FR3106288A1

FR3106288A1 - Dispositif de nettoyage de l’évent d’une matrice de forgeage et procédé de mise en œuvre de ce dispositif

Info

Publication number: FR3106288A1
Application number: FR2000590A
Authority: FR
Inventors: Laurent Ferrer
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2020-01-22
Filing date: 2020-01-22
Publication date: 2021-07-23
Anticipated expiration: 2040-01-22
Also published as: US20230083765A1; EP4093559A1; FR3106288B1; CN115023302A; WO2021148748A1

Abstract

Dispositif de nettoyage de l’évent d’une matrice de forgeage et procédé de mise en œuvre de ce dispositif Un aspect de l’invention concerne un dispositif de nettoyage (100) d’un évent (20) d’une première matrice de forgeage (11) adaptée pour recevoir, entre ladite première matrice et une seconde matrice, un lopin de métal à mettre en forme pour produire une pièce métallique, ledit dispositif de nettoyage comportant : une pompe (110) d’injection d’une solution aqueuse, adaptée pour injecter de la solution aqueuse dans l’évent (20), un générateur d’ultrasons (150), adapté pour générer des ondes ultrasonores dans l’évent (20), une prise d’air (140) adaptée pour assurer une mise à l’air libre de l’évent (20), et un système de vannes (130) pour commander alternativement au moins l’injection de solution aqueuse et d’ultrasons et la mise à l’air libre de l’évent (20). Un autre aspect de l’invention concerne un procédé de mise en œuvre de ce dispositif. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 4

Description

Dispositif de nettoyage de l’évent d’une matrice de forgeage et procédé de mise en œuvre de ce dispositif

La présente invention concerne un dispositif de nettoyage de l’évent d’une matrice de forgeage permettant de retirer les résidus à l’origine de bouchons dans l’évent. Elle concerne également un procédé de mise en œuvre de ce dispositif de nettoyage.

L’invention trouve des applications dans le domaine du forgeage de pièces métalliques et, notamment, dans les domaines du matriçage, de l’estampage ou du filage de pièces métalliques telles que des pièces de turbomachines aéronautiques.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION

La fabrication de pièces métalliques par forgeage consiste à mettre en forme un morceau de métal, appelé lopin ou ébauche, au moyen d’une paire de matrices refermées et pressées l’une contre l’autre au moyen d’un outil de compression tel qu’une presse ou un pilon. Chacune des matrices, généralement métalliques, comporte une face extérieure destinée à être en contact avec l’outil de compression et une face intérieure destinée à être en contact avec le lopin métallique. La face intérieure de chaque matrice de la paire de matrices comporte généralement l’empreinte de la forme choisie pour la pièce métallique, les faces intérieures des matrices d’une paire de matrices étant positionnées en regard l’une de l’autre, pendant la compression.

Lors de la fermeture d’une matrice sur l’autre, il arrive fréquemment que, du fait des géométries des faces internes des matrices, de l’air soit piégé entre le lopin métallique à mettre en forme et une des faces internes des matrices (ou même les deux faces). Or, l’air est en grande partie incompressible et, une fois les matrices refermées, l’espace inter-matrices est hermétique. Il se crée alors une ou plusieurs poches d’air entre le lopin métallique et la ou les matrice(s). La présence de ces poches d’air modifie radicalement les contraintes dans la matrice et l’écoulement du lopin métallique chauffé entre les matrices, au voisinage desdites poches, ce qui peut induire plusieurs problèmes. Les poches d’air peuvent, par exemple, générer des problèmes de remplissage, qui entraînent une géométrie inexacte des pièces métalliques et donc des rebus, des risques métallurgiques dû par exemple à un échauffement du lopin métallique, des risques d’endommagement prématuré des matrices ou des empreintes des matrices, etc. Tous ces problèmes ont, bien entendu, des conséquences sur le coût et le délai de fabrication.

Pour éviter la formation de ces poches d’air, il est connu d’usiner un ou plusieurs évent(s) dans au moins une des matrices de la paire de matrices. Un évent est un orifice traversant la paroi de la matrice de part en part pour permettre une évacuation de l’air emprisonné entre les deux matrices. Un exemple d’une paire de matrices avec évent est représenté sur la figure 1. Dans cet exemple, la paire de matrices 10 comporte:

une première matrice 11, ou matrice supérieure, dont la face intérieure 11a est pourvue d’une première empreinte 13, et
une seconde matrice 12, ou matrice inférieure, dont la face intérieure 12a est pourvue d’une seconde empreinte 14.

Dans cet exemple, l’une des matrices, par exemple la matrice supérieure 11, comporte un évent 20 qui s’étend sur toute l’épaisseur de ladite matrice de sorte à créer un canal d’échappement entre la face intérieure 11a et la face extérieure 11b de la matrice 11. Cet évent 20, réalisé généralement par perçage, comporte une entrée d’air 21 embouchant sur la face intérieure 11a de la matrice 11, de préférence à un endroit de piégeage de l’air sur l’empreinte (par exemple un endroit où l’empreinte forme un angle aigu). L’évent 20 comporte également une sortie d’air 22 débouchant sur la face extérieure 11b de ladite matrice 11, qui est une surface libre sans entrave à l’écoulement de l’air.

Pour mettre en forme le lopin métallique, les deux matrices 11 et 12 sont assemblées et pressées l’une contre l’autre, par exemple au moyen de leurs poignées latérales 30 ou d’une presse ou d’un pilon, etc. L’air emprisonné entre le lopin métallique et les matrices 11, 12 au moment de l’assemblage des matrices peut s’écouler par l’entrée d’air 21 de l’évent 20 jusqu’à la sortie d’air 22 de l’évent puis s’échapper hors de la matrice.

Cependant, dans l’industrie, pour des raisons de productivité, la fabrication de pièces par forgeage est effectuée en campagne, ou série, de plusieurs pièces (50, 100, 300, etc.) mises en forme les unes à la suite des autres avec une fréquence la plus élevée possible. Pendant ces campagnes de forge, l’évent a tendance à se boucher au fur et à mesure de la production des pièces par l’accumulation d’un mélange de résidus issus des opérations industrielles et perd peu à peu de son efficacité. Ce mélange de résidus peut être constitué, selon le type de forgeage, de résidus de lubrifications (par exemple provenant des dépôts de graphite ou de carbone), de résidus d’oxydes liés à l’oxydation des matériaux métalliques, de poussières d’atelier, de particules liées à l’usure métallique des matrices, de particules liées à l’usure métallique du lopin métallique à mettre en forme, de résidus d’enverrage (appelé aussi émail), etc. Il a été observé, par exemple, qu’un évent d’un diamètre compris entre 0.2mm et 4mm, dont la matrice est utilisée pour former par filage des pièces en alliage de Titane (par exemple du TA6V) et sur laquelle est déposée une couche de lubrifiant (par exemple une solution aqueuse au graphite) après chaque forgeage, se bouche dès la deuxième ou la troisième pièce forgée.

Le fait que l’évent se bouche peu à peu au cours de la campagne de production a un effet sur la reproductibilité des pièces métalliques dont la forme diffère au fur et à mesure de l’avancée de la campagne. En effet, au cours du forgeage, les différents résidus sont entraînés par l’écoulement de l’air dans l’évent où ils s’accumulent peu à peu. Cette accumulation modifie la perte de charge en pression de l’évent et réduit son efficacité. L’air s’évacuant difficilement, l’étalement du lopin métallique à mettre en forme est modifié et la forme de la pièce métallique obtenue en fin de forgeage est modifiée. La figure 2 représente schématiquement un exemple d’évent 20 dans lequel des résidus 41 se sont accumulés, jusqu’à former un bouchon rendant difficile, voire impossible, l’écoulement de l’air. Le défaut d’écoulement de l’air crée, en amont des résidus accumulés, une poche d’air 42 qui induit tous les risques et inconvénients déjà cités précédemment pour le cas de matrices sans évent.

Pour éviter que l’évent ne se bouche, il est connu d’augmenter le diamètre de l’évent notamment à son entrée sur la face intérieure de la matrice, un évent de grand diamètre variant généralement entre 2mm et 25mm. Toutefois, cette pratique ne fait que retarder le bouchage qui finira tout de même par se former. En outre, cette pratique a pour effet de créer une protubérance forgée sur la pièce métallique. La figure 3 représente schématiquement un exemple d’une pièce métallique 40 formée à partir d’un lopin métallique dans une matrice 11. Cet exemple montre une protubérance 43 formée sur la pièce métallique 40 à l’endroit de l’embouchure 21 de l’évent 20 par le lopin métallique coulé dans l’évent à la surface de l’empreinte. Une telle protubérance, non seulement entraîne une perte de métal, mais en plus provoque un blocage de la pièce dans l’empreinte, nécessite un cisaillement de la protubérance dans l’évent et fragilise la matrice.

Une autre pratique couramment employée pour éviter le bouchage de l’évent est d’arrêter le forgeage entre chaque fabrication de pièce pour éliminer le bouchon de résidus. Ce nettoyage de l’évent est réalisé de façon généralement manuelle avec un outil du type « goupillon ». Cependant, une telle intervention est longue et dangereuse du point de vue de la sécurité et de la santé de l’opérateur. En effet, pour que le lopin métallique puisse être mis en forme, le forgeage est généralement réalisé à très haute température (température du lopin supérieure ou égale à environ 900°C et température des matrices à environ 300°C). L’opérateur peut donc difficilement intervenir en toute sécurité pour déboucher l’évent, dans de telles conditions. En outre, compte tenu de son petit diamètre, l’évent est souvent difficile à repérer sur une matrice chaude, recouverte de lubrifiant, ce qui a pour effet que l’intervention est relativement longue. De plus, compte tenu des conditions thermiques, les vapeurs émanant des matériaux et outillages peuvent entraver la visibilité de l’opérateur, augmentant encore la durée de l’intervention. La productivité des pièces métalliques est donc fortement réduite par ces opérations de nettoyage.

Il existe donc un réel besoin d’un outillage de forge dans lequel les évents des matrices de forgeage peuvent être nettoyés sans arrêter la production des pièces métalliques et sans en diminuer la productivité.

Pour répondre aux problèmes évoqués ci-dessus de débouchage des évents de matrices de forgeage sans perte de productivité, le demandeur propose un outillage de forge qui comporte des matrices de forgeage et un dispositif de nettoyage des évents des matrices par injection d’une solution aqueuse et d’ultrasons dans chaque évent.

Selon un premier aspect, l’invention concerne un dispositif de nettoyage d’un évent d’une première matrice de forgeage adaptée pour recevoir, entre ladite première matrice et une seconde matrice, un lopin de métal à mettre en forme pour produire une pièce métallique, ledit dispositif de nettoyage comportant :

une pompe d’injection d’une solution aqueuse, adaptée pour injecter de la solution aqueuse dans l’évent,
un générateur d’ultrasons, adapté pour générer des ondes ultrasonores dans l’évent,
une prise d’air adaptée pour assurer une mise à l’air libre de l’évent, et
un système de vannes pour commander alternativement au moins l’injection de solution aqueuse et d’ultrasons et la mise à l’air libre de l’évent.

Ce dispositif de nettoyage permet de nettoyer régulièrement et facilement l’évent de la matrice afin d’en éliminer les résidus avant que ceux-ci ne créent, par accumulation, un bouchon.

Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le dispositif de nettoyage selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles:

l’évent s’étendant entre une entrée embouchant en intérieur de matrice et une sortie débouchant en extérieur de matrice, la pompe d’injection est installée à la sortie de l’évent pour projeter la solution aqueuse de la sortie vers l’entrée dudit évent.
le dispositif de nettoyage comporte un dispositif d’évacuation adapté pour évacuer, hors de l’évent, des résidus issus du forgeage de la pièce métallique, l’évacuation des résidus étant commandée, après l’injection de solution aqueuse et d’ultrasons, par le système de vannes.
le dispositif d’évacuation comporte un dispositif de soufflage d’air installé à la sortie de l’évent et assurant une injection d’air à l’intérieur de l’évent depuis la sortie dudit évent.
le dispositif d’évacuation comporte un dispositif d’aspiration installé à la sortie de l’évent et assurant une aspiration de la solution aqueuse avec les résidus.
le générateur d’ultrasons comporte une pluralité de transducteurs à ultrasons montés de façon axisymétrique autour de la sortie de l’évent.
le générateur d’ultrasons comporte un transducteur à ultrasons annulaire, monté, via une ouverture centrale, autour de la sortie de l’évent.
le système de vannes comporte une première vanne connectée au dispositif d’évacuation, une deuxième vanne connectée à la pompe d’injection et une troisième vanne connectée à la prise d’air.
la solution aqueuse injectée par la pompe d’injection comporte un inhibiteur de corrosion.
il comporte une sonde de pression adaptée pour détecter la pression de la solution aqueuse injectée, ladite sonde étant reliée à une unité de traitement automatique apte à commander automatiquement le système de vannes et le générateur d’ultrasons.

Un autre aspect de l’invention concerne un procédé de nettoyage d’un évent d’une matrice de forgeage mettant en œuvre le dispositif défini ci-dessus. Ce procédé comporte, à la fin d’une opération de forgeage d’une pièce métallique, les opérations suivantes :

ouverture de la pompe d’injection et mise en marche du générateur d’ultrasons afin d’insérer de la solution aqueuse et des ultrasons dans l’évent,
après décollement et détachement des résidus, fermeture de la pompe d’injection et du générateur d’ultrasons et ouverture de la prise d’air.

Ce procédé a l’avantage de pouvoir être mis en œuvre pendant une période inter-opérations de sorte qu’il ne génère aucune perte de temps et donc aucune baisse de la productivité.

Ce procédé de nettoyage peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles:

il comporte, après fermeture de la pompe d’injection et du générateur d’ultrasons, une opération d’ouverture du dispositif d’évacuation afin d’évacuer la solution aqueuse et les résidus, ledit dispositif d’évacuation étant refermé avant l’ouverture de la prise d’air.
l’ouverture/fermeture de la pompe d’injection, l’ouverture/fermeture du dispositif d’évacuation et l’ouverture/fermeture de la prise d’air sont commandées à partir d’un système de vannes dans lequel une première vanne commande le dispositif d’évacuation, une deuxième vanne commande la pompe d’injection et une troisième vanne commande la prise d’air.
il est mis en œuvre pendant une période inter-opératoire de mise en place des matériaux et outillages nécessaires au forgeage de la nouvelle pièce métallique.
il est mis en œuvre à la fin de chaque opération de forge d’une série prédéfinie de pièces métalliques.

D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures dans lesquelles:

La figure 1, déjà décrite, représente une vue schématique en coupe d’un exemple de matrices de forgeage avec évent;

La figure 2, déjà décrite, représente une vue schématique d’une pièce métallique en cours de forgeage lorsque des résidus se sont accumulés dans l’évent ;

La figure 3, déjà décrite, représente une vue schématique d’une pièce métallique en cours de forgeage lorsque l’évent de la matrice est de grand diamètre ;

La figure 4 représente une vue schématique d’un exemple de dispositif de nettoyage selon l’invention;

La figure 5 représente schématiquement le dispositif de nettoyage de la figure 4 pendant différentes phases du nettoyage ; et

La figure 6 représente, sous la forme d’un diagramme fonctionnel, les différentes opérations du procédé de mise en œuvre du dispositif de nettoyage de la figure 4.

Un exemple de réalisation d’un outillage de forge équipé d’un dispositif de nettoyage de l’évent d’une matrice de forgeage, configuré pour éviter la formation d’un bouchon dans l’évent et sans effet sur la productivité des pièces métalliques, est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Cet exemple illustre les caractéristiques et avantages de l'invention. Il est toutefois rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple.

Sur les figures, les éléments identiques sont repérés par des références identiques. Pour des questions de lisibilité des figures, les échelles de taille entre éléments représentés ne sont pas respectées.

Un exemple d’un outillage de forge comportant des matrices de forgeage et un dispositif de nettoyage des évents de ces matrices selon l’invention est représenté schématiquement sur la figure 4, en sortie d’un évent de matrice de forgeage. Comme décrit précédemment, l’évent 20 peut être réalisé dans la matrice supérieure ou dans la matrice inférieure. Un évent – ou plusieurs évents -peut également être réalisé dans chacune des deux matrices de la paire de matrices. Dans l’exemple de la figure 4, l’évent 20 est réalisé par perçage dans la matrice 11 et s’étend dans toute l’épaisseur de la matrice, entre la face intérieure 11a et la face extérieure 11b de ladite matrice. Bien entendu, la matrice peut comprendre plusieurs évents répartis à des emplacements différents de l’empreinte, chacun de ces évents étant nettoyé successivement ou simultanément par le dispositif de nettoyage tel qu’il va être décrit par la suite.

Comme représenté sur la figure 4, l’évent 20 comporte une entrée d’air 21 embouchant sur la face intérieure 11a de la matrice 11 et une sortie d’air 22 débouchant sur la face extérieure 11b de ladite matrice et appelée aussi extrémité débouchante externe. L’évent 20 peut présenter des formes variées comme, par exemple, une section de forme variée (par exemple circulaire, carrée, triangulaire, etc.) ou de dimension variée (par exemple d’un diamètre compris entre 0,2 à 7mm en surface et, de préférence, entre 0,5 à 5mm. L’évent 20 peut également présenter une section dont la forme et la dimension varient sur sa longueur entre son entrée 21 et sa sortie 22.

Le dispositif de nettoyage 100 de l’évent 20, appelé plus simplement dispositif de nettoyage, comporte une pompe d’injection 110 adaptée pour injecter une solution aqueuse dans l’évent 20. La pompe d’injection 110 comporte:

une canalisation de réception 111 de la solution aqueuse, reliée à un conteneur 113 contenant de la solution aqueuse ou à une source ou à tout autre dispositif permettant d’alimenter la pompe d’injection 110 en solution aqueuse,
une canalisation d’éjection 112 de la solution aqueuse, reliée à la sortie 22 de l’évent 20, par l’intermédiaire d’un système de vannes 130 décrit ultérieurement, et
un ensemble de composants assurant la mise sous pression de la solution aqueuse de sorte que la solution aqueuse injectée dans la sortie de l’évent 20 par la canalisation d’éjection 112 soit à une pression supérieure à la pression de la solution aqueuse dans la canalisation de réception 111.

La pompe d’injection 110, de conception classique, présente une capacité adaptée à la quantité de solution aqueuse injectable dans l’évent 20. Cette solution aqueuse peut comporter, en plus de l’eau, des composés offrant différentes propriétés avantageuses pour le nettoyage de l’évent, comme par exemple un solvant ou un composé anticalcaire. Le choix du détergent peut dépendre notamment de la température du lopin et/ou des matrices ainsi que de la matière métallique de l’évent. La solution aqueuse peut comporter, par exemple, une teneur prédéfinie d’un détergent tel que du glycol, de l’hydroxyde de sodium alcalin, de l’alcool, des tensioactifs non ioniques, des tensioactifs alcalins, etc., qui, par ses propriétés tensioactives, participe à l’élimination des résidus logés dans l’évent. La proportion de détergent dans la solution aqueuse peut varier, par exemple, entre 2 et 10% en masse et, plus avantageusement, entre 4 et 5%.

Selon une variante, la solution aqueuse peut comporter un agent inhibiteur de corrosion, comme par exemple des amines, une solution alcaline, de l’ammoniac, de l’eau dé-chlorée, etc., qui, lorsque la matrice est métallique, permet d’éviter tout risque de formation de rouille à l’intérieur de l’évent. Cet agent inhibiteur de corrosion peut être mélangé à la solution aqueuse, de préférence basique (PH>7), avec ou sans détergent.

Quelle que soit la solution aqueuse choisie, ladite solution peut être injectée à température ambiante, c'est-à-dire à la température du lieu, généralement un atelier. Elle peut aussi varier, par rapport à la température ambiante, de quelques degrés Celsius (dans des conditions hivernales, par exemple, en prenant la précaution de ne pas laisser geler la solution aqueuse) jusqu’à une soixantaine de degrés Celsius (dans des conditions estivales, par exemple, dans un atelier de forge avec des fours environnants). Avantageusement, il est possible de thermostater la solution aqueuse entre 20°C et 60°C et, avantageusement, entre 40°C et 55°C.

Dans certains modes de réalisation, la solution aqueuse peut être agitée, en permanence ou à intervalles réguliers, par exemple au moyen d’un brasseur, afin que la solution aqueuse soit homogène quels que soient les composés et/ou agents présents dans ladite solution.

La pompe d’injection 110 peut être une pompe classique, dimensionnée en fonction, par exemple de la perte de charge calculé dans la canalisation d’éjection et dans l’évent. Selon des exemples non exhaustifs, la pompe d’injection 110 peut être choisie de façon à répondre aux propriétés suivantes :

Longueur équivalente à 1m, pression de 1,001 atmosphère avec un débit de 10 l/h, le remplissage de l’évent 20 se faisant en moins de 20 secondes; ou
Longueur équivalente à 1m, pression de 1,017 atmosphère avec un débit de 100 l/h, le remplissage de l’évent se faisant en moins de 1,5 secondes ; ou
Longueur équivalente à 1m, pression de 2,35 atmosphères, avec un débit de 500 l/h, le remplissage de l’évent se faisant en moins de 0,25 secondes; ou
Longueur équivalente à 1m, pression de 2,33 atmosphères avec un débit de 1000 l/h, le remplissage de l’évent se faisant en moins de 0,13 secondes.

En plus de la pompe d’injection 110, le dispositif de nettoyage 100 comporte également un générateur d’ultrasons 150, un dispositif d’évacuation 120, une prise d’air 140 et un système de vannes 130. L’ensemble de ces dispositifs peut être monté dans un châssis, par exemple mobile et adapté pour être déplacé jusqu’à la matrice ou fixe et monté sur la face extérieure de la matrice. Qu’il soit mobile ou fixe, ce dispositif de nettoyage est conçu pour être installé à la sortie de l’évent, c'est-à-dire à l’extrémité débouchante externe de l’évent.

Le générateur d’ultrasons 150 est un dispositif qui produit des ultrasons permettant de décoller, des parois de l’évent 20, les résidus issus du forgeage de la pièce métallique. Le générateur d’ultrasons génère des ultrasons avec des phases successives de compression et de décompression. Les phases de décompression engendrent, dans la solution aqueuse, une multitude de bulles microscopiques. Pendant la phase de compression, les bulles implosent et provoquent, au niveau de l’évent à nettoyer, des turbulences qui détachent les résidus dudit l’évent. Les ultrasons peuvent être produits, par exemple, avec une fréquence comprise entre environ 25 et 90 kHz, notamment entre 30 et 60 kHz, et plus particulièrement entre 40 et 50kHz.

Le générateur d’ultrasons 150 peut comporter au moins deux transducteurs à ultrasons positionnés de façon axisymétrique autour de la sortie 22 de l’évent, par exemple fixés sur la face extérieure 11b de la matrice. Alternativement, le générateur d’ultrasons 150 peut comporter un unique transducteur à ultrasons, de type annulaire, positionné de façon permanente ou quasi-permanente autour de la sortie 22 de l’évent, soit fixé sur la face extérieure 11b de la matrice, soit directement emboité autour de la sortie de l’évent.

Le dispositif d’évacuation 120 est un dispositif prévu pour débarrasser l’évent 20 de la solution aqueuse et des résidus décollés par la solution aqueuse additionnée des ultrasons. Ce dispositif d’évacuation 120 comporte une canalisation d’évacuation 121 reliée à la sortie de l’évent 20 par l’intermédiaire d’un système de vannes 130 décrit ultérieurement. Le dispositif d’évacuation 120 peut comporter un bac 122 de rétention des résidus afin de récupérer lesdits résidus et la solution aqueuse.

La prise d’air 140 est une canalisation d’entrée d’air reliée à la sortie de l’évent 22 et débouchant à l’air libre. Cette prise d’air 140 assure une mise à l’air libre de l’évent 20 lorsque la solution aqueuse avec les résidus a été évacuée, cette mise à l’air libre permettant à l’évent de sécher avant qu’une nouvelle pièce métallique ne soit forgée.

Le système de vannes 150 comporte plusieurs vannes reliées les unes aux autres et permettant de commander alternativement l’injection de la solution aqueuse avec les ultrasons, l’évacuation des résidus et la mise à l’air libre de l’évent. Le système de vannes 150 comporte une première vanne V1 connectée au dispositif d’évacuation 120, une deuxième vanne V2 connectée à la pompe d’injection 110 et une troisième vanne V3 connectée à la prise d’air 140.

La deuxième vanne V2 est prévue pour commander l’ouverture ou la fermeture de la canalisation d’éjection 112 reliant la pompe d’injection 110 à l’évent 20. En particulier, quand la deuxième vanne V2 est fermée, la pompe d’injection 110 ne tourne pas et quand la deuxième vanne V2 est ouverte, la pompe d’injection tourne et envoie de la solution aqueuse dans l’évent 20.

La première vanne V1 est prévue pour commander l’ouverture ou la fermeture de la canalisation d’évacuation 121 reliant le dispositif d’évacuation 120 à l’évent 20. En particulier, quand la première vanne V1 est fermée, le dispositif d’évacuation ne fonctionne pas et quand la première vanne V1 est ouverte, le dispositif d’évacuation 120 fonctionne et évacue la solution aqueuse avec les résidus hors de l’évent 20.

La troisième vanne V3 est prévue pour commander l’ouverture ou la fermeture de la canalisation d’entrée d’air reliant la prise d’air à l’évent 20. Quand la troisième vanne V3 est fermée, aucun air ne rentre dans l’évent et quand la troisième vanne V3 est ouverte, de l’air entre dans l’évent 20.

Selon un mode de réalisation, une seule et même canalisation est montée dans la sortie de l’évent 20, cette unique canalisation remplaçant la canalisation d’éjection 112, la canalisation d’entrée d’air et la une canalisation d’évacuation 121 dans la portion située entre la sortie de l’évent 20 et le système de vannes 130. Cette canalisation, comme toutes les autres canalisations du dispositif de nettoyage, peut être par exemple un tube, un tuyau ou toute autre conduite fermée pouvant être insérée dans la sortie de l’évent 20 ou fixée autour de la sortie de l’évent 20 pour assurer un passage de fluide - solution aqueuse et/ou air – entre ledit évent et le dispositif de nettoyage. Dans le mode de réalisation où une unique canalisation est connectée à la sortie de l’évent 20, cette unique canalisation est reliée à un «nœud de canalisations » desservant la canalisation d’évacuation 121 du dispositif d’évacuation 120, la canalisation d’entrée d’air de la prise d’air 140 et la canalisation d’éjection 112 de la pompe d’injection 110. Ce mode de réalisation a l’avantage de permettre un seul et unique branchement du dispositif de nettoyage sur la sortie de l’évent 20 pour réaliser toutes les opérations de nettoyage qui seront décrites ultérieurement.

Dans une variante, la sortie 22 de l’évent est équipée d’un joint d’étanchéité 160 rendant hermétique la jonction entre la canalisation - par exemple la canalisation unique ou la canalisation d’évacuation, la canalisation d’entrée d’air ou la canalisation d’éjection. Ce joint d’étanchéité 160 est choisi de sorte à présenter des propriétés et une stabilité compatibles avec la température de chauffe de la matrice.

Dans certains modes de réalisation, le dispositif d’évacuation 120 comporte uniquement une canalisation permettant aux résidus entraînés par la solution aqueuse d’être évacués hors de l’évent. Dans d’autres modes de réalisation, le dispositif d’évacuation 120 comporte un dispositif de soufflage d’air installé en sortie de l’évent 20, après la première vanne V1. Ce dispositif de soufflage est prévu pour injecter un flux d’air à l’intérieur de l’évent depuis la sortie dudit évent. Ce dispositif de soufflage peut comporter, par exemple, une pompe soufflante dimensionnée au moyen d’un calcul de perte de charge. Selon des exemples non exhaustifs, la pompe soufflante peut être choisie de façon à être stabilisée en moins de 1s avec un maintien de 10 à 20 secondes et à répondre aux propriétés suivantes:

une pression de soufflage de 140 kPa minimum et un débit d’air de 10 l/minutes sur une longueur de 1m; ou
une pression de soufflage de 200 kPa minimum et un débit d’air de 10 l/minutes sur une longueur de 1 m; ou
une pression de soufflage de 142 kPa minimum et un débit d’air de 40 l/minutes sur une longueur de 1 m.

Selon une variante, la pompe d’injection 110 de la solution aqueuse et la pompe soufflante du dispositif d’évacuation 120 sont une même pompe adaptée pour basculer de la solution aqueuse à l’air et inversement. Dans ce cas, les vannes V1 et V2 peuvent être une seule et même vanne offrant une position de fermeture et deux positions d’ouverture, l’une pour l’air, l’autre pour la solution aqueuse.

Dans encore d’autres modes de réalisation, le dispositif de nettoyage peut comporter un dispositif d’aspiration installé en sortie de l’évent 20, après la première vanne V1, et assurant une aspiration de la solution aqueuse avec les résidus. Selon des exemples non exhaustifs, le dispositif d’aspiration peut être choisi de façon à être stabilisé en moins de 1s avec un maintien de 10 à 20 secondes et à répondre aux propriétés suivantes :

une pression d’aspiration de 40 kPa (dépression de 110 kPa) et un débit de 10 l/minutes sur une longueur de 1m; ou
une pression d’aspiration de 40 kPa (dépression de 110kPa) et un débit de 40 l/minutes sur une longueur de 1m.

Les modes de réalisation où le dispositif d’évacuation 120 comporte un dispositif de soufflage d’air ou un dispositif d’aspiration présentent l’avantage que l’évent est séché avant d’être réutilisé pour le forgeage d’une nouvelle pièce. Il n’est donc pas nécessaire de traiter la solution aqueuse contre le calcaire.

Dans certains modes de réalisation, le dispositif de nettoyage peut être commandé manuellement par un opérateur qui ouvre et ferme les différentes vannes V1, V2, V3 du système de vannes 130 au fur et à mesure de l’avancé des opérations de nettoyage. L’opérateur assure aussi la commande du générateur d’ultrasons au moyen d’un bouton de marche/arrêt. Dans d’autres modes de réalisation, toutes les vannes du système de vannes 130 sont connectées à une unité de traitement automatique, comme par exemple un ordinateur, qui commande les ouvertures et fermetures des vannes et la mise en marche du générateur d’ultrasons en fonction de données de temporisation prédéterminées. Dans ces modes de réalisation, l’opérateur commande uniquement le début des opérations de nettoyage en appuyant sur un bouton de marche/arrêt. Dans encore d’autres modes de réalisation, une sonde de pression logée, par exemple entre la pompe d’injection 110 et l’entrée d’air 21, notamment entre la deuxième vanne V2 et l’entrée d’air 21, préférentiellement proche de ladite deuxième vanne V2. Cette sonde de pression, adaptée pour détecter la pression de solution aqueuse injectée dans l’évent 20, est reliée à une unité de traitement automatique (par exemple un ordinateur) qui commande automatiquement les différentes vannes du système de vannes 130 et le générateur d’ultrasons, dès qu’une pression seuil prédéfinie est détectée.

Le dispositif de nettoyage 100, tel qu’il vient d’être décrit, peut être mis en œuvre après chaque opération de forgeage d’une pièce métallique ou après un nombre prédéterminé de pièces métalliques forgées ou chaque fois que l’opérateur le juge nécessaire. De préférence, il sera mis en œuvre régulièrement au cours d’une campagne de forge de pièces, par exemple après fabrication de 1 à 3 pièces métalliques, pour assurer une évacuation régulière de l’air à chaque opération de forgeage.

Un exemple d’une opération de nettoyage est représenté sur les figures 5 et 6. Juste après le forgeage d’une pièce métallique, le dispositif de nettoyage 100 est actionné, soit automatiquement soit manuellement par l’opérateur. La deuxième vanne V2 s’ouvre, assurant la mise en marche de la pompe d’injection 110 et du générateur d’ultrasons 150. Une quantité prédéfinie de solution aqueuse est alors injectée dans l’évent 20 et des ondes ultrasoniques sont impulsées dans la solution aqueuse à l’intérieur de l’évent (phase A de la figure 5). La solution aqueuse et les ondes ultrasoniques agissent ensemble pour disloquer le bouchon bloquant ou les résidus logés dans l’évent et dont l’accumulation risquerait de former un bouchon bloquant. L’évent 20, rempli de solution aqueuse sous pression, fait office de vecteur des ondes. Dans la solution aqueuse, les ondes ultrasonores déclenchent successivement des phases de compression à l’origine de la création de petites bulles (cavitation) et des phases de décompression durant lesquelles les bulles implosent violemment. Sous l’effet des implosions des bulles, les particules de résidus se décollent et se détachent les unes des autres. Lorsque la solution aqueuse comporte du détergent, le décollement et la séparation des particules de résidus sont facilités et accélérés. La durée de dislocation des résidus est de l’ordre de quelques secondes à une minute.

Une fois les résidus disloqués, sous l’effet de la pression et des ultrasons, une partie de la solution aqueuse et des résidus sont éjectés en micro-jet 115 par l’entrée 21 de l’évent, au niveau de l’empreinte (phase B de la figure 5). La quantité de solution aqueuse éjectée par l’entrée 21 est faible en proportion de la quantité injectée.

Dès qu’un micro-jet 115 de solution aqueuse ressort de l’évent 20 par son entrée 21, la phase C du nettoyage est enclenchée. Lorsque le procédé est mis en œuvre manuellement par l’opérateur, c’est l’opérateur qui enclenche la phase C en fermant la deuxième vanne V2 et en ouvrant la première vanne V1, lorsqu’il aperçoit un micro-jet de solution aqueuse. Lorsque le procédé est mis en œuvre automatiquement, c’est la baisse de la pression dans l’évent qui conduit à actionner la fermeture de la deuxième vanne V2 et l’ouverture de la première vanne V1.

Dans les modes de réalisation où le dispositif d’évacuation 120 ne comporte ni dispositif de soufflage, ni dispositif d’aspiration, la troisième vanne V3 peut être ouverte rapidement après l’ouverture de la première vanne V1 (phase D) afin que l’air provenant de la prise d’air 140 puisse entrer dans l’évent 20 et sécher ledit évent. La troisième vanne V3 peut être ouverte, par exemple, quelques secondes (par exemple une dizaine de secondes) après que la première vanne V1 ait été ouverte. Dans les modes de réalisation où le dispositif d’évacuation 120 comporte un dispositif de soufflage ou un dispositif d’aspiration, le séchage de l’évent 20 est très rapide et peut être réalisé en une dizaine de secondes.

Dès que l’opération de nettoyage est terminée, l’opération suivante de la campagne de forge peut être engagée, sans perte de temps. Dans les modes de réalisation où le dispositif de nettoyage est fixé à la matrice, la troisième vanne V3 reste ouverte pendant l’opération de forgeage, cette vanne V3 permettant non seulement le passage d’air de la prise d’air 140 vers l’évent 20, mais également le passage d’air de l’évent 20 vers la prise d’air 140. Autrement dit, le fait que la troisième vanne V3 soit ouverte permet à l’air enfermé entre les deux matrices d’être évacué, via l’évent 20, vers l’extérieur des matrices et du dispositif de nettoyage. Dans les modes de réalisation où le dispositif de nettoyage est mobile, il suffit d’éloigner le dispositif de nettoyage de la matrice pour que l’évent soit à nouveau débouchant sur l’extérieur. Ainsi, lors de l’opération de forgeage suivante, l’air emprisonné entre les matrices sera évacué par l’évent directement en extérieur des matrices.

Les opérations de nettoyage mises en œuvre par le dispositif de nettoyage de l’invention présentent l’avantage de pouvoir être exécutées relativement rapidement, sans prendre de temps sur la campagne de forge. En effet, entre deux opérations de forgeage, c'est-à-dire lorsqu’une pièce métallique vient d’être formée et avant que la pièce suivante ne puisse être forgée, plusieurs tâches doivent être exécutées par l’opérateur comme sortir la pièce formée, l’installer dans son rack, dépoussiérer la matrice, déposer une couche de lubrifiant sur la face interne de la matrice, ouvrir le four, prendre un lopin de métal et le déposer dans la matrice, etc. Ces différentes tâches «inter-opérations» prennent un temps non-négligeable et incompressible. Les opérations de nettoyage de l’évent étant relativement rapides, elles peuvent venir se loger pendant ces périodes inter-opérations de sorte à ne pas perturber la durée d’une campagne de forge.

Bien que décrit à travers un certain nombre d'exemples, variantes et modes de réalisation, le dispositif de nettoyage de l’évent d’une matrice de forgeage selon l’invention comprend divers variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme du métier, étant entendu que ces variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention.

Claims

Dispositif de nettoyage (100) d’un évent (20) d’une première matrice de forgeage (11) adaptée pour recevoir, entre ladite première matrice et une seconde matrice, un lopin de métal à mettre en forme pour produire une pièce métallique, ledit dispositif de nettoyage comportant:
une pompe (110) d’injection d’une solution aqueuse, adaptée pour injecter de la solution aqueuse dans l’évent (20),

un générateur d’ultrasons (150), adapté pour générer des ondes ultrasonores dans l’évent (20),
une prise d’air (140) adaptée pour assurer une mise à l’air libre de l’évent (20), et

un système de vannes (130) pour commander alternativement au moins l’injection de solution aqueuse et d’ultrasons et la mise à l’air libre de l’évent (20).
Dispositif de nettoyage selon la revendication 1, caractérisée en ce que, l’évent (20) s’étendant entre une entrée (21) embouchant en intérieur de matrice et une sortie (22) débouchant en extérieur de matrice, la pompe d’injection (110) est installée à la sortie (22) de l’évent pour projeter la solution aqueuse de la sortie vers l’entrée (21) dudit évent.
Dispositif de nettoyage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu’il comporte un dispositif d’évacuation (120) adapté pour évacuer, hors de l’évent, des résidus issus du forgeage de la pièce métallique, l’évacuation des résidus étant commandée, après l’injection de solution aqueuse et d’ultrasons, par le système de vannes.
Dispositif de nettoyage selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif d’évacuation (120) comporte un dispositif de soufflage d’air installé à la sortie de l’évent et assurant une injection d’air à l’intérieur de l’évent depuis la sortie (22) dudit évent.
Dispositif de nettoyage selon la revendication3, caractérisé en ce que le dispositif d’évacuation (120) comporte un dispositif d’aspiration installé à la sortie (22) de l’évent et assurant une aspiration de la solution aqueuse avec les résidus.
Dispositif de nettoyage selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le générateur d’ultrasons (150) comporte une pluralité de transducteurs à ultrasons montés de façon axisymétrique autour de la sortie de l’évent.
Dispositif de nettoyage selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le générateur d’ultrasons (150) comporte un transducteur à ultrasons annulaire, monté, via une ouverture centrale, autour de la sortie de l’évent.
Dispositif de nettoyage selon l’une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le système de vannes (130) comporte une première vanne (V1) connectée au dispositif d’évacuation, une deuxième vanne (V2) connectée à la pompe d’injection et une troisième vanne (V3) connectée à la prise d’air.
Dispositif de nettoyage selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la solution aqueuse injectée par la pompe d’injection comporte un inhibiteur de corrosion.
Dispositif de nettoyage selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il comporte une sonde de pression adaptée pour détecter la pression de la solution aqueuse injectée, ladite sonde étant reliée à une unité de traitement automatique apte à commander automatiquement le système de vannes et le générateur d’ultrasons.
Procédé de nettoyage d’un évent d’une matrice de forgeage mettant en œuvre le dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que, à la fin d’une opération de forgeage d’une pièce métallique, il comporte les opérations suivantes:
ouverture de la pompe d’injection et mise en marche du générateur d’ultrasons (phase A) afin d’insérer de la solution aqueuse et des ultrasons dans l’évent,

après décollement et détachement des résidus (phase B), fermeture de la pompe d’injection et du générateur d’ultrasons et ouverture de la prise d’air (phase D).
Procédé de nettoyage selon la revendication 11, caractérisé en ce qu’il comporte, après fermeture de la pompe d’injection et du générateur d’ultrasons, une opération d’ouverture du dispositif d’évacuation (phase C) afin d’évacuer la solution aqueuse et les résidus, ledit dispositif d’évacuation étant refermé avant l’ouverture de la prise d’air.
Procédé de nettoyage selon la revendication 12, caractérisé en ce que l’ouverture/fermeture de la pompe d’injection, l’ouverture/fermeture du dispositif d’évacuation et l’ouverture/fermeture de la prise d’air sont commandées à partir d’un système de vannes (130) dans lequel une première vanne (V1) commande le dispositif d’évacuation, une deuxième vanne (V2) commande la pompe d’injection et une troisième vanne (V3) commande la prise d’air.
Procédé de nettoyage selon l’une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu’il est mis en œuvre pendant une période inter-opérations de mise en place des matériaux et outillages nécessaires au forgeage de la nouvelle pièce métallique.
Procédé de nettoyage selon l’une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisé en ce qu’il est mis en œuvre à la fin de chaque opération de forge d’une série prédéfinie de pièces métalliques.