Procédé de formation à froid d'un article métallique comportant une tête et une tige La présente invention a pour objet un procédé de formation à froid d'un article métallique com portant une tête et une tige.
On connaît de tels procédés dans lesquels on uti lise des matrices d'extrusion où le passage du dia mètre de l'ébauche au diamètre du corps extrudé est constitué par un épaulement ayant une conver gence conique droite. Dans de tels procédés les ma trices nécessitaient, lorsqu'il s'agit d'ébauches dé coupées dans des tringles ou des tiges d'acier, des pressions pour l'extrusion de l'ébauche tellement élevées que l'ébauche avait tendance à se gonfler dans la cavité de la matrice et à s'écorcher contre les parois latérales de celles-ci. Les risques d'une rupture de la matrice, d'un grippage de la pièce à l'intérieur de la matrice, ainsi que d'autres problè mes se posant au cours de tels procédés rendaient pratiquement impossible une réduction de section de plus de 50 %.
Le but de l'invention est d'empêcher le gonfle ment de la portion non extrudée de l'ébauche à l'intérieur de la matrice au cours de l'extrusion, d'empêcher également le coincement et permettre que la partie extrudée puisse être facilement et rapi dement enlevée de la matrice. On peut ainsi effec tuer l'extrusion sur des machines à fonctionnement rapide pour réaliser une production des pièces extru dées avec un débit relativement élevé.
Le procédé objet de l'invention est caractérisé en ce qu'on part d'une ébauche cylindrique présen tant une section transversale égale au moins au double de la section transversale de la tige à former, en ce qu'on applique sur toute la surface d'une extré mité de l'ébauche une pression assurant l'écoulement du métal à travers un orifice de matrice de manière à extruder ladite tige, l'ébauche étant placée dans une première cavité présentant une paroi cylindri- que et une surface de révolution définie par une génératrice courbe tournant autour de l'axe de la cavité et qui, à une extrémité, est tangente à la paroi cylindrique de la cavité et, à l'autre extrémité, se raccorde audit orifice,
la partie intermédiaire au moins de la génératrice courbe présentant un rayon de courbure non supérieur à la différence entre le diamètre de la cavité et le diamètre de l'orifice et non inférieur à la moitié de cette différence, en ce qu'on arrête l'application de ladite pression quand le volume de la partie non travaillée de l'ébauche est égal à celui de la tête, en ce qu'on place l'ébau che obtenue dans une seconde matrice pourvue d'un épaulement présentant une configuration différente de celle de ladite surface de révolution et disposé entre la cavité devant former ladite tête et l'orifice contenant la tige, et en ce qu'on façonne la tête.
Le dessin annexé illustre, à titre d'exemple, deux mises en aeuvre du procédé objet de l'invention.
La fig. 1 est une vue en élévation d'un article obtenu dans la première mise en #uvre.
La fig. 2 est une vue en élévation de l'ébauche à partir de laquelle l'article représenté sur la fig. 1 peut être formé.
La fig. 3 représente la forme de l'ébauche après l'extrusion d'une partie de celle-ci.
La fig. 4 représente la forme de l'ébauche ayant subi un usinage ultérieur.
La fig. 5 est une coupe représentant une matrice d'extrusion utilisée pour cette mise en aeuvre.
La fig. 6 est une coupe montrant une matrice dé retenue et un poinçon de refoulement servant pour une opération ultérieure de formage.
La fig. 7 est une coupe montrant la matrice de retenue de la fig. 6 et un poinçon de refoulement final. La fig. 8 est une vue d'une ébauche utilisée dans la seconde mise en oeuvre.
La fig. 9 représente l'ébauche après l'extrusion de sa tige.
La fig. 10 est une vue de l'ébauche après le for mage partiel de sa tête.
La fig. 11 est une vue d'un boulon terminé moins le filetage.
La fig. 12 est une coupe d'une matrice d'extru sion servant à former l'ébauche représentée à la fig. 9.
La fig. 13 est une vue en coupe d'une matrice de retenue et d'un poinçon à extruder la tête, servant au formage de la tête montrée sur la fig. 10.
La fig. 14 est une coupe de la matrice de retenue de la fig. 13 et d'un poinçon à former la tête servant pour la conformation finale de la tête de l'article apparaissant sur la fig. 11.
Sur la fig. 1, on voit un article 10, constituant un exemple typique des pièces pouvant être formées par le procédé décrit, et les fig. 2 à 7 montrent les phases successives de la fabrication de cet article. L'article 10 comprend une tête cylindrique 12 ayant à une extrémité un rebord 14 de plus grand diamètre et une tige allongée 16 de plus petit diamètre dépas sant de son autre extrémité. L'article 10 est un élé ment servant à la fabrication d'électro-aimants et représente un bon exemple d'une pièce qui devait antérieurement être fabriquée sur des machines pour boulonnerie.
Selon le procédé mis en aeuvre, on sectionne une ébauche cylindrique 17, telle que représentée sur la fig. 2, d'une longueur déterminée à partir d'une barre de matériau (non représentée) ayant le diamètre désiré. De préférence, le volume de l'ébauche ainsi sectionnée est sensiblement égal au volume de l'article que l'on désire former, bien que dans certains cas il puisse être nécessaire ou souhaitable que l'ébauche ait un volume plus impor tant que l'article terminé, mais un des avantages principaux du procédé réside justement en ce que, dans la plupart des cas, un tel supplément de maté riau n'est pas exigé.
Après avoir coupé l'ébauche 17, on la place dans une matrice à extrusion 18, repré sentée sur la fig. 5, et on extrude la tige 16 de l'article, en laissant une tête 19 pratiquement non façonnée (comme on le voit sur la fig. 3).
Sur les fig. 5 à 7 et 12 à 14, on ne voit que les filières des matrices, mais, dans la pratique, ces filières sont disposées dans des coquilles de matri ces. Pour une raison de commodité, on va cependant appeler ces filières matrices .
Sur la fig. 5, la matrice d'extrusion 18 comprend un bloc présentant une cavité ayant une paroi cylin drique 20 et dont le diamètre Dl est suffisant pour recevoir l'ébauche 17, la longueur de la portion cylindrique 20 étant cependant légèrement plus grande que celle de l'ébauche 17.
L'extrémité inté rieure de la cavité comporte une surface 21 de forme concave et convergeant vers l'orifice d'extrusion 22 dont le diamètre Dz est sensiblement égal à celui de la tige<B>16.</B> La section cylindrique définissant l'ori fice 22 est de préférence relativement courte et débouche dans une cavité de réception 24 ayant un diamètre légèrement plus grand que l'orifice et dans laquelle la tige extrudée 16 peut s'avancer libre ment au cours de l'extrusion.
Le rayon exact de la courbure de l'épaulement 21 est indiqué par R qui peut varier dans une assez grande mesure. En général, on préfère que ce rayon soit relativement important lorsqu'on extrude des métaux alliés durs, ou lorsque la forme du produit final n'exige pas une transition très prononcée entre la tête et la tige. L'expérience a démontré que le rayon de courbure R ne doit pas être supérieur à la différence entre le diamètre Dl de la grande sec tion cylindrique 20 et le diamètre D= de la sec tion 22 définissant l'orifice. Dans certaines circons tances, notamment lorsqu'on façonne des métaux plus doux ou pour d'autres raisons, il peut être avan tageux que le rayon de courbure de la portion de paroi 21 soit aussi petit que possible.
La demande resse a constaté que ce rayon de courbure ne doit pas descendre au-dessous de la moitié de la diffé rence des diamètres Dl et D2, autrement dit ce rayon de courbure ne doit pas être inférieur à courbe 21 se raccorde tangentiellement avec la
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Il est essentiel en outre que la surface paroi cylindrique 20.
Pour refouler une portion de l'ébauche 17 à tra vers l'orifice 22 et extruder ainsi la tige 16, on appli que à l'ébauche une pression longitudinale à l'aide d'un poinçon 28. La surface courbe 21 de la matrice d'extrusion 18 exerce sur l'ébauche une action de retenue telle que, pendant que l'ébauche est refoulée à travers la matrice, sa surface soit refoulée en premier lieu vers l'intérieur, c'est-à-dire vers l'axe de la pièce, suivant une courbe convexe régulière, et ensuite de tourner de façon abrupte pour s'écou ler parallèlement à cet axe. La paroi latérale de l'ébauche à l'intérieur de la portion de la matrice délimitée par la paroi cylindrique 20 est évidemment empêchée par la matrice de subir une déformation notable au cours de l'extrusion.
L'extrusion est ter minée lorsqu'une quantité suffisante de métal a été refoulée à travers l'orifice 22 pour former la tige de l'article désiré et lorsque la tête non façonnée 19 a un volume sensiblement égal à celui que devra avoir la tête 12 de l'article fini. On enlève ensuite l'article partiellement formé 30 de la matrice d'extru sion l'8 en retirant d'abord le poinçon 28 et en poussant ensuite l'article 30 vers l'extérieur hors de la matrice à l'aide d'une tige de démoulage 29, après quoi on transfère l'article au poste suivant pour le second stade de façonnage.
Dans cette première mise en oeuvre, on transfère l'article partiellement conformé 30 de la matrice d'extrusion 18 à une matrice de conformation 34, représentée sur la fig. 6, dont la cavité a une confi guration se conformant à celle de l'article fini 12. La cavité de la matrice 34 est constituée par une portion 36 recevant la tige et une portion 38 recevant la tête. La partie de la cavité 38 présente dans ce cas un fond plan et la face de la matrice comporte un bord évidé 40 entourant la cavité 38 et dont la forme épouse celle du rebord 14 que doit avoir l'article terminé 10. La portion de la cavité 38 a la même longueur que la tête 12 de l'article, et lors qu'on a introduit l'ouvrage 30 dans la matrice 34, une portion de la tête 19 dépasse hors de la matrice.
Après avoir introduit l'ouvrage 30 dans la matrice de conformation 34, on frappe un coup sur l'extrémité de la tête 19 pour la forcer vers l'inté rieur de la matrice et obliger ainsi l'ouvrage à com bler l'angle annulaire 41 de la cavité de la matrice pour former l'épaulement plan que devra présenter l'article terminé 10. Ce coup peut être appliqué à l'aide d'un poinçon 42 ayant une face plane 44 pré sentant un évidement cylindrique peu profond 46 d'un diamètre suffisant pour recevoir et restreindre l'extrémité extérieure de la tête 19 de l'ouvrage pendant l'application de ce premier coup. Ce pre mier coup provoque un léger épanouissement de l'extrémité extérieure de l'ouvrage, comme on le voit en 48 sur la fig. 4, à l'intérieur de la cavité 40.
Comme on le voit sur la fig. 7, on donne ensuite à l'ouvrage un autre coup avec un second poinçon 56 ayant une face plate 58 pour compléter le refoule ment de l'extrémité extérieure de l'ouvrage dans la portion 40 de la cavité de la matrice, en parache vant ainsi la formation du rebord 14 de l'article 10. On retire ensuite le poinçon 56 et on sort l'article terminé 10 de la matrice 34 à l'aide d'une tige de démoulage 60.
On a déjà essayé de produire des articles ayant une grande tête et une plus petite tige, en extrudant la tige à partir d'une ébauche, mais les procédés d'extrusion antérieurement connus ne pouvaient pas recevoir d'utilisation à l'échelle industrielle pour des articles ayant les dimensions comparables à celles dont il est question ici. Jusqu'à présent, comme indi qué précédemment, on procédait à l'extrusion dans des matrices dont la cavité recevant l'ébauche pré sentait une surface conique convergeant vers l'ori fice à travers lequel on extrudait la tige.
Si l'on compare ces procédés antérieurs aux extrusions réalisées dans une matrice à fond courbe, comme c'est le cas dans le procédé décrit, on peut dire que ces procédés antérieurs nécessitaient des pressions beaucoup plus importantes pour réaliser l'extrusion, ce qui entraînait l'utilisation d'un équipement plus onéreux et, bien entendu, une consommation d'éner gie plus importante.
La plus grande facilité d'extru sion par la mise en oeuvre de matrices à fond courbe ressort de façon frappante en comparant les résul tats des divers essais, notamment du point de vue de la pression nécessaire pour réaliser une réduc tion donnée dans une telle matrice par rapport à la pression nécessaire pour obtenir la même réduction dans une matrice à fond conique présentant une convergence de 15 par rapport à l'axe de la matrice. La pression nécessaire dans une matrice à fond courbe pour réaliser cette réduction est de 7,2 tonnes, tandis que dans une matrice à fond conique cette pression doit être de 13,5 tonnes.
Outre la réduction notable de la pression rendue possible par la mise en pauvre du présent procédé, la vie utile de la matrice d'extrusion est considéra blement prolongée. Lorsqu'on utilise des matrices à fond conique, leur vie utile diminue progressive ment et assez rapidement lorsqu'on effectue des réductions supérieures à 40 ou 50 %. On pense que ceci est dû à l'usure ou à l'érosion de l'épaulement conique sur la superficie venant initialement en contact avec l'ébauche,
se traduisant par une aug mentation graduelle de la résistance de frottement s'opposant au déplacement du métal et, finalement, par une rupture prématurée de la matrice. Au con traire, les matrices selon le présent procédé, utilisées pour effectuer des réductions de 70 et même de 80 0/0, ont une vie utile relativement longue.
Dans la deuxième mise en oeuvre, illustrée par les fig. 8 à 14, on obtient un article 68 destiné à donner après filetage un boulon à six pans à tête et du type à rondelle d'espacement. Comme on le voit sur la fig. 11, un tel article, après avoir été soumis aux opérations d'extrusion et de formage de tête, comprend une tige allongée 70 et une tête hexa gonale 72 présentant une base élargie formant une rondelle d'espacement 74, venue de matière avec la tête proprement dite. Tout d'abord, on sectionne une ébauche cylindrique 76 (fig. 8) de longueur détermi née à partir d'un matériau ayant sensiblement le même diamètre que la distance entre les sommets de la tête 72.
Le volume de l'ébauche 76 est de pré férence sensiblement égal au volume de l'article 68 que l'on veut former. On place d'abord l'ébauche 76 dans une matrice d'extrusion 78, telle qu'on le voit sur la fig. 12, ayant une cavité constituée par une portion à paroi droite 80 d'un diamètre Ds tout juste suffisant pour admettre l'ébauche 76 et d'une lon gueur légèrement plus grande que celle de cette ébauche. L'extrémité intérieure de la cavité de la matrice se présente sous la forme d'une surface incurvée concave 82 se terminant en un orifice d'extrusion circulaire 84 d'un diamètre D4 sensible ment égal au diamètre de la tige 70.
La matrice d'extrusion est similaire à celle de la fig. 5 et ne sera pas décrite une nouvelle fois.
Comme il a été précédemment expliqué, on appli que à l'ébauche 76 une pression longitudinale à l'aide d'un poinçon 92 que l'on fait progresser jus qu'à une position limite déterminée à l'intérieur de la cavité de la matrice de façon à extruder une portion déterminée de l'ouvrage, en constituant ainsi l'article partiellement formé 94 que l'on voit sur la fig. 9, ayant une tige de forme allongée 70 présentant sensiblement les dimensions de la tige 70 de l'ébau che du boulon et une tête 96 pratiquement non façonnée, dont le volume est sensiblement égal à celui de l'ensemble de la tête 72 et de la rondelle d'espacement 74 de l'article fini.
Après l'extrusion de la tige 70, on extrait la pièce partiellement terminée 94 de la matrice 78 en utilisant une tige de démoulage 98, et on place la tige 70 dans une matrice de retenue 100 (fig. 13) ayant une ouverture 102 d'un diamètre suffisant pour recevoir de façon serrée la tige 70.
La tête 96 est ensuite mise en prise avec une matrice d'extrusion 104 dont la cavité comporte une portion d'entrée cylin drique 106 d'un diamètre légèrement plus grand que celui de la tête 96 et à l'arrière de laquelle sont formées des surfaces convergentes 107 se raccordant à un orifice hexagonal 108 défini par six méplats 110, la section transversale de l'orifice étant sensible ment identique à celle de la tête six-pans 72.
La longueur de l'orifice<B>108</B> est relativement courte, la cavité s'élargissant (comme on le voit en 114) vers l'intérieur de l'orifice pour empêcher le grippage de la tête lors de l'extrusion à travers cet orifice. La matrice d'extrusion 104 est forcée sur la tête 96 et cette dernière est graduellement extrudée à travers l'orifice 108 pour donner à la tête la forme qu'on lui voit en 116 sur la fig. 10.
Après cela, on façonne la tête 116 pour lui donner sa forme définitive 72 en la frappant avec un poinçon de refoulement 120, comme on le voit sur la fig. 14, ce poinçon ayant une cavité 122 de forme complémentaire à celle de la conformation désirée de la tête terminée. L'extrémité intérieu re 124 de la cavité 122 vient en prise avec l'extré mité de la tête 116 pour refouler le métal de cette tête 116 vers la matrice 100 en obligeant la portion se trouvant en regard de l'évidement 126 destiné à former la rondelle à s'évaser ou à être refoulée de façon à combler cet évidement.
Une fois que la tête 72 et la rondelle 74 sont entièrement formées, on retire le poinçon 120 et on dégage l'ébauche de la matrice 100 à l'aide de la tige de démoulage 98 ou par tout autre moyen. On peut ensuite usiner cet article de la façon désirée.
Les avantages qui ont été énumérés à propos de la fabrication de l'article 10 s'appliquent également à celle de l'article 68. Autrement dit, cet article est susceptible d'être fabriqué à moins de frais et à une vitesse de production plus importante par le présent procédé que par les procédés antérieure ment connus. Un autre avantage notable découlant de la mise en aeuvre de l'invention pour la fabrica- tion de l'article 68 réside en ce que le taux impor tant de réduction de la pièce 76 pour former la tige 70 a pour effet d'augmenter considérablement la résistance à la traction de cette tige.
Il y a lieu de faire remarquer que les articles 68 et d'autres articles fabriqués par le présent procédé présentent une structure de grain presque toujours meilleure que celle obtenue par la fabrication effec tuée par d'autres procédés.