Brevet FR2588786A1 — publié le 19870424

La présente invention concerne une installation pour le formage électromagnétique de pièces tubulaires par expansion. On notera que l'invention concerne exclusivement le formage par expansion ( pour mise en forme d'éléments tubulaires), à l'exclusion du formage par compression qui permet des opérations de sertissage et du formage par placage pour l'emboutissage de tôles minces. Plus précisément, les installations pour le formage par expansion comportent une bobine de champ (également désignée "inducteur") dont la surface extérieure forme une surface de travail placée en regard de la surface intérieure d'une matrice d'emboutissage, la pièce tubulaire étant disposée dans l'intervalle entre ces deux surfaces. En fonction de la forme de la pièce tubulaire, les surfaces peuvent être cylindriques (de révolution ou non), coniques, ou encore présenter toute autre forme appropriée ;et bien qu'on se placera souvent dans la description dans le cas de surfaces cylindriques, cette forme n'est en aucune façon limitative. La bobine de champ est par ailleurs reliée à un générateur de courant de décharge pour engendrer un champ magnétique impulsionnel transmis à la pièce tubulaire pour produire son expansion radiale et sa projection contre la matrice d'emboutissage. La bobine joue donc un rôle primordial d'une part elle transforme l'impulsion électrique de décharge des condensateurs du générateur en champ magnétique intense, localisé ou réparti selon la nature de la pièce à former ; d'autre part elle doit supporter sans se déformer la pression magnétique permettant la mise en forme de la pièce. Dans les installations réalisées jusqu'à présent, la bobine était constituée d'un ou plusieurs conducteurs de section. quelconque (circulaire, carrée, rectangulaire,....) enroulés en forme de solénoïde à spires non jointives. Le pas d'enroulement était réalisé en fonction d'un rendement maximum, et de manière à engendrer des courants induits sur la plus grande partie de la surface de la pièce tubulaire à former. L'une des difficultées rencontrées dans la mise en oeuvre des installations de formage électromagnétique par expansion vient du fait que la bobine de champ y est soumise à des actions mécaniques extrêmement violentes et répétées. En effet, les forces de réaction - égales à l'action exercée sur la pièce et celles d'interaction entre les différents éléments conducteurs adjacents du solénoïde détériorent considérablement les organes de l'installation. En outre, les courants de très forte intensité délivrés par le générateur conduisent à un échauffement rapide des conducteurs par effet Joule, d'où la nécessité d'un refroidissement pour les bobines travaillant à des cadences industrielles. L'invention concerne une installation dont la structure de bobine de champ permet d'améliorer la résistance mécanique - et par suite la longévité ainsi que la tenue thermique. Par ailleurs, elle assure une excellente uniformité de la pression magnétique sur la surface de la pièce tubulaire, permettant une mise en forme régulière. A cet effet, selon l'invention, la bobine de champ est formée d'une pièce massive métallique dans laquelle a été formée une gorge circulaire et une fente s'tendant (dans un plan axial par exemple) de manière à définir le long de la surface de travail un trajet fermé pour le courant de déchargé, ce dernier étant amené du générateur par des prolongements axiaux des deux régions centrales de la pièce massive situées de part et d'autre de la fente. Grâce à la bobine taillée dans la masse, les éléments de l'installation de formage ont une très grande tenue dans le temps, l'importance des phénomènes de fissuration , les détériorations dues aux chocs répétés et aux interactions entre spires et à leur échauffement étant minimisées ou éliminées complètement par rapport aux installations de l'art antérieur. Par ailleurs, bien que la structure du solénoïde à spires non jointives soit abandonnée, la bobine de l'invention conserve les avantages de cette dernière, à savoir une excellente répartition de la pression magnétique sur la surface de la pièce à travailler. Dans un mode de réalisation de l'invention, la pièce massive comporte en outre au moins une gorge périphérique pour diviser la surface de travail en une pluralité de spires alimentées en parallèle par les deux régions centrales. De préférence, la ou les gorge(s) et la fente de la bobine de champ reçoivent une chemise en matériau diélectrique ; il en est de même pour l'intervalle entre la surface de travail de la bobine de champ et la pièce tubulaire à déformer. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels la figure 1 est une vue en coupe dans un plan radial, selon la ligne I-I de la figure 2, de l'ensemble bobine de champ-pièce à former de l'invention, la figure 2 est une coupe de ce même ensemble, selon la ligne II-II de la figure 1, les figures 3 et 4 sont homologues des figures 1 et 2 (pour la bobine seule sans la pièce à former), pour une variante comportant plusieurs spires alimentées en parallèle, les figures 5 et 6 sont homologues des figures 3 et 4 pour un mode de réalisation à spire unique, de contour cylindrique et de section non circulaire, les figures 7 et 8 illustrent deux exemples d'utilisation de la bobine de champ de l'invention. Sur les figures 1 et 2, on a représenté le cas d'une bobine monospire, constituée d'une pièce métallique référencée 10 dont la surface extérieure 11 constitue une surface de travail placée à l'intérieur de la pièce tubulaire à former 1, en laissant subsister un intervalle 2 formant entrefer. On insère de préférence dans cet entrefer 2 une chemise en matériau diélectrique pour assurer un centrage parfait de la bobine avec la pièce à travailler, tout en conservant un entrefer constant et de faible dimension (pour la clarté de la figure, cette chemise diélectrique n'a pas été représentée). Dans la pièce 10 constituant la bobine, on a taillé dans la masse une gorge circulaire 12 et une fente 13 s'étendant dans un plan axial : le plan de la fente constitue sensiblement un plan de symétrie pour la gorge, qui présente en section droite un contour non fermé. La gorge traverse la pièce métallique 10 entièrement, depuis sa surface antérieure jusqu'à sa surface postérieure ; la gorge s'étend également longitudinalement entre ces deux faces, et radialement entre la surface de travail et la surface intérieure de la gorge circulaire 12 diamétralement opposées. Avec cette configuration, la gorge 12 et la fente 13 définissent un anneau tubulaire 14 et deux régions centrales 15, de part et d'autre de la fente 13. On définit ainsi un trajet fermé, unique, pour le courant, qui est amené par les deux régions centrales 15. Pour permettre précisément cette alimentation en courant, les régions 15 comportent des prolongements 16 (figure 2) permettant l'amenée du courant 10 en provenance du générateur. On va maintenant indiquer la manière dont se répartit le courant, et le fonctionnement de l'installation. La bobine de champ parcourue par le courant de décharge I du générateur crée un champ magnétique o intense et variable qui induit un courant I1 dans l'épaisseur de peau de la pièce à former. En effet, aux fréquences développées en formage électromagnétique, les courants ne circulent que dans l'épaisseur de peau des conducteurs : il en résulte que seule la surface des différentes pièces en regard de la bobine est parcourue par les courants qui y sont induits. La pièce 10 étant séparée par une fente diélectrique 13 en deux zones 15 reliées seulement par l'anneau 14, le courant inducteur 10 pénètre dans l'une des zones 15 et se boucle sur l'autre zone par l'anneau 14, qui va donc être enveloppé d'un courant de surface lo Ce courant 10 induit un courant li dans la pièce à déformer, 10 et li étant de sens opposés (Loi de Lenz). L'interaction entre les deux courants Io et I1 crée (Loi de Laplace) une force qui va tendre à déformer la pièce métallique 1, et une force de réaction égale et de sens opposé, que devra supporter sans déformation la bobine inductrice - d'où L'intérêt de la tailler dans une pièce massive de métal. Pour obtenir une expansion satisfaisante de la pièce, il est essentiel que l'alimentation de l'anneau soit réalisée axialement et centralement (c'est-à-dire par les régions 15) ; au contraire, une alimentation axiale et périphérique (par exemple une amenée de courant effectuée directement aux régions référencées 17) ne permet pas d'atteindre le résultat que procure une alimentation centrale. Le matériau de la bobine peut être notamment un cuivre au béryllium, matériau bien connu en formage électromagnétique pour ses excellentes propriétés tant électrique que mécanique, notamment sa très bonne résistance à la fissuration suite à des chocs répétés. Les figures 3 et 4 montrent une variante, dans laquelle la bobine inductrice des figures 1 et 2 comporte en outre une gorge périphérique 18 divisant la surface de travail en deux spires lia, 11b (la pièce 10' restant une pièce massive unique). L'alimentation des deux spires est réalisée en parallèle par les régions 15, qui restent communes aux deux spires. Il est ainsi possible de localiser la pression magnétique en deux zones choisies de la pièce à former. Les figures 5 et 6 montrent une autre variante, dans laquelle la bobine 10 présente une surface de travail avec une section non plus circulaire mais sen siblement carrée avec des coins arrondis, pour le formage de tubes ayant une forme intérieure homologue. La gorge 12 suit alors le contour de cette surface de travail. Les figures 7 et 8 illustrent deux exemples d'utilisations de l'installation selon l'invention (sur ces figures, la demi-coupe supérieure représente la pièce à travailler avant l'opération ; la demicoupe inférieure, après l'opération). La figure 7 illustre la fermeture d'un trou débouchant d'une pièce massive 4 (formant matrice) au moyen d'une pièce d'obturation 1 en forme générale de coupelle ; la référence 3 se rapporta à un élément diélectrique provisoirement inséré pour permettre le formage. L'avantage du procédé est de pouvoir dudgeonner dans les pièces non débouchantes et peu profondes, grace à la forme très compacte de la bobine de champ. On a ainsi pupJacer un obturateur en AU 4 de diamètre 30 mm et d'épaisseur 0,8 mm, avec une longueur de déformation de 12 mm pour une énergie de décharge de 4,5 kJ. La figure 8 illustre un exemple de dudgeonnage d'un tube 1 dans une pièce 4. On a ainsi mis en forme un tube en AU 4 de diamètre 30 mm et d'épaissèur 0,8 mm, avec une longueur de déformation de 25 mm en appliquant une énergie de 7,5 kJ. Sur la figure on a illustré une déformation en trois points , avec retournement en bout de tube sur la face de la pièce 4, déformation en fond de gorge, déformation libre assurant un blocage latéral. REVENDICATIONS 1. Une installation pour le formage électromagnétique de pièces tubulaires (1) par expansion, comportant une bobine de champ (10) dont la surface extérieure forme une surface de travail (11) placée en regard de la surface intérieure d'une matrice d'emboutissage (4), la pièce-tubulaire étant disposée dans l'intervalle entre ces deux surfaces, la bobine de champ étant reliée à un générateur de courant de décharge pour engendrer un champ magnétique impulsionnel transmis à la pièce tubulaire pour produire son expansion radiale et sa projection contre la matrice d'emboutissage, caractérisée en ce que la bobine de champ (10) est formée d'une pièce massive métallique dans laquelle a été formée une gorge circulaire (12) et une fente (13) s'étendant de manière à définir le long de la surface de travail un trajet fermé (14) pour le courant de décharge, ce dernier étant amené du générateur par des prolongements axiaux (16) des deux régions centrales (15) de la pièce massive situées de part et d'autre de la fente. 2. Une installation selon la revendication 1, dans laquelle la fente s'étend dans un plan axial. 3. Une installation selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle la pièce massive comporte en outre au moins une gorge périphérique (18) pour diviser la surface de travail en une pluralité de spires alimentées en parallèle par les deux régions centrales (15). 4. Une installation selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle la ou les gorge(s) et la fente de la bobine de champ reçoivent une chemise en matériau diélectrique. 5. Une installation selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle l'intervalle entre la surface de travail de la bobine de champ et la pièce tubulaire à déformer reçoit une chemise (3) en matériau diélectrique.