Procédé de fabrication de pièces tubulaires par extrusion à froid L'invention a pour objet un procédé de fabrica tion de pièces tubulaires ou partiellement tubulaires par extrusion à froid.
Les procédés de fabrication par extrusion et filage à froid se sont considérablement développés depuis quelques années, mais l'application de ces procédés aux métaux ferreux, en particulier aux métaux ou alliages tels que les aciers alliés, présente des difficultés de lubrification qui n'ont en général été résolues jusqu'à présent qu'en se limitant à de faibles rapports de filage permettant de réaliser la déformation du métal dans des conditions admis sibles.
Pour permettre une augmentation du taux de déformation, il était en effet nécessaire d'opérer à température plus élevée, et de ce fait, le fini des produits obtenus n'était pas parfait.
Les différents procédés connus sont onéreux, nécessitent en général, entre les différentes passes d'extrusion ou de filage, des recuits multiples effec tués à des températures supérieures au point de transformation du métal, et conduisant bien souvent à des produits défectueux.
On sait par ailleurs qu'en raison de la nécessité de réduire le taux de déformation, il est de pratique courante, avant filage, de travailler d'abord le lopin par extrusion, à l'intérieur d'une matrice dont le fond épouse la forme de la face inférieure du lopin, de telle façon que le travail par extrusion se trouve limité en profondeur à une pénétration du poinçon, jusqu'à une faible distance de ce fond de matrice, la toile de fond d'extrusion étant ensuite enlevée habi tuellement par découpage.
Or, ce découpage, qui s'effectue par cisaillement au-delà de la limite élastique du métal, présente l'inconvénient de provoquer des déchirures sur toute la hauteur correspondant au cisaillement de la toile de fond, ces déchirures s'accentuant par la suite au cours de l'opération de filage destinée à amener la pièce à ses dimensions définitives.
Indépendamment des recuits multiples précédem ment indiqués, ce découpage oblige donc à tronçon ner la pièce après filage, pour éliminer la partie déchirée correspondant au cisaillement de la toile de fond.
Le procédé qui fait objet de l'invention, pour la fabrication de pièces. tubulaires ou partiellement tubu laires par extrusion à froid du métal vers l'arrière, en vue d'effectuer un perçage du lopin de départ, suivi d'une opération de débouchage de la toile de fond d'extrusion, précédant une opération de filage à froid des ébauches destinée à les amener à leurs dimensions définitives, est caractérisé par le fait qu'on effectue l'opération d'extrusion après avoir créé d'abord, au moyen du poinçon d'extrusion, que l'on ne fait pénétrer que superficiellement dans le lopin de départ,
un logement de retenue d'un lubrifiant solide en contact avec la base du poinçon d'extrusion, lubrifiant qui est entraîné par le mouvement du métal extrudé, et qui assure ainsi la lubrification progressive de la paroi périphérique dudit poinçon d'extrusion, au fur et à mesure de la remontée du métal le long de ladite paroi périphérique;
qu'on débouche l'ébauche extrudée en filant sa toile de fond vers l'avant, après substitution d'un fond de matrice perforé, de forme appropriée, permettant d'éviter tout cisaillement du métal au-dessus du niveau supérieur dudit fond de matrice, qu'on effec tue le filage des ébauches ainsi débouchées à l'inté rieur d'une matrice, dans laquelle on superpose deux ou trois ébauches placées avec leur extrémité débou- chée tournée vers le haut, et dont la partie inférieure rétreinte assure le guidage de l'ébauche inférieure.
Un des avantages principaux de ce procédé réside dans le fait qu'il est possible d'éviter tout traitement thermique intermédiaire à haute température, au voisinage du point de transformation du métal, soit avant le débouchage de l'ébauche, soit après ce débouchage avant de procéder au filage.
Dans une mise en #uvre du procédé, il est pos sible d'améliorer le processus des opérations qui viennent d'être décrites en employant également pour l'opération de filage un lubrifiant solide de type simi laire à celui servant pour l'extrusion, sans l'appliquer en suspension dans un lubrifiant liquide.
Dans cette variante de mise en oeuvre du procédé, non seulement les traitements thermiques au voisi nage du point de transformation du métal peuvent être supprimés, mais encore on peut même éviter de soumettre l'ébauche, après extrusion et débouchage, à un traitement thermique de restauration du métal, et par voie de conséquence, on peut supprimer éga lement l'opération de phosphatation qui suit habi tuellement un tel traitement de restauration.
Il suffit alors de tremper simplement l'ébauche dans le lubrifiant solide avant de la filer à partir de l'extrémité opposée à l'extrémité débouchée, car la surface de ladite ébauche est, dans ce cas, encore assez phosphatée pour permettre l'accrochage dudit lubrifiant solide.
Cette simplification peut être obtenue à la condi tion de prévoir, au début du filage, une opération préalable de compression des ébauches, réalisée au moyen d'un porte-aiguille comportant à sa partie inférieure un rebord circulaire périphérique, rebord permettant l'obtention, à la partie supérieure de chaque ébauche, d'une gorge de retenue de lubrifiant solide, permettant d'assurer la lubrification de l'ébauche suivante.
Le dessin illustre plusieurs opérations d'un exem ple de mise en #uvre du procédé selon l'invention, exemple qui est relatif à la fabrication d'axes de pistons de forme cylindrique. Dans le dessin La fig. 1 est une vue en perspective d'un lopin de forme cylindrique destiné à être traité d'abord par extrusion ; la fig. 2 est une coupe axiale de l'ensemble poin çon d'extrusion, matrice et éjecteur après la pre mière opération d'extrusion superficielle permettant l'emploi d'un lubrifiant solide;
la fig. 3 est une coupe axiale des mêmes organes après la deuxième opération d'extrusion ; la fig. 4 est une coupe axiale d'une matrice et d'un poinçon d'extrusion après la troisième opéra tion correspondant au filage de la toile de fond vers l'avant avec freinage de l'écoulement de la matière par filage en rétreinte des toiles de fond provenant des pièces précédemment extrudées; la fig. 5 est une vue en perspective de la pièce extrudée après séparation de la toile de fond ;
la fig. 6 est une coupe axiale d'une matrice de filage, d'un porte-aiguille et d'une aiguille de filage montrant la position de trois pièces superposées au cours du filage de la pièce médiane, et la réduction progressive de diamètre des pièces ; la fig. 7 est une vue en perspective de la pièce telle qu'elle se présente après l'opération de filage ; la fig. 8 est une coupe axiale après la deuxième opération d'extrusion représentée sur la fig. 3 mon trant la disposition des fibres du métal ;
la fig. 9 est une coupe axiale de l'ébauche après la troisième opération de filage de la toile de fond représentée sur la fig. 4 montrant la nouvelle dispo sition des fibres du métal ; et la fig. 10 est une coupe axiale d'une matrice de filage avec son porte-aiguille à rebord,, et son aiguille de filage, montrant une ébauche inférieure en cours de filage et une ébauche supérieure formant cale d'application de pression à la fin du filage de l'ébauche inférieure, et soumise ensuite à l'action du porte-aiguille à rebord.
II est clair que les pièces de section circulaire représentées sur le dessin annexé pourraient être aussi bien remplacées par des pièces de .section ovale ou polygonale ou de toutes formes appropriées, les sections des matrices, des poinçons et des aiguilles de poinçon se trouvant modifiées en conséquence.
Les pièces en cours d'usinage et soumises aux opérations d'extrusion et de filage sont désignées respectivement par 1 sur la fig. 1, par la sur la fig. 2, par lb sur la fig. 3, par 1c sur la fig. 4, par 1d sur les fig. 5, 6 et 10, par le sur la fig. 6, par 1 f sur les fig. 6 et 7,
et par 1g sur la fi-.<B>10.</B> La matrice d'extrusion utilisée pour les trois premières opérations correspondant aux fig. 2, 3 et 4 est en deux pièces. La première pièce est désignée par 2, la partie inférieure des matrices par 3 et 3a, le poinçon d'extrusion par 4, l'éjecteur par 5 et son poussoir par 5a. Cet éjecteur n'est représenté d'ailleurs que sur les fig. 2 et 3.
Sur la fig. 4 correspondant à l'opération de filage vers l'avant, la toile de fond de la pièce 1c, qui vient de se séparer de la pièce extrudée, est désignée par le nombre de référence 6.
Pour freiner l'écoulement de la matière à travers le vide laissé dans la partie inférieure 3a de la matrice affectée à la troisième opération, on laisse les toiles de fond 6 se rétreindre, de façon -à prendre progressivement les formes 7 et 8 de diamètres réduits par rapport à l'alésage de la pièce 1c.
La partie inférieure 3a de la matrice comporte un alésage 9 correspondant à un diamètre légère ment plus grand que celui du poinçon 4, la différence de diamètre étant d'ailleurs très faible. Dans ces conditions, la toile de fond 6 se sépare de la pièce 1c par une déchirure 10 de forme sensiblement cir culaire, placée légèrement au-dessous du niveau infé rieur 11 de la pièce 1c.
Il suffit alors, pour passer de la forme de la pièce 1 c à la forme 1 d d'enlever la légère bavure entre les niveaux 10 et 11, par exemple par une opé ration de tonnelage si nécessaire.
Sur la fig. 6 on voit que le porte-aiguille 12 ser vant au filage appuie par sa partie inférieure 14 sur la partie supérieure de la pièce 1d qui est utilisée dans ce cas comme cale d'épaisseur pour permettre le filage d'une pièce semblable le représentée sur la figure en cours d'usinage, pièce qui appuie elle-même sur une pièce 1 f représentée également sur la fig. 7.
Le porte-aiguille 12 est équipé avec une aiguille 13 dont le diamètre est inférieur à celui de l'alésage des pièces 1d et le.
Au cours du filage le diamètre extérieur des piè ces extrudées se réduit jusqu'à la position représen tée en 15 au bas de la fig. 6.
De la même manière, le diamètre intérieur de la pièce filée 1 f se réduit au diamètre correspondant au nombre de référence 16, c'est-à-dire au diamètre de l'aiguille 13 du porte-aiguille 12.
Pour éviter, au moment où on relève le porte aiguille, que les pièces 1d, le et 1 f ne puissent se sou lever, il a été prévu dans la matrice 17 visible sur la fig. 6, une gorge de retenue 18, dans laquelle peut pénétrer la matière de la partie externe de la pièce le au fur et à mesure de son filage, ce qui assure une espèce de goupillage au moment de la remontée du poinçon et de l'aiguille.
Un lubrifiant solide, tel que le bisulfure de mo lybdène ou de tungstène, qui se trouve enfermé à l'extrémité du poinçon d'extrusion, après l'opération d'amorçage d'un logement de retenue représenté sur la fig. 2, se trouve entraîné par ce poinçon jusqu'au fond, en assurant la lubrification efficace de toute la surface soumise à l'action du poinçon, au fur et à mesure de la descente de ce dernier.
Les procédés habituels de phosphatation qui per mettent l'accrochage d'un lubrifiant tel que phos phate de zinc, savon de soude et silicate de soude par exemple, ou celui désigné sous la dénomination commerciale Bonderlube , sont appliqués au lopin 1 représenté sur la fig. 1, mais, en supposant que la couche phosphatée se trouve rompue au cours du travail d'extrusion, le lubrifiant solide continue à assurer une lubrification efficace. L'expérience a prouvé que l'étanchéité réalisée est absolue, car l'état de surface obtenu au contact du poinçon, même sur la toile de fond, ne révèle aucune déchirure.
L'utilisation d'un tel lubrifiant solide par simple dépôt effectué sur la face supérieure du lopin, ne pourrait être envisagée sans recourir à l'opération représentée sur la fig. 2, car le lubrifiant solide serait expulsé, soit par la forme du poinçon, soit par le courant d'air dû à la descente du poinçon.
II y a lieu de remarquer toutefois que le lubrifiant solide peut être également introduit par adjonction dans le bain servant, après phosphatation, à déposer le savon lubrifiant.
Dans le procédé de filage représenté en variante sur la fig. 10' on a désigné le porte-aiguille par la référence 12a, l'aiguille étant toujours désignée par le nombre 13, la partie inférieure du porte-aiguille 12a comportant un rebord périphérique désigné par 14a.
On a désigné par 1g l'ébauche en cours de filage dans la matrice 17a, la gorgï; circulaire de logement du lubrifiant solide étant désignée par 19. L'ébauche supérieure 1d qui servira de cale pour permettre la fin de l'opération de filage de l'ébauche 1g a été représentée sur la fig. 10 dans la position correspon dant au moment où elle vient d'être introduite dans la matrice, c'est-à-dire avant attaque par le porte aiguille.
Lorsque le rebord 14a vient appuyer à la partie supérieure 20 de cette ébauche 1d, non seule ment le refoulement de la matière engendre la gorge 19 qui servira à la lubrification de l'ébauche suivante, mais encore la matière se rétreint jusqu'au niveau du diamètre 16 correspondant à celui du porte- aiguille 13.
Le procédé de filage se trouve donc modifié comme suit: après trempage de l'ébauche préalable ment débouchée dans le lubrifiant solide, on la sou met à une opération de compression réalisée au moyen du porte-aiguille 12a à rebord 14a que l'on applique du côté qui vient d'être débouché ; on retire ensuite le porte-aiguille et on introduit du lubrifiant solide de même nature que celui mentionné précé demment à la partie supérieure de l'ébauche déjà partiellement filée, en remplissant notamment la gorge de retenue engendrée au cours de l'opération précédente de compression;
on introduit ensuite une nouvelle ébauche, préalablement trempée comme la précédente dans du lubrifiant solide, au-dessus de l'ébauche partiellement filée, en plaçant également son extrémité débouchée vers le haut, de façon à l'utiliser d'abord comme cale d'application de pres sion pendant la fin du filage de l'ébauche précédente, ladite ébauche servant de cale étant ensuite soumise à l'action du porte-aiguille à rebord circulaire péri phérique, pendant que sa partie inférieure commence à se rétreindre ; on retire à nouveau le porte-aiguille pour introduire du lubrifiant solide, et une nouvelle ébauche préalablement lubrifiée, et ainsi de suite.
Le mécanisme de la lubrification au cours de la descente de l'ébauche Id est le suivant Le lubrifiant introduit dans la gorge 19 se trouve également projeté sur la partie supérieure 21 de l'ébauche lg, cette partie 21 correspondant à la cuvette 22 du porte-aiguille 12a.
Du fait du léger dégagement correspondant à la différence de dia mètre intérieur de la matrice, à sa partie supérieure, où le diamètre est celui de l'alésage 23, et à sa partie médiane, où le diamètre correspond à celui de l'alé sage 24, le lubrifiant contenu dans la gorge 19 remonte progressivement, au fur et à mesure de l'enfoncement de l'ébauche 1d, le long de la périphé rie de cette ébauche.
De même, la pression s'exerçant sur la partie supérieure 20 de l'ébauche lg tend à chasser le lubri fiant entre l'alésage intérieur de l'ébauche 1d et l'aiguille 13, en même temps que le diamètre de l'ébauche elle-même tend à diminuer pour épouser le diamètre extérieur de l'aiguille 13.
De cette façon, l'ébauche 1d, qui a déjà été enduite au préalable du lubrifiant solide, se trouve extérieurement et intérieurement lubrifiée avant d'atteindre le niveau où elle va commencer à se filer en rétreinte. L'échauffement dû au filage est d'ailleurs insuffisant pour détruire le lubrifiant solide utilisé, qui est de préférence, comme on l'a déjà indiqué, du bisulfure de molybdène ou de tungstène.
Au moment où le porte-aiguille 12a et l'aiguille 13 remontent vers le haut pour permettre l'introduc tion de l'ébauche 1d, l'ébauche 1g ne peut pas être entraînée par l'aiguille 13 en raison du verrouillage réalisé par le léger dégagement correspondant à la différence de diamètre de la matrice au niveau des alésages 23 et 24 précités.
Une lubrification est donc assurée à l'intérieur de l'ébauche 1g pour la remontée de l'aiguille 13 qui se fait évidemment avec un certain frottement entre ladite aiguille et le diamètre intérieur de l'alé sage 16, et avec entraînement progressif du lubrifiant solide vers le haut.
Quant au travail de filage proprement dit, l'échauffement qu'il entraîne est limité, par le fait que le lubrifiant solide tend à remonter progressi vement le long du diamètre extérieur 15 de la pièce filée en assurant la lubrification externe de l'ébauche jusqu'à sa partie supérieure, c'est-à-dire jusqu'au niveau de l'alésage 24.
En résumé, en créant, à la partie supérieure de l'ébauche, avant de la soumettre à l'opération pro prement dite de filage, une gorge de logement de lubrifiant solide, on obtient, du fait de la pression au contact entre les deux ébauches, une remontée progressive du lubrifiant le long des parois de l'ébau che supérieure, lubrification qui agit ensuite au cours du filage d'une part, et lors de la remontée de l'aiguille 13 d'autre part.
On voit ainsi que l'utilisation de lubrifiant solide mis en suspension dans un savon lubrifiant tel que celui connu sous la dénomination commerciale Bonderlube , qui constitue un nouveau procédé applicable avant l'opération d'extrusion, et, dans le cas de la fig. 6, avant le filage, n'est plus nécessaire dans le cas illustré par la fig. 10 où le lubrifiant solide peut être utilisé tel quel puisqu'il peut alors adhérer sur la surface de l'ébauche extrudée et débouchée.
Avant l'extrusion, il est facile de comprendre que le trempage dans une telle suspension savon neuse permet de répartir, de façon parfaitement adhérente et uniforme, le lubrifiant solide sur toutes les parties du lopin à usiner.
Une autre caractéristique du procédé illustré par la fig. 10 réside dans le fait que le filage est effectué sur l'ébauche après retournement de celle-ci, de façon à provoquer, par rapport au corps: de la pièce, un écoulement de la matière dans une direction oppo sée au sens d'écoulement correspondant au filage de la toile de fond.
Dans ces conditions, les empilements de dislocations consécutifs à l'opération de filage de la toile de fond se trouvent, après retournement de l'ébauche, orientés dans un sens favorable à l'écou lement de la matière, ou tout au moins n'opposent pas une grande résistance à cet écoulement, ce qui facilite le travail de filage par rapport aux procédés habituellement connus, en réduisant l'élévation de température des matrices, des porte-aiguilles et des aiguilles de filage.
Ainsi, grâce au rebord 14a du porte-aiguille, qui permet de constituer un logement de retenue de lubrifiant solide, et au retournement préalable de l'ébauche extrudée et débouchée, avant de la sou mettre au filage, on peut, dans le procédé illustré par la fig. 10, effectuer ce filage sans traitement thermique de restauration préalable, en trempant simplement l'ébauche phosphatée dans du lubrifiant solide.
Il y a lieu de remarquer que les aiguilles de filage et les matrices chauffent progressivement, et que la première pièce que l'on file à température relative ment basse n'est qu'imparfaitement lubrifiée par du lubrifiant solide, puisque l'on n'introduit du lubrifiant solide en quantité notable dans une gorge de retenue qu'au moment où la première ébauche est partielle ment filée et occupe la position représentée en 1g sur la fig. 10.
Au fur et à mesure de l'élévation de température de la matrice et de l'aiguille de filage, la nécessité de la gorge de retenue du lubrifiant solide devient de plus en plus impérative, mais dans la pratique, dès l'introduction de la deuxième ébauche 1d dans la matrice de filage, pour former cale d'application de pression pendant la fin du filage de l'ébauche 1g introduite en premier, la lubrification efficace de toutes les ébauches successives est assurée.
On a indiqué dans le préambule de la présente description les désavantages des procédés classiques consistant à découper la toile de fond par cisaille ment du métal, procédés qui provoquent des déchi rures à la partie inférieure de la pièce en cours d'usi nage. Ces déchirures n'existent pas sur la pièce 1c du fait de la possibilité de travailler au-dessous de la limite élastique du métal par écoulement de la matière vers le bas, c'est-à-dire vers l'avant, écou lement qui est cependant ralenti par la présence des toiles de fond 7 et 8 progressivement filées en réduc tion de diamètre dans l'alésage de la matrice 6.
On a mentionné précédemment que les trois opé rations d'extrusion et de débouchage représentées respectivement sur les fig. 2, 3 et 4 peuvent être faites l'une à la suite de l'autre, sans aucun traite ment thermique intermédiaire. Ceci permet de grou per les trois opérations en une seule opération de presse en utilisant un plateau revolver ou tout autre dispositif d'alimentation approprié, et des poinçons multiples, une simple substitution étant opérée entre la deuxième et la troisième opérations, de la partie inférieure de la matrice 3a de la fig. 4 à la partie 3 des fig. 2 et 3, prévue avec un éjecteur 5 et un poussoir d'éjecteur 5a.
Les trois opérations se font donc en une seule descente de presse et le temps d'usinage se trouve réduit à celui d'une seule opé ration.
En comparant les deux coupes des fig. 8 et 9, on comprend la raison pour laquelle aucun traitement thermique n'est nécessaire entre la deuxième opéra tion d'extrusion et l'opération de débouchage par filage de la toile de fond.
En effet, les fibres de la partie inférieure de l'ébauche qui sont dirigées vers le centre de cette dernière sont redressées en direction de la partie inférieure de la matrice 3a au cours. de l'opération de débouchage de la fig. 4. Ce redressement des fibres de la partie centrale de l'ébauche se traduit par un effet de compression de la matière au voisi nage du poinçon, dans. le sens perpendiculaire à la direction des fibres, de telle façon que cette matière n'a pas tendance à se déchirer lors du débouchage de la toile de fond, comme dans une opération de cisaillement, mais tend au contraire à remplir par faitement bien l'espace entourant le bas du poinçon.
Il est facile de comprendre par ailleurs que l'action du poinçon pourrait entraîner plus facilement la for mation de déchirures par cisaillement de la matière, si les fibres métalliques étaient orientées vers le bas en direction de la périphérie de la matrice.
On obtient donc par le procédé décrit une ébau che absolument saine .sur toute la hauteur de son alésage, ébauche qui est utilisée ensuite pour l'opé ration de filage comme cela est indiqué sur les fig. 6 et 10.
Il est clair que le filage de la pièce pourrait ne pas être opéré en réduction de diamètre, mais aussi bien en augmentation, ou être adapté pour réaliser des pièces ayant plusieurs diamètres différents inté rieurs ou extérieurs.
Les exemples des fig. 6 et 10 concernent des tubes destinés à réaliser des axes de piston. Le dia mètre extérieur de la pièce le est réduit progressive ment de 30 mm à 22 mm, l'alésage intérieur ayant son diamètre réduit de 16 à 15 mm.
La longueur de 29 mm de la pièce 1d est portée par contre à 75 mm.
En évitant tout traitement thermique au voisinage du point de transformation du métal, le procédé per met d'éviter de détruire la globulisation des carbures entre l'extrusion et le filage. Cette dernière opéra tion peut alors, comme l'extrusion, être effectuée avec une pression réduite.
Il y a lieu de remarquer qu'en assurant une lubri fication efficace, et en supprimant les déchirures par cisaillement du métal, le procédé décrit permet éga lement d'éviter la formation de micro-soudures, et l'élévation anormale de température du lubrifiant et des outils qui résulte de l'arrachement desdites micro- soudures, élévation qui entraîne inévitablement la destruction du lubrifiant accroché sur la couche de phosphatation et, par voie de conséquence, une usure anormale de l'outillage.
Les modifications de cotes du poinçon et des matrices, dues à leur usure prématurée se trouvent ainsi supprimées, et les tolérances de fabrication peu vent être respectées.
De plus, l'élimination des traitements thermiques à haute température, et la possibilité de suppression pure et simple de tout traitement thermique entre les différentes opérations d'extrusion, de débouchage et de filage permettent d'éviter la formation de cala mine.
Le procédé décrit rend ainsi possible la fabrica tion de pièces extrudées et filées parfaitement saines sur toute leur longueur, ces pièces ne comportant pas de déchirures à leur partie inférieure. On peut en conséquence utiliser ledit procédé pour la fabrication de pièces tubulaires, avec une économie importante de matière et de main-d'ceuvre.
En outre, l'usinage d'aciers alliés, considéré jus qu'ici comme impossible à réaliser par extrusion et filage, peut se faire sans difficulté au moyen du procédé décrit, et sans mettre en jeu des puissances supérieures à la résistance des, outils.
Un autre avantage du procédé décrit réside dans le fait que le filage de la pièce peut être fait après l'opération de filage de la toile de fond vers l'avant, sans procéder au préalable à un traitement thermique au voisinage du point de transformation du métal, mais en effectuant tout au plus un traitement de res tauration à basse température pendant quelques heu res, aux alentours de 300 à 4000 dans le cas des aciers :
spéciaux mentionnés ci-dessus, traitement de restauration qui est suffisant pour débloquer les dis locations du réseau cristallin et rendre à la matière toutes ses possibilités de déplacement, et qui pré sente .en outre l'avantage de ne pas produire d'oxy dation superficielle et de ne pas détruire la globuli- sation des carbures opérée sur le lopin avant de le travailler par extrusion. Le lubrifiant, dont la tem pérature de destruction est supérieure à celle employée ci-dessus, se conserve intact au cours de ce traitement de restauration.
En raison de la faculté d'obtenir une lubrification parfaite en cours d'extrusion, il devient possible, même avec des aciers alliés considérés jusqu'à pré sent comme impossibles à extruder et à filer, de réa liser, pour un diamètre extérieur déterminé, des profondeurs d'extrusion jusqu'alors inconcevables, permettant, dans certains cas, de supprimer purement et simplement l'opération de filage, comme dans le cas des axes de pistons de vélomoteurs par exemple, ou, de toute façon, de rendre cette opération moins difficile, en augmentant considérablement la vie des matrices.
La suppression du filage, lorsqu'elle est possible, permet de réaliser une économie supplémentaire con sidérable, en particulier du fait que le traitement thermique et l'opération de phosphatation qui doivent être prévus normalement entre l'opération du débou- chage de la toile de fond et celle du filage de l'ébau che, sont alors supprimés.
Method for manufacturing tubular parts by cold extrusion The subject of the invention is a process for manufacturing tubular or partially tubular parts by cold extrusion.
The manufacturing processes by extrusion and cold spinning have developed considerably in recent years, but the application of these processes to ferrous metals, in particular to metals or alloys such as alloy steels, presents lubrication difficulties which have not in general have been resolved so far only by limiting themselves to low spinning ratios allowing the deformation of the metal to be achieved under acceptable conditions.
To allow an increase in the rate of deformation, it was indeed necessary to operate at a higher temperature, and therefore the finish of the products obtained was not perfect.
The various known processes are expensive, generally require, between the various extrusion or spinning passes, multiple annealing carried out at temperatures above the point of transformation of the metal, and very often leading to defective products.
It is also known that, because of the need to reduce the rate of deformation, it is common practice, before spinning, to work the billet first by extrusion, inside a die whose bottom conforms to the shape of the underside of the blank, such that the work by extrusion is limited in depth to a penetration of the punch, up to a small distance from this die bottom, the extrusion backdrop then being removed habi tally by cutting.
However, this cutting, which is carried out by shearing beyond the elastic limit of the metal, has the drawback of causing tears over the entire height corresponding to the shear of the backdrop, these tears being accentuated thereafter. during the spinning operation intended to bring the part to its final dimensions.
Independently of the multiple annealing operations indicated above, this cutting therefore makes it necessary to section the part after extrusion, in order to eliminate the torn part corresponding to the shear of the backdrop.
The method which is the subject of the invention, for the manufacture of parts. tubular or partially tubular by cold extrusion of the metal backwards, with a view to drilling the starting piece, followed by an operation of unblocking the extrusion backing fabric, preceding a spinning operation at cold of the blanks intended to bring them to their final dimensions, is characterized by the fact that the extrusion operation is carried out after having first created, by means of the extrusion punch, which is only made to penetrate superficially in the starting plot,
a housing for retaining a solid lubricant in contact with the base of the extrusion punch, lubricant which is driven by the movement of the extruded metal, and which thus ensures the progressive lubrication of the peripheral wall of said extrusion punch, as and as the metal rises along said peripheral wall;
that the extruded blank is uncorked by spinning its backdrop forward, after substitution of a perforated die bottom, of suitable shape, making it possible to avoid any shearing of the metal above the upper level of said bottom of die, which is carried out by spinning the blanks thus opened inside a die, in which two or three blanks are superimposed, placed with their open end facing upwards, and the lower part of which ensures guiding the lower blank.
One of the main advantages of this process lies in the fact that it is possible to avoid any intermediate heat treatment at high temperature, in the vicinity of the point of transformation of the metal, either before the uncapping of the blank, or after this uncapping before to proceed with the spinning.
In an implementation of the method, it is possible to improve the process of the operations which have just been described by also using for the spinning operation a solid lubricant of the similar type to that used for the extrusion, without applying it in suspension in a liquid lubricant.
In this implementation variant of the process, not only the heat treatments in the vicinity of the point of transformation of the metal can be eliminated, but it is also possible to avoid subjecting the blank, after extrusion and unblocking, to a heat treatment of restoration of the metal, and consequently, the phosphating operation which usually follows such a restoration treatment can also be eliminated.
It is then sufficient to simply dip the blank in the solid lubricant before spinning it from the end opposite the open end, because the surface of said blank is, in this case, still sufficiently phosphated to allow the attachment. of said solid lubricant.
This simplification can be obtained on the condition of providing, at the start of spinning, a prior operation of compressing the blanks, carried out by means of a needle holder comprising at its lower part a peripheral circular rim, which rim makes it possible to obtain, at the top of each blank, a groove for retaining solid lubricant, making it possible to lubricate the next blank.
The drawing illustrates several operations of an exemplary implementation of the method according to the invention, an example which relates to the manufacture of cylindrical-shaped piston pins. In the drawing Fig. 1 is a perspective view of a cylindrically shaped slug intended to be processed first by extrusion; fig. 2 is an axial section of the extrusion punch, die and ejector assembly after the first surface extrusion operation allowing the use of a solid lubricant;
fig. 3 is an axial section of the same members after the second extrusion operation; fig. 4 is an axial section of a die and of an extrusion punch after the third operation corresponding to the extrusion of the backdrop forwards with braking of the flow of the material by shrinking of the cloths. bottom from previously extruded parts; fig. 5 is a perspective view of the extruded part after separation from the backdrop;
fig. 6 is an axial section of a spinning die, a needle holder and a spinning needle showing the position of three superimposed pieces during the spinning of the middle piece, and the progressive reduction in diameter of the pieces; fig. 7 is a perspective view of the part as it appears after the spinning operation; fig. 8 is an axial section after the second extrusion operation shown in FIG. 3 showing the arrangement of the fibers of the metal;
fig. 9 is an axial section of the blank after the third operation of spinning the backdrop shown in FIG. 4 showing the new arrangement of the fibers of the metal; and fig. 10 is an axial section of a spinning die with its flanged needle holder, and its spinning needle, showing a lower blank during spinning and an upper blank forming a pressure application wedge at the end of the spinning of the lower blank, and then subjected to the action of the flanged needle holder.
It is clear that the parts of circular section shown in the accompanying drawing could also be replaced by parts of oval or polygonal section or of any suitable shape, the sections of the dies, punches and punch needles being modified in accordance with result.
The parts being machined and subjected to the extrusion and extrusion operations are designated respectively by 1 in FIG. 1, by in FIG. 2, by lb in fig. 3, by 1c in fig. 4, by 1d in fig. 5, 6 and 10, by the in fig. 6, by 1 f in fig. 6 and 7,
and by 1g on fig. <B> 10. </B> The extrusion die used for the first three operations corresponding to fig. 2, 3 and 4 is in two parts. The first part is designated by 2, the lower part of the dies by 3 and 3a, the extrusion punch by 4, the ejector by 5 and its pusher by 5a. This ejector is only shown in FIGS. 2 and 3.
In fig. 4 corresponding to the forward spinning operation, the backdrop of the part 1c, which has just separated from the extruded part, is designated by the reference number 6.
To slow down the flow of material through the vacuum left in the lower part 3a of the die assigned to the third operation, the backdrops 6 are left to shrink, so as to gradually take on the shapes 7 and 8 of diameters. reduced compared to the bore of the part 1c.
The lower part 3a of the die has a bore 9 corresponding to a diameter slightly larger than that of the punch 4, the difference in diameter being moreover very small. Under these conditions, the backdrop 6 separates from the part 1c by a tear 10 of substantially circular shape, placed slightly below the lower level 11 of the part 1c.
To change from the shape of the part 1 c to the shape 1 d, it suffices then to remove the slight burr between the levels 10 and 11, for example by a tumbling operation if necessary.
In fig. 6 it can be seen that the needle holder 12 serving for the spinning rests by its lower part 14 on the upper part of the part 1d which is used in this case as a shim to allow the spinning of a similar part shown in the figure being machined, a part which itself bears on a part 1 f also shown in FIG. 7.
The needle holder 12 is equipped with a needle 13 whose diameter is smaller than that of the bore of the parts 1d and the.
During spinning, the outside diameter of the extruded parts is reduced to the position shown at 15 at the bottom of FIG. 6.
Likewise, the inside diameter of the threaded part 1 f is reduced to the diameter corresponding to the reference number 16, that is to say to the diameter of the needle 13 of the needle holder 12.
To prevent, when the needle holder is raised, that the parts 1d, 1c and 1f cannot be lifted, it has been provided in the die 17 visible in FIG. 6, a retaining groove 18, into which the material of the external part of the part 1c can penetrate as it is extruded, which ensures a kind of pinning when the punch and the needle are raised. .
A solid lubricant, such as lybdenum or tungsten disulphide, which is enclosed at the end of the extrusion punch, after the operation of priming a retaining housing shown in FIG. 2, is driven by this punch to the bottom, ensuring effective lubrication of the entire surface subjected to the action of the punch, as the latter descends.
The usual phosphating processes which allow the attachment of a lubricant such as zinc phos phate, sodium hydroxide soap and sodium silicate for example, or that designated under the trade name Bonderlube, are applied to the plot 1 shown in FIG. . 1, but, assuming the phosphate layer is broken off during the extrusion work, the solid lubricant continues to provide effective lubrication. Experience has shown that the seal achieved is absolute, because the surface condition obtained in contact with the punch, even on the backdrop, does not reveal any tearing.
The use of such a solid lubricant by simple deposition carried out on the upper face of the blank could not be envisaged without resorting to the operation shown in FIG. 2, because the solid lubricant would be expelled, either by the shape of the punch, or by the air current due to the descent of the punch.
It should be noted, however, that the solid lubricant can also be introduced by addition into the bath serving, after phosphating, to deposit the lubricating soap.
In the spinning process shown as an alternative in FIG. 10 'the needle holder has been designated by the reference 12a, the needle always being designated by the number 13, the lower part of the needle holder 12a comprising a peripheral rim designated by 14a.
The blank during spinning in the die 17a is designated by 1g, the gorgi; circular housing of the solid lubricant being designated by 19. The upper blank 1d which will serve as a wedge to allow the end of the spinning operation of the blank 1g has been shown in FIG. 10 in the position corresponding to the moment when it has just been introduced into the die, that is to say before attack by the needle holder.
When the rim 14a comes to rest against the upper part 20 of this blank 1d, not only the pushing back of the material generates the groove 19 which will be used for the lubrication of the next blank, but also the material shrinks to the level of the diameter 16 corresponding to that of needle holder 13.
The spinning process is therefore modified as follows: after dipping the blank previously uncorked in the solid lubricant, it is subjected to a compression operation carried out by means of the needle holder 12a with flange 14a which is applied on the side which has just been opened; the needle holder is then removed and solid lubricant of the same type as that mentioned above is introduced into the upper part of the already partially spun blank, in particular by filling the retaining groove generated during the previous compression operation ;
a new blank is then introduced, previously soaked like the previous one in solid lubricant, above the partially extruded blank, also placing its open end upwards, so as to use it first as a shim. application of pressure during the end of spinning of the preceding blank, said blank serving as a wedge then being subjected to the action of the needle holder with a peripheral circular rim, while its lower part begins to shrink; the needle holder is again removed to introduce solid lubricant, and a new pre-lubricated blank, and so on.
The mechanism of lubrication during the descent of the blank Id is as follows The lubricant introduced into the groove 19 is also projected onto the upper part 21 of the blank lg, this part 21 corresponding to the bowl 22 of the door -needle 12a.
Due to the slight clearance corresponding to the difference in the internal diameter of the die, at its upper part, where the diameter is that of the bore 23, and at its middle part, where the diameter corresponds to that of the bore 24, the lubricant contained in the groove 19 rises gradually, as the blank 1d is pushed in, along the periphery of this blank.
Likewise, the pressure exerted on the upper part 20 of the blank 1g tends to drive out the lubricant between the internal bore of the blank 1d and the needle 13, at the same time as the diameter of the blank. itself tends to decrease to match the outer diameter of needle 13.
In this way, the blank 1d, which has already been coated beforehand with the solid lubricant, is externally and internally lubricated before reaching the level where it will start to shrink. The heating due to the extrusion is moreover insufficient to destroy the solid lubricant used, which is preferably, as has already been indicated, molybdenum or tungsten disulphide.
At the moment when the needle holder 12a and the needle 13 rise upwards to allow the introduction of the blank 1d, the blank 1g cannot be driven by the needle 13 due to the locking effected by the slight clearance corresponding to the difference in diameter of the die at the level of the aforementioned bores 23 and 24.
Lubrication is therefore provided inside the blank 1g for the ascent of the needle 13 which obviously takes place with a certain friction between said needle and the internal diameter of the bore 16, and with progressive drive of the lubricant. solid up.
As for the actual spinning work, the heating which it causes is limited, by the fact that the solid lubricant tends to rise progressively along the outer diameter 15 of the extruded part, ensuring the external lubrication of the blank up to 'at its upper part, that is to say up to the level of the bore 24.
In summary, by creating, at the upper part of the blank, before subjecting it to the operation properly called spinning, a solid lubricant housing groove, one obtains, due to the pressure in contact between the two blanks, a progressive rise of the lubricant along the walls of the upper blank, lubrication which then acts during spinning on the one hand, and during the ascent of the needle 13 on the other hand.
It is thus seen that the use of a solid lubricant suspended in a lubricating soap such as that known under the trade name Bonderlube, which constitutes a new process applicable before the extrusion operation, and, in the case of FIG. 6, before spinning, is no longer necessary in the case illustrated in FIG. 10 where the solid lubricant can be used as it is since it can then adhere to the surface of the extruded and uncapped blank.
Before extrusion, it is easy to understand that soaking in such a soap suspension makes it possible to distribute, in a perfectly adherent and uniform manner, the solid lubricant over all the parts of the blank to be machined.
Another characteristic of the process illustrated by FIG. 10 lies in the fact that the extrusion is carried out on the blank after turning it over, so as to cause, relative to the body: of the part, a flow of the material in a direction opposite to the direction of flow matching the spinning of the backdrop.
Under these conditions, the stacks of dislocations resulting from the spinning operation of the backdrop are, after turning over the blank, oriented in a direction favorable to the flow of the material, or at least not do not oppose a great resistance to this flow, which facilitates the spinning work compared to the commonly known methods, by reducing the rise in temperature of the dies, of the needle holders and of the spinning needles.
Thus, thanks to the rim 14a of the needle holder, which makes it possible to constitute a housing for retaining solid lubricant, and to the prior inversion of the extruded and uncapped blank, before subjecting it to spinning, it is possible, in the method illustrated by fig. 10, perform this spinning without prior restorative heat treatment, by simply dipping the phosphate blank in solid lubricant.
It should be noted that the spinning needles and the dies heat up gradually, and that the first part which is spun at a relatively low temperature is only imperfectly lubricated by solid lubricant, since it is not necessary to introduced solid lubricant in significant quantity into a retaining groove that when the first blank is partially extruded and occupies the position shown at 1g in FIG. 10.
As the temperature of the die and the spinning needle rises, the need for the solid lubricant retaining groove becomes more and more imperative, but in practice, as soon as the second blank 1d in the spinning die, to form a pressure application wedge during the end of the spinning of the blank 1g introduced first, effective lubrication of all successive blanks is ensured.
The disadvantages of the conventional methods of cutting the backdrop by shearing from metal, which methods cause tears in the lower part of the part being machined, have been indicated in the preamble of the present description. These tears do not exist on the part 1c because of the possibility of working below the elastic limit of the metal by flow of the material downward, that is to say forward, flow which is however slowed down by the presence of backdrops 7 and 8 progressively spun in a reduction in diameter in the bore of die 6.
It was previously mentioned that the three extrusion and unblocking operations represented respectively in FIGS. 2, 3 and 4 can be made one after the other, without any intermediate heat treatment. This allows the three operations to be grouped into a single press operation using a revolver plate or other suitable feed device, and multiple punches, with a simple substitution being made between the second and third operations, from the lower part. of the matrix 3a of FIG. 4 to part 3 of fig. 2 and 3, provided with an ejector 5 and an ejector pusher 5a.
The three operations are therefore carried out in a single press descent and the machining time is reduced to that of a single operation.
By comparing the two sections of fig. 8 and 9, it is understood why no heat treatment is necessary between the second extrusion operation and the operation of unclogging by extrusion of the backdrop.
In fact, the fibers of the lower part of the blank which are directed towards the center of the latter are straightened towards the lower part of the die 3a during the course. of the unblocking operation of FIG. 4. This straightening of the fibers of the central part of the blank results in an effect of compressing the material in the vicinity of the punch, in. direction perpendicular to the direction of the fibers, so that this material does not tend to tear when unclogging the backdrop, as in a shearing operation, but instead tends to fill the space surrounding the bottom of the punch.
It is easy to understand, moreover, that the action of the punch could more easily lead to the formation of shear tears in the material, if the metal fibers were oriented downwards towards the periphery of the die.
Thus, by the method described, an absolutely sound blank is obtained over the entire height of its bore, which blank is then used for the spinning operation as indicated in FIGS. 6 and 10.
It is clear that the spinning of the part could not be operated by reducing the diameter, but also by increasing it, or be adapted to produce parts having several different internal or external diameters.
The examples of fig. 6 and 10 relate to tubes intended to produce piston pins. The outer diameter of the part 1c is progressively reduced from 30 mm to 22 mm, the inner bore having its diameter reduced from 16 to 15 mm.
On the other hand, the length of 29 mm of part 1d is increased to 75 mm.
By avoiding any heat treatment in the vicinity of the point of transformation of the metal, the process makes it possible to avoid destroying the globulization of the carbides between the extrusion and the spinning. This last operation can then, like extrusion, be carried out with reduced pressure.
It should be noted that by ensuring effective lubrication, and by suppressing tears by shearing of the metal, the method described also makes it possible to avoid the formation of micro-welds and the abnormal rise in temperature of the lubricant. and tools which results from the tearing of said micro-welds, an elevation which inevitably leads to the destruction of the lubricant attached to the phosphating layer and, consequently, to abnormal wear of the tool.
The modifications of dimensions of the punch and of the dies, due to their premature wear are thus eliminated, and the manufacturing tolerances can be respected.
In addition, the elimination of heat treatments at high temperature, and the possibility of outright elimination of any heat treatment between the various extrusion, unblocking and extrusion operations make it possible to avoid the formation of cala mine.
The process described thus makes it possible to manufacture perfectly sound extruded and extruded parts over their entire length, these parts not having tears in their lower part. Said process can therefore be used for the manufacture of tubular parts, with a significant saving in material and labor.
In addition, the machining of alloy steels, considered until now as impossible to achieve by extrusion and extrusion, can be done without difficulty by means of the method described, and without involving powers greater than the resistance of the tools. .
Another advantage of the method described lies in the fact that the spinning of the part can be done after the operation of spinning the backdrop forward, without first carrying out a heat treatment in the vicinity of the transformation point of the fabric. metal, but by carrying out at most a low temperature restoration treatment for a few hours, around 300 to 4000 in the case of steels:
specialties mentioned above, a restorative treatment which is sufficient to unblock the dis locations of the crystal lattice and to restore to the matter all its possibilities of displacement, and which also has the advantage of not producing surface oxidation and not to destroy the globulization of the carbides carried out on the billet before working it by extrusion. The lubricant, the destruction temperature of which is higher than that used above, is kept intact during this restorative treatment.
Due to the ability to obtain perfect lubrication during extrusion, it becomes possible, even with alloy steels considered until now as impossible to extrude and extrude, to achieve, for a determined external diameter, hitherto inconceivable extrusion depths, allowing, in some cases, to purely and simply do away with the spinning operation, as in the case of moped piston shafts for example, or, in any case, to make this operation less difficult, considerably increasing the life of the dies.
The elimination of spinning, when possible, makes it possible to achieve a considerable additional saving, in particular because the heat treatment and the phosphating operation which must normally be provided between the operation of unblocking the fabric. background and that of the spinning of the blank che, are then deleted.