Brevet FR2487232A1 — publié le 19820129

La présente invention concerne la fabrication des essieux, et au- tres axes métalliques de forme voisine de celle des essieux, dans tous les cas o ces essieux ou axes se terminent à chacune de leurs deux extrémités par des parties cylindriques ou coniques, dénommées fusées, dont le diamè- tre est inférieur au plus gros diamètre de l'essieu considéré. L'invention s'applique spécialement bien à la fabrication des es- sieux de matériel roulant de chemin de fer. De tels essieux comportent successivement, d'une extrémité à l'au- tre: (voir figures 1 et 2) ou un cône moyen - Une première fusée fi, constituée par un cylindre/de diamètre/d(f), se terminant par un épaulement arrondi de raccordement avec la portée de dé- flecteur qui la suit. Cette fusée sert de support au véhicule par lPinter- médiaire d'un roulement ou d'un coussinet. - Une première portée de déflecteur pdl, encore appelée parfois "garde- graisse", de faible longueur, dont le profil est un arrondi, et de diamètre moyen d(pd) supérieur au diamètre d(f) de la fusée. - Une première portée de calage pcl de diamètre d(pc) supérieur au diamè- tre d(f) de la fusée et au diamètre moyen d(pd) de la portée de déflecteur. C'est sur cette portée de calage que sera fixée une roue du véhicule. - Un corps c qui peut être cylindrique de diamètre d(c) dans certains types d'essieux tels que selon la figure 1, et cylindro-biconique dans certains autres types tels que selon la figure 2 (soit d(c) le diamètre minimal dans ce dernier cas). Le diamètre d (c) du corps est toujours inférieur au dia- mètre d(pc) de la portée de calage et supérieur au diamètre d(f) de la fu- sée. - Une deuxième portée de calage pc2 identique à la pr mière, et destinée à recevoir une autre roue du véhicule. - Une deuxième portée de déflecteur pd2 identique à la première. - Enfin, une deuxième fusée f2 identique à la première, servant de support au véhicule par l'intermédiaire d'un roulement. Ceci étant bien défini pour la clarté de l'exposé qui va suivre, voici maintenant un bref rappel des procédés de forgeage connus pour fabri- quer des essieux-axes, qui agissent tous par étirage de l'ébauche. On peut les classer en trois catégories distinctes ou qn matrice, IO/ Le forgeage vertical libre,!réalisé soit au moyen d'une presse hydrau- lique verticale, soit au moyen d'un marteau-pilon. - / Le forgeage horizontal libre, réalisé au moyen d'une machine à forger horizontale à marteaux multiples. / Le laminage sur un train de laminoir spécial muni de galets, dont le principe rappelle celui du laminage des tubes d'acier sans soudure. Ces procédés présentent des inconvénients importants: (a) Tout d'abord, les procédés par forgeage (1) et (2) exigent un très grand nombre de coups de presse: entre 100 et 130 pour les procé- dés (1), entre 400 et 500 pour le procédé (2), et la cadence de production est peu élevée. (b) Ensuite, pour tous les procédés connus, la qualité du résul- tat obtenu dépend, entre autres choses, de la fiabilité de la commande de la presse, de la machine à forger, ou du laminoir, et cette fiabilité est difficile à assurer étant donnée la très grande multiplicité et la comple- xité des opérations élémentaires successives à réaliser. (c) D'autre part, les surépaisseurs sont fortes dans les procédés (1) et assez fortes dans le procédé (2), si bien que les mises au mille (rapport entre le poids de l'ébauche et celui de l'essieu fini après usina- ge) sont fortes: 1,300 avec les procédés (1) et 1,250 avec le procédé (2). (d) La qualité interne des essieux fabriqués selon les procédés (1) est bonne, mais les surépaisseurs obtenues par forgeage sont importan- tes. En revanche, la qualité interne des essieux fabriqués selon le procé- dé (2) est plus sujette à caution, du fait de déformations effectuées es- sentiellement en peau, tandis que les surépaisseurs sont plus faibles qu'en (1). (e) Dans les procédés (1), la rectitude est très imprécise et nécessite une opération intermédiaire de dressage. D'une manière également connue, certains essieux sont fabriqués sans aucun forgeage, à partir d'une ébauche ronde laminée, dressée après un traitement thermique de normalisation, puis usinée. Les deux inconvé- nients principaux de cette méthode connue sont que l'usinage coupe certai- nes fibres du métal laminé, ce qui entraine une moindre résistance mécani- que de l'essieu, et que la mise au mille métallique, c'est-à-dire le rap- port entre le poids de l'ébauche et le poids de l'essieu fini, est très élevée. Le but de la présente invention est d'éviter tous ces inconvé- nients des procédés connus en utilisant un procédé de forgeage-matriçage à chaud, qui ne procède plus du tout par étirage, mais au contraire par refoulement des parties médianes et filage simultané des parties extrêmes d'une ébauche préchauffée, de telle sorte que ce procédé se traduit par une opération unique de compression de lDébauche dans une matrice fermée. A cet effet, la présente invention a pour objet un procédé de fa- brication des essieux-axes par forgeage-matriçage d'une ébauche préchauf- fée pleine ou tubulaire, caractérisé en ce que le diamètre de l'ébauche - est inférieur au plus gros diamètre de l'essieu-axe à fabriquer, et en ce que le forgeage-matriçage de cette ébauche comporte une opération simulta- née de refoulement des parties médianes et de filage d'au moins une des deux fusées de l'essieu-axe, cette opération simultanée étant effectuée par un seul coup de presse. Suivant une première variante de l'invention, pour un même essieu- axe, le forgeage-matriçage s'effectue dans une matrice dont toutes les piè- ces sont fixez en deux coups de presse successifs, à raison d'un coup de presse pour chacune des deux moitiés transversales de l'essieu-axe, les deux coups de presse étant séparés par un réchauffage et par une manuten- tion intermédiaires. Suivant une deuxième variante de l'invention, le forgeage-matri- çage d'un essieu-axe complet s'effectue en un seul coup de presse, le corps de l'essieu-axe restant fixe, tandis que la matrice comporte deux bagues de fusée mobiles, qui façonnent par filage les deux fusées et les deux portées de déflecteur de l'essieu-axe. Suivant une caractéristique particulière de l'invention, l'ébau- che est préchauffée dans son ensemble à une même température, de préféren- ce comprise entre 1J00 et 1.3000C, et plus spécialement voisine de 1. 2600C. Suivant une autre caractéristique particulière de l'invention, distincte de la précédente, l'ébauche subit un préchauffage différentiel étagé. C'est ainsi qu'il est tout spécialement recommandé de préchauffer les parties de l'ébauche destinées à former les fusées de l'essieu à une température comprise entre 12000 et 13000C, et de préférence voisine de 12600C. C'est ainsi qu'il est également recommandé que, en plus de ce qui précède, les parties de l'ébauche destinées à former le corps de l'essieu soient préchauffées à une température comprise entre 200 et 6000C, et de préférence voisine de 5000C, et que les parties de l'ébauche destinées à former les portées de calage des roues soient préchauffées à une tempéra- ture comprise entre 8000 et 11000C, et de préférence voisine de 10000C. Pour chauffer l'ébauche dans le procédé selon l'invention, et tout spécialement s'il s'agit d'un préchauffage différentiel étagé, il est préférable d'utiliser un chauffage par induction. Suivant une autre caractéristique particulière de l'invention, l'fiéba lest'conjt tuêepat uine bareé ronde lIamdîinée et écioutée avant pté--: chauffage. Elle peut aussi être constituée d'une barre carrée à angles ar- rondis, ou encore d'une barre à section transversale ogivale c'est-à-dire d'une barre carrée à faces bombées, et écroutée avant préchauffage. Le procédé de forgeage-matriçage des essieux-axes selon l'inven- tion peut être réalisé indifféremment sur une presse à forger verticale ou sur une presse à forger horizontale. A la rigueur, la direction du forgea- ge pourrait même être oblique, mais cela ne présente aucun avantage prati- que. Dans le procédé selon l'invention, chaque partie de la matrice est efficacement lubrifiée individuellement, quelle que soit la direction du forgeage. Comme on le comprend, la présente invention présente sur les pro- cédés connus de forgeage ou de laminage des essieux d'importants avantages. Tout d'abord, la cadence de fabrication est beaucoup plus élevée puisque, pour un même essieu, il faut ici seulement deux, ou même un seul, coup de presse, au lieu de 100 à 130, ou même 400 à 500, dans tels ou tels des procédés connus. Ensuite, la qualité du résultat obtenu est indépendante d'une fiabilité plus ou moins grande d'un système de commande, puisque c'est le profil géométrique des pièces de la matrice, lequel est prédéterminé avec une grande précision, qui impose les dimensions de l'essieu ainsi fabri- qué. D'autre part, l'ébauche peut être cylindrique, ce qui simplifie la préparation. Malgré cela, les surépaisseurs de l'essieu ainsi obtenu brut de forgeagematriçage, qui sont à enlever par usinage ultérieur pour obtenir l'essieu fini, sont notablement plus faibles que dans les procédés connus. Ainsi, pour obtenir un essieu de 520 Kg, il suffit de partir d'une ébauche de moins /de 600 Kg, contre 680 Kg pour l'ébauche subissant un forgeage vertical de type connu et 650 Kg pour l'ébauche subissant un forgeage horizontal de type connu. Ici, le rapport entre le poids de l'ébauche et le poids de l'essieu fini est seulement de 1,150. Avant usinage des surépaisseurs, l'essieu fabriqué par le procé- dé selon l'invention ne nécessite pas d'ébavurage, car il ne présente aucu- ne bavure. En ce qui concerne la qualité interne de l'essieu ainsi obtenu, il faut noter que ce procédé réalise un fibrage intégral. Lors de l'usina- ge final, on usine des fibres complètes, sans rompre aucune fibre existan- te. D'une façon générale, la précision du forgeage selon l'invention est bien meilleure que dans tous les procédés connus. En ce qui concerne le préchauffage de l'ébauche, les variantes du procédé selon l'invention qui utilisent un préchauffage différentiel éta- gé, par exemple par induction, permettent de réaliser une économie d'éner- gie importante par rapport au chauffage complet de l'ébauche. L'invention présente donc de multiples avantages. Afin de bien la faire comprendre, on va décrire ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, deux modes de réalisation d'essieux de matériel ferroviaire selon l'invention. Le premier exemple concerne un essieu A à corps cylindrique. Le deuxième exemple concerne un essieu B à corps cylindro-biconique. La figure 1 est une coupe longitudinale de l'essieu A. La figure 2 est une coupe longitudinale de l'essieu B. Les figures 3 et 4 représentent des courbes de température de pré- chauffage différentiel étagé pour chacune des deux moitiés de chaque essieu. Les figures 5, 6 et 7 sont une vue schématique du forgeage-matri- cage de l'essieu A; elles comprennent respectivement: - en figure 5, une vue de l'ébauche, de la presse et des bagues de fusée mobiles avant forgeage-matriçage, - en figure 6, une vue de l'ensemble en fin de forgeage-matriçage, - un figure 7, une vue de l'ensemble après forgeagematriçage, c'est-à-dire après retrait de l'élément supérieur de la presse, et retrait des bagues de fusée mobiles. De même, les figures 8, 9 et 10 sont une vue schématique du forge- ge-matriçage de l'essieu B; elles comprennent respectivement - en figure 8, une vue avant forgeage-matriçage, - en figure 9, une vue en fin de forgeage-matriçage, - en figure 10, une vue après forgeage-matriçage. Ces deux typEs d'essieux A et B, représentés sur les figures peu- vent être fabriqués selon l'invention dans des conditions de forgeage-ma- trigage identiques, les seules différences étant d'ordre géométrique, en particulier pour la partie constituant le corps de l'essieu. Leurs dimensions respectives sont en effet les suivantes, en mil- limitres: Portée de Portée de Essieu A Fusée dflecteur calage Corps deflecteurcalage Diamètres d(f) = 130 d(pd) = 152 d(pc) = 200 d(c) = 173 Longueur 191 58 180 1369 Essieu B Diamètres d(f) = 157,25 d(pd) = 191,28 d(pc)= 222,25 d(c) = 201,5/ x =524 Longueurs 298,85 46 193,7 = 52 a200y = 152 x = 524 Si leur forgeage-matriçage est réalisé en deux coups de presse successifs, à raison d'un pour chacune des deux moitiés de l'essieu, on effectue un premier préchauffage différentiel étagé pour la première moi- tié de l'essieu selon la courbe de température 2 de la figure 3. Sur cette figure, l'ébauche schématisée en 1 est celle qui convient pour un essieu B. C'est une barre ronde de 2500 millimètres de longueur et de 198 millimtris de diamètre. Son préchauffage est effectué par induction de la manière sui- vante: La partie 3 de l'ébauche 1, qui a 600 mm de longueur, est préchauf- fée à une température de 12600C. Elle est destinée à former la fusée de l'essieu, la portée de délecteur et la portée de calage. La partie 4 de l'ébauche 1, qui a 580 mm de longueur, est pré- chauffée à une température comprise entre 1000 C et 8500C, comme indiqué sur la figure 3. Elle est destinée à former la par- tie conique du corps de cette première moitié. La partie restante 5 de l'ébauche, qui a une longueur de 1320 mm n'est pas préchauffée et reste à la température ambiante. Après forgeage-matriçage de cette première moitié, comme il va être expliqué plus loin, on procéde au préchauffage par induction de la deuxième moitié de l'ébaucheî après avoir entouré la première moitié déjà forgée par une enveloppe de protection *6. Le profil thermique appliqué est représenté en 7 sur la figure 4. Il est symétrique de celui de la figure 3.-Après quoi ldn pYr6cèdè au'dèuxièlhe Cdoup d'erirèsser. le.. On peut aussi procéder au forgeage-matriçage en un seul coup de presse si l'on a préchauffé les deux moitiés de l'ébauche simultanément, et si la presse dont on dispose le permet. Le forgeage-matriçage d'un essieu de type A, à corps cylindrique, est schématisé sur les figures 5, 6 et 7. Sur la figure 5, avant forgeage, la partie médiane de l'ébauche 8 est serrée entre les deux moitiés hémi-cylindriques 9et 10 de la matrice, qui présentent d'autre part deux évidements en 11 et 12, de diamètre adapté aux dimensions à obtenir pour les deux portées de calage. De plus, deux bagues de fusée mobiles 13 et 14, de profil convenable, sont disposées à chaque extrémité de l'ébauche. Comme on le voit en comparant les figures 5 et 6, le forgeage- matriçage selon l'invention consiste à pousser les bagues de fusée mobiles 13 et 14 (Figure 5) jusqu'en 13' et 14' (Figure 6), soit en deux opérations de presse successives, soit en une seule opération, de telle sorte que les deux fusées sont obtenues par filage tandis que les deux portées de calage sont obte- nues par xfoulement, filage et refoulement se produisant simultanément. Après forgeage (figure 7), on écarte en 13" et 14" les deux ba- gues de fusée mobiles, on relève la demi-matrice 9, de sorte que l'essieu forgé 15, reposant sur la demi-matrice 10, peut être alors manutentionné. Les figures 8, 9et 10 schématisent le mêmes opérations pour le forgeagematriçage d'un essieu à corps cylindro-biconique, de type B. La seule différence avec ce qui précède est que les deux moitiés 16 et 17 de la matrice ont, dans leur partie médiane, un profil cylindro-biconique, et non plus un profil cylindrique. Un des avantages essentiels du forgeage-matriçage selon l'inven- tion est que les surépaisseurs résiduelles après forgeage, à éliminer par usinage ultérieur, sont ici beaucoup plus faibles que dans les méthodes de forgeage connues. Ainsi pour un essieu de type A, le tableau I ci-dessous donne les dimensions, en diamètre et en longueur, de l'essieu complètement fini, de l'essieu brut de forgeage avant usinage selon les méthodes de forgeage connues, et de l'essieu brut de forgeage selon l'invention avant usinage. Le tableau Il donne les mêmes dimensions pour un essieu de type B. Tableau I - Essieu de corps cylindrique de type A Dimensions en millimètres Diamètres Essieu fini Essieu brut de forgeage connu Essieu brut de forgeage selon 1 'invention Longueurs Essieu fini Essieu brut de forgeage connu Essieu brut de forgeage selon l'invention 58 180 1369 250 1300 58 200 1350 Tableau II - Essieu de corps cylindro-biconique, de type B Dimensions en millimètres. (voir page suivante) Tableau II Portée de Portée de Fusée déflecteur calage Corps Diamètres Essieu fini 157,25 191,28 222,25 201,5 / 189 Essieu brut de 182 213 243 221 I 209 forgeage connu Essieu brut de forgeage selon 168 200 232 211 /200 l'invention Longueurs x Essieu fini 298,85 46 193,7 524 152 524 Essieu brut de forgeage connu 325 45 255 415 300 415 Essieu brut de forgeage selon 325 45 205 490 200 490 l'invention Ces résultats sont tout à l'avantage du procédé selon l'inven- tion. Afin de les rendre plus expressifs, le tableau III ci-dessous, qui décrit la succession des opérations, présente les mises au mille entre le lingot de départ et l'essieu fini, dans trois cas: - 1er cas Essieu de type A laminé, non forgé, et usiné. - 2ème cas Essieu de type B laminé, forgé selon un procédé connu et usiné. - 3ème cas Essieux de type A ou B, laminés, forgés selon l'invention et usinés. Tableau III - Opérations successives et rapports entre le poids du lingot de départ et le poids de l'essieu fini. (voir page suivante) TABLEAU III ler Cas 2ème Cas 3ème Cas Essieu laminé, usiné Essieu laminé, forgé selon Essieu laminé, forgé selon Type A un procédé connu, et usiné l'invention, et usiné Type B Type A ou B Rapports Rapport Rapport de mise de mise de mise Laminage au mille Laminage au mille Laminage au mille Lingot 1,000 Lingot 1,000 Lingot 1,000 Fours Pitts Fours Pitts Fours Pitts Laminage Laminage Laminage Sciage à chaud Sciage à chaud Refroidissement Refroidissement Refroidissement Ecroutage Ebauche 1,185 Ebauche 1,185 Sciage Normalisation Ebauche 1,268 Dressage FORGEAGE Chauffage FORGEAGE Usinag Forgeage Chauffage par induc- Usinage Forgeage to Refroidissement tion Dégrossilage Double normaliForgeage Finition 1,518 sationRefroidissement Revenu Deux normalisa- Dres sage 1 1 tions Essieu fini 1 798 Revenu USINAGE Dressage 1,009 Dégrossissage USINAGE Finition 1,290 Dégrossissage Finition Essieu fini 1, 551 Commande numérique 1,067 Essieu fini 1!,365 o 0.3 Co. is w r\3 Dans le cas d'essieux tubulaires, l'ébauche comporte un noyau de diamitre convenable en silice, ou en tout autre produit réfrac- taire poudreux, dont le coefficient de dilatation par rapport à celui de l'acier à essieux est tel que, à 126000, son adhérence avec l'ébauche soit bonne sans être excessive, et que, à la température ambiante, son élimination ne présente aucune difficulté. Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'in- vention, imaginer des variantes et perfectionnements de détails, de même qu'envisager l'emploi de moyens équivalents. REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication des essieux-axes de matériel roulant de chemin de fer, par forgeage-matriçage d'une ébauche préchauffée, pleine ou tubulaire, caractérisé en ce que lediamètre de l'ébauche est inférieur au plus gros diamètre de lessieu-axe àfabriquer et en ce que le forgeagematriçage de cette ébauche comporte une opération simultanée de refoulement des parties médianes et de filage d'au moins une des deux fusées de l'es- sieu-axe, cette opération simultanée étant effectuée par un seul coup de presse. 2.- Procédé de fabrication des essieux-axes selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que, pour un même essieu-axe, le forgeage-matri- cage s'effectue dans une matrice dont toutes les pièces sont fixes, en deux coups de presse successifs, à raison d'un coup de presse pour chacune des deux moitiés transversales de l'essieu-axe, les deux coups de presse étant séparés par un réchauffage et par une manutention intermédiaires. 3.- Procédé de fabrication des essieux-axes selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le forgeage-matriçage d'un essieu-axe complet s'effectue en un seul coup de presse, le corps de l'essieu-axe restant fixe, tandis que la matrice comporte deux bagues de fusée mobiles qui fa- çonnent par filage les deux fusées et les deux portées de déflecteur de l'essieu-axe. 4.- Procédé de fabrication des essieux-axes selon l'une quelcon- que des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que la totalité de l'é- bauche est préchauffée à une même température, comprise entre 11000C et 13000C, et de préférence voisine de 12600C. 5.- Procédé de fabrication des essieux-axes selon l'une quelcon- que des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que l'ébauche subit un préchauffage différentiel étagé. 6.- Procédé de fabrication des essieux selon la revendication 5, caractérisé en ce que les parties de l'ébauche destinées à former les fu- sées de l'essieu-axe sont préchauffées à une température comprise entre 12000C et 13000C, et de préférence voisine de 12600C. 7.- Procédé de fabrication des essieux selon la revendication 6, caractérisé en ce que les parties de l'ébauche destinées à former le corps de l'essieu-axe sont préchauffées à une température comprise entre 200C et 6000C, en ce que les parties de l'ébauche destinées à former les portées de calage des roues sont préchauffées à une température comprise entre 8000C et 11000C, et de préférence voisine de 10000C, et en ce que les parties de l'ébauche destinées à former les fusées de l'essieu-axe sont préchauf- fées à une température comprise entre 12000 et 13000C, et de préférence voisine de 12600C. 8.- Procédé de fabrication des essieux selon l'une quelconsue des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'ébauche est constituée par ure barre ronde laminée et écroutée avant préchauffage. 9.- Procédé de fabrication des essieux-axes selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que lDébauche est consti- tuée par um barre carrée à angles arrondis et écroutée avant préchauffage. 10.- Procédé de fabrication des essieux-axes selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'ébauche est consti- tuée par une barre de section transversale ogivale et écroutée avant pré- chauffage. 11.- Procédé de fabrication des essieux-axes tubulaires, selon l'une quelc onque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'ébau- che est préalablement forée et remplie de silice, ou de tout autre produit réfractaire poudreux dont le coefficient de dilatation par rapport à celui de l'acier à essieux est tel que, à 12600C, son adhérence avec l'ébauche soit bonne sans être excessive, et que, à la température ambiante, son éli- mination ne présente aucune difficulté.