Brevet FR2321351A1 — publié le 19770318

l'invention concerne généralement la fabrication d'axes, de vis, de boulons, et de pièces métalliques analogues qui sont destinées à la construction aéronautique ou d'autres constructions structurales qui sont soumises notamment à des efforts alternés, et dans lesqueIEsles pièces précitées doivent donc présenter des caractéristiques mécaniques élevées, être de géométrie parfaite et respecter des tolérances digenssionnelles extrèmement faibles de l'ordre du centième de millimètre. En raison de ces contraintes, ces pièces snnt nécessairement obtenues par forgeage pour présenter de bonnes caractéristiques de fibrage et donc de bonnes caractéristiques mécaniques o'est-à-dire que les fibres du métal sont continuas et suivent approximativement le contour extérieur des pièces dans l'ase de celles-ci, Cependant, les pièces obtenues par forgeage ne pouvaient respecter les contraintes dimensionnelles très sévères qui sont imposées, et devaient donc être terminées par un usinage mécanique de finition, qui entraînait nécessairement un enlèvement de métal et détériorait donc les caractéristiques mécaniques conférées par le fibrage obtenu lors du forgeage. Les pièces usinées étaient ensuite traitéesthermiquement, puis, dans le cas de pièces filetées, les filetages étaient réalisés par roulage à froid, De plustpour tenter d'éliminer les risques de rup- ture dans les vis au niveau du raccordement entre la tête et le ftt, et qui sont dus à la coupure des fibres du métal lors de l'usinage de finition précité, on procédait à un écrouissage local, par galetage, de cette zone de raccordement. Il se produisait, au cours de cette opération un gonflement local du fût et de la tête de la vis de part et d'autre de la zone de raccordement, de sorte qu'il était nécessaire de reprendre ensuite les vis en usinage final par rectification sans centre. Toutes ces opérations d'usinage et de galetage sont longues et délicates, donc très onéreuses, et de plus ne permettent pas de retrouver les qualités mécaniques d'une pièce obtenue brute de forgeage. L'invention a précisément pour but de pallier les inconvénieAts des procédés antérieurs de fabrication de telles pièces, tout en permettant de réaliser, d'une manière plus économique des pièces de géométrie de grande précision et de meilleures caractéristiques mécaniques, à l'aide d'une nouvelle méthode de forgeage. Dans ce but, l'invention propose un procédé de fabrication industrielle d'axes, de vis, de boulons, et de pièces métalliques analogues devant présenter des caractéristiques mécaniques élevées et en particulier respecter des tolérances dimensionnelles très faibles, ces pièces étant obtenues notamment par forgeage à partir de tronçons de barres cylindriques réalisées par exemple par étirage et rectification , caractérisé en ce qui oonsiste, J à lubrifier lesdits tronçons au moyen d'un produit approprié résistant à la chaleur et aux efforts de forgeage, à chauffer lesdits tronçons lubrifiés jusqu'à une température prédéterminée, et à les soumettre à un matriçage de précision après lequel les pièces obtenues respectent des tolérances dimersionnelles de l'orde du centième de millimètre. La grande précision obtenue lors du matriçage selon l'invention permet de se dispenser de l'usinage mécanique de finition auquel les pièces matricées étaient auparavant soumises, et donc de conserver le bénéfice conféré par le fibrage obtenu lors du matriçage, la suppression de ces opérations d'usinage de finition entraine également la suppression de l'écrouissage local par galetage effectué auparavant dans la zone de raccordement entre le fût et la tête d' une vis0 Belon encore une autre caractéristique de l'invention, les tron çons lubrifiés sont chauffés, avant matriçage, à une température inférieure au point de transformation des métaux ou alliages métalliques utilisés. La lubrification des tronçons avant matriçage permet en effet de réduire dans une mesure importante, les forces de frottements qui se développent entre les tronçons et la matrice, de sorte qu'il devient possible de forger des pièces chauffées à une température inférieure au point de transformation de leur métalc ou alliages métallique O Il n'est plus alors ndoessaire de procéder à un traitement thermique de recuit des pièces matriçées avant de procéder à la formation du filetage par roulage à froid. Belon encore une.-autre caractéristique de l'invention, ltopéra- tion de lubrification des tronçons consiste à pulvériser, sur lesdits tronçons, un lubrifiant solide en suspension dans une résine, et à polynériser ladite résine.De cette façon, le lubrifiant est parfaitement accroché à la surface extérieure des tronçons et de meure en place tout au long du matriçage l'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, avantages et caractéristiques de celle-ci apparattront mieux au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention e-t; dans lesquels -la figure 1 représente schématiquement une vue en coupe d1 une partie d'une vis obtenue par forgeage ou matriçage, et illustrant notamment le fibrage du métal de cette pièce -la figure 2 est une vue schématique en perspective d'une vis réalisée par le procédé selon ltisvention ; -la figure 3 représente schématiquement, sous forme de blocs, les opérations de fabrication d'une vis selon l'invention -la figure 4 est une vue schématique partielle en coupe des outils de forgeage selon l'invention ; et -la figure 5 représente schématiquement les oti GUtSS de roulage des filets d'une vis selon l'invention. Afin de mieux faire comprendre le but poursuivi par la présente invention, on a représenté schématiquement en figure 1 une coupe d' une partie d'une vis 1 selon l'invention, montrant le fibrage du métal. Cette vis est obtenue brute de forgeage, et on voit que les fibres 2 du métal sont ensiblerent continues, même au niveau de la tete3de la vis et de la one de raccordement 4 entre la tette 3 et le ftt , et que ces fibres suivent approximativement le contour apparent de la vis t. Avec les procédés antérieurs eonnus de fabrication de telles pièces, il n'était pas possible d'obtenir des pièces brutes de forgeage qui respectent des tolérances dimensionnelles de l'ordure du centième de millimètre Il devenait alors necéssaire de procéder à un usinage mécanique de finition, selon le contour représenté par les lignes 6 dessinées en traits d'ase. Cet usinage de finition correspondait à un enlèvement de métal, et donc à une coupure des fibres du métal, notamment au niveau de la zone de raccordement 4, comme on le voit bien en figuré 1. affin d'éviter les risques de rupture dans cette zone de raccordement, il fallait ensuite procéder à un écrouissage local, suivi d'une rectification sans centre des pièces, afin de réduire le plus possible ces riques de rupture. Tous ces inconvénients sont maintenant évités par le procédé selon l'invention, qui va maintenant être décrit plus en détail dans ce qui suit, On a représenté en figure 2 un exemple d'une vis 10 susceptible d'hêtre obtenue par exécution du procédé selon l'invention0 Cette vis 10 comprend -seitièlieient un fût 11 pourvu sur une partie de sa longueur d'un filetage 12, et terminé par son extré- mité opposée par une tête 13. De telles vis sont obtenues à partir de barres de métal, par exemple en alliage d'acier ou en alliage de titane, qui sont elles mêmes obtenues par étirage suivi d'une rectification. Ces barres présentent alors une géométrie imparfaite, en étant coniques et triangulées au lieu d'être parfaitement cylindriques à section circulaire. Il convient donc d'usiner les barres par tournage par -l'extérieur afin de s'assurer qu'elles sont parfaitement cylindri quès et respectent des tolérances de l'ordre du centième de millimètre. Les barres ainsi obtenues sont ensuite découpées par tronçon- nage, et au cours de cette opération, On usine un léger chanfrein aux deux extrémités des tronçons ou lopins. Toutes ces opérations sont indiquées en 15 dans le schéma de la figure 3. les tronçons ou lopins obtenus sont ensuite pourvue d'un lubrifiant sz pEble de résister aux températures et aux efforts de forgeage, de la façon suivante. Ils sont sablés ou décapés, par exemple à l'oxyde d'alumine, et sont ensuite revêtus, par pulvérisation d'un lubrifiant solide en suspension dans une résine polymérisable à chaud. Après polymérisation de la résine, le lubrifiant solide est parfaitement accroché à la surface extérieure des lopins, et demeure en place tout au long du matriçage.Cette opération de lubrification est représentée en 16 dans le schéma de la figure Jo les. lopins sont ensuite chauffés avant matriçage, à une température qui est déterminée de façon très précise, par exemple en faisant passer les lopins dans un système de chauffage par induction à haute fréquence, permettant de chauffer les lopins dans la masse, et en surveillant la température par exemple au moyen d'un pyromètre optique. Etant donné que les vis et les axes sont généralement réalisés en alliage d'acier ou de titane, il est nécessaire de les chauffer à une température prédéterminée de façon précise pour maintenir les tolérances dimensionnelles, et préserver les caractéristiques mécaniques.Grâce à la lubrification des lopins, qui supprime une très grande partie du frottement en cours de matriçage, il est possible d'effectuer ee dernier à une température inférieure au point de transformation des métaux à matricer. Cela évite de procéder ensuite à une opération de recuit, avant la formation du filetage. les opérations de chauffe et de forgeage ont été représentées en 17 dans les schémas de la figure 3, et le forgeage proprement dit est effectué de la façon qui va être maintenant décrite en référence à la figure 4. les outils de matriçageopnmnen une botte fixe 21 supportant une matrice monobloc 22 et pourvue d'un injecteur 23, par exemple du type téléscopique, qui ferme l'extrdmité inférieure d'une filière 24 formée dans la matrice 22 et traversant celle-ci de part en part. La matrice 22 coopère avec un poinçon 25, destiné à former la tête 26 d'une vis, et qui est porté par un organe de support 27.Le poinçon 25 et son support 27 sont naturellement mobiles par rapport à la matrice 22 dans la direction indiquée par la flèche 28 La filière 24 formée dans la matrice 22 comporte tout d'abord uoe partie supérieure cylindrique à section circulaire 29 dont le diamètre interne correspond au diamètre externe des lopins, aux tolérances dimensionnelles près, qui sont de tordre du centième de millimètre Cette partie 29 de la filière 24 est suivie par une partie cylindrique 30 à section -circulaire, dont le diamètre, qui est inférieur à celui de la partie 29, est égal au diamètre primitif du fût de la vis avant roulage des filets, cette partie 30 constituant donc la zone de filetage proprement dite Elle est à son tour suivie par une partie 91 cylindrique à section circulaire, dont le diamètre est sensiblement égal à celui de la partie 29, et dont l'estrémité inférieure est fermée par l'éJecteur 27, Le matriçage s'effectue de la façon suivante : Un lopin, dont la surface extérieure a été lubrifié de la façon précitée, est introduit par une de ses extrémités chanfreinéa dans l'extrémité supérieure de la partie 29 de la filière 24, le poinçon 25 et son support 27 étant alors écartés de la matrice 22.L'abaissement du poinçon 25 sur la matrice 22 provoque lzintroduction du lopin dans toute a partie 29, son filage dans la partie 30, jus quà ce que l'extrémité inférieure du lopin vienne en appui sur la face supérieure de l'éjecteur 23e ALla fin de la course du poinçon 25, c2est-à-dire lorsque ce dernier va arriver en contact avec la filière 22, il y a formation de la tette 26 de la vis dans le poin çon 25 par fluage du métal.Celui-ci se trouvant dans un état très ductile en raison de son chauffage à une température voisine du point de transformation, la formation de la tête 26 de la vis, de la partie du fût ayant le diamètre de la partie 29 et de l'autre partie du fût au diamètre de filage de la partie 30, steffectue sans problème en une seule opération, grâce à la lubrification du lopin qui réduit, comme cela est expliqué plus haut, les forces de frottement- de façon extremement importante0 A la fin de l'opération de matriçage, le poinçon 25 et son support 27 sont écartés de la matrice 22, et l'éjecteur 23 éjecte la vis ainsi formée hors de la matrice 22o On obtient ainsi des vis brutes de matriçage, qui respectent des tolérances dimensionnelles de l'ordre du centième de millimètre, et dans lesquelles le fibrage du métal n'est pas altéré, ce qui leur confére des caractéristiques mécaniques extroemement interebsante3. Après matriçage, on procéde à un traitement thermique des pièces matricées, indiqué en 18 dans le schéma de la figure 3, et qui consiste en une trempe suivie d'un revenu destiné à conférer aux matériaux utilisés leurs caractéristiques mécaniques optimales. Après ce traitement thermique a lieu l'opération de roulage des filets, indiqué en 19 dans le schéma de la figure 3, et représentéa plus en ddtails dans la figure 50 L'outillage de roulage des filets comprend un peigne fixe 33, et un peigne mobi-le 34 disposé en regard du peigne 33 et pouvant se déplacer dans la direction indiquée par la flèche 35o Les faces en regard du peigne 33 et du peigne 34 sont tailles au profil du filetage à reproduire sur la vis 36 cette dernière étant disposée serrée entre les faces en regard des peignes 33 et 34. On comprend aisément que par déplacement du peigne mobile 34 dans le sens de la flèche 35, l'ébauche de la vis 36 est entraSnée en rotation et accomplit un certain nombre de révolutions sur elle même dans le sens de la flèche 37, au cours desquelles le filetage est réalisé par déformation à froid sous la pression continue des peignes. Or remarquera donc que la formation du filetage se fait sans enlèvement de métal, et donc sans détério- a t OL des qualités mécaniques conférées par le fibrage obtenu lors du matriçage. Après roulage des ilets, les vis subissent un traitement final de protection, indiqué en 20 dans le schéma de la figure 3. Afin de mieux fixer les idées, on va décrire ci-dessous un exemple de réalisation d'une vis de structure pour utilisation en traction. Cette vis présente une tetehexagonale? a un diamètre nominal de 12 millimètres, une longueur totale de 40 millimètres, etest réalisée en alliage de titane T-Â6V, comprenç~t de 5,5à 7% d'alu- minium, de 3,5 à 4,5% de vanadium, et le reste de titane. les tolérances finales sur le fût de la vis sont de -1,6- à -3,4 centième de millimètre. La vis doit présenter une résistance minimale à la rupture de 88 hbar. Les opérations de fabrication sont les suivantes. 10-coupe des lopins (mise en forme cylindrique à section circulaire parfaite et à la tolérance sur fût par tournage, puis tronçonnage à longueur de 52 millimètres, et chanfreinage des extrémités) 20 lubrification des lopins avant forgeage (sablage des lopins à l'alumine et pulvérisation et polymérisation d'un lubrifiant composé de graphite et de bisulfure de molybdène en suspension dans des résines polymérisables, ce lubrifiant pouvant être du type vendu sous la marque "V2RDSC INDUSTRIES") 3 matriçage (chauffe avant matriçage, par induction à haute fréquence, à une température de l'ordre de 6500c, puis introduction en matrice, formation de la tête hexagonale simultanément au filage du diamètre primitif avant roulage) 40 traitement thermique (chauffe à 7300 c#10 C sous atmosphère neutre, maintien en température durant une heure, puis refroidissement à l'eau) 50 roulage des filets (par déformation. à froid avec des molettes de laminage au pas de 1,5) 60 traitement de protection ( oxydation anodique en milieu sulfurique, rinçage, séchage, pulvérisation de bisulfure de molybdène) Les avantages conférés par le procédé selon l'invention ressortent essentiellement du fait qu1 on ne procéde, à aucun moment, à l'attaque du fibrage de la vis ou de la pièce, ni à 11 enlèvement de métal après matriçage, tout en respectant des tolérances dioen- sionnelles de l'ordre du centième de millimètre. Enfin, il convient de remarquer que la fabrication complète d'une vis selon l'invention s'effectue en 6 opérations principales, contre 9 ou 10 opérations dans les procédés antérieurs connus. Il est d'autre part bien entendu que l'invention n'est nullement limité au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemplew Sn particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leuls eombinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. R E V B N D I a A 2 I O N SO 1- Procédé de fabrication industrielle d'axes, de vis, de boulons, et de pièces métalliques analogues devant présenter des caractéristiques mécaniques élevées et en particulier respecter des tolérances dimensionnnelles très faibles, ces pièces étant obtenues notamment par forgeage à partir de tronçons de barres cylindriques réalisées par étirage et rectification, caractérisé en ce qu'il corsiste à lubrifier lesdits tronçons au moyen d'un produit approprié résistant à la chaleur et aux efforts de forgeage, à chauffer lesdits tronçons lubrifiés jusqu'à une température prédéterminée, et à les soumettre à un matriçage de précision après lequel les pièces obtenues respectent des tolérances dimensionnelles de 1'ordre du centIème de millimètre. 2- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits tronçons lubrifiés sont chauffés, avant matriçage, à une température inférieure au point de transformation des métaux ou alliages métalliques utilisés. 3- Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'opération de lubrification consiste à pulvériser sur lesdits tronçons un lubrifiant solide en suspension dans une résine polymérisable, et à polymériser ladite résine. 4- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste, avant de les lubrifier, à soumettre lesdits tronçons à un traitement superficiel mécanique approprié, tel qu'un sablage ou décapage. 5- Procédé selon l'une des revendications précédentes, pour la fabrication des pièces comprenant une tête et un fût destiné à être filtré, caractérisé en ce que la formation de la tête et le filage du fût à son diamètre primitif, sont réalisés simultanément lors de 11 opération de matriçage. 6- Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdites pièces matriçées sont ensuite soumises à un traitement thermique tel qu'une trempe suivie d'un revenu, permettant de conférer leurs caractéristiques mécaniques optimales aux métaux utilisés. 7- Procédé selon la revendication 6, pour la fabrication de pièces filetées, caractérise' er ce que le roulage des filets est effectué par déformation. à froid après le traitement thermique précité. 8- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce quJ il-, consiste à soumettre lesdites pièces à un traitement final de protection. 9- Axes, vis, boulons, et pièces métalliques analogues, caractérisés en ce qu'ils sont obtenus par exécution du procédé décrit dans l'une des revendications précédentes.