Brevet FR2670409A1 — publié le 19920619

i PROCEDE DE FABRICATION PAR FLUOTOURNAGE A CHAUD D'UNE PIECE EN UN MATERIAU NON MALLEABLE A TEMPERATURE AMBIAN- TE ET OUTILLAGE CORRESPONDANT. DESCRIPTION L'invention concerne un procédé permettant de fabriquer, par fluotournage à chaud, des pièces en matériau non malléable à température ambiante telles que des pièces en alliage de titane, en matériau compo- site à matrice métallique, ou autres L'invention concerne également un outillage mettant en oeuvre ce procédé. La technique du fluotournage consiste à placer une ébauche de pièce sur un mandrin mis en rotation et à provoquer la déformation plastique de cette ébauche en l'allongeant et en réduisant son épaisseur, au moyen d'une ou plusieurs molettes exerçant une pression élevée sur la pièce L'outillage de fluotournage comporte donc principalement un mandrin, généralement deux ou trois molettes et des moyens permettant de solidariser en rotation l'ébauche de pièce du mandrin. Cet outillage est monté sur une machine qui s'apparente à un tour classique Cette machine possède un banc supportant un chariot portemolettes, une broche transmettant son mouvement de rotation au mandrin et une contre-pointe qui fait office de serre-flanc solida- risant en rotation l'ébauche de pièce du mandrin. Cette technique permet de fabriquer des pièces creuses de révolution de faible épaisseur, en des maté- riaux malléables à température ambiante tels que l'a- cier, sans aucune soudure On peut donner à ces pièces, par exemple de forme cylindrique, un diamètre quelconque adapté à l'utilisation envisagée Des pièces partielle- ment ou totalement tronconiques peuvent également être fabriquées. La technique du fluotournage a cependant pour principal inconvénient de ne pas permettre, jusqu'à présent, la fabrication de pièces en matériaux non ou peu malléables à température ambiante, te Ls que les alliages de titane. Ainsi, des essais effectués par le demandeur ont montré que la fabrication par fluotournage à froid d'une pièce en alliage de titane réalisée selon la tech- nique classique conduisait à l'obtention d'une pièce présentant de nombreuses criques la rendant inutilisa- ble. Dans une autre série d'essais, toujours effec- tués à froid mais en arrosant la pièce par un liquide de refroidissement, le demandeur a même observé une rupture très rapide de la pièce. On a déjà tenté de résoudre ces difficultés en effectuant un fluotournage à chaud de tels matériaux. Ainsi, l'article "fluotournage à chaud de l'alliage de titane TA 6 V" de M Brun et J Duriau, des pages 19 à 23 de la Revue de Mécanique NI 298 d'octobre 1974, décrit différents essais de fabrication par fluotournage de pièce en alliage de titane TA 6 V, dans lesquels la surface extérieure de la pièce est chauffée soit au moyen d'un manchon inducteur se déplaçant avec les molettes, soit au moyen d'une torche oxypropane. Ces différents essais de fluotournage à chaud, ainsi que d'autres essais comparables effectués par ailleurs, ont montré que la technique de chauffage uti- lisée ne pouvait conduire à des résultats acceptables qu'à condition que la température soit maintenue dans une fourchette relativement étroite Dans le cas contraire, la formation de criques et même des ruptures ont été observées Il est clair que le chauffage de la pièce au chalumeau ne permet pas de satisfaire cette exigence de façon sure Par ailleurs, l'utilisation d'un dispositif de chauffage par induction rend le pro- cédé très complexe et coûteux, notamment lorsque la pièce à fabriquer n'est pas cylindrique. La présente invention a précisément pour objet un procédé de fabrication, par f Luotournage à chaud, d'une pièce en matériau non malléable à température ambiante, dont La conception originale permet de fabri- quer de façon sure et reproductible des pièces dépour- vues de crique, sans risque de rupture de ces pièces en cours de fabrication. Se Lon L'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un procédé de fabrication par fluotournage à chaud d'une pièce en un matériau non malléable à tempé- rature ambiante, caractérisé par le fait qu'il consiste à placer une ébauche de pièce sur un mandrin chauffant, puis à f Luotourner cette ébauche tout en chauffant le mandrin à une température pour Laquelle ledit matériau devient malléable. Grâce à ce procédé, l'ébauche de pièce est préchauffée par le mandrin de telle sorte qu'elle se trouve à la bonne température au moment de l'impact de la molette et que tout choc thermique est évité Au contraire, le chauffage de la pièce par l'extérieur selon les procédés antérieurs avait pour effet, au moment de l'impact de la molette, d'amener l'ébauche brutalement au contact du mandrin relativement froid, ce qui conduisait à un refroidissement rapide de la pièce par suite de L'inertie thermique importante du mandrin. De plus, le procédé selon L'invention permet de chauffer la pièce de façon uniforme et à une tempéra- ture parfaitement contrôlée, quelle que soit sa forme. Le chauffage peut donc être limité à la température strictement nécessaire pour assurer sa mise en forme, ce qui évite une surchauffe de la pièce pouvant conduire à sa pollution superficielle dans le cas o le matériau traité absorbe d'autant plus les particules environnan- tes que sa température augmente. Pour satisfaire au mieux cette dernière exi- gence, on chauffe avantageusement Le mandrin à une température sensiblement égale à la différence entre une température permettant Le formage du matériau et une température d'échauffement de ce matériau sous l'ef- fet du fluotournage. En outre, la température de chauffage du man- drin est régulée par des moyens de régulation qui tour- nent avec ce dernier, ce qui permet d'assurer une régulation particulièrement précise de la température de chauffage du mandrin (par exemple, plus ou moins IC). Dans une application particulière de l'inven- tion à la fabrication d'une pièce en alliage de titane, on chauffe le mandrin à une température comprise entre environ 4001 C et environ 5000 C Etant donné que l'échauffement de la pièce dû au fluotournage est compris entre environ 2500 C et environ 3501 C, cela per- met de chauffer la pièce à sa température de formage, sans excès. L'invention a aussi pour objet un outillage pour la fabrication par fluotournage à chaud d'une pièce en un matériau non malléable à température ambiante, caractérisé par le fait qu'il comprend un mandrin équipé intérieurement de moyens de chauffage. Selon un mode de réalisation préféré de cet outillage, le mandrin comprend un tube creux dont la surface intérieure est en contact avec un diffuseur sur toute sa longueur utile, des moyens de chauffage étant placés à l'intérieur du diffuseur. De plus, des moyens de régulation de tempéra- ture des moyens de chauffage sont placés dans un carter fixé à une extrémité du mandrin, de façon interchangea- b Le, par des moyens de fixation démontables, un organe thermiquement isolant étant avantageusement placé entre le mandrin et le carter. De préférence, les moyens de chauffage comprennent au moins une résistance électrique reliée électriquement aux moyens de régulation de température, ces derniers étant alimentés par une source extérieure de courant électrique, au travers d'un collecteur porté par le carter et de charbons fixes. Afin d'éviter qu'un échauffement excessif des moyens de régulation de température ne fasse dériver la température, il est recommandé de placer des moyens de refroidissement dans le carter, à proximité des moyens de régulation de température, et de former des trous de refroidissement dans le carter en face de ces moyens de régulation de température. Un mode de réalisation préféré de l'invention va à présent être décrit, à titre d'exemple non limita- tif, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue de côté, en coupe partielle, représentant de façon très schématique un outillage de fluotournage conforme à l'invention, monté sur une machine de fluotournage; et la figure 2 est une vue de côté représentant en coupe longitudinale et à plus grande échelle l'outil- lage de fluotournage de la figure 1. Sur la figure 1, la référence 10 désigne une broche rotative d'une machine de fluotournage de concep- tion classique, tournant dans une poupée fixe 12 La machine comprend également, de façon classique, une contre-pointe 14 montée dans une poupée mobile 16 et axialement alignée avec la broche 10 La poupée mobile 16 peut être déplacée en éloignement et en rapprochement de la poupée fixe 12 sur un banc (non représenté) por- tant cette dernière La machine comprend en outre un chariot porte- molette 18, généralement équipé de deux à trois molettes 20 et apte à se déplacer parallèlement à l'axe de la broche 10 à une vitesse constante et réglable. Sur les figures 1 et 2, la référence 22 dési- gne de façon générale un outillage permettant de fabri- quer par fluotournage à chaud une pièce en un matériau non ou peu malléable à température ambiante Cet outil- lage, qui présente de façon générale la forme d'un cylindre de révolution, est fixé sur la broche 10, coaxialement à cette dernière, de façon à être entraîné en rotation par cette broche. De façon plus précise, l'outillage 22 comprend un mandrin chauffant 24, dont la forme extérieure défi- nit la forme intérieure de la pièce à réaliser, et un ensemble 26 de régulation de température, sur lequel le mandrin 24 est monté de façon interchangeable, par exemple par des vis 28. Le bloc de régulation 26 comprend un carter de protection extérieur cylindrique 30 Une extrémité de ce carter 30, destinée à être fixée sur la broche , comporte une bride 30 a traversée selon son axe par un alésage dont la partie extérieure conique 31 est prévue pour venir s'emboîter sur un cône de centrage 10 a formé à l'extrémité de la broche 10 Lorsque cet emboîtement est réalisé, la bride 30 a est fixée sur l'extrémité de la broche 10, par exemple au moyen de goujons 32. A son extrémité opposée, le carter 30 est fermé par un couvercle constitué par deux plateaux 34 et 36 entre lesquels est placé un matériau thermiquement isolant 38 Ces trois éléments sont solidarisés entre eux, par exemple au moyen de pions 40, et ils sont fixés à l'extrémité du carter 30, par exemple par des vis 42. Le mandrin 24 comprend quant à lui un tube extérieur 44, réa Lisé en un méta L tel que de L'acier présentant une dureté élevée à la température de forma- ge Dans sa partie non adjacente au bloc de régulation 26, ce tube extérieur 44 sert de contreforme pour la pièce à réaliser Par conséquent, la forme et les dimensions extérieures de ce tube 44 sont modifiées à chaque fois qu'une pièce différente doit être réalisée. A son extrémité adjacente au bloc de régula- tion 26, le tube extérieur 44 comporte une bride permet- tant sa fixation, au moyen des vis 28, sur le couvercle formé par les plateaux 34 et 36 et le matériau isolant 38 Un cône de centrage formé sur la face extérieure du plateau 36 tournée vers l'extérieur du bloc 26 pénè- tre dans une surface tronconique complémentaire formée à l'extrémité adjacente du tube extérieur 44, de façon à assurer automatiquement l'alignement axial du mandrin 24 sur le bloc de régulation 26 lorsque le mandrin est fixé sur ce dernier. Il est à noter que le caractère démontable du mandrin 24 par rapport au bloc de régulation 26 per- met de ne pas modifier ce dernier lorsque la forme et/ou les dimensions de la pièce varient En effet, il suffit alors de démonter le mandrin 24 utilisé précédemment et de mettre en place un nouveau mandrin présentant une forme et des dimensions extérieures différentes. Conformément à l'invention, le mandrin 24 est un mandrin chauffant qui comporte, à l'intérieur de la partie du tube 44 servant de contreforme à la pièce à réaliser, une résistance électrique chauffante 46. Cette résistance, qui se présente sous la forme d'une cartouche cylindrique, est disposée selon l'axe du tube 44 à l'intérieur d'un diffuseur tubulaire 48, réalisé de préférence en un matériau bon conducteur de la cha- leur tel que Le cuivre La surface extérieure du diffu- seur 48 est en contact étroit avec la surface intérieure du tube 44, dans la partie de ce dernier servant de contreforme. Cet agencement permet d'assurer un chauffage efficace et uniforme du tube extérieur 44 dans toute sa partie utile pour le formage de la pièce A son extrémité opposée au bloc de régulation 26, le tube extérieur 44 est fermé par un embout 50 sur lequel peut notamment être fixé le diffuseur tubulaire 48. Une rainure longitudinale formée sur la sur- face extérieure du diffuseur tubulaire 48 permet égale- ment de loger un thermocouple 52 servant à mesurer avec précision la température de la partie utile du tube extérieur 44 du mandrin. La résistance électrique 46 ainsi que le ther- mocouple 52 sont raccordés électriquement au bloc de mesure 26 par des conducteurs électriques 54 et 56, terminés par des prises 58 et 60 qui viennent se raccor- der sur des prises complémentaires 59 et 61 portées par le plateau extérieur 36 du bloc de régulation 26. A l'intérieur du carter 30 de ce bloc, les prises 59 et 61 sont raccordées sur des conducteurs électriques 62 et 64 dont les extrémités opposées sont connectées sur un régulateur de température 66 au tra- vers d'un relai statique de régulation 84 Le régulateur 84, placé approximativement au centre du carter 30 per- met, sous le contrôle du thermocouple 52, de maintenir sensiblement constante la température du mandrin 24, par exemple à plus ou moins 5 C, au moyen de la résis- tance électrique 46. Le régulateur de température 66 est alimenté électriquement au travers d'un transformateur 68 par une tension d'alimentation fournie par une source élec- trique extérieure 70 (figure 1) La transmission du courant électrique entre la source extérieure fixe 70 et l'outillage rotatif 22 est assurée au moyen de char- bons 72 portés par la poupée fixe 12 de la machine et faisant face à des collecteurs annulaires 74 montés dans un bloc isolant 75 logé dans la bride 30 a, du côté de la poupée fixe 12 Des conducteurs électriques 76 et 78 assurent respectivement la liaison entre la source et les charbons 72 et la liaison entre les collec- teurs 74 et le tranformateur 68. Le régulateur de température 66, le transfor- mateur 68 et le relai 84 sont montés à l'intérieur du carter 30 sur un support 80 (figure 2) Ce support 80 porte également un ventilateur 82 qui est placé en face du régulateur 66 et du tranformateur 68, afin de les refroidir Ce ventilateur 82 est alimenté directement par les conducteurs électriques 78. Le carter 30 comporte de plus, à proximité du régulateur 66, des trous de refroidissement 90. De préférence, des informations électriques concernant notamment l'alimentation de la résistance électrique 46 sont transmises à un système d'affichage (non représenté) situé à l'extérieur, au travers d'au moins un des collecteurs 74 et du charbon 72 associé. Afin de protéger le personnel vis-à-vis du courant électrique qui transite par les collecteurs 74 et les charbons 72, un capot de protection 88 est fixé sur la poupée fixée 12 et enferme les charbons 72 ainsi que la bride tournante 30 a. Grâce à l'outillage qui vient d'être décrit, il est possible de fabriquer par fluotournage à chaud des pièces réalisées dans des matériaux non malléables à température ambiante, tels que des alliages de titane ou de tungstène ou que des matériaux composites à matri- ce métallique Pour cela, l'outillage 22 est fixé sur la broche 10 de la machine à l'aide des goujons 32, de la manière illustrée sur la figure 2 Une ébauche de pièce E (figure 1) est ensuite placée entre l'extrémité opposée du mandrin 24 et la contre-pointe 14 de la machine, qui fait office de serre-flanc L'ébauche se trouve ainsi solidarisée en rotation du mandrin 24. Dans un premier temps, le mandrin 24 est chauffé par la résistance électrique 46 jusqu'à l'obten- tion d'une température uniforme sur toute la partie utile de ce mandrin Pour assurer cette uniformité de température, un palier de quelques minutes est marqué avant d'effectuer le fluotournage proprement dit.10 La température à laquelle le mandrin 24 est chauffé, qui est rég Lée au préalable sur le régulateur 66, correspond à la différence entre la température de formage du matériau constituant l'ébauche de pièce et la température d'échauffement de ce matériau résultant du fluotournage Ainsi, pour une pièce en alliage de titane aluminium dont la température de formage est voisine de 700 C, on chauffera le mandrin 24 à environ 450 C, compte tenu du fait que l'élévation de tempéra- ture due au fluotournage proprement dit est voisine dans ce cas de 250 C. Dans un deuxième temps, le fluotournage pro- prement dit est effectué, comme l'illustre très schéma- tiquement la figure 1, en déformant plastiquement l'ébauche de pièce E sur la surface extérieure du man- drin 24 à l'aide des molettes 20, sous l'effet combiné de la rotation de l'outillage 22 et de la translation du chariot 18 porte-molettes. Lorsque les molettes plaquent la pièce contre la surface extérieure du mandrin, cette pièce se trouve déjà à la température du mandrin, de sorte qu'il ne se produit pas de choc thermique l'échauffement supplémen- taire produit par le fluotournage proprement dit permet à la matière d'atteindre une température juste suffisan- te pour que sa déformation se fasse sans fissuration et sans risque de rupture. 1 1 Cet échauffement supplémentaire qui se produit Lors de L'impact de La mo Lette ne dure que pendant un temps très court, de sorte que la pollution de La pièce due à son échauffement est Limitée au strict minimum. Pendant toute La durée du f Luotournage, Le thermocouple 52 fournit au régulateur 66 les informa- tions permettant à ce dernier de maintenir La tempéra- ture du mandrin 24 à une valeur pratiquement constante, sous L'action de la résistance électrique 46.10 Bien entendu, l'invention n'est pas Limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre d'exemp Le, mais en couvre toutes les variantes Ainsi, La transmission de La puissance électrique depuis La source extérieure jusqu'au bloc de régulation 26 peut15 se faire d'une manière différente, par exemp Le au moyen de contacts électriques tournants De même, L'agencement du régulateur de température dans Le bloc de régulation 26 peut être réa Lisé différemment et les moyens de re- froidissement de ce bloc peuvent dans certains cas être supprimés. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication par fluotournage à chaud d'une pièce en un matériau non malléable à tem- pérature ambiante, caractérisé par le fait qu'il consis- te à placer une ébauche de pièce sur un mandrin chauf- fant ( 24), puis à fluotourner cette ébauche tout en chauffant le mandrin à une température pour laquelle ledit matériau devient malléable. 2 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé par le fait qu'on chauffe le mandrin ( 24) à une température sensiblement égale à la différence entre une température permettant le formage dudit matériau et une température d'échauffement de ce matériau sous l'effet du fluotournage.15 3 Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations I et 2, caractérisé par le fait que l'on chauffe le mandrin ( 24) à une température régulée par des moyens de régulation ( 66) tournant avec le mandrin. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il est appli- qué à la fabrication d'une pièce en alliage de titane, et que l'on chauffe le mandrin ( 24) à une température comprise entre environ 400 C et environ 500 C. 5 Outillage pour la fabrication par fluotour- nage à chaud d'une pièce en un matériau non malléable à température ambiante, caractérisé par le fait qu'il comprend un mandrin ( 24) équipé intérieurement de moyens de chauffage ( 46). 6 Outillage selon la revendication 5, carac- térisé par le fait que le mandrin ( 24) comprend un tube ( 44) dont la surface intérieure est en contact avec un diffuseur ( 48) sur toute sa longueur utile, les moyens de chauffage ( 46) étant placés à l'intérieur du diffu- seur. 7 Outillage selon l'une quelconque des reven- dications 5 et 6, caractérisé par le fait qu'il comprend de plus des moyens ( 66) de régulation de température des moyens de chauffage ( 46), placés dans un carter ( 30) fixé à une extrémité du mandrin ( 24). 8 Outillage selon la revendication 7, carac- térisé par le fait que les moyens de chauffage compren- nent au moins une résistance électrique ( 46) reliée électriquement aux moyens de régulation de température ( 66), ces derniers étant alimentés par une source exté- rieure de courant électrique ( 70), au travers d'un collecteur ( 74) porté par le carter ( 30) et de charbons fixes ( 72). 9 Outillage selon l'une quelconque des reven- dications 7 et 8, caractérisé par le fait que le mandrin ( 24) est fixé sur le carter ( 30) de façon interchangea- ble, par des moyens de fixation démontables ( 42). Outillage selon l'une quelconque des re- vendications 7 à 9, caractérisé par le fait qu'un organe ( 38) thermiquement isolant est placé entre le mandrin ( 24) et le carter ( 30). 11 Outillage selon l'une quelconque des re- vendications 7 à 10, caractérisé par le fait que des moyens de refroidissement ( 82) sont placés dans le carter ( 30), à proximité des moyens de régulation de température ( 66), des trous de refroidissement ( 86) étant en outre formés dans le carter en face de ces moyens de régulation de température.