Brevet FR2492694A1 — publié le 19820430

La présente invention concerne " usinage des métaux par déformation et a notamment pour objet un procédé de fabrication de mandrins pour laminoirs perceurs, ainsi que les mandrins fabriqués par ledit procédé. L'invention peut être appliquée avec une efficacité maximale à la fabrication des mandrins refroidis par eau (non changeables) pour les laminoirs perceurs à tubes. En outre, l'invention peut être appliquée avec efficacité à la fabrication de mandrins non refroidis (changeables) pour ces mêmes laminoirs. Par suite de l'accroissement très rapide de la demande de tubes sans soudure, du niveau croissant de l'automatisation et du rendement des trains de laminage de tubes à chaud, les besoins en outillage pour le laminage des tubes et, avant tout, en outillages de qualité, c'est-à-dire fiables et de grande longivité, se sont fortement accrus. Permi les outillages s'usant le plus rapidement figurent les mandrins des laminoirs perceurs, formant un trou dans une ébauche massive chauffée à blanc, travaillant en présence de pressions et de températures élevées et variables, et soumis à un frottement intense de contact. L'aptitude des mandrins à résister à ces charges est l'un des facteurs primordiaux dont dépend le rendement des trains de laminage de tubes, la qualité de la surface intérieure des tubes et, en général, 1' eficacité du laminage des tubes. Toutefois, les conditions de travail très dures ont pour effet de réduire la longivité et d'augmenter la consommation des mandrins de perçage. Pour améliorer l'état de surface des tubes, il est nécessaire de changer fréquemment le mandrin, mais ceci abaisse le rendement du laminage et augmente les frais d'outillage. Le mandrin se présente comme un corps fuselé à profil aérodynamique. Il comporte d'ordinaire un téton cylindrique sur sa portion avant active, et un élément de fixationlefniK ' plus souvent sous la forme d'une cavité conique d'emmanchement dans sa portion arrière d'appui. Entre la portion active et la portion d'appui, il y a une portée cylindrique de calibrage. Pour le laminage de tubes en aciers au carbone et en aciers moyennement alliés, on emploie des mandrins refroidis inte rieurement par eau (mandrins à refroidissement par eau non changeables) ayant une cavité profonde de refroidissement et une cavité conique d'emmanchement pour sa fixation étanche sur la barre porte-mandrin. Pour le laminage de tubes en aciers fortement alliés et en alliages difficilement déformables, on emploie des mandrins non refroidis intérieurement (changeables3, avec un alésage de fixation peu profond. Les mandrins refroidis par eau sont fabriqués en aciers moyennement alliés, contenant C - 0,1 à 0,2 %, Cr - I ,', Ni - 3 à 4 ,', V - 1 ,', et les mandrins on refroidis, avec des aciers de ces mêmes nuances ainsi qu'avec des aciers fortement alliés et des alliages contenant du tungstène, du molybdène, du cobalt, etc. La forme du mandrin, en particulier du mandrin refroidi par eau, est une source de difficultés technologiques quel que soit le procédé de fabrication utilisé, et implique un usinage par enlèvement de matière plus ou moins importante de différentesportions de la surface du mandrin. Toutefois, vu que le mandrin forme le trou au stade initial du laminage, sa rugosité superficielle Ra exigée, de tordre de 300 à 10 9 peut être obtenue par moulage ou par matriçage. On connatt les méthodes suivantes de fabrication des mandrins (Kopysky B.D., Semionov E.I., Kandyba L.F., et autres, revue "Stal", 1979, nO 1, pp. 55, 56) a) moulage dtune ébauche de forme avec ou sans cavité venue de fonderie et usinage intégral ou partiel par enlèvement de matière ; b) forgeage à partir d'une ébauche soit pleine, soit tubulaire, avec ou sans cavité préliminaire, et usinage intégral ou partiel de la surface extérieure et de 7a cavité. Le mandrin fini est soumis à iii recuit oxydant et, dans certain cas, son téton est rechargé avec une matière réfrac taire par projection ou par soudage. Le moulage des mandrins est un processus à rendement assez élevé, et les frais de fabrication des mandrins moulés sont relativement peu élevés. Toutefois, du fait des particularités physiques du processus de solidification du métal liquide, la structure du métal des mandrins a une orientation essentiellement radiale, perpendiculaire à la surface extérieure du mandrin et à la direction de glissement de l'ébauche à percer, ce qui se traduit par une basse résistance mécanique de la surface active du mandrin aux actions de contact et une basse résistance de la portion conique d'emranchement vis-à-vis des contraintes tangentielles de traction.Les pores et les soufflures inévitables affaiblissent les portions sous-jacentes à la peau ou crotte du métal et, en émergeant après une certaine usure du mandrin, provoquent l'apparition de défauts à la surface intérieure du tube. L'instabilité de la qualité des mandrins moulés entraine une instabilité du processus de laminage et de la qualité des tubes. Les principales méthodes employées pour améliorer la qualité des mandrins moulés : introduction de métaux d'addition supplémentaires et emploi de moules métalliques (coquilles), augmentent notablement le prix du mandrin, sans toutefois changer radicalement leurs propriétés (cf. brevets Grande Bretagne nO 1 441 052, cl.B34, déposé le 7.05.74, et brevet Etats-Unis nO 3 962 827, cl. 72-209 (B21B17/10) déposé le Il .05.70). A l'heure actuelle, on utilise de plus en plus les mandrins forgés ayant une structure déformée dense, orientée essentiellement le long de l'axe du mandrin. Une telle structure assure une élévation du niveau des propriétés mécaniques et d'utilisation, ainsi que de la stabilité de ces propriétés. Malgré les dépenses accrues de métal et de main-d'oeuvre pour leur fabrication, et, au total, les frais de fabrication deux fois plus grands que dans le cas du moulage, le doublement ou triplement de la tenue et de la fiabilité des mandrins forgés rend leur utilisation préférable. Toutefois, les mandrins forgés et usinés par enlèvement de matière (au tour) ont une structure métallographique qui n'est pas tout à fait favorable, dans laquelle les fibres sont coupées lors de l'enlèvement de la surépaisseur d'usinage et émergent à la surface active sous un angle raide. Une telle orientation de la structure est défavorable en ce qui concerne la résistance à l'usure par actions de contact et ne permet pas d'exploiter pleinement les possibilités offertes par le métal du mandrin au point de vue longévité et stabilité en service. De la sorte, aucun des procédés connus ne permet d'obtenir des mandrins dont le métal a la structure nécessaire du point de vue de leurs propriétés en utilisation, et, de plus, n'ont pas l'efficacité voulue. On s'est donc proposé de créer un procédé de fabrication de mandrins pour laminoirs perceurs, qui assurerait la formation, dans le mandrin, d'une structure métallographique dense dans laquelle les fibres 5 inscrivaient en conformité avec le contour de la surface active du mandrin, le long de l'écoulement du métal de l'ébauche à percer, et qui supprimerait pratiquement la nécessité d'user les mandrins par enlèvement de matière. Ce problème est résolu du fait que, le procédé de fabrication de mandrins pour laminoirs perceurs, lesdits mandrins ayant une forme fuselée et emportant une cavité conique axiale borgne réalisée du c8té de la portion de fixation du mandrin, un téton réalisé de l'autre coté, c'est-à-dire du cbté de la portion active du mandrin, et une portée cylindrique de calibrage située entre lesdits portions actives et de fixation, procédé du type consistant à préformer dans l'ébauche une cavité conique, à refouler ladite ébauche dans une matrice fermée, avec pré-calibrage de la cavité, puis à mettre en formera surface extérieure et la surface intérieure du mandrin, caractérisé, d'après l'invention, en ce qui après le préformage de ladite cavité conique dans l'ébauche, on matrice l'ébauche à chaud par refoulement dans une matrice fermée avec pré-calibrage de la cavité dans l'ébauche, de telle façon que le diamètre extérieur à la face de ladite portion de fixation soit compris entre sensiblement 0,9 et 1,02 fois le diamètre de la portée de calibrage du mandrin, que les diamètres extérieurs de la portion active et du téton soit compris sensiblement entre 0,9 et 1 fois le diamètre des portions correspondantes du mandrin, et que l'épaisseur de la paroi de la portion de fixation et de la portion active soit comprise sensiblement entre 0,7 et 1 fois l'épaisseur de la paroi du mandrin, puis on exécute simultanément une rétreinte de la portion de fixation et un refoulement de la portion active du mandrin, avec calibrage définitif de la cavité. Les rapports dimensionnels déterminés obtenus à la suite du refoulement en matrice fermée et du pré-calibrage de la cavité de l'ébauche, assurent la modification nécessaire de la structure du métal de façon que les fibres s'inscrivent dans, et en conformité avec, le contour de la surface active du mandrin, et garantit la mise en forme correcte de la portion de fixation du mandrin au stade de façonnage suivant, c'est-à-dire de rétreinte avec refoulement et calibrage de la cavité. La nonobservation des paramètres présentés entraine soit à des imprécisions dans la forme de la cavité conique d'emmanchement, ce qui rend nécessaire un usinage complémentaire de cette surface par enlèvement de matière, soit à des distorsions dans la forme de la portion de fixation, défaut qui est impossible à éliminer. En outre, la nonobservation des paramètres préconisés par la présente invention provoque la formation de plissements, de pincements & bavures au plan de joint de l'outil, c'est-à-dire de défauts qui sont eux aussi impossibles a éliminer. Selon un mode de réalisation, avant le matriçage à chaud avec pré-calibrage de la cavité, simultanément avec le préformage de la cavité conique on forme le téton du mandrin. En effet, l'exécution simultanée du formage du téton et du préformage de la cavité assure une mise en forme de qualité, l'obtention de la forme et des dimensions prescrites, tout en diminuant l'effort de matricage nécessaire, ce qui a une influence favorable sur la tenue des principales pièces poinçon et motrice de l'outil à matricer. Il est avantageux d'exécuter le refoulement de l'ébauche en matrice fermée avec le pré-calibrage de la cavité de façon que le taux de réduction de la paroi suivant l'épaisseur soit compris entre 1,25 et 2,5 par rapport à la valeur initiale, et de former la portion de fixation, lors de l'exécution simultanée de la rétreinte et du calibrage définitif, de façon que le taux de changement de la section transversale suivant la hauteur de la portion de fixation se situe entre 1 et 1,5 fois la valeur initiale. Un tel régime de réduction de la paroi du mandrin est avantageux quand l'ébauche de départ est un moulage de forme avec une cavité venue de fonderie. Dans ce cas, la structure moulée initiale est rendue plus dense dans les zones voulues; et ce, dans une mesure suffisante pour conférer au mandrin des propriétés d'utilisation satisfaisantes. Le taux proposé de changement de la section transversale de l'ébauche suivant la hauteur de la portion de fixation, lors de l'exécution simultanée de sa rétreinte et de son calibrage définitif, garantit l'obtention de cette portion avec des cotes linéaires et angulaires précises. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détail s et avantages de celle-ci apparaitront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemple non limitatif , avec références au dessin unique annexé qui représente le schéma de principe de l'installation conforme à l'invention. - la figure 1 représente un mandrin refroidi par eau pour laminoir perceur (coupe longitudinale) - la figure 2 représente une ébauche à cavité conique préformée (coupe longitudinale) - la figure 3 représente l'ébauche à cavité conique précalibrée (coupe longitudinale) - la figure 4 représente le mandrin au stade d'achb- vement de la mise en forme (coupe longitudinale) - la figure 5 représente une ébauche moulée de forme à cavité conique venue de fonderie. Sur les figure, 2, 3, 4, 5, les éléments et les portions du mandrin aux différents stades du formage sont désignés comme suit : 1 = portion active, 2 = téton, 3 = cavité pour le refroidissement du mandrin, 4 = portion de fixation, 5 = cavité conique d'emmanchement, 6 = portée de calibrage, 7 = orifice de sortie de l'eau, d1 et d2 = diamètres de la cavité conique d'emmanchement du mandrin, d3 = diamètre de la grande base de la cavité conique précalibrée, D1 et D2 = diamètres respectifs de la portée de calibrage du mandrin et de la portion de fixation, D3 = diamètre de la face de l'ébauche au stade de précalibrage de la cavité conique, D4 et D5= diamètre dans la zone de la portion active, d4 et d5 = diamètres de téton, SO et S1 = épaisseurs de paroi respectives de la portion active 1 et de la portion de fixation 4 de l'ébauche, SO' et S1' = épaisseurs de paroi respectives de la portion active 1 et de la portion de fixation 4 du mandrin. Les surfaces des faces du mandrin sont désignés respectivement par les lettres de référence f1 et f2 sur les figures 3 et 4. L'ébauche de départ, un tronçon de barre laminée, est chauffée dans un four jusqu'à la température de forgeage et matricée en plusieurs coups dans une matrice fermée, avec formage de la cavité 3 et obtention-simultanée, par filage, du téton 2 (figure 2) à l'extrémité conique de la portion active 1. En continuant le matriçage, on exécute le pré-calibrage de-la cavité conique 3, en donnant à la cavité conique d'emmanchement 5 une forme correspondant aux diamètres d2 et d1. A ce stade on obtient les dimensions D3= (0,9 à 1,02)D1, D5 = (0,9 à 1)D4, d5 = (0,9 à 1) dq S1 = (0,7 à 1)S1', S0 = (0,7 à 1)S0' (figure 3). La forme définitive est donnée au mandrin dans un outil à calibrer, en exécutant simultanément la rétreinte de la portion de fixation 4 jusqu'au diamètre D2, le calibrage du cône d'emmanchement 5 jusqu'aux diamètres d1 et d2 et le refoulement de la portion active 1 jusqu'au diamètre D4, le taux de changement de la section transversale de la portion de fixation étant maintenu dans la plagef1/f2 = 1 à 1,5 (figure 4). Pour réduire le nombre d'opérations de matriçage, l'ébauche peut être obtenue par moulage avec une cavité venue de fonderie, la forme choisie étant celle de la figure 5. Toutefois , afin d'augmenter la modification de la structure moulée en continuant le façonnage par matriçage à chaud, on prévoit des réductions complémentaires locales de la paroi, avec variation, suivant la hauteur de l'ébauche de 1,25 à 2,5 par rapport à la valeur initiale. Les orifices 7 de sortie du liquide sont réalisés par perçage. Les rapports et les régimes indiqués plus haut permettent d'obtenir des mandrins qui peuvent être immédiatement utilisés pour le perçage au laminoir, avec un usinage complémentaire minimal ou même sans usinage complémentaire. La nonobservation desdits rapports et des régimes indiqués entraine la formation de défauts impossibles à éliminer, ne permettant pas l'utilisation des mandrins pour le perçage au laminoir. Un exemple concret mais non limitatif de mise en oeuvre du procédé faisant l'objet de l'invention est décrit ciaprès. Pour le matriçage d'un mandrin d'un diamètre de 77 mm, d'une longueur de 205 mm et d'une masse de 3,8 kg en acier contenant : C - 0,12 % Cr - 1 % et Ni - 3 96, on utilise une ébauche d'un diamètre de 65 mm et d'une longueur de 147 mm. On chauffe l'ébauche jusqu'à la température de 1250C, on la place dans l'outil à matricer et, en plusieurs coups, on y forme par poinçonnage et extrudage une cavité conique préliminaire et un téton de 25 mm de diamètre (figure 2). Ensuite on effectue un calibrage préliminaire de la cavité conique du mandrin jusqu'à la profondeur de 175 mm (figure 3), puis on rétret la portion de fixation du mandrin, avec calibrage simultané de la cavité d'emmanchement et avec un taux de variation de la section transversale dans cette zone se situant entre 1 et 1,5 (figure 4). Après le matriçage, le seul usinage exécute est le perçage des orifices 7 ( 0 3 mm) auprès du téton 2 (figure i). Lors des essais de contrôle dans le laminoir perceur d'un train de laminage de tubes en continu, de tels mandrins ont supporté en moycnnel920 passages, ce qui est de 4,5 fois supérieur à la tenue, dans les mêmes conditions, de mandrins moulés (430 passages) et de 1,5 fois supérieur à la tenue des mandrins forgés et usinés au tour, en acier contenant C - 0,20 5', Cr - 1 5', Ni - 4 5', V - 1 5', (1300 passages). Les investigations métallographiques ont mis en évidence dans le métal du mandrin une structure fibreuse dense, d'orientation conforme à la surface extérieure du mandrin. Les essais ont aussi fait apparattre que les qualités d'utilisation performances des mandrins en acier de composition précitée, fabriqués suivant la technologie décrite, n'augmentaient pas après le recuit, c'est-à-dire que ces mandrins ne nécessitaient pas de traitement thermique supplémentaire. Pour d'autresmatériaux, le recuit peut avoir un effet favorable. L'emploi d'une ébauche moulée de forme (figure 5) en tant qu'cbauche de départ pour le matriçage d'un mandrin d'un diamètre de 77 mm et d'une longueur de 205 mm a fait apparaître que la tenue du mandrin augmentait de 430 passages à coo, c'est-à-dire qu'elle doublait. Dans les zones du mandrin soumises au plus fortes charges le procédé assurait un bon accroissement de la densité du métal. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés q'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. R E V E N D I C h T I O N S 1. Procédé de fabrication de mandrins destinés à être utilisés sur les laminoirs perceurs et ayant une forme fuselée avec une cavité conique axiale borgne réalisée du cbté de la portion de fixation du mandrin, un tétonréis i l'autre côté c'est-à-dire du cbté de la portion active du mandrin, et une portée cylindrique de calibrage située entre lesdites portions actives et de fixation, procédé du type consistant à préformer une cavité conique dans une ébauche de départ, à refouler ladite ébauche dans une matrice fermée avec pré-calibrage de la cavité, puis à mettre en forme la surface extérieure et la surface intérieure du mandrin, caractérisé en ce que, après le préformage de la cavité conique dans l'ébauche, on matrice l'ébauche à chaud par refoulement dans une matrice fermée avec pré-calibrage de la cavité dans l'ébauche, de telle façon que le diamètre extérieur à la face de la portion de fixation du mandrin soit compris entre 0,9 et 1,02 fois le diamètre de la portée de calibrage du mandrin, que les diamètres extérieurs de la portion active et du téton du mandrin soient compris entre 0,9 et 1 fois le diamètre des portions correspondantes du mandrin, et que l'épaisseur de la paroi de la portion de fixation et de la portion active soit comprise entre 0,7 et 1 fois l'épaisseur de la paroi du mandrin, puis on exécute simultanément une rétreinte de ladite portion de fixation et un refoulement de ladite portion active du mandrin avec calibrage définitif de la cavité. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, avant le matriçage à chaud avec pré-calibrage de la cavité, simultanément avec le préformage de la cavité conique, on forme le téton du mandrin. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le refoulement de l'ébauche en matrice fermée avec le pré-calibrage de la cavité est exécuté de façon que le taux de réduction suivant l'épaisseur de la paroi se situe entre 1,25 et 2,5 par rapport à la valeur initiale. 4. Procédé selon l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que la portion de fixation du mandrin est formé de façon que le taux de variation de la section transversale du mandrin, suivant la hauteur de la portion de fixation se situe entre 1 et 1,5 par rapport à une valeur initiale. 5. Mandrin pour laminoir perceur, caractérisé en ce qu'il est obtenu par le procédé faisant l'objet de l'une des revendications 1, 2, 3 et 4.