Brevet FR2570627A1 — publié le 19860328

La présente invention concerne les constructions mécaniques et a notamment pour objet un procédé de fabrication de pièces creuses de forme cylindrique. L'invention peut être utilisée notamment pour la fabrication de pièces creuses de grand encombrement, telles que : rouleaux, galets, cylindres, tambours, qui sont caractérisées par des surfaces à usiner d'une rugosité extrêmement faible et qui sont utilisées dans les groupes et les machines servant à fabriquer des films minces et ultra-minces pour différents usages (pellicules cinématographiques et photographiques, bandes magnétiques, articles en papier, etc.) et des feuilles de verre organique. La technologie classique de la fabrication de ces pièces comprend généralement une série de différentes opérations dont les principales (déterminant la qualité des produits) sont les suivantes : ébauchage, durcissement et finition. A On connaît universellement un procédé de fabrication de pièces creuses de forme cylindrique, en particulier de rouleaux, qui comprend l'obtention d'une ébauche, un durcissement superficiel et une finition. Selon ce procédé connu, les ébauches métalliques des pièces creuses cylindriques sont réalisées par laminage et, de ce fait, sont anisotropes, contiennent une grande quantité d'impuretés nuisibles (soufre, phosphore, inclusions non métalliques) qui se répartissent irrégulièrement dans le volume de l'ébauche métallique. Ces facteurs ont une influence défavorable en ce qui concerne l'obtention des caractéristiques qualitatives requises du métal lors des opérations subséquentes de durcissement et surtout d'usinage de finition, car des microdéfauts de la couche superficielle apparaissent aux endroits de concentration des impuretés. Le durcissement superficiel de la pièce est réalisé par un procédé de nitruration, ce qui entraine une altération de la forme géométrique, une répartition irrégulière de la dureté à la surface de la pièce, et une épaisseur insuffisante de la couche durcie. La couche nitrurée est pratiquement enlevée lors de l'usinage mécanique ultérieur. Les méthodes modernes d'usinage de finition ne permettent pas d'obtenir une rugosité Ra - 0,04 micron à la surface des pièces creuses de grand encombrement. L'abrasif fixé rigidement à l'outil s'éffrite et se lustre pendant le travail de la pièce (rodage à la meule en cuvette, superfinition, polissage à la bande abrasive, honing). L'application de l'outil sur la pièce creuse cylindrique soumet celle-ci à des efforts radiaux qui sont nuisibles à l'obtention des dimensions définitives. Dans ces conditions, il n'est pas possible d'obtenir à la surface de rouleaux à paroi mince et de grand encombrement une rugosité stable correspondant à Ra ~ 0,04 micron. Les rouleaux d'une telle qualité de surface ne peuvent pas constituer un support de qualité pour divers films satisfaisant aux conditions dans lesquelles ils sont destinés à être utilisés. De plus, le procédé connu comprend des opérations exigeant une main d'oeuvre importante. On s'est donc proposé de mettre au point un procédé de fabrication de pièces creuses de forme cylindrique, qui permettrait, grâce au choix d'un régime approprié d'exécution de chacune des opérations, de fabriquer des pièces de faible rugosité et d'assurer une productivité élevée. Ce problème est résolu du fait que le procédé de fabrication de pièces creuses de forme cylindrique, du type comprenant l'obtention d'une ébauche creuse, un durcissement superficiel et une opération de finition, est caractérisé, suivant l'invention, en ce que l'ébauche creuse est obtenue par coulée sous laitier électroconducteur à une vitesse V = 0,3 à 0,6 mm/s, le durcissement superficiel de l'ébauche creuse obtenue est réalisé à l'aide d'un flux de plasma formé dans un plasmatron par un courant d'intensité I = 220 à 320A, la vitesse W de rotation de la pièce par rapport au plasmatron étant de 3 à 10 mm/s, et l'espace entre le plasmatron et la pièce étant de 2 à 10 mm, et en ce que l'opération Ce finition est réalisée par usinage magnéto-abrasif exécuté en communiquant à des pièces polaires des oscillations d'une fréquence telle que le produit de celle-ci par la longueur, embrassée par lesdites pièces polaires, de la surface à usiner de l'ébauche soit égal à un multiple d'un nombre entier dans la limite d'une valeur égale à dix fois celle de la vitesse linéaire de rotation de l'ébauche. L'emploi de la méthode de coulée sous laitier électroconduc-teur en vue d'obtenir l'ébauche creuse assure un taux minimal et une répartition régulière des impuretés nuisibles et des inclusions non métalliques dans le volume de l'ébauche métallique, permet d'obtenir un métal de structure caractérisée par des propriétés mécaniques et par une isotropie élevées, ainsi que par l'absence de fissures capillaires et d'autres microdéfauts internes. Ceci crée des conditions favorables à un meilleur durcissement du métal et une meilleure finition de la surface de la pièce. La vitesse proposée de la coulée pour l'obtention de l'ébauche, comprise entre 0,3 et 0,6 mm/s, permet de former une structure orientée du métal, avec différents angles de rencontre des cristaux dans le métal de l'ébauche creuse. De plus, on obtient une densité différente de tassement des dendrites, ce qui influe sur la dureté obtenue et la profondeur de calcination due à la trempe par plasma. Les vitesses choisies de coulée des ébauches creuses, de 0,3 à 0,6 constituent les vitesses minimale et maximale, respectivement. L'ébauche coulée aux vitesses indiquées se caractérise par une microstructure dense assurant des propriétés mécaniques stables et une constitution pratiquement sans défauts du métal coulé, ce qui explique le choix desdites vitesses de coulée. Le processus de durcissement superficiel avec application d'un flux d'énergie thermique concentrée se caractérise par un chauffage très rapide (jusqu'à 10000C/s), ce qui permet d'obtenir une structure très finement divisée de la couche trempée de métal, en même temps qu'une grande dureté ce celle-ci. Cela à une influence favorable sur l'opération de finition qui suit le durcissement. Le processus de durcissement par plasma ne necessite aucun équipement complexe et est de courte durée par comparaison avec les autres procédés de traitement thermique et thermochimique. Les grandes vitesses de chauffage permettent d'obtenir un métal à structure finement divisée d'une dureté élevée et d'une bonne trempabilité. Quand l'intensité du courant est inférieure à 220 A, l'énergie thermique duflux de plasma qui se forme ne suffit pas pour assurer un dr,rcissement de qualité de la surface métallique. Lorsque l'intensité du courant est supérieure à 320 A, le plasmatron s'échauffe excessivement, ce qui a un effet négatif sur sa durée de vie et la stabilité de son fonctionnement. Des vitesse de rotation de la surface à usiner supérieures à celle préconisée par l'invention aboutit à un accroissement de 1 'évacuation de chaleur et à une diminution de la dureté superficielle. Des vitesses de rotation plus basses que la vitesse préconisée donnent lieu à des brûlures" du métal. Etant donné que le procédé considéré prévoit l'utilisation d'un plasmatron à action indirecte, l'énergie thermique transmise à la surface à traiter dépend de l'espace entre le plasmatron et la pièce. Des espaces supérieurs à 10 mm entraînent un chauffage insuffisant, tandis que des espaces inférieurs é 2 mm ont pour conséquence une surchauffe du métal. Au cours de l'usinage magnéto-abrasif, il se produit une dispersion fine à la surface usinée de la pièce, mais sans qu'il y ait lustrage de la "brosse" active constituée par les grains de micropoudre ferromagnétique et qui se forme sur les pièces polaires. La poudre ferromagnétique s'oriente par ses aretes vives vers la surface de la pièce, ce qui assure un usinage productif et un enlèvement régulier du métal. Pendant l'usinage, les aretes tranchantes se renouvellent. L'usinage magnéto-abrasif a un rendement beaucoup plus élevé par comparaison avec les autres méthodes d'usinage de finition, et l'élasticité de la "brosse" permet d'obtenir une faible rugosité de la surface. Le régime d'usinage magnéto-abrasif choisi et décrit garantit la non-coïncidence des trajectoires de chacune des deux pièces polaires et accroAit au maximum possible l'intersection des traces d'usinage à la surface de la pièce, ce qui contribue à une élévation notable du rendement de l'usinage et permet d'améliorer sa qualité. Il est rationnel que, lors de l'usinage magnétoabrasif, la vitesse linéaire de rotation de la pièce soit de 0,5 à 4,0 m/s, que la fréquence d'oscillation des pièces polaires soit de 2 à 15 oscillations par seconde, et que la longueur de la surface, enveloppée par les pièces polaires de la pièce à usiner, soit de 0,05 à 0,5m. La pratique à montré que les vitesses linéaires optimales de rotation de la pièce lors de l'usinage magnétoabrasif sont de 0,5 et 4,0 m/s. Des vitesses moindres entrainent une baisse du rendement du fait que la vitesse de dispersion à la surface du métal diminue. Aux vitesses supérieures à 4 m/s, la poudre est entraînée hors de l'espace de travail, la force de coupe et l'efficacité du processus de finition diminuent. Les paramètres choisis des oscillations des pièces polaires assurent un mouvement oscillatoire supplémentaire (le long de l'axe de la pièce) des grains de poudre ferromagnétique. Des fréquences d'oscillation plus basses provoquent une diminution de la vitesse de dispersion du métal, du rendement et de l'efficacité du processus de finition. Aux fréquences d'oscillation supérieures à 15 par seconde, l'effet recherché n'est pas obtenu du fait que la "brosse" ne peut pas, à cause de son inertie, osciller à de telles vitesses d'alternance. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre d'un exemple de réalisation non limitatif. Le procédé proposé de fabrication de pièces creuses de forme cylindrique s'applique notamment aux rouleaux creux destinés à être utilisés dans la production de pellicules ou films polymères minces et ultraminces (jusqu'à 20 microns) pour différents usages. Le procédé comprend les opérations principales suivantes; réalisation de l'ébauche, durcissement superficiel et usinage de finition. Suivant l'invention, l'ébauche est obtenue par une méthode assurant une répartition régulière des impuretés nuisibles et des inclusions non métalliques dans la masse de l'ébauche métallique. La méthode utilisée de préférence est la coulée sous laitier électroconducteur à une vitesse de 20 à 40 mm/min. La coulée sous laitier électroconducteur ne nécessite aucun équipement encombrant ou main d'oeuvre importante. Elle permet d'obtenir une ébauche de, pratiquement, toute longueur voulue et à surépaisseurs minimales pour l'usinage mécanique subséquent Le métal s'affine lors de son passage à travers le laitier, ce qui permet de réduire la teneur en soufre de 0,031 à 0,021%let la teneur en phosphore, de 0,029 à 0,017%.Le métal obtenu est chimiquement homogène. Les vitesses de coulée choisies pour l'obtention de l'ébauche assurent un tassement compact des dendrites et contribuent à elever l'isotropie de l'ébauche de rouleau. Le durcissement superficiel du rouleau est réalisé par application d'un flux d'énergie thermique concentrée, notamment un flux de plasma. On forme celui-ci dans un plasmatron en utilisant un courant d'intensité I = 220 - 320 A et on réalise le durcissement superficiel à une vitesse linéaire W de rotation de l'ébauche, pcr rapport au plasmatron, de 3 à 10 mm/s, l'espace 7 entre le plasmatron et l'ébauche étant de 2 à 10 mm. Dans les conditions du durcissement thermique, les propriétés de résistance élevées du métal ne peuvent être obtenues qu'avec formation d'une structure martensitique finement aciculaire, ce qui se realise en présence d'austénite à grains fins. Pendant la trempe par le plasma, le chauffage rapide de la surface métallique se déroule a une vitesse de 600 à 8000C/s. Ce facteur contribue à la formation d'une structure fortement dispersée de l'austénite, tandis que le chauffage lent laisse pratiquement sans modification la-valeur du grain initial lors du passage à l'état austénitique. Cela explique l'avantage du durcissement par le plasma comparativement aux autres méthodes de durcissement superficiel. L'analyse de l'influence des régimes choisis de durcissement par le plasma sur la microdureté et la trempabilité, et de la finition, a fait apparaître que ces régimes sont optimaux. La structure de la couche durcie est constituée par de la martensite finement dispersée d'une profondeur de 2 à 2,5 mm et d'une dureté Hu = 10-0,7.104 MPa, qui se transforme progressivement en sorbite et en mélange perlite/ferrite. La finition des rouleaux est réalisée par usinage magnéto-abrasif dans les conditions suivantes : fréquences des oscillations des pièces polaires: dans la plage de 2 à 15 oscillations par seconde; longueur de la surface embrassée par les pièces polaires: de 0,05 à 0,5 m; la vitesse linéaire V de rotation de l'ébauche: dans les limites de 0,5 à 4,0 m/s. Lors de usinage magnéto-abrasif, les grains de poudre ferromagnétique s'orientent par leurs grands axes vers les lignes de force magnétiques, c'est-à-dire perpen diculaire:unent à la surface à usiner de l'ébauche. Serrés contre cette surface, les-grains abrasifs assurent la dispersion fine du métal. Sous l'action de la force de frottement, les particules ferromagnétiques, aux endroits de contact, se déplacent léqèrement dans le sens de rotation de l'ébauche et intersectent les lignes de force magnétiques en donnant naissance à une force électromotrice. Les microcourants qui en résultent intensifient additîonnellement le processus d'enlèvement du métal et améliorent les propriétés physiques et mécaniques de la surface usinée. Pendant l'usinage, les grains de poudre ferromagnétique entrent en contact principalement avec les saillies formant les aspérités de la surface et qui constituent des concentrateurs de champ magnétique. Ceci aboutit à l'en lèvement des aspérités les plus importantes de la surface de l'ébauche. Les régimes usinage choisis assurent une force suffisante pour serrer la poudre ferromagnétique contre la surface de l'ébauche, ainsi que la vitesse de coupe requise pour obtenir le rendement d'usinage voulu et une rugosité R de 0,02 à 0,04 micron a Le procédé revendiqué est illustré par les exemples non limitatifs suivants portant sur la fabrication de rouleaux à partir d'acier de construction au chrome: diamètre 400 mm, t = 2500 mm, épaisseur de paroi 15 mm. Exemple 1. L'ébauche est obtenue par la méthode de coulée sous laitier électroconducteur à une vitesse V = 0,35 mm/s. La surface de l'ébauche est durcie à l'aide d'un flux de plasma formé avec un courant d'intensité I = 230 A, la vitesse linéaire W de rotation de l'ébauche par rapport au plasmatron étant de 9 mm/s, et l'espace. & entre le plasmatron et l'ébauche étant de 4 mm. Lors de l'usinage magnéto-abrasif, la vitesse linéaire V de rotation de l'ébauche est de 0,5 m/s, la fréquence d'oscillation des pièces polaires est de 3 par seconde, et la longueur de la surface en arc de l'ébauche, enveloppée par la paire de pièces polaires, est de 0,1 m. Dans ces conditions, la durée de l'usinage magnéto-abrasif de finition est de 6 à 6,5 heures. La rugosité R a obtenue est de 0,039 à 0,04 microns. Exemple 2 L'ébauche est obtenue par la méthode de coulée sous laitier électroconducteur à une vitesse V = 0,6 mm/s. La surface de l'ébauche est durcie a l'aide d'un flux de plasma formé avec un courant d'intensité I = 260 A, la vitesse linéaire-W de rotation de l'ébauche par rapport au plasmatron étant de 6 mm/s, et l'espace & entre la plasmatron et l'ébauche étant de 8 mm. Lors de l'usinage magneto-abrasif, la vitesse linéaire V de rotation de l'ébauche est de 2 m/s, la fréquence d'oscillation des pièces polaires est de 15 par seconde, et la longueur de la surface en arc de l'ébauche à usiner, enveloppée par les pièces polaires, est de 0,4m. Dans ces conditions, la durée de l'usinage macnéto-abrasif de finition est de 4 à 5 heures.La rugosité R a obtenue de 0,034 à 0,035 Am. Exemple 3. L'ébauche est obtenue par la méthode de coulée sous laitier électroconducteur à une vitesse V = 0,4 mm/s. La surface de l'ébauche est durcie à l'aide d'un flux de plasma formé avec un courant d'intensité I = 300 A, la vitesse linéaire W de rotation de l'ébauche par rapport au plasmatron étant de 7 mm/s, et l'espace g entre le plasmatron et l'ébauche étant de 6 mm. Lors de l'usinage magnéto-abrasif, la vitesse linéaire V de rotation de l'ébauche est de 3 m/s, la fréquence d'oscillation des pièces polaires est de 12 par seconde, et la longueur de la surface en arc de l'ébauche à usiner, enveloppée par les pièces polaires, est de 0,3 m. Dans ces conditions, la durée de l'usinage magnéto-abrasif de finition est de 2,5 à 3 heures. La rugosité R a obtenue est de 0,02 à 0,024 micron. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de pièces creuses de forme cylindrique, comprenant la réalisation d'une ébauche, son durcissement superficiel et sa finition, caractérisé en ce que ladite ébauche est obtenue par coulée sous laitier électroconducteur à une vitesse V de 0,3 - 0,6 mm/s, le durcissement superficiel de l'ébauche creuse étant réalisé à l'aide d'un flux de plasma formé dans un plasmatron avec un courant d'intensité Ide220 à 320 A, la vitesse liné- aire W de rotation de l'ébauche par rapport au plasmatron étant de 3 à 10 mm/s et l'espace 6 entre le plasmatron et l'ébauche étant ae 2 à 10 mm, ladite finition étant réalisée par usinage magnéto-abrasif consistant à communiquer à des pièces polaires des oscillations de fréquence telle que le produit de celle-ci par la longueur, enveloppée par les pièces polaires, de la surface de l'ébauche à usiner, soit un multiple d'un nombre entier dans la limite d'une valeur égale à dix fois celle de la vitesse linéaire de rotation de l'ébauche. 2. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence d'oscillation des pièces polaires est choisie dans les limites de 2 à 15 oscillations par seconde, la longueur de la surface de l'ébauche,enveloppéépar les pièces polaires, est de 0,05 à 0,5 m, et la vitesse linéaire V de rotation de l'ébauche se situe dans les limites de 0,5 à 4,0 m/s. 3. Pièces creuses de forme cylindrique, caractérisées en ce qu'elles sont obtenues par le procédé faisant l'objet de l'une des revendications 1 et 2.