~ 69466 La présente invention, concerne un procédé et un dispositif d'extrusion hydrostatique continue applicable notamment pour des métaux et alliages.
Les techniques classiques de mise en forme, à froid, de fils métalliques de section circulaire (par tréfilaye) ou de section quelconque (essentiellement par ~tirage) sont très anciennes.
Leurs inconvénients sont bien connus: ~
Dans le cas du tréfilage: nécessité, pour obtenir des ~ -réductions de section importantes, à partir d'un fil machine obtenu à chaud, d'utiliser toute une cascade de filières précises, coûteuses, d'usure souvent rapide.
Dans le cas de l'étirage: nécessité de plusieurs passages pour obtenir une mise en forme progressive dans des séries de filières très coûteuses.
De nombreux métaux et alli~ages supportent mal ces traitements successifs et doivent subir des traitements inter~
médiaires (c'est le cas du laiton) et/ou des traitements de -surface pour limiter l'usure des filières (c'est le cas de ;~
20~ llacier inoxydable ou du titane)~
On a proposé, pour s'affranchir de ces inconvénients, .
des procédés dans lesquels la réduction de section s'effectue - ~
en une seule passe sous l'action de pressions très élevées. - --C'est le cas, en particulier, des procédés décrits dans les brevets franc,als 2.128.843 et 2.197.665, au nom de UNITED KING-DOM ATOMIC ENERGY AUTHORITY, dans les brevets US. 3~911.705, au nom de "W.G. VORR~ES" et US. 3.934.446, ~u nom de i'B. AVITZUR".
Mais, ces procédés sont basés sur des frottements à
sec, métal sur métal, qui provoquent un échauffement très important de l'appareillage et des produits traités - pouvant ~ ;
aller jusqu'à un début de fusion de ceux-ci - et demandent une ~ ;
énergie motrice importante. ' ~(~6~66 On a proposé, également, des procédés d'extrusion continue dits hydrostatiques dans lesquels une ebauche est forcée au travers d'une filiere sous l'action d'un fluide visqueux soumis à une pression tres élevée.
Ces procédes présen-tent de nombreux avantages et, en particulier~
~ possibilité d'atteindre des rapports de réduction de section tres élevés, meme dans le cas de métaux peu ductiles; ~-- possibilité d'obtenir, dans ces conditions, un métal 10' fortement corroyé a froid, donc mecaniquement très resistant:
- faible usure des outillages;
- ecoulement du metal sans zones mortes, d'ou il resulte des procluits sains, exempts d'inclusions a coeur provenant ~ '~
de la surface d l'ébauche.
De tels procédés ont été décrlts en particulier: dans les brevets français 2.029.568 et 2.160.413 de WESTERN ELECTRIC
(correspondant respectivement aux brevets US. 3.667.267 et 3.740.985) qui decrivent un procede dont la mise en oeuvre fait appel a un appareillage d'une tres grande complexite, dans le brevet canadien 1,943,291 de T~EFIMETAUX, dont la mise en oeuvre ~, .
est ~galement compliquée, et dans le brevet britannique N~
1.430.623 de KOBE STEEL, dans lequel le fil est tire a l'interieur de la chambre à haute pression par un cabestan disposé dans la ~- ~chambre elle-meme.
Ce dernier procédé est simple à mettre en oeuvre si on travaille sous une pression relativement peu elevée, mais le' rapport de réduction permis par l'usage d'une seule chambre est beaucoup trop réduit pour le travail à froid de la plupart des métaux. L'emploi de chambres multiples en cascade conduit alors, compte tenu des pressions en jeu, a concevoir un équipement extrêmement lourd et coûteux.
A l'heure actuelle, malgré le grand intérêt qu'il ~
..
'' ~()6~L66 suscite, aucun procede d'extrusion hydrostatique en continu n'a : .
~ai-t l'objet de realisation et d'exploi.tation satisfaisante au stade industriel. ~-La difficulte pratique a laauelle se sont heurtées, jusqu'à present, les recherches concernant les procedes . ~:
d'extrusion hydrostatique continue reside essentiellement dans :
l'introduction, en continu, d'un produit de longueur indefinie dans une chambre contenant un fluide a tres haute pression.
L'extrusion du produit a travers une filiere debouchant hors de la chambre s'effectue ensuite spontanement.
La presente invention, basee sur la mise en oeuvre de ces considerations, se distingue ainsi des procedes connus dans lesquels l'entraînement de l'ebauche implique des frottements metal sur metal très importants.
Selon la presente invention, il est pre.vu un dispositif .
d'extrusion hydrostatique continue d'un premier objet dit ebauche, de longueur indefinie, en un second comporte ohjet, de longueur egalement indefinie, mais de section differente, caracterise par deux organes coaxiaux cooperant, llun mobile, dit ;.
rotor portant, tracee à sa surface, une saignee de revolution adaptée a la forme de l'ebauche a extruder, l'autre fixe, dit stator, formant sur un premier secteur de la saignee contenant :
;.~
l'ebauche et un ~luide visqueux,un couvercle sensiblement etanche vis-a-vis dudit fluiderle stator comportank egalement dans un ~.
deuxieme secteur de la saignee,situe en aval du precedent, un re- .
lief obstruant en totalite la section de la saignee et,exactement a~uste a celle-ci pour la rendre suffisamment etanche vis-a-vis du fluide visqueux, le stator comportant un moyen d'alimentation de la saignee en fluide visqueux sous haute pressionJà partir d'un generatewr de pression qui peut être de type connu)ainsi qu'un orifice , situe en face du premier secteur de la saign~e, au voisinage du second secteur et debouchant, par un '~
, ,,. - ~ -, : ~
conduit allongé traversant le stator, dans une chambre d'extrusion communiquant vers l'exterieur au travers d'au moins un orifice de filière, le moyen d'alimentation en fluide visqueux engendrant :
dans le premier secteur de la saignée un gradient de pression du point d'entrée, à la pression ambiante, jusqulà l'entrée du conduit débouchant dans la charnbre où règne la pression d'extrusion~ ~
Selon la présente invention, il est aussi prévu un .
procédé d'extrusion hydrostatique continue, d'un premier objet ~.
dit ébauche, de lonyueur indéfinie en second objet, de longueur également indéfinie mais de section différente, caractérisé en ce que l'ébauche, accompagnée d'une quantité substantielle d'un flui-de visqueux, est introduite dans une saignée, taillée dans un ro~
tor d'entraînement et dans laquelle ladite ébauche délimite deux zones concentriques séparées, la première, du côté externe, face à un stator formant couvercle appliqué sur le rotor, recevant directement le fluide visqueux sous haute pression, . .
par un moyen d'introduction engendrant une pression progressive-: .
ment croissante du point d'entrée, à la pression ambiante jusqu'à la chambre où règne la pression d'extrusion et, de façon générale, plus élevée que celle qui règne dans la deuxième zone, du côté interne, au fond de la saignée, cette différence de pression exer~ant sur l'ébauche une force tendant à la plaquer dans la saignée et engendrant une adhérence suf~isante pour ~ :
que le mouvement du rotor entraîne ladite ébauche sans glissement ;.
de l'amont, à la pression ambiante, jusque vers l'aval ~ l'entrée ;
d'une chambre ~ haute pression d'où elle s'échappe par extrusion travers au moins unorifice de filière. - .
- Cette filière peut être simple ou multiple, fixe ou ..
démontable, en une ou plusieurs parties. . ;~
~, .. . .
Les figures et exemples de réalisation qui suivent .
permettront de mieux expliciter la mise en oeuvre de l'invention.
- 4 ~
~9~66 ~
Les figures 1, 2 e-t 3 se rapportent au principe de l'invention~ ;
Les figuxes 4 et 5 représentent un mode de mise en oeuvre de l'invention dans lequel la saignée est taillée à
la périphérie du rotor, la figure 4 étant une coupe perpendi-culaire à l'axe du rotor, et la figure 5 étant une coupe transversale dans un plan, passant par l'axe du rotor.
Les figures 6 et 7 représentent un autre mode de mise ' en oeuvre dans lequel la saignée est taillée sur la face du rotor en regard du stator formant couvercle, la figure 6 représentant une demi-coupe gauche et une demi-couple droite, et la figure 7 représentant une vue de dessus par un plan perpendiculaire l'axe de rotation du dispositif de la ligne 6.
La Eigure 8 montre une forme particulière du couvercle, dans la partie faisant face à l'ébauche, à la forme de laquelle il est adapte.
La figure 9 montre une forrne simplifiée du couvercle.
La figure 10 montre comment se répartissent les pressions sur l'ébauche tout au long du premier secteur de la saignée. ~
Les figures 11 et 12 schématisent deux installations ~ -complètes d'extrusion hydrostatique continue, y compris les organes annexes, dans le cas où le stator enveloppe le rotor (fig. 11), selon le principe des figures 4 et 5, et dans le cas où le stator se présente sous forme d'un couvercle plat (fig. 12) selon le principe des figures 6 et 7.
Le principe de ce proc~dé va tou-t d'abord être expli- -cité grâce aux figures 1, 2 et 3.
Considérons un rotor (1) dans lequel on a saigné une '' ~-30 saignée circulaire (2) représentée en coupe sur la figure 1, '~
et un objet à extruder (3) placé dans cette saignée de fac~on -à venir en contact soit des deux parois latérales (4, 4')~
- 5 - '~
' '-. , ' , ' . . ............. ' , ', : : ~: ~' , .- ';
. . . .: .. . . . . . ..
~ 6~L66 soit du fond (5), soit des trois, objet sur la partie supérieure duquel s'exerce la pression P d'un fluide visqueux. '' L'objet ~ extruder (3~, qui est représenté ici avec une section transversale circulaire, mais dont la sec-tion peut être d'une toute autre forme, est appliqué sur les parois de la gorge au niveau des deux génératrices, en des points tels '~
que X et Y, Dans le fond (7) de la saignée regne une pression en tous points inférieure ou, localement, au plus égale à P, ~ ' et qui peut être égale à la pression ambiante si ce fond ~7) est ' ~
en commumication avec l'air libre. '~ ~' L'objet ~ extruder sépare donc la saignée en deux zones, une zone externe (6) dans laquelle règne une pression P
et une zone interne (7) dans laquelle règne une pression p. ''~
Le lcng de la saignée, la pression P varie progressive-ment. Si l'on considère un élément de longueur ~de l'objet à
extruder (3), la pression moyenne en amont de ~ est égale à Po et la pression moyenne en aval de ~ est égale à Pl, les termes' "amont" et "aval" étant déterminés par référence au sens du ~' mouvement que l'on désire comrnuniquer à l'objet (3) en direction de la chambre d'extrusion. L'élément de longueur est soumis aux quatre pressions P, p, Po et Pl, comme cel~ apparaît sur la figure 2, Ces pressions engendrent des forces, appliquées à
l'élement 1.
:. . -La condition pour laquelle cet élément est entraîné
sans glissement par le rotor est que la force d'adhérence ''~ ~
de l''objet dans la saignée soit au moins égale à la force - ;
résistante dûe au gradient de la pression P, force tendant à
provoquer son recul par glissement vers l'amont. Cette condition peut s'écrire, en négligeant en particulier l'influence de la résistance mécanique propre de l'objet (P - p)~ .a.K > (Pl ~ Po)s, ;~
ou encore : ; '~;
- 6 - '''' ' ;
' ' -~
~ .- '..
~694~
p _ p >~ (Pl - P~)-~.a.k equation dans laquelle:
- P est la pression moyenne existant dans la zone exterieure de la saignee 2 au-dessus de l'objet (3), - p est la pression moyenne, existant dans la zone interieure de la saignee 2 sous l'objet (3), - Po est la pression moyenne existant dans la section de la saignée (2) à l'extrémité amont de la portion d'objet consi-dérée, - Pl est la pression moyenne existant dans la section de la saignée (2) à l'extrêmité aval de la portion d'objet considérée, - ~ est la longueur de la portion d'objet considéree, - a est la largeur de la saignée dans la région o~ l'objet la ;~
separe en zone externe (6) e-t zone interne 17), ;
- s est la section transversale de l'objet, - K est un coefficient d'adherence dépendant de la forme et de :
la nature des surfaces en .contact.
Si, par exemple, on considère un élément de fil métal-: lique de section sensiblement circulaire, de 10 mm de diamètre et de longueur égale à 5 cm, on a~
- 5.10-2 m a ~ 10-2 m ~ :~
s ~ 0,8.10~4'm2 .' ~ On suppose, d'apr~s l'expérience acquise en matiere d'extrusion hydrostatique~
- Po ~ 5000.105 Pascal (5000 bars) .
Pl = 6000.105 Pascal (6000 bars) .
: K = 0,1 La condition d'équilibre s'écrit: . . .
p - p~(Pl P~) e.a.k P - p~l000.105 x 5 ~'0 1 - 7 - :
A
, ., . ~, . . ,. , ~ . . . . .................. .. . . .
, .. , " ". . . ., ~ ,,, .~ . . . . . ... . . . . . . .
, . , , . ~ - , , , ~
.. . . . . . . . . .
~69~6 P - p ~ 1600.105 Pascal (1600 ~ars) Cette condition peut être très facilement réalisée.
Les mêmes considérations s'appliquent dans le cas où
l'objet à extruder a une section différente de la forme circulaire, par exemple une section carrée ou rectangulaire (8).
La zone inférieure (7) dans laquelle règne la basse pxession p est ici réalisée, comme on le voit sur la figure 3, sous forme de canaux (9) taillés dans le fond de la saignée (2).
Il est donc possible, dans ces différents cas, d'en-traîner sans glissement, au moyen d'un rotor, un objet pris à lapression ambiante et de l'introduire dans une chambre d'extru-sion contenant un fluide à très haute pression. ~;
Sur la figure 4 qui est une coupe perpendiculaire àl'axe O du rotor (10), l'objet à extruder (11) entre en (12) au point N, dans le premier secteur de la saignée (13) taillée dans le rotor (10). Le premier secteur s'étend approximative-ment entre les rayons OA et OB. Au point N, les pressions P et p, précédemment définies, sont égales ~ la pression ambiante.
" ".
Le fluide visqueux, sous la pression d'extrusion, est introduit dans la première zone concentrique (14) au moyen de l'ajutage (15) traversant le stator (16). La saignée (13) est obturée, de façon sensiblement étanche au fluide, dans le deuxième secteur compris entre les rayons OB et OC~ par un relief (17) du stator (16).
L'ébauche (11), à la mise en route du processus, doit être engagée dans le conduit allongé (18), dans la chambre j; ;
d'extrusion (19) et à l'entrée de la filière (20), le terme -"chambre d'extrusion" désignant la partie du conduit (18) immédiatement en amont de la filière (20), ladite cham~re pouvant avoir indifféremment une forme et des dimensions identiques ou très différentes de celle du conduit allongé (18) sans que le processus d'extrusion en soit affecté. ; ~ ' ~6~6~;
La filière est fixée de fa~on é-tanche sur l'extrêmité
du conduit (18) yrâce au joint (21), de cette fa~on, la pression du fluide est constante tout le long du conduit allonge (18) et dans la chambre d'extrusion (19) et égale ~ PEX.
Il est possible de prévoir un ou plusieurs ajutages d'injection du fluide visqueux à une pression P' intermédiaire entrela pression ambiante et la haute pression PEX, tel que l'ajutage (22).
La figure 5, qui est une coupe transversable dans un plan passant par l'axe 0, au niveau de l'ajutage (15), fait apparaître entre rotor et stator dans les zones d'étanchéité
Zl et Z2 un jeu plus yrand que la réalité pour la clarté du ~-dessin. En pratique, il se mesure en centièmes de milimètre.
Il en est' de même pour toutes les figures qui suivent.
La figure 6 représente, en coupe, un autre mode de mise en oeuvre de l'invention dans laquelle le rotor et le .
stator coopèrent non plus par la périphérie respectivement .
externe et interne, mais par leurs faces (23) et (24) perpendi~
culaires à l'axe de rotation.
La saignée (25) est taillée sur la face (23) du rotor qui coopère avec la face (24) du stator. .
La partie dxoite de la figure 6, par rapport à l'axe .~ ~
de rotation, est.une demi-coupe passant par le canal d'injection :: -(15) du fluide visqueux, situé à l'extrêmité aval du premier secteur de la saignée; alors que la partle gauche est une de~i-coupe passant par le relief d'obturation (27) de la saignée (25) ~~
dans son deuxi~me secteur. Dans la zone externe (28) r~gne la pression P, et dans la zone interne (29), la pression p.
. ~ . :
La figure 7 représente une vue de dessus, par un plan ;'~
perpendiculaire ~ l'axe de rotation, du dispositif de la figure 6. L'ébauche (11) rentre, à gauche, dans la saignée du rotor et sort sous forme du produit tréfilé (26), de la filière (20).
_ g ~
. .
., .
~ 369~
La différence P - p, aussi bien dans le cas du mode ~:
de réalisation des fi~ures ~ et 5, que celui des figures 6, 7 ~ ~
et 8, dépend de la valeur de la pression injectée dans la zone - -extérieure de la saignée, de la répartition des points d'injec-tion - s'ils sont multiples - de la section et de la forme des zones interne et externe de la saignée. La figure 10 montre ;-la répartition des pressions P et p dans un cas particulier comportant deux arrivées de fluidé, une en M (fig. 4) à la pres- ~
sion d'extrusion PEX, l'autre en R, à la pression P'Ex = P/2. ~ ~;
Le point M correspond à l'orifice dlinjection du fluide visqueux .
à haute pression PEX à l'extrimit~ aval du premier secteur de .
la saignée. Le point N correspond à l'entrée de l'objet à ~ ;~
extruder dans la saignée, à l'extrêmité amont de son premier secteur. Le point R correspond à l'orifice d'injection du fluide visqueux sous la pression P' = PEX/2. . :-~
On constate que l'écart P~- p est toujours relativement ;~
important sauf au point N où P = p = la pression ambiante et au -point M où l'égalité de P et de p est nécessaire pour permettre .
à l'objet à extruder de sortir de la saignée afin de pénétrer dans l'orifice (18) en direction de la chambre d'extrusion (19). .
On remarque que la courbe P présente des rayons de courbure moins prononcés que la courbe p. Celà est dû au fait que la section du canal de fuite axial constitué par la zone externe de la saignée est croissante de l'amont vers l'aval.
:- ~ ~ . .. .
Ce phénomène peut être recherché par un usinage approprié du .
stator, mais il tend à apparaltre spontanément du fait du cédage .~
élastique des parois du canal sous l'effet des poussees exerc~es ' ; ~ .
par le fluide visqueux. Inversement, la section du canal interne tend à décroître de l'amont vers l'aval du fait du tassement de l'ébauche au fond de la saignée. .
Il est possible, dans le cas des figures 4 à 7, d'adap- -: ter le profil de l'extrêmité (30) de la partie du couvercle en ~.
regard de la première tranche de la saignée, comme on le voit sur la flgure 8, de façon à diminuer la section transversale de la zone (28), ce qui diminue sensiblement le débit de fuite du fluide dans le sens inverse du mouvement d'avance de l'objet à extruder. -D'autre part, il est possible de simplifier le dessin du stator, comme sur la figure 9 où les zones d'ékanchéité sont localisées, par exemple en Z2 Les deux possibilités peuvent être combinéesO
L'ensemble des fuites du système est compensé par des dispositifs de pompage qui réinjectent,,après épuration, . .
filtration et mise en température éventuelles, le fluide visqueux qui s'est échappé par les différents jeux entre rotor, stator et objet ~ extruder, jeux qui sont indispensables pour -~
un fonctionnement normal de l'appareillage, mais qu'il convient de réduire au minimum, de fa~on connue, pour que la puissance : . ~
absorbée par les dispositifs de pompage ne soit pas excessive.
Dans ce même but, le fluide hydraulique doit présenter une viscosité relativement élevée.
20 ~ La figure 11 représente, de façon schématique, en coupe verticale, une installation complète d'extrusion hydrosta-: .. . .
tique selon l'invention dans le mode de réalisation décrit sur ~ ;
les figures 4 et 5. Le rotor (31) est mis en rotation grâce au groupe moto-réducteur (32). Le stator (33) est amené et maintenu en position de travail par le vérin (34). L'ébauche (35) entre dans le dispositif d'extrusion en (36) et le fil ~ ' cx-trud~ ~37) sort dc la fili~rc (3~3). Le fluide visqueux, sous la haute pression PEX est injecté en (39), à l'extrêmité aval du premier secteur de la saignée du rotor, par un multiplicateur de pression tandem (40) lui-même alimenté par la pompe moyenne pression (41).
Un deuxième multiplicateur tandem (42) alimente un - 11- .,, :
-. : . . , . :
.. . , ., . : ~ ~ ,: : :
~;)6946Çi point intermédiaire d'injec-tion (43) sous une pression P' inférieure ~ PEX, comme cel~ a éte précédemment expliqué; il est également alimenté à partix de la pompe (41~
L'ensemble de l'appareillage est monté au-dessus ~:
d'une fosse (44) dans laquelle s'écoule le fluide visqueux prove~
nant des différentes fuites et qui peut être équipée d'un dis-positif, de type connu, pour en réguler la température. Ledit .
fluide visqueux, repris par la pompe basse-pression (45), passe, :~
après filtration, dans l'accumulateur basse-pression (46) à
partir duquel se fait le gavage des multiplicateurs (40~ et (42~
Le vérln (34), commandant le positionnement et la mise - ~- .
en appui du stator (33), est alimenté par la même source que les multiplicateurs de pression. De ce fait, l'effort de .
maintien du stator (33) sur le rotor (31) est proportionnel ~ .
la pression d'extxusion, ce qui permet de compenser correctement la force de séparation du rotor et du stator.
La figure 12 représente, ~e facon schématique, en coupe verticale, une autre installation complète d'extrusion .;
hydrostatique selon l'invention, Sur cette figure, les organes ..
assurant les même5 fonctions sont désignés par les mêmes repères "~ "~
numériques que sur la figure 11. Le système d'extrusion pxo-prement dit est du type décrit sur les figures 6 et 7. Les fuites de fluide sont collectées dans un bac (47) muni d'une chicane (48) et équipé d'un dispositif connu de xégulation de .
température non représenté, puis sont reprises par la pompe basse pression (45) et renvoyées dans un accumulateur (46). ~ ~.
EXEMPLE DE MISE EN OEUVRE:
On a construit, conformément au schéma de la figure 11 .
et au principe illustré par les figures 4 et 5, une installation d'extrusion hydrostatique continue, avec un rotor de 500 mm de diamètre (mesuré à fond de saignée) et alimenté en une huile ~ -~' synthétique ~ base de polyoxyéthylène d'une viscoslté de.500 - 12 - .
1~69~
stokes à 20~C.
Dans un premier essai, on a introduit une ébauche de 10 mm de diamètre en cuivre non allié et alimenté l'appareil en fluide visqueux sous une pression d'extrusion d'environ 16 kbars. La filière de sortie avait un diamètre de 1,6 mm.
On a réglé la vitesse de rotation du rotor à 34 tours/
minute, correspondant à une vitesse d'entrée de l'ébauche de 0,9 mètre/seconde et à une vitesse de sortie du fil extrudé au diamètre de 1,6 mm, de 35 mètres par seconde.
Pendant l'opération, le débit de fuite moyen du fluide visqueux a été de 30 millilitres par seconde. On a ainsi obtenu un fil dont la surface ne présentait aucun défaut et totalement exempt d'inclusion.
Dans un deuxieme essai, on a introduit une ébauche de 10 mm de diamètre en laiton dit "UZ 15" (à 15 % en zinc). On a fixé le rapport de réduction à 3 ~section d'entrée S = 78,5 mm2, section de sortie s = 25,5 mm2 (profilé rectangulaire de environ 8,5 x 3 mm). La vitesse de rotation était réglée à 34 tours/
minute, la vitesse d'entrée de l'ébauche était de 0,9 mètre/ ~ ~' seconde, et la vitesse de sortie du profilé extrudé de 2,8 mètres/seconde, Le fluide visqueux a été introduit sous une pression d'environ 8 kbars et le débit de fuite a été de llordre "
de 25 millilitres par seconde. Le fil extrudé présentait un excellent é-tat de surface et ne montrait ni inclusion ni traces d'oxydation. Les propriétés mé~aniques correspondaient à celle ~ ;~
d'un métal écroui.
Parmi les avantages de l'invention qui vient d~être décrite, par rapport aux procédés d'extrusion hydrostatique, et notamment par rapport à la demande de brevet canadienne 252,496 du 13 mai 1976, l'invention présente les avantages suivantes - La filière est reportée à l'extérieur de la saignée ce qui permet de déterminer sa forme et ses dimensions extérieures ~L~69~6~
optimales sans être limité par les dimensions exigues de la saignée, et d'en permettre le montage et le démontage de façon commode.
L'entraînement de l'ébauche par le rotor sans glissement permet de développer une force dlentraînement par une unité de longueur très importante et d'utiliser pratique-ment un rotor d'entrainement de dimension réduite tpar exemple 500 mrn de diamètre au lieu de 2000 mm dans la demande de brevet canadienne 252,496 dans le cas d'une ébauche de 10mm de diamètre.
Le procédé et les dispositifs dlextrusion hydrostatique qui viennent d'être décrits conviennent aussi bien pour l'extrusion des métaux et alliages même à faible ductilité que pour l'extru~
sion de matériaux divers, tels que des matières plastiques. Ils ;
peuvent être employés dans un larye éventail de températures fonction de la nature du matériau extrudé, du fluide visqueux et des outillages.
La mise en oeuvre de l'invention n'est pas limitée - aux exemples et aux modes de réalisation qui viennent d'être .. . . .
décrits.
Pour diverses raisons, notamment un meilleur équi~
Ilbrage des forces hydrauliques en présence, une augmentation !''' ' ,,' ", ou une diversification de la production, il est possible, dans le cas décrit sur les figures 11 et 12, de mettre en oeuvre, ;~
simultanément ou alternativement, plusieurs dispositifs selon l'invention, utilisant en commun certains organes comme, par exemple, les générateurs de haute pression ou le rotor, celui-ci pouvant comporter une saignée coiff~e d'un couvercle en plusieurs ~ ;
éléments faisant fonction de stator ou même plusieurs sai~nées, identiques ou non, coiffées chacune d!un couvercle en ou plusieurs éléments faisant fonction de stator. On peut ainsi -extruder simultanément ou successivement deux ou plusieurs - ébauches. ~ ;
- 14 - ~-. . .. . , .,, . . ~, . ..
Pour ameliorer la régularité dimensionnelle de l'ébau-che ou pour en eliminer la peau, source de particules abrasives polluant le fluide visqueux, il peut être avantageux de faire subir à l'ébauche au moins une pas,se de rasage ou de profilage avant son entrée dans la saignée. La force d'entraînement par le rotor peut être mise à profit pour tirer llébauche ~ travers le dispositif de rasage ou de profilage, qui peut être de tout type connu. ;
Il est également possible d'extruder des produits :
composites par cofilage de plusieurs éléments distincts intro-duits conjointement dans la saignée du rotor et fortement pressés ensemble au moment de leur passage dans la filière '~
d'extrusion, par exemple, on peut réaliser de cette manière un profilé dlaluminium gainé de cuivre à par~ir d'une âme en aluminium autour de laquelle on a disposé une feuille de cuivreO
'~ .:
.~, .
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~. . ...
- 15 - , ,:
,,.. " , , ,, ,, : . ~ 69,466 The present invention relates to a method and a applicable continuous hydrostatic extrusion device especially for metals and alloys.
The classic techniques of shaping, cold, metallic wires of circular section (by trefilay) or of any section (essentially by ~ draw) are very old.
Their drawbacks are well known: ~
In the case of wire drawing: necessary, to obtain ~ -significant section reductions, from a wire rod obtained hot, to use a whole cascade of precise dies, expensive, often rapid wear.
In the case of stretching: need for several passages to obtain progressive shaping in very expensive series of channels.
Many metals and alloys do not support these successive treatments and must undergo inter ~ treatments mediates (this is the case of brass) and / or treatments of -surface to limit wear on the dies (this is the case with; ~
20 ~ stainless steel or titanium) ~
To overcome these disadvantages, it has been proposed to .
processes in which the section reduction is carried out - ~
in a single pass under the action of very high pressures. - -This is the case, in particular, of the methods described in the French patents, als 2,128,843 and 2,197,665, in the name of UNITED KING-DOM ATOMIC ENERGY AUTHORITY, in US patents. 3 ~ 911,705, at name of "WG VORR ~ ES" and US. 3,934,446, ~ u name of i'B. AVITZUR ".
However, these methods are based on friction at dry, metal on metal, which cause very high temperatures important equipment and processed products - can ~;
go to the start of a merger of these - and ask for a ~;
important motor energy. '' ~ (~ 6 ~ 66 Extrusion processes have also been proposed continuous said hydrostatic in which a blank is forced through a die under the action of a fluid viscous under very high pressure.
These procedures have many advantages and, in particular ~
~ possibility of reaching reduction ratios very high cross-section, even in the case of slightly ductile metals; ~ -- possibility of obtaining, under these conditions, a metal 10 'strongly wrought when cold, therefore mechanically very resistant:
- low wear of the tools;
- metal flow without dead zones, from where it results from healthy products, free of heart inclusions from ~ '~
of the surface of the blank.
Such processes have been described in particular: in WESTERN ELECTRIC French patents 2,029,568 and 2,160,413 (corresponding to the US patents 3,667,267 and 3,740,985) which describe a process the implementation of which call for very complex equipment in the Canadian patent 1,943,291 of T ~ EFIMETAUX, the implementation of which ~,.
is ~ also complicated, and in the British patent N ~
1.430.623 from KOBE STEEL, in which the thread is drawn inside from the high pressure chamber by a capstan arranged in the ~ - ~ chamber itself.
This last method is simple to implement if we work under relatively low pressure, but the ' reduction ratio allowed by the use of a single room is far too small for most cold work metals. The use of multiple chambers in cascade then leads, given the pressures involved, designing equipment extremely heavy and expensive.
At present, despite the great interest it ~
..
'' ~ () 6 ~ L66 prompted, no continuous hydrostatic extrusion process has:.
~ did the object of realization and of exploitation satisfactory to industrial stadium. ~ -The practical difficulty at which the collector collided, so far, research into processes. ~:
of continuous hydrostatic extrusion resides mainly in:
continuous introduction of a product of indefinite length in a chamber containing a very high pressure fluid.
The extrusion of the product through a die opening out of the room is then carried out spontaneously.
The present invention, based on the implementation of these considerations, is thus distinguished from the processes known in which the drive of the blank involves friction metal on metal very important.
According to the present invention, a device is provided.
continuous hydrostatic extrusion of a first said object blank, of indefinite length, in a second comprises ohjet, also of indefinite length, but of different section, characterized by two coaxial cooperating members, a mobile, said;
rotor carrying, traced on its surface, a groove of revolution adapted to the shape of the blank to be extruded, the other fixed, says stator, forming on a first sector of the groove containing:
;. ~
the blank and a viscous ~ luide, a substantially waterproof cover opposite said stator fluiderle also in a ~.
second bleeding sector, located downstream from the previous one, a re-.
lief completely obstructing the section of the groove and, exactly a ~ uste to it to make it sufficiently tight vis-à-vis viscous fluid, the stator comprising a supply means bleeding in viscous fluid under high pressure of a pressure generatewr which can be of known type) as well an orifice, located opposite the first sector of the bleed, near the second sector and emerging, by a '~
, ,,. - ~ -,: ~
elongated conduit passing through the stator, in an extrusion chamber communicating towards the outside through at least one orifice of die, the viscous fluid supply means generating:
in the first sector of the bleeding a pressure gradient from point of entry, at ambient pressure, to entry of the duct opening into the hinge where the pressure prevails extrusion ~ ~
According to the present invention, there is also provided a.
continuous hydrostatic extrusion process, of a first object ~.
said draft, of indefinite length as a second object, of length also undefined but of different section, characterized in that the draft, accompanied by a substantial amount of a fluid viscous, is introduced into a cut, cut from a ro ~
drive tor and in which said blank delimits two separate concentric zones, the first, on the external side, facing a stator forming a cover applied to the rotor, directly receiving the viscous fluid under high pressure,. .
by an introduction means generating progressive pressure-:.
increasing from the point of entry, at ambient pressure to the chamber where the extrusion pressure prevails and, so general, higher than that prevailing in the second zone, on the internal side, at the bottom of the groove, this difference pressure exerting on the blank a force tending to press it in the bleeding and generating suf ~ isante adhesion for ~:
that the movement of the rotor causes said blank without sliding;
upstream, at ambient pressure, downstream ~ entry;
a high pressure chamber from which it escapes by extrusion through at least one die orifice. -.
- This sector can be single or multiple, fixed or ..
removable, in one or more parts. . ; ~
~, ... .
The figures and examples of embodiment which follow.
will better explain the implementation of the invention.
- 4 ~
~ 9 ~ 66 ~
Figures 1, 2 and 3 relate to the principle of the invention ~;
Figuxes 4 and 5 represent a mode of implementation work of the invention in which the groove is cut to the periphery of the rotor, FIG. 4 being a cross-section cular to the axis of the rotor, and Figure 5 being a section transverse in a plane, passing through the axis of the rotor.
Figures 6 and 7 show another mode of setting ' in which the groove is cut on the face of the rotor opposite the stator forming a cover, FIG. 6 representing half a left cut and half a right couple, and the figure 7 showing a top view by a perpendicular plane the axis of rotation of the device of line 6.
Figure 8 shows a particular shape of the cover, in the part facing the blank, in the form of which it is suitable.
Figure 9 shows a simplified form of the cover.
Figure 10 shows how the pressures on the draft throughout the first sector of the bleeding. ~
Figures 11 and 12 show schematically two installations ~ -complete continuous hydrostatic extrusion, including additional members, in the case where the stator envelops the rotor (Fig. 11), according to the principle of Figures 4 and 5, and in the case where the stator is in the form of a flat cover (Fig. 12) according to the principle of Figures 6 and 7.
The principle of this process will first of all be explained -cited thanks to figures 1, 2 and 3.
Consider a rotor (1) in which we bled a '' ~ -30 circular groove (2) shown in section in Figure 1, '~
and an object to be extruded (3) placed in this groove in fac ~ on -to come into contact with either the two side walls (4, 4 ') ~
- 5 - '~
'' '-. , ','. . ............. ',',:: ~: ~ ', .-';
. . . .: ... . . . . ..
~ 6 ~ L66 either from the bottom (5) or from the three, object on the upper part which exerts the pressure P of a viscous fluid. '' The object ~ extrude (3 ~, which is represented here with a circular cross section, but the section of which can be of a completely different shape, is applied to the walls of the groove at the level of the two generatrices, at points such as' ~
that X and Y, In the bottom (7) of the bleeding reigns a pressure at all points lower or, locally, at most equal to P, ~ ' and which can be equal to the ambient pressure if this background ~ 7) is' ~
in communication with the open air. '~ ~' The object ~ extrude therefore separates the bleeding in two zones, an external zone (6) in which there is a pressure P
and an internal zone (7) in which a pressure prevails p. '' ~
The bleeding lcng, the pressure P varies gradually-is lying. If we consider an element of length ~ of the object to extrude (3), the average pressure upstream of ~ is equal to Po and the average pressure downstream of ~ is equal to Pl, the terms' "upstream" and "downstream" being determined by reference to the meaning of ~ ' movement that one wishes to communicate to the object (3) in the direction of the extrusion chamber. The length element is subject to four presses P, p, Po and Pl, as shown on the Figure 2, These pressures generate forces, applied to item 1.
:. . -The condition for which this item is trained without sliding by the rotor is that the adhesion force '' ~ ~
of the object in the bleeding is at least equal to the force -;
resistant due to pressure gradient P, force tending to cause it to recede by sliding upstream. This condition can be written, neglecting in particular the influence of object's own mechanical resistance (P - p) ~ .aK> (Pl ~ Po) s,; ~
or : ; '~;
- 6 - ''''';
'' - ~
~ .- '..
~ 694 ~
p _ p> ~ (Pl - P ~) - ~ .ak equation in which:
- P is the average pressure existing in the outside area of the groove 2 above the object (3), - p is the average pressure, existing in the interior zone of the groove 2 under the object (3), - Po is the average pressure existing in the section of the groove (2) at the upstream end of the portion of object consi-derée, - Pl is the average pressure existing in the section of the bleeding (2) at the downstream end of the portion of object considered, - ~ is the length of the portion of the object considered, - A is the width of the groove in the region o ~ the object la; ~
separates into external zone (6) and internal zone 17),;
- s is the cross section of the object, - K is an adhesion coefficient depending on the form and:
the nature of the .contact surfaces.
If, for example, we consider a metal wire element : substantially circular section, 10 mm in diameter and of length equal to 5 cm, we have ~
- 5.10-2 m a ~ 10-2 m ~: ~
s ~ 0.8.10 ~ 4'm2. ' ~ We suppose, from ~ s experience acquired in matters hydrostatic extrusion ~
- Po ~ 5000.105 Pascal (5000 bars).
Pl = 6000.105 Pascal (6000 bars).
: K = 0.1 The equilibrium condition is written:. . .
p - p ~ (Pl P ~) eak P - p ~ l000.105 x 5 ~ '0 1 - 7 -:
AT
,.,. ~,. . ,. , ~. . . . .................. ... . .
, .., "". . . ., ~ ,,, . ~. . . . . ... . . . . . .
,. ,,. ~ -,,, ~
... . . . . . . . .
~ 69 ~ 6 P - p ~ 1600.105 Pascal (1600 ~ ars) This condition can be very easily achieved.
The same considerations apply in the event that the object to be extruded has a different section from the shape circular, for example a square or rectangular section (8).
The lower zone (7) in which the low pxession reigns is here performed, as seen in Figure 3, as channels (9) cut in the bottom of the groove (2).
It is therefore possible, in these different cases, to drag an object taken at ambient pressure without sliding, by means of a rotor, and introduce it into an extrusion chamber sion containing a fluid at very high pressure. ~;
In FIG. 4 which is a section perpendicular to the axis O of the rotor (10), the object to be extruded (11) enters at (12) at point N, in the first sector of the cut groove (13) in the rotor (10). The first sector extends approximately-between the OA and OB departments. At point N, the pressures P and p, previously defined, are equal to ambient pressure.
"".
Viscous fluid, under extrusion pressure, is introduced in the first concentric zone (14) by means of the nozzle (15) passing through the stator (16). The groove (13) is closed, substantially fluid tight, in the second sector between the OB and OC rays ~ by a relief (17) of the stator (16).
The draft (11), at the start of the process, must be engaged in the elongated conduit (18), in the chamber j; ;
extrusion (19) and at the inlet of the die (20), the term -"extrusion chamber" designating the part of the conduit (18) immediately upstream of the die (20), said cham ~ re can indifferently have the same shape and dimensions or very different from that of the elongated duct (18) without the extrusion process is affected. ; ~ ' ~ 6 ~ 6 ~;
The die is fixed in a ~ tight manner on the end of the conduit (18) through the seal (21), in this way ~ the pressure fluid is constant all along the elongated conduit (18) and in the extrusion chamber (19) and equal ~ PEX.
It is possible to provide one or more nozzles injecting the viscous fluid at an intermediate pressure P ' between ambient pressure and high pressure PEX, such as the nozzle (22).
Figure 5, which is a cross section in a plane passing through axis 0, at the nozzle (15), made appear between rotor and stator in the sealing zones Zl and Z2 a game more yrand than reality for the clarity of ~ -drawing. In practice, it is measured in hundredths of a millimeter.
It is the same for all the figures which follow.
Figure 6 shows, in section, another mode of implementation of the invention in which the rotor and the.
stator no longer cooperate through the periphery respectively.
external and internal, but by their faces (23) and (24) perpendi ~
to the axis of rotation.
The groove (25) is cut on the face (23) of the rotor which cooperates with the face (24) of the stator. .
The dxoite part of Figure 6, relative to the axis. ~ ~
of rotation, is a half-section passing through the injection channel: -(15) viscous fluid, located at the downstream end of the first bleeding sector; while the left part is one of ~ i-section passing through the shutter relief (27) of the groove (25) ~~
in its second sector. In the external zone (28) reigns the pressure P, and in the internal zone (29), the pressure p.
. ~. :
Figure 7 shows a top view, by a plan; '~
perpendicular ~ the axis of rotation, of the device of figure 6. The blank (11) enters, on the left, in the groove of the rotor and leaves in the form of the drawn product (26), of the die (20).
_ g ~
. .
.,.
~ 369 ~
The difference P - p, as well in the case of the mode ~:
of fi ~ ures ~ and 5, as that of Figures 6, 7 ~ ~
and 8, depends on the value of the pressure injected into the zone - -outside of the groove, of the distribution of injection points tion - if they are multiple - of the section and the shape of the internal and external areas of the bleeding. Figure 10 shows; -the distribution of pressures P and p in a particular case comprising two fluid inlets, one in M (fig. 4) at the press- ~
PEX extrusion sion, the other in R, at pressure P'Ex = P / 2. ~ ~;
Point M corresponds to the injection port of the viscous fluid.
high pressure PEX at the end ~ downstream of the first sector of.
bleeding. The point N corresponds to the entry of the object to ~; ~
extrude into the groove, at the upstream end of its first sector. The point R corresponds to the injection port of the viscous fluid under pressure P '= PEX / 2. . : - ~
We note that the difference P ~ - p is always relatively; ~
important except at point N where P = p = ambient pressure and at -point M where the equality of P and p is necessary to allow.
for the object to be extruded to exit the groove in order to penetrate in the orifice (18) in the direction of the extrusion chamber (19). .
Note that the curve P has radii of curvature less pronounced than the curve p. This is due to the fact that the section of the axial leakage channel formed by the area external of the bleeding is increasing from upstream to downstream.
: - ~ ~. ...
This phenomenon can be sought by appropriate machining of the.
stator, but it tends to appear spontaneously due to ceding. ~
elastic of the walls of the channel under the effect of pushes exerted ~ es'; ~.
by viscous fluid. Conversely, the section of the canal internal tends to decrease from upstream to downstream due to compaction of the blank at the bottom of the groove. .
It is possible, in the case of Figures 4 to 7, to adapt- -: ter the profile of the end (30) of the part of the cover ~.
look of the first slice of the bleeding, as we see on figure 8, so as to reduce the cross section zone (28), which significantly reduces the leak rate fluid in the opposite direction of the object's forward movement to extrude. -On the other hand, it is possible to simplify the drawing of the stator, as in FIG. 9 where the sealing zones are located, for example in Z2 Both possibilities can be combinedO
All system leaks are compensated for by pumping devices which re-inject, after purification, . .
possible filtration and heating, the fluid viscous which escaped through the different games between the rotor, stator and object ~ extrude, games which are essential for - ~
normal operation of the apparatus, but it is advisable minimize, in a known manner, so that the power :. ~
absorbed by the pumping devices is not excessive.
For the same purpose, the hydraulic fluid must have a relatively high viscosity.
20 ~ Figure 11 shows, schematically, in vertical section, a complete hydrostatic extrusion installation : ... .
tick according to the invention in the embodiment described on ~;
Figures 4 and 5. The rotor (31) is rotated by to the geared motor group (32). The stator (33) is brought in and held in the working position by the jack (34). The draft (35) enters the extrusion device at (36) and the wire ~ ' cx-trud ~ ~ 37) out of the fili ~ rc (3 ~ 3). The viscous fluid, under the high pressure PEX is injected at (39), at the downstream end of the first sector of the rotor groove, by a multiplier tandem pressure (40) itself supplied by the medium pump pressure (41).
A second tandem multiplier (42) feeds a - 11-. ,,:
-. :. . ,. :
... ,.,. : ~ ~,:::
~;) 6946Çi intermediate injection point (43) under pressure P ' lower ~ PEX, as cel ~ was previously explained; he is also supplied from the pump (41 ~
The whole apparatus is mounted above ~:
a pit (44) in which the viscous fluid flows from ~
different leaks and which can be fitted with a positive, of known type, to regulate the temperature. Said.
viscous fluid, taken up by the low-pressure pump (45), passes,: ~
after filtration, in the low-pressure accumulator (46) at from which the force of the multipliers (40 ~ and (42 ~
The verln (34), controlling the positioning and the setting - ~ -.
in support of the stator (33), is supplied by the same source as pressure multipliers. Therefore, the effort of.
holding the stator (33) on the rotor (31) is proportional ~.
the extrusion pressure, which allows to compensate correctly the separation force of the rotor and the stator.
Figure 12 shows, ~ e schematically, in vertical section, another complete extrusion installation .;
hydrostatic according to the invention, In this figure, the organs ..
ensuring the same5 functions are designated by the same references "~" ~
as in Figure 11. The pxo- extrusion system prement said is of the type described in Figures 6 and 7. The leaks of fluid are collected in a tank (47) provided with a baffle (48) and equipped with a known xegulation device.
temperature not shown, then taken up by the pump low pressure (45) and returned to an accumulator (46). ~ ~.
EXAMPLE OF IMPLEMENTATION:
We built, according to the diagram in Figure 11.
and in principle illustrated by Figures 4 and 5, an installation continuous hydrostatic extrusion, with a 500 mm rotor in diameter (measured at the bottom of the bleeding) and supplied with an oil ~ -~ 'synthetic ~ polyoxyethylene base with a viscosity of 500 - 12 -.
1 ~ 69 ~
stokes at 20 ~ C.
In a first test, we introduced a draft of 10 mm diameter in unalloyed copper and supplied the device in viscous fluid under an extrusion pressure of about 16 kbars. The outlet die had a diameter of 1.6 mm.
The rotor speed has been adjusted to 34 rpm minute, corresponding to a draft input speed of 0.9 meters / second and at an exit speed of the extruded wire at 1.6 mm diameter, 35 meters per second.
During operation, the average fluid leakage rate viscous was 30 milliliters per second. We thus obtained a wire whose surface showed no defect and completely free of inclusion.
In a second test, we introduced a draft of 10 mm diameter brass called "UZ 15" (15% zinc). We set the reduction ratio at 3 ~ inlet section S = 78.5 mm2, outlet section s = 25.5 mm2 (rectangular profile of approx.
8.5 x 3 mm). The rotation speed was set at 34 rpm minute, the input speed of the blank was 0.9 meters / ~ ~ ' second, and the exit speed of the extruded profile of 2.8 meters / second, The viscous fluid was introduced under a pressure of about 8 kbar and the leak rate was around "
25 milliliters per second. The extruded wire had a excellent surface condition and showed no inclusions or traces oxidation. The mechanical properties corresponded to that ~; ~
of a hardened metal.
Among the advantages of the invention which has just been described, with respect to hydrostatic extrusion processes, and especially in relation to Canadian patent application 252,496 of May 13, 1976, the invention has the following advantages - The die is transferred to the outside of the groove which makes it possible to determine its shape and its external dimensions ~ L ~ 69 ~ 6 ~
optimal without being limited by the required dimensions of the tapping, and to allow mounting and dismounting so dresser.
The roughing drive by the rotor without sliding helps to develop a training force by a very large unit of length and use practical-a reduced size drive rotor t for example 500 mrn in diameter instead of 2000 mm in the patent application Canadian 252,496 in the case of a 10mm diameter blank.
The hydrostatic extrusion process and devices which just described are also suitable for extrusion metals and alloys even with low ductility than for extru ~
of various materials, such as plastics. They;
can be used in a wide range of temperatures depending on the nature of the extruded material, the viscous fluid and tools.
The implementation of the invention is not limited - the examples and embodiments which have just been ... . .
described.
For various reasons, including better equi ~
Ilbrage of the hydraulic forces present, an increase! '''' ,, '", or a diversification of production, it is possible, in the case described in Figures 11 and 12, to implement,; ~
simultaneously or alternatively, several devices depending the invention, using in common certain organs such as, for example example, high pressure generators or the rotor, this one may include a bleed cap ~ e of a cover in several ~;
elements acting as stator or even several sai ~ born, identical or not, each capped with a cover or several elements acting as stator. So we can -simultaneously or successively extrude two or more - sketches. ~;
- 14 - ~ -. . ... ,. ,,. . ~,. ..
To improve the dimensional regularity of the blank che or to remove the skin, source of abrasive particles polluting the viscous fluid, it may be advantageous to do undergo the draft at least one step, shaving or profiling before entering the bloodletting. The driving force by the rotor can be used to draw the draft through the shaving or profiling device, which can be anything known type. ;
It is also possible to extrude products:
composites by cofiling of several distinct elements intro-duits jointly in the groove of the rotor and strongly pressed together at the time of their passage in the die '~
extrusion, for example, we can achieve in this way a aluminum profile sheathed in copper from ~ ir of a core aluminum around which a copper foil has been placed '~.:
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