Brevet FR2521464A1 — publié le 19830819

La présente invention concerne la fabrication de la portion coudée d'une canalisation, et notamment d'une cana- lisation de grande section transversale De telles canali- sations sont utilisées en génie civil ou en travaux publics, par exemple pour construire des centrales thermiques ou nu- cléaires. La fabrication de coudes, auxiliaires des canalisations cylindriques, autrement dit de fractions de tores creux Io de section circulaire et d'épaisseurs variées, présente des difficultés, surtout si le matériau constitutif en est métallique et si les sollicitations auxquelles ils sont soumis (pression, fatigue, corrosion etc) sont élevées. On utilise pour y parvenir les techniques suivantes: Moulage traditionnel, en sable ou en coquille, avec noyau. Cintrage mécanique d'éléments de tubes à chaud ou à froid. -Cintrage par induction électrique. -Déformation à chaud par forgeage de pièces tubulaires. -Soudage de coquilles embouties etc On renonce parfois à la continuité du tore en assemblant par soudure des sections d'éléments de tubes soudés ou sans soudure, au détriment de la qualité de l'écoulement du fluide à transporter. En dehors du moulage traditionnel, dont les limites techniques proviennent de la sévérité des prescriptions, les autres méthodes consistent à déformer le matériau cons- titutif d'un tube, ce qui conduit dans la plupart des cas à une hétérogénéité des épaisseurs des parois et altère la structure primitive du matériau, ou à introduire de nombreu- ses soudures dans une fraction de tuyauterie particulière- ment sensible à l'érosion, à la cavitation, à la corrosion etc à cause de l'inflexion de la veine fluide qui la parcourt. La présente invention décrit une méthode qui, combinant les techniques de centrifugation des matériaux en phase li- quide et les techniques d'usinage de ces mêmes matériaux en phase solide, permet d'éviter les inconvénients ci-dessus. Elle permet, de surcroît, la production de coudes très épais, pouvant résister à des sollicitations élevées sans altération de la structure obtenue lors de la mise en forme initiale autre que celles provenant des traitements thermi- ques souvent appliqués aux matériaux, notamment aux maté- riaux métalliques après solidification. I 1 est connu que la centrifugation sous forte accéléra- tion confère aux matériaux ainsi élaborés des caracteristi- ques élevées et une santé interne exceptionnelle. En effet les différences de densité entre ces matériaux à l'état liquide et les impuretés qui pourraient s'y trouver sous forme d'inclusions sont considérablement accrues par la force centrifuge et celles-ci sont rejetées de ce fait, soit vers l'alésage du corps creux centrifugé, sous l'influence de la poussée d'Archimède, soit vers la périphérie, sous l'influence de la force centrifuge, selon qu'elles sont moins ou plus denses que le matériau considéré. Les gaz dissous sont également exclus de la masse liqui- de sous l'influence de la différence de pression entre le milieu ambiant (généralement l'atmosphère) et le sein du liquide soumis à la force centrifuge avant et pendant sa so- lidification. Pour les m 4 mes raisons lea matériaux centrifugés ne com- portent pas non plus de porosités. Si l'1 élaboration et la centrifugation de ces matériaux sont correctement conduites, ils sont susceptibles de résis- ter à des pressions élevées à cause de leur étanchéité re- marquable. On peut donner à un corps centrifugé une forme extérieu- re quelconque pourvu que cette configuration permette de l'extraire du moule (pratiquement toujours métallique), soit directement, soit en fragmentant le moule. Cependant l'alésage de ce corps sera théoriquement, soit un cylindre de révolution encas de centrifugation à axe ho- rizontal, soit une fraction de paraboloide de révolution si l'axe de centrifugation est vertical, l'axe de symétrie de ces deux surfaces étant confondu avec l'axe de rotation du moule et le parabolo Xde étant d'autant plus proche d'un cy- lindre de révolution que la force centrifuge est élev 6 e par rapport à la gravité terrestre. Les surfaces internes et externes d'un coude circulaire sont deux tores de même centre et de même rayon moyen, L'é- paisseur à obtenir est égale à la différence de rayon des sections circulaires concentriques de la surface externe et de la surface interne. Le procédé nouveau selon l'invention permet d'obtenir la surface externe du tore par centrifugation, tandis que la surface interne sera obtenue par l'usinage de la surface brute de forme quasi-cylindrique, résultant de la force cen- trifuge. Le principe étant le même qu'il s'agisse de centrifuga- tion horizontale ou verticale on décrira ci-après l'applica- tion de l'invention à la centrifugation verticale d'un coude. On supposera, pour simplifier l'exposé, que le moule de cen- trifugation est métallique, sachant qu'il pourrait 8 tre cons- titué de tout autre matériau. Le procédé selon l'invention pour fabriquer par coulée centrifuge un coude de canalisation est caractérisé en ce qu'il comprend les phases successives suivantes: a) On utilise un moule de centrifugation démontable dont l'empreinte intérieure a la forme de la surface extérieure du coude à réaliser; b) On fait tourner ce moule autour d'un axe géomètrique qui coincide sensiblement avec l'axe longitudinal intérieur mo- yen du coude à réaliser c) On coule la matière en fusion dans le moule en rotation, puis on laisse solififier d) On ouvre le moule pour en extraire l'ébauche du coude dont la surface extérieure est coudée; e) On monte cette ébauche sur une machine d'usinage pour u- sinmer la surface intérieure au profil coudé définitif. On remarque que la surface extérieure du coude peut éven- tuellement Otre conservée telle quelle, brute de démoulage, c'est-à-dire sans aucun usinage extérieur. Le procédé est encore simplifié si le coude à réaliser a la forme d'un segment de tore creux Dans ce cas, chaque section méridienne est circulaire, tandis que la fibre mo- yenne intérieure longitudinale du coude est elle aussi un arc de cercle On peut alors démouler l'ébauche en la fai- sant coulisser en arc de cercle dans le corps massif et creux du moule, dont seules les deux faces d'extrémités sont démontables à la façon de simples couvercles, Le dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif permettra de mieux comprendre les caractéristiques de l'in- ventio n. Figure 1 est une vue avec coupe axiale partielle mon- trant un meule centrifuge selon l'invention. Figure 2 est un schéma montrant comment usiner l'ébau- che après son démoulage. Figure 3 est un schéma illustrant le procédé pour la correction des baleurds sur le moule de centrifugation. Figure 4 illustre la phase pour l'usinage de la surfa- ce interne d'un coude ouvert à 600. Figure 5 montre une opération analogue pour un coude ouvert à 90 e. Figure 6 illustre une variante pour l'usinage de la surface interne. Figure 7 illustre une variante complémentaire pour le cas o l'on souhaite usiner aussi la surface extérieure de l'ébauche, Figure 8 est une coupe équatoriale du coude et de lté- bauche, illustrant le cheminement de la solidification et la structure de la matière au sein du coude terminé. Figure 9 est une coupe d'un coude à épaisseur constan- te obtenu selon l'invention. Figure 10 est une coupe d'un coude à épaisseur varia- ble selon l'invention. La figure 1 représente un moule 1 en forme de fraction de tore circulaire de section circulaire solidaire du pla- teau horizontal 2 d'une machine à centrifuger verticale. Le plan de symétrie de cette portion de tore passant par son axe est parallèle au plateau de la machine. On voit aisément qu'il est possible de verser dans cot- te empreinte une quantité suffisante de matériau liquide pour obtenir que la limite interne de la pièce centrifugée 4 soit capable, après un usinage approprié de l'intérieur du corps solidifié, de contenir la surface interne torique 2521 464 recherchée (figure 2) Il suffit pour cela que la longueur des segments 5 et 6 soit légèrement supérieure à l'épaisseur finie du coude à obtenir. Il faut également que l'angle 7 défini entre les deux plans selon lesquels des couvercles 8 et 9 portent sur les extrémités du moule 1 soit inférieur à la valeur pour laquel- le les génératrices 10 et 11 du cylindre intérieur sont théo- riquement confondues On doit, bien entendu, rester en deçà de ces valeurs si l'on veut qutuneforce centrifuge notable exerce ses effets sur le matériau pendant sa solidification. On a représenté sur la figure 3 un graphique o apparais- sent en ordonnées la valeur du balourd de la masse tournante, et on abcisses, le temps. On voit qu'avant l'introduction du matériau à centrifu-' ger, dans le moule 1, il existe un déséquilibre 12 dé au fait que le centre de gravité du moule se trouve hors de l'axe de rotation 3. Un nouveau déséquilibre 13, de même sens, mais de valeur moindre, existe après introduction du matériau dans le moule. On peut corriger partiellement ces déséquilibres, en ré- duisant la masse du moule 1 du c 8 té opposé à la convexité du coudes de façon à produire des balourds avant coulée 12, et après coulée 15, de valeurs égalest mais de sens opposés, moindres chacun en valeur absolue que les balourds initial 12 et final 13 observés sans cette modification. Cette opération d'équilibrage statique peut être égale- ment accompagnée d'un équilibrage dynamique. De toute façon, la machine à centrifuger utilisée doit supporter sans fatigue les balourds variables imposés par ce procédé. Après solidification, et ouverture des couvercles 8 et 9, le corps centrifugé 4 peut être extrait de son empreinte, sans briser le moule 1, par un mouvement de glissement cir- culaire coïncidant avec le cercle moyen du tore (flèche 35, figure L). Après démoulage de l'ébauche 4 qui offre le profil il- lustré sur les figures 1 et 2, on procède à son usinage. Cette opération consiste d'abord à transformer la surface 2521 464 interne cylindrique de l'ébauche 4 en une surface torique parallèle à la surface externe 16 et située à une distance de la paroi externe 16 égale à l'épaisseur 17 souhaitée (si, bien entendu, la surface externe 16 reste brute de centrifu- gation). On désigne par la référence 33 la fibre moyenne intérieu- re longitudinale du tore dont le coude à réaliser constitue un segment. Un tore circulaire étant l'enveloppe d'un cercle tour- nant autour d'un axe situé dans le plan de ce cercle, l'usi- nage de cette surface sera obtenu de deux façons possibles. Première variante: (figure 4) La pièce 4 sera bloquée parallèlement au plan circulaire du tore sur une machine-outil dont le plateau horizontal peut tourner autour de l'axe théorique 18 du tore. Un outil de coupe 19 animé d'un mouvement circulaire de rayon 20 réglable, permet d'usiner par passes successives l'alésage du tore, le mouvement d'avance étant alors provo- qué par la rotation du plateau autour de l'axe 18 du tore. L'outil 19 tourne autour de l'axe géométrique longitudinal 34 d'un porteoutil 22, l'axe 34 étant tangent à la fibre moyenne 33 du coude torique. Ce type d'usinage peut être opéré sur une aléseuse ou une fraiseuse munie d'un plateau ou d'une taque à rotation contr$lée. La conformation du coude, les différentes valeurs rela- tives de l'angle 7 du coude, du rayon 20 du coude et du dia- mètre intérieur 21 du coude, fournissent les limites du pro- cédé d'alésage décrit, le porte-outil 22 venant buter contre l'angle saillant formé par la face du coude et sa surface interne torique au point 23 le plus éloigné du centre. L'opération peut être continuée en effeotuant l'usinage par l'torifice opposé du tore. Il est possible, par exemple, d'usiner par ce procédé l'alésage d'un coude 25 o l'angle 7 est égal à 90 %, et dont le rayon de courbure 24 est égal au diamètre intérieur 21 (figure 5). Par contre, des coudes plus ouverts, tels que possédant un angle 7 de 600 sur trois fois le diamètre intérieur par 2521 464 exemple, ne peuvent pas être usinés intérieurement par ce procédé, m 8 me en accédant successivement à l'alésage par les deux extrémités. La présente invention oomporte donc un dispositif complé- mentaire utilisable soit lorsque les extrémités accessibles par la méthode précédente ont été déjà usinées, soit direc- tement pour assurer la totalité de l'opération Ce disposi- tif fait l'ob Jet de la deuxième variante, Deuxième variante (figure 6): Il s'agit d'une fraction de tore de même rayon générateur que le coude et de diamètre intérieur à celui 27 de l'alésa- ge usiné à réaliser L'ébauche est maintenue à l'une de ses extrémités par un bâti non représenté A l'autre extrémité se trouve une tête motrice 26 munie d'un outil de coupe 28, dont la partie coupante décrit le cercle générateur du tore interne du coude Ce bras courbe 29 peut être introduit par un mouvement circulaire dont l'axe coincide avec l'axe 18 du tore dans l'alésage à usiner, l'outil générant ainsi la surface interne à obtenir A l'inverse, le bras courbe 29 restant fixe, l'ébauche 4 du coude peut être bloquée sur une table tournante comme précédemment. Dans certains cas, on peut souhaiter usiner aussi l'ex- térieur torique du coude selon l'invention Par exemple, si lors de la centrifugation, on a ménagé des surépaisseurs externes pour usiner l'extérieur du coude, on pourra utili- ser une méthode similaire à celle décrite ci-dessus, un ou- til de coupe générant par rotation autour du tore sa surfa- ce externe, tandis que la rotation (flèche 31) du coude 30 autour de l'axe 18 du tore provoque l'avance de l'outil. On peut ainsi obtenir un coude 33 dont l'épaisseur 34 est constante (figure 9). Une variante de ce procédé d'usinage peut être appli- quées -ou bien à l'intérieur et & l'extérieur du coude; -ou bien seulement sur l'une des faces de la paroi. Cette variante a pour but d'obtenir un coude 35 à épais- seur 36 variable (figure 10), ou bien encore à épaisseur et section toutes deux variables. Pour parvenir à ce résultats il suffit de combiner l'avance de l'outil ou du coude, avec une variation du dia- mètre d'alésage Cela est possible par exemple sur les alé- seuses possédant des plateaux à surfacer. On obtient ainsi des réductions coudées avec ou non va- riation d'épaisseur (figure 10) Bien entendu, les coquilles de centrifugation auront une forme correspondant au profil extérieur à obtenir sur ces ébauches. Il est cependant plus simple de considérer alors le tore comme une surface de révolution et de réaliser la surface extérieure par tournage, la forme circulaire étant obtenue par exemple & l'aide d'un dispositif reproducteur suivant un gabarit circulaire, tandis que le coude 30 est fixé sur le plateau 32 d'un tour (figure 7), On comprend que la présente invention présente de nom- breux avantages Outre le fait que le matériau du tube est centrifugé ce qui lui confère dans tous les cas une santé interne excel- lente, il faut mentionner un avantage particulier aux allia- ges métalliques centrifugés en moule métallique dont la so- lidifióation se trouve ainsi obéir à une loi impérative. Elle est unidirectionnelle; et de surcrolt intéresse toute la surface du tube de façon uniforme et simultanée Les flè- ches de la figure 8 montrent eu effet le cheminement de la solidification à partir de la paroi du moule 1 (ou coquille), mettant en évidence le fait que, malgré la non-uniformité des épaisseurs de métal liquide après l'introduction du métal dans le moule en rotations ou après la mise en rotation du métal déjà introduit à l'état statique dans le moule (selen le procédé choisi), tous les points de la surface interne du coude qui sont représentés en pointillés sont atteints simultanément par le front de solidification, progressant de l'extérieur vers l'intérieur Comme cette surface inter- ne est proche de la surface externe, la solidification in- tervient, de plus, rapidement, ce qui confère à l'alliage solidifié une structure particulière, à grains fins, tou- jours recherchée pour les caractéristiques mécaniques éle- vées qui en découlent. Il est connu également que les alliages métalliques centrifugés possèdent des caractéristiques mécaniques isotropes, c'est-à-cire identiques, quelle que soit la di- rection des sollicitations. Le procédé décrit, ci-dessus, possède donc des avanta- ges non négligeables par rapport aux procédés classiques agissant par déformation à chaud de tubes forgés ou laminés qui produisent une structure fibrée à caractéristiques mé- caniques hétérogènes par usinage dans la masse d'ébauches dont la solidification n'aurait pas été dirigée rationnelle- ment à partir de la paroi externe du coude à réaliser Le moulage traditionnel n'apporte pas non plus les caractéris- tiques mécaniques élevées attendues des produits centrifu- gés et ne présente pas les garanties d'homogénéité, ni d'isotropie'de ces m 8 mes caractéristiques. 2521 464 REVENDICATIONS 1 -Procédé pour fabriquer par coulée centrifuge, un coude de canalisation, caractérisé en ce qu'il comprend les phases successives suivantes: a) on utilise un moule de centrifugation démontable ( 1) dont l'empreinte intérieure a la forme de la surface extérieure ( 16) du coude à réaliser; b) on fait tourner ce moule ( 1) autour d'un axe géomé- trique ( 3) qui coincide sensiblement avec l'axe longitudi- nal intérieur moyen du coude à réaliser; c) on coule la matière en fusion dans le moule ( 1) en rotation puis on laisse solidifier; d) on ouvre le moule ( 1) pour en extraire l'ebauche ( 4) du coude dont la surface extérieure ( 16) est coudée; e) on monte cette ébauche ( 4) sur une machine d'usina- ge pour usiner la surface intérieure au profil coudé défini- tif, 2 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que pour réaliser un coude en forme de segment de to- re oreux dont la fibre moyenne intérieure longitudinale ( 33) est par conséquent un arc de cercle, caractérisé en ce quel, pour démouler l'ébauche ( 4), on la fait coulisser en arc de cercle (flèche 35) dans le corps massif et creux du moule ( 1), dont seuls les deux couvercles d'extrémités ( 8) et ( 9) ont été retirés. 3 Procédé suivant l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'on usine l'alésage curviligne intérieur de l'ébauche ( 4) sur une machine-outil animant d'un mouvement relatif autour de l'axe ( 18) du cou- de, d'une part l'ébauche ( 4), d'autre part une broche por- te-outil ( 22) à axe longitudinal ( 34) dont l'outil de cou- pe ( 19) tourne autour de l'axe longitudinal ( 34) qui est tangent à la fibre moyenne intérieure longitudinale ( 33) du coude. 4 -Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'axe de rotation ( 34) de l'outil de coupe ( 28) est situé à l'extrémité d'un bras courbe ( 29) dont la fibre moyenne en arc de cercle coincide avec la fibre moyenne longitudinale ( 33) du coude. - 2 S 1 4 6 4 il Proocédé suivant l'une quelconque des revendica- tions 3 et 4, caractérisé en ce que l'ébauche ( 4) se dépla- ce par rotation autour de l'axe ( 18) du tore par rapport au porte-outil ( 22) ou ( 29) qui est fixe. 6 Procédé suivant l'une quelconque des revendica- tions 3 et 4, caractérisé en ce que l'ébauche ( 4) est fixe, tandis que le porte-outil ( 22) ou( 29) se déplace par rota- tion autour de l'axe ( 18) du tore. 7 Dispositif peur fabriquer une canalisation cou- dée par la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelcon- que des revendicatiens précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un plateau ( 2) tournant autour d'un axe ( 3) qui lui est perpendiculaires et portant un moule de coulée ( 1) placé entre deux couvercles ( 8) et ( 9) qui définissent la forme des parois extérieures de l'ébauche centrifugée ( 4). 8 Dispositif suivant la revendication 7, caracté- risé en ce que l'axe de rotation ( 3) est vertical. 9 Dispositif suivant la revendication 7, earacté- risé enm ce que son axe de rotation ( 3) est horizontal. Coude de canalisation obtenu par la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que sa matière coulée par centrifugation est usinée intérieurement pour définir une épaisseur de paroi ( 17) sensiblement constante en tout point. 11 Coude de canalisation centrifugé suivant la revendication 10, caractérisé en ce que ce coude ( 33) a une épaisseur ( 34) constante. 12 Coude de canalisation centrifugé suivant la revendication 10, caractérisé en ce que ce coude ( 35) a une épaisseur ( 36) variable. 13 Coude de canalisation centrifugé suivant la revendication 10, caractérisé en ce que ce coude ( 35) a une section ( 37) variable.