Brevet FR2453692A1 — publié le 19801107

La présente invention concerne la fabrication de profiles tubulaires en matériaux ductiles et vise notamment un procédé pour façonner des coudes ou modifier l'excentricité entre faces intérieure et extérieure en poussant le profilé tubulaire a travers une matrice a axe dévié, ce qui provoque une réduction de diamètre plus accusée a un endroit du pourtour du tube qu'à l'opposé On a mis au point, au cours des ans, de nombreux procédés de cintrage mais, généralement parlant, la plupart d'entre eux sont des variantes d'un petit nombre de procédés fondamentaux. On ne saurait appliquer avec succès un procédé de cintrage unique, car il faut tenir compte des variations du diamètre du profilé tubulaire, du rapport diamètre/épaisseur de paroi; de la matière constitutive ou de l'angle de cintrage. Par exemple, le travail a la presse, consistant à poser le tube en travers d'une série de matrices frottantes, puis à le soumettre à la pression exercée par un poinçon de façonnage, est indiqué lorsqu'un certain aplatissement du tube est admissible. Le cintrage par galets s'opère à l'aide de galets au nombre de trois ou plus répartis en triangle, le galet médian étant réglable. Le tube à cintrer arrive entre les galets menés fixes et le galet réglable assurant le cintrage. Lorsqu'on procède par traction, on cintre le tube en le maintenant par serrage contre un gabarit rotatif et en le tirant à travers une matrice presseuse. Tous ces procédés provoquent un amincissement de la paroi du tube, notamment sur l'extrados, et rendent la section non circulaire. Plus la paroi du tube est mince et/ou le coude à obtenir accusé, plus ces difficultés augmentent. Pour tenter de conserver à la section sa forme circulaire, on a utilisé divers types de mandrins ou autres moyens de soutien interne, avec des degrés de succès variables. Dans certains cas, l'utilisation d'outils intérieurs complique le processus ou soulève de nouveaux problèmes, tels qu'apparition de marques sur la face intérieure ou amincissement non uniforme de la paroi. Le brevet US No. 3.354.681 décrit un procédé et un appareil pour ltobtention par cintrage de coudes à partir de profilés tubulaires qu'on pousse à travers une matrice de façonnage. Une partie de cet appareil constitue un "ressaut convergent" qui, selon l'inventeur, provoquerait un cintrage par frottement différentiel, le frottement étant plus fort à l'intrados qu'à l'extrados du profilé coudé ; cette assertion va directement à l'opposé de ce qui a été établi dans le cadre de la présente invention. Un autre problème auquel on se heurte constamment en tuyauterie est celui que pose l'excentricité de la paroi de tube. On peut définir aux fins de l'invention l'excentricité comme un décalage entre les centres de courbure des pourtours intérieur et extérieur d'un tube. Quand ces centres ne coincident pas, le tube est dit excentrique. Une correction de l'excentricité implique une réduction des variations d'épaisseur de la paroi. Le brevet US No. 3.095.083 décrit un procédé et un appareil permettant de corriger l'excentricité en tirant le tube à travers une matrice déviée, sans utiliser de garniture intérieure. Toutefois, d'une part, le degré de correction de l'excentricité qu'on peut obtenir est limité et, en outre, on constate que la matrice provoque dans certains cas un épaississement et dans d'autres cas un amincissement de la paroi.Cette même technique de correction d'excentricité est décrite dans le brevet US No. 3.131.803, selon lequel on utilise la matrice déviée en combinaison avec un mandrin intérieur. Il existe d'autres modes de correction d'excentricité : par exemple, selon le brevet US No. 3.167.176, on utilise un mandrin ar ticulé sur rotule et, selon le brevet US No. 3.6-98.229, un procédé à un enlèvement de matière sur la partie de tube qui présente une surépaisseur. Le présent procédé supprime dans une large mesure beaucoup de problèmes que soulèvent, dans la technique antérieure, le cintrage de tubes et la correction d'excentricité. Selon l'aspect de l'invention relatif au cintrage, on pousse un tube en matière ductile à travers une matrice déviée qui présente une inclinaison définie par certaines relations angulaires sur l'axe du tube. Par matrice "déviée", on entend dans le présent mémoire une matrice symétrique non par rapport à un axe, mais seulement par rapport un plan passant par l'axe du tube rectiligne arrivant. Poussé à travers une telle matrice, le tube subit un rétreint différentiel et il existe, entre les forces agissant normalement à son axe, un déséquilibre qui provoque le cintrage du tube.Contrairement à ce qui se passe selon la technique antérieure, la paroi du tube s'épaissit sur toute la circonférence. Selon un aspect de l'invention, on pousse l'organe tubulaire à travers une matrice déviée pour assurer une correction d'excentricité par orientation adéquate du tube initialement excentrique par rapport à la direction de déviation de la matrice. L'incorporation d'une section déviée à une matrice composite pour le façonnage de raccords de tuyauterie est décrite dans la demande de brevet déposée ce même jour par la demanderesse pour "Matrice et procédé pour le façonnage de raccords de tuyauterie coudés". Les diverses caractéristiques de l'invention sont énoncées dans les revendications annexées. Pour mieux faire comprendre l'invention, on va maintenant en décrire à titre d'exemple une réalisation préférée en se référant au dessin annexé, sur lequel la figure 1 représente l'ensemble d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de façonnage la figure 2 est une vue de détail montrant le tube en cours de refoulement à travers la matrice déviée de ce dispositif la figure 3 représente en coupe droite un tube excentrique avant correction de l'excentricité la figure 4 est une vue en coupe droite du tube ayant subi la correction d'excentricité. La présente invention vise, d'une manière générale, un procédé permettant de modifier sélectivement divers aspects dimensionnels de tubes déjà formés pour obtenir des coudes de haute qualité, corriger une excentricité indésirable ou obtenir une excentricité souhaitable. L'invention est applicable à des organes tubulaires en matériaux ductiles tels que métaux ferreux et non ferreux, ainsi que matières plastiques et autres matières susceptibles de déformation plastique. On va d'abord considérer le cintrage de tubes. Sur la figure 1, on voit un tube 10, qui peut être enduit extérieurement d'un lubrifiant du commerce, en place dans la section d'entrée d'une matrice déviée 12. Il peut être indiqué de prévoir une section de guidage d'entrée non représentée. La matrice 12 repose sur un tréteau de support 14, auquel elle est ou non solidement fixée. Un plateau de presse 16, accouplé par contact ou fixation avec l'extrémité libre du tube 10, pousse ce dernier à travers la matrice 12. La poussée ne s'exerce pas nécessairement sur l'extrémité du tube ; elle peut par exemple être appliquée par des organes de serrage agrippant le tube en amont de llentree de la matrice. Elle peut être engendrée par une presse ou par tout autre dispositif de poussée. Le tréteau 14 soutient la matrice de façonnage 12 et permet au tube façonné 26 de ressortir par une ouverture 18. Comme illustré par la figure 2, il existe entre la matrice déviée 12 et le tube 10 poussé dans celle-ci certaines relations géométriques caractéristiques. Le tube 10 a initialement un diamètre extérieur OD , (Pour fixer les idées, on a représenté sur la figure 2 un modèle particulier de matrice déviée, ou symé- trique par rapport à un plan, composée de tronçons tronconiques, engendrés par des directrices circulaires). Il est utile de considérer la position occupée par l'axe L du tube 10 à l'entrée dans la matrice 12. On peut se représenter la matrice 12 comme définie par un cne d'entrée 20 et un cne de dépouille 22. Les canes 20 et 22 définissent un premier et un second tronçons tronconiques creux.Ces tronçons sont presque toujours, bien que non nécessairement, en forme de cônes à directrices circulaires. Les tron çons tronconiques 20 et 22 se rencontrent dans le plan de troncature pour définir ensemble un rentrant ou goulet 24 tel que le tube 10, refoulé à travers le cône 20, franchisse le goulet 24 sous forme de tube coudé 26 pour passer dans la section 22. Le tube 10, qui a au départ un diamètre extérieur initial ODS, est transformé en traversant la matrice en un tube façonné 26 ayant un diamètre extérieur ODf.On peut préciser les relations liant le cône d'entrée 20 au tube de départ 10 et au tube façonné 26 au moyen des expressions suivantes C = angle au sommet du cône définissant la matrice, ou angle fait par une génératrice avec l'axe du cône , T = déviation de la matrice ou angle fait entre l'axe de la matrice conique et l'axe du tube entrant Ix = angle d'entrée maximum de la matrice, égal à C+T Ii = angle d'entrée minimum de la matrice, égal à C-T Rc = rayon de courbure d'intrados du tube cintré. Sur la figure 2, on voit une matrice déviée dont le plan de sortie 27 est normal à l'axe de la matrice conique. Bien qu'une telle orientation soit souhaitable à la plupart des fins pratiques, le plan de sortie 27 n'est pas obligatoirement normal à l'axe de la matrice. On peut en effet incliner le plan de sortie 27 d'un côté ou de l'autre de la normale et obtenir encore un cintrage du tube. On notera que Ix et Ii définissent les inclinaisons forte et faible respectivement, de génératrices opposées du cône d'entrée 20 sur l'axe du tube 10. Pendant que le tube 10 est poussé à travers la matrice 12, la partie de son pourtour qui rencontre la partie la plus inclinée de la matrice subit un rétreint (réduction de diamètre) plus important que la partie opposée, le rétreint et les forces qu'il engendre atteignant un maximum au niveau de la génératrice du cône qui définit l'angle d'entrée maxi mum I .De principes bien établis régissant le façonnage de mé x taux découlent les angles maximaux qu'on peut pratiquement adopter sans faire apparaitre d'efforts superfétatoires engendrant de fortes poussées qui provoquent elles-mêmes un flambage rendant irrégulier le cintrage du tube. La demanderesse a constaté que 1x présente une limite haute critique d'environ 400 et que la déviation présente une limite haute critique d'environ 200 et doit être supérieure à Oo et égale ou inférieure à l'angle au sommet du cône. La valeur-limite de Ix varie quelque peu selon le rapport Ou /t (t étant l'épaisseur initiale de la paroi du tube), la réduction de diamètre et les caractéristiques de frottement.Quand ces limites sont dépassées, le tube entrant tend à être déformé et l'organe sortant de la matrice présente un cintrage irrégulier imprévisible et un rayon de courbure non uniforme. Ces limites définissent une zone de transition et, lorsqu'on ne les dépasse pas, on obtient un tube uniformément cintré, à rayon de courbure uniforme. Au-delà de cette zone de transition, l'organe sortant de la matrice a un comportement imprévisible, avec une réduction surprenante du cintrage et un rayon de courbure irrégulier. Le rétreint différentiel fait subir à la matière une déformation plastique proportionnelle, provoquant un allongement plus accusé dans la partie de tube où le rétreint est plus accusé, l'allongement différentiel causant un cintrage. On notera que, pendant la poussée du tube 10 à travers la matrice 12, la partie du tube la plus voisine de la génératrice 25 à inclinaison I. du cane d'entrée rencontre la matrice avant que la partie du tube opposé ne rencontre la génératrice opposée 23, à inclinaison Ix, du cône. Ce décalage entre les points de prise de contact avec la zone d'entrée 20 provoque un déséquilibre entre les forces appli quées par la matrice normalement au tube 10, ce qui engendre un couple (ou moment) amorçant le cintrage du tube.On notera que, même dans le cas extrême où la réduction de diamètre est nulle (le diamètre extérieur initial du tube étant égal au diamètre du goulet 24 de la matrice), un tube poussé à travers une matrice déviée subit de la part de celle-ci des forces déséquilibrées qui le cintrent ; cet effet peut être démontré géométriquement. Un degré fini de cintrage permanent apparaît pourvu que la déviation soit suffisante pour que le tube subisse un certain degré fini de déformation plastique. On a aussi constaté qu'un tube cintré par le procédé décrit conserve dans l'ensemble une section sensiblement circulaire et que sa paroi subit un épaississement sur l'ensemble de son pourtour. Convenablement mis en oeuvre, le procédé supprime virtuellement le risque d'aplatissement de la paroi du tube, qui constitue l'inconvénient de tant de procédés de cintrage antérieurs, et ce, sans qu'on ait à faire soutenir intérieurement le tube par un mandrin ou support d'autre type. Le procédé selon l'invention est en outre applicable dans un intervalle de rapports OD5/t beaucoup plus intéressant que celui possible selon les procédés antérieurs sans support interne, avec de légères variations selon la nature de la matière formant le tube. On peut réaliser couramment des coudes dépassant nettement 1800, la seule limitation étant la nécessité d'éviter que le matériel n'empiète sur le tube coudé. Le procédé est applicable à toute matière malléable ou ductile. En soutenant la face soit extérieure, soit intérieure du tube rectiligne 10, on peut retarder le flambage. Par mise en oeuvre de tout le processus sous pression hydrostatique suffisante (par exemple dans une chambre sous haute pression), on peut cintrer des matières présentant normalement de la fragilité, c'est-àdire difficiles à déformer sans cassure. On peut façonner le tube soit à froid, soit à température modérée ou élevée. Le tableau 1 ci-après résume des résultats d'essais obtenus en cintrant des tubes en un acier au carbone particulier, avec une réduction de diamètre extérieur de 5,3 %. TABLEAU I Cintrag de tubes en acier au carbone à diamètre extérieur initial de 1,130 in. (28,7 mm) avec réduction de diamètre extérieur de 5,3 % Tube de départ Tube façonné Matrice Epaississement Rayon de Epaisseur Rapport de paroi Défaut de courbure Angle Angle Force de de paroi (OD /t) circu- à au sommet de poussée (ODs) (t) s A A larité l'intrados du cône déviation nécessaire l'intrados l'extrados (Rc) (C) (T) 1,130(1) 0,085(1) 13,3 4,6 % 4,7 % 0,002(1) 57,1 (1) 8 3 2300-2600 in. in. in. in. 1bs (2) " " " 4,6 4,7 0,004 39,3 20 6 3000 " " " 5,9 5,8 0,002 32,3 15 6 3400-3500 " " " 3,3 5,6 0,004 22,1 8 6 3000-3100 " " " 7,0 8,2 0,019 18,4 28 12 3700 " " " 7,1 7,0 0,013 16,1 20 12 3500 " " " 2,3 8,2 0,013 13,6 15 12 3600-3800 " " " 7,0 19,8 0,029 22,2 28 18 6700 " " " 3,5 9,2 0,026 10,5 20 18 4100-4200 " " " 3,5 19,5 0,034 24,8 22 20 6900-9000 " " " 5,8 19,5 0,039 22,7 24 22 7000-7800 " 0,116 9,7 4,2 3,4 0,003 54,4 8 3 2900-3200 " " " 4,3 3,4 0,003 37,0 20 6 3600-3700 " " " 5,2 5,1 0,003 25,6 15 6 4300-4500 " " " 3,4 4,2 0,002 21,7 8 6 3600-3900 " " " 6,0 6,0 0,015 16,0 28 12 5200 Notes : (1) 1 in. = 2,54 mm. (2) 1 1b. = 0,454 kg. TABLEAU I (suite 1) Tube de départ Tube façonné Matrice Epaississement Rayon de Epaisseur de paroi Défaut de courbure Angle Angle Force de de paroi Rapport circu- à au sommet de poussée (ODs) (t) (ODs/t) A A larité l'intrados du cône déviation nécessaire l'intrados l'extrados (Rc) (C) (T) " " " 6,0 % 5,1 % 0,012 13,2 20 12 4500-4600 " " " 3,4 5,9 0,009 11,7 15 12 4100-4300 " " " 8,5 20,3 0,031 47,7 28 18 10200 " " " 5,1 8,6 0,025 9,2 20 18 5400-5500 " " " 4,2 20,5 0,040 27,7 22 20 9500-10500 " " " 5,0 21,8 0,044 30,3 24 22 10300-12700 " 0,144 7,8 4,2 2,7 0,002 45,6 8 3 3200-3400 " " " 3,5 2,7 0,004 28,1 20 6 4400-5600 " " " 4,8 4,9 0,002 21,4 15 6 4800-5300 " " " 3,4 4,2 0,002 19,1 8 6 3800-4100 " " " 6,2 6,0 0,016 12,8 28 12 6300-6600 " " " 6,9 4,1 0,016 10,8 20 12 5100-5300 " " " 3,4 4,8 0,012 10,2 15 12 4700-5000 " " " tube 28 18 -- flambé " " " 4,8 7,5 0,031 8,1 20 18 6700-6800 " " " 4,1 16,9 0,032 35,3 22 20 13000-13800 " " " Tube cintré irrégulièrement 24 22 19000-21300 Une analyse poussée de nombreux résultats d'essais a révélé que le rayon de courbure du tube cintré est influencé fortement par l'angle de déviation de la matrice et, à un degré moindre, par la réduction de diamètre extérieur et par le rapport diamètre/épaisseur initial. La force de poussée à appliquer au tube engagé dans la matrice dépend fortement de la réduction de diamètre extérieur et faiblement de l'angle de déviation, de l'angle au sommet du cône et du rapport diamètre/épaisseur initial. On a aussi constaté que le cintrage est maximum quand l'angle de déviation approche de 180 et que l'angle au sommet du cône est au minimum supérieur de O à 20 à l'angle de déviation. Les résultats d'essai indiquent encore que le cintrage est maximum quand le pourcentage de réduction du diamètre extérieur est approximativement égal à la moitié du rapport diamètre/épaisseur initial. On va maintenant exposer le-mode de correction de l'ex- centricité d'un tube. En poussant un tube à travers la matrice déviée 12, on engendre des forces provoquant une déformation plastique de la matière proportionnelle à l'inclinaison de la partie de paroi rencontrée par la partie considérée du tube. Dans tous les cas, en poussant le tube 10 à travers la matrice 12, on provoque un épais- sissement de sa paroi sur tout son pourtour. L'épaississement de paroi du tube est maximum là où le rétreint est maximum (en Ix) et minimum la où le rétreint est minimum (en Ii). La figure 3 représente en coupe droite un tube 10 ayant, avant de pénétrer dans la matrice déviée 12, une épaisseur de paroi minimale 28, une épaisseur de paroi maximale 30 et un diamètre intérieur 32. On a exagéré l'excentricité pour plus de clarté. On pousse le tube 10 à travers la matrice 12 en opérant comme précédemment décrit. Toutefois, lorsqu'on applique le procédé en vue d'une correction d'excentricité, l'orientation du tube est très importante. Etant donné que la poussée appliquée au tube pour lui faire traverser la matrice provoque toujours un épaississement de paroi sur le pourtour du tube, il faut que la partie de paroi la plus mince 28 rencontre la partie 20 de la matrice assurant le maximum de rétreint. On peut choisir l'angle de rétreint maximum d'après le degré de correction d'excentricité à assurer. Il va de soi que la correction d'excentricité s'accompa gne d'un cintrage et que, selon l'usage prévu, on peut avoir à soumettre le tube à une opération de redressement. La figure 4 représente en coupe droite le tube 26 ayant franchi le cône de dépouille 22 de la matrice. On voit que ce tube 26 présente une paroi 34 à épaisseur uniforme sur tout son pourtour, un diamètre intérieur 36 réduit par rapport au diamètre intérieur initial 32 et un diamètre extérieur ODf réduit par rapport au diamètre extérieur ODS initial. Le tableau Il indique les pourcentages de modification d'excentricité (après redressement) que l'on peut obtenir par le présent procédé et par le procédé antérieur selon lequel le tube est tiré à travers la matrice. On voit sans peine que le pourcentage de modification d'excentricité qu'on peut obtenir selon l'invention est nettement supérieur. Dans certains cas, on peut avoir à opérer une modification d'excentricité qui n'est pas nécessairement une correction d'excentricité. Dans ce cas, on oriente le tube entrant par rapport à la matrice de façon à obtenir la modification d'épaisseur de paroi souhaitée sur son pourtour d'après les principes précédemment énoncés. TABLEAU II Correction d'excentricité de tubes en acier au carbone Pourcentage de modification Angle de Angle au Excentricité d'excentricité (#E %)** déviation sommet Rapport initiale (T) (C) (ODs/t) (E1 %)* Présent Technique Procédé antérieure 6 8 10,5 3,15 % 4,09 % 2,4 % 12 15 10,5 3,87 6,43 4,3 12 15 14,7 4,34 7,09 5,1 * E1 % = ######### x 100 où tmax et tmin sont respectivement les épaisseurs de parois maximale et minimale. ** Valeur absolue du pourcentage de modification à partir de l'état initial. REVENDICATIONS 1. Procédé de cintrage de tube dans une matrice qui pre- sente un passage en forme de cône tronqué, terminé par un goulet, dont l'inclinaison est forte suivant une génératrice du cône et faible suivant la génératrice diamétralement opposée et dont les dimensions et l'agencement soient tels que l'angle d'entrée maxi mum I de la matrice ne dépasse pas 400 environ et que l'angle x de déviation T de la matrice est non supérieur à 200 environ, supérieur à 00 et inférieur à l'angle au sommet C du cône, Ix étant égal à C + T, T étant l'angle fait entre l'axe de la matrice et l'axe du tube entrant, ce procédé étant caractérisé en ce qu'on pousse le tube à travers le passage de la matrice pour qu'il subisse dans la matrice des forces de rétreint variant entre un maximum au point où il rencontre la génératrice du cône la plus inclinée et un minimum au point où il rencontre la génératrice la moins inclinée, le déséquilibre entre ces forces engendrant un couple ou moment de force, afin de provoquer un cintrage du tube vers la génératrice la moins inclinée, et on laisse le tube se cintrer sans contrainte au-delà du- goulet. 2. Procédé de cintrage de tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice présente un angle de déviation de 180 et un angle au sommet du cône de 18 à 200 en vue d'un cintrage maximum du tube. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube subit un cintrage accompagné d'une réduction de son diamètre extérieur. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi du tube subit un épaississement sur toute sa section en traversant la matrice. 5. Procédé de cintrage et de rétreint de tube selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'épaisseur de paroi initiale du tube est variable et en ce qu'on pousse le tube à travers le passage de la matrice de façon que sa partie la plus mince subisse le maximum de rétreint, de sorte qu'elle subit une augmentation d'épaisseur supérieure à celle des autres parties de paroi, pour lesquelles le rétreint est moindre. 6. Procédé de cintrage et de rétreint de tube selon la revendication 5, caractérisé en ce que ce n'est pas la partie la plus mince du tube qui subit le maximum de rétreint.