Procédé de travail à froid d'une ébauche pleine en acier, dispositif pour la mise en aeuvre de ce procédé et corps creux obtenu par la mise en aeuvre de ce procédé Il existe déjà différents procédés de con formation à froid de l'acier pour former un objet ayant des parois latérales tubulaires, les plus courants de ces procédés étant l'éti rage et le refoulage à froid.
Dans le procé dé de refoulage à froid de l'acier, tel qu'on le pratiquait antérieurement, on pensait qu'il était absolument nécessaire d'assurer une lu brification convenable entre la pièce et les poinçon et matrice. On pensait qu'on ne pouvait effectuer convenablement le refoulage à froid que si l'on utilisait une couche de qualité supérieure assurant une pellicule min ce de lubrifiant qui subsistait de telle sorte que lorsque l'on soumettait la pièce à la force de compression élevée nécessaire pour assurer l'écoulement du métal à travers la matrice de refoulage, la pellicule de lubrifiant restait entre la matrice et la pièce. Jusqu'ici,
on pensait que la condition nécessaire pour réaliser un refoulage à froid convenable con sistait à disposer d'un lubrifiant qui résiste de manière à assurer la présence d'une pelli cule continue sous les pressions relativement élevées utilisées dans les opérations de refou- lage à froid.
Dans le refoulage à froid de l'acier, tel qu'il était envisagé antérieurement, on a tou jours eu l'habitude de former l'objet tubulai- re par une série d'opérations successives de refoulage et d'étirage et de soumettre la pièce à un réchauffage approprié entre les opérations successives de travail à froid. En procédant ainsi, on ne peut obtenir une du reté finale uniforme que par un traitement thermique approprié de la pièce terminée. Si l'acier utilisé est d'un type qui ne peut être durci à un degré quelconque par un traite ment thermique, la pièce finale n'est pas dur cie dans une mesure beaucoup plus grande que celle résultant de la dureté de l'ébauche primitive.
On a découvert qu'on peut effectuer avec succès le refoulage à froid sans se servir des lubrifiants spéciaux qui étaient considérés jus qu'ici comme essentiels. On peut utiliser avec succès, pour refouler l'acier à froid des lu brifiants tels que le graphite et matières ana logues qu'on a utilisés pendant des années pour refouler le métal à froid. On a consta té que le choix d'un lubrifiant approprié est de faible importance dans la fabrication de pièces refoulées à froid, par comparaison avec le réglage de l'écoulement du métal refoulé, effectué de façon à maintenir au minimum la friction entre la pièce et les matrices.
En di rigeant convenablement l'écoulement du métal de manière à réduire la friction, il a été pos- sible de refouler l'acier à froid avec une pres sion beaucoup plus faible que celle qui était considérée jusqu'ici comme nécessaire et on a pu refouler à froid des aciers ayant une teneur en carbone plus élevée que celle qui était considérée précédemment comme possi ble. La réduction de la friction sur les ma trices réduit leur usure et prolonge leur durée dans une mesure bien supérieure à celle qui était considérée jusqu'ici comme étant la du rée normale.
On a également découvert qu'on peut re fouler des objets tubulaires avec ou sans fond fermé, de manière telle qu'on puisse obtenir la dureté uniforme désirée de l'objet terminé, uniquement en travaillant à froid le métal, c'est-à-dire sans traitement thermique final en vue d'obtenir la dureté désirée.
A cet effet le présent breveta pour objet un procédé de travail à froid d'une ébauche pleine en acier, caractérisé en ce qu'on ne confine latéralement qu'une partie d'extrémité de l'ébauche et on applique une pression axiale sur la partie centrale de l'extrémité opposée de l'ébauche, de manière à obliger les parties extérieures du métal de cette extrémité opposée à se dilater librement vers l'extérieur, dans une mesure comprise dans la zone d'élongation permise par la limite d'al longement du métal, après quoi on déplace cette partie dilatée dans une direction oppo sée à celle suivant laquelle la pression axiale est appliquée, en continuant l'application de cette pression axiale.
Ce procédé permet d'obtenir la dureté uni forme de l'objet terminé, uniquement par le travail à froid et, en outre, d'utiliser des qua lités d'acier meilleur marché, tout en obte nant une résistance plus grande et plus uni forme de l'objet terminé.
Le présent brevet a également pour objet un dispositif pour la mise en ceuvre du pro cédé sus-indiqué, dispositif qui est caractérisé en ce que la matrice comporte une cavité centrale dont l'extrémité inférieure a une sec tion transversale réduite et sert à recevoir l'extrémité inférieure de l'ébauche, des moyens pour former un fond plein à cette extrémité inférieure, un épaulement périphérique incli né vers le haut et vers l'extérieur réunissant la partie inférieure réduite et la partie supé rieure de cette cavité, la paroi de la cavité située au-dessus de l'épaulement allant en s'évasant vers le haut et vers l'extérieur.
Enfin le brevet a pour objet un corps creux obtenu par la mise en oeuvre du pro cédé sus-indiqué à l'aide dudit dispositif, corps caractérisé en ce qu'il présente un fond et une paroi latérale dont la partie supérieu re est plus épaisse et la partie inférieure plus mince, ces deux parties étant reliées par un épaulement.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, quelques formes d'exécution du dispositif revendiqué et illustre quelques mi ses en aeuvre du procédé revendiqué.
La fig. 1 est une vue en perspective d'une ébauche métallique découpée dans une barre d'acier telle qu'elle arrive du laminage et qu'on utilise comme ébauche de départ dans le procédé de travail à froid.
La fig. 2 est une coupe schématique mon trant la disposition de la matrice et du poin çon' servant à réaliser la première opération.
La fig. 3 est une coupe schématique de la disposition de la matrice et du poinçon servant à réaliser la deuxième opération, le poinçon étant représenté en trait plein dans la position qu'il occupe en un point situé au- dessus de l'extrémité inférieure de sa course.
La fig. 4 est une vue analogue à celle de la fig. 3, représentant le poinçon à l'extrémité inférieure de sa course.
La fig. 5 est une vue de détail, à plus grande échelle, d'une partie de la fig. 4. La fig. 6 est une coupe schématique de la disposition de la matrice et du poinçon servant à l'opération suivante.
Les fig. 7 et 8 sont des coupes mon trant les dispositions de la matrice et du poinçon qu'on utilise lorsqu'on désire former un récipient à fond autre que plat.
La fig. 9 est une coupe schématique de l'ébauche de la fig. 1, montrant les lignes d'écoulement du gra-..
La fig. 10 est une vue analogue à la fig. 9, représentant la déformation de l'écou lement du grain, résultant de l'opération de la fig. 2.
La fig. 11 est une vue analogue aux fig. 9 et 10, montrant la déformation des lignes d'écoulement du grain résultant de l'opération des fig. 3 et 4.
Les fig. 12 et 13 sont des vues schémati ques représentant la forme des ébauches et corps creux obtenus au moyen du dispositif représenté aux fig. 7 et 8.
Le dessin illustre et représente la mise en #uvre du procédé et le dispositif de con formation à froid d'une ébauche en acier, en vue de former un récipient tubulaire à fond fermé.
Dans la mise en #uvre du procédé l'ébau che de départ est une pièce d'acier cylindri que 9, qui est découpée dans une barre d'aciei telle qu'elle arrive du laminage. L'ébauche 9 est représentée comme étant de section transversale circulaire, mais on comprend qu'elle peut avoir toute section transversale désirée, telle que carrée, rectangulaire, hexa gonale, etc.
Une barre d'acier venant du laminage n'a pas toujours une dimension exacte. Elle peut avoir un léger faux-rond et son diamètre peut varier légèrement. Ces différences doi vent être supprimées dans la première opéra tion de manière à assurer l'exactitude des opérations suivantes car, par exemple, le faux- rond, s'il n'est pas supprimé, subsiste dans tous les stades ultérieurs de l'opération et il peut en résulter un objet fini imparfait ou une détérioration des matrices.
En conséquence, le premier stade de la mise en #uvre du procé dé consiste en une opération de frappe qui donne à l'ébauche la dimension voulue et assu re une section circulaire exacte de l'ébauche frappée, de manière à éliminer des irrégula rités dans les opérations ultérieures destinées à conformer à froid l'ébauche pour en faire l'objet final.
L'acier utilisé n'a pas besoin d'être de qualité supérieure. Un acier ordinaire au car bone, avec une teneur en carbone allant jus qu'à 0,4 ()/o donne satisfaction. Le carbone ou autre constituant de l'acier choisi dépend de la dimension et de la forme de l'objet terminé, de l'utilisation à laquelle l'objet est destiné et de la quantité de conformation à froid nécessaire pour transformer l'ébauche en un objet fini. La dureté qu'on peut obte nir par le travail à froid dépend de la te neur en carbone ou autre constituant de l'acier, mais, d'autre part, la quantité de travail à froid qui est admissible avant d'atteindre la limite d'élasticité de l'acier varie en raison inverse de la quantité des constituants de l'acier.
En conséquence, bien qu'il ne soit pas nécessaire, dans la mise en #uvre du procédé, d'avoir un acier de qualité particulièrement élevée, il faut choisir un acier qui satisfasse aux conditions de travail à froid et de résis tance de l'objet conformé finalement obtenu.
En vue de donner à l'ébauche 9 les dimen sions voulues, on la soumet d'abord à une opération de frappe représentée à la fig. 2. On place l'ébauche dans une matrice 10 com portant une cavité 11 présentant une par tie conique 12, un épaulement oblique 13 et une partie cylindrique de plus petit diamètre 14. Le poinçon 11 est de forme cylindrique et il comporte un bec 16 de faible hauteur.
Le bec 16 comporte une face inférieure plane 17, des coins arrondis et une paroi la térale conique 18. Le diamètre du bec 16 est inférieur à celui du poinçon 15. L'extrémi té supérieure de la cavité 11 est cylindrique et le poinçon 15 s'y adapte exactement. Lors qu'on enfonce le poinçon 15 sur l'ébauche 9, le bec 16 forme une dépression LO dans la partie centrale du dessus de l'ébauche. A son extrémité inférieure, l'ébauche 9 est portée par l'épaulement oblique 13, de sorte que lorsque le poinçon 15 arrive à la limite de sa course descendante, le flan conformé, dé- signé de façon générale par 21, comporte une partie réduite oblique 22 sur son coin infé rieur, la face inférieure de l'ébauche étant légèrement convexe, comme cela est repré senté en 23.
On remarquera que le poussoir 24, qui se trouve dans la partie réduite 14 de la cavité 11, est à une certaine distance en dessous de la face convexe 23 du flan 21. Etant donné que les parois 12 de la cavité 11 vont en se rétrécissant intérieurement de haut en bas, le flan 21 est éjecté facilement de la matrice 10 en soulevant le poussoir 24.
Lorsqu'on effectue l'opération de mise à la dimension représentée sur la fig. 2 les parois latérales de l'ébauche 9 s'écartent sous la pression du poinçon 11, de manière à remplir la cavité conique 12 de la matrice, qui a une dimension exacte, en supprimant ainsi tout faux-rond qui peut se trouver dans la barre dans laquelle l'ébauche 9 a été découpée et en assurant l'exactitude parfaite de la section circulaire du flan 21 dans toutes ses parties, en supprimant ainsi toutes les irrégularités qui peuvent se trouver dans le produit venant du laminage. En assurant la section circulaire parfaite du flan 21, on assure l'exactitude des opérations suivantes et on évite les irrégu larités.
En outre, l'opération de frappe pour la mise à la dimension comprime le grain du flan 21 en lui donnant une structure saine.
Etant donné que le bec 16 du poinçon est parfaitement centré par rapport à la ca vité 11 de la matrice, la dépression 20 pra tiquée sur le dessus de l'ébauche est parfai tement centrée par rapport aux parois laté rales du flan 21, en constituant ainsi un dis positif de centrage pour le poinçon utilisé dans l'opération suivante, de sorte que l'ébau che en forme de cuvette, à former ultérieure ment, a toujours des parois d'épaisseur uni forme.
L'une des difficultés rencontrées jusqu'ici dans le refoulage à froid de l'acier était l'ob tention d'une section circulaire parfaite et d'une épaisseur de paroi uniforme dans l'ob jet terminé. Si un poinçon utilisé dans une opération de refoulage n'est pas ou ne peut pas être exactement centré, le poinçon peut se déplacer d'un côté ou de l'autre et se briser ou, s'il n'y a pas rupture, il peut se produire des épaisseurs de paroi non uniformes, les quelles à leur tour peuvent donner à la paroi de l'objet terminé une dureté non uniforme, en un point quelconque.
La formation de la dépression 20 sur le dessus du flan 21 amorce également la pré paration de l'angle de refoulage 18a (fig. 10) sur le dessus de l'ébauche, pour une opéra tion ultérieure de refoulage. Cet angle est constitué par la paroi latérale conique 18 du bec 16 du poinçon. Du fait de la formation de l'angle de refoulage 18a, le coin extérieur supérieur du flan 21 s'incline légèrement en 21a. En conséquence, ce coin extérieur n'est pas travaillé à ce stade, le métal reste doux dans cette zone et il peut être travaillé à froid à un stade ultérieur.
En conséquence, on évite des coins vifs qui peuvent provo quer des difficultés ou nécessitent un traite ment ultérieur dans les opérations suivantes.
Etant donné que l'opération de frappe de la fig. 2 s'effectue en permettant au métal de s'élargir légèrement sous l'action de la compression, il ne se produit pas de friction appréciable au droit des surfaces de la ma trice et du poinçon et l'ébauche 9 ne subit qu'un léger travail à froid, à savoir sur les coins 22 de l'extrémité inférieure de l'ébau che et dans la dépression centrale 20. Les parties restantes du flan 21 restent douces, comme dans l'ébauche 9.
L'effet de la frappe de l'ébauche 9 sur les lignes d'écoulement du grain, indiquées en 25 sur la fi-. 9, est représenté schématiquement sur la fi-. 10. Sur le coin circonférentiel inférieur 22 du flan 21, les lignes d'écoule ment sont déformées angulairement vers l'in térieur et les lignes d'écoulement du grain dans le reste du flan sont déformées suivant un contour ondulé. Le contour particulier sui vant lequel les lignes d'écoulement du grain sont déformées ne prend une importance re lativement grande que lorsqu'on désire obte nir un article dont le fond soit sain.
Si cela n'est pas exigé de l'objet à former, les lignes du grain n'ont pas d'importance particulière, sauf toutefois que des ruptures ont moins de chance de se produire lorsque les lignes d'écoulement du grain sont simplement défor mées au lieu d'être cisaillées par l'opération de conformation à froid.
Une fois que l'ébauche 9 a été confor mée pour obtenir le flan 21 de dimensions exactes, elle est prête à être conformée à froid pour obtenir l'ébauche en forme de cuvette désignée de façon générale par 30. Le flan 21 est déformé pour l'amener à la forme de l'ébauche 30 en utilisant la disposition de matrice et poinçon représentée aux fig. 3 et 4. Celle-ci comporte une matrice 31 présentant une cavité 32 dont l'extrémité supérieure est cylindrique comme cela est in diqué en 33, de manière telle que le poin çon cylindrique 34 puisse s'y adapter exac tement. En dessous de la partie cylindrique 33, la cavité 32 va en se rétrécissant vers le bas comme indiqué en 35.
A l'extrémité inférieure de la partie conique 35, la cavité 32 comporte un épaulement annulaire 36 qui se prolonge par une partie cylindrique 37 de plus petit diamètre, lequel est sensiblement égal au diamètre du bas du flan 21, de sorte que le flan, lorsqu'on le place dans la cavité 32, tombe dans la partie cylindrique 37 de petit diamètre de la cavité, son fond convexe 23 reposant sur un poussoir d'ex pulsion 38 coulissant dans une autre cavité 39 de diamètre encore plus faible. Un épau lement circonférentiel 40 relie la partie cy lindrique 37 à la cavité plus étroite 39. Le poinçon 34 porte à son extrémité inférieure un bec cylindrique 41 qui, à son tour, pré sente une face de base plane 42.
Comme on le voit sur la fig. 5, la face 42 comporte un coin circonférentiel courbe 43 qui est cons titué par une première courbe de rayon R, tangente à la face inférieure 42, mais non tangente à la paroi latérale 44 du bec 41, et une deuxième partie courbe non circulaire <I>R-1</I> qui réunit la courbe du grand rayon R à la paroi latérale 44 du bec 41.
Les fig. 3 et 4 représentent la disposi tion des pièces servant à assurer la descente progressive du poinçon 41. Sur la fig. 3, la position initiale du flan 21 est représentée par la ligne en trait mixte 45 et la position du poinçon 34 est représentée par la ligne en trait mixte 46, au commencement de l'opé ration. Sur la fig. 4, la forme et l'emplace ment du flan, au moment où le poinçon est dans la position de la fig. 3, sont représentés par la ligne en trait mixte 45a.
Lorsque le poinçon 34 descend dans la cavité 32, pendant une partie de sa course comprise entre la position représentée par la ligne en trait mixte et la position re présentée par la ligne en trait plein sur la fig. 3, la face inférieure plate 42 du bec 41 du poinçon. pénètre dans la dépression cen trale 20 du dessus du flan 21 et est centrée par cette dépression, en refoulant vers le bas le métal du flan qui est situé au-dessous de la dépression 20. Toutefois, le poussoir 38 ferme le bas de la matrice de sorte que le métal de l'extrémité inférieure dû flan 21 ne peut descendre mais est comprimé dans la partie cylindrique 37 en prenant sa forme, ainsi que celle de l'épaulement 40, du des sus du poussoir 38 et de la face 42 du bec 41.
Le métal de la partie inférieure du flan située au-dessous du bec 41 est ainsi soumis à la pression et s'écoule vers l'extérieur sous la face 42 du bec 41, en remontant sur le pourtour du bec 41 de manière à remplir la cavité conique 35 qui a un diamètre su périeur à celui du flan 21, ce qui provo que l'augmentation du diamètre de celui-ci.
Toutefois, le déplacement vers l'extérieur du métal doit être limité. Si on laissait le mé tal s'écouler librement et s'élargir ou aug menter de diamètre absolument sans être con finé ou sans être empêché, on atteindrait un point pour lequel l'allongement dépasserait la limite élastique des fibres situées les plus à l'extérieur sur la surface et le métal se fissu rerait ou se briserait sur le pourtour lorsque la limite d'élasticité serait atteinte.
En consé quence, en travaillant le flan 21 pour former l'ébauche 30, il doit y avoir une limite au- delà de laquelle l'augmentation de diamètre n'est pas permise, bien que, jusqu'à ce que l'on atteigne cette limite, il est bon de per- mettre au métal de s'écouler librement sans être confiné, de manière à réduire les pres sions du poinçon et de la matrice.
Par suite, l'augmentation ou l'agrandissement du diamè tre extérieur du flan et l'écoulement du mé tal qui en résultent sont maintenus à un allon gement inférieur à celui qui est possible avec la résistance élastique de l'acier particulier travaillé. En d'autres termes, l'augmentation de diamètre est commandée de telle sorte que l'allongement résultant soit sensiblement in férieur à l'allongement maximum permis par la résistance finale de l'acier.
Par exemple, si la résistance élastique de l'acier est de 5976 kg./cm=, l'allongement doit être maintenu par exemple à 15 %, auquel cas il ne se produit pas de durcissement sen sible. En outre, si l'écoulement du métal pro voquant l'augmentation de diamètre rentre dans les limites de cette résistance élastique sans augmenter la hauteur du métal et sans changement sensible de surface, il se produit peu de durcissement sous l'action du travail. Si la résistance élastique du métal est de 3164 kg./cm=, l'allongement peut être de l'or dre de 30 /o.
En conséquence, la forme de la partie conique 35 de la matrice 31 est telle que le métal, en s'écoulant dans la partie 35 de la cavité de la matrice, autour du bec 41 du poinçon, touche la paroi conique de la partie 35 et il est ainsi limité, ce qui empêche une nouvelle augmentation de diamètre avant que se soit produit l'allongement maximum de l'acier utilisé. Tant qu'il n'est pas ainsi limité, le métal s'écoule librement vers l'extérieur et lorsqu'il est limité, il s'écoule dans une faible mesure vers le haut, de telle sorte que la hauteur du métal remplissant la cavité 35 de la matrice lorsqu'il s'écoule vers le haut n'aug mente que légèrement, de la position de la ligne en trait mixte à celle de la position en trait plein de la fia. 3.
Il n'y a pas de dur cissement appréciable provoqué par le travail dans la partie 52 de la paroi plus épaisse de l'ébauche 30 provenant de la déformation ou du déplacement vers l'extérieur de la fa çon indiquée, relativement libre ou non con- finée, suivant laquelle le métal a pu s'écouler pour remplir la partie 35 de la cavité de la matrice.
Lorsque le poinçon arrive dans la position représentée en trait plein sur la fia 3, le métal du flan a rempli complètement et exactement l'extrémité inférieure de la cavité de la matrice, en dessous et autour du bec 41 du poinçon et contre l'épaulement 36, et lorsque le poinçon continue à descendre, l'épaulement 51 de l'ébauche 30 se sépare et monte en s'écartant de l'épaulement 36 de la matrice.
Le flan 21 et la cavité plus large 35 sont conçues de telle sorte que, à ce moment (fig. 3), la face de base plane 42 du bec 41 du poinçon est sensiblement en regard de l'épaulement 36 et il se forme entre le coin inférieur 43 du poinçon 41 et la partie cylin drique 37 et le coin inférieur de l'épaulement 36 de la matrice un orifice de refoulage en forme de tore à travers lequel le métal de la partie inférieure du flan 21 située en des sous du bec du poinçon s'écoule lorsque le poinçon continue à descendre de la position en trait plein de la fia. 3 (position en trait mixte de la fia. 4) pour venir dans la posi tion en trait plein de la fia. 4.
Lorsque le poinçon 34 a fini de descen dre, comme représenté sur la fia 4, le métal de la partie inférieure du flan soumis à la pression s'échappe vers le haut ou vers l'ar rière par l'orifice de refoulage compris entre la paroi latérale du bec 41 et la paroi laté rale de la partie cylindrique 37 de la matrice, comme indiqué par la flèche 48.
En consé quence, lorsque le poinçon 34 arrive dans la position de fin de course représentée en trait plein sur la fia. 4, une partie du métal de l'extrémité inférieure du flan, désignée par 50 sur la fia. 3, a été refoulée vers le haut et, en même temps, l'épaulement 51 formé sur l'ébauche par l'épaulement 36 de la ma trice (fi,-,. 3) à un moment intermédiaire pen dant la descente du poinçon, monte en s'écar tant de l'épaulement 36 de la matrice, comme on le voit sur la fig. 4.
En résumé, il y a deux phases dans le refoulage à froid représenté sur les fig. 3 et 4, pour former l'ébauche en forme de cuvette 30 à partir du flan 21. Pendant la première phase de l'opération, représentée sur la fig. 3, la partie conique 35 est remplie par du métal qui s'écoule entre le coin 43 du poinçon et le bord inférieur de l'épaulement 36, pour for mer la partie 52 de l'ébauche 30. Une fois que la cavité 35 a été remplie, la partie 52 qui s'est dilatée n'est plus refoulée ou tra vaillée.
La deuxième phase de l'opération comporte le refoulage du métal vers l'arrière, entre la paroi du poinçon et la partie cylin drique 37 de la cavité de petit diamètre, après que le bec du poinçon a passé en des sous de l'épaulement 36, comme représenté sur la fig. 4. ce qui augmente sensiblement la hauteur du flan et forme la partie 54 de la paroi de l'ébauche en forme de cuvette.
Les deux phases de la formation de l'ébau che en forme de cuvette ont été représentées et décrites en se référant aux fig. 3 et 4, comme se produisant avec un seul jeu de ma trice et poinçon, en une opération. Toutefois, dans le cas de flans de dimensions, formes, diamètres ou hauteurs différents, on peut opé rer avec deux matrices ou plus, dans lesquel les s'obtient progressivement la forme finale de l'ébauche en forme de cuvette. De même, dans le cas d'une ébauche en forme de cu vette relativement profonde, il peut être né cessaire de réchauffer l'ébauche entre les opé rations successives, de manière à obtenir la profondeur de l'ébauche en forme de cuvette désirée.
Du fait que l'écoulement du métal par refoulage vers l'arrière, pendant la partie de la descente du poinçon représentée sur la fig. 4, se produit entre les parois de la partie cylindrique 37 et la surface cylindrique exté rieure du bec 41, pendant ce stade du dépla cement du poinçon, il n'y a pas d'écoulement de métal dans la partie large 52 de l'ébauche résultante 30 et cette partie 52 monte libre ment dans la cavité 35 en s'écartant de l'épau lement 36.
Pendant cette montée de la par tie épaissie 52 de l'ébauche 30, il se produit un interstice indiqué en 49 sur la fig. 4, dont la grandeur va en augmentant entre la sur- face extérieure conique de la partie épaisse 52 (qui s'est formée au stade du déplace ment du poinçon représenté en trait plein sur la fig. 3) et la partie conique 35 de la cavité 32 de la matrice.
Du fait de la formation de l'ébauche 30 en forme de cuvette, obtenue en refoulant certaines parties des parois latérales du flan et en permettant à d'autres parties de la pa roi de ce flan de s'allonger, l'épaulement 51 se forme entre les extrémités de l'ébauche 30, ce qui donne l'épaulement de refoulage pour l'opération ultérieure de refoulage vers l'avant qu'elle doit subir.
Ceci permet de compléter la forme du fond et de la paroi latérale de l'ébauche en forme de cuvette avant de con tinuer à refouler la paroi latérale et ceci per met de même d'effectuer la quantité désirée de travail à froid sur le fond et la paroi la térale de l'ébauche et de leur donner la du reté finale désirée, en dessous de l'épaule ment 51, avant de refouler la partie plus épaisse 52 de la paroi latérale de l'ébauche 30.
Ce fait est d'importance considérable pour la mise en #uvre du procédé, car il permet d'obtenir progressivement ou par stades la dureté finale désirée dans certaines zones de l'ébauche, ces zones durcies n'étant plus en suite travaillées à froid lorsqu'on a recours à des opérations ultérieures pour travailler à froid d'autres zones plus douces de l'ébau che.
De cette façon, en durcissant progressi vement l'objet, on évite d'avoir à réchauffer une partie d'une ébauche pour permettre d'en travailler une autre partie et, de même, on évite d'avoir à procéder à un traitement thermique pour obtenir le durcissement, ainsi que d'être obligé d'utiliser comme matière première de l'acier pouvant se traiter à chaud, afin de donner le degré désiré de dureté en diffé rents endroits des parois de l'objet terminé.
Comme suite à la formation de l'ébauche en forme de cuvette 30, on effectue la con formation de l'épaulement supérieur 70 qui était commencé dans le flan 21 en 18a.
En se reportant à la fig. 5, la forme particulière de la face de base 42 du bec du poinçon et du coin 43 est d'importance vitale pour obtenir les résultats désirés. Pen dant toute la descente du bec 41 du poin çon, pendant que le métal de la partie basse du flan situé en dessous du bec du poinçon est déplacé vers l'extérieur et vers le haut, autour du bec du poinçon, par suite de la pression dirigée vers le bas, le métal s'écoule vers l'extérieur le long de la face de base plane 42 du bec du poinçon.
Lorsque l'écou lement du métal change de direction, pour aller vers le haut par rapport à la paroi de fond du poinçon, et lorsque le métal s'écoule autour du coin 43 du bec du poinçon, le sens de l'écoulement du .métal tend à conti nuer dans le sens du déplacement donné par la courbe de grand rayon R tangente à la face 42, mais non tangente à la paroi la térale du bec 41. De cette façon, avant de tourner complètement pour se diriger vers le haut, le métal dégage la paroi latérale du poinçon et n'exerce pas de pression contre elle, ce qui réduit la pression s'exerçant sur le poinçon et laisse un léger jeu 47 entre la paroi latérale du poinçon et la surface intérieure de la cavité formée dans l'ébauche résultante 30.
En pratique, le trou pratiqué dans l'ébauche 30 est toujours sensiblement plus grand que le diamètre du poinçon 41. Du fait de la cons truction décrite et du mode de fonctionne ment du poinçon et de la matrice donnant ce jeu 47, il ne s'exerce pas de friction appré ciable entre la paroi latérale du poinçon 41 et la paroi de la cavité formée dans l'ébau che résultante pendant le déplacement vers le haut ou vers l'arrière du métal de l'ébau che par rapport au poinçon, de sorte que l'ébauche ne se coince pas sur ce poinçon et qu'elle n'a pas à en être séparée à force.
La réduction de pression décrite exercée sur le poinçon, coopérant avec la conicité de la matrice en 35 permettant l'augmentation du diamètre de l'ébauche, empêche la pression de s'élever et, du fait de la formation du jeu 49, il ne s'exerce pas de friction, sinon légère, entre la surface extérieure de la par tie large 52 de l'ébauche et la cavité de la matrice, lorsque la partie large 52 s'élève dans la cavité de la matrice.
La seule surface sur laquelle il se produit une friction sensible est celle comprise entre l'extrémité inférieure de l'ébauche et la paroi de la partie cylindrique 37 de la cavité de la matrice, et entre le mé tal de l'extrémité inférieure de l'ébauche et la face de base plane 42, du poinçon, lorsque le métal de l'ébauche est refoulé vers le haut à travers l'orifice en forme de tore dont il a été fait mention. Le travail à froid ou déformation du métal dans l'ébauche, résul tant du refoulage vers l'arrière, exerce ainsi un travail à froid considérable dans la paroi de base 53 de l'ébauche, ainsi que dans la partie latérale mince 54 de celle-ci.
D'autre part, les parties épaissies 52 de l'ébauche sont obtenues au moyen d'un écoulement du métal, dirigé vers l'extérieur et plus ou moins libre et ces parties ont en conséquence été soumises à un travail à froid relativement faible. En pratique, on constate qu'en défor mant un flan tel que 21 pour former une ébauche telle que 30, le métal des parties 53 et 54 est travaillé à froid jusqu'à un point se rapprochant de la limite d'élasticité du mé tal, tandis que le métal, dans les parties épais sies 52, est susceptible d'être encore travaillé à froid, sensiblement avant que la limite d'élasticité de l'acier soit atteinte.
Si l'objet à former a un fond plat et une paroi latérale rectiligne, comme cela est in diqué en 53 et 54, respectivement sur l'ébau che 30 de la fig. 11, on peut calculer facile ment les dimensions de l'ébauche 9 de telle sorte qu'en la travaillant à froid pour lui don ner la forme de l'ébauche 30, le métal du fond 53 et de la paroi latérale 54 soit tra vaillé à froid dans la mesure nécessaire pour obtenir, dans ces parties de l'ébauche, la ré sistance et la dureté que l'on désire avoir dans l'objet final.
De même, l'épaisseur de la paroi latérale épaisse 52 peut être déter minée de telle sorte que, lorsqu'elle est en suite refoulée à froid pour former la paroi latérale de l'objet terminé, elle ait été tra vaillée à froid de la quantité nécessaire pour donner à ces parties la dureté et la résistan ce correspondant à celle des parois 53 et 54. Si la paroi latérale et le fond de l'objet terminé doivent avoir la dimension et la for me représentées en 53 et 54, ces parties de l'ébauche 30 n'ont pas besoin d'être tra vaillées davantage à froid et, par suite, il n'est pas nécessaire de réchauffer ces parties de l'ébauche.
L'ébauche 30 peut alors être soumise à un refoulage vers l'avant de ma nière à réduire l'épaisseur de la partie 52 à celle de la partie 54. Cette opération s'effectue avec la disposition de matrice et poinçon représentée schématiquement sur la fig. 6, qui comporte une matrice 60 à ca vité cylindrique 61. Cette cavité comporte un épaulement de refoulage 62 qui se termine par une cavité cylindrique 63, laquelle est dégagée en 64. Dans la matrice 60 travaille un poinçon 65 présentant un bec 66 et un épaulement de refoulage 67.
Lorsque l'on dispose l'ébauche 30 dans la matrice 60, elle se place d'elle-même dans la position représentée par la ligne en trait mixte 68, l'épaulement 51 reposant sur l'épau lement 62 de la matrice. La cavité 61 de la matrice a un diamètre égal au diamètre exté rieur de la partie large 52 de l'ébauche 30 et la cavité 63 a un diamètre égal au dia mètre extérieur de la paroi plus mince 54 de l'ébauche. La position du poinçon 65 au com mencement du refoulage est représentée par la ligne en trait mixte 69, l'épaulement 67 du poinçon reposant sur l'épaulement 70 de l'extrémité supérieure de l'ébauche 30. Le diamètre du bec 66 est sensiblement égal au diamètre intérieur de la partie 54 de l'ébau che 30.
On remarquera qu'au début du re- foulage, l'extrémité inférieure du bec 66 est disposée en un point situé en dessous de l'épaulement 62 de la matrice 60. On remar quera également qu'à ce moment l'extré mité inférieure du poinçon est un peu au- dessus du fond 53 de l'ébauche 30.
Lorsqu'on pousse vers le bas le poinçon 65, l'épaulement 67 du poinçon exerce une force de compression sur l'extrémité supé rieure de la partie 52 de l'ébauche 30 et le métal de cette partie s'écoule vers le bas et est refoulée autour de l'épaulement 62 et dans l'intervalle compris entre le bec 66 du poinçon 65 et la paroi de la cavité cylin drique 63. L'écoulement du métal est indi qué par les flèches 75.
Cette opération amin cit la partie 52 pour l'amener à l'épaisseur de paroi désirée dans l'objet terminé et, ce faisant, le métal est travaillé à froid dans la mesure désirée pour obtenir la résistance et la dureté demandées dans l'objet terminé. Comme on l'a dit précédemment, la dimen sion de la partie 52 est calculée au départ de telle sorte qu'après le refoulage, la paroi latérale de l'objet terminé ait été durcie à froid dans une mesure telle qu'elle ait sen siblement la même résistance et la même du reté que celles des parties 53 et 54 obtenues par le refoulage vers l'arrière précédent.
Lorsque le poinçon 65 arrive à la limite de la descente, le corps creux 80 est refou lé, son fond 81 ayant approximativement la même épaisseur que la partie 53 de l'ébau che 30. A ce stade du procédé, le fond 81 et la paroi latérale 82 ont été travaillés à froid de manière à avoir la dimension et la forme désirées de l'objet terminé. Le re- foulage vers l'avant laisse un prolongement oblique 83 à l'extrémité supérieure du corps creux 80.
Le métal non refoulé de ce pro longement 83 est relativement doux par com paraison au métal des parois 81 et 82 et l'on peut par suite continuer à travailler à froid le prolongement 83 de 'Manière à conformer l'extrémité supérieure du corps creux à la forme désirée pour la partie supérieure de l'objet final. On peut continuer à travailler à froid le prolongement 83 au moyen d'opé rations ultérieures, de manière à faire une bride s'étendant radialement vers l'extérieur ou vers l'intérieur à l'extrémité supérieure du corps creux 80, ou toute autre forme désirée.
On comprend évidemment qu'on règle la course du poinçon 65 de façon qu'il ne reste dans le prolongement 83 que la quantité de métal suffisante pour donner à la partie su périeure la forme que l'on désire avoir dans la pièce finale.
Si l'on désire former un récipient à fond autre que plat, par exemple comme repré- senté en 81, il est nécessaire de soumettre l'ébauche 30 à une ou plusieurs opérations de conformation à froid, avant le refoula- ge vers l'avant représenté sur la fig. 6. En supposant, à titre d'exemple, qu'on désire former un récipient à fond arrondi, il est préférable de soumettre l'ébauche 30 aux opérations représentées sur les fig. 7 et 8.
Toutefois, si le métal des parties 53 et 54 de l'ébauche 30 a été travaillé jusqu'aux en virons de sa limite d'élasticité, ou si l'im portance de la nouvelle conformation à froid nécessaire est telle qu'elle impose au métal des efforts au-delà de sa limite d'élasticité, il préférable de réchauffer l'ébauche 30 avant de conformer à froid son fond. Le réchauffa- ge auquel l'ébauche 30 est soumis est juste suffisant pour adoucir le métal dans les par ties 53 et 54 dans la mesure telle que le traitement à froid ultérieur de ces parties amè ne leur dureté et leur résistance aux valeurs désirées dans l'objet terminé.
Pour obtenir un récipient à fond rond qui soit sain, on place d'abord l'ébauche 30 dans une matrice 85 dont la cavité cylindrique 86 se termine par un épaulement de plus petit diamètre 87 et une cavité de base ronde 88. Dans la matrice 85 pénètre un poinçon 89 présentant un bec 90 conique à son extré mité inférieure, comme par exemple en 91, et un épaulement oblique 92 à son extrémi té supérieure. Un poussoir d'expulsion 93 coulisse également dans 1a matrice 85.
La descente du poinçon 89 exerce une compression sur l'extrémité supérieure de l'ébauche 30, au moyen de l'épaulement 92, et le métal des parties 53 et 54 est com primé dans la cavité 88, de manière à for mer un fond rond 95 et une paroi latérale 96 ayant la même épaisseur que la paroi 52 de l'ébauche 30 (fia. 12). La compres sion et l'écrasement du métal vers l'intérieur, à l'extrémité inférieure de l'ébauche, tasse le grain dans le fond arrondi 95 de sorte que, dans ce fond, le grain tend à prendre une structure entrelacée compacte.
L'ébauche 94 est amenée à sa forme fi nale dans la disposition de matrice et poin- çon représentée sur la fig. 8, comportant une matrice 100 à cavité cylindrique 101, se terminant par un épaulement oblique 102 et une cavité de fond arrondie 103. Un poussoir d'expulsion 104 comporte une extrémité supé rieure concave 105 qui ferme l'extrémité in férieure de la cavité<B>103,</B> de sorte que l'ex trémité inférieure de la cavité de la matri ce présente une surface semi-sphérique con tinue. Dans la matrice 100 pénètre un poin çon 106 avec bec<B>107</B> se terminant par une extrémité arrondie 108.
Lorsque l'ébauche 94 est placée dans la cavité<B>101</B> de la ma trice et qu'on refoule le poinçon<B>106</B> vers le bas dans l'ébauche, l'extrémité arrondie 108 du poinçon exerce une force de com pression sur le fond 95 de l'ébauche 94. Le métal du fond 95 est par suite à nouveau comprimé et aminci pour prendre sa forme finale, de sorte qu'une partie de celui-ci est refoulée vers le haut comme indiqué par les flèches 109, de manière à former un corps creux 110 à fond arrondi<B>111</B> ayant le con tour désiré pour l'objet terminé et une pa roi épaisse 112 à son extrémité supérieure. L'opération représentée sur la fi-. 8 achè ve le travail du métal dans le fond 111 de sorte que le grain prend la forme d'une masse fibreuse entrelacée compacte.
Comme on l'a dit précédemment, le mé tal du fond 111 a été travaillé à froid au moyen des opérations représentées sur les fig. 7 et 8, dans une mesure telle qu'on obtienne la dureté et la résistance qu'on dé sire avoir dans l'objet terminé. Dans la par tie épaisse 112 du corps creux 110 le métal n'a pas été travaillé à froid dans une grande mesure et, par suite, il est encore suscepti ble d'être travaillé à froid par refoulage vers l'avant, comme représenté sur la fig. 6, de manière à donner une ébauche ayant un fond et une paroi latérale conformés aux contours que l'on désire avoir pour l'objet final.
On voit donc que dans le procédé de re- foulage à froid décrit le métal peut, dans une grande mesure, s'écouler sans être confi né, suivant une gamme d'allongements ren dus possible par la résistance élastique du métal, de sorte qu'il se produit un minimum de friction. En réduisant la friction, il est évident que la valeur de la force nécessaire pour conformer l'objet se trouve considéra blement réduite. On a constaté qu'on peut conformer à froid des objets avec une pres sion de 625 tonnes alors qu'avec les pro cédés antérieurs il aurait fallu 2000 tonnes.
En même temps, on a obtenu des résultats remarquables en utilisant des lubrifiants, tels que le graphite ou produits analogues, qui ont été courants pendant de nombreuses années dans la conformation à froid de métaux. 11 est évident qu'en réduisant au minimum le frottement sur les matrices, il n'est plus né cessaire d'utiliser le graissage à haute pression qui était indiqué antérieurement comme solu tion des problèmes de conformation à froid de l'acier.
On comprend en outre qu'en permettant au métal de s'écouler sans être confiné, c'est- à-dire en réduisant au minimum la friction, on peut prolonger beaucoup la durée des matrices utilisées. Dans une disposition sen siblement identique à celle représentée sur le dessin, on a fabriqué 4000 objets termi nés sans trace d'usure sur les matrices. Ceci contraste nettement avec la pratique actuelle dans laquelle la rupture et l'usure des matri ces ont constitué un facteur important du prix de revient de la conformation à froid d'ob jets en acier.
La mise en oeuvre du procédé et le dis positif décrits permettent à l'acier de s'écou ler dans les limites de la résistance élastique et de l'allongement, de façon non confinée. Dans la fig. 4, par exemple, la partie épaisse 52 remonte lorsque le poinçon descend, sans qu'il y ait contact sensible entre le métal de la partie 52 et les côtés du poinçon et de la matrice.
La suppression des réchauffages permet de travailler l'ébauche à froid progressive ment, de sorte qu'on peut obtenir la résis tance et la dureté finales de l'objet terminé uniquement par travail à froid et non au moyen d'un traitement thermique final de durcissement. On comprend également qu'en réduisant la friction au minimum et en permettant au métal de s'écouler sans être confiné comme il a été dit, toute la force nécessaire pour la conformation à froid peut être utilisée pour faire écouler le métal là où on le désire, au lieu d'avoir à surmonter une friction entre les parois des matrices et la pièce.
Dans ces conditions, les tensions produites dans les matrices sont considérablement moindres que celles qui se produisent dans les procédés ordinaires de conformation à froid. On a constaté que, dans ces conditions, un acier à teneur élevée en carbone peut être confor mé à froid sans faire subir aux matrices une tension excessive. Les aciers contenant 0,40 % de carbone sont en général meilleur marché que ceux contenant 0,10 ()/o de carbone et la dureté et la résistance obtenues uniquement par le travail à froid varient conformément à la teneur en carbone de l'acier.
On peut donc utiliser de l'acier de qualité meilleur marché et cependant obtenir un objet terminé ayant une résistance supérieure à celle que l'on peut obtenir par des procédés de conformation à froid tels qu'on les pratiquait antérieure ment.
La possibilité, du fait de la nature des opérations décrites et des matrices utilisées pour effectuer ces opérations, de travailler progressivement à froid et de durcir la pièce pour faire l'objet terminé est importante. En d'autres termes, pour faire l'ébauche 30 de la fi-. 11, la partie de l'ébauc$e qui ne bénéficie pas dans les stades successifs du durcissement des opérations subséquentes, est travaillée à froid de façon à donner le degré désiré de du reté dans cette partie. Ladite partie de l'ébauche, à savoir le fond 53 et la paroi 54, n'est plus soumise à un travail supérieur à la résistance élastique du métal. Lorsque la partie 50 est ensuite refoulée, le refoulage à froid de la paroi 52 durcit cette partie en lui donnant le degré désiré de dureté.
Les propriétés phy siques de l'objet terminé sont élevées et on a le degré désiré de dureté dans toutes les zones de cet objet, cette dureté ayant été produite progressivement dans des zones choi- lies et déterminées de l'objet, par travail à froid. Par suite, on peut utiliser des métaux que l'on ne peut durcir par traitement ther mique et on n'utilise et n'a pas besoin d'uti liser de traitement thermique pour donner la dureté désirée, bien qu'un traitement de suppression de la tension puisse, dans cer tains cas, être intéressant, et, lorsqu'on y a recours, peut effectivement augmenter les va leurs de la dureté.
En d'autres termes, aux différents sta des de la fabrication, le métal de l'objet, en étant travaillé par l'applicatiôn de forces de compression provoquant la déformation, est maintenu à l'état doux, pouvant s'écouler, en dessous de sa limite d'élasticité dans certaines zones, tandis que dans d'autres, le métal est durci par le travail et, dans ces zones durcies, il n'est ensuite plus travaillé dans des conditions telles que la résistance élasti que soit dépassée.
On forme toujours en premier lieu par refoulage une ébauche ou une cuvette et cette formation s'effectue au moyen de for ces de compression ou par application de forces de compression accompagnées d'un re- foulage indirect (écoulement en sens con traire du sens de déplacement du poinçon) ré sultant des forces de compression. Ordinai rement, lorsqu'une zone déterminée de l'ébau che est durcie par le travail, le métal dans cette zone est durci jusqu'à sa limite d'apti tude à être travaillé permise par la résistance de l'acier de la matrice.
Dans la conformation de la cuvette, le métal en dessous du poinçon est comprimé, mais du fait qu'il est refoulé en revenant en arrière et en pouvant s'étendre vers l'ex térieur, la pression sur le métal refoulé est supprimée et il se produit peu de friction. Ceci permet d'utiliser de faibles pressions et de petites presses et également de réali ser un durcissement progressif dans des opé rations successives et d'obtenir une dureté réglée dans des zones déterminées.
Bien que les tensions produites dans les matrices décrites soient bien inférieures à ce qu'elles sont dans les matrices utilisées dans les procédés courants de refoulage à froid, on a trouvé qu'il était bon de char ger au préalable la matrice, par exemple au moyen d'une bague de matrice ordinaire.
Le procédé décrit présente encore l'avan tage que l'acier choisi pour ce procédé de refoulage à froid peut avoir une teneur en manganèse inférieure aux aciers utilisés dans d'autres opérations de refoulage à froid et, en même temps, on peut obtenir la résistan ce de l'objet terminé sans traitement ther mique, pour lui donner une valeur relative ment élevée désirée.
On remarquera également que, dans l'opé ration de frappe représentée sur la fig. 2, les surfaces cylindriques de l'ébauche ne sont pas travaillées à froid dans une grande mesure et que, à la suite de cette frappe, l'ébau che augmente de diamètre. Toute légère im perfection de la surface de la barre utilisée est égalisée lorsque l'ébauche se dilate au lieu d'être confinée comme dans d'autres procédés de refoulage à froid. Si cette imperfection est très sérieuse, elle est mise en évidence par inspection visuelle de l'ébauche partiellement formée, avant les opérations ultérieures de refoulage à froid.
Les procédés ordinaires de refoulage à froid, dans lesquels la surface cy lindrique extérieure de l'ébauche est com primée par déplacement du métal pour for mer le trou de l'ébauche en forme de cuvette, tendent à cacher plutôt qu'à accentuer ces imperfections.
Dans certains procédés de refoulage à froid connus, l'épaulement de refoulage se forme dans le coin inférieur de l'ébauche en forme de cuvette. Dans l'ébauche 30, on remarque que l'épaulement 51 est plus haut que l'ex trémité inférieure de l'ébauche et que la par tie 54 de la paroi qui se trouve en dessous de l'épaulement 51 est déjà travaillée pour l'amener à la dureté et la dimension dési rées.
En conséquence, lorsqu'on introduit une ébauche dans la matrice 60 de la fig. 6 et qu'on fait descendre le poinçon 65, le bec 66 du poinçon se trouve en dessous de l'épau- ment 51 avant que l'épaulement 67 du poin çon porte sur l'extrémité supérieure de l'ébau- che. En conséquence, lorsque la pression s'exerce sur la partie supérieure large de l'ébauche, l'extrémité inférieure du poinçon sert de guide pour la paroi 54 et il n'y a pas de distorsion de la paroi latérale 80 ni du fond 81 du corps creux.
Lorsque l'épau lement d'extrusion est formé autour du coin inférieur de l'ébauche, il n'y a pas de guide interne pour le fond et les côtés de l'ébauche -en forme de cuvette, au commen cement du refoulage vers l'avant et la pres sion de refoulage tend à déformer ces pa rois à l'extrémité inférieure du corps creux.