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La présente invention concerne un procédé perfectionné de forgeage d'ébauches pour la fabrication d'écrous, de cages à billes et éléments analogues percés ou poinçonnés.
L'invention vise à créer un procédé perfectionné pour la fabrication par la technique du forgeage à froid d'une ébauche destinée à un écrou, une cage à billes ou autres éléments analo- gues percés ou poinçonnés, qui est façonnée pour recevoir une
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forme extérieure précise et une partie intérieure percée de part en part ou poinçonnée..
Un autre but est de créer un procédé perfectionné pour la fabrication d'ébauches d'écrous, de cages à billes et pièces analogues par modification des techniques de forgeage à froid, qui conduit à la fabrication d'une ébauche supérieure et de forme plus précise ; enmême temps la durée d'existence des matrices de conformation est considérablement accrue, ce qui ré- duit considérablement le prix de la fabrication de ces ébauches.
Un autre but est de créer un procédé perfectionné par lequel on peut façonner et produire, sur un outillage de conforma- tion donné, des ébauches de plus grandes dimensions, comparative- ment aux dimensions des ébauches que l'on peut produire sans uti- liser le procédé de la présente invention.
Un avantage supplémentaire du procédé de l'invention réside dans le fait qu'on peut produire des ébauches,conformément au procédé de 1 ' invention, sur un outillage donné à une vitesse de production beaucoup plus grande qu'il n'est possible autrement.
Tous ces facteurs se combinent de la manière préférée. d'exécution du procédé de l'invention, de sorte que les frais gé- néraux de production de ces ébauches et de pièces analogues sont souvent inférieurs à la moitié des frais de fabrication par le procédé classique sur l'outillage le plus moderne.
Le procédé de l'invention constitue un perfectionnement apporté au procédé de fabrication d'ébauches d'écrous et de pièces analogues, telles que des cages de roulements à billes et autres éléments forgés à froid (en faisant une distinction avec les pièces munies d'une tête, telles que les vis à tête creuse, les boulons et les rivets) sur un outillage de façonnage à froid ou de forgea- ge à froid, tel que la machine automatique à forcer les écrous dite "Waterbury", dans laquelle une ébauche ou un tronçon est décou- pé dans une longueur de matière en fil et est ensuite soumise à des opérations successives de forgeage ou do façonnage dans une
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succession de matrices de façonnage, puis est finalement, soumise à une opération de perçage ou de poinçonnage qui,dans la fabrica tion de ces ébauches,
fait que la pièce est complètement percée pour former une ouverture qui peut ensuite être taraudée.
Un autre perfectionnement conforme à l'invention, sui- vant une manière spécifique ' exécution du procédé, conduit à une réduction du nombre de passes de fabrication nécessaires pour façonner l'ébauche finie à partir du tronçon de métal et, dans beaucoup de cas,certaines des opérations classiques peuvent être supprimées en tant que passes séparées, avec, par suite, une autre réduction du prix de l'outillage nécessaire, ainsi qu'une nouvelle réduction du prix des matrices qu'il faut prévoir pour chaque for- me séparée d'ébauches à fabriquer et qui doivent être remplacées chaque fois après quelques jours dans la fabrication continue d'une forme particulière d'ébauche.
Dans la mise en oeuvre de l'invention, on peut forger à' froid complètement des ébauches d'écrous et autres pièces ana- logues percées ou poinçonnées à partir d'aciers spéciaux et d'a- ciers à haute teneur ou à teneur moyenne en carbone, ainsi que d'autres métaux ferreux forgeables à froid, pour obtenir des sur- faces extérieures façonnées avec précision et à une grande vitesse de production, avec une durée d'existence des matrices extrêmement longue en chauffant la matière juste avant les opérations de for- geage et en réglant la température de la pièce d'un bout à l'autre de l'opération de forgeage de façon qu'elle ne dépasse pas une température maximum prédéterminée, les températures qui dépassent le maximum produisant une casse excessive de matrices et nuisant, aussi à la fabrication précise des ébauches désirées.
Suivant un autre développement de l'invention, le tron- çon de métal est soumis à l'action d'un poinçon de perçage pendant qu'il est chauffé aux températures indiquées, et pendant que le tronçon est supporté dans une matrice de conformation, la matrice
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de perçage servant à déplacer le métal du tronçon en l'éloignant du poinçon de perçage dans un sens radial par rapport au poinçon et souvent axialement par rapport à ce dernier, de sorte que l'ori- fice central est façonné avec précision. et que l'é- ' bauche partiellement formée se dilate pendant qu'elle est supporta dans la matrice, ce qui évite ainsi des déchets excessifs dus à une grande partie poinçonnée.
Le procédé de l'invention est caractérisé par le chauf- fage de la matière en fil ou en barre à un degré modéré avant la coupe des tronçons dans le fil ou la barre et par le réglage'de la température de manière que, compte tenu de la vitesse à laquelle le procédé est exécuté, au volume de métal déplacé pendant l'opé- ration de forgeage ou de façonnage, des caractéristiques de trans- fert de chaleur de appareil utilisé pour le procédé et des dimen- sions des pièces produites, la température du tronçon de métal pendant les phases successives du procédé ne dépasse pas un maxi- mum prédéterminé de 343 C et de préférence ne dépasse pas 315 C.
Le chauffage initial de la matière en fil ou en bar- re se fait de préférence à une température d'au moins 65 C et généralement de plusde 94 C, tandis qutà la. fin des opérations de:façonnage ou de forgage, le troncon de métal, qui a été complè- tement façonné en une ébauche d'acrou, est de préférence à une température de 232 C à 315 C ou moins, de préférence au-dessous d'une température maximum de 343 C. Le gain de température, au- dessus de la température à laquelle la manière en barre ou en fil a été initialement chauffée avant les opérations de forgeage ou façonnage, est produit par le travail du métal, et plus le métal est travaillé rapidement, le volume de métal refoulé pendant l'opé- ration de façonnage est grand,
la chaleur transmise à partir du métal pendant les opérations de façonne -ou de forgeage est fai- ble et le métal ferreux est réfractaire, plus l'élévation de tem- pérature du métal est grande pendant le travail. Ainsi, lorsque le métal est-chauffe à une température trop élevée, il est néces- saire de réduire la vitesse de fonctionnement ou de,compenser d'une
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autre manière l'accroissement de température de façon à maintenir la température du tronçon de métal partiellement façonne au-dessous de la température maximum de 315 C ou 343 C.
Tandis que le chauffage peut se faire par tout moyen classique, il se fait de préférence en soumettant le fil ou la barre alimentée pour des opérations de découpage et de formage dans un appareil de chauffage à haute fréquence comprenant une bo- bine refroidie à l'eau entourant la matière d'alimentation, la bo- bine étant alimentée par la quantité de puissance appropriée, telle que 5 à 10, 15 KVA ou davantage et à une fréquence de 500.000 à
2.000.000 périodes par seconde ou davantage. Avec une telle puis- sance, un fil d'acier allié, ayant un diamètre d'environ 19mm et convenant à la formation'd'une ébauche d'écrou normal destiné à s'engager sur un boulon de 12 mm, peut être alimenté à la vitesse de 100 longueurs de tronçon à la minute ou davantage et chauffé initialement à une température de plus de 93 C.
La puissance peut être fournie en continu pour chauffer la matière en fil ou en barre ou peut être amenée à agir par inter- mittence en synchronisme avec l'alimentation de la matière et, en tout cas, elle est de préférence interrompue chaque fois que l'alimentation de la matière est interrompue pendant un laps de temps important.
Lorsqu'il n'y a lieu de déplacer qu'une petite partie du métal pendant l'opération de formage des écrous, il peut être nécessaire de chauffer le fil à des températures de l'ordre de 176 C et, dans le cas de certains alliages ferreux, il peut quel- quefois être désirable de chauffer initialement le métal à une tem- pérature de l'ordre de 204 C, mais, dans aucun cas, la température des ébauches d'écrous ne doit dépasser 343 C après le formate com- plet de ces écrous et la température finale est habituellement maintenue à un maximum de 315 C.
Quand les ébauches d'écrous sont complètement façonnés,
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elles sont alors prêtes pour le filetage et le traitement thermi- que qui peut être nécessaire.
Il est évident que la description générale précédente, ainsi que la description détaillée qui suit servent d'exemple et d'explication de l'invention, mais ne sont pas limitatives.
Une forme de réalisation d'un appareil.pour l'exécu- tion du procédé de l'invention est représentée, à titre d'exemple, aux dessins annexés.
La figure 1 est une coupe schématique représentant un appareil dans ses différentes positons, à l'aide duquel le procédé de la présente invention est commodément et de préférence exécuté.
La figure 2 est un plan d'un tronçon quand il est coupé dans une longueur de matière en fil chauffée comme phase initiale du procédé de l'invention.
La figure 3 est un plan, mais de- l'autre côté de l'é- bauche après qu'elle a été renversée et soumise à la première opé- ration, appelée quelquefois "équarrissage".
La figure 4 est un plan du premier côté de l'ébauche après qu'elle a été de nouveau renversée et soumise à une autre opération de façonnage, souvent appelée "calibrage".
La figure 5 est un plan du deuxième côté de l'ébauche après qu'elle a été de nouveau renversée et soumise à une opéra- tion "d'arrondissage" ou de formation de la calotte sphérique.
La figure 6 est un plan du premier coté de l'ébauche, après qu'elle a été de nouveau renversée et soumise à l'opération de "formation du 6 pans".
La figure 7 est un plan du premier côté de l'ébauche, après que l'ébauche a été transportée à un autre poste de façon- nage et a été soumise à l'opération de perçage.
Les figures 2A, 3A, 4A, 5A, 6A et 7A sont des plans de dessous des pièces représentées dans les figures respectives en plan de dessus.
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Les figures 2B, 3D, 4B, 5B, 6B et 7B sont des coupes transversales des pièces représentées dans les vues respectives.
La figure 7C est une coupe représentant le déchet formé par l'opération de perçage.
En se reportant maintenant en détail aux dessins annexés, on a représenté la forme, préférée d'exécutiondu procédé de l'invention et l'ébauche d'écrou est complètement façonnée, dans de la matière en fil en six phases, bien qu'on puisse em- ployer un nombre plus petit ou plus grand de phases suivant la - complexité, du travail, la quantité relative de métal à déplacer pendant l'opération de façonnage et la capacité de l'appareil de façonnage à l'aide duquel il y a lieu d'exécuter le procédé.
La figure 1 est une coupe horizontale schématique d'une machine automatique à façonner les écrous Waterbury - Farel de construction connue, qui est destinée à exécuter les opérations de découpage du tronçon de métal à partir du fil d'acier ou de la matière alimentée en barre, d'équarrissage, de mise à longueur, d'arrondissage, de formation du 6 pans et de perçage.- La matière alimentée, comprenant du fil ou barre d'acier 10, entre dans la machine à la partie supérieure gauche de la figure et avance à travers une bobine de chauffage par induction à haute fréquence, refroidie à l'eau 12, où elle reçoit une quantité suffisante d'énergie à haute fréquence, à une fréquence de 5000.000 à 2.000.000 périodes par seconde ou plus, et de préférence d'environ 1.000.000 péiodes par seconde,
pour faire chauffer la matière alimentée en fil ou en barre à la température voulue dépassant 93 C, de préfé- rence d'environ 121 C.
La première opération est l'opération de découpage qui est effectuée par la lame de découpage 14 qui découpe un tron- çon d'épaisseur convenable pour les dimensions appropriées de fil pour former l'ébauche finie de l'écrou sans donner de matièreen excès.
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Le tronçon découpé est ensuite transporté par des pinces de transport(non représentées; au poste d'équarrissage, où un poinçon et une matrice d équarrissage 16 sont prévus pour équar rir les faces avant et arrière du tronçon.
Le tronçon équarri est ensuite transporté au poste de mise à dimension où un autre jeu de poinçon et de matrice 18 exerce sur le tronçon une pression puissante et brusque pour l'a- grandir légèrement en diamètre, et de plus pour modifier la forme de ses faces.
Le tronçon mis à dimension est ensuite transporté au jeu de poinçon et matrice d'arrondissage 20 qui arrondit une face du tronçon ou bien le munit d'un évidement sur la plus grande partie d'une face,et le tronçon prend une forme à pau près hexa- gonale.
Après avoir été de nouveau transporté , le tronçon arrondi est soumis à la pression et à l'action de mise en forme du jeu de poinçon et matrice 22 de mise à la forme $ pans, con- formant convenablement l'acier dans la matrice qui a un creux he- xagonal correspondant à la forme hexagonale désirée de l'écrou et qui comporte également un évidement sur son autre côté.
Le tronçon mis à la forme hexagonale, avec un évidement sur chacun de ses côtés) est ensuite soumis à l'opération de per- çage ou de poinçonnage, pendant laquelle le tronçon est supporté dans une matrice appropriée et le poinçon de perçage 24 poinçonne avec précision le trou central de dimensions-.convenables pour prévoir les filets à façonner comme phase finale de la fabrication de l'ecrou.
Dans le cas où il faut façonner des objets ayant une autre forme que les ébauches d'écrous hexagonaux, les matrices sont modifiées en conséquence. On n'a pas représenté les moyens de trans' port classique à l'aide desquels les tronçons partiellement usinés sont transportés d'un poste au suivant, mais, avec la forint d'appa-
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reil représentée pour la fabrication d'une ébauche d'écrou. hexa- gonal, les moyens de transport pour transporter le tronçon d'un poste au suivant font retourner l'ébauche d'écrou entre chaque poste, sauf le- dernier, de -sorte que c'est d'abord un côté et ensuite l'autre qui se trouve près du poinçon correspondant et est travaillé par celui-ci.
Cependant, entre le poste de mise à la forme 6 pans et le poste de perçage, le tronçon presque complè- tement fini est transporté sans .être retourné.
Aux figures 2, 2A et 2B, le tronçon coupé 30 est re- présenté avec ses bords déformés 32 sur les côtés opposés du tron- çon résultant de l'action de tronçonnage de la lame 14.
Après que le tronçoh 30 a été équarri par l'action du jeu de poinçon et de matrice 16, il a la forme générale représen- tée à la figure 3. Ici le tronçon équarri 40 a un léger creux 42 sur la face voisine du poinçon et les bords du tronçon sont bi- seautés ou chanfreinés comme en 44 par l'action de la matrice du jeu 16.
Après l'équarrissage', le tronçon 40 est retourné et soumis à l'opération de mise à dimension par le jeu de matrice et de poinçon 10,et le tronçon mis à dimension 50 qui en résulte a l'aspect représenté aux figures 4, 4A et 4B. Le tronçon mis à di- mension 50 est légèrement plus grand en diamètre qu'il n'était après équarrissage et le côté poinçon du/tronçon 50 comporte un creux 52, tandis que le côté matrice est biseauté ou chanfreiné comme en 54. L'ancienne concavité 42 a presque disparu et il ne reste, qu'un petit creux 56 dans le côté matrice du tronçon.
Le tronçon 50 mis à dimension est ensuite retourné de nouveau et soumis au jeu de matrice et poinçon 20 formant l'arron- di et, quand cette opération est finie, le tronçon arrondi 60 a l'aspect représenté aux figures 5, 5A et 5B. Le tronçon arrondi 60 a pris une forme générale hexagonale due au f3uage radial du métal provoqué par la formation de l'évidement poinçonné 63 en
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amenant le tronçon à remplir sensiblement la matrice hexagonale du jeu 20.
Le tronçon 60 est légèrement chan.freiné du côté poin- çon par l'opération précédente et le côté. matrice est chanfreiné nettement comme en 64. Sur le côté matrice, il y a généralement une bosse insignifiante 66 qui provient de la tendance du métal à fluer axialement plutôt que nadialement. 1'évidement 62 a de pré- i.,-3nce un fond généralement concave et des parois latérales 68 relativement cylindriques, mais la forme exacte de cet évidement est de peu d'importance tant que l'évidement a une profondeur sensible.
Le tronçon arrondi 60 . toune ensuite et il est de transporté au jeu/matrice et de poinçon 22 de mise à la forme 6 pans, d'où il sort sous forme de tronçon hexagonal 70 des figures 6, 6A et 6B. Dans cette phase, la compression axiale supplémen- taire du tronçon d'acier chauffé à une température inférieure à 315 C à 343 C produit un fluage radial supplémentaire du métal, quand il repose dans la matrice de mise, à la forme 6 pans, en for- mant ainsi avec précision l'extérieur hexagonal du tronçon 70.
Dans cette opération, le poinçon produit un évidement profond 72 sur le côté poinçon de l'ébauche sans supprimer complètement l'évi- dement 74 qui était l'évidement 62 de la phase précédente.
La matrice de mise en forme hexagonale sert aussi à former le bord en gradin et en biseau 76 du tronçon 70, la forme exacte du bord 76 étant déterminée arbitrairement par la forme de la matrice.
Le tronçon 70 complètement mis à la forme 6 pans est alors prêt pour le perçage et le tronçon est transporté sans rota- tion sur le jeu de poinçon et matrice de perçage 24 pour cette opération. Le poinçon perce un trou cylindrique de diamètre appro- prié à travers l'ébauche mise en forme hexagonale pour former prête l'ébauche percée 80 qui est une ébauche d'écrou finie/pour.le
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filetage, le traitement thermique et toutes autres opérations voulues.
L'ébauche finie 80 conserve de préférence les bords en biseau 73 ,et 76 et diffère de l'ébauche mise en forme hexago- nale 70 en ce qu'elle comporte le trou percé 82 et que la pièce de déchet 84 a été enlevée (figure 7C).
Tandis que l'opération a été décrite comme comprenant six passes, il est souvent possible de combiner différentes passes de façon à éliminer la phase individuelle d'équarrissage, ainsi que la phase d'arrondissage, de sorte que l'ébauche finie peut être façonnée à des températures comprises entre 93 C et 315 ou
343 C en trois ou quatre passes seulement.
On peut fabriquer des bagues de roulement à billes et des pièces analogues conformément au procédé de la présente inven- tion en deux opérations seulement à la suite du cisaillage du tronçon à partir de l'alimentation d'acier en fil ou en barre chauffé à une température initiale'd'au moins 65 ou 93 C et ne dépassant jamais 315 ou 343 C pendant le processus de forgeage ou de façonnage.
Le morceau tronçonné, chauffé aux températures conve- nables dans les limites indiquées, généralement d'environ 121 C, est d'abord soumis à la pression extrême de déformation d'un poin- çon. Comme passe suivante et finale, on laisse le tronçon dans la même matrice et il est soumis ensuite à l'action d'un second poin- çon qui pénètre dans la partie centrale du tronçon et y forme l'ou- verture polygonale, carrée, ronde, hexagonale ou autre en confor- mant en même temps exactement le tronçon suivant la matrice de façon à produire l'ébauche finie. Pour les bagues de roulements à billes, les chemins de roulement sont finis par meulage.
Tandis que les gammes de températures sont très impor- tantes du point de vue du travail du métal ferreux, ces tempéra- tures ne sont- pas suffisantes, pour agir défavorablement sur le revêtement normalement prévu sur le fil pour améliorer l'avance
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du fil. La composition exacte de ces revêtements peut varier lar- gement et ces revêtements sont souvent de nature organique et com- prennent souvent une matière sensible à la chaleur, teile que le stéarate d'aluminium ou une matière équivalente ou peut être du sulfure de molybdène en suspension dans l'huile. La température du tronçon dans le dispositif de façonnage des têtes n'approche jamais une limite critique pour l'acier dont se compose le fil de sorte qu'il n'y a pas de grands changements de structure dans l'acier.
On a trouvé que les pièces obtenues, munies d'une tête, sont snesiblement exempts de fractures ou de ruptures, même lors- qu'elles sont façonnées en aciers -spéciaux ou à grande teneur-en carbone pouvant être difficilement usinés,et laqualité et l'as- pect des vis, boulons, rivets, goupilles et pièces analogues ob- tenues sont généralement supérieurs à ce qui était considéré comme possible jusqu'à présent.
Conformément à une variante d'exécution du procédé de l'invention, qui est spécialement destinée à assurer les avantages précédemment décrits de la présente invention, ainsi qu'à réduire et éliminer sensiblement les déchets produits par le poinçonnage de l'ouverture centrale de l'ébauche, la pièce est tronçonnée dans la matière en barre ou en fil de la façon classique, après quoi le tronçon est chauffé à une température dépassant environ 93 C et cependant pas assez élevée pour que la température maximum dépasse 315 C ou 343 C pendant le processus de forgeage. La lon- gueur du tronçon est de préférence légèrement plus courte et légè- rement plus petite en diamètre que l'ébauche à façonner et la masse du tronçon n'est de préférence que légèrement plus grande que la masse de l'ébauche à façonner par l'opération de forgeage.
Le tronçon est ensuite placé et monté dans une matrice analogue à la matrice du jeu 20, sauf que celle-ci comporte une ouverture centrale relativement petite et le poinçon correspondant est muni d'une extrémité de direction de dimension relativement
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petite, qui forme un cône croissant graduellement jusqu'à un dia- mètre plus grand, approchant du diamètre du trou à façonner éven- tuellement.
Quand le poinçon conique pénètre dans la pièce, une petite ouverture s'y forme et s'agrandit progressivement au fur et à mesure. que le poinçon avance dans la pièce, le diamètre du poinçon augmentant progressivement, dilatant peu à peu le tronçon ou l'ébauche partiellement façonné de sorte qu'il remplit sensi- blement ou complètement la matrice dans laquelle elle est placée.
Le poinçon de perçage est ensuite retiré et le tron- çon poinçonné est retourné et placé de nouveau dans la même matri- ce ou dans une autre matrice' qui a la forme finale d'ébauche vou- lue, puis un poinçon légèrement plus grand pénètre 'de nouveau dans la matrice et fait dilater axialement à la dimension voulue le tronçon percé ou l'ébauche façonnée partiellement, tandis que l'ébauche se dilate aussi légèrement dans le sens radial, de sorte que sa dimension extérieure est façonnée avec précision dans la matrice, et l'ébauche est donc terminée en tant qu'ébauche d'écrou, de bague de roulements à billes ou autre pièce prête pour toute autre opération d'usinage ou de traitement thermique qui peut être nécessaire.
On peut modifier la fonction de dilatation radiale de la matrice de perçage de façon qu'elle succède à la dilatation axiale du tronçon et,dans ce cas, le tronçon serait d'abord mis en place dans une matrice, puis dans une autre matrice de diamètre légèrement plus grand.
Dans la première matrice, le tronçon serait enfermé radialement, de sorbe que son fluage serait surtout axial., tandis que dans la deuxième matrice la compression axiale du métal entre les faces du poinçon et de la matrice provoquerait la dilatation radiale du métal de façon à donner la forme exacte à l'extérieur de l'ébauche.
Diverses modifications peuvent d'ailleurs être appor-
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tées aux exemples du réalisation représentée et décrit:; en détail, sans sortir du cadre e l'invention.
PEVENDICATIONS
1. Procédé de forgeage d'une ébauche en acier perforée, de roulement à billes, qui consiste à chauffer une ébaucha telle qu'une' ébauche d'écrou ou une bague ou un tronçon en acier à une température dépassant 93 C, à soumettre le tronçon à ces pressions de poinçonnage successives dans une matrice de forgeage de façon que le métal se déplace radialement et axialement par rapport au sens d'application de la pression de poinçonnage pour former, par une saule application de la pression, une ouverture à travers le tronçon, la température du tronçon étant réglée pen- dant le processus de façon à ne pas dépasser 315 C.