs, disposés de préférence de fa- çon à répartir la chaleur uniformément sur la surface sans sur- chauffer les portions des bords, qui ne sont alors chauffées que par conduction.
Pour traiter thermiquement une surface annulaire, telle qu'un anneau de roulement à billes, on peut employer un brûleur à jets multiples dont les jets sont séparés par des intervalles sur la circonférence d'un cercle ayant un diamètre sensiblement égal au diamètre moyen de l'anneau de façon que les jets-se di- rigent vers le centre du fond de la rainure contenant les billes.
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On peut disposer une série d'orifices de trempe entre les jets du brûleur ou à leur voisinage immédiat, de façon à faire sui- vre'l'opération de chauffage, si on le désire, par la trempe.
Lorsque comme dans le cas d'une couronne dentée, le surface annulaire à traiter a une assez grande largeur, on peut employer un brûleur comportant plusieurs séries annulaires concentriques d'ajutages et l'intervalle qui sépare les ajutages d'une série annulaire peut différer de celui d'une autre série annulaire de façon à réaliser un chauffage uniforme des zones annulaires lorsque la masse de métal n'est pas la même dans une zone que dans une autre. En faisant tourner la surface annulaire suivant l'invention, tandis que la surface arrive en face des jets du brûleur et des orifices de trempe, on peut non seulement faire acquérir à la surface une dureté uniforme, mais encore on évite les déformations.
Pour permettre de traiter thermiquement une série d'arti- cles semblables par une opération en grande série, le procédé précité peut être mis en pratique au moyen d'une installation qui comporte un transporteur aveo plusieurs dispositifs de sup- port rotatifs de la pièce, destinés chacun à recevoir une pièce à traiter thermiquement, le transporteur recevant un mouvement intermittent de façon à amener chaque dispositif de support de la pièce successivement en face d'un dispositif distributeur amenant la pièce à traiter thermiquement au dispositif de sup- port, puis en face d'un dispositif de traitement thermique di- rigeant la chaleur à haute température sur la surface à chauf- fer, un dispositif étant prévu pour faire tourner le support pendant que la pièce subit l'aotion de la chaleur.
Si on désire tremper la surface chauffée, le dispositif de traitement ther- mique peut comporter un dispositif de chauffage etun disposi- tif de trempe faisant sortir un courant du fluide de trempe et monté à une certaine distance du dispositif de chauffage, de façon que lorsque le transporteur avance en partant du disposi- tif distributeur, la pièce subisse d'abord l'action du disposi- tif de chauffage, puis à la suite d'un autre mouvement du trans- porteur, la surface chauffée subit l'action du fluide de trempe.
On peut aussi utiliser un dispositif de traitement thermique consistant dans un dispositif de chauffage et de trempe, combi- né de façon à former un ensemble monobloc, et dans ce cas, le transporteur reste immobile pendant une période d'une durée suffisante pour que lesopérations de chauffage et de trempe puissent s'effectuer au même poste. Suivant l'intensité de la trempe nécessaire, le fluide de trempe peut être un liquide tel que l'eau froide, l'huile ou un mélange d'huile soluble et d' eau, ou un gaz, généralement de l'air* La. durée de l'opération de chauffage et celle de l'opéra- tion de trempe peuvent être déterminées automatiquement au moyen de mécanismes de synchronisation.
Une installation convenant au traitement thermique répété de petites pièces par une opération en grande est repré- sentée à titre d'exemple sur le dessin ci-joint, sur lequel :
La figure 1 est une élévation latérale de l'installation dont certaines pièces ne sont représentées que schématiquement et d'autres pièces connues ont été omises pour rendre la figure plus claire.
La figure 2 est une élévation de face de la même instal- lation.
La figure 3 est une coupe longitudinale d'un brûleur con- venant au traitement thermique de la points drs pièces telles que des perouteurs.
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La figure 4 est une coupe transversale suivant la ligne IV - IV de la figure 3, et La figure 5 est une coupe longitudinale d'un brûleur con- venant au traitement thermique de pièces de forme annulaire.
Suivant les figures 1 et 2, l'installation peut compor- ter d'une manière générale un bâti F sur lequel est monté un transporteur continu en forme de tambour rotatif D, portant plusieurs dispositifs rotatifs J de support des pièces, desti- nés chacun 6. maintenir une pièce A à traiter, un dispositif de traitement thermique consistant dans un dispositif de chauffa- ge H, un dispositif de trempe Q et un magasin M avec disposi- tif distributeur automatique chargeant les pièces successive- ment sur le tambour D. Pour faire fonctionner l'installation, on introduit les pièces à traiter thermiquement dans le maga- sin M, qui les amène successivement dans les supports J.
Le tambour D tourne par intermittence dans le sens de la flèche X, de façon à amener les supports des pièces du poste de char- gement au poste de chauffage. Lorsque la pièce arrive au voisi- nage du poste de chauffage, elle reçoit un mouvement de rota- tion de la manière décrite ci-dessus autour d'un axe dirigé dans le sens radial par rapport au tambour D et normal à la surface à chauffer, et ce mouvement de rotation continue jus- qu'à ce que la pièce ait dépassé le poste de chauffage. Lorsque la pièce se trouve au postç de chauffage, le dispositif de chauffée H en chauffe la surface supérieure à la température nécessaire, la durée du chauffage étant déterminée empirique- ment.
A partir du poste de chauffage, la pièce A se déplace vers le poste de trempe où le dispositif de trempe Q refroidit la surface chauffée. Lorsque le tambour D continuant à tourner, la pièce ..;. arrive à un poste situa au-dessous du plan horizon- tal, elle tombee de son support et celui-ci, le tambour D con- tinuant encore à tourner, revient au poste de chargement où. il reçoit une autre pièce provenant du magasin M.
L'installation décrite d'une manière générale ci-dessus est décrite ci.-dessous en détail.
Le tambour D est monté sur un arbre horizontal 10 suppor- té par des coussinets portés par le bâti F et l'arbre est ac- couplé à un mécanisme de commande électrique 11 qui imprime à l'arbre un mouvement de rotation intemittent de fréquence va- riable. Le mécanisme de commande peut consister par exemple dans un dispositif alternatif, électro-hydraulique, ou dans une pompe à huile à débit variable commandée .par un moteur à vites- se constante ou dans une pompe à débit constant comportant une soupape de dérivation et commandée par un moteur à vitesse-con- stante. La forme de construction et la disposition de ce méca- nisme de commande sont connues des spécialistes et, en .consé- quence, il n'est représenté sur le dessin que schématiquement.
Le tambour D est octogonal et porte huit supports J, J2, J3, J4, J5, J6, J7, J8. Le support J est monté sur un arbre 12, dirigé radialement à partir du tambour D et comporte une sail- lie annulaire ou roue de friction 13 qui, au poste'de chauffage, vient en contact de friction avec un disque de friction 14 mon- té sur un arbre horizontal 15 qui, comme l'arbre 10, est monté dans des coussinets supportes par le bâti F et est commandé par un moteur électrique 16 tournant d'un mouvement continu. Les autres supports sont Identiques au support J.
Le dispositif de chauffage E consiste dans un brûleur, maintenu dans une griffe de serrage 17, montée sur des glissiè- res verticales et horizontales 18, respectivement qui per- mettent de régler avec précision la position de la tête du
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brûleur par rapport à la surface à traiter. Le brûleur est ali- menté par-un mélange d'oxygènee et de gaz combustible par des soupapes 20 'comportant des orifices d'admission du. gaz 21 et
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une flâtnme pilote 22 peut servir à allumer le jet de gaz sor- tant de'l'ajutage.
Le dispositif de trempe Q est alimenté avec de l'eau froi- de provenant d'un -réservoir 23 et une pompe 24 commandée par . un moteur électrique 25 sert% faire- arriver%'eau du réservoir
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23 dans le dispositif4fe trempe q. L'eau qui sort du dispositif de trempe revient dans le réservoir au moyen d'une gouttière
26 qui sert également à recueillir les pièces traitées lorsqu' ' elles tombent des supports.
Le magasin M consiste dans un bottier vertical 27 dans lequel les pièces descendent par leur propre poids jusqu'à un poussoir 28 qui fonctionne sous l'action d'un sclénoide 29. '
Lorsque, pendant le mouvement de rotation du tambour.D, un sup- port vient en face du poussoir 28 le solénoïde reçoit du cou- rant et, par suite, le poussoir-pousse une pièce du magasin dans le support.
L'installation est accouple à une distribution d'électri- cité par l'intermédiaire de bornes disposées d'une manièré ap- ropriée et d'un interrupteur principal, non représenté, et 1' arrivée du courant au mécanisme de commande 11, au moteur 16 du disque de friction, au moteur 25 de la pompe et au solénoide
29 du magasin peut être réglée au moyen de relais 30 logés dans la partie inférieure du bâti F. Ces relais sont accouplés à des interrupteurs à double action à bouton poussoir 31, 32, 33, 34,
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5 montés sur un tableau de distribution 37. t'Int(l'rupteur-- = sert à mettre en mouvement et à arràter%e n60anisme de aanmande 11, l'interrupteur 32 comignde le moteur 16 du disque de friction et 1interrupteu.r3, le moteur 25 de là pompe.
L'intêrrupteur s4 complète le c%ouit passant par le relais qui commande le passage 'du oourant périodique dans le solénoïde 29 ,du magasin, tandis que l'interrupteur 35 srt à déclencher la succession des mouvements servant à l'exécution du traitement thermique automatique d'une série de pièces de la manière dé- crite ci-après.
On suppose que le tambour D est dans la position de la figure 2 dans laquelle une pièce A du support J se trouve au poste de chauffage et les supports J2 et J3 sont chargés chacun avec une pièce semblable. Les interrupteurs 31, 32, 33, 34 sont amenés' en position de fermeture et on ouvre Ta soupape à gaz
20 en même temps qu'on ferme l'interrupteur 35 pour déclencher les opérations.
La fréquence du mouvement périodique que reçoit
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l'arbre 10 du mécanisme de coiRma-ndë 11 a été antérieurement réglée de façon que le tambour D reste úmbi1e pendant la pé- riQde de chauffage nécessaire, mais aussitôt quo l'interrupteur 35 a été fermé, le disque de friction 14 entre en mouvement de
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raçon à faire tourner la pièce pendent que la flôrsio de chauf- fage agit sur elle. A la fin de la période de chauffage, le mé- canisme de commande donne une impulsion à l'arbre 10 de façon à faire tourner le tambour D d'un huitième de tour.
Ce mouve- ment amène le support J en position de trempe, dans laquelle l'eau ou un autre liquide froid provenant du. dispositif de trem- pe Q est dirigée sur la surface chauffa de la pièce A, tandis que le support J2 avance dans le poste de chauffage et, pendant ae mouvement, le disque de friction 14 le fait tourner pour faire tourner la pièce, suivant l'invention. Au moment où le 'tambour D s'arrête avec le support J2 au poste de chauffage,
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le solénoïde 29 du magasin reçoit du courant temporairement par
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l'intermédieire d'un des relais 30 de façon à amener une pièce du.magasin dans le support vide J4 qui est venu en face du pous- soir 28.
Au bout d'une période'd'une durée déterminée par le réglage du mécanisme de commande 11, le tambour D -tourne de nou- veau d'un huitiène'de -tour de façon à amener le support J2 au poste de trempe. Lorsque, le tambour D ayant tourné de nouveau, le support J arrive dans la position occupée sur la figure 2 par le support J6, la pièce A tombe de son support dans 'la gout- tière 26. Cette série d'opérations se poursuit automatiquement jusqu'à ce que l'interrupteur 35 soit ouvert.
Pour traiter thermiquement certains types de pièces, il peut être nécessaire que l'opération de trempe s'effectue aus- sitôt que le chauffage a cessé, c'est-à-dire sans que le retard résultant du mouvement de la pièce du poste de chauffage au pos- te de trempe existe de la manière décrite ci-dessus. Dans ce cas, les deux opérations peuvent être effectuées au même poste en employant un dispositif de traitement thermique comportant à la fois un dispositif de chauffage et un dispositif de trempe.
Les figures 3, 4 et 5 représentent des dispositifs de traitement thermique convenant à l'exécution de ces opérations par ce pro- cédé et sont décrites ci-après.
Les figures 3 et 4 représentent un dispositif comportant des tuyères de brûleurs doubles 40 et des tuyères de trempe triples 41. Ce dispositif peut être utilisé sur des surfaces planes, mais convient particulièrement au traitement thermique de pièces telles qu'un percuteur 42 dont la surface se termine en pointe susceptible de se surchauffer si la flamme d'un ble- leur unique est dirigée sur elle. En disposant les tuyères du brûleur corme l'indique la figure 3, de façon à faire arriver la flamme, non sur la pointe, mais sur des zones qui en sont à une courte distance, on peut empêcher la surchauffe de la pointe.
Les tuyères du brûleur 40 et les tuyères de trempe 41 é- mergent d'un bloc 43, qui comporte des canaux de passage 44'et des canaux de passage du fluide de trempe 45. Les canaux de* pas- sage du gaz 44 aboutissent à une chambre dedistribution 46 qui se raccorde avec les tuyaux d'arrivée du gaz par l'inter,édiaire de soupapes 20, Figures 1 et 2. Les canaux de passage 45 oommu- niquent avec un distributeur 47 dans lequel le fluidè de refroi- dissement arrive par le tuyau*48 et sert en même temps à refroi- dir le brûleur.
Dans le dispositif des figures 1 et 2, le brûleur peut être allumé en permanence et le fluide de trempe.peut sortir . d'une manière continue du dispositif de trompe, mais lorsqu'on se sert d'un dispositif de traitement thermique, tel que le re- présentent les figures 3 et 4, il est nécessaire de prendre des mesures pour établir et interrompre automatiquement l'arrivée du gaz au commencement et à la fin de chaque période de chauf- fage, ainsi que pour établir et interrompre automatiquement 1' arrivée du fluide de trempe au commencement et à la fin de cha- que période de trempe.
Pour réaliser la commande automatique de l'arrivée du gaz, les soupapes 20 peuvent êtree du type commandé par un solénoïde, les périodes de* fonctionnement étant détermi- nées au moyen d'un mécanisme de minuterie du gaz 38 monté, sur le tableau 37. Ces dispositifs commandés par soupapes sont dé- clenchés dans le cycle des opérations, au moyen de relais appro- priés, par la fermeture d'un interrupteur additionnel 36 à bou- ton pressoir monté sur le tableau 37.
Etant donné que le chauffage et la trempe doivent'être ef- fectués au même poste, la fréquence de l'impulsion donnée par le mécanisme de commande 11 à l'arbre 10 doit être réglée de façon
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à assurer-un'arrêt suffisant plus long, au poste de traitement thermique. Ce'réglage de la fréquence ayant été effectué et le dispositif de minuterie du gaz'et du fluide de trempe ayant été réglé aux valeurs appropriées, le cycle des opérations est comme suite :
Une pièce à traiter étant montée dans le support au poste de traitement thermique et les interrupteurs 31, 32, 33, 34, 36 . étant fermés, on ferme l'interrupteur à bouton poussoir' automa- tique 35.
Ceci a pour résultat, par l'entremise de certains des relais 30, de faire passer le courant dans les solénoïdes com- mandant les soupapes à gaz 20, ce qui ouvre. ces soupapes; et le gaz est allumé par la flamme pilote 22. Après un laps de temps déterminé par le réglage du dispositif de minuterie du gaz 37, l'arrivée du gaz est coupée et ltarrivée du fluide de trempe est établie par le fonctionnement automatique de la soupape 49 fonctionnant sous l'action d'un solénoïde.
Une fois la période de trempe terminée, telle qu'elle est déterminée par le réglage du mécanisme de minuterie de la trempe 50, l'arrivée du fluide de trempe est coupée automatiquement et le mécanisme de comman- de 11 fait tourner le tambour D d'un huitième de tour pour fai- re avancer le support suivant dans le poste de traitement ther- mique. Lorsque le support a atteint cette position, ltarrivée du gaz est de nouveau établie automatiquement, tandis qu'en mê- me temps le solénolde 29 du magasin reçoit du courant de façon à faire arriver une autre pièce par le poussoir 28 dans le sup- port qui est venu dans son prolongement. Cette série d'opéra- tions se continue automatiquement jusqu'à ce qu'on ouvre de nouveau l'interrupteur 35.
Pour traiter thermiquement des pièces annulaires, telles que des anneaux de roulement à billes, on peut se servir du dis- positif de traitement consistant dans les dispositifs de chauf- fage et de trempe de la figure 5. De même que le dispositif de ' la figure 4, celui de la figure 5 comporte plusieurs tuyères de brûleurs 40 réparties uniformément sur une circonférence d'un cercle ayant un diamètre sensiblement égal au diamètre moyen de la pièce annulaire à traiter. Les tuyères 40 émergent d'un bloc de brûleur 43 et communiquent avec un tuyau d'arrivée du gaz par l'intermédiaire dtun distributeur 49 et de canaux de passa- ge pour le gaz 44. Les orifices de sortie du fluide de trempe
45 partant d'une chambre de distribution 47 du fluide de trempe arrivant par le tuyau 48.
Le dispositif est monté sur l'installation do la figure
1 et 2. les tuyères du brûleur 40 étant disposées de façon.à diriger les jets de gaz sur chaque pièce annulaire lorsque cel- le-ci est arrivée sur son support au poste de chauffage. Pour permettre de centrer le brûleur par rapport à la pièce annulai- re, le bloc de brûleur comporte un évidement central fileté 51 logeant un axe de centrage 52. Une fois le brûleur centré avec précision, on enlève l'axe,EU et le cycle des opérations du traitement thermique que l'on désire.peut s'accomplir automa- tiquement comme précédemment.
Si on désire recuire une surface trempée de la manière précitée, de façon à lui faire acquérir une plus grande tenaci- té, on peut prévoir un dispositif servant à réchauffer la sur- faoe trempée à une température inférieure au point critique.
Lorsque le chauffage et la trempe s'effectuent à des postes dif- férents, le dispositif de réchauffage peut être monté à une dis- tance par rapport au dispositif de trempe telle que la pièce trempée subisse l'action du dispositif de réchauffage lorsque le transporteur a avancé d'un nouveau pas.
Au contraire, si le
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chauffage et la trempe s'effectuent en un seul et même poste, on peut faire entrer en action le dispositif de-chauffage'pour réchauffer la surface après qu'elle a été trempée, la durée du réchauffage étant plus courte que celle de la période initiale, de façon à avoir la certitude que la surface n'atteint pas de nouveau la rempérature critique.
Cossue dans le cas du chauffage initial à haute température, la durée du réchauffage peut être déterminée au moyen d'un mécanisme de minuterie qui, par l'in- termédiaire d'un relais approprié, peut entrer en fonctionne- ment automatique une fois terminée l'opération de trempe,
Dans la description qui précède, le traitement thermique a été décrit en tant que s'appliquant au chauffage avec des brûleurs à gaz, mais il doit etre bien entendu que les brûleurs peuvent être remplacés par des dispositifs de chauffage élec- triqùe tels que des inducteurs électro-magnétiques et que-l'in- stallation peut subir d'autres modifications sans qu'on s'éoar- te dù principe de l'invention.