Brevet FR2261865A1 — publié le 19750919

L'invention concerne les procédés de formage de produits à partir de matières demi-sèches, ainsi ue les installations pour les réaliser. Elle peut être appliquée dans la métallurgie, l'industrie des réfractaires, de la céramique, etc., pour le formage de produits à partir de poudres métalliques et métallocéramiques, de sables pour moules et noyaux, de matières réfractaires et céramiques, etc. Comme on le sait, les matières demi-sèches employées pour le formage sont constituées d'une matière granulée, de liants, d'atditions humidificatrices et autres. C'est pour cette raison que de telles matières sont dites demi-sèches, pulvérulentes. On connaSt un procédé de formage de produits, par exemple de plaques et de produits ayant de préférence une configuration peu compliquée et une petite hauteur, à partir de matières pulvérulentes demi-sèches, en les serrant par vibration, consistant à verser une matière demi-sèche dans un moule constitué par une matrice solidaire drun fond et par un poinçon supérieur, et à appliquer sur lwEatière versée, par l'intermédiaire du poinçon, une pression de serrage. Ceci fait, le moule rempli de matière est soumis à l'action de vibrations percussives verticales appliquées à sa partie inférieure avec augmentation simultanée de la pression de serrage en dessus jusqu'à une valeur maximale (voir, par exemple, le certificat d'auteur d'invention D'URUS No 264 956, cl. 80a, 49 ; CIB B 28c). Afin d'augmenter la densité des produits, le serrage par vibration est exécuté avec un rapport de 0,4 à 0,7 de la pression de serrage à la pression due aux vibrations percussives verticales. Dans le procédé connu, par suite de la faible mobilité des matières semi-sèches et de l'absence d'activateurs contribuant au remplissage du moule par la matière, ou bien de l'absence d'actions assurant le remplissage forcé du moule, celui-ci est rempli d'une manière irrégulière, ce qui se fait particulièrement sentir quand le produit a une grande hauteur, une petite section et une configuration compliquée. Le remplissage irrégulier du moule par la matière prédétermine dans une large mesure l'irrégularité de densité du produit formé, ce qui abaisse sa qualité. Pour améliorer le remplissage du moule par la matière, dans le procédé connu on recourt au raclage et au nivelage de la matière dans le moule au cours du remplissage, ce qui se traduit par un accroissement des dépenses de man-d'ouvre et un abaissement du rendement du formage. Dans les produits formés par le procédé connu, par suite du fait que la matrice est solidaire du fond du moule et qu'ils subissent simultanérent les vibrations percussives, le produit a des irrégularités de densité importantes, et pour obtenir une densité uniforme il faut augmenter les forces perturbatrices du vibrateur et la pression de serrage et accroître leur durée d'action sur le matériau à serrer. Ces facteurs se manifestent d'une façon de plus en plus marquée au fur et à mesure que la hauteur des produits à former augmente. Ce qui vient d'être indiqué se traduit par l'abaissement de la qualité des produits et du rendement du processus, ainsi que par l'accroissement des dépenses d'énergie et l'augmentation correspondante du prix des produits. On connait aussi une installation à vibrations percussives pour le formage de produits à partir de matières pulvérulentes demi-sèches, par exemple de moules de fonderie, qui se compose d'un chassies vibrant avec un vibrateur et des vérins fixés sur ce chtssis pour déplacer une traverse mobile portant le poinçon supérieur. Les vérins jouent simultanément le roule de colonnes de guidage pour la traverse mobile avec le poinçon supérieur. le moule avec le poinçon inférieur est fixé directement au chassies vibrant.Par suite de la fixation rigide du moule et du poinçon inférieur sur le châssis vibrant, les produits d'une hauteur supérieure à 150 mm, formés par cette installation, ont des irrégularités de densité passant les valeurs admissibles, c'est-à-dire que, pratiquerent, les produits obtenus ne peuvent être de bonne qualité. En outre, il faut inévitablement exacuter les opérations manuelles pénibles pour le démontage et l'assemblage du moule, ltenlèvement des produits formés. Tout cela augmente les dépenses de main-d'oeuvre pour le moulage et abaisse le rendement. le but de l'invention est de supprimer les inconvénients indiqués. On s' est proposé de créer un procédé de formage de produits à partir de matières demi-sèches, dans lequel le moule utilisé et l'effort exercé sur la matière à serrer seraient tels qu'ils assureraient une haute qualité des produits formés, ainsi qu'une installation pour le formage de produits à partir de matières demi-sèches, dont la conception serait telle qu'elle permettrait d'accroître le rendement, d'abaisser les dépenses d'énergie et le prix de revient des produits. Ia solution consiste en ce que, dans le formage de produits à partir de matière demi-sèches, de préférence réfractaires et céramiques, par remplissage d'un moule avec la matière, suivi du serrage de la matière obtenu en lui faisant subir simultanément des vibrations percussives verticales appliquée en dessous et une pression de serrage appliquée en dessus par l'intermédiaire d'un poinçon supérieur, d'après l'invention on utilise un moule assemblé avant le formage, constitué par un poinçon inférieur et une matrice disposés coaxialement, la matrice étant soumise à l'action de vibrations harmoniques pendant le remplissage pour le préserrage de la matière, laquelle est ensuite serrée sous l'action de vibrations percussives verticales et d'une pression de serrage en conjugaison avec la vibration de la matrice, lesdites vibrations percussives verticales étant imprimées à la matière par l'intermédiaire du poinçon inférieur. Il est avantageux de réaliser le formage en observant, entre la pression de serrage appliquée à la matière en dessus et la pression due aux vibrations percussives verticales exercées sur la matière en dessous, un rapport de 0,1 à 0,35, et une différence entre les amplitudes des vibrations de la matrice et du poinçon inférieur égale à 0,2-0,5 mm. L'installation pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, comprenant un socle sur lequel est placé sur un intercalaire élastique un ch ssis vibrant auquel sont fixées des colonnes dont la partie supérieure est reliée par une traverse fixe à un vérin sur la tige duquel est fixée une traverse mobile pDrtant le poinçon supérieur, est caractérisé, d'après l'invention, en ce que sur le socle sont montés des vérins aux tiges desquels est accouplée à l'aide d'éléments élastiques une traverse supplémentaire ayant la possibilité de coulisser sur les colonnes et portant des vibrateurs et une matrice, tandis que sur le chassies vibrant est fixé un poinçon inférieur coaxial à la matrice. L'essentiel de l'invention proposée consiste en ce qui suit. le formage des matières semi-sèches dans un moule constitué par une matrice et des poinçons inférieur et supérieur non liés entre eux, permet d'exercer sur la matière à serrer, au cours des différents stades du processus, des actions de caractères et de grandeurs différentes, qui assurent une haute qualité des produits et un grand rendement avec des dépenses d'énergie et un cogt minimaux. Ainsi, le remplissage du moule en matière et le pré serrage de la matière sont obtenus en imprimant au moule des vibrations harmoniques pendant le remplissage. Sous l'effet des vibrations du moule, la matière demi-sèche acquiert de la mobilité, ce qui permet d'accélérer le remplissage, d'assurer un remplissage uniforme du moule, même si la forme de son empreinte est très compliquée et si sa hauteur est grande, sans recourir à des opérations manuelles, et d'obtenir simultanément un préserrage de la matière dans le moule. En outre, le préserrage diminue notablement la hauteur de la couche de matière versée dans le moule, ce qui réduit la durée du formage et, par conséquent, accroît le rendement du processus tout entier. Ensuite la matière est serrée dans le moule sous l'action de vibrations percussives imprimées à la matière à former en dessous et y faisant apparartre une pression P1, en conjugaison avec une pression P2 de serrage appliquée en dessus et des vibrations sur les surfaces latérales. Les vibrations percussives sont imprimées à la matière par l'intermédiaire du poinçon inférieur ; la pression de serrage lui est appliquée par l'intermédiaire du poinçon supérieur, et les vibrations sont imprimées aux surfaces-latérales par l'intermédiaire de la matrice.Les vibrations de la matrices abaissent fortement le coefficient de frottement effectif du matériau contre la paroi de la matrice, aussi le serrage de la matière sous l'action des vibrations percussives et de ia pression de serrage a-t-il lieu en présence d'un frottement fortement réduit de la matière à former sur la surface latérale de la matrice. Ceci permet d'obtenir une densité élevée et uniforme dans le produit avec des valeurs basses de la pression de serrage et de la force perturbatrice du vibrateur, la durée du processus étant courte. De plus, l'action combinée de forces s'exerçant sur tous les cotés de la matière : vibrations harmoniques à la surface latérale, vibrations percussives en dessous et pression de serrage en dessus, outre l'intensification de l'action, abaisse le coefficient de frottement effectif à l'intérieur de la matière et accroit sa mobilité. Cela permet, avec de petites valeurs de la pression de serrage et de la force perturbatrice du vibrateur, ainsi qu' avec une petite durée du processus, d'obtenir un serrage uniforme de la matière dans les produits formés, même de configuration complexe, de grande hauteur et de petite section. les particularités précitées se manifestent avec un maximum d'efficacité quant le rapport (P2/P1) entre la pression P2 de serrage appliquée à la matière en dessus et la pression P1 due aux vibrations I-:-ussives agissant sur la matière en dessous est de 0,1 à C,35. Si le rapport /P1 est inférieur à 0,1, les vibrations du poinçon supérieur sont instables et leur fréquence est inférieure à la fréquence des vibrations en dessous. Dans ce cas, l'intensité action des forces sur la matière et l'efficacité du serrage sont plus faibles.Si le rapport P2/n1 est supérieur Q35, le poinçon supérieur ne se décolle pas de la matière et, riar conséquent, l'action des vibrations percussives ne s'exerce qu'en dessous, c'est-à-dire que le serrage est unilatéral, ce qui provoque une augmentation de l'irrégularité de la densité suivant la hauteur du produit. L'effet des vibrations latérales sur le coefficient de frottement de la matière sur la matrice est maximal quand l'amplitude A1 de vibration de la matrice est plus grande, de 0,2 à 0,5 mm, que l'amplitude A2 des vibrations du poinçon inférieur. Si la différence d'amplitude (A1 -A2) des vibrations est inférieure à 0,2, l'abaisser-ent du coefficient de frottement et l'accroissement de l'intensité d'action des vibrations sur la matière à la surface latérale du produit est insignifiant, ce qui abaisse l'uniformité de la densité suivant la hauteur du produit formé, et augmente la durée du serrage, d'où un abaissement du rendement du formage.Si la différence d'amplitude (A1-A2) des vibrations est supérieure à 0,5, par suite de l'influence mutuelle des vibrations percussives imprimées à la matière en dessous et des vibrations agissant à la surface latérale, les vibrations de la matrice et du poinçon inférieur deviennent instables ce qui réduit fortement leur e-ffet sur la matière à former, aussi la densité obtenue du produit s'abaisse-t-elle et le serrage demande un temps plus long. Pour mieux expliquer l'essentiel de l'invention, on examine plus bas des exemples concrets mais non limitatifs de réalisation du procédé proposé. EXEMPLE 1. Soit à réaliser des capsules pour la fabrication d'une poudre de fer par réduction d'une calamine, se présentant sous la forme de tubes à diamètre extérieur de 510 mm, à'diamètre intérieur de 450 mm et de 310 mm de hauteur. A cet effet, on utilise un mélange demi-sec de carbure de silicium, contenant de l'argile et une lessive alcoolo-sulfitique (liant technologique) pris respectivement aux taux de 3 et de 7 par rapport au poids de la base, c'est-à-dire du carbure de silicium. le moule utilisé est constitué par des poinçons inférieur et supérieur non liés entre eux, une partie intérieure et une partie extérieure de la matrice assemblées entre elles par des taquets en quatre endroits équidistants sur la circonférence. Le poinçon inférieur a des rainures longitudinales non débouchantes, et il est engagé dans l'écartement entre les parties de la matrice de telle façon que les taquets entrent dans ses rainures. La matière demi-sèche est versée dans le moule, la matrice étant simultanément soumise à des vibrations harmoniques à l'aide de vibrateurs électromécaniques. 'a fréquence des vibrations est de 50 Hz, la différence d'amplitude des vibrations de la matrice et du poinçon inférieur est de 0,4 mm. Au cours du remplissage, la matière reçoit ainsi un préserrage de 15fui. Ensuite le serrage est exécuté par action simultanée de vibrations du moule, d'une pression P2 de serrage en dessus sur la matière à serrer égale à t,8 kg/cm2 et d'une force perturbatriceaqui engendre sur la matière, en dessous, une pression P1 égale à 15 kg/cm2, ce qui correspond à un rapport P2/P1 de 0,12. lia durée du serrage est de 25 s. les produits obtenus par le procédé décrit ont une densité apparente moyenne de 2,60 g/cm?- et une différence de densité, dans le volume, ne dépassant pas 0,06 à 0,08 g/cm3. EXEMPLE 2. Soit à réaliser des guides pour des fours de cémentation, se présentant sous la forme d'un parallélépipède de 575 x 180 mm dans le plan et de 90 mm de hauteur, sur un champ duquel sont faits deux chanfreins de 80 x 30 mm. Ba matière utilisée est un mélange demi-sec de carbure de silicium contenant (en poids) : carbure de silicium 80 silicium cristallin 204, solution alcoolique de bakélite, densité 1,16 g/cm3 (liant technologique) 7,5% le pourcentage du liant technologique est calculé par rapport au poids des poudres sèches. le moule utilisé est constitué par des poinçons inférieur et supérieur et une matrice, non liés entre eux. le remplissage et le préserrage de la matière sont effectués de la même manière que dans ltexemple 1. Le serrage définitif est exécuté par action simultanée de vibrations du moule, d'une pression P2 de serrage en dessus égale à 2,5 kg/cm2 et d'une force perturbatrice qui engendre sur la matière, en dessous, une pression P1 égale à 7,8 kg/cm2, ce qui correspond à un report P2/P1 de 0,32. La durée du serrage est de 10 à 15 s. Les produits obtenus par le procédé décrit ont une densité apparente moyenne de 2,70 g/cm3 et une différence de densité, dans le volume, ne dépassant pas 0,05 g/cm3. EXEMPTE 3. Soit à réaliser des supports pour la cuisson de produits céramiques, se présentant sous la forme d'un profilé en I de 200 mm de longueur, de 200 mm de hauteur, avec une largeur d'aile de 100 mm et une épaisseur d'ame de 25 mm. La matière utilisée est un mélange semi-sec de carbure de silicium, de même composition que dans l'exemple 1. De même que dans les exemples précédents, le moule est constitué par des poinçons inférieur et supérieur et une matrice, non liés entre- eux. Ta section des poinçons et de la matrice a la forme d'un I aux dimensions voulues. Le remplissage et le préserrage sont exécutés de la même façon que dans l'exemple 1. Le serrage définitif est exécuté comme dans les exemples 1 et 2, mais avec une pression P2 de serrage en dessus de 21 kg/cm2 et une force perturbatrice donnant une pression P1 de 8,4 kg/cm2 sur la matière, en dessous, ce qui correspond à un rapport P/P1 de 0,25. La durée due serrage est de' 20 s. Les produits obtenus ont une densité apparente moyenne de 2,62 à 2,64 g/cm3 et des différences de densité ne dépassant pas 0,06 g/cm3. Pour une meilleure compréhension de l'essentiel de l'invention, on a annexé à la présente description des dessins illustrant un mode de réalisation concret mais non limitatif de l'installation faisant l'objet de l'invention. Dans coe dessins : - la figure 1 représente une installation pour le formage de capsules servant à l'élaboration d'une poudre de fer par réduction d'une calamine (vue en élévation avec arrachements); - la figure 2 représente la même installation, vue de côté . L'installation représentée par les dessins comprend un socle 1 (figures t et 2) sur lequel est placé un élément intercalaite en caoutchouc 2. Sur l'intercalaire est monté un châssis vibrant 3 dans lequel sont fixées des colonnes 4. A la partie supérieure des colonnes 4 est fixée une traverse fixe 5, dans laquelle est monté un vérin 6, dont la tige 7 est accouplée à une traverse mobile 8 portant le poinçon supérieur 9. Sur le socle 1 sont montés des vérins 10, sur les tiges 71 desquels est montée, avec interposition de ressorts 12, une traverse supplémentaire 13. Cette traverse porte des vibrateurs électromécaniques 14 à balourds et la matrice 15 du moule.Le chassies vibrant 3 est serré contre l'élément intercalaire en caoutchouc 2 par des dispositifs de serrage 16. Dans le chassis vibrant sont fixés deux vibrateurs électromécaniques 17 avec des balourds 18. Sur le chassies vibrant 3 est fixé le poinçon inférieur 19.La matrice 15 se composte de deux éléments cylindriques 20 et 21, disposés coaxialement et reliés entre eux, à leur partie inférieure, par des taquets 22, en quatre points équidistants de la circonférence. la matrice est montée de telle façon que le poinçon inférieur t9 s' engage dans l'écartement entre ses éléments cylindriques 20 et 21, en formant ainsi une cavité fermée en bas pour la réception de la matière à former Be chassies vibrant 3, les colonnes 4 et la traverse 5, solidarisés entre eux, forment une structure rigide qui assure avec la précision nécessaire le guidage de la traverse mobile 8 avec le poinçon supérieur 9, ainsi que de la traverse supplémentaire 13 avec la matrice 15, lors de leur mouvement rectiligne alternatif par rapport au poinçon inférieur 19. En position initiale, la traverse mobile 8 (figures 1 et 2) avec le poinçon supérieur 9, ainsi que la traverse supplémentaire 13 avec la matrice 15, se trouvent en position haute. Bes éléments 2Q et 21 de la matrice et la surface supérieure du poinçon inférieur 19 forment alors la cavité dans laquelle doit être versée la matière 23. te fonctionnement de l'installation venant entre décrite met en évidence le procédé proposé de formage des produits, par exemple de capsules. La quantité nécessaire de mélange demi-sec de carburede silicium est versée dans le moule par un dispositif de remplissage ou à la main. Be vibrateur 14 (figure 1) est mis en marche. Ses arbres à balourds, en tournant en sens contraire, engendrent des vibrations verticales de la traverse supplémentaire 13 et de la matrice 15 s'appuyant sur les ressorts 12. Sous l'effet des vibrations, la matière demi-sèche emplit uniformément la cavité du moule et y est simultanément préserrée. le vérin hydraulique 6 est mis en action. Il fait descendre la traverse mobile 8 avec le poinçon supérieur 9. En descendant, le poinçon supérieur 9 serre la matière 93 dans le moule. Simultanément, la matrice 15 descend en commun avec la traverse supplémentaire 13, en s 1engageant sur le poinçon inférieur 19. Durant la descente de la traverse supplémentaire 13, les tiges il chassent le fluide moteur des vérins hydrauliques 10 vers le retour. les moteurs électriques 24 (figure 2) du vibrateur 17 sont mis en marche. Par l'intermédiaire de l'accouplement 26, ils font tourner le synchroniseur 26, d'où la rotation est transmise par les arbres à cardan 27 aux arbres porte-balourds 18 du vibrateur 17 dans des sens contraires, en s > ,rnchronisme. Il en résulte la production de vibrations verticales transmises au cassis vibrant 3 et au poinçon inférieur 19 qui en est solidaire. Sous l'action de la force perturbatrice du vibrateur 17, le chassies vibrant 3 se décolle de l'élément intercalaire élastique 2, puis, durant sa course de descente sous l'action du poids des parties vibrantes (chassie vibrant 3, poinçon inférieur 19, colonnes 4, traverse supérieure 5, vérin 6, vibrateur 17) et de l'effort des ressorts 28 du dispositif de serrage 16, elle vient frapper l'intercalaire élastique 2, qui accroît l'amplitude et lraceélération des vibrations.C'est ainsi que sont engendrées les vibrations percussives qui sont bien plus efficaces que les oscil ations harmoniques pour le serrage de la matière et accélèrent le formage De la sorte, la matière emplissant le moule est soumise à l'action de vibrations percussives, qui lui sont appliquées en dessous par le poinçon 19, à l'action de l'effort de serrage appliqué en dessus par le poinçon supérieur 9, et à l'action de vibrations harmoniques aux surfaces latérales intérieure et extérieure, appliquées aux éléments 20 et- 21 de la matrice. Sous l'effet de ces actions, la matière est serrée rapidement et uniformément jusqu'à la densité définitive requise. A l'issue de 20 à 25 secondes (la durée est fixée selon les dimensions du produit et la composition de la matière), les moteur électrique sont arrêtés et la rotation des arbres porte-balourds des vibrateurs 14 et 17 cesse. le serrage est achevé. Le vérin hydraulique 6 soulève la traverse mobile 8 avec le poinçon supérieur 9 jusqu'à la position haute, tandis que les vérins hydrauliques 10 font descendre la traverse supplémentaire 13 avec la matrice 15 en libérant le produit formé. Simultanément avec la mise en descente des vérins 10, les moteurs électriques des-vibrateurs t4 sont mis en marche. Les-vibrations de la matrice 15, pendant la libération du produit formé, abaissent fortement l'effort à appliquer et accélèrent ce processus ; il en résulte la réduction de l'usure des éléments 20 et 21 de la matrice. Quand I'arQte supérieure du produit a dépassé le plan supérieur de la matrice, les vibrateurs 14 sont arrêtés. Le produit (capsule) resté sur le poinçon inférieur 19 est enlevé de l'installation et transmis au traitement ultérieur (séchage). Ensuite, la traverse supplémentaire 13 avec la matrice 15 sont remontés jusqu'à la position haute. Le cycle de formage de la capsule est achevé et l'installation est prête à commencer le cycle suivant. Be rendement de l'installation est de 40 à 45 produits à l'heure. Comme le fait apparaitre la description, le procédé de formage de produits partir de matières demi-sèches et l'installation pour le réaliser permettent d'obtenir, avec un grand rendement, des produits de haute qualité. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné 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 suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVEND ICAT IONS 1. Procédé de formage de produits à pattir de matières pulvérulentes demi-sèches, de préférence réfractaires et céramiques, introduction de la matière pulvérulente. dans un moule, suivie du serrage de la matière sous l'action simultanée de vibrations percussives verticales appliquées en dessous et d'une pression de serrage appliquée en dessus par l'interclédiaire d'un poinçon supérieur, caractérisé en ce que l'on utilise un moule assemblé avant le formage, constitué par un poinçon inférieur et une matrice disposés coaxialement, la matrice étant soumise, pendant l'introduction de la matière dans le moule, à l'action de vibrations harmoniques pour le préserrage de la matière, laquelle est ensuite serrée sous l'action de vibrations percussives verticales et d'une pression de serrage en conjugaison avec la vibration de la matrice,- lesdites vibrations percussives verticales étant imprimées à la matière par l'intermédiaire du poinçon inférieur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le formage des produits est réalisé de telle manière que le rapport de la pression de serrage appliquée à la matière en dessus et la pression due aux vibrations percussives verticales exercées sur la matière en dessous, soit compris dans la plage de 0,1 à 0,35. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le formage des produits est réalisé de telle manière que l'amplitude des vibrations de la matrice soit supérieure de 0,2 à 0,5 mm à l'amplitude des vibrations du poinçon inférieur. 4. Installation pour le formage de produits à partir de matières pulvérulentes demi-sèches, de préférence réfractaires et céramiques pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, du type comprenant un socle sur lequel est placé sur un élément intercalaire élastique un châssis vibrant auquel sont fixées des colonnes dont la. partie supérieure est reliée par une traverse fixe à un vérin sur la tige duquel est fixée une traverse mobile portant le poinçon supérieur, caractérisée en ce que sur le socle précité sont montés des vérins aux tiges desquels est accouplée, à l'aide d'éléments élastiques, une traverse supplémentaire mobile en va-et-vient sur lesdites colonnes et portant des vibrateurs et une matrice, tandis que sur ledit châssis vibrant est fixé un poinçon inférieur coaxial à la matrice.