Brevet FR2287949A1 — publié le 19760514

La présente invention a trait au domaine de l'extrusion de matériaux sous forme de fils continus par passage forcé de la matière à extruder dansl'orifice d'une filière. Elle concerne tout spécialement un nouveau procédé d'extrusion selon lequel la matière à extruder est prélevée en continu à la surface du matériau, ainsi qu'un appareil de mise en oeuvre et les applications de ce procédé, notamment pour la fabrication de fils métalliques de très faible section. Un certain nombre de techniques sont utilisées depuis longtemps pour ltextrusion de matériaux de natures diverses. Dans le cas, par exemple, de la fabrication de fils métalliques fins de diamètres compris entre quelques millièmes et quelques dizièmes de millimètre à partir de fils d'un ou plusieurs millimètres de diamètre, on fait passer la matière première dans une série de filières de diamètres successifs décroissants jusqu'à obtention du diamètre final souhaité. C'est ainsi que, pour le tréfilage du cuivre, une machine destinée à l'obtention d'un fil de 0,02 mm de diamètre à partir d'un fil de base de 0,1 mm comporte au moins une vingtaine de filières.Outre les coûts élevés de construction, mise en oeuvre et entretien de telles machines, il faut noter que les opérations préliminaires, effectuées manuellement, d'introductions successives du fil à pointe spécialement effilée dans chaque filière de la série jusqu' obtention de longueurs suffisantes pour enroulement sur les cabestans, sont extrêmement longues et délicates. En outre, le diamètre des filières successives doit être très précis, la tolérance admise étant par exemple de 0,001 mm pour un fil de 0,01 à 0,02 mm. Enfin, du fait des frottements du métal au sein de chaque filière, il se produit fréquemment des ruptures de fil en aval de la filière ce qui entrain des pertes de temps et de matériau. L'invention permet d'obvier à l'ensemble des inconvénients ci-dessus en substituant à la technique de tréfilage, actuellement utilisée, un nouveau procédé d'extrusion dont la mise en oeuvre est extrêmement aisée et qui permet, grâce à l'appareillage très simple employé, de diminuer par un facteur de plusieurs unités le coat des installations conventionnelles de tréfilage. Certes, divers procédés d'extrusion de fils fins ont été proposés à ce jour, notamment par utilisation de techniques dites de filage hydrostatique, mais aucune ne permet apparemment de produire une longueur indéfinie de fil extrêmement fin (de diamètre compris entre un et quelques dizièmes ou centièmes de millimètre) à une vitesse élevée (de l'ordre de plusieurs dizaines de mètres par seconde), laquelle est généralement requise pour que la fabrication soit économiquement rentable. L'invention apporte une solution à ce problème technique en proposant un procédé et un appareillage qui permettent, à l'aide d'un seul dispositif porte-filière, d'obtenir directement un fil fin de longueur indéfinie par prélèvement de la matière à extruder uniquement à la surface d'une provision dont la forme et les dimensions peuvent varier à l'infini. Le nouveau procédé selon l'invention est essentiellement caractérisé par le fait que la matière à extruder, soumise localement à une pression mécanique en amont et au voisinage de l'orifice d'une filière et alors qu'elle se trouve en mouvement par rapport à la filière ou vice-versa, est prélevée régulièrement et uniquement en aval dudit orifice, sur la surface du matériau, la filière délivrant directement, en une seule phase, un fil continu du calibre désiré. Selon une caractéristique principale, la pression locale exercée sur la matière, le prélèvement de cette dernière à la surface du matériau et l'extrusion par la filière, sont effectués simultanément et instantanément à l'aide du meme dispositif, qui se trouve soit fixe soit en déplacement par rapport au matériau à extruder en mouvement. Dans le procédé, le matériau servant de provision et qui défile ou se trouve en rotation à grande vitesse devant et contre le dispositif à filière, peut revêtir diverses formes. Par exemple, il peut s'agir d'un cylindre, massif ou à revêtement superficiel d'une matière à extruder; dans ce cas, le cylindre est mis en rotation et le dispositif se déplace sur la surface de ce cylindre, le prélèvement de matière s'effectuant alors selon une trajectoire hélicoldale sur ladite surface. La provision peut également avoir une forme allongée telle que fil, tige, barre, ruban ou analogue, ou encore une forme plane telle que plaque, tôle, etc. et, dans ces cas, le prélèvement se fait selon une ou plusieurs génératrices, le dispositif restant fixe, soit selon une trajectoire quelconque. Selon une variante du procédé précité, la provision reste fixe alors que le dispositif de prélèvement se déplace autour ou le long de cette provision. En pratique, un dispositif selon l'invention remplissant les trois fonctions précitées est constitué par un outil porte filière qui comprend essentiellement : une fac frontale lisse destinée à glisser sur le matériau-provision; au moins un orifice calibré de section transversale correspondant à celle du fil à obtenir et dont l'axe est sensiblement orthogonal à la faoefrontale: et, immédiatement en aval de l'orifice calibré, au moins un talon ou bec en saillie par rapport à la face frontale et destiné à prélever la matière à extruder en la repoussant devant lui et en la forçant à pénétrer dans ledit orifice. Au cours de l'opération d'extrusion, la face frontale de l'outil, qui présente généralement une pente d'engagement par rapport à la provision, est fortement appliquée, par pression mé- canique, sur la surface de la provision et cette dernière, en mouvement comme dit ci-dessus, défile en glissant sur la face frontale suivant une direction et un sens tels que la surface de la provision rencon-tre le talon ou bec immédiatement en aval de l'orifice calibré. La pression d'appui est maintenue à une valeur suffisante pour que le talon pénètre entièrement dans la provision. Lors du mouvement de glissement relatif entre l'outil et-la provision, le talon repousse la matière devant lui.Cette matière déplacée tend à provoquer uri gonflement de la surface au voisinage du talon, tout particulièrement en amont de ce dernier, mais la pression exercée dans cette zone par la face frontale de l'outil porte-filière s' op- pose à ce gonllement. Ainsi, la matière est soumise à une pression très élevée dans la zone située au voisinage de l'orifice calibré de la filière et, lorsque cette pression atteint une valeur suffisante, la matière s'écoule par l'orifice sous forme d'un fil continu. La réalisation de l'outil porte-filière ne pose -pas de problèmes techniques particuliers. Cet outil est conçu généralement, et tout particulièrement dans le cas de l'extrusion de fils métalliques, en un matériau dur et résistant tel que par exemple en diamant, comme cela est le cas pour les filières connues des machines à tréfiler. Le talon qui, dans l'outil, sert à prélever la matière en incisant à grande vitesse la surface de la provision, constitue partie intégrante du dispositif porte-filière et peut avoir toute conformation adéquate apte à supporter, sans usure excessive, un long travail de rainurage de la surface d'une provision en matériau dur, par exemple un métal. En pratique, l'outil porte-filière peut comporter un seul orifice d'extrusion et, eh aval et à proximité de celui-ci, un seul talon en saillie de la face frontale d'appui sur la provi sion. Toutefois, selon une variante, l'outil peut être conçu pour avoir plusieurs orifices calibrés, soit immédiatement au-dessus d'un bec de prélèvement, soit répartis entre plusieurs becs, de façon à produire simultanément plusieurs fils de même diamètre ou de diamètres différents. Du fait que, selon le procédé de l'invention, la matière, comme par exemple le métal, est prélevée uniquement à la surface de la provision, cette dernière ne peut être, à priori, entièrement transformée en fil. Pour obvier à cet inconvénient qui pourrait, dans certains cas, compromettre la rentabilité de l'opération, il est possible d'accroftre la proportion de provision transformable, soit en faisant travailler simultanément plusieurs outils-filières sur une meme provision, soit en effectuant plusieurs opérations successives de prélèvement sur une même provision, ou encore en combinant les deux méthodes ci-dessus. Comme dit ci-dessus, la forme et les dimensions du matériau utilisé à titre de provision peuvent varier à l'infini, ainsi d'ailleurs que la section du fil obtenu, selon la forme préalablement choisie pour l'orifice de la filière. C'est ainsi par exemple que, dans le cas de l'extrusion du cuivre, on peut obtenir directement en une seule passe, un fil de cuivre de 0,02 z de diamètre, en utilisant, à titre de provision, soit un fil de section circulaire d'environ 0,15 mm de diamètre, soit -un ruban, soit un fil de section circulaire aplatie par écrasement, soit une billette cylindrique de diamètre quelconque, soit une tôle ou plaque, soit toute autre forme de matière première. - Un intérêt particulièrement notable du procédé selon l'invention réside dans le fait que, le fil étant prélevé à la surface de la provision, il est possible de recouvrir préalablement un support quelconque en matériau dur tel que céramique, carbure métallique ou analogue, par un dépôt du matériau à extruder réalisé par électrolyse, par sublimation sous vide, ou par tout autre procédé, le fil étant ensuite prélevé uniquement dans l'épaisseur de ce revetement. Cette méthode permet de produire économiquement un fil de grande pureté, possédant d'ercellentes caractéristiques métallurgiques et présentant un minimum de risques de défauts générateurs de ruptures.Ainsi, selon une application particulière de l'invention, il est possible de fabriquer en continu des fils métalliques, par exemple en cuivre, à partir de provision sous forme de plusieurs cylindres en matériau dur, disposés en rotation sur tourniquet de façon à être soumis successivement aux opérations de cuivrage rinçage, essorage - prélèvement du fil - dégraissage - rinçage, essorage - décuivrage puis recuivrage, et ainsi de suite selon un cycle continu. Bien entendu, dans B mise en oeuvre dtune telle ap- plication, le revêtement métallique superficiel sur support en matériau dur peut être obtenu par toute autre méthode que par électrolyse, par exemple en utilisant des procédés de dépôts chimiques, en effectuant une métallisation sous vide ou par toute autre technique connue. Selon un autre mode de réalisation du procédé de l'invention dans le cas où la provision de départ est constituée par un fil, par exemple métallique, d'assez gros diamètre, il est par ticulièrement avantageux de faire défiler en continu ce fil, entrat- né à grande vitesse sur un ensemble bobinoir--dévidoir, devant l'outil porte-filière en prenant appui, en face de celui-ci, sur un cylindre rotatif en matériau dur. Selon un perfectionnement de cette mise en oeuvre, ce cylindre peut avantageusement posséder sur sa surface une rainure ou cannelure circulaire tenant lieu de guide pour le fil. A sa sortie de la ou des filières, le fil est rebobiné sous une tension suffisante pour que l'effet conjugué de cette tension et de ltap- pui sur le cylindre tournant garantisse un défilement à vitesse régulière. L'invention sera mieux comprise par la description, à titre illustratif d'une part, d'un outil porte-filière selon les caractéristiques susdécrites (figure t) et , d'autre part, de quel oueds modes de mise en oeuvre brièvement représentés sur les figures 2 et 3 et qui feront l'objet d'exemples de réalisation. tomme on peut le voir sur la figure 1, l'outil portefilière comprend essentiellement : une face frontale lisse qui, en pratique présente une légère pente d'engagement par rapport au matériau-provision; un orifice calibré 2 dont l'axe est sensiblement orthogonal par rapport à la face frontale; et un bec ou talon 3, qui déborde de la face frontale et est situé au voisinage immé diat de orifice 2. Pour effectuer l'opération d'extrusion, on fait tourner ou défiler à grande vitesse le matériau-provision 4 devant l'outil en appliquant fortement la face frontale 1 sur la surface de 4. Lors de son déplacement selon la flèche F, la surface de la provision 4 (par exemple du métal) rencontre le talon 3 immédiatement en aval de l'orifice 2.La pression d'appui de 1 sur la surface de 4 doit entre suffisante pour que le talon 3 pénètre in tégralement dans la provision 4. Lors du mouvement de glissement relatif entre outil et la provision, le talon repousse le métal devant lui. Ce métal, qui tend à provoquer une déformation de la surface, vite résorbée par la pression d'appui exercée par la face frontale 1, est soumis à une pression très élevée dans la zone 5 à l'entrée de l'orifice calibré 2. Quand cette pression atteint une valeur suffisante, le métal s'écoule par 2 sous forme d'un fil continu 6. Selon la variante d'exécution déjà citée, c'est l'outil porte-filière qui peut se déplacer autour ou le long de la provision qui, elle, reste fixe. Bien entendu, pour refroidir et améliorer les conditions de travail de l'outil porte-filière, il peut être nécessaire de procéder à une lubrification adéquate, selon tous moyens connus. Exemples de réalisation. En désignant par Lp la longueur de la trajectoire parcourue par l'outil-filière à la surface de la provision et par Lf la longueur correspondante du fil produit, on peut définir le rendement linéaire de production sous forme de R = Lf/Sp. Ce rendement est fonction de nombreux paramètres tels que la forme et les dimensions de l'outil porte-filière, la pression d'appui de cet outil, la nature et la section du fil extrudé, la vitesse de glissement relatif à la face frontale 1 sur la surface de la provision 4 (fig.1), la lubrification, etc. En pratique, dans la mise en oeuvre du procédé de l'invention, R est souvent compris entre 0,5 et 2 mais il peut atteindre des valeurs beaucoup plus élevées. Dans les exemples qui suivent, qui concernent la production d'un fil de cuivre de section circulaire de 0,02 mm de diamètre et où l'on a utilisé un outil porte-filière en diamant, on admettra que R est égal à 1. Exemple 1- Cet exemple illustre un mode de prélèvement de fil de cuivre au sein d'un dépôt électrolytique superficiel préalablement effectué sur un support cylindrique en acier et il se réfère au schéma simplifié de la figure 2. lie support est un cylindre 7 en acier rectifié de 1 m de circonférence et 1,5 m de longueur. Il est recouvert d'une couche de cuivre électrolytique 8 de 0,07 à 0,06mu d'épaisseur, puis disposé sur une machine spéciale (non représentée) fonctionnant à la manière d'un tour à charioter où le cylindre tourne dans le sens de la flèche 9. L'outil-filière 10 (dont structure est identique à celle représentée sur la figure 1) est appliqué à la surface du cylindre et parcourt celui-ci dans le sens de la flèche 11. Il prélève dans l'épaisseur du dépôt 8 un fil de cuivre 12 en suivant sur le cylindre une trajectoire hélicoldale 13. Le fil obtenu 12 traverse un dispositif accumulateur-régulateur 14 de tension mécanique, de type connu, avant de s'enrouler sur une bobine réceptrice 15. L'avance par tour de l'outil-filière étant de 0,15 mm, le trajet total parcouru par cet outil est de 10.000 m. Pour R = 1 la longueur du fil produit est également de 10.000 mètres, ce qui correspond environ à 30 grammes de fil de cuivre de 0,02 mm de diamètre. La durée utile de l'opération était d'environ dix minutes. Après consommation de la provision constituée par le dépôt électrolytique 8, on a retiré le cylindre de la machine, puis on a soumis celui-ci aux opérations de dégraissage, rinçage, essorage, décuivrage électrolytique, recuivrage, rinçage, essorage; ensuite, le cylindre a été replacé sur la machine. Bien entendu, en disposant sur un tourniquet plusieurs cylindres en service, on peut limiter au minimum les temps morts. Dans une installation telle que celle décrite cidessus, on peut produire au minimum 150 g, soit 50 km/heure, d'un fil de cuivre de naute qualité avec un seul outil porte-filière. Un seul opérateur sans habileté particulière peut facilement zone duire au moins deux machines du type ci-dessus fonctionnant en parallèle. Exemple 2 Cet exemple illustre un mode de prélèvement de fil de cuivre à la surface et suivant une génératrice,d'un fil-provision en cuivre écroui de O,t5 mm de diamètre et ilsse réfère au schéma simplifié de la figure 3. Un ensemble dévidoir 16 - bobinoir 17, à tension de fil contrôlée, permet de faire défiler la provision 18 devant l'outil filière 19, à la vitesse d'environ 1.000 mètres par minute. :n face de l'outil 19, le fil-provision s' appuie sur un cylindre tournant 20, en matériau dur, présentant de préfèrence une petite cannelure circulaire destinée au guidage du fil 18. L'effet combiné de l'appui du fil sur le cylindre 20 et de la tension de rebobinage en 17 assure un défilement de la provision à vitesse régulière devant l'outil 19. Selon un perfectionnement, on peut aplatir le fil provision 18 sur le cylindre d'appui 20 à l'aide d'un galet presseur 21 avant passage du fil devant 11 outil 19. Ce mode d'exécution permet d'améliorer sensiblement le rendement linéaire R. Comme dans l'exemple t, le fil fin 22; obtenu directement avec un diamètre de 0,02 mm, traverse un dispositif accumulateur-régulateur de tension mécanique 23 avant de s' enrouler sur la bobine réceptrice 24. Dans ces conditions opératoires, pour R = 1, la production est de 10 km de fil (soit 30 g) en 10 minutes ce qui correspond à un taux de 60 km/heure (soit 180 g de fil). Un seul opérateur sans habileté particulière peut conduire plusieurs machines semblables fonctionnant simultanément. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à ces modes de réalisation et application susdécrites et peut être mise en oeuvre pour la production de divers types de fils, métalliques ou autres, selon diverses variantes empruntant les caractéristiques principales énoncées ci-dessus et dans les revendications. Elle permet de réaliser des fils de faible section en matériaux réputés très difficiles, voire impossibles à tréfiler, comme par exemple en magnésium, titane, etc. Enfin, compte tenu de l'obtention directe d'un fil très fin, en une seule passe, et de l'importante économie de matériel et de main d'oeuvre réalisée, la nouvelle technique selon l'invention présente un rapport de coûts extremement favorable par rapport aux procédés de tréfilage actuellement utilisés. REVENDICATIONS 1 . Procédé d'extrusion d'un matériau en fils de très faible sec tion par passage forcé de la matière à extruder dans l'orifice d'une filière, caractérisé en ce que la matière, soumise localement à une pression mécanique en amont et au voisinage de l'orifice d'une filière et alors qu'elle se trouve en mouvement par rapport à la filière ou vice-versa, est prélevée régulièrement et uniquement en aval dudit orifice sur la surface du matériau, la filière délivrant directement, en une seule phase, un fil continu du calibre désiré. 2 . Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la pres sion locale exercée sur la natière, le prélèvement de cette dernière à la surface du matériau et l'extrusion par la filière sont effectués simultanément et instantanément à l'aide du même dispositif, soit fixe, soit en déplacement, par rapport au matériau en mouvement. 3 . Procédé selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le prélèvement de la matière est effectué sur la surface d'un cylindre, plein ou creux, en mouvement rotatif, du matériau à extruder, suivant une trajectoire hélicoïdale. 4 . Procédé selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le prélèvement de la matière est effectué sur la surface d'une forme allongée, en défilement continu, du matériau à extruder, tel que fil, ruban, barre ou analogue, suivant une ou plusieurs génératrices. 5 . Procédé selon les revendications i et 2 caractérisé en ce que le prélèvement de la matière est effectué sur la surface d'une forme plane, en défilement continu, du matériau à extruder, tel que feuille, plaque ou analogue, suivant une trajectoire quelconque. o . Procédé selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le prélèvement de la matière est effectué sur la surface d'un cylindre, plein ou creux, d'une forme allongée ou d'une forme plane, ladite matière se trouvant fixe alors que le dispositif de prélèvement se déplace autour ou le long de cette matière. 7 . Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le matériau à extruder est massif. 8 . Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le matériau à extruder se présente sous la forme d'un revêtement superficiel et en ce que le prélèvement est effectué uniquement sur ce revêtement. 9 . Appareil de mise en oeuvre du procédé selon l'ensemble des revendication 1 à 8 caractérisé en ce qu'il comporte outre des moyen connu pour faire tourner ou défiler le matériau a extruder: a) - Un outil porte-filière, appliqué sur le matériau et comprenant, de haut en bas, dans le sens du mouvement du matériau: une face frontale lisse destinée à glisser sur le matériau; au moins un orifice calibré de section transversale correspondant à celle du fil à obtenir et dont l'axe est sensiblement orthogonal à la face frontale; et, immédiatement en aval de l'orifice calibré, au moins un talon ou bec en saillie par rapport à la face frontale et destiné à prélever la matière à extruder en la repoussant devant lui et en la forçant à pénétrer dans ledit orifice. c) - Des moyens, de type connu, pour réceptionner le fil de faible section obtenu, sur bobines, après passage dans un accumulateur-régulateur de tension mécanique. 10 . Appareil selon la revendication 9 caractérisé en ce que plu sieurs outils porte-filières fixes sont disposés en série sur le même matériau en mouvement à extruder. 11 . Appareil selon la revendication 9 caractérisé en ce que l'on effectue plusieurs opérations successives de prélèvement de matière à l'aide d'un seul outil porte-filière sur le mdme matériau à extruder. 12 . Appareil selon la revendication 9 caractérisé en ce que plu sieurs outils porte-filières fixes sont disposés sur le même matériau en mouvement à extruder et en ce que l'on effectue plusieurs opérations successives de prélèvement de matière à l'aide de chacun desdits outils. 17 . Application du procédé selon les revendications 1 à 8 et de l'appareil selon les revendications 9 à 12, à ltextrusion en continu de fils métalliques en métaux purs ou alliages à partir d'un matériau sous la forme de : cylindre de gros diamètre, tige, barre, ruban, plaque ou tôle, sous forme massive ou à revêtement métallique superficiel. 14 . Application du procédé selon les revendications 1 à 8 et de l'appareil selon les revendications 9 à 12, à la fabrication en continu de fils métalliques de très faible section par extrusion d'un matériau sous forme de fil de fort diamètre qui, entrat- né à grande vitesse sur un ensemble bobinoir-dévidoir, défile en continu devant 11 outil porte-filière en prenant appui, en face de celui-ci, sur un cylindre rotatif en matériau dur pouvant présenter une cannelure circulaire de guidage du fil à extruder, le produit obtenu étant rebobiné à la sortie sous une tension et à une vitesse adéquates. 15 . Application du procédé selon les revendications 1 à 8 et de l'appareil selon les revendications 9 à 12, à la fabrication de fils de cuivre de faible section à partir de cylindres rotatifs en matériau dur ayant reçu un revêtement superficiel de cuivre, les cylindres étant soumis, selon un cycle continu, à des opérations de dégraissage, rinçage-essorage, après prélèvement du revêtement par le talon de l'outil porte-filière, puis à une opération de recuivrage, avant nouveau prélèvement.