Brevet FR2393630A1 — publié le 19790105

La présente invention concerne un procédé de formage à chaud d'une tête de soupape à partir d'une tige d'acier. Elle concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Bien entendu, l'invention est applicable au formage d'objets solides pleins, de profil présentant certains points de ressemblance avec celui d'une soupape. Pour simplifier, on se réfèrera les revendications seulement au terme de soupape dans la description et/qui suivent. En raison de l'accroissement continu de la puissance spécifique des moteurs, les soupapes sont des organes trèssollicités de sortie que leurs qualités doivent être sans cesse accrues. C'est ainsi qu'il est connu que la meilleure résistance des tettes de soupapes est obtenue lorsque celles-ci sont réalisées par formage d'une tige. Ainsi, la texture du métal et aussi homogène que possible. La présente invention vise plus précisément la réalisation d'une ébauche de tête de soupape à partir d'une tige, cette ébauche étant destinée à être ensuite reprise par des moyens connus pour en faire une tête définitive. C'est seulement pour simplifier le langage que l'on parlera de tête de soupape et non d'ébauche dans le texte qui suit. On connaît un procédé-dans lequel le formage est réalisé à chaud par chauffage de l'extrémité de la tige par effet Joule. A cet effet, la tige et l'enclume, sur laquelle la tige vient se déformer pour réaliser la tête de soupape, sont reliées respectivement à deux électrodes d' amenée de courant électrique, le passage du courant entre tige et enclume étant obtenu par contact de l'une sur I'autre. Un tel procédé présente de nombreux inconvénients. En effet, le chauffage est lent ; il se produit une mauvaise conduction au contact tige-enclume qui produit une détérioration superficielle de l'extrémité de la tige. Cette détérioration se traduit par la formation'd'une pastille hétérogène qui persiste dans les étapes suivantes de la fabrication et est à l'origine de nombreux rebuts. Une autre conséquence de la lenteur du chauffage est que la consommation d'énergie électrique est grande. En outre, du fait de la mauvaise conduction précitée, la puissance installée doit etre élevée. On connaît par ailleurs un procédé pour former des tubes évasés à partir de tubes cylindriques, consistant à enfoncer le tube sir 'n mandrin conique, l'ensemble du mandrin et du tube qui l'enveloppe étant situés dans l'axe d'un inducteur de chauffage à haute fréquence. Mais il n'apparaît pas que l'enseignement d'un tel procé- dé spécifique du formage de tubes soit utilisable pour des pièces pleines. De plus, un tel procédé serait impraticable ici, car le renflement qui se forme progressivement viendrait rapidement toucher l'inducteur qui doit être situé au voisinage de l'extrémité de la tige initiale. La présente invention vise à réaliser un procédé dans lequel le chauffage s'effectue rapidement et économiquement, et sans laisser subsister d'hétérogénéité de la texture métallique. Suivant un premier-aspect de l'invention, le procédé de formage à chaud d'une tête de soupape à partir d'une tige consiste a' chauffer cette tige et à appliquer une de ses extrémités sur une enclume suivant un enfoncement progressif pour la former suivant une tête approximativement hémisphérique. Il est caractérisé en ce qu'on effectue le chauffage au moyen d'un inducteur disposé coaxialement à la tige, et en ce qu1 on déplace progressivement l'inducteur en sens contraire de l'enfoncement de la tige. En faisant déplacer l'inducteur en sens inverse de l'enfoncement de la tige, on évite la collision entre cet inducteur et le renflement en formation et l'on peut bénéficier des avantages du chauffage par induction, se caractérisant par un chauffage rapide et homogène, ne laissant subsister aucune pastille hétérogène et permettant une économie notable à la fois sur l'énergie consommée et sur la puissance installée. Suivant une forme préférée du procédé, on déplace l'inducteur de manière que la distance de la surface de la dernière spire à la surface du renflement hémisphérique reste sensiblement égale à la distance entre la surface intérieure des spires de l'inducteur et la surface cylindrique de la tige. Le renflement en formation se trouve alors échauffé approximativement dans les mêmes conditions que la partie de la tige non encore déformée, ce qui contribue à l'évolution correcte du formage. En termes plus précis, la distance entre la surface de la dernière spires et la surface du renflement hémisphérique est mesurée suivant la droite qui joint le centre du conducteur formant la spire au centre du renflement. Suivant une réalisation avantageuse du procédé, on chauffe la tige jusqu'à une température prédéterminée comprise entre 800 C et 9000 C avant de commencer le mouvement d'avance de la tige, et on maintient ensuite cette température. Cette température correspond approximativement à une zone de superplasticité du métal constituant les soupapes et permet le formage dans les meilleures conditions. De préférence, on obtient le mouvement d'avancement de la tige par application d'une force comprise entre 10.000 et 15.000 N. Enfin, on coupe le chauffage et on arrête les mouvements précités après un temps prédéterminé correspondant à un volume prédéterminé de la tête hémisphérique. Pendant l'opération de chauffage et de formage, on asservit l'intensité du chauffage à une mesure de la température superficielle de la tige dans la région entourée par l'inducteur. Cet asservissement permet non seulement une régulation de la température, mais également une programmation automatique d'au moins certaines des étapes du procédé. Suivant un second aspect de l'invention, le dispositif pour le formage à chaud d'une tête de soupape à partir d'une tige comprend des moyens de chauffage de la tige et des moyens pour appliquer cette tige sur une enclume pour la former suivant une tête approximativement hémisphérique. Il est caractérisé en ce que les moyens de chauffage comprennent un inducteur formé de spires coaxiales à la tige au voisinage de son extrémité voisine de l'enclume, cet inducteur étant porté par un bâti mobile parallèlement aux déplacements de la tige et muni de moyens de commande reliés à un étage de calcul pour faire déplacer le bâti suivant une loi de mouvement prédéterminé. Ces caractéristiques permettent d'appliquer le procédé défini plus haut et notamment de faire en sorte que la loi de mouvement du bâti définie par l'étage de calcul soit telle que la dernière spire de l'inducteur reste à une distance sensiblement constante de la tête hémisphérique en formation. Suivant une réalisation avantageuse du dispositif, les moyens moteurs comprennent un premier vérin pour appliquer la tige sur l'enclume et un second vérin pour déplacer le bâti de l'inducteur, ces deux vérins étant reliés chacun à un bloc de commande relié lui-même à l'étage de calcul. On peut, grâce à ces dispositions, assurer de façon a' la fois simple et rigoureuse les déplacements synchrones de la tige et de l'inducteur. Suivant une réalisation préférée du dispositif, l'inducteur est relié à un générateur inductif apériodique composé d'un coffret d'induction fixé au bâti portant l'inducteur et lui-même relié par des câbles souples à un étage de puissance. Ce dispositif, qui lie rigidement l'inducteur au coffret d'induction, permet d'éviter les inductions parasites qui pourraient se produire dans des boucles de câble souple. Le dispositif comprend encore avantageusement une lunette pyrométrique reliée à un étage de mesure et d'amplification luimême relié à l'étage de puissance du générateur apériodique, pour permettre la régulation automatique de température. En outre, l'étage de mesure et d'amplification de la lunette est relié à l'étage de calcul, de manière que la température mesurée puisse servir de grandeur d'entrée à la programmation effectuée par le bloc de calcul. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description détaillée qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif - la Figure l est une vue partiellement en coupe et semi-schématique du dispositif conforme à l'invention, - les Figures2 à 4 sont des vues partielles corres pondant aux diverses étapes du procédé. En référence à la Figure 1, le dispositif comprend un bâti fixe 1 dans lequel est encastré un porte-enclume 2 portant une enclume 3. Au droit de l'enclume 3, un premier vérin 4 a son cylindre 5 muni de deux oreilles 6 portant chacune un manchon 7 monté coulissant sur une colonne 8 encastrée à une extrémité dans le porte-enclume 2 et à l'autre dans le bâti 1. Des vis de blocage 9 permettent de fixer le cylindre 5 à une distance prédéterminée de l'enclume 3. Le piston Il du vérin 4 porte une tige 12 munie à son extrémité d'une pince 13 pour une tige 14 à former suivant une tête de soupape. A son extrémité- oppos-ée à la tige 14, le cylindre 5 comporte une ouverture 15 d'où part une conduite 16 aboutissant à une sortie 17 d'un distributeur 18 à trois voies dont l'entrée 19 est reliée par une conduite 21 à la sortie d'une pompe 22 dont l'en- trée est reliée à un réservoir 23 de fluide hydraulique. Une autre sortie 24 du distributeur 18 est reliée au réservoir 23 par une conduite de retour 25. La position du distributeur 18 est commandée de façon connue en soi à partir d'un étage de calcul 26, du genre miprocesseur, par l'intermédiaire d'une ligne de signal 27 figurée en trait mixte. On comprend que, selon la valeur du signal transmis par la ligne 27, le distributeur 18 provoque l'admission de fluide sous pression dans le vérin 4 pour déplacer le piston 11 dans la direction de l'enclume 11, ou au contraire, laisse échapper ce fluide dans le réservoir 23, ou encore maintient le piston 11 en position fixe. Un second vérin 28 comprend un cylindre 29 muni de deux oreille-s 31 qui portent des manchons 32 montés coulissants, l'un sur une des colonnes 8 et l'autre sur une colonne 33 encastrée -dans le bâti 1. Des vis de blocage 34 permettent de fixer le cylindre 29 dans une position prédéterminée. Le piston 35 du vérin 28 porte une tige 36 à laquelle est fixé un bâti mobile 37 monté coulissant sur les colonnes 8 et 33. A son extrémité par où sort la tige 36, le cylindre 29 comporte une ouverture 38 reliée par une conduite 39 à une sortie 41 d'un distributeur à trois voies 42 dont l'entrée 43 est reliée par la conduite 21 à la sortie de la pompe 22 et dont une autre sortie 44 est reliée par la conduite 25 au réservoir 23. La position du distributeur 42 est commandée à partir de l'étage de calcul 26 par l'intermédiaire d'une ligne de signal 45. On comprend que, lorsque le distributeur 42 admet du fluide sous pression dans le vérin 28, il provoque le déplacement du bâti mobile 37 dans une direction qui tend à l'éloigner de l'enclume 3. Le bâti mobile 37 comporte un orifice 46 qui sert de guide pour la tige à former 14. Les conduites 16 et 39 sont souples. Sur ce bâti mobile est fixé un coffret d'induction 47 relié par des câbles souples 48 à un étage de puissance 49, l'ensemble constituant un générateur inductif apériodique d'une puissance d'environ 5 kVA pour un poste de travail tel que celui décrit ici, et délivrant un courant inductif de 15 à 50 kHz. Le coffret 47 est relié rigidement en sortie à un inducteur 51 monté coaxialement à lrorifice 46, donc à la tige 14. Cet inducteur est fait drun conducteur en tube pour permettre une circulation d'eau de refroidissement. Dans l'exemple décrit, on utilise comme conducteur un tube de cuivre de 4 millimètres de diamètre extérieur. Le diamètre de l'inducteur 51 est supérieur de 5 à 8 millimètres à celui de la tige 14 à former, ce qui laisse subsister un jeu de 2,5 à 4 millimètres sur le rayon. Une lunette pyrométrique 52 sensible à l'émission infrarouge est montée sur un pied 53 fixé sur le porte-enclume 2 et elle est orientée pour viser la tige 14 entre les spires de l'in inducteur 51. Cette lunette est reliée électriquement à un étage de mesure et de régulation 54. Une sortie de signal de cet étage est reliée à l'étage 49par une ligne 55, le signal transmis étant une action de régulation agissant sur le générateur pour obtenir une température constante de la tige 14. Une autre sortie de signal de l'étage 54, représentant la température mesurée par la lunette 52, est appliquée par une ligne 56, à l'étage de calcul 26. On va maintenant expliquer le fonctionnement de ce dispositif, notamment en référence aux Figures 2 à 4, ce qui servira à décrire le procédé objet de l'invention. - A titre d'exemple, on va décrire l'opération de formage d'une tête de soupape à partir d'une tige 14 en acier Z 45 C S 9 (ctest-à-dire contenant de 0,4 à 0,5 % de carbone, de 2,75 à 3,75% de silicium et de 7,5 à 9,5 % de nickel), cette tige présentant un diamètre de 8,4 millimètres. On commence par régler la hauteur des vérins 4 et 28 de manière que, compte tenu de la longueur des cylindres, les pistons puissent effectuer les courses qui seront indiquées ci-après. On fixe la tige 14 sur la pince 13 et l'on agit sur le piston Il pour que l'extrémité de la tige 14 vienne à environ 12 millimètres de l'enclume 3. On agit ensuite sur le piston 35 pour que l'inducteur 51 vienne entourer l'extrémité de la tige 14 (Figures 1 et 2). Ces opérations peuvent être effectuées manuellement ou être programmées dans l'étage de calcul 26 qui commande les distributeurs 18 et 42. Ensuite, on enclenche le générateur 49 pour provoquer l'échauffement de l'extrémité de la tige 14 par l'inducteur 51. La lunette 52 mesure constamment la température de la tige 14. Quand cette température atteint une valeur prédéterminée comprise entre 8000 et 9000 C, l'étage de mesure et de régulation 54 émet un signal par la ligne 56 pour actionner l'étage de calcul 26 qui, à son tour, actionne par la ligne 27 le distributeur 18 qui admet du fluide dans le vérin 4 pour pousser la tige 14 vers l'enclume 3. Avec la puissance de 5 kVA indiquée plus haut pour le générateur, la montée en température s'effectue en 2 à 3 secondes environ. La température précise à atteindre dépend en réalité de la nuance exacte de l'acier dont est faite la tige 14. D'une façon général-e, cette température est celle de la superplasticité du métal et elle est approximativement égale à la moitié de la température de fusion exprimée-en degrés Celsius. Quand la tige 14 atteint l'enclume 3, elle s'y écrase en formant un renflement 57 sensiblement hémisphérique (Figure 3) qui grossit progressivement et se rapproche de l'inducteur 51. d étant la distance entre la surface du renflement 57 et la surface du conducteur formant l'inducteur 31 (Figure 4), on fait déplacer l'inducteur en sens inverse de la tige 14,de manière que cette distance d reste sensiblement égale au jeu radial r (Figure 2) entre la tige 14 dans sa partie cylindrique et l'inducteur 31. La distance d est mesurée sur la ligne 58 joignant le centre 59 du renflement au centre du conducteur. La manoeuvre précitée de l'inducteur s'effectue en déplaçant le bâti mobile 31 au moyen du vérin 28 par admission de fluide à partir du distributeur 42 commandé par l'étage de calcul 26. A cet effet, l'étage 26 est programmé temporellement à partir d'une connaissance expérimentale préalable de la durée et de la cadence de l'opération. Dans exemple décrit, le vérin 4 applique sur la tige 14 une force comprise entre 10.000 et 15.000 N, et la vitesse de descente de la tige est d'environ 1 cm/s. On peut en déduire la vitesse de formation du renflement 57 et programmer en conséquence l'instant du départ du bâti 37 et sa vitesse-de déplacement. Pendant toute l'opération, la lunette 52 mesure la température de surface de la tige 14 et l'étage de mesure et de régulation 54 émet un signal d'action qui est appliqué au générateur 49 par la ligne 55 pour maintenir constante la température mesurée. La tête de soupape est achevée au bout d'un certain temps que l'on peut déterminer par le calcul ou par une expérience préalable, et ce temps est programmé dans l'étage de calcul 26 qui arrête alors l'opération par des moyens connus non représentés. L'invention permet d'obtenir-- les avantages recherchés, à savoir un chauffage rapide, bien localisé, par des moyens dont l'efficacité permet à la fois une remarquable économie d'énergie et une importante économie d'investissements. En outre, la tête de soupape obtenue ne présente aucune hétérogénéité dans sa texture, ce qui assure une qualité constante du produit fini. Plus précisément, le chauffage par induction permet d'atteindre facilement la température de superplasticité du métal et de réduire l'effort à appliquer sur la tige. D'autre part, grâce au fait que l'on fait remonter l'inducteur en cours de formage, ltentrefer entre l'inducteur et la tige peut être très réduit, ce qui améliore le rendement du chauffage. Bien entendu, l'invention ne se limite pas à l'exemple décrit et l'on pourrait concevoir diverses variantes mineures sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Procédé de formage à chaud d'une tête de soupape à partir d'une tige, consistant à chauffer cette tige et à appliquer une de ses extrémités sur une enclume suivant un enfoncement progressif pour la former suivant une tête approximativement hémisphérique, caractérisé en ce qu'on effectue le chauffage au moyen d'un inducteur disposé coaxialement à la tige, et en ce quton déplace progressivement l'inducteur en sens contraire de l'enfoncement de la tige. 2. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'on déplace l'inducteur de manière que la distance de la surface de la dernière spire à la surface du renflement hémi sphérique reste sensiblement égale à la distance entre la surface intérieure des spires de l'inducteur et la surface cylindrique de la tige. 3. Procédé conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que la distance entre la surface de la dernière spire et la surface du renflement hémisphérique est mesurée suivant la droite qui joint le centre du conducteur formant la spire au centre du renflement. 4. Procédé conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on chauffe la tige jusqu'à une température prédéterminée comprise entre 800" et 900" C avant de commencer le mouvement d'avance de la tige, et en ce qu'on maintient ensuite cette température. 5. Procédé conforme à l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on obtient le mouvement d'avancement de la tige par application d'une force comprise entre 10.000 et 15.000 N. 6. Procédé conforme à l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on coupe le chauffage et arrête les mouvement précités après un temps-prédéterminé correspondant à un volume prédéterminé de la tête hémisphérique. 7. Procédé conforme à l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on asservit l'intensité du chauffage à une mesure de la température superficielle de la tige dans la région -entourée par l'inducteur. 8. Dispositif pour le formage à chaud d'une tête de soupape à partir d'une tige, et notamment pour appliquer un procédé conforme à la revendication 1, comprenant des moyens de chauffage de la tige et des moyens pour appliquer cette tige sur une enclume pour la former suivant une tête approximativement hémisphérique, caractérisé en ce que les moyens de chauffage comprennent un inducteur formé de spires coaxiales à la tige au voisinage de son extrémité voisine de l'enclume, cet inducteur étant porté par un bâti mobile parallèlement aux déplacements de la tige et muni de moyens de commande reliés à un étage de calcul pour faire déplacer le bâti suivant une loi de mouvement prédéterminé. 9. Dispositif conforme à la revendication 8, caractérisé en ce que la loi de mouvement du bâti définie par l'étage de calcul est telle que la dernière spire de l'inducteur reste à une distance sensiblement constante de la tête de l'ébauche en formation. 10. Dispositif conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens moteurs comprennent un premier vérin pour appliquer la tige sur l'enclume et un second vérin pour déplacer le bâti de l'inducteur, ces deux vérins étant reliés chacun à un bloc de commande relié lui-même à l'étage de calcul. 11. Dispositif conforme à l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que l'-inducteur est relié à un générateur inductif apériodique composé d'un coffret d'induction fixé au bâti portant l'inducteur et lui-même relié par des câbles souples à un étage de puissance. 12. Dispositif conforme à la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend une lunette pyrométrique reliée à un étage de mesure et d'amplification lui-même relié à l'étage de puissance du générateur apériodique. 13. Dispositif conforme à la revendication 12, caractérisé en ce que l'étage de mesure et d'amplification de la lunette est relié à l'étage de calcul.