Brevet FR2161764A1 — publié le 19730713

La présente invention concerne le travail des métaux par déformation, et plus particulièrement les procédés de fabrication de bagues d'étanchéité métalliques fendues. Le procédé conforme à la présente invention permet de fabriquer des bagues d'étanchéité dont les surfaces d'étanchéification sont constituées par leur surface cylindrique extérieure et leurs faces (bagues à pression extérieure, notamment segments de piston), ainsi que les bagues d'étanchéité dont les surfaces d'étanchéification sont constituées par leur surface cylindrique intérieure et leurs faces.Pour les distinguer des segments de piston, ces dernières bagues seront désignées, dans ce qui suit, par bagues à pression interne Tous les procédés connus de fabrication de bagues d'étanchéité métalliques fendues se distinguent par le principe suivant lequel s'effectue la mise en forme de la bague c est-à-dire qu'on lui confère à 1' étant libre une forme circulaire irrégulière de façon que lorsqu'elle est sertie dans un cylindre (segments de piston) ou passée sur une tige ou une sphère (bagues à pression interne) elle prend une forme circulaire en exerçant de préférence une pression uniforme sur les surfaces de la pièce à étanchéifier avec lesquelles elle se trouve en contact (cylindre ou tige) sur toute sa circonférence. On connaît déjà bien un procédé de fabrication de bagues d'étanchéité métalliques fendues à pression interne, au cours duquel l'ébauche circulaire usinée de la bague, afin qu'elle soit douée de propriétés élastiques satisfaisant aux conditions de pression interne uniforme en position de travail, est déformée radialement par entaillage radial de la surface cylindrique extérieure de l'ébauche de bague à l'aide d'une tête de marteau de forme adéquate. Ces entailles sont obtenues en soumettant la surface cylindrique extérieure à des chocs appliqués avec une même force sur le pourtour de l'ébauche, mais à des distances s'accroissant progressivement (pas variable), de telle façon que l'espacement minimal entre les entailles soit situé sur la surface opposée à la fente de la bague, tandis que l'espacement maximal se trouve à proximité de la fente.On peut aussi exécuter lesdites entailles avec un pas constant, mais en augmentant progressivement la force des chocs appliqués (la profondeur des entailles), de telle façon que l'effort maximal soit appliqué sur la surface -opposée à la fente de la bague, et l'effort minimal à proximité de la fente. L'inconvénient de ce procédé réside dans le fait qu'il nécessite beaucoup de travail et qu'il est par conséquent peu productif, car pour déformer l'ébauche annulaire par un tel procédé, il faut exécuter sur sa surface cylindrique extérieure 120 à 180 entailles de différentes profondeurs ou à pas différents. On connatt en outre un procédé de fabrication de segments de piston, suivant lequel ladite forme circulaire irrégulière de la bague à l'état libre est obtenue en coulant une ébauche annulaire non circulaire qui est ensuite usinée au gabarit. L'inconvénient d'un tel procédé réside, lui aussi, dans les difficultés de fabrication et le nombre important de travaux requis, car il est alors nécessaire de procéder à la coulée individuelle de chaque ébauche de bague et ensuite au fraisage au gabarit de la bague à courbure variable. Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus. A cette fin, l'invention vise un procédé de fabrication de bagues d'étanchéité métalliques fendues, dans lequel la déformation de l'ébauche est réalisée par compression de ses faces. Cet objectif est atteint du fait que dans un procédé de fabrication de bagues d'étanchéité métalliques fendues, du type dans lequel on déforme une ébauche annulaire ronde afin de lui conférer une élasticité radiale,apre's quoi on usine successivement ses faces et ses surfaces cylindriques extérieure et intérieure, selon l'invention on effectue la déformation de l'ébauche annulaire en comprimant les secteurs de ses faces mutuellement opposées qui sont adjacents à la surface cylindrique opposée à la surface cylindrique d'étanchéification, la compression maximale étant appliquée aux secteurs des faces de l'ébauche annulaire opposés à sa fente, et ce jusqu'au milieu de la largeur de la bague, ladite compression allant en diminuant progressivement jusqu'à atteindre sa valeur minimale sur les secteurs des faces de l'ébauche annulaire situés à proximité de sa fente. Pour la fabrication de bagues d'étanchéité dont la surface d'étanchéification est constituée par la surface cylindrique extérieure, il est préférable de comprimer les secteurs des faces de l'ébauche annulaire adjacents à sa surface cylindrique intérieure. Une telle compression des faces de l'ébauche annulaire s'applique notamment à la fabrication de segments de piston. Il est également avantageux, en cas de fabrication de bagues d'étanchéité dont la surface d'étanchéification est constituée par la surface cylindrique interne, de comprimer les secteurs des faces de l'ébauche annulaire adjacents à sa surface cylindrique extérieure. Une telle compression des faces de l'ébauche annulaire s'applique à la fabrication de bagues à pression interne. Le procédé de l'invention, tout en étant simple et nécessitant relativement peu de travaux assure un rendement élevé et une excellente qualité de bagues d'étanchéité fabriquées. Ci-dessous est donnée une description d'exemples concrets mais non limitatifs de réalisation de la présente invention, avec références aux dessins annexés qui représentent - la figure 1, une bague d'étanchéité à pression interne en position de travail - la figure 2, un outil de presse à surfaces de travail planes, à l'intérieur duquel est placée une ébauche à comprimer pour la fabrication d'une bague d'étanchéité fendue à pression interne, conformément à l'invention - la figure 3 ,uoev'e en ca#pe s;"v#it III-III de la figure 1; - la figure 4, la bague d'étanchéité à pression interne à l'état libre, vue de profil - la figure 5, un segment de piston en position de travail;; - la figure 6, un outil de presse à surfaces de travail planes, à l'intérieur duquel est placée une ébauche à comprimer pour la fabrication d'un segment de piston, conformément à l'invention - la figure 7, une vue en coupe suivant VII-VII de la figure 5 ;5 - la figure 8, le segment de piston à l'état libre, vu de profil - la figure 9, un outil de presse comportant un poinçon à surface de travail intérieure conique et dans lequel est placée une ébauche annulaire à comprimer pour la fabrication d'une bague à pression interne, conformément à l'invention - la figure 10, une vue en coupe suivant X-X de la figure 1;; - la figure 11, un outil de presse comportant un poinçon à surface de travail extérieure conique et dans lequel est placée une ébauche annulaire à comprimer pour la fabrication d'un segments de piston - la figure 12, un outil de presse dont le poinçon a une surface de travail plane biseautée, pour la fabrication de bagues à pression interne; - la figure 13, une bague à pression interne comprimée dans l'outil de la figure 12, en position de travail - la figure 14, un outil de presse dont le poinçon a une surface extérieure de travail plane biseautée, pour la fabrication de segments de piston ; et - la figure 15, un segment de piston comprimé dans l'outil de la figure 14, en position de travail. Le procédé de fabrication des bagues d'étanchéité 1 (figure 1) à pression interne, dont la surface d'étanchéification est constituée par la surface cylindrique intérieure de diamètre d, consiste en ce que pour conférer à cette bague d'étanchéité une élasticité radiale, et la rendre apte à une pression interne uniforme, on place l'ébauche annulaire 2 (figure 2), ayant préalablement subi un traitement thermique, dans un outil de presse 3 dont le poinçon 4 et la matrice 5 comportent des surfaces de travail planes.L'ébauche annulaire est placée dans l'outil de presse 3 de telle façon, que les surfaces de travail de la matrice 5 et du poinçon 4 compriment les secteurs 6 (figure 1) des faces mutuellement opposées de l'ébauche situés entre la circonférence de diamètre moyen ds = CL + t et la circonférence de diamètre extérieur D (surface cylindrique extérieure). Sur la figure 1, le secteur comprimé 6 de l'une desdites faces est hachuré . Dans l'exposé qui suit, pour rendre 11 explication plus compréhensible, on ne ooedérea qu'un seul secteur, mais cela s'appliquera aussi bien au secteur correspondant situé sur la face opposée.La largeur h du secteur comprimé 6 est variable: sa valeur maximale est égale à la moitié de la largeur t de la bague 1 (h t ma#---) et se situe sur le secteur de la bague 1 opposé à la 2 fente de celle-ci. Cette valeur diminue progressivement jusqu'à atteindre sa valeur minimale (h = 0) à proximité de la fente. Ensuite, à l'aide de la presse agissant sur le poinçon 4 par l'intermédiaire d'un support à rotule 7, l'ébauche 2 est comprimée, la valeur a (figure 3) de déformation de l'épaisseur b de la bague étant constante. Dans ce cas, la pression interne uniformise la bague d'étanchéité 1 en position de travail est assurée par le fait que la largeur h du secteur comprimé 6 de l'ébauche annulaire 2, sur toute sa longueur déterminée en une section quelconque par l'arc défini par un angle (P, est variable de caractère et peut #t# déterminée à l'aide de l'équation h b 2 Â (1 + COS # ) (i) a 31r d+t où b est l'épaisseur de la bague 1 a , la valeur de la déformation (profondeur de compression) de l'épaisseur b de la bague 1 b la valeur inverse de la compression relative; a le diamètre intérieur de la bague 1; t , la largeur de la bague 1;; d+t=d5, le diamètre moyen de la bague; A , la valeur du recouvrement des extrémités de la bague 1 à l'état libre (c'est-à-dire en position de repos), déterminée, lorsque les paramètres d, t et b des bagues sont choisis, par la valeur de la pression spécifique imposée; Y , l'angle (coordonnée de h) mesuré en partant du milieu de la bague (point opposé à la fente) et en allant vers la fente, et (point opposé à la fente) et en allant vers la fente, et se modifiant de 0 à # ##(de O à 1800). L'explication physique de cette déformation est que dans le matériau des secteurs comprimés 6 de la bague d'étanchéité sont engendrées des contraintes supplémentaires en comparaison des secteurs non comprimés 8, lesdites contraintes étant variables le long des branches de la bague 1 (par branche de la bague 1 on entend sa longueur entre le point opposé à la fente et l'extrémité située à proximité de la fente). Lesdites contraintes provoquent des pivotements radiaux variables des branches de la bague 1, à la suite de quoi la bague à l'état libre prend la forme circulaire irrégulière qu'on lui impose, tandis que les extrémités de ces branches se recouvrent comme représenté sur la figure 4. Dans le cas idéal, c'est-à-dire sans prendre en considération le gauchissement dans les glissières de l'outil de presse 3, les surfaces de travail du poinçon 4 de la matrice 5 ont une forme plane qui se modifie seulement suivant la largeur du secteur à comprimer 6 de la bague 1 et qu'on détermine à l'aide de l'équation I.Ainsi, par exemple, lors d'une compression relative baW (choisie expérimentalement, l'équation I pour le calcul des arêtes de travail intérieures du poinçon 4 et de la matrice 5 se présente sous la forme suivante 200 A h ---- 1 + COS COS ) (il) 3 t dt Pour les bagues à pression interne la courbe considérée constitue pratiquement une circonférence de diamètre D'=d+2t-hmaX et c'est le diamètre dela limite extérieure du secteur comprimé 6dela fan de la bffie1et le diamètre extérieur du bord des plans de travail du poinçon 4 et de la matrice 5.Le centre de cette circonférence est, par rapport au centre de la bague 1, décalé vers la fente suivant l'axe 9 passant par la fente de la bague 1, avec une exentricité. h e =- max 2 Par suite de la compression du secteur 6 dans l'outil de presse 3F les contraintes engendrées au sein du matériau de la bague 1 confèrent à la bague une élasticité radiale, du côté de son diamètre intérieur d, et grâce au caractère variable de la compression sur le périmètre extérieur de la bague, cette dernière comporte une épure de pression uniforme du côté de son diamètre intérieur. Après la compression, la bague 1 est soumise à un usinage suivant un procédé connu, consistant à en ce qui suit. La bague 1 est rectifiée sur ses faces jusqu'à la dimension prescrite, après quoi, un lot de 15 à 20 bagues est monté sur un mandrin intérieur (non représenté) et les bagues sont serrées l'une à l'autre par leurs faces au moyen d'écrous, après quoi toutes les bagues 1 sont rectifiées suivant le diamètre extérieur D jusqu a la cote imposée.Ensuite, le mandrin intérieur portant les bagues est engagé dans un mandrin extérieur dans lequel les bagues 1 sont centrées suivant le diamètre extérieur usiné D et sont resserrées au moyen de l'écrou du mandrin extérieur, après quoi on extrait le mandrin intérieur et on rectifie la bague 1 jusqu'au diamètre intérieur d.Après rectification, on porte le diamètre d de la bague 1 à la cote d'usinage à l'aide d'un rotor. Pour la fabrication de bagues d'étanchéité métalliques fendues 10 (figure 5) à pression extérieure uniforme, c'est-àdire de bagues dont la surface d'étanchéité est constituée par sa surface cylindrique extérieure (segments de piston), on place l'ébauche annulaire 11 (figure 6) dans l'outil de presse 12 à surfaces de travail planes, et on comprime le secteur 13 de sa face adjacent à la surface cylindrique intérieure de diamètre dl. La largeur h1 du secteur comprimé 13, comme dans le cas de déformation des bagues 1, est variable: sa valeur maximale est égale à la moitié de la largeur t1 de la bague 10 (h1 max tl ) et se trouve sur le secteur de la max face de la bague sitiéeen face de la fente; cette largeur h1 diminue progressivement jusqu a atteindre sa valeur minimale h min = 0 sur le secteur de la face située à proximité de la 1 min fente. La valeur h1 est déterminée d'après la même formule que la valeur h des bagues à pression interne, mais enremplaçant la valeur A (recouvrement des extrémités de la bague à l'état libre) par la valeur L (figure 8) de l'écartement entre les extrémités de la bague 10 à l'état libre (état de repos de la bague 10), déterminé par la valeur de la pression extérieure nécessaire. b 2 L (i + COS Y ) (iii) h1= b1 2 L a1 3# d1 +t1 Le secteur comprimé 13 du segment de piston 10 est hachuré sur la figure 5. En présence d'une compression relative a1 1 b = 1% = 100 , l'équation III pour le calcul de l'arête de travail extérieure du poinçon 14 et de la matrice 15 de l'outil 12 prend la forme suivante 200 L (1 + COS t) (fiv) 371 d1 + t1 Pour les segments de piston 10, cette courbe forme pratiquement une circonférence de diamètre D" = d1+ h1 max dont le centre est décalé par rapport au centre de la bague 10 et suivant l'axe 16 passant par la fente de celle-ci, avec une h excentricité e1 1 max 2 vers le côté opposé à la fente de la bague. Gracie à une telle compression du secteur 13 de la bague 10, les contraintes engendrées dans le matériau de cette bague confèrent à la bague 10 une élasticité radiale du côté du diamètre extérieur Dî E n position de travail, la bague 10 est soumise à une pression uniforme du coté du diamètre Di. Après la compression de la bague 10, celle-ci est traitée thermiquement (passivation ou fixation thermique). Ensuite, la bague considérée est usinée successivement sur ses faces, ses surfaces cylindriques intérieure et extérieure jusqu'aulx dimensions imposées, d'une façon analogue à l'usinage de la bague 1 à pression interne. La compression de l'ébauche annulaire 17 (figure 9) pour l'obtention d'une bague à pression interne peut être réalisée dans coutil 18 dont le poinçon 19 comporte une surface de travail interne conique, à angle au sommet , tandis que la surface de travail de la matrice 20 est de forme plane perpendiculaire aux surfaces cylindriques de l'ébauche annulaire 17. Le poinçon 19 et la matrice 20 sont montés de telle façon, que leur centre soit décalé par rapport au centre de l'ébauche annu h laire 17, avec une excentricité e2 2max 2 vers la fente de la bague, de la même façon que pour la bague (figure 1) à pression interne. La largeur h2 (figure 10) du secteur comprimé de l'ébauche annulaire 17 est une grandeur variable, sa valeur maximale est située sur le secteur se trouvant en face de la fente, tandis que sa valeur minimale est située à proximité de la fente. En outre, étant donné la configuration de l'outil 18 à surface de travail conique, la valeur a2 de déformation de l'épaisseur b de la bague est elle aussi une valeur variable. La déformation des secteurs extérieurs de l'ébauche annulaire 17 dans sa section radiale est en forme de triangle rectangle à cotés h2 et a2 et est conforme à la loi h2a2 = 4 t d+t (1 + d+t (i +C0S# (v) Les symboles utilisés dans cette formule sont identiques à ceux de la formule I. Sur la figure 11 est représenté un outil 21 pour la fabrication de segments de piston. Dans cet outil le poinçon 22 comporte une surface de travail inténeure conique à angle au sommetd e poiçon 22 et la matrice 23 sont décalés par rapport à l'ébauche annulaire 24 avec une excentricité e4 du côté opposé à la fente de la bague. Pour le calcul de la déformation de compression des segments de piston on utilise la formule IV, mais en remplaçant la valeur de recouvrement A par la valeur L de l'écartement entre les extrémités de la bague à l'état libre. Pour le reste, la compression est analogue à celle décrite plus haut. Il est également possible de réaliser une déformation par compression d'une ébauche annulaire 25 (figure 12) pour l'obtention d'une bague 26 (figure 13) à pression interne, au moyen d'un outil 27 (figure 12) dans lequel les surfaces de travail du poinçon 28 et de la matrice 29 ont une forme plane biseautée(vers la fente de l'ébauche 25) par rapport aux faces de l'ébauche annulaire 25, forme qui se modifie, suivant l'épaisseur de l'ébauche 25, d'une valeur L correspondant à la déformation de l'ébauche 25. 2 La valeur maximale a3 max correspond alors à l'endroit de la face de l'ébauche annulaire 25 qui est comprimé en face de la fente de la bague, tandis que la valeur a3 min correspond au secteur situé à proximité de la fente. La valeur a3 de la déformation est déterminée à l'aide de la formule suivante a3 = b 2 A (1 + COS /) (VI) h h 3#iF d+t Les symboles de cette formule sont identiques à ceux de la formule I. Au cours de la compression de l'ébauche annulaire 25, la largeur de la déformation sur tout le périmètre de la bague 26 est identique. Le poinçon 28 et la matrice 29 sont montés, par rapport à l'ébauche annulaire 25, sans décalage des centres (c'est-àdire sans excentricité). Le secteur comprimé 30 est hachuré sur la figure 13. La compression, dans un outil 31 (figur#e 14) à surfaces de travail planes biseautées, d'une ébauche annulaire 32 pour l'obtention d'un segment de piston 33 (figure 15) s'effectue d'une manière analogue à celle décrite plus haut. La valeur a4 de la déformation peut être obtenue à l'aide de la formule VI, mais en remplaçant la valeur A du recouvrement des extrémités de la bague par la valeur L de l'écartement entre les extrémités de la bague. Après compression, la bague 26 et la bague 33 ont une section radiale de forme rectangulaire. Dans toutes les variantes décrites plus haut, le caractère variable de la compression de l'ébauche annulaire est assuré par la forme correspondante des surfaces de travail du poinçon et de la matrice. Les surfaces de travail sur le pourtour des poinçons et des matrices doivent être mises en stricte concordance et fixées en position. La zone minimale de compression de l'ébauche annulaire (à proximité de la fente)est indiquée sur l'extérieur de la matrice, par exemple par un repère. Dans le procédé de fabrication considéré des segments de piston, dont les besoins dans l'industrie moderne s'élèvent à des milliards de pièces, il n'est plus nécessaire de procéder à la coulée individuelle de l'ébauche de chaque bague et au fraisage des bagues suivant une courbe variable d'après un gabarit, ce qui est un avantage économique appréciable. Le procédé proposé assure une rentabilité encore plus élevée en cas de fabrication de bagues d'étanchéité à pression interne, en comparaison des procédés connus de déformation des ébauches annulaires par entaillage, car la même déformation de l'ébauche annulaire,réalisée suivant le procédé de l'invention en une ou deux opérations de compression dans un outil de presse, s'effectue en un temps approximativement égal à celui de deux traitements de 120 à 183 entailles suivant le procédé connu, c'est-à-dire 60 à 90 fois plus rapidement. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons , si celles-ci sont exécutées selon l'esprit'de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication de bagues métalliques fendues par compression d'une ébauche annulaire pour lui conférer des propriétés d'élasticité radiale, la compression maximale étant appliquée sur le secteur se trouvant en face de la fente de l'ébauche et la compression minimale étant appliquée au voisinage de ladite fente, caractérisé en ce que la compression est effectuée sur les secteurs des faces frontales opposées de l'ébauche annulaire (2, 11) adjacents à la surface cylindrique qui n'a pas de fonction d'étanchéité, la largeur maximale (hlnag ).du secteur soumis à la compression ne dépassant pas la moitié de la largeur (t) de ladite face. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'en cas de fabrication de bagues d'étanchéité 1 dont la surface d'étanchéification est constituée par sa surface cylindrique intérieure, on comprime les secteurs 6 des faces mutuellement opposées de l'ébauche annulaire 2, adjacents à sa surface cylindrique extérieure. 3.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'en cas de fabrication de bagues d'étanchéité 10, notamment de segments de pistons, dont la surface d'étanchéification est constituée par sa surface cylindrique extérieure, on comprime les secteurs 13 des faces mutuellement opposées de l'ébauche annulaire 11, adjacents à sa surface cylindrique intérieure. 4.- Les bagues d'étanchéité métalliques, notamment les segments de piston, caractérisées en ce qu'elles sont obtenues par le procédé suivant l'une des revendications 1 à 3.