Brevet FR2394338A1 — publié le 19790112

L'invention est relative à un mandrin perceur et intérieur combiné pour l'obtention par filage à la presse de tubes d'acier à partir de blocs ou lingots, dans lequel l'extrémité ou coiffe du mandrin, éventuellement blindée et/ou chromée, se raccorde à la surface frontale du mandrin par un arrondi partant de la partie cylindrique de la tige. Les mandrins connus de ce type présentent un défaut gênant et surtout coûteux qui tient à ce que la coiffe du mandrin, même si elle est blindée ou chromée, s'use relativement vite et qu'en conséquence le mandrin doit être remis fréquemment en état. Ceci est certes vrai également pour des blocs en acier ordinaire ou faiblement allié, mais l'est encore dans une plus forte mesure lorsqu'il s'agit de percer et de presser des blocs en acier de haute qualité et à haute résistance, correspondant par exemple à la qualité 10 Cr Mo 910 ou même X20 Cr Mo V 12.1. Les mandrins perceurs et intérieurs combinés que l'on trouve couramment sur le marché sont, dans le cas des aciers fortement alliés de ce type, déjà usés et donc inutilisables après un nombre d'opérations de pressage relativement faible parce qu'il se produit, en particulier dans la région de l'arrondi de la coiffe du mandrin, des phénomènes d'adhésion par soudure du métal constituant le bloc qui détériorent de façon durable la surface de la partie intérieure des tubes, par exemple sous la forme de cannelures.D'autres défauts de surface à l'intérieur des tubes,qui proviennent de la rapide usure des coiffes des mandrins, sont des points cémentés, des piqûres ainsi que la formation de points où la surface est écaillée, défauts qui tous, dans certaines circonstances, rendent nécessaire un traitement ultérieur coûteux des surfaces intérieures des tubes, en partir culier lorsque les tubes obtenus à la presse à filer doivent ensuite être retravaillés à froid. C'est ainsi par exemple que lorsque l'on utilise la qualité d'acier X20 Cr Mo V 12.1, il est nécessaire, en raison de la présence sur la surface intérieure des tubes obtenus à la presse, de tels défauts provoqués par les mandrins, de les réaléser avant de pouvoir les retravailler à froid au mandrin à pas de pélerin. Enfin, une conséquence fréquente de 1 ' usure de la coiffe du mandrin à son début est qu'elle agit de façon défavorable sur le maintien des dimensions et qu'apparaissent des défauts dits de "décalage d'un côté de la paroi" qui peuvent entrainer des détériorations importantes au cours d'une opération ultérieure à la presse à filer. La faible durée utile des mandrins présente non seulement l'inconvénient d'augmenter la part des temps morts exigés par leur remplacement mais en outre celui d'exiger un stock de mandrins de rechange relativement élevé et, bien entendu aussi, d'accroitre les dépenses de réparation qui vont de pair. Le but de l'invention est, en conséquence, d'éviter les inconvénients mentionnés ci-dessus présentés par les mandrins connus en donnant à la coiffe du mandrin une forme nouvelle qui accroisse considérablement la durée d'utilisation conditionnée par son usure même dans le cas de perçage ou de travail à la presse de blocs en aciers à haute résistance. Pour résoudre ce problème, l'invention se caractérise en ce que le contour extérieur de la surface frontale du mandrin, qui s'etend depuis l'axe central du mandrin jusqu'à la partie cylindrique de la tige, se compose d'au moins deux portions de courbe se raccordant l'une à l'autre de façon continue avec la meme pente et dont la portion qui part de l'axe central du mandrin suit la relation et celle qui débouche de façon continue sur la partie cylindrique de la tige correspond à la fonction y' = k . log x' + v expressions dans lesquelles l'axe des x se confond avec l'axe central du mandrin et le point zéro des coordonnées, ainsi que l'axe des y sont définis par le point où se coupent la surface frontale et l'axe du mandrin, point où la pente de la surface frontale du mandrin est infinie, et dans laquelle m, k et v sont des constantes qui dépendent tant de la qualité de l'acier des blocs à presser que du rayon du mandrin, v représentant la valeur d'un décalage mesuré sur l'axe des y de l'axe x' par rapport à l'axe des x, axe x' auquel se rapporte, ainsi qu'à l'axe des y , la- fonction correspondant à la portion de courbe partant de la partie cylindrique de la tige et étant en outre précisé que, dans le domaine des diamètres r de mandrin compris entre 3,0 et 8,0 cm, les valeurs, allant en croissant en même temps que croissent les rayons, sont comprises entre 1 et 2 pour m, entre 0,75 et 1,5 pour k et entre 2,5 et 6,75 pour v. L'expérience a montré, ce qui est surprenant, qu'il est pos sible, en donnant aux extrémités des mandrins la forme conforme à l'invention, d'augmenter en la multipliant par un coefficient allant de trois à cinq,la durée d'utilisation ou la durée de vie, conditionnée par l'usure, des mandrins par rapport à des mandrins usuels, morne pour des qualités d'acier à haute résistance. Tandis qu'avec les mandrins usuels, en cas par exemple d'une utilisation sur des blocs d'acier 10 Cr Mo 910, il n'était possible seulement d'effectuer que de 70 à 90 opérations à la presse et qu'après seulement 40 à 50 telles opérations les mandrins présentaient déjà une usure telle qu'ils auraient dû être changés pour fournir des tubes de qualité, on a pu effectuer avec le mandrin selon l'invention 386 opérations à la presse sans observer de défauts intérieurs sur les tubes. L'accroissement de la durée de vie utile s'est encore manifesté plus nettement dans le cas d'une utilisation sur des blocs d'aciers au carbone. Alors qu'avec les mandrins usuels d'un diamètre de 80 mm, on peut effectuer environ de 150 à 250 opérations à la presse, il a été possible, avec le mandrin conforme à l'invention, d'atteindre 577 opérations sans que le mandrin soit inutilisable à la fin de la série d'essais. En dehors de l'accroissement important de leur durée de vie en raison d'une usure nettement plus faible, les coiffes de mandrin ayant la forme prévue par l'invention présentent d'autres avantages décisifs du fait qu'on peut diminuer les stocks et réduire le nombre des mandrins approvisionnés et tenus en réserve. Grâce à l'accroissement de la durée de vie, les temps perdus pour procéder à l'échange des mandrins se trouvent de plus réduits. A côté de ces avantages, un autre avantage notable de 1' in- vention tient à ce qu'elle permet de fabriquer les mandrins ou plus précisément les extrémités de mandrin sur un tour à reproduction à partir d'un gabarit du fait que leur forme ou leur contour est fixé mathématiquement de façon précise. En outre, il est apparu cet avantage que les extrémités de mandrin.réali- sées suivant l'invention, abaissent nettement le poids des résidus de pressage ou des bourrelets en sorte qu'on a pu atteindre presque la limite inférieure pour ces résidus de pressage dans le cas d'aciers au carbone présentant de faibles résistances à la déformation. Grâce à la moindre usure du mandrin, les surfaces intérieu res des tubes se présentent beaucoup mieux ; elles sont pratiquement exemptes de cannelures ou de stries. Ceci, non seulement est d'une façon générale important du fait de l'accroissement considérable de la qualité des tubes obtenus, mais permet aussi un traitement ultérieur à froid des tubes, par exemple par un mandrin à pas de pélerin sans qu'il soit nécessaire au préalable d'éliminer lesdéfauts de surface des tubes ou de les aléser. Ont également-disparu les manques de matière fréquents jus qu'à présent, qui proviennent de cannelures dues à un mandrinage tangentiel et qui provoquent ensuite,aucours de l'essai à l'anneau,le rebut du tube. On a pu observer enfin que la conservation des cotes considérées par rapport au défaut de décalage sur une paroi est, elle aussi, considérablement améliorée, de sorte que de cette façon les durées de vie utile des filières sont accrues indirectement du fait qu'il est possible de tirer parti, dans une plus large mesure, des tolérances sur les parois de par exemple + 10%. Quoique les causes et les raisons profondes des améliorations importantes observées avec le mandrin conforme à l'invention ne soient pas élucidées à tous égards, ou tout au moins ne l'ont pas été jusqu'à présent, il apparait qu'on peut affirmer qu'une des causes en est la forme des extrémités des mandrins qui est plus favorable à l'écoulement et qui est,sur certaines zones, semblable aux extrémités que présentent les mandrins plus ou moins rusés. La possibilité de définir mathématiquement la forme particulièrement avantageuse des extrémités présente cet autre avantage essentiel que la fabrication en série des mandrins,--en particulier en utilisant un tour à reproduire suivant un gabarit obtenu d'après les valeurs calculées à partir des formules,est également plus économique dans une proportion importante. Tandis que la fonction Mathématiqus pour la portion de courbe partant de l'axe du mandrin découle de la relation Y = Y1 4 Y2 dans laquelle y1 = m.x est ltéquation d'une droite et dans laquelle est l'équation d'un cercle (équation par rapport au centre) transformée d'après la position de l'axe des y, d'où résulte la fonc tion la fonction indiquée pour la portion de courbe se raccordant à la partie cylindrique de la tige conduit à une variation sensiblement plus plate. Elle possède son propre système de coordonnées, constitué d'une part par l'axe x' et d'autre part par l'axe y' qui se confond d'ailleurs avec l'axe y de l'autre portion de courbe. Suivant un perfectionnement avantageux de l'invention, il est important que l'échelle choisie sur l'axe x' ne soit que la moitié de celle adoptée sur l'axe x pour empêcher la zone de la courbe de devenir trop grande en direction de l'axe x'. Pour compenser cette différence d'échelle, il est bon de décaler le point zéro en l'éloignant de l'axe y. Cette distance entre l'axe y et le point zéro de l'axe x' peut croitre lorsqu'augmentent les rayons de mandrins; alors que pour des mandrins de 3,0 cm de rayon elle n'est que d'a peu près 0,3 cm, elle peut atteindre jusqu'à environ 1,0 cm pour des mandrins de 8,0 cm de rayon. I1 est possible. et dans bien des cas intéressant, de placer le point où l'axe x' coupe la surface frontale du mandrin de telle sorte qu'il constitue l'emplacement où se fait la transition entre les deux portions de courbe suivant les deux fonctions différentes, à savoir, d'une part, la portion de courbe partant de l'axe du mandrin et, d'autre part, celle qui se raccorde à la partie cylindrique de la tige. I1 est en tout cas avantageux de décaler l'axe x' par rapport à l'axe x d'une quantité v telle que les deux portions de courbe se raccordent l'une à l'autre de façon continue et avec la meme pente. Des essais ont cependant montré qu'il est dans bien des cas préférable de n'utiliser que jusqu'à certaines valeurs maximales déterminées de x et y la fonction rapportée au système de coordonnées x, y et définissant la portion de courbe partant de l'axe du mandrin. Ces valeurs maximales croissent avec les rayons du mandrin, ces valeurs de x et y étant au début d'environ 0,4 et 2,0 respectivement pour des rayons d'environ 3,0 cm allant en croissant jusqu'aux mandrins de 8,0 cm de rayon où elles prennent respectivement les valeurs 1,0 et 5,75. Dans ce dernier cas, qui est d'une façon préférable, d'une part la portion de courbe partant de l'axe du mandrin et d'autre part la portion de courbe se raccordant à la partie cylindrique de la tige et suivant des fonctions différentes peuvent être reliées par une autre portion de courbe supplémentaire dont la transition avec les deux portions de courbe qui se raccordent à elle de chaque côté se fait, aux points de transition correspondants, de façon continue et avec la même pente. On obtient par contre de meilleures valeurs lorsque, dans le domaine correspondant à des valeurs pour x et y supérieures aux valeurs maximales indiquées, à la portion de courbe partant de l'axe central du mandrin se raccorde la portion de courbe débouchant de façon continue sur la partie cylindrique de la tige et rapportée à l'autre système de coordonnées pour une valeur de x' allant jusqu'à x' = 1 avec pour y' des valeurs négatives. Si le contour extérieur de la surface frontale du mandrin est constitué par trois portions de courbe, la pente au point zéro du système de coordonnées x, y étant infinie, alors les pentes au point de transition, entre la portion de courbe partant de l'axe du mandrin et la portion de courbe intermédiaire, sont comprises entre 2,17 et 6,51, elles sont,dans le cas du point de transition entre la portion de courbe intermédiaire et la portion de courbe débouchant sur la partie cylindrique de la tige. dix fois plus faibles, soit comprises entre 0,217 st 0,651, et elles sont, dans le cas du point de transition entre la partie cylindrique de la tige et la portion de courbe débouchant sur cette partie, comprises seulement entre 0,031 et 0,093. Dans les valeurs citées, les plus faibles sont valables pour les aciers de qualité ordinaire ou faiblement alliés correspondant à peu près au St 35 et les plus élevées aux qualités fortement alliées allant jusqu'au X 20 Cr Mo V 12.1. Si le contour de la surface frontale de l'extrémité du mandrin ne se compose que des- deux portions de courbe principales, la pente à leur point de transition, laquelle se fait en outre de façon continue, est à nouveau de 0,217 pour des aciers ordinaires ou faiblement alliés et de 0,651 pour des aciers fortement alliés. L'invention sera mieux comprise par la description de certains de ses modes de réalisation, donnés ici à titre illustratif mais nullement limitatif, qui en sera faite ci-après à l'aide des dessins annexés qui représentent - la figure 1, le schéma d'une presse à filer pour I'obten- tion de tubes d'acier par perçage et pressage de blocs d'acier - la figure 2, la base mathématique utilisée pour la réalisation de l'extrémité des mandrins - la figure 3. un mandrin de 8,0 cm de diamètre prévu pour être employé sur de l'acier au carbone St 35 - la figure 4, l'extrémité du mandrin de la figure 3, la présente figure montrant les modifications à apporter à cette extrémité dans le cas d'emploi sur un acier fortement allié de la qualité X 20 Cr No V 12.1. La presse à filer 1, représentée sur la figure 1, est usuelle et connue ; elle ne constitue d'ailleurs pas l'objet de l'invention et ne sera donc pas décrite ci-après de façon détaillée. La référence 2 désigne le mandrin perceur et intérieur combiné qui est guidé à l'intérieur du poinçon 3 mais peut etre poussé en avant indépendamment de ce dernier. La référence 4 désigne le conteneur et 4a le creux intérieur de celui-ci dans lequel se place le bloc d'acier, non représenté. La référence 5 désigne la filière qui fait suite au contene-ur 4. Le bloc de métal placé à l'intérieur 4a du conteneur 4 à une température comprise entre 1150 et 13000C, est tout d'abord percé lorsque le mandrin 2 est poussé vers l'avant, son extrémité antérieure pénétrant dans l'ouverture de la filière et formant ainsi avec celle-ci l'intervalle annulaire dans lequel le bloc de métal sera ensuite filé par la pression du poinçon 3. La figure 2 représente l'allure de la courbe formant la surface frontale de l'extrémité 2a du mandrin. On y voit, rapportée au système de coordonnées y, x, dont l'axe x coincide avec l'axe central du mandrin, la première portion de courbe partant de l'axe du mandrin, qui est désignée par A-B et qui suit la fonction et ceci, du fait qu'il s'agit d'un mandrin de rayon r de 4,0 cm, jusqu'à des valeurs maximales de 0,65 pour x et de 2,75 pour y. Il s'y raccorde la portion de courbe B-C, laquelle suit déjà la fonction y' = k . log x' + v mais rapportée à l'axe x' avec des valeurs négatives pour y autrement dit y' . La même fonction est suivie. mais avec des valeurs positives pour y . autrement dit y' par la portion de courbe supérieure C-O qui, en D, se raccorde de façon continue à la partie cylindrique 2 de la tige du mandrin. Sur la figure 2, r désigne le rayon du mandrin, qui, dans l'exemple représenté, est de 4,0 cm, y1 est l'équation de la droite dans laquelle m = 1. y2 correspond à la portion de cercle ayant pour rayon le rayon r du mandrin comprise entre le point zéro, origine des coordonnées, et la tangente dans la région voisine du raccordement à la partie cylindrique de la tige. Le décalage en hauteur v entre l'axe x et l'axe x' est de 3,25-; la constante k = 1. Pour le cas donné, est applicable la~condition que la longueur de la distance AB, mesurée- parallèlement à l'axe y, est égale au rayon r du mandrin moins les distances CD et BC et, dans l'exemple de réalisation représenté, s'agissant d'une courbe de contour valable pour un mandrin qui est destiné à des blocs en acier fortement allié, la distance CD a une longueur de 12,67 mm et la distance BC une longueur de-15,0 mm. Mais s'il s'agissait d'un acier au carbone plus ordinaire, les distances CD et BC auraient respectivement une longueur de 4,22 mm et de 5,0 mm. Oans les deux cas, les valeurs correspondant aux distances Wc s'annuleraient au cas où B et C constitueraient un point commun aux deux courbes. Mesurée parallèlement à l'axe des x, la longueur de la distance cd est de 30 mm tandis que,dans le cas donné, la longueur de bc est de 4,5 mm. Elle disparaitrait au cas où B et C constitueraient le meme point. Les portions de courbe B-C-D ou C-O dépendent de la matière. La distance ab, mesurée parallèlement à l'axe x, est à choisir d'après la façon dont se comporte le mandrin à son passage dans la filière à l'intérieur de la somme totale des différentes distances élémentaires, et ceci dans chaque cas, de telle sorte que la somme de cette distance ab et des deux autres distances ou de la distance seule restante (si B et C coTncident) ne soit pas supérieure au rayon du mandrin mais égale et éVsn- tuellement inférieure à celui-ci. Au contraire des conditions de la figure 2, le contour de l'extrémité 2a du mandrin, autrement dit de la surface frontale de celui-ci, est dans le cas de la figure 3 réalisé de façon à être découpé de façon à répondre davantage aux conditions correspondant aux aciers au carbone ordinaire, proches de la qualité St 35 La figure 4 représenté également un mandrin possédant un rayon de 4,0 cm mais, dans la zone de l'extrémité, on a mis en évidence, par des hachures correspondantes, le domaine de variation à l'intérieur duquel le contour de la surface frontale doit être modifié en largeur lorsqu'il s'agit dans l'un des cas d'un acier de la qualité St 35 et, dans l'autre, d'un acier fortement allié de la qualité X 20 Cr Mo V 12.1. Oans le premier cas c'est le contour extérieur et dans le dernier cas le contour intérieur des zones hachurées qui est valable. REVE, 4DICATISNS 1. Mandrin perceur et intérieur combiné pour l'obtention par filage à la presse de tubes d'acier à partir de blocs ou lingots, dans lequel l'extrémité ou coiffe du mandrin, éventuellement blindée et/ou chromée, se raccorde à la surface frontale du mandrin par un arrondi partant de la partie cylindrique de la tige, lequel mandrin est caractérisé en ce que le contour extérieur de la surface frontale du mandrin, qui s'étend-depuis l'axe central du mandrin jusqu'à la partie cylindrique de la tige, se compose d'au moins deux portions de courbe se raccordant l'une à l'autre de façon continue avec la même pente et dont la portion qui oart- de l'axe central du mandrin suit la relation et celle qui débouche de façon continue sur la partie cylindrique de la tige correspond à la fonction y' = k . log x' + v expressions dans lesquelles l'axe des x se confond avec l'axe central du mandrin et le point zéro des coordonnées ainsi que l'axe des y sont constitués par le point où se coupent la surface frontale et l'axe du mandrin, point où la pente de la surface frontale du mandrin est infinie et dans lesquelles m, k et v sont des constantes qui dépendent tant de la qualité de l'acier des blocs à presser que du rayon du mandrin, v représentant la valeur du décalage mesuré sur l'axe des y de l'axe x' par rapport à l'axe des x, auquel se rapporte, ainsi qu'à l'axe des y , la fonction correspondant à la portion de courbe partant de la partie cylindrique de la tige et étant en outre précisé que, dans le domaine des diamètres r de mandrin compris entre 3,0 et 8.0 cm, les valeurs, allant en croissant en meme temps que croissent les rayons, sont comprises en 1 et 2 pour m, entre 0,75 et 1,5 pour k et entre 2,5 et 6,75 pour v. 2. Mandrin selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échelle sur l'axe x' n'est que moitié de celle de l'axe x et en ce que son point zéro se trouve décalé par rapport à l'axe y d'une distance allant en croissant avec les rayons. 3. Mandrin sslon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le point où l'axe x' coupe la surface frontale du mandrin constitue l'emplacement où se fait la transition entre les deux portions de courbe suivant les deux fonctions différentes, à savoir, d'une part, la portion de courbe partant de l'axe central du mandrin et, d'autre part. celle qui se raccorde à la partie cylindrique de la tige. 4. Mandrin selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'axe x' est décalé par rapport à l'axe x d'une quantité v telle que les deux portions de courbe se raccordent l'une à l'autre de façon continue et avec la même pente. 5. Mandrin selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce oue la fonction rapportée au système de coordonnées x et y n'est applicable que jusqu'à certaines valeurs maximales déterminées de x et y qui croissent avec le rayon r du mandrin en partant, pour des rayons d'environ 3,0 cm de valeurs pour x et y de respectivement environ-0,4 et 2.0 pour atteindre, pour des mandrins de rayon r de B,0 cm, des- valeurs de x et y de respectivement 1,0 et 5,75. 6. Mandrin selon la revendication 5, caractérisé en ce que, d'une part. la portion de courbe A-B partant de l'axe central du mandrin et, d'autre part, la portion de courbe C-O se raccordant à la partie cylindrique de la tige, qui suivent des fonctions différentes, se rapportant à des systèmes de coordonnées différents respectivement x, y et x', y' sont raccordées, par une portion de courbe supplémentaire B-C,laquelle,aux points de transition respectifs B et C, se raccorde de façon continue et avec la même pente aux deux portions de courbe A-B et C-O qui la prolonge de chaque côté. 7. Mandrin selon la revendication 5, caractérisé en ce que, dans le domaine correspondant à des valeurs pour x et y supérieures aux valeurs maximales indiquées, à la portion de courbe A-B partant de l'axe central du mandrin se raccorde la portion de courbe débouchant de faucon continue dans la partie cylindrique de la tige et définie dans l'autre système de coordonnées x' , y' pour une valeur de x' allant jusqu'à x' = 1 avec, pour y', des valeurs négatives de telle sorte que les points B et C coïncident. B. Mandrin selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le contour extérieur de la surface frontale du mandrin se compose de trois portions de courbe A-B, B-C -et C-O dans lesquelles la pente au point zéro ou origine de système de coordonnées x, y est infinie, la pente au point de transition B est comprise entre 2,17 et 6,51. la pente au point de transition C est comprise entre 0,217 et 0,651 et la pente au point de transition O avec la partie cylindrique de la tige est comprise entre 0,031 et 0,093, étant précisé que chaque fois les valeurs les plus faibles sont valables pour des blocs d'acier de qualité ordinaire ou faiblement alliés correspondant à peu près au St 35 et les valeurs les plus élevées pour des blocs en aciers fortement alliés et à haute résistance de qualité allant jusqu'au X 20 Cr Mo V 12.1. 9. Mandrin selon la revendication 7, caractérisé en ce que dans le cas où les points B et C coïncident, la pente, au point-de transition entre les deux portions de courbe, est de 0,217 pour des blocs en acier de qualité ordinaire ou faiblement alliés, et de 0,651 pour des blocs en aciers fortement alliés et à haute résistance. 10. Mandrin selon l'une quelconque des revendications 6 et 9, caractérisé en ce que la distance AB, mesurée parallèlement à l'axe y est égale au diamètre r du mandrin diminué des distances CD et BC, la distance CC étant de 4,22 mm et- la distance de 5,0 mm pour des blocs en acier ordinaire ou faiblement allié et ces distances étant de 12,67 pour CD et de 15,0 pour pour des blocs en aciers fortement alliés et de haute résistance et en ce que les valeurs correspondantes aux distances BC s'annulent si les points 8 et C constituent un point commun. 11. Mandrin selon la revendication 10, caractérisé en ce que la longueur de la distance cd. mesurée parallèlement à l'axe x, s'élève à 30 mm et la distance bc est comprise entre 0 et 4,5 mm, la valeur zéro étant valable pour le cas où 8 et C ne constituent qu'un seul point.