FR2694220A1 - Méthode pour l'obtention de profils destinés à la fabrication de forêts hélicoïdaux. - Google Patents

Abstract

Procédé de forgeage à chaud de barres longues en acier sur machine du type à défilement, entre quatre marteaux par exemple, pour obtenir des sections à la demande ayant des affinités avec la section finale souhaitée pour un foret hélicoïdal après torsadage. La modélisation de la déformation de la section en cours de torsadage est possible grâce à la maîtrise du procédé de torsadage et à un processus de simulation de la déformation à chaud. Le procédé s'applique à la fabrication de forets hélicoïdaux de qualité et de formes géométriques adaptées avec un minimum d'usinage ultérieur.

Description

les forets hélicoïdaux ont tendance d'une façon générale à comporter des gorges, pour dégagement de copeaux, ayant des sections importantes; cela tient au f it queles forets sont souvent employés pour percer des trous relativement longs et que, dans ce cas, l'arrivée duliquide de coupe ainsi que ltex- pulsion des copeaux ont plus de chance entre satisfaisantes avec des gorges larges.

I1 est fréquent que les forets aient des sections droites où le métal occupe moins de 4OYo de la surface du cercle circonscrit.

Cela implique qu'au cours de la fabrication du foret à partir d'un barreau plein (comme c'est encore le plus souvent le cas) il y a plus de 60% de matière à éliminer sous forme de copeaux; cela 'est guère économique car outre le coat de l'usinage, le prix de revente au poids des copeaux atteint seulement I5 du prix du métal approvisionné.

I1 est à signaler aussi que pour réaliser, par fraisage, les gorges sur les forets de grande longueur, il est nécessaire d'utiliser des machines ayant des tables très longues dont il faut s'équiper spécialement.

L'objet de l'invention est la réalisation par forgeage sur machine à marteler d'ébauches ayant sur de grandes longueurs la forme exacte (ou très approchée) du foret hélicoïdal dans sa partie active comportant les gorges.

La réalisation d'ébauches permettant d'obtenir des forets particulièrement économiques est aussi un aspect important de la présente invention.

La présente invention prend en compte un avantage déterminant mais connu du point de vue économie d'exploitation, lié au fait de tailler les deux extrémités du foret en pointes opération nielles dans le cas où la symétrie du profil le permet : on utilise un dispositif de serrage à pince trois mors à double ergot, pour prendre le foret à un bout ou l'autre. Le brevet allemand I8 27I de Chr. lENZ à Remsahaid, qui remonte à I88I, décrit un moyen d'obtenir un foret à deux bouts, sans partie cylindrique, étiré à partir d'un profil laminé, puis torsadé.

L'utilisation d'une machine à marteler est en soi connue, mais d'applique à la faBrication en grande série de forets indépendants: le brevet allemand I 527 47I de Max Langensiepen (I965) et le brevet Français I 36I 653 de Johan Erik Bergström (Suède) décrivent la fabrication directe de forets hélicoïdaux par martelage progressif des gorges. La formation du listel dans ltoutillage est suivie d'un conformage à l'équerre par les outils femelle, ce qui évite la décohésion du listel et les coincements.

Dans le premier brevet le torsadage est simultané et le foret terminé au niveau de la queue est éjecté. Cependant ces procédés ne font pas état d'une filiation entre la section initiale et la section finale et concernentl.'afsbrication de forets standards à l'unité et en grande série.

Le procédé objet de l'invention au nom du demandeur prévoit 11 utilisation d'une marteleuse à défilement pour obtenir des ébauches très longues de section bien définie, destinées à un torsadage précis ultérieur ( + -5 d'hélice sur 4 mètres ).

De cette façon on obtient plusieurs forets qui sont utilisables aux deux extrêmités, et en outre on reste maître de la section initiale nécessaire à l'obtention d'un profil torsadé bien défini compte tenu également de la maitrise du processus de tors adage.

En ce qui concerne la filiation entre les sections initiale et finale, le brevet américain 3 133 339 (I96I) traite de T'obtention de forets présentant des variations de rayon des arêtes de coupe, variations décalées pour améliorer les conditions de coupe,
Mais la relation entre l'ébauche et le foret torsadé n'est pas évoquée,d'ailleurs les ondulations peuvent être obtenues par rectification car elles sont de 5/I00-à 2/I0 de mm au rayon pour un foret de I".

Le brevet Allemand 456 723 (I928), de source Américaine leidecker
Tool .Cy, g trait au formage de 4 gorges d'un foret individuel en matrice, suivi d'un torsadage des dites gorges en matrices hélicoïdales, avec retournement du foret à 900 dans la matrice, jusqu'à ce que le noyau du foret se réduise pour compenser l'allongement Je la zone du listel sans risque de rupture ou de décohésion. C'est le seul procédé connu qui fasse mention de la modification de section qui résulte du torsadage, mais aucune relation entre les deux sections-initiale et finale n' est évoquée, hormis la réduction du noyau, transformation qui reste du domaine de l'art de la forge.

le brevet américain 2 533 227 (I948) de Délaney, décrit une méthode de laminage de barre moyennement longue qui permet d'ébaucher les gorges avec les listels sans perte de métal. Des cylindres de laminag donnés peuvent servir à plusieurs diamètres de forets en décalant leurs axes et leurs plans de rotation.

les profils engendrés sont standardslet aucune relation ntest évidemment donnée entre les sections laminées et les sections torsadées, d'ailleurs cela serait difficile car le torsadage est fait en une chaude sur toute la longueur de la barre,ce qui peut conduire à de légères variations de section. La barre est terminée après traitement thermique par un calibrage à plat entre deux disques, ce qui donne à l'arête de coupe une "dent" en crochet qui disparate par rectification, ce point est intéressant car il s'agit de a zone décarburée critique.

Plus significative qualitativement en termes de relation entre la section initiale et la section finale recherchée est la description donnée par le brevet américain 437 I87 (18Y0) de Fenner et Taft. Ce brevet revendique le premier, semble-t-il, le formage de deux gorges concaves délimitant des c8tés plats parallèles, chacun ayant un bord plus bas que l'autre, pour permettre, après torsadage le dégagement derrière l'arête de coupe. Bien que non revendiquée ni explicitée, l'obtention du double listel résulte de ces bords plats. De même les gorges concaves sont laminées ou forgées (procédé non revendiqué) dans la zone centrale d'une barre pour faire deux forets bout à bout, et la corde de ces 2 sections concaves est plus grande que le diamètre initial de la barre(queue du foret) et que le diamètre final du foret (réduction de la corde lors du torsadage). Bien que non revendiquées, ces filiations de forme sont donc typiques de ltopération de torsadage.

L'objet de la présente invention est de rendre plus systématique la définition des profils à forger au stade de la barre longue compte-tenu des limites du forgeage on n'arrive pas à préparer n'importe quelle section initiale pour toutes les sections finales, mais.l1optimisation du procédé passe par une connaissance meilleure de la déformation, étant donné que par ailleurs le tors adage a atteint un haut degré de précision (+ 50 sur 4m) et de performance (contrôle possible de la longueur de la barre en cours de torsadage).

le brevet 7 028 860 au nom de la demanderesse, décrit une machine et des moyens de tors adage par lesquels un générateur de chauffage local (inducteur) se déplace le long d'une barre longne pendant que la rotation d'une extrêmité de la barre impose la formation d'une hélice dans la zoge plastifiée par la température.

Appliqué à la production de 2 forets à béton bout-à-bouts, ce mode de chauffage est repris dans une machine différente par la demande de certificat d'addition français no 77I2 500, au nom de CETIM se référant au brevet-n 7 435 795. L'ébauche est donc une barre de longueur moyenne dont la zone centrale est laminée à la forme de la section désirée. Le torsadage se fait selon le même procédé, avec possibilité de tractionner la barre pour quelle reste bien droite. Aucune relation entre les sections initiale et finale n'est donnée. Il faut retenir seulement que le fait de bloquer le raccourcissement de barre devient dans le procédé objet de la présente invention au nom de la demanderesse, l'un des paramètres de la transformation par torsadage.Déjà par le passé, il avait été nécessaire de bloquer le raccourcissement des barres de petit diamètre pour éviter leur gonflement. D'une manière générale, selon la présente invention, le contrôle du mouvement axial de la poupée fixe fait partie des moyens de contrôle de la section finale.

Le problème résolu par la présente invention est celui du passage de la géométrie brute de forge à la géométrie torsadée brute, par une théorie et des machines adaptées.

La description mathématique du ph-onomène consistant à suivre l'évolution de volumes élémentaires de matière n'est pas en soi réaliste, étant donné que les lois de comportement vralCend-Eà t OC) des aciers à chaud (et en particulier des aciers rapides) ne sont pas connues avec assez de précision.On ne peut donc pas raisonnablement calculer par la méthode des éléments finis, en plasticité, ou en visco-plasticité, en grandes déformations et en grands déplacements, les formes finales recherchées ou inversement0
Par contre l'étude de l'évolution d'éléments de courbes (hyperboles) est directement accessible à la mesure.

Il a donc paru à la demanderesse suffisant d'établir un programme de transformation d'une courbe en une autre, point par point, pour définir les approximations nécessaires.

A titre d'illustration non limitative, le procédé objet de l'invention sera mieux-compris à l'aide des figures annexées qui montrent - Fig. I : définition des outils et du profil inscrit - Fig. 2 : dé Jormations subies par une section d'épaisseur elémentaire - Fig. 3 : diagramme de transformation des becs - Fig. 4 : vue schématique en coupe du coeur de la machine à forger par martèlement les barres longues destinées à servir d'ébauche à de multiples forets.La section 6 en traits gras est en cours de transformation et la section 5 en traits mixtes est celle du profil à obenir - Fig. 5 : section de la barre venant du stock - Fig. 6 : profilé intermédiaire simple obtenu sur machine à forger du type à défilement entre plusieurs marteaux à partir du rond. le profilé obtenu a ici la forme d'un rectangle à 2 côtés curvilignes déterminé en fonction du produit fini recherché - Fig. 7 : représente la section du profil telle qu'elle est obtenue en définitive après forgeage - Fig. 8 : est une vue en coupe du foret après opération de tors adage les formes finales recherchées, dans l'état actuel de ltart sont représentées fig. 9, à titre indicatif et on limitatif, pour des extrémités affutées, étant entendu que l'on procède à une rectification finale superficielle seulement, et que chaque forme de base est de symétrie axiale; (l'arête de coupe est figurée en 8, le listel en 9 et la dépouille en IO ) - Fig. 9 a : modification de la forme de la section et de l'arête de coupe 8 = rectiligne pour un foret à trou d'huile, - Fig. 9 b : dito pour arête de coupe 8 concave avec double listel, - Fig. 9 c : dito pour arête de coupe 8 convexe, - Fig. 9 d : modification de la dépouille et de l'arête de coupe en fonction des conditions de coupe, des résistances au couple de torsion, et pour un volume de gorges suffisant pour le dégagement de copeaux, ou encore comme brise-copeaux ( foret à trous d'huile )
Les formes initiales ui sont à l'origine étant connues à chaque fois grâce aux moyens d'évaluation utilisés selon ltinvention, et grâce également à la maîtrise du processus de torsadage il est caractéristique de pouvoir forger des ébauches à la demande par le procédé décrit, les formes initiales des ébauches devant engendrer au tors adage les formes finales évoquées plus haut.

les formes initiales nécessarres, dans ltétat actuel de l'art sont représentées fig. IO à titre indicatif et non limitatif, étant entendu quelles sont de symétrie axiale.

- Fig. IO a : forme initiale de la section et de l'arête ( foret à trou d'huile ), pour obtenir une cette droite 8 de coupe - Fig. IO b : dito pour arête finale concave, foret à double listel, - Fig. IO c : dito pour arête finale convexe, - Fig. IO d : dito pour un brise-copeaux et double listel ( foret à trou d'huile ).

Les flèches symbolisent 11 action de torsadage.

En général, lt3me s'amincit. Lors du torsadage on peut non seulement contr8ler le raccourcissement de la barre en fixant le mandrin qui est également fixe en rotation, mais aussi en programmant éventuellement son avance ou son recul par une motorisation. De cette façon les lois d'écoulement du métal changent et la correspondance entre les fig. IO et les Wi r. 9 change. En général on se contentera d'un mandrin fixe en rotation et en déplacement sur le banc, comme dans le Ier cas ci-dessus.

Plus précisément, dans le procédé objet de l'invention,la modélisation du tors adage conduit à la définition du profil à plat
La figure I donne la définition de base des outils et du profil inscrit dans les outils.

Les marteaux de profil sont en V convexe et le sommet du V est aplati de façon à former un plat de largeur voulue. Dans la réalité il y a des congés de raccordement de rayon relativement non critique pour l'application du modèle qui va suivre.

les marteaux de chant sont en creux avec comme profil un cercle (Rc), centré ou excentré par rapport au profil. Il est possible d'utiliser des marteaux plats, c'est à dire un rayon infini comme cas limite du modèle.

PREMIERE,TIRANSFORMATION
La fig. 2 montre les déformations subies (et exagérées) par une section complèted'épaisseur élémentaire soumise au tors adage.

Le profil est décomposé en une âme de section quasi rectangulaire sur laquelle sont raccordés quatre "becs".

L'âme se torsade dans le modèle de façon infiniment parfaite, telle que une section droite reste une section droite.

Dans ces conditions la matière s1 allonge dans le sens axial d'autant plus que l'on s'éloigne du centre et que l'angle de tors adage est grand. Ceci conduit à un amaigrissement des becs décrit par l'affinité suivante (Fig. 3) pour un angle d'hélice au point OI de référence α

âme (intérieur à l'ame)

Cette première transformation traduit l'allongement des fibres extérieures du profil, sur une section non plane en tous points normale à la surface extérieure . les becs maigris- sent car ils ne sont pas soutenus,
DEUXIEME TRANSFORMATION
Cette deuxième transformation traduit l'inclinaison des becs.

On transforme la section hélicoïdale en section plane.

Une section droite dans le profil obtenu après tors adage
on comporte, suivant le point M où/se situe, soit des points venant de la section droite initiale (cas de l'âme), soit des points ( dans les becs ) venant de sections droites originalement situées en amont ou en aval de celle étudiée et qui ont tourné par le torsadage, relativement à la section étudiée, d'un angle d'autant plus important que l'on s'éloigne des limites du rectangle qui constitue l'âme.

Soit T l'angle dont la section a tourné du fait du torsadage, entre un point de la section droite et son transforme sur la section issue de la première transformation. En appelant l le déplacement dû a la transformation, on a ss = 1 x 2# , or ( Schéma ),
pas 1 # ( y - AME ) sin α donc ss = (y - AME ) sinαx 2# , comme
pas tgα = 2# R on a 2# = tgα ,
pas pas R ce qui donne pourss

sinα tgα x
ss = (y - AME ) # #
R Xo
Sn conclusion, en coordonnées polaires, la transformation de M vers M (fig 3) peut se représenter par

/3 étant une fonction du tors adage.

TROISIEME TRANSFORMATION l'application du modèle précédent conduit à un "engraissement" sensible de la section droite. La limitation du raccourssis- semant de la barre pendant l'opération de torsadage permet de contrôler le coefficient qui relie la section initiale à la section finale du point de vue de leurs aires.

En particulier le cas limita où on bloque la longueur de la barre, doit à l'évidence conduira à une section identique en aire. On peut donc ajuster la valeur du coefficient selon le mode de contrôla de la longueur utilisé au torsadage,

C'est une homothétie de rapport#
Bien que les hypothèses simplificatrices peuvent sembler excessives elles permettent dans le domaine étudié de décomposer une transformation très complexe en plusieurs tranformations simples, biunivoques qui permettent de calculer à rebours après un essai initial les modifications à apporter aux outillages.

La méthode proposée est itérative jusqu'à obtention du profil final théorique voulu avec la précision voulue, pis réalisation des marteaux de forge, réalisation d'un profil témoin et détermination des retouches mineures à apporter aux usinages.

La présente invention vise par conséquent l'obtention d'ébauches de longueurs intéressantes (comprises entre v et 6 mètres) de profils optimisés avant tors adage sur machine à forger du type à défilement entre quatre marteaux à cadence de frappe élevée (1000 coups par sont minute).

Ces ébauches/caractérisées, au moment de la commande, par l'ensemble des données suivantes - matière et état métallurgique, - diamètre extérieur et pas d'hélice des forets finis; - définition géométrique de section droite finale du foret; - dessin de la section droite initiale de l'ébauche; - choix des marteaux pour forgeage de l'ébaucne.

La fabrication du foret à partir de l'ébauche torsadée comporte au plus - rectification centerless du profil torsadé avec meules suffisàmment larges; cela procure directement les finitions de surfaces actives des listels (témoins de guidage du foret le long des génératrices du trou).

- Meulage des parties dêtalonnées derrière listels.

Cette opération ne sera nécessaire que dans le cas où la géométrie demandée comporte des listels classiques.

- itectification de la pointe du foret après avoir tronçonné à la meule les longueurs qui conviennent.

- aéalisation du dispositif de "prise du foret".

Une solution consisterait à souder par friction le profil torsadé (meulé en section droite) sur un barreau plein en acier; il faudrait ensuite, en partant du cylindre circonscrit au profil, reprendre par rectiiicazion, l'extérieur de queue rapportée d'une part, et éventuellement le débouché des fonds de gorges du profil sur cette dernière, d'autre part.

Trois autres solutions s1 intégrant mieux dans le cadre d'une recherche de prix de revient minimum.

- La première consiste à rectifier en c8ne le profil torsadé et à emmancher dessus une fourrure ( l'angle de conicité est choisi pour être irréversible) dont les génératrices extérieures forment cône Morse mâle; l'ensemble qui se monte donc sur perceuse comme un foret à c8ne Morse ordinaire, peut-être complété par un remplissage en plastique entre fourrure et profil (amélioration d'aspect et suppression de piège à copeaux).

- La deuxième consiste à laisser le profil (rectifié cylindrique) tel quel et à l'enserrer dans un mandrin à pince équipé de deux ergots à I800 en saillie sur alésage intérieur, qui viennent assurer le couple d'entraînement.

- La troisième consiste à utiliser pour des diamètres de forets compris entre telle et telle valeur, une douille rectifiée : cône à l'extérieur, pour correspondre à un cône Morse standard déterminé, cylindrique à l'intérieur à un diamètre standard convenablement choisi auquel correspond celui d'une partie dégagée par rectification en extrémité de foret; la jupe de la douille est rendue élastique par deux fentes arrêtées par des trous afin queue partie de l'enserrement "cône-cône" extérieur se reporte en enserrement "intérieur de douille-foret". le profil étant ainsi centré, l'entraînement sous couple est assuré par système "tenon" : des plats rectifiés en bout du foret constituent le tenon male taudis que la douille est agencée à cet égard comme une fourrure entre cônes Morse, c'est-à-dire, notamment, avec un logement de tenon interne. La poussée axiale, elle, est réalisée en pied de tenon.

Le procédé décrit par la présente invention permet l'obtention de profils répondant aux critères de qualité précités et de plus suffisamment rectilignes pour pouvoir être pris sur machine à torsader.

Malgrè les précautions prises sur machine à forger tant en ce qui concerne les homogénéités de température qu'en ce qui a trait à la précision d'exécution des outils le frappe, les profils peuvent après refroidissement présenter à la fois du cintrage et du vrillage.

Un redress@ge suffisant à chaud par effet Joule est obtenu d'une façon économique par traction (au-delà de la limite élastique).

Lorsque la barre est ainsi mise en traction sur machine appropriée, il suffit d'un couple faible pour ramener le vrillage à une valeur acceptable, tandis que le cintrage disparait sans qu'il y ait à intervenir. Le procédé décrit par ailleurs par une demande de brevet au nom du demandeur permet le ca échéant d'introduire la correction de vrillage dans le torsadage.

la possibilité d'obtenir par modélisation la définition correcte de la section du profil forge qui procure après torsadage une forme détermine de section droite au foret est un aspect carac- téristique de la présente invention. Plus précisément des procédés ont été déterminés après avoir vérifié que certaines hypothè- ses sur les évolutions de forme de section en fonction de l'angle d'hélice de torsadage, cadraient d'une façon suffisamment précise avec la réalité. On a tu déterminer ainsi que certaines formas finales étaient en affinité avec certaines formes de départ.Ainsi par le procédé conforme à l'invention, on procède successivement à un forgeage sur marteleuse qui donne une ébauche intermédiaire, suivi d'un corroyage par torsadoee pour aboutir à un produit final déterminé à l'avance, caractérisé par le fait que le torsadage est parfaitement maîtrisé et qu'il peut prendre an compte non seulement le défaut de vrillage initial éventuel de la barre forgée, mais aussi le contrôla de l'allongement de la barre en cours de torsadage, dans l'évolution des sections qui résulte de l'éco@lement plastique du métal dans la zone de l'inducteur, même en présence de trous longitudinaux dans la barre.

I1 va de soi oua le procédé de fabrication économique de forets hélicoïdaux décrit par la présente invention n'est pas limitatif et que toute modification conforme aux règles de l'art ne sort pas du cadre de la présente invention.

Claims (6)

1. REVENDICATIONS
2. 2.Procédé de fabiication débauches de forets hélicoïdaux par forgeage associe à un mode de torsadage selon revendication I, caractérisé par l'adoption d'un dispositif ne contrôle de la longueur de la barre an cours de torsadage, pour corriger finement le mode de déformation ae la section droite et en particulier pour limiter le raccourcissement de barre, reIermer les becs de la section, accentuer la courbure des gorges et réduire la section de l'âme, grâce à une poupée fixe en rotation sur le banc de torsadage, mais pouvant se déplacer sur ce même banc grâce à une motorisation.

   I. Procédé de fabrication d'ébauches de forets hélicoîdaux à des cotes proches de la i orme finale rectifiée, caractérisé par la combinaison d'un forgeage entre + marteaux de forme appropriée dans une machine du type a défilement et a cadence de frappa élevée, et d'un torsadage sous contrôle de la longueur de la zone chaude plastifiée en cours de toisadage, les deux modes de corroyage étant associés pour maîtriser progressivement l'évolution de la section droite de la barre
3. 3. Procédé de fabrication d'ébauches de forets hélicoïdaux par forgeage associé à un mode de tors adage selon revendications

   I et 2, caractérisé par la possibilité de mettre en place des marteaux amovibles de forme choisie telle que l'ébauche forgée ait des parois aplaties concaves ai l'on désire mieux maîtriser lors du torsadage l'apparition de gorges profondes permettant des arêtes de coupe concaves, ou l'apparition de doubles listels sur les parois latérales de guidage.
4. 4. Procédé de fabrication d'ébauches selon revendication 3, caractérisé par la possibilité de remplacer les marteaux amovibles pour que 11 ébauche forgée ait les parois aplaties convexes si l'on désire mieux maîtriser lors du torsadage l'apparition de gorges peu profondes permettant des arêtes de coupe convexes, ou présentant une arête brise-copeaux en leur milieu.
5. 5. Procéda de forgeage et de torsadage selon revendications I à 4, caractérisé par la remise à température uniforme de la barre forgée par effet Joule sur le banc avant son tors adage.
6. 6. Procédé de forgeage et de tors adage selon rev-ndications I à 5, caractérisé par la mise en traction de la barre avant son torsadage, au-delà de la limite élastique à chaud, afin de la redresser, grâce au recul de la poupée fixe motorisée du banc.