Brevet FR2637825A1 — publié le 19900420

Outil de fornmage et procédé destiné & sa fabrication L'invention concerne un outil de formnage comportant une matrice présentant un espace creux de forme, qui est renforcée & l'aide d'un anneau intérieur s'appuyant sur elle avec une contrainte radiale préalable et un anneau extérieur s'appuyant sur celui-ci avec une contrainte radiale préalable, ainsi qu'un procédé de fabrication de cet outiL Les outils de formage sont fréquemment soumis & une pression de travail intérieure Importante. Avec les techniques de fluage & froid utilisées de nos Jours, il se produit des pressions de travail pouvant atteindre 1.000 à 2.500 N/ama2. Ceci entraîne des contraintes de traction tangentielles dans la matrice qui conduisent à sa destruction si l'on ne prend pas de précaution particulière. On connait par conséquent un outil de formage du type décrit dans l'introduction (US-A-3 608 351), dans lequel la matrice est renforcée par un ou plusieurs anneaux, qui exercent une contrainte radiale préalable par retrait ou par application d'un rouleau d'enroulement sous une contrainte de pression. Ceci s'oppose & une pression de travail,de sorte que l'on peut ne s'attendre & une rupture que pour une pression limite plus élevLI1 se produit en particulier des difficultés lorsque la matrice ne présente pas de symétrie en rotation, mais présente une section polygonale, des dentures ou des rainures. Il se produit dans ce cas, par suite de l'effet d'entailledes concentrations importantes de contraintes, qui entraînent pour des pressions de travail sensiblement plus faibles la destruction de la matrice. Pour cette raison on connait (US-A-3 810 382) l'assemblage de plusieurs pièces individuelles de la matrice qui est soumise & la contrainte préalable par l'enroulement d'une bande. Mais cette solution en plusieurs parties est onéreuse. L'invention a pour but de fournir un outil de formage du type décrit dans l'introduction qui, toutes conditions égales par ailleuers, peut être soumis & des charges plus élevées, sans qu'il en résulte de danger de destruction à la matrice. Ce but est atteint par le fait que la matière de l'anneau intérieur présente un module d'élasticité plus élevé que la matière de la matrice et que la matière de l'anneau extérieur. GrAce au module d'élasticité plus élevé de l'anneau intérieur, la matrice ne présente en fonctionnement qu'une légère déformation. Lanneau extérieur & module d'élasticité plus petit permet de mettre l'anneau intérieur sous une contrainte préalable suffisamment élevée pour que l'anneau intérieur puisse s'appuyer avec une contrainte préalable radiale considérable sur la matrice, sans se rompre. De cette manière, l'outil de formage peut être soumis à des pressions de travail plus élevées. Dans la plupart des cas, on peut également réaliser d'un seul tenant des matrices qui ne présentent pas de symétrie de rotation. La charge plus faible en contrainte de la matrice conduit en général & une durée de vie plus longue. Les rapports sont d'autant meilleurs que le module d'élasticité de la matière de l'anneau intérieur est plus élevé que celui de la matière de matrice. Il faudrait donc que le module d'élasticité de la matière de l'anneau intérieur soit au moins de 1,5 fois le module d'élasticité de la matière de la matrice. Dans la pratique, on s'efforce d'obtenir un rapport de 2 sur un & 3 sur un. L'anneau intérieur constitue un encadrement dur pour la matrice, mais il est également lui-même très sensible & la dilatation. Mais une contrainte préalable s'opposant à la dilatation peut être appliquée par l'anneau extérieur. Il est particulièrement favorable que la matrice soit en acier et l'anneau intérieur en métal dur fritté. Il est également avantageux que l'anneau extérieur se compose d'au moins deux couches et en particulier d'un enroulement en bande. Par rapport & un anneau d'un seul tenant fretté, ceci présente les avantages de permettre qu'une contrainte préalable de 50 à 70 % plus élevée soit obtenue, que la contrainte préalable soit reproductible et que la fabrication soit plus économique. Il est également préférable que l'épaisseur de paroi de l'anneau intérieur soit au moins de 25 1, de préférence de 30 % & 50 % de l'épaisseur totale de paroi. Plus l'anneau intérieur est épais, plus grande est sa capacité de réduire les forces tangentielles sur la périphérie intérieure de la matrice. Il est favorable pour la fabrication que l'anneau extérieur soit amené sur l'anneau intérieur avec une contrainte radiale préalable et que la combinaison d'anneaux cr-ée de cette façon soit frettée sur la matrice. L'anneau intérieur est donc déjà renforcé par l'anneau extérieur lors du frettage, de sorte qu'il ne souffre pas des forces de frettage. L'anneau extérieur peut être fretté sur l'anneau intérieur. Il est encore plus favorable que l'anneau extérieur soit créé sur l'anneau intérieur par enroulement d'une bande. On va maintenant expliquer de façon plus détaillée l'invention à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans le dessin. Les figures représentent - la Fig. 1 une coupe longitudinale d'un outil de formage selon l'invention, la Fig. 2 les rapports de contrainte dans un outil de formage d'un seul tenant, la Fig. 3 les rapports de contrainte dans un outil de formage en deux pièces, la Fig. 4 les rapports de contrainte dans l'outil de formage en trois pièces selon l'invention comportant un anneau extérieur constitué d'un enroulement en bande, la Fig. 5 un diagramme du rapport de la contrainte tangentielle à la pression intérieure en fonction du rapport des épaisseurs de parois, la Fig. 6 un diagrammse de la relation entre le rapport de la contrainte tangentielle & la pression intérieure et le rapport de l'épaisseur de paroi de l'anneau intérieur & l'épaisseur totale de paroi. L'outil de formage 1 à la Fig. 1 possède une matrice cylindrique 2 comportant un espace creux de forme 3, un anneau intérieur 4 et un anneau extérieur 5. La matrice 2 est en acier, l'anneau intérieur 4 est en métal dur fritté et l'anneau extérieur 5 à nouveau en acier. La matière de l'anneau intérieur 4 possède un module d'élasticité qui est par conséquent de 2 fois à 3 fois plus élevé que le module d'élasticité de la matrice 2 et de l'anneau extérieur 5. L'anneau intérieur 4 est fretté sur la matrice 2. L'anneau extérieur 5 se compose d'un enroulement en bande, qui a été enroulé sous contrainte préalable sur l'anneau intérieur 4, avant que celui-ci ne soit fretté sur la matrice 2. La contrainte radiale préalable avec laquelle l'anneau extérieur 5 s'appuie sur l'anneau intérieur 4 est supérieure à la contrainte radiale préalable avec laquelle l'anneau intérieur 4 s'appuie sur la matrice 2. 263782. Dans le dessin on désigne par Do le diamètre intérieur de la matrice 2 Dl le diamètre extérieur de la matrice 2 et le diamètre extérieur de l'anneau intérieur 4 D2: le diamètre extérieur de l'anneau intérieur 4 et le diamètre intérieur de l'anneau extérieur 5 13: le diamètre extérieur de l'anneau extérieur 5. Les rapports sont choisis de telle façon que l'épaisseur C1z - D1,) de l'anneau intérieur 4 soit supérieure & 25 S de l'épaisseur totale CD, Dc) de l'outil de formage et de préférence soit un peu supérieure & 30 Z. L'épaisseur 1), - Db) de la matrice 2 peut être égale & 5 à 20%, de préférence à 10% environ de l'épaisseur totale de paroi L'épaisseur D3 - D-) de l'anneau extérieur 5 devrait donc être comprise entre 30 et 50 Z de l'épaisseur totale. Pour mieux comprendre les rapports, on se référera aux Fig. 2 à 4. A la Fi. 2, on représente une pièce d'outil de formage d'un seul tenant, qui ne se compose pratiquement que de la matrice 2a. Lorsqu'il règne dans l'espace creux de forme une pression de travail p, il en résulte une contrainte radiale tournée vers l'extérieur cr., qui présente sa valeur la plus élevée sur l'espace creux de forme 3 et qui diminue pour atteindre zéro & la périphérie extérieure. Ceci est représenté sur la moitié gauche du diagramme. Sur la partie droite du diagramme est représentée la contrainte tangentielle a. qui présente sa valeur la plus élevée sur l'espace creux de forme 3 et qui diminue vers la périphérie. 1l se produit des forces tangentielles relativement importantes, de sorte qu'il existe, en particulier avec une matire fragile, comme de l'acier à outil, de l'acier rapide ou un métal dur, un risque de rupture. A la Fi. 3, on représente les rapports qui existent dans un outil de formage en deux pièces lb, qui possède une matrice 2b et un anneau unique 4b, qui est fretté sur la matrice. En raison de ce frettage, il existe déjà, comme l'indique la Fig. de gauche, des contraintes radiales et des contraintes tangentielles dans l'état de repos. La contrainte radiale a, est maximale & la jointure de séparation entre la matrice 2b et l'anneau 4b. A cette Jointure, il se produit également une variation du sens de la contrainte tangentielle ou. Lorsque ce dispositif est soumis à rue pression de travail pi il en résulte les rapports représentés dans la partie droite de la Fig. 3. La contrainte radiale présente son maximum sur la périphérie intérieure de la matrice. Les contraintes tangentielles sont maintenues faibles sur la périphérie intérieure en raison de la contrainte préalable et ne deviennent plus importantes que là of elles ne sont plus gênantes. à la Fig. 4, on représente les rapports dans un outil de formage en trois éléments lc selon l'invention. L'outil de formage lc se compose de la matrice 2c, de l'anneau intérieur 4c et de l'anneau extérieur 5c. L'anneau extérieur 5c est réalisé sous forme d'enroulement en bande. Dans la moitié gauche de la figure, on représente les contraintes tangentielles et les contraintes radiales & l'état de repos. Les contraintes radiales cr atteignent leur maximum à la jointure de séparation entre l'anneau intérieur 4c et l'enroulement en bande extérieur 5c. A cette jointure de séparation, il se produit également un changement de sens de la contrainte tangentielle a*. Il faut remarquer que la pression à la jointure extérieur en bande. Lorsque ce dispositif est soumis & une pression de travail p, il en résulte les rapports représentés dans la partie droite de la Fig. 4. La contrainte radiale présente son maximum sur la périphérie intérieure de la matrice = - p.. Les contraintes tangentielles dans la matrice 2c sont maintenues plus faibles que dans l'exemple de réalisation représenté & droite à la Fig. 3 8r&ce & la contrainte préalable et à la répartition en trois éléments selon l'invention. Pour des matières de matrices fragiles, la contrainte de traction tangentielle plus faible entrains une durée de vie plus longue. La contrainte radiale élevée entre l'anneau intérieur et l'enroulement extérieur en bande maintient également la contrainte tangentielle dans l'anneau intérieur 4c sous un effort de pression intérieure dans la zone de pression, de sorte qu'une destruction de l'anneau intérieur très fragile est évitée. A la Fig. 5, le rapport de l'amplitude de contrainte tangentielle vs & la pression de travail pi est représenté en fonction du rapport du diamètre extérieur D1 au diamètre intérieur Do pour un outil de formage en deux pièces selon la Fig. 3. Il s'agit des contraintes tangentielles résultantes sur la paroi intérieure de la matrice. La courbe A représente les rapports pour une matrice en métal dur HI et un anneau en acier St, la courbe B les rapports pour une matrice en acier et un anneau en acier et la courbe C les rapports pour une matrice en acier et un anneau en métal dur. Il est visible dans toutes les courbes que l'on peut atteindre des contraintes de traction tangentielles relativement faibles lorsque le rapport des diamètres augmente. Dans la pratique, pour des outils de fluage & froid, on utilise un rapport D!/Do de 4 & 6. En outre, il se produit selon la composition de la matière des contraintes tangentielles différentes. Les contraintes les plus élevées sont obtenues lorsque l'on travaille avec une matrice en métal dur et un anneau de contrainte préalable en acier. Il se produit de meilleurs rapports lorsque les deux pièces sont en acier. Le plus favorable est une combinaison d'une matrice en acier et d'un anneau en métal dur. Cette combinaison n'avait pas encore été proposée Jusqu'ici. Elle ne pouvait d'ailleurs pas être réalisée parce que le métal dur fragile lui- même ne pouvait pas supporter les contraintes tangentielles relativement faibles. Mais lorsque l'on emploie un outil de formage en trois parties selon l'invention et que l'on combine un anneau intérieur en métal dur avec un anneau extérieur en acier qui s'appuie sous une contrainte radiale préalable, l'anneau de métal dur peut de son côté être soumis & une contrainte préalable de telle façon qu'il ne puisse se produire en fonctionnement que de faibles contraintes de traction tangentielles. On peut donc utiliser dans la pratique des rapports favorables selon la courbe C de la Fig. 5. On peut s'accomoder du fait que l'acier est en général moins résistant & l'usure que le métal dur, parce que la durée de vie de cette combinaison est, toutes choses égales d'ailleurs, plusieurs fois plus élevée que la durée de vie d'un outil de formage & matrice en métal dur. La Fig. 6 représente le rapport la contrainte tangentielle o, & la contrainte de pression pi en fonction du rapport entre l'épaisseur de paroi lB2 - DI) de l'anneau intérieur 4 et l'épaisseur de paroi (Do - Do) de l'outil de formage. La courbe E représente les rapports dans un outil de formage dont les trois parties sont en acier St. La courbe F représente les rapports pour un outil de formage I selon l'invention, dans lequel l'anneau Intérieur 4 est en métal dur,.t la matrice 2 et l'anneau extérieur 5, par contre, sont en acier. L'édisseur de paroi (Di - Do) de la matrice 2 est de 10 S de l'épaisseur de paroi seul tenant plus compliquées. Le processus de fabrication commence par mettre en contrainte préalable l'anneau intérieur par l'anneau extérieur, une bande d'acier étant enroulée sous contrainte de traction sur l'anneau intérieur. Ce n'est qu'ensuite que la combinaison d'anneaux est frettée sur la matrice 2. Les forces de frettage ne peuvent ici endommager la matière parce que l'anneau intérieur est en contrainte préalable. Et lorsque se produit la pression de travail, les forces de contrainte préalables sont telles que la contrainte tangentielle est maintenue suffisamment faible sur la périphérie intérieure. Le frettage peut être réalisé d'une façon connue quelconque, à volonté, par exemple par échauffement de la combinaison annulaire. On peut également envisager que la matrice et la combinaison annulaire présentent des surfaces de contact légèrement coniques et qu'elles soient ensuite glissées l'une sur l'autre en utilisant une force de compression axiale. Au lieu de l'enroulement en bande représenté, l'anneau extérieur peut également être constitué de deux ou trois anneaux individuels s'appuyant l'un sur l'autre sous contrainte préalable. Revendications 1. Uin outil de formage comportant une matrice présentant un espace creux de forme, qui est. renforcée à l'aide d'un anneau intérieur s'appuyant sur elle avec une contrainte radiale préalable et un anneau extérieur s'appuyant sur celui-ci avec une contrainte radiale préalable caractérisé en ce que la matière de l'anneau intérieur (4) présente un module d'élasticité plus élevé que la matière de la satrice (2) et que la matière de l'anneau extérieur (5). 2. Outil de formage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module d'élasticité de la matière de l'anneau intérieur est au moins égal & 1,5 fois le module d'élasticité de la matière de matrice. 3. Outil de formage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la matrice dur fritté. 4. Outil de formage selon l'une des revendications 1 & 3, caractérisé en ce que l'anneau extérieur (5) se compose d'au moins deux couches. 5. Outil de formage selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'anneau extérieur (5) est composé d'un enroulement de bande. 6. Outil de formage selon l'une des revendications 1 & 5, caractérisé en ce que l'épaisseur de paroi de l'anneau intérieur (4) est au moins égale à 25 % de l'épaisseur totale de paroi. 7. Outil de formage selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'épaisseur de paroi de l'anneau intérieur (4) est égale & 30 & 50 % de l'épaisseur totale de paroi. 8. Procédé de fabrication de l'outil de formage selon l'une des revendications 1 & 7, caractérisé en ce que l'anneau extérieur est amené sur l'anneau intérieur avec une contrainte radiale préalable et que la combinaison d'anneaux ainsi constituée est frettée sur la matrice. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'anneau extérieur est fretté sur l'anneau intérieur. 10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'anneau extérieur est constitué per un enroulement d'une bande sur l'anneau intérieur.