Brevet FR2679159A1 — publié le 19930122

PROCEDE D'HYDROFORMAGE ET DISPOSITIF POUR LE METTRE EN OEUVRE La présente invention a pour objet un procédé d'hydroformage de pièces métalliques ainsi qu'un dispositif pour mettre en oeuvre ce procédé. I1 existe des appareils d'hydroformage permettant de produire des pièces métalliques de différents types à partir de tubes métalliques. On sait par exemple produire des raccords en "T". Ces machines d'hydroformage de l'art antérieur fonctionnent suivant le principe qui consiste à envoyer de l'eau ou un fluide sous pression à l'intérieur de tubes contenus dans une matrice. Sous l'action de la pression du fluide, le tube se déforme et épouse la forme intérieure de la matrice. Une fois que le tube a été déformé ainsi, on l'extrait de la matrice pour éventuellement lui faire subir une découpe, ou tout autre traitement. Les machines d'hydroformage de l'art antérieur présentent de nombreux inconvénients. Tout d'abord, la déformation du tube implique de très fortes pressions de fluide. Se pose donc un double problème d'étanchéité et de caractère compressible. Dans les machines de l'art antérieur, sont prévus des dispositifs compliqués destinés à assurer l'étanchéité en fluide aux extrémités du tube. Ces dispositifs doivent être capables de supporter une pression très importante, tout en s'adaptant parfaitement au tube employé. Cette double exigence implique l'usage de dispositifs onéreux et élaborés, qui de plus ne s'adaptent pas facilement aux divers diamètres de tubes utilisés. Il importe par ailleurs que le liquide contenu dans le tube soit parfaitement exempt de toute bulle d'air, qui lui conférerait une compressibilité nuisible au bon déroulement de l'opération d'hydroformage. Ceci se traduit dans les machines de l'art antérieur par la présence de dispositifs élaborés destinés à garantir l'absence de bulles d'air dans les tubes à former. Les machines de l'art antérieur sont donc caractérisées par leur complexité. Du fait de fuites difficilement évitables, elles nécessitent de plus de très fortes puissances; une grande partie de l'énergie consommée ne sert finalement pas au processus de formation des tubes, mais à compenser les fuites. Les fortes puissances et les fortes pressions de ces machines en font des appareils d'un usage difficile et parfois dangereux. Un des problèmes de ces machines de l'art antérieur est la régularité des pièces obtenues. I1 est très difficile de produire des pièces d'une épaisseur uniforme, ou qui ne présentent pas des faiblesses aux angles ou dans les creux. De ce fait, les pièces obtenues par hydroformage sur les machines de l'art antérieur ne satisfont pas, le plus souvent, à des critères de sécurité stricts. De plus, les machines de l'art antérieur ne permettent pas d'obtenir des pièces de fort rapport épaisseur/diamètre. Elles ne permettent pas non plus de réaliser des pièces présentant un très fort rapport de réduction entre les dimensions caractéristiques de la pièce de départ et les dimensions caractéristiques des parties modifiées par hydroformage. Par exemple, dans le cas de raccords en "T", il est difficile avec les machines connues d'obtenir des pièces dans lesquelles le diamètre de la dérivation est beaucoup plus petit que le diamètre du corps du tube. On appelle dérivation la partie du raccord qui, sur la lettre "T", correspond à la barre verticale. Ceci est plus difficile encore lorsque l'on travaille des alliages tels que les aciers inoxydables, les aciers au chrome et les alliages au nickel. En effet, ces machines connues ne travaillent pas dans des conditions suffisamment stables, et les paramètres de contrôle de l'hydroformage présentent de grosses variations brutales nuisibles à la production de pièces solides. Et surtout, il n'est pas possible dans les machines connues de produire dans ces pièces à former une pression suffisamment élevée. La présente invention propose un procédé d'hydroformage et un appareil qui le met en oeuvre permettant de pallier tous ces inconvénients des machines connues. La machine selon l'invention permet d'obtenir d'excellents résultats avec une puissance réduite, sans gaspillage d'énergie pour compenser des fuites. Elle résout le problème de l'étanchéité et est utilisable dans de très bonnes conditions de sécurité. Elle est robuste et compacte, et peut être adaptée facilement à toutes les tailles de tubes ainsi qu'à différentes formes de matrices. La présente invention permet aussi de résoudre le problème que pose la présence de bulles d'air dans les tubes en formation. Grâce au procédé de la présente invention, toutes sortes d'alliages peuvent être travaillés par hydroformage de façon à produire des pièces fiables et solides. On obtient grâce à l'invention des pressions très importantes dans les pièces à former, ce qui permet la fabrication de pièces impossibles à réaliser dans les machines de l'art antérieur. Il est aussi possible d'utiliser l'invention pour réaliser des pièces sans soudure de dimensions très réduites, que l'on ne pouvait pas auparavant produire. La présente invention a pour objet un procédé d'hydroformage de pièces métalliques, dans lequel on déforme une pièce métallique creuse contenue dans une matrice, ladite matrice ayant une forme intérieure correspondant à celle de la pièce à obtenir, ladite pièce métallique creuse étant déformée sous l'action de la pression d'un liquide incompressible qui s'y trouve confiné, des mêmes moyens assurant la fermeture étanche de la ou des extrémité(s) ouverte(s) de la pièce métallique creuse et la mise sous pression du liquide qui s'y trouve confiné. Selon une forme d'exécution du procédé de l'invention, la matrice baigne dans le liquide incompressible de façon à ce que au moins la pièce métallique creuse soit immergée. Selon une autre forme d'exécution du procédé de l'invention, les moyens consistent en des poussoirs entrant en contact direct avec les extrémités du tube, lesdits poussoirs étant animés d'un mouvement relatif de rapprochement. Selon encore une autre forme d'exécution du procédé de l'invention, la fermeture étanche de la pièce métallique creuse se fait par matage et écrouissage de l'extrémité ou des extrémités ouverte(s) de ladite pièce au contact du ou des poussoir(s). L'invention a également pour objet une machine d'hydroformage de pièces métalliques, constituée d'une cuve contenant une matrice de forme intérieure correspondant à la forme de la pièce à obtenir, ainsi que deux poussoirs portés par des moyens de poussée, lesdits poussoirs étant susceptibles de pénétrer au moins partiellement à l'intérieur de ladite matrice. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la matrice est constituée de deux demi-matrices mobiles l'une par rapport à l'autre. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les deux demi-matrices peuvent être maintenues fixes l'une par rapport à l'autre par des moufles; les moufles étant portées par des moyens de poussée. Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, les poussoirs ainsi que la matrice sont amovibles et peuvent être échangés pour l'hydroformage de pièces de forme différente. Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés où: - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une machine mettant en oeuvre le procédé d'hydroformage selon l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe axiale de cette même machine; - la figure 3 est une vue de dessus de cette même ma chine; - la figure 4 est une vue en coupe longitudinale, comme à la figure 1, de la machine d'hydrofor mage en cours de fonctionnement. Les organes identiques seront désignés sur les trois figures par les mêmes références numériques. La machine est représentée dans la configuration où elle produit des raccords en "T", à partir de tubes. En fait, on pourrait utiliser au départ des pièces métalliques creuses de toute forme. Comme représenté à la figure 1, la machine est constituée d'une cuve 1, destinée à être remplie d'eau. Cette cuve contient deux vérins de poussée 2 et 3, disposés face à face sur un même axe, et fixés à la cuve. Entre ces deux vérins, est disposée une matrice, constituée d'une demi-matrice inférieure 4 et d'une demi-matrice supérieure 5. La demi-matrice inférieure 4 est fixée au fond de la cuve 1, de façon amovible, par exemple à l'aide de boulons. La demi-matrice supérieure 5 est amovible et peut être posée sur la demi-matrice inférieure 4. Sur la figure 1, comme d'ailleurs sur les autres figures, la matrice est une matrice destinée à la fabrication de raccords en "T". De ce fait, la demi-matrice infé- rieure présente sur sa face supérieure une gorge rectiligne 6 semi-cylindrique dont la section est un demi-disque. La demimatrice supérieure 5 présente, sur sa face inférieure, une gorge 7 semi-cylindrique dont la section est un demi-disque. Elle présente aussi un alésage 8 sensiblement perpendiculaire à la gorge, de diamètre égal. I1 est donc possible d'introduire entre les deux demi-matrices un tube dans les gorges 6 et 7. Après déformation, le tube présente une excroissance de forme cylindrique, correspondant à l'alésage 8. Les demi-matrices 4 et 5 sont maintenues en place par des moufles. Une de ces moufles est représentée sur la figure 1 et référencée par le numéro 9. L'autre moufle 10 est visible sur les figures 2 et 3. Ces deux moufles 9 et 10 ont une forme de mâchoires qui s'adaptent à la forme extérieure des demi-matrices 4 et 5, de façon à les maintenir l'une au-dessus de l'autre. Les vérins de poussée 2 et 3 sont constitués chacun d'un corps de vérin respectivement 12 et 13, et d'une tige de vérin respectivement 14 et 15. Sur la tige de vérin 14 (resp. 13) du vérin 2 (resp. 3), est monté un poussoir 16 (resp. 17). Ce poussoir est fixé à une de ses extrémités à la tige du vérin et son extrémité libre a une forme adaptée à rentrer dans la gorge cylindrique qui se trouve entre les demi-matrices 4 et 5. On voit encore sur la figure 1 un vérin d'extraction 18, sensiblement vertical. L'extrémité libre de la tige de ce vérin d'extraction 18 se trouve au-dessus de l'alésage 8 de la demi-matrice supérieure 5. On n'a pas représenté sur les figures les moyens permettant de maintenir le vérin d'extraction en position. La figure 2 est une vue en coupe verticale partielle de la machine d'hydroformage représentée à la figure 1, dans un plan orthogonal à celui de la figure 1. On peut voir sur la figure 2 la section des gorges 6, 7 ménagées dans les demimatrices 4, 5. La figure 2 montre les deux moufles 9 et 10 destinées à maintenir en place les deux demi-matrices. La moufle 9 est représentée sur la figure 2 en position de travail, c'est-à-dire au contact de la matrice. Au contraire, la moufle 10 est représentée dans une position où elle est écarte tee de la matrice; la moufle 10 est dans la position permettant l'ouverture de la matrice, c'est-à-dire la séparation des deux demi-matrices. Ces moufles 9 et 10 sont montées aux extrémités des tiges de vérins 19 et 20 respectivement. Les corps de ces deux vérins sont fixés à la cuve 1. La figure 3 est une vue de dessus de la machine d'hydroformage représentée aux figures 1 et 2. On n'y a pas représenté le vérin d'extraction 18, ni les parties de la cuve servant de support aux différentes organes. On décrit maintenir le fonctionnement de la machine d'hydroformage selon l'invention, en référence à la figure 4. La figure 4 est une vue de la machine d'hydroformage en cours de fonctionnement, dans le même plan de coupe que la figure 1. Le fonctionnement de la machine se fait toujours avec la cuve 1 pleine d'eau, à un niveau qui dépasse la hauteur de la matrice. Le cycle de fonctionnement pour la production d'une pièce est le suivant: après avoir écarté les moufles 9 et 10, par action des vérins 19 et 20, on enlève la demi-matrice supérieure 5. On dépose alors dans la gorge semi-cylindrique 6 de la demi-matrice inférieure 4 un tube 21 à former. Bien sûr, le tube est alors dans l'eau. On prend soin de ne pas laisser de bulles d'air dans le tube, par exemple en l'inclinant légèrement. Cette opération est très simple et rapide. Après avoir ainsi disposé le tube dans la gorge de la demimatrice inférieure, on pose sur celle-ci la demi-matrice supérieure 4. De la sorte, le tube se trouve à l'intérieur de la matrice. On rapproche ensuite les deux moufles 9 et 10 de la matrice, par action des vérins 19 et 20. De la sorte, les deux demi-matrices sont fermement maintenues l'une contre l'autre par les moufles 9 et 10; l'ensemble ainsi constitué est maintenu sur l'axe des deux vérins de poussée 2 et 3. La machine est alors prête pour l'hydroformage du tube. Par action simultanée des vérins de poussée 3 et 4, on rapproche les poussoirs 16 et 17 l'un de l'autre. Ils entrent en contact avec les extrémités du tube plein d'eau contenu dans la matrice. Au contact des extrémités libres des poussoirs 16 et 17 qui pénètrent dans la matrice, les extrémités du tube 21 se matent et s'écrouissent, ce qui a pour effet d'assurer une étanchéité parfaite à l'interface entre le tube 21 et les extrémités libres des poussoirs 16 et 17. Lorsque les vérins de poussée 2 et 3 continuent d'exercer une action dans le sens d'un rapprochement des poussoirs 16 et 17, la pression dans le tube 21 augmente considérablement, sans risque de fuites. Le tube 21 se déforme peu à peu. Du fait de la forme de la matrice, il se crée une excroissance 22 sur le tube, au niveau de l'alésage 8 de la demi-matrice supérieure 5. En fin du processus d'hydroformage, lorsque cette excroissance est devenue quasi-cylindrique, il est possible d'en découper la partie extrême, de façon à former un raccord en "T". Lorsque la déformation du tube est satisfaisante, on écarte par action des vérins de poussée 2 et 3 les poussoirs 16 et 17, puis l'on écarte les moufles 9 et 10 de façon à pouvoir récupérer le tube hydroformé, avec l'aide du vérin extracteur 18. La machine d'hydroformage est alors prête pour la pièce suivante. On décrit ci-dessous la fabrication d'une pièce obtenue selon l'invention. Il s'agit d'un raccord en "T" en acier inoxydable, constitué d'un collecteur au milieu duquel se trouve une dérivation. Le collecteur a un diamètre de 42,4 mm et une épaisseur de 3,2 mm. La dérivation a un diamètre de 10,2 mm et une épaisseur de 2,3 mm. La pièce est formée en 30 secondes, avec des pressions atteignant 20 à 25 000 bars, à partir d'un tube de longueur initiale deux fois supérieure à la longueur finale du collecteur du raccord. Ainsi qu'il ressort de la présente description, le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre dans une machine simple et d'un emploi aisé. Il supprime complètement les problèmes de fuites et de variation brusque de la pression. Les pièces obtenues ont ainsi une grande régularité et ne présentent aucune faiblesse dans les angles, ce qui les rend susceptibles d'être utilisées dans des conditions de fiabilité excellentes. On a décrit ci-dessus l'hydroformage d'un raccord en "T" à partir d'un tube. Bien entendu, il est possible d'utiliser ce procédé selon l'invention pour constituer de nombreuses autres pièces. I1 suffit pour cela de changer de matrice, c'est-à-dire de démonter la demi-matrice inférieure 4, et de monter une nouvelle demi-matrice inférieure que l'on utilise avec la demi-matrice supérieure correspondante. De la sorte, on peut utiliser la machine selon l'invention pour divers diamètres et formes de tubes, en utilisant diverses matrices munies de gorges de tailles et formes différentes. On a décrit ici une matrice pour raccord en T. Il est possible de former des raccords en croix, en ménageant dans la demi-matrice inférieure un alésage du type de celui représenté sur les figures sous la référence 8. On peut réaliser des collets, en utilisant une matrice présentant, au milieu de la gorge contenant le tube, une deuxième gorge cylindrique de diamètre plus important. On obtient ainsi un tube présentant en son milieu une partie de diamètre plus important. La séparation de ce tube en deux fournit deux collets. L'invention peut aussi être utilisée pour la réalisation de raccords de toutes les formes, entre tuyaux de diamètre éventuellement différents, de joints de dilatation, ou meme de bouteilles métalliques. On a représenté sur les figures des poussoirs 16, 17 dont l'extrémité libre entrant en contact avec le tube présentait une face plane. On peut utiliser des poussoirs d'autres formes; par exemple, pour la réalisation de bouteilles métalliques, on peut prévoir un poussoir dont la surface de contact avec le tube est une demi-sphère concave. On a décrit un fonctionnement de la machine mettant en oeuvre le procédé selon l'invention, dans lequel on actionnait simultanément les vérins de poussée 2 et 3. Ceci correspond bien sûr au cas où la matrice -et la pièce à obtenirest symétrique par rapport au plan de la figure 2. Si la matrice n'est pas symétrique, il est bien sûr possible de ne pas actionner simultanément les deux vérins de poussée, mais de faire évoluer les deux poussoirs à des vitesses différentes, ou d'en laisser un immobile. En fait, on peut très bien réaliser de façon analogue une machine ne présentant qu'un seul vérin de poussée, portant un poussoir mobile; un poussoir ou butée fixe serait alors disposé en regard. Dans un tel cas, l'ensemble constitué de la matrice et de ses moyens de fermeture et de maintien pourrait se déplacer au cours du processus d'hydroformage. On a décrit un système de fermeture de la matrice qui maintient les deux demi-matrices 4 et 5 l'une contre l'autre à l'aide de deux moufles 9 et 10. Bien entendu, il est possible de prévoir des systèmes de fermeture différents. Par exemple, on pourrait utiliser un vérin de fermeture qui appuierait sur la matrice pour la maintenir fermée. On pourrait encore utiliser une matrice conique disposée à l'intérieur d'une ou deux moufles coniques. En fait, tout système de fermeture et de maintien peut être utilisé, tel que clavetage ou autre. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Procédé d'hydroformage de pièces métalliques, dans lequel on déforme une pièce métallique creuse contenue dans une matrice, ladite matrice ayant une forme intérieure correspondant à celle de la pièce à obtenir, ladite pièce métallique creuse étant déformée sous l'action de la pression d'un liquide incompressible qui s'y trouve confiné, caractérisé en ce que des mêmes moyens assurent la fermeture étanche de la ou des extrémités ouvertes de la pièce métallique creuse et la mise sous pression du liquide qui s'y trouve confiné. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens consistent en des poussoirs entrant en contact direct avec les extrémités du tube, lesdits poussoirs étant animés d'un mouvement relatif de rapprochement. 3.- Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la fermeture étanche de la pièce métallique creuse se fait par matage et écrouissage de l'extrémité ou des extrémités ouverte(s) de ladite pièce au contact du ou des poussoir(s). 4.- Procédé d'hydroformage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la matrice baigne dans le liquide incompressible de façon à ce que au moins la pièce métallique creuse soit immergée. 5.- Machine d'hydroformage de pièces métalliques, constituée d'une cuve (1) contenant une matrice de forme intérieure correspondant à la forme de la pièce à obtenir, ainsi que deux poussoirs (16, 17) portés par des moyens de poussée (2, 3), caractérisée en ce que lesdits poussoirs sont susceptibles de pénétrer au moins partiellement à l'intérieur de ladite matrice. 6.- Machine selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite matrice est constituée de deux demi-matrices (4, 5) mobiles l'une par rapport à l'autre. 7.- Machine selon la revendication 6, caractérisée en ce que les deux demi-matrices (4, 5) peuvent être maintenues fixes l'une par rapport à l'autre par des moufles (9, 10). 8.- Machine selon la revendication 7, caractérisée en ce que les moufles (9, 10) sont portées par des moyens de poussée (19, 20). 9.- Machine selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisée en ce que les poussoirs (16, 17) ainsi que la matrice sont amovibles et peuvent être échangés pour l'hydroformage de pièces de forme différente.