Brevet FR2659576A1 — publié le 19910920

AIGUILLE POUR LE FILAGE PAR EXTRUSION La présente invention concerne une aiguille perfectionnée pour le filage de matériaux par extrusion. Elle s'applique notamment à la fabrication de tubes métalliques par le procédé d'extrusion connu sous le nom de "procédé Ugine-Séjournet". Elle s'applique également à l'extrusion de matériaux non métalliques du type des polymères ou des matériaux composites. Après affinage du minerai, les métaux et notamment les aciers sont généralement coulés sous forme de lingots, puis transformés par des laminoirs dégrossisseurs en produits intermédiaires, tels que blooms ou billettes, servant à la fabrication ultérieure de produits métallurgiques longs tels que des barres ou des tubes. Dans le procédé de forgeage à chaud du type de l'extrusion, la billette de métal à transformer, portée à une température convenable, est ainsi placée dans un récipient métallique, appelé container, fermé par une filière munie d'un orifice de section correspondant au profil que l'on veut obtenir. Une forte pression est alors exercée sur le métal, généralement au moyen d'un piston ou d'un poinçon mu par une presse, ce qui fait sortir le métal par la filière en lui donnant la forme voulue.Lorsqu'on désire obtenir un tube, le filage se fait à travers une filière ronde et la billette, préalablement percée par des techniques connues par ailleurs, est placée sur un mandrin, ou aiguille, solidaire du poinçon, le métal s'écoulant ainsi entre la filière et l'aiguille. Suivant un procédé connu, la réduction des coefficients de frottement générés par les pressions exercées sur la filière et l'aiguille est obtenue par une lubrification adaptée à base de lubrifiants vitreux tels que du verre ou de la poudre de verre, intercalés sous forme de gargousses entre l'aiguille et la billette d'une part, et entre la billette et la filière d'autre part. De cette façon, on réussit à obtenir des tubes dont la qualité de surface et les tolérances dimensionnelles sont compatibles avec certaines applications, notamment pour celles visant l'industrie nucléaire. Or, malgré la lubrification abondante, et dans le cas de tubes d'assez grandes longueurs, les conditions physiques du métal transformé se modifient en cours de filage, conduisant à une structure superficielle perturbée présentant parfois jusqu'à des arrachements. Un tel inconvénient résulte principalement des techniques de filage actuelles qui ne mettent en oeuvre que des aiguilles cylindriques de révolution, calibrées au diamètre interne des tubes à forger. Suivant ces techniques habituelles, la lubrification peut se faire dans de bonnes conditions au début du filage, mais ensuite, le cheminement du lubrifiant entre aiguille et métal est très irrégulier ce qui provoque des grippages et des arrachements dans les zones de frottement les moins lubrifiées. En outre, lorque l'aiguille n'est plus à la température du métal, il se forme une peau superficielle plus froide sur toute la surface du métal ; de ce fait, la plasticité superficielle de la billette est moindre (durcissement structurel), ce qui aggrave encore l'effet précédent. Cette dispersion longitudinale progressive des qualités de la surface interne des tubes est bien connue des hommes de l'art, et peut être mise en évidence par des contrôles métallographiques effectués sur les tubes en sortie de filière. On sait, par ailleurs, que la force totale nécessaire pour assurer la transformation par filage d'un bloc rond du type d'une billette en un tube dépend du coefficient de frottement entre cette billette et l'aiguille selon une loi exponentielle. Ce coefficient de frottement peut bien entendu avoir des valeurs très variables selon le mode de lubrification choisi. Dans le cas du filage de l'acier, lorsqu'on utilise des lubrifiants vitreux appropriés, ce coefficient présente des valeurs très faibles. Néanmoins, même lorsque la lubrification est abondante, une aiguille cylindrique de révolution à génératrice rectiligne frotte sur la billette sur toute sa surface, et ce d'autant plus qu'elle est plus longue.Cette disposition aggrave notablement les inconvénients résultant du durcissement structurel de la billette en cours de filage puisqu'elle multiplie le nombre de zones de grippage éventuelles par accroissement des pressions exercées par l'aiguille sur le métal. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant une aiguille perfectionnée pour le filage de matériaux métalliques, polymères ou composites par extrusion, caractérisée en ce qu'elle se compose d'un mandrin cylindrique de révolution présentant suivant son axe longitudinal une alternance de ventres et de creux définissant respectivement des parties travaillantes d'un diamètre calibré et des zones de réserve pour un lubrifiant adapté à la vitesse d'extrusion et à la nature du matériau extrudé. L'aiguille de filage suivant l'invention présente ainsi un coefficient de frottement réduit du fait de la diminution de la surface des parties travaillantes pour une même longueur d'aiguille. Un autre avantage qui ressort de l'invention est d'améliorer la lubrification entre l'aiguille et le métal grâce aux réserves constituées dans les sinuosités concaves de celle-ci par un apport primaire, voire permanent, d'un lubrifiant approprié au filage dudit métal. Ces réserves permettent de lubrifier localement les parties travaillantes, évitant par la même occasion les grippages et les arrachements par aggravation du frottement. Un autre avantage de l'invention est de simplifier la réalisation de l'aiguille. En effet, les aiguilles cylindriques conventionnelles à génératrice rectiligne sont calibrées sur toute leur longueur d'une manière très précise ce qui nécessite de les usiner avec beaucoup de soin ; un tel usinage peut en outre s'avérer coûteux et difficile dans le cas d'aiguilles réalisées dans des nuances d'aciers alliés spécialement adaptés pour résister aux températures élevées et aux pressions importantes nécessaires au filage de certains matériaux métalliques. Par ailleurs, ces aiguilles doivent être traitées ou recouvertes en surface, par exemple par chromage dur, traitements dont le coût est bien entendu lié à la superficie de la surface de l'aiguille à traiter. Suivant la présente invention, la superficie des parties travaillantes est réduite, ce qui permet notamment de n'usiner et/ou de ne traiter que celles-ci suivant la longueur de l'aiguille, les creux pouvant, dans une certaine mesure, ne recevoir qu'un traitement moins coûteux contre la corrosion puisqu'il ne s'agit pas de zones de frottement. Du fait de cette réduction des superficies à traiter, il est envisageable également de recourir à des procédés de revêtement jusqu'alors non rentables, mais pouvant être favorables à une diminution des coefficients de frottement ; par exemple, il devient économiquement intéressant de réaliser des revêtements à partir d'alliages à base de tungstène, de cobalt ou de nickel par des techniques telles que les torches à plasma, ... Un autre avantage d'une aiguille conforme à l'invention est la simplification de son entretien. Lorsqu'en effet une aiguille de filage, ou toute partie travaillante d'un outillage en général, présente des défauts de surface nuisant à la qualité des tubes ou des profilés réalisés (usures et arrachements des revêtements de surface notamment), il est possible de procéder à son rechargement, c'est-à-dire au retraitement des zones endommagées. Ces rechargements mettent en oeuvre des techniques connues en soi, mais font largement appel à des procédés de revêtement utilisant des outils coûteux tels que des torches ou des canons à plasma, les matériaux utilisés étant eux aussi d'un coût élevé. Le plus souvent, il est en outre nécessaire de retraiter toute la surface des parties travaillantes, ce qui conduit à des temps et des coûts de rechargement prohibitifs sur les aiguilles de filage habituelles. Suivant la présente invention, lorsqu'une partie de l'aiguille est endommagée, on peut ne recharger que la partie travaillante concernée, sans devoir intervenir sur la totalité de l'aiguille ; la segmentation de l'aiguille en ventres et en creux, conformément à l'invention, permet de réduire les temps d'intervention, ainsi que la quantité du matériau de rechargement nécessaire à la restauration de l'aiguille. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'une forme de réalisation donnée à titre d'exemple non limitatif d'une aiguille de filage conforme à ses enseignements en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une représentation simplifiée en élévation latérale d'une presse à filer horizontale comportant une aiguille de filage conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue détaillée de la figure 1 montrant plus distinctement la structure de l'aiguille, - la figure 3 est une vue détaillée d'une variante de cette aiguille équipée d'un segment racleur en son extrémité. Nous rappellerons tout d'abord, en référence aux figures 1 et 2, la structure générale d'une presse à filer horizontale 1. Cette presse 1 comporte, de la droite vers la gauche du dessin - une partie de puissance hydraulique actionnant un piston 2 et un poinçon 3 auquel une aiguille de filage 4 est solidarisée par l'intermédiaire de son talon 5 (fig.2) se trouvant en saillie par rapport à elle, - une partie fixe comportant un conteneur 6 pour le maintien d'une billette 7 (fig.2) à extruder, ce conteneur 6 se trouvant en butée contre une filière 8, elle-même montée sur une pièce support appelée sommier 9. Lorsque le piston 2 est complètement reculé, il existe un intervalle suffisant entre l'extrémité de l'aiguille 4 et l'extrémité du conteneur 6 pour permettre l'introduction de la billette 7 dans ledit conteneur 6 ; dans cette technique de filage propre à l'invention, la billette 7 est préalablement alésée à un diamètre légèrement supérieur au diamètre de l'aiguille 4, ce qui permet d'avancer celle-ci à l'intérieur de l'alésage de la billette 7, puis d'introduire l'ensemble dans le conteneur 6. Entre l'aiguille 4 et la billette 7, on intercale par ailleurs un grain de poussée 10 (fig.2) d'une forme annulaire appropriée. Après chauffage du conteneur 6, de la billette 7 et de l'aiguille 4, on actionne la presse et un banc de sortie 11 situé à l'arrière du sommier 9 permet la récupération des tubes filés. Suivant la présente invention, et conformément à la figure 2, l'aiguille de filage 4 présente une alternance de ventres et de creux définissant respectivement des parties travaillantes 12 et des réserves 13 d'un lubrifiant adapté au matériau de la billette 7. Les parties travaillantes 12 sont cylindriques à génératrice rectiligne et leur diamètre est calibré pour correspondre au diamètre intérieur du tube à réaliser. Eventuellement, et suivant une caractéristique complémentaire de l'invention, les parties travaillantes 12 peuvent présenter des diamètres décroissant régulièrement depuis le talon 5 de l'aiguille 4 vers son extrémité libre, la mise au diamètre intérieur du tube filé s'effectuant progressivement ; dans cette disposition de l'invention, l'aiguille de filage 4 est par conséquent globalement cônique. Par ailleurs, les parties travaillantes 12 sont traitées en surface pour réduire le coefficient de frottement entre le matériau de la billette 7 et l'aiguille 4. Dans le cas du filage de matériaux métalliques, il peut s'agir d'un chromage dur, d'un revêtement à base d'alliages de nickel, de tungstène ou de cobalt, sans exclusion, bien entendu, d'autres revêtements adaptés au filage de matériaux différents. Les réserves 13 agencées sur l'aiguille 4 favorisent la rétention de poches de lubrifiant entre deux parties travaillantes 12. Ces réserves 13 viennent ainsi, en cours de filage, alimenter en lubrifiant l'interface entre le matériau de la billette 7 et les parties travaillantes 12 situées à proximité.On notera également que sous réserve d'un dimensionnement judicieux du volume des réserves 13, il ne se produit pas de déformation plastique du métal chaud entre deux parties travaillantes 12, et ce malgré les pressions transversales considérables mises en jeu ; ceci résulte notamment des vitesses de filage qu'il est courant d'obtenir par rapport à la largeur des parties travaillantes 12 et des réserves 13 - par exemple, pour une vitesse de filage de 2 m/s (défilement des tubes filés en sortie de filière), on utilise une aiguille 4 présentant des parties travaillantes 12 de 40 à 50 mm de largeur séparées par des réserves 13 de 10 à 20 mm de largeur -. Le lubrifiant utilisable est de tout type courant en l'espèce pour le filage des matériaux métalliques (verres, poudres de verre ou équivalent), des matériaux polymères ou composites (graisses à haut point de ramollissement, ...). Selon sa nature, on introduit le lubrifiant soit entre l'aiguille 4 et l'alésage central de la billette 7 sous la forme de gargousses, soit on peut envisager, conformément à une caractéristique complémentaire de l'invention, d'en faire un apport permanent au cours du filage, cet apport s'effectuant avantageusement au niveau des réserves 13 ménagées le long de l'aiguille 4. A cet effet, l'aiguille 4 peut être alésée de manière à y définir un conduit interne ramifié, non représenté sur les figures, alimentant les réserves 13, le lubrifiant devant présenter alors une viscosité compatible avec son cheminement dans ledit conduit. On comprend donc que l'étagement progressif du travail de filage de la billette 7 par l'outil intérieur constitué d'une aiguille 4 conforme å la présente invention est favorable à une diminution du coefficient de frottement entre cette aiguille 4 et le métal, d'une part en raison de la réduction de la superficie des parties travaillantes 12 calibrées par rapport à une aiguille de filage conventionnelle, d'autre part en raison des réserves 13 de lubrifiant qu'il est possible d'aménager tout le long de ladite aiguille 4. Par ailleurs, la présence d'un lubrifiant abondant durant toute la phase de filage ralentit dans une certaine mesure le refroidissement de l'aiguille 4 par rapport au métal de la billette 7 ; cet effet inattendu vient retarder la formation d'une peau froide moins plastique à la superficie du métal, cette peau étant responsable de certains des défauts de surface que l'on retrouve sur les tubes. Rappelons à ce titre qu'on peut dire qu'un métal est travaillé à chaud si l'opération de forgeage (ou filage dans ce cas spécifique de l'extrusion) a lieu à une température telle qu'il puisse recristalliser des que la déformation cesse, ou même pendant la déformation si celle-ci est assez lente. Ajouté à l'augmentation de plasticité résultant des températures croissantes, ce phénomène de recristallisation est particulièrement favorable pour les déformations plastiques importantes, telles que celles opérées pour la transformation de la billette 7 en un produit long tel qu'un tube. On sait en outre que la transformation par filage peut s'effectuer avec des corroyages importants (de 10 à 100) sous l'influence de forces s'exerçant selon les trois directions principales au niveau de la filière 8 et de l'aiguille 4.Il en résulte généralement un brassage extrêmement énergétique des molécules du métal filé, conduisant à des produits homogènes dont les propriétés transversales ont des valeurs voisines de celles de ces propriétés longitudinales ; la possibilité d'un tel brassage n'est réalisé que lorsque les conditions du filage, notamment thermiques, sont parfaites, ce qui n'est pas le cas en fin de filage avec une aiguille conventionnelle tandis qu'on obtient ce résultat important en utilisant l'aiguille 4 conforme à la présente invention. Bien entendu, cet effet ne se retrouve pas exactement lorsque l'on file une billette 7 d'un matériau non métallique tel que polymère ou composite. Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'alternance des parties travaillantes 12 et des réserves 13 agencées le long de l'aiguille de filage 4 n'est pas nécessairement une alternance régulière, c'est-à-dire que la répartition et la largeur des parties travaillantes 12 ne sont pas uniformes mais dépendent de conditions spécifiques de forgeage du métal de la billette 7 ou de filage du matériau la constituant de manière plus générale. On peut ainsi par exemple prévoir des parties travaillantes 12 plus larges aux endroits de plus forte pression, des réserves 13 plus larges vers l'extrémité de l'aiguille 4 opposée à son talon 5 de manière à favoriser une plus grande lubrification du côté de l'aiguille 4 le plus éloigné des gargousses de lubrifiant, ou toute autre disposition spécifique aux conditions de filage d'un matériau donné. La présente invention vise enfin à remédier à un inconvénient général des techniques de transformation par extrusion. La présence d'un lubrifiant abondant entre notamment l'aiguille de filage 4 et l'alésage de la billette 7 - abondance encore renforcée grâce aux moyens développés par l'invention - peut conduire à des difficultés d'élimination de ce lubrifiant de la surface des produits extrudés. C'est le cas des verres qui se solidifient rapidement au refroidissement, ou des graisses à haut point de ramollissement. En sortie de filière 8, un tube présente ainsi une couche lubrifiante généralement épaisse, jamais homogène et formée principalement d'amas irréguliers difficile à éliminer, en particulier dans les alésages (un tube peut couramment avoir plusieurs mètres de longueur). L'élimination du lubrifiant s'effectue le plus souvent par voie chimique grâce à des solvants, mais ceux-ci peuvent parfois induire une action préjudiciable aux qualités de surface du matériau sous-jacent. Suivant une caractéristique complémentaire de la présente invention, il est donc prévu de pouvoir éliminer tout ou partie du lubrifiant pendant qu'il se trouve encore dans un état malléable ou fluide, c'est-à-dire dans un délai très court après l'extrusion. Pour ce faire, et conformément à la figure 3, l'extrémité de l'aiguille de filage 4 est pourvue d'un segment racleur 15 faisant saillie pour venir racler le lubrifiant adhérant à la surface interne du produit filé. Par ailleurs, le lubrifiant ainsi retiré peut s'accumuler, le cas échéant, dans un logement 16 situé en arrière dudit segment racleur 15. Ce logement 16 peut être réalisée de la même manière qu'une réserve 13, et se présente ainsi en creux par rapport à la partie travaillante 12 précédente. Suivant une autre caractéristique de l'invention, il est envisageable d'aléser l'aiguille de filage 4 pour y définir un conduit 17 ramifié, débouchant à l'avant de l'aiguille 4 devant le segment racleur 15 de manière à permettre la projection d'un fluide de dissolution ou de désagrégation sur la couche résiduelle de lubrifiant solidifié après le raclage de la majeure partie dudit lubrifiant par ledit segment racleur 15. Ce fluide de dissolution ou de désagrégation optionnel peut faciliter le retrait complet du lubrifiant de la surface intérieure du produit filé. Il est bien évident qu'un tel dispositif terminal à l'extrémité de l'aiguille de filage 4, si elle est très avantageuse dans le cas de l'invention, peut également équiper une aiguille de filage conventionnelle cylindrique à génératrice rectiligne. Un autre avantage de l'installation d'un segment racleur 15 à l'avant de l'aiguille de filage 4 est qu'elle permet de régler dans une certaine mesure l'épaisseur de la couche de lubrifiant solidifié sur la surface du produit filé. Cette épaisseur prévisible rend ainsi mieux calculable les paramètres des solvants ultérieurs à employer pour l'élimination complète du lubrifiant sans dégradation du matériau sous-jacent. En outre, une couche résiduelle peu épaisse et régulière peut être valorisée comme couche protectrice pour certains traitements ultérieurs.Enfin, il est envisageable de pouvoir usiner une couche résiduelle mince ce qui permet d'enlever le lubrifiant sans recourir aux moyens chimiques, ou de retirer une telle couche mince sous l'effet d'interactions thermiques ou mécaniques adéquates, développées par ailleurs (telles que l'emploi de lasers de puissance dont le faisceau est focalisé sur ladite couche de manière à y provoquer une onde de choc provoquant son décollement) ; dans cette optique, la fonction du segment racleur 15 constitue une opération prélable à un décapage rapide et efficace pour l'obtention de produits filés tels que des tubes présentant par ailleurs des qualités de surface importantes du fait de l'emploi d'une aiguille de filage 4 conforme à la présente invention. La présente invention n'est bien entendu pas limitée par les variantes de réalisation précédemment décrites ou représentées sur les dessins annexés, et il est notamment clair que le remplacement d'un moyen technique employé ici à titre d'exemple par un moyen équivalent, pour autant qu'il se fasse conformément aux enseignements de l'invention, ne sortirait bien sûr pas de son cadre. L'aiguille perfectionnée pour le filage de matériaux métalliques, polymères ou composites par extrusion, objet de la présente invention, s'applique notamment à la fabrication de tubes métalliques. REVENDICATIONS 1 - Aiguille (4) perfectionnée pour le filage de matériaux métalliques, polymères ou composites par extrusion, caractérisée en ce qu'elle se compose d'un mandrin cylindrique de révolution présentant suivant son axe longitudinal une alternance de ventres et de creux définissant respectivement des parties travaillantes (12) d'un diamètre calibré et des zones de réserve (13) pour un lubrifiant adapté à la vitesse d'extrusion et à la nature du matériau extrudé. 2 - Aiguille (4) perfectionnée suivant la revendication précédente, caractérisée en ce que les parties travaillantes (12) sont cylindriques à génératrice rectiligne et leur diamètre est calibré pour correspondre au diamètre intérieur du tube à réaliser. 3 - Aiguille (4) perfectionnée suivant l'une quelconque des revendications précedentes, caractérisée en ce que les parties travaillantes (12) présentent des diamètres décroissant régulièrement depuis le talon (5) de l'aiguille (4) vers son extrémité libre, la mise au diamètre intérieur du produit filé s'effectuant progressivement. 4 - Aiguille (4) perfectionnée suivant l'une quelconque des revendications précedentes, caractérisée en ce que les parties travaillantes (12) sont traitées en surface pour réduire le coefficient de frottement entre le matériau de la billette (7) à extruder et l'aiguille (4). 5 - Aiguille (4) perfectionnée suivant l'une quelconque des revendications précedentes, caractérisée en ce qu'on fait un apport permanent de lubrifiant au cours du filage, cet apport s'effectuant avantageusement au niveau des réserves (13) ménagées le long de l'aiguille (4) qui est à cet effet alésée de manière à définir un conduit interne ramifié alimentant lesdites réserves (13). 6 - Aiguille (4) perfectionnée suivant l'une quelconque des revendications précedentes, caractérisée en ce que l'alternance des parties travaillantes (12) et des réserves (13) agencées le long de l'aiguille (4) est régulière. 7 - Aiguille (4) perfectionnée suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'alternance des parties travaillantes (12) et des réserves (13) agencées le long de l'aiguille (4) est irrégulière, c'est-à-dire que la répartition et la largeur des parties travaillantes (12) ne sont pas uniformes mais dépendent de conditions spécifiques de filage du matériau constituant la billette (7). 8 - Aiguille (4) perfectionnée suivant l'une quelconque des revendications précedentes, caractérisée en ce que l'extrémité de l'aiguille (4) est pourvue d'un segment racleur (15) faisant saillie pour venir racler le lubrifiant adhérant à la surface interne du produit filé. 9 - Aiguille (4) perfectionnée suivant la revendication 8, caractérisée en ce que le lubrifiant retiré par le segment racleur (15) de la surface du produit filé s'accumule dans un logement (16) situé en arrière dudit segment racleur (15). 10 - Aiguille (4) perfectionnée suivant l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisée en ce que l'aiguille (4) est alésée pour y définir un conduit (17) ramifié, débouchant à l'avant de l'aiguille (4) devant le segment racleur (15) de manière à permettre la projection d'un fluide de dissolution ou de désagrégation sur la couche résiduelle de lubrifiant solidifié après le raclage de la majeure partie dudit lubrifiant par ledit segment racleur (15).