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" Perfectionnements apportés aux matrices "
L'invention se rapporte à la fabrication de matrices en général et plus spécialement à une méthode de fabrication de matrices peu coûteuses en alliages métalliques tendres fondant à basse température.
Surtout dans la construction automobile et aéronautique, on ressent depuis longtemps le besoin urgent d'une méthode qui permettrait de former des quantités limitées de pièces expérimen- tales en tôle métallique en utilisant des matrices de fabrication rapide et économique. Les recherches expérimentales exigent sou- vent la production de pièces de tôle métallique, en nombre limité pour effectuer des essais. Le type le plus utile de matrice serait
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une matrice de fabrication rapide et économique, et qui serait capable de produire les quantités requises de pièces expérimen- tales.
L'emploi de matrices d'acier pour fabriquer des pièces ex- périmentales est souvent inadmissible dans la pratique parce que le prix de production d'une matrice satisfaisante en acier ne se justifie pas lorsqu'il faut tout au plus exécuter quelques cen- taines de pièces. La conformation et le finissage d'une matrice d'acier sont des opérations longues et coûteuses qui se justifient seulement lorsqu'il faut produire de très grandes quantités d'un article en tôle. Un autre inconvénient inhérent à l'emploi de matrices d'acier pour la production de pièces expérimentales est l'impossibilité de changer les contours de la pièce formée, en modifiant les faces de la matrice. La réalisation de projets expérimentaux exige souvent d'apporter de faibles modifications au contour des pièces.
Pour cette raison, une matrice dont les faces actives ne peuvent pas être rapidement modifiées ne serait pas pratique pour la production de pièces expérimentales en tôle.
La méthode employée le plus fréquentent dans l'industrie automobile pour la production de petites pièces expérimentales est la fabrication à la main sur des modèles en bois dur. Cette méthode exige de la main-d'oeuvre qualifiée pour la production du modèle en bois dur, et aussi des spécialistes pour obtenir une pièce en tôle reproduisant fidèlement le modèle.
Pour de grandes pièces expérimentales, telles que capots, ailes et portières, la pratique générale consiste à utiliser un modèle en fonte sur lequel la tôle reçoit sa forme approximative.
La pièce doit alors être placée sur un modèle en bois dur et son finissage s'opère alors généralement comme pour les petites pièces.
Comme on le comprendra aisément, la formation manuelle de pièces expérimentales ne donne pas satisfaction en ce sens qu'elle est coûteuse et lente. Les modèles ne peuvent pas être modifiés rapidement et si l'on doit apporter un changement général, la
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pratique usuelle consiste à rejeter les anciens modèles et à recommencer le travail. ette méthode de production expérimen- tale entrave sérieusement les expériences qui pourraient être poursuivies si les pièces désirées pouvaient être produites plus rapidement et plus économiquement au moyen de matrices capables d'être rapidement changées pour faciliter les altérations néces- saires à mesure que les expériences progressent.
Un objet de la présente invention consiste à réaliser un pro- cédé permettant d'accélérer le travail expérimental grâce a l'em- ploi de matrices de production aisée et économique, qui peuvent être facilement changées conformément aux exigences de la produc- tion expérimentales.
Ce but a été atteint en coulant la matrice en un alliage métallique tendre, de préférence un des alliages bien connus à base de bismuth et à bas point de fusion. Ces alliages comportent principalement du bismuth, de l'étain et du plomb. Le Cerrobend, qui est un de ces alliages, est compose de 50% de bismuth, 13,% d'étain, 10% de cadmium et 26,7% de plomb. Le Cerobend s'est avéré être le meilleur de ces alliages à bas point de fusion pour la coulée de matrices pour la production de pièces expérimentales en tôle, à cause de sa dilatation caractéristique lors de la so- lidification et de sa réaction favorable au super-refroidissement.
Cerrobend possède le point de fusion particulièrement bas d'envi- ron 160 F (71 C) qui permet la fusion de l'alliage avec l'équipe- ment le plus simple. L'alliage peut être tenu à l'état fondu en plongeant un récipient contenant l'alliage fondu, dans de l'eau ayant une température supérieure à 160 F. La basse température de l'alliage fondu présente également l'avantage de pouvoir être facilement manipulé sans danger de brûlures.
De nombreuses tentatives ont été faites pour utiliser ces alliages à base de bismuth pour la fabrication de matrices expé- rimentales. Au cours des dernières années, l'industrie aéronautique
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a effectué d'importants travaux sur des matrices établies en de tels alliages. Certains résultats favorables ont été obtenus dans la formation de pièces en aluminium et autres tôles de métal doux, tel que décrit dans un article paru à la page 142 du fascicule de mars 1947 de la revue "Machinery".
Les matrices telles que pré- parées dans l'industrie aéronautique ne conviennent pas pour pro- duire des pièces expérimentales pour l'industrie automobile, étant donné que ces dernières sont généralement établies en tôle d'acier et que ces matrices en métal tendre ne sont pas capables de pro- duire des pièces d'acier en quantité ou de qualité suffisante, à cause de la douceur inhérente des alliages à bas point de fusion.
Des matrices en alliages à base de bismuth sont rapidement émous- sées et déformées lorsqu'on essaie de les utiliser pour former des pièces expérimentales en acier. Cet obstacle à l'emploi de matrices en métal doux a été surmonté par le procédé selon la présente invention pour préparer la matrice en vue de son emploi.
Pour établir des matrices en métal doux, on exécute générale- ment un modèle ou développement de surface de la pièce à former.
Le modèle, ou développement de surface, est de préférence établi en une matière qui peut être travaillée aisément et rapidement.
Des modèles en bois tendre ont donné satisfaction pour la produc- tion de petites pièces, tandis que l'aluminium ou d'autres métaux se laissant facilement conformer ont été utilisés avec succès pour les modèles de pièces plus grandes.
On exécute alors un moulage en plâtre ou argile du modèle ou développement de surface, après que celui-ci a été garni d'argile à modeler pour prévoir les intervalles requis pour réaliser une surface correcte de la matrice. Le moulage de plâtre ou argile est alors cuit pour éliminer toute humidité. Il a été constaté que des matrices produites à partir d'un moule parfaitement sec de plâtre ou argile exigent beaucoup moins de finissage que les matrices formées dans des moules non cuits. L'alliage fondu est
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alors versé dans le moule pour former une moitié de la matrice.
Des moules en plâtre ont donné grande satisfaction pour la fabri- cation de moules en métal doux, à cause de la très faible tempé- rature du métal fondu; our la production de matrices de petitsmodèles, il a été possible de verser le métal fondu directement sur le modèle, en formant ainsi une des parties de la matrice. Le modèle ne subit pas de déformation apparente. Des matrices en métal doux ont été également produites avec succès en coulant le métal fondu directe- ment sur le modèle d'argile tel que préparé dans la construction automobile. La possibilité de couler l'alliage fondu selon les méthodes décrites ci-dessus se traduit par un gain appréciable de temps et d'argent.
Après formation d'une partie de la matrice, ses surfaces sont nettoyées et recouvertes d'une mince couche d'argile à mode- ler, qui protège la surface de la matrice et sert également à ménager le jeu nécessaire entre les matrices. Une pièce d'aluminium ayant une épaisseur correspondante à celle de la pièce à former est alors placée sur la face de la matrice et est conformée au contour deia matrice en la pressant en forme par un coussin épais de caoutchouc. La pièce d'aluminium ainsi formée est laissée sur la face de la matrice pour agir comme séparateur lorsque 1autre moitié de la matrice est coulée, ainsi que de conducteur de cha- leur lors de la coulée du métal fondu.
Après la coulée de la deuxième section de la matrice sur la première,, on découpe les faces de la matrice pour assurer l'obtention de surfaces portantes parfaitement parallèles . La possibilité de découper les faces des matrices lorsqu'elles sont assemblées permet l'ajustement rapide et exact des deux matrices lorsqu'elles sont assemblées dans les presses.
Après la séparation des deux moitiés de la matrice, les faces sont parachevées à la main. Les fissures et cavités sont
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réparées aisément au moyen d'un fer à souder et une pièce de l'alliage en question. Le finissage de la surface se fait par grattage des faces actives jusqu'à ce que le contour exact désiré soit atteint. Il a été constaté que de petites modifications des contours des matrices peuvent être opérées en coulant du métal supplémentaire sur la matrice ou en enlevant une partie du métal au moyen d'une râpe ou autre outil.
Les propriétés de découpage facile du métal permettent d'appliquer de telles opérations expéditives.- Si l'on envisage d'apporter de grandes modifications à la matrice, les anciennes matrices peuvent être'complètement récupérées en les fondant dans l'eau chaude et en recoulant le métal dans la nouvelle forme désirée.
Les matrices établies selon le procédé décrit sont produites rapidement et à très peude frais* mais il a été constaté que de telles matrices en métal doux ne permettent pas de produiredes pièces en tôle d'acier, parce que les matrices sont trop tendres.
Selon l'invention, cet inconvénient a été éliminé par l'artifice du super-refroidissement des matrices en métal doux. Pour de petites matrices, ce résultat a été obtenu en plongeant les matrices finies dans de l'azote liquide ou un réfrigérant simi- laire qui est capable d'abaisser la température de la matrice à environ moins 320 F (moins 195 C), ce qui donne aux surfaces - des matrices la dureté nécessaire pour former des pièces en tôle d'acier. Il est nécessaire de réimmerger la matrice dans le réfrigérant lorsque la température monte au-delà d'une température maximum de sécurité.
Il a été constaté que la température maximum pour la formation satisfaisante de pièces au moyen d'une matrice en un alliage à base de bismuth est d'environ moins 200 F (moins 1290C). Lorsque la température de la matrice atteint cette valeur, il faut la refroidir. Pour les petites matrices, le temps et l'effort nécessaires pour les enlever de la presse et les replonger dans le réfrigérant n'ont que peu d'importance. Le poids des
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grandes matrices rend ces opérations peu pratiques à cause de l'équipement et du temps nécessaires.
La difficulté de maintenir les grandes matrices de métal doux dans un état super-refroidi a été vaincue en prévoyant dans la matrice des cavités pour la circulation d'un fluide réfrigé- rant. Ce dernier est pompé à travers le bloc-matrice à la vitesse requise pour maintenir la face de la matrice à la température constante voulue de moins 200 F ou une température plus basse..
Les contours des cavités de refroidissement doivent correspon- dre aussi exactement que possible à ceux de la face de la matrice, afin de- maintenir toute l'étendue de cette face à une température aussi constante que possible. Dans beaucoup de matrices, les contours des faces sont complexes et nécessitent une forme com- pliquée de la cavité de refroidissement, qui serait difficile à réaliser par les procédés actuels pour la formation de cavités de refroidissement.
Il a été constaté qu'une boue composée d'eau et d'une substance granulaire insoluble, telle que le sable, peut être aisément coulée pour former les contours compliqués qui sont fréquemment nécessaires pour réaliser des cavites de refroidis- sement. Après coulée, par exemple dans un moule de caoutchouc, la boue est congelée et est alors prête à l'emploi dans des moules pour la formation de matrices. e noyau de boue congelée est mis en position correcte dans le moule pour la matrice et l'alliage fondu est alors déversé dans le moule. La basse température de fusion des alliages à base de bismuth permet la coulée sur la boue congelée.
La substance granulaire insoluble présente dans la boue congelée, retardera fusion du noyau pendant un laps de temps suffisant pour la soli- dification de l'alliage. L'alliage se solidifie rapidement au contact de la boue congelée, en formant des cavités de refroi- dissement donnant pleine satisfaction. A mesure que la boue con- gelée fond, elle s'écoule aisément du bloc-matrice. Tout résidu
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de la substance granulaire qui peut rester dans le bloc-matrice lorsque la boue congelée fond est aisément enlevé par lavage après refroidissement de la matrices
Le maintien des matrices dans un état de super-refroidissement s'avérait encore difficile à cause de la chaleur amenée aux faces de la matrice par la tôle métallique utilisée dans la fabrication des pièces.
Cette difficulté a été éliminée en refroidissant la tôle à conformer, au degré maximum permis par la déformation requise de la tôle d'acier. Des feuilles d'asbeste ou autre matiè- re thermiquement isolante ayant une forte résistance mécanique, sont placées entre les matrices et la presse pour empêcher un échange trop rapide dehaleur entre les matrices et la presse.
Cette méthode de super-refroidissement des matrices par immersion dans de l'azote liquide ou un réfrigérant similaire, ou par pom- page d'un réfrigérant fluide à travers le bloc-matrice, par re- froidissement de la tôle d'acier à conformer, et par isolation adéquate des matrices super-refroidies, permet la production de plusieurs centaines de pièces en tôle d'acier au moyen d'une seule matrice en alliage à base de bismuth.
Les matrices fabriquées selon le procédé décrit ont généra- lement donné satisfaction pour la production de quantités suffi- santes de pièces expérimentales. Des projets d'études expérimen- tales peuvent toutefois exiger des quantités de pièces de tôle d'acier qui sont plus grandes que celles qui peuvent être fabri- quées avec précision par une matrice super-refroidie. La produc- tion de pièces expérimentales au moyen d'une matrice super-refroidie en alliage à base de bismuth peut être sensiblement augmentée par le chromage des surfaces actives de la matrice.. Ce chromage s'opère aisément et rapidement par l'application des procédés usuels de chromage.
Les surfaces chromées réfléchissent une gran- de partie de la chaleur qui serait normalement conduite à la matrice, et constituent aussi une surface de travail plus dure.
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Des matrices chromées peuvent être plus facilement maintenues à l'état de super-refroidissement, à cause des propriétés de ré- flexion de la chaleur que possèdent les surfaces chromées.
Des essais de compression de l'alliage à base de bismuth montrent que l'alliage non refroidi commence sa déformation plas- tique bien au-dessous de 7.500 livres par pouce carré (5,3 Kg/mm); après immersion dans l'azote liquide, la même éprouvette résis- tera à des efforts dépassant 5.000 livres par pouce carré (17,5 kg/mm ) sans déformation plastique. Des essais de dureté Brinell montrent, sur la pièce super-refroidie, une empreinte qui atteint moins que le quart de celle sur la pièce à température normale..
Le contrôle de la température de la matrice par réimmersion dans l'azote liquide ou par circulation de ce fluide dans la matrice, permet la production précise de centaines de pièces établies en tôle d'acier S.A.E. 1020.
Le susdit procédé de fabrication de matrices a permis de réaliser une économie importante de temps et d'argent qui, à son tour, permet l'exécution d'un travail expérimental plus important.
L'établissement de petites matrices d'acier pour la production de pièces expérimentales demande six semaines ou davantage, et tout changement de forme entraîne la perte de la matrice et donc de la main-d'oeuvre spécialisée que sa fabrication a exigée.
Les matrices en métal doux qui ont été décrites ci-dessus peu- vent être établies d'après un modèle en bois ou en argile et, au lieu de semaines, leur fabrication ne demande que des heures.
Il va de soi que l'invention n'est pas limitée au procédé tel que décrit ci-dessus, mais que diverses modifications peu- vent y être apportées sans se départir de l'esprit de l'invention.
REVENDICATIONS.
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