Brevet FR2616690A1 — publié le 19881223

MACHINE DE LAMINAGE A FROID A PAS DE PELERIN, La présente invention est relative au laminage à froid à pas de pèlerin de tubes métalliques à paroi mince et, plus particulièrement, elle concerne un ensemble d'outils en carbure fritté à haute résistance, c'est-à- dire des matrices et des mandrins, à utiliser dans une machine de laminage à froid à pas de pèlerin. Le laminage à froid à pas de pèlerin est un procédé classique selon lequel un tube avance sur un mandrin fixe et, simultanément, est comprimé à l'aide de matrices cylindriques opposées, ce qui provoque une réduction de la section transversale et un allongement du tube. Des machines de laminage à froid à pas de pèlerin représen- tatives de la technique antérieure sont décrites et repré- sentées dans les brevets des E.U.A. attribués à Arrington (3 416 346), Edstrom et al. (3 487 675 et 3 690 850), Naylor et al. (4 090 386) et Matinlassi (4 233 834). Typiquement, le tube initial est réduit et allongé aux dimensions du tube final en passant par des postes successifs de la machine de laminage à froid à pas de pèlerin, chaque poste étant composé d'un ensemble consti- tué par un mandrin fixe et des matrices cylindriques. La réduction est effectué aussi bien pour ce qui concerne le diamètre que l'épaisseur des parois du tube, à l'aide de la forme conique du mandrin et de la forme périphérique conique des gorges des matrices qui embrassent le tube par dessus et par dessous le mandrin et roulent en un cycle de va-et-vient constant le long du tube. Entre chaque cycle de mouvement des matrices, le tube avance et tourne pas- à-pas le long du mandrin. Le mandrin empêche le tube de s'écraser sous la force des matrices cylindriques tout en déterminant le diamètre intérieur du tube. Bien que les mandrins et les matrices cylindriques soient en acier à haute résistance, un facteur limitatif dans le procédé de laminage à froid à pas de pèlerin est la nécessité du remplacement fréquent des mandrins et des matrices cylindriques. Il faut remplacer les mandrins quand les mandrins en acier ont subi des efforts excessifs et cassent du fait des conditions de fonctionnement rigou- reuses et des moments de flexion occasionnels imposés à ceux-ci par un excentrage ou un léger défaut d'alignement des tubes. Egalement, les mandrins doivent occasionnelle- ment être ré-usinés pour élimiter l'accumulation de métal provoquée par l'utilisation courante. Le remplacement des matrices cylindriques est fréquemment nécessaire à cause de l'apparition de fissures, de l'érosion et de l'écaillage de la surface des gorges les matrices en acier du fait des conditions de fonctionnement rigoureuses de la machine de laminage à froid à pas de pèlerin. Les matrices cylin- driques doivent aussi être ré-usinées de temps à autre pour éliminer le métal accumulé du fait de l'utilisation ordi- naire. Typiquement, une matrice cylindrique en acier à haute résistance ne produit qu'environ 6 000 m de tube avant que les gorges ne doivent être ré-usinées. Il est donc nécessaire d'accroître la durée de vie de l'outillage de laminage à pas de pèlerin, à savoir les mandrins et les matrices cylindriques, de façon à améliorer la productivité et le rendement de la machine de laminage à pas de pèlerin. La présente invention réalise un ensemble d'outils de laminage à pas de pèlerin en carbure fritté à haute résistance, à savoir des matrices et des mandrins, conçus pour répondre aux besoins précités. Les mandrins et les matrices, en carbure fritté à haute résistance, assurent une durée de vie plus longue que celle des mandrins et matrices en acier à haute résistance. Bien que la fabri- cation des mandrins et matrices en carbure fritté exige un usinage comportant davantage de réglages, l'avantage d'une durée de vie plus longue l'emporte sur la charge imposée par ce surcroît ae préparation. A cause de leur module d'élasticité plus élevé, les mandrins et matrices en carbure fritté réalisent une meilleure ovalité du tube fini et on estime en même temps que la nouvelle composition permet une augmentation de cinquante pour cent de la vitesse d'avance de la matière dans le laminoir à pas de pèlerin. En outre, si les mandrins ne se cassent pas en cours d'utilisation - un sort courant jusqu'à présent pour les mandrins - ils peuvent subir de nouvelles passes de rectification et servir plus de fois que des mandrins en acier à haute résistance. On estime également que les ma- trices cylindriques peuvent servir à laminer au moins 000 m de tube avant qu'un ré-usinage ne soit néces- saire, contre seulement 6 000 m avec l'acier à haute résistance. La présente invention concerne donc un ensemble d'outils de laminage à pas de pèlerin d'une machine de laminage à froid à pas de pèlerin pour réduire à froid des tubes à paroi mince, qui comprend un mandrin fixe allongé pour supporter une longueur de tube en place sur celui-ci en vue de sa réduction à froid, et une paire de matrices cylin- driques disposées de part et d'autre du mandrin et se fai- sant mutuellement face de manière opposée pour coopérer avec le mandrin pour réduire la section transversale du tube. Chaque matrice cylindrique a une forme annulaire avec une ouverture centrale pour monter la matrice sur un arbre et a une rainure de clavetage réalisée dans celle-ci de façon contiguë à l'ouverture centrale pour recevoir une clavette servant à fixer la matrice solidairement à l'arbre. La rainure de clavetage constitue un repère pour monter la matrice avec précision sur l'arbre. Chaque matrice a sur son pourtour deux dégagements mutuellement espacés sur sa circonférence avec un pont qui s'étend entre eux, et une gorge de réduction de tubes ayant une configuration conique et débouchant à ses extrémités opposées dans les dégagements respectifs. L'extrémité d'un des dégagements se trouve radialement à l'extérieur de la rainure de clavetage et est alignée avec le centre de cette dernière de façon à constituer un point de référence sur la matrice à côté de la périphérie de celle-ci. Plus particulièrement, le mandrin et les matrices cylindriques sont tous en matière à haute résistance en carbure fritté, composée de carbure de tungstène à raison d'environ 81,5 à environ 86 pour cent en poids et de cobalt à raison d'environ 14 à environ 18,5 pour cent en poids. La matière en carbure fritté a une dureté Rockwell "A" minimale d'environ 84,6 à environ 87,7, une densité com- prise entre environ 13,70 et 14,00 grammes par centimètre cube, une résistance minimale à la rupture par flexion comprise entre environ 2 500 et environ 2 900 MPa, une taille moyenne de grains comprise entre 1 et 6 micromètres à un grossissement de x 1 500, un module d'élasticité compris entre environ 520 000 et environ 540 000 MPa, et une résistance à la compression comprise entre environ 4 000 et environ 4 100 MPa. Ces avantages et réalisations parmi d'autres de la présente invention apparaltront à ceux qui connaissent bien la technique à la lecture de la description détaillée ci- après dans laquelle une forme de réalisation de l'invention est représentée et décrite à titre d'exemple nullement limitatif, en regard des dessins annexes sur lesquels: la Fig. 1 est une vue schématique en élévation latérale d'un ensemble selon la présente invention composé d'un mandrin et de matrices cylindriques en carbure fritté, représenté en position de fonctionnement par rapport à un tube soumis entre ceux-ci à une réduction de section transversale et à un allongement, les matrices cylin- driques étant représentées en coupe selon un plan perpen- diculaire à leurs axes de rotation; la Fig. 2 est une vue agrandie en élévation latérale du mandrin de la Fig. 1 pris isolément; la Fig. 3 est une vue agrandie en élévation latérale d'une des matrices cylindriques de la Fig. 1 prise isolé- ment; la Fig. 4 est une vue en coupe de la matrice cylin- drique selon la ligne 4-4 de la Fig. 3; la Fig. 5 est une vue partielle en élévation latérale de la matrice cylindrique selon la ligne 5-5 de la Fig. 4, montrant une rainure de clavetage de la matrice; la Fig. 6 est une vue en plan de la matrice cylindrique selon la ligne 6-6 de la Fig. 3, montrant les deux dégage- ments sur le pourtour de la matrice cylindrique, mutuelle- ment espacés sur sa circonférence par un pont s'étendant entre eux; et la Fig. 7 est une autre vue en plan de la matrice cylindrique selon la ligne 7-7 de la Fig. 3, représentant la configuration conique de la gorge formée sur le pourtour de la matrice cylindrique. Dans la description qui suit, les mêmes repères désignent des parties identiques ou correspondantes sur tous les différents dessins. Dans la description qui suit, il doit aussi être entendu que des termes tels que "anté- rieur", "postérieur", "gauche", "droit", "vers le haut", "vers le bas" et autres sont un vocabulaire adopté par commodité et ne doivent pas être interprétés comme des termes limitatifs. Considérant maintenant les dessins, et en particulier la Fig. 1, il est représenté schématiquement un ensemble d'outils de laminage à pas de pèlerin, désigné globalement par le repère 10, conçu selon les principes de la présente invention. L'ensemble 10 d'outils utilisable dans une ma- chine de laminage à froid à pas de pèlerin pour la réduc- tion à froid d'un tube 12 à paroi mince, comprend un man- drin allongé 14 en position fixe pour supporter le tube 12 en place sur celui-ci en vue de sa réduction à froid, et une paires de matrices cylindriques supérieure et infé- rieure 16, 18 disposées de part et d'autre du mandrin.14 et se faisant mutuellement face de manière opposée pour coopérer avec le mandrin pour réduire d'une manière connue la section transversale du tube 12. Comme décrit précédemment, le procédé de laminage à froid à pas de pèlerin dans lequel sont employés le mandrin 14 et les matrices 16,18 est un procédé classique de réduc- tion à froid dans lequel le tube 12 avance sur le mandrin 14 tandis que ce dernier reste fixe et, simultanément, le tube est comprimé à l'aide des deux matrices cylindriques opposées 16,18, ce qui provoque une réduction de la section transversale et un allongement du tube. Typiquement, le tube initial est réduit et allongé aux dimensions du tube final en passant par une succession de postes de la machine de laminage à froid à pas de pèlerin, chaque poste étant composé de l'ensemble 10 d'outils. La réduction s'effectue à la fois sur le diamètre et sur l'épaisseur de paroi du tube 12 au moyen de la forme de cylindre conique du mandrin 14 et de la forme périphérique conique des gorges 20,22 des matrices 16,18 qui embrassent le tube 12 par dessus et par dessous le mandrin 14 et roulent en un cycle de va-et-vient constant le long du tube. Entre chaque cycle de mouvement des matrices, le tube 12 avance et tourne pas-à-pas le long du mandrin 14 sous l'action d'un mécanisme classique approprié non représenté. Le mandrin 14 empêche le tube 12 de s'écraser sous la force des matrices cylindriques 16,18 tout en déterminant le diamètre intérieur du tube. A la différence de l'ensemble antérieur d'outils de laminage à pas de pèlerin, le mandrin 14, représenté sur la Fig. 2, et les matrices cylindriques 16, 18, dont l'une est représentée sur les figures 3 à 7, sont en matière à haute résistance en carbure fritté composée de carbure de tungstène et de cobalt. De préférence, le carbure de tungstène est présent à raison d'environ 81,5 à environ 86 pour cent en poids, et le cobalt - à raison d'environ 14 à environ 18,5 pour cent en poids. La matière en car- bure fritté a aussi une dureté Rockwell "A" minimale d'en- viron 84,6 à environ 87,7 et une densité comprise entre environ 13,70 et 14,00 grammes par centimètre cube. En outre, la matière a une résistance minimale à la rupture par flexion comprise entre environ 2 500 et environ 2 900 MPa, une taille moyenne de grains comprise entre 1 et 6 micromètres à un grossissement de x 1 500, un module d'é- lasticité compris entre environ 520 000 et environ 540 000 MPa, et une résistance à la compression comprise entre environ 4 000 et environ 4 100 MPa. Le mandrin 14 est fabriqué selon n'importe quel pro- cédé classique approprié, par exemple par rectification cylindrique à commande directe par calculateur. Chaque matrice cylindre 16, 18 est fabriquée à l'aide d'un pro- cédé classique de compression isostatique à chaud. Les paires de dégagements 24, 25 sont préformées, tandis que les gorges 20, 22 sont usinées pour acquérir leur profil final selon un procédé classique d'usinage par décharges électriques et/ou une technique de rectification par meule diamantée, puis par un polissage. Lors du polissage, les dégagements 24, 26 qui sont séparés par une structure for- mant pont 28, constituent respectivement des entrées et des sorties pour le pompage d'une boue abrasive via les gorges. Ultérieurement au cours du laminage à pas de pèle- rin, les dégagements 24, 26 constituent un espace entre les matrices 16, 18 et le tube 12 au terme de chaque cycle de mouvement des matrices, ce qui permet au tube d'avancer et de tourner pas-à-pas par rapport au mandrin 14. 2 616690 La matrice cylindrique 16 (ainsi que la matrice 18 non représentée sur les figures 3 à 7 mais identique à la ma- trice 16) a une forme annulaire avec un alésage ou une ou- verture centrale 30 pour monter la matrice sur un arbre 32 (Fig. 1) de la machine de laminage à pas de pèlerin. La matrice 16 a aussi une rainure de clavetage 34 réalisée dans celle-ci de façon contiguë à l'ouverture centrale 30 pour recevoir une clavette (non représentée) servant à fixer la matrice solidairement à l'arbre. La rainure de clavetage 34 constitue en même temps un repère pour monter la matrice avec précision sur l'arbre. Comme indiqué plus haut, la ma- trice 16 a sur son pourtour deux dégagements 24 mutuellement espacés sur sa circonférence, la structure formant pont 28 s'étendant entre eux et les séparant l'un de l'autre. La gorge conique 20 servant à réduire les tubes et formée sur le pourtour de la matrice débouche aussi à ses extrémités opposées dans les dégagements correspondants 24. Quand la matrice 16 est montée sur l'arbre 32 de la machine de laminage à pas de pèlerin, sa rainure de clave- tage 34 n'est pas visible pour l'opérateur pour servir ul- térieurement à effectuer des réglages. Par compensation, comme on le voit sur la Fig. 3, l'extrémité 36 du premier dégagement 24A se trouve radialement à l'extérieur de la rainure de clavetage 34 et est alignée avec le centre de cette dernière de façon à constituer un point de référence sur la matrice 16 à côté de la périphérie de celle-ci, lequel sera visible pour l'opérateur. On estime que l'ensemble d'outils en carbure fritté pour laminage à pas de pèlerin de la présente invention et nombre de ses avantages afférents sont compris d'après la description qui précède, et il est clair que diverses modi- fications peuvent être apportées dans la forme, la construc- tion et l'agencement des parties de celui-ci sans s'écarter de l'esprit ni du cadre de l'invention ni sacrifier tous ses avantages fondamentaux, la forme décrite plus haut n'étant qu'une forme préférée ou un exemple de réalisation de celle-ci. REVENDICATIONS: 1. Machine de laminage à froid à pas de pèlerin pour la réduction à froid d'un tube (12) à paroi mince, ayant un mandrin fixe allongé (14) pour supporter une longueur de tube (12) en place sur celui-ci en vue de sa réduction à froid, caractérisée en ce que le mandrin (14) est en matière à haute résistance en carbure fritté. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en outre en ce que ladite matière en carbure fritté est composée de carbure de tungstène à raison d'environ 81,5 à environ 86 pour cent en poids et de cobalt à raisoz d'environ 14 à environ 18,5 pour cent en poids. 3. Machine selon la revendication 2, caractérisée en outre en ce que ladite matière en carbure fritté a une dureté Rockwell "A" minimale comprise entre environ 84,6 et environ 87,7. 4. Machine selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en outre en ce que ladite matière en carbure fritté a une densité comprise entre environ 13, 70 et 14,00 grammes par centimètre cube. 5. Machine selon l'une quelconque des revendications 2, 3 ou 4, caractérisée en outre en ce que ladite matière en carbure fritté a une résistance minimale à la rupture par flexion comprise entre environ 2 500 et 2 900 MPa. 6. Machine selon l'une quelconque des revendications 2, 3, 4 ou 5, caractérisée en outre en ce que ladite matière en carbure fritté a une taille moyenne de grains comprise entre 1 et 6 micromètres à un grossissement de x 1 500. 7. Machine selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisée en outre en ce que ladite matière en carbure fritté a un module d'élastidité compris entre environ 520 000 et environ 540 000 MPa. 8. Machine selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisée en outre en ce que ladite matière en carbure fritté a une résistance à la compression comprise entre environ 4 000 et environ 4 100 MPa. 9. Machine de laminage à froid à pas de pèlerin pour la réduction à froid d'un tube (12) à paroi mince, ayant une paire de matrices cylindriques (16, 18) pour réduire la section transversale du tube (12), caractérisée en ce que chaque matrice (16, 18) est en matière à haute résis- tance en carbure fritté. 10. Machine selon la revendication 9, caractérisée en outre en ce que chaque matrice (16, 18) a une forme annulaire avec une ouverture centrale (30) pour monter la matrice (16, 18) sur un arbre (32) et a une rainure de clavetage (34) réalisée dans celle-ci de façon contiguë à l'ouverture centrale (30) pour recevoir une clavette servant à fixer la matrice (16, 18) solidairement à l'arbre (32), ladite rainure de clavetage (34) de la ma- trice (16, 18) constituant aussi un repère pour monter la matrice (16, 18) avec précision sur l'arbre (32). 11. Machine selon la revendication 10, caractérisée en outre en ce que chaque matrice (16, 18) a sur son pour- tour deux dégagements (24, 26) mutuellement espacés sur sa circonférence avec un pont (28) qui s'étend entre eux, et une gorge (20, 22) de réduction de tubes formée avec une configuration conique et débouchant à ses extrémités op- posées dans lesdits dégagements respectifs (24, 26), une extrémité (36) d'un des dégagements (24a) se trouvant radialement à l'extérieur de la rainure de clavetage (34) et étant alignée avec le centre de cette dernière de façon à constituer un point de référence sur la matrice (16, 18) à côté de la périphérie de celle-ci. 12. Machine selon l'une quelconque des revendications 9, 10 ou 11, caractérisée en outre en ce que ladite matière en carbure fritté est composée de carbure de tungstène à raison d'environ 81,5 à environ 86 pour cent en poids et de cobalt à raison d'environ 14 à environ 18,5 pour cent en poids. 13. Machine selon l'une quelconque des revendications 26 16 69 0 9 à 12, caractérisée en outre en ce que ladite matière en carbure fritté a une dureté Rockwell "A" minimale comprise entre environ 84,6 et environ 87,7. 14. Machine selon l'une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisée en outre en ce que ladite matière en carbure fritté a une densité comprise entre environ 13,70 et 14,00 grammes par centimètre cube. 15. Machine selon l'une quelconque des revendications 9 à 14, caractérisée en outre en ce que ladite matière en carbure fritté a une résistance minimale à la rupture par flexion comprise entre environ 2 500 et environ 2 900 MPa. 16. Machine selon l'une quelconque des revendications 9 à 15, caractérisée en outre en ce que ladite matière en carbure fritté a une taille moyenne de grain compriseentre 1 et 6 micromètres à un grossissement de x 1 500. 17. Machine selon l'une quelconque des revendications 9 à 16, caractérisée en outre en ce que ladite matière en carbure fritté a un module d'élasticité.compris entre environ 520 000 et environ 540 000 MPa. 18. Machine selon l'une quelconque des revendications 9 à 17, caractérisée en outre en ce que ladite matière en carbure fritté a une résistance à la compression comprise entre environ 4 000 et environ 4 100 MPa. 19. Machine de laminage à froid à pas de pèlerin pour la réduction à froid d'un tube (12) à paroi mince, ayant un ensemble d'outils de laminage à pas de pèlerin compre- nant un mandrin allongé fixé (14) pour supporter une longueur de tube (12) en place sur celui-ci en vue de sa réduction à froid, ledit mandrin étant en matière à haute résistance en carbure fritté; et une paire de matrices cylindriques (16, 18) disposées de part et d'autre du mandrin (14) et se faisant mutuellement face de manière opposée pour co- opérer avec le mandrin (14) pour réduire la section trans- versale du tube (12), chaque matrice (16, 18) ayant une forme annulaire avec une ouverture centrale (30) pour monter la matrice (16, 18) sur un arbre (32) et ayant une rainure de clavetage (34) réalisée dans celle-ci de façon contiguë à l'ouverture centrale (30) pour recevoir une clavette servant à fixer la matrice (16, 18) solidairement à l'arbre (32), ladite rainure de clavetage (34) de la matrice (16, 18) constituant aussi un repère pour monter la matrice (16, 18) avec précision sur l'arbre (32), chaque matrice (16, 18) ayant sur son pourtour deux dégagements (24,.26) mutuellement espacés sur sa circonférence avec un pont (28) qui s'étend entre eux, et une gorge (20, 22) de réduction de tubes auant une configuration conique et débouchant à ses extrémités opposées dans lesdits dégagements respectifs (24, 26), une extrémité (36) d'un des dégagements (24, 26) se trouvant radialement à l'extérieur de la rainure de cla- vetage (34) et étant alignée avec le centre de cette der- nière de façon à constituer un point de référence sur la matrice (16, 18) à côté de la périphérie de celle-ci, la machine étant caractérisée en ce que ledit mandrin (14) et chaque matrice (16, 18) sont en matière à haute résistance en carbure fritté. 20. Machine selon la revendication 19, caractérisée en outre en ce que ladite matière en carbure fritté est composée de carbure de tungstène raison d'environ 81,5 à environ 86 pour cent en poids et de cobalt à raison d'en- viron 14 à environ 18,5 pour cent en poids. 21. Machine selon l'une ou l'autre des revendications 19 ou 20, caractérisée en outre en ce que ladite matière en carbure fritté a une dureté Rockwell "A" minimale d'en- viron 84,6 à environ 87,7. 22. Machine selon l'une quelconque des revendications 19 à 21, caractérisée en outre en ce que ladite matière en carbure fritté a une densité comprise entre environ 13,70 et 14,00 grammes par centimètre cube. 23. Machine selon l'une quelconque des revendications 19 à 22, caractérisée en outre en ce que ladite matière en carbure fritté a une résistance minimale à la rupture par 2 616 69v 0 flexion comprise entre environ 2 500 et environ 2 900 MPa. 24. Machine selon l'une quelconque des revendications 19 à 23, caractérisée en outre en ce que ladite matière en carbure fritté a une taille moyenne de grains comprise entre 1 et 6 micromètres à un grossissement de x 1 500. 25. Machine selon l'une quelconque des revendications 19 à 24, caractérisée en outre en ce que ladite matière en carbure fritté a un module d'élasticité-compris entre environ 520 000 et environ 540 000 MPa. -26. Machine selon l'une quelconque des revendications 19 à 25, caractérisée en outre en ce que ladite matière en carbure fritté a une résistance à la compression comprise entre environ 4 000 et environ 4 100 MPa.