Brevet FR2831846A1 — publié le 20030509

(7) d'alimentation en métal liquide soient différentes l'une de l'autre. 1 2831846 La présente invention se rapporte globalement à l'extrusion continue de métal et, plus particulièrement, à une machine d'extrusion continue servant à produire des longueurs globalement continues de bandes de fil et de formes autres. Lors d'un traitement d'extrusion continue classique, le métal est entrané continuellement par frottement à travers un conduit vers une o butée qui obture le passage et force le métal à travers un orifice de filière pour former un produit d'extrusion globalement continu de métal, typiquement du fil. Le conduit est formé entre une rainure annulaire formée dans la surface d'une filière cylindrique mobile en rotation et une surface arquée d'une filière stationnaire. L'orifice de filière est formé dans OU à proximité de la butée au niveau de l'extrémité du passage. On utilise typiquement des machines d'extrusion continue pour le formage de fil de cuivre ou d'aluminium (qui n'a pas nécessairement une section transversale ronde). La présente invention se rapporte, d'une manière générale, à une o machine d'extrusion continue améliorée servant à l'extrusion de formes métalliques globalement continues à partir de poudres de métal et, plus particulièrement, à l'extrusion de formes globalement continues à partir d'une poudre contenant du cuivre. Selon un mode de réalisation préféré, I'invention propose un dispositif d'extrusion continue entranée par frottement, comprenant un premier élément cylindrique comportant une rainure circonférentielle formée dans sa surface périphérique. Un second élément stationnaire fait saillie dans la rainure et définit un passage entre le premier élément et le second élément, le passage comportant une extrémité d'entrée et une so extrémité de sortie. Des moyens servant à entraner en rotation le premier élément cylindrique sont prévus de sorte que le premier élément se déplace dans un sens qui va de l'extrémité dJentrée à l'extrémité de sortie du passage. Un dispositif d'alimentation en métal amène du métal dans le conduit au niveau de l'extrémité d'entrée. Un élément de butée s'étendant s transversalement au passage, au niveau de son extrémité de sortie, force la poudre de métal à travers au moins un orifice de filière situé à l'extrémité de sortie du passage. Une cuve contenant un premier fluide de refroidissement se trouve immédiatement adjacente à une extrémité de sortie de l'orifice de filière pour immerger le métal qui est forcé à travers o l'orifice de filière dans le premier fluide de refroidissement. Un second fluide de refroidissement est dirigé dans la rainure circonférentielie juste après l'élément de butée. C'est un objectif de la présente invention que de proposer une machine d'extrusion continue servant à l'extrusion continue entrance par frottement de métal à partir de poudres de métal. C'est u n autre objectif de l' invention que de proposer u ne machine telle que décrite ci-dessus pour extrusion d'un fil de cuivre à partir d'une poudre de cuivre. C'est un autre objectif de la présente invention que de proposer o une machine telle que décrite ci-dessus qui réduit les contraintes internes à i'intérieur du fil formé. Ces objectifs et avantages, ainsi que d'autres, appara^'tront à partir de la description suivante d'un mode de réalisation préféré de la présente invention prise en liaison avec les dessins annexés. : L' invention peut prend re u ne forme physique dans certaines parties et agencement de parties, dont on va décrire en détail un mode de réalisation préféré dans la description et en liaison avec les dessins annexés qui en font partie, et dans lesquels: la figure 1 est une vue fragmentaire d'une machine d'extrusion o continue classique représentant un mode de rénlisation préféré de la 3 2831846 présente invention et montrant, en coupe, une partie de la roue, la filière stationnaire et la butée; la figure 2 est une vue en coupe agrandie prise suivant la ligne 2-2 de la figure 1; la figure 3 est une vue en coupe agrandie de la machine d'extrusion continue que montre la figure 1, représentant schématiquement le flux de métal qui passe dans celle-ci; et la figure 4 est une vue en coupe prise suivant la ligne 4-4 de la figure 3, représentant la structure d7une roue de formage et un o agencement de refroidissement servant à la refroidir. En se référant maintenant aux dessins qui ne servent qu7à représenter un mode de réalisation préféré de 17invention, et non à la limiter, la figure 1 montre une partie d7une machine d'extrusion continue classique 10 représentant un mode de réalisation préféré de la présente invention. La machine d'extrusion continue 10 comprend une roue relativement grande 12 comportant une surface cylindrique extérieure 14. La roue 12 peut être entranée en rotation autour d7un axe par un ensemble d7entranement (non représenté). Aux dessins, la roue 12 est représentée comme étant mobile en rotation dans le sens des aiguilles d7une montre. Une rainure 16 est formée dans la surface 14 autour de la périphérie de la roue 12. Un ensemble de filière stationnaire 22 est disposé adjacent à la roue 12. L7ensemble de filière 22 est globalement constitué d'une mâchoire 24, d7une butée 26 et d7une filière 28. Dans le mode de : réalisation représenté, la mâchoire 24 est constituée de plusieurs segments désignés par 24A, 24B, 24C et 24D. Une partie de la mâchoire 24 est disposée à l'intérieur de la rainure 16, comme le représente le mieux la figure 3. Comme on le voit à la figure 3, un passage 32 est défini entre la roue 12 et la mâchoire 24. Le passage 32 est défini par une o surface 16a d'une rainure 16 et par une surface 25 définie par la mâchoire 4 2831846 24. La mâchoire 24 est formée de sorte que la superficie de section transversale du passage 32 diminue graduellement dans le sens de rotation de la roue 12. L'extrémité du passage 32, qui a l'ouverture de section transversale plus grande, définit une extrémité d'entrée, désignée par 34 aux dessins, servant à recevoir du métal, comme on va le décrire ci-après. Une extrémité de sortie 36 du passage 32 est définie par une butée 26. La butée 26 est dimensionnée pour faire saillie dans la rainure 16 et pour correspondre sensiblement à sa section transversale. Une goulotte 42 est disposée pour couper la rainure 16 au niveau de o l'extrémité d'entrée 34 du passage 32. La goulotte 42 est reliée à un ensemble d'alimentation en métal (non représenté) servant à fournir du métal à la rainure 16, comme on le sait classiquement dans l'art concerné. La filière 28 est disposoe au niveau de l'extrémité de sortie 36 du passage 32. La filière 28 comprend un orifice de filière 44 s'étendant à travers celle-ci. L'orifice de filière 44 définit la forme de section transversale de la bande, ou fil, globalement continu à former avec la machine d'extrusion continue 10. Dans le mode de réalisation représenté, I'orifice de filière 44 est orienté radialement à la roue 12. Bien entendu, on appréciera que l'orifice de filière 44 peut être formé, comme variante, à travers la butée 26. L'orifice de filière 44 communique avec une cavité 46 réalisée dans le segment de mâchoire 24C. Immédiatement adjacente au segment de mâchoire 24C se trouve une cuve d'agent refroidissant 52. Comme on le voit mieux à la figure 1, la cuve 52 est disposée alignée avec une cavité 46. La cuve 52 est dimensionnce pour contenir un agent refroidissant, globalement désigné par " C " aux dessins. Une conduite d'alimentation en agent refroidissant 54 est prévue pour amener l'agent refroidissant C dans la cuve 52. La cuve 52 comprend une paroi d'extrémité 56 (que l'on voit mieux à la figure 2) qui comprend une ouverture à fente 58. so L'ouverture 58 est située alignce avec l'orifice de filière 44 et la cavité 46, 2831846 dans laquelle du fil W extrudé à partir de l'orifice de filière 44 se déplace à travers l'ouverture 58, comme le montrent les figures 1 et 2. Adjacent à la cuve d'agent refroidissant 52 se trouve un bac collecteur 62. Le bac 62 comprend une conduite de drainage 64 qui communique avec un réservoir d'agent refroidissant (non représenté). Le réservoir d'agent refroidissant fournit une source d'agent refroidissant C à une pompe (non représentée) qui force l'agent refroidissant du réservoir vers la conduite d'alimentation 54. Selon un aspect de la présente invention, l'écoulement de l'agent o refroidissant C dans la cuve 52 est. de préférence, commandé pour maintenir la surface de l'agent refroidissant C au-dessus de la cavité 46 dans laquelle le fil W est totalement immergé dans l'agent refroidissant C de la cuve 52. Selon cet aspect, le flux d'agent refroidissant C dans la cuve 52, passant par la conduite d'alimentation en agent refroidissant 54, a de préférence le même débit que l'agent refroidissant C quittant la cuve 52 par l'ouverture 58. Dans le mode de réalisation représenté, le fil W formé par l'appareil est recueilli sur un rouleau, ou bobine, 72. Comme on le voit mieux à la figure 3, selon un autre aspect de la o présente invention, un flux de fluide de refroidissement est dirigé dans la rainure circonférentielle 16 derrière la butée 26. De préférence, le fluide de refroidissement est un gaz, et dans le mode de réalisation représenté, est du gaz d'azote. Le fluide de refroidissement est dirigé par une buse 74 dans la rainure 16 pour refroidir la rainure 16 juste derrière la butée 26, comme on le voit mieux à la figure 3. A cet égard, du fait des forces de frottement générées entre la rainure 16 et la poudre de métal, la rainure 16 atteint sa température la plus élevée au niveau, ou à proximité, de ia butée 26. Il est souhaitable de refroidir la butée 26, de même que la rainure 16, en dirigeant du fluide de refroidissement contre ceiles-ci. On so n'a pas représenté la source de fluide de refroidissement, mais, de 6 2831846 préférence, celle-ci est constituée d'une bonbonne classique de gaz d'azote comprimé. En se référant maintenant à la figure 4, on voit mieux la structure de la roue 12. Selon un aspect de la présente invention, la roue 12 est constituée d'un segment intérieur 82 et de deux segments extérieurs 92. Les segments respectifs sont dimensionnés pour se compiéter les uns les autres et être assemblés en un composant d'une seule pièce. Le segment intérieur 82 est fondamentalement un disque cylindrique comportant une rainure 16 formée dans sa surface circonférentielle périphérique. Le o segment intérieur 82 comprend deux parois latérales planes 84. Des canaux espacés angulairement 86, 88 sont formés dans chaque paroi latérale. Comme on le voit à la figure 4, la rainure 16 est disposée entre les canaux 88. Une pluralité de trous 89 est formée dans le segment intérieur 82. Comme le montre la figure 3, les trous 89 ont une section transversale circulaire et sont espacés angulairement par rapport à la surface périphérique du segment intérieur 82. Les trous 89 s'étendent à travers le segment intérieur 82 de la paroi latérale 84 à l'autre paroi latérale 84, et sont disposés pour se trouver juste au-dessous de la surface inférieure de la rainure circulaire 16, comme le montrent les o figures 3 et 4. En se référant maintenant aux segments extérieurs 92, chaque segment 92 comprend trois conduits refroidissants 94 qui s'étendent à travers ceuxci. Les conduits refroidissants 94 sont disposés pour se trouver alignés avec les canaux 86, 88 et les trous 89 du segment intérieur 82, lorsque le segment intérieur 82 et les segments extérieurs 92 sont assemblés. Des conduites d'alimentation en agent refroidissant 96 raccordent les conduits refroidissants 94 des segments extérieurs de roue 92 à des collecteurs 98 qui forment une partie d'un système de refroidissement (non représenté). Le système de refroidissement peut so opérer pour faire circuler de façon continue un agent refroidissant à 7 2831846 travers les canaux 86, 88 et les trous 89 des segments intérieurs 82 par l'intermédiaire des conduits refroidissants 94 situés dans les segments extérieurs 92. L'emplacement des canaux 86, 88 et des trous 89 dans le segment intérieur 82 est destiné à maximiser le refroidissement de la rainure circonférentielle 16. En se référant maintenant au fonctionnement de l'appareil de formage par extrusion continue 10, de préférence, l'extrusion du fil W se fait à la température de la roue 12 lorsqu'elle est à 350 F, ou en deçà. Cette température représente environ 1/3 de la température de fusion du o cuivre. Selon la présente invention, la cuve de refroidissement 52, 1'agent refroidissant délivré à la buse 74 et la conception de la roue 12 peuvent opérer pour réduire et maintenir la température de fonctionnement de la rainure circonférentielle 16 de la roue 12 à environ 350 F, ou en deçà, contrairement à des machines de formage continu classiques qui opèrent à une température de roue d'environ 500 F. On pense qu'en maintenant la rainure circonférentielle 16 à une température plus basse et qu'en refroidissant immédiatement la tige extrudée, on peut produire un fil de qualité supérieure. Sur la base de cette information et de l'acquis, on pense que, à des températures de o service inférieures, la formation d'oxyde cuivrique (Cu2O) risque moins de se produire. A cet égard, I'oxyde cuivrique est une matière de type céramique. Lorsque le cuivre s'oxyde, la formation de gaz à l'intérieur du fil formé W produit " une boursouflure ", et le fil W n'a pas d'intégrité mécanique. En maintenant la température de la mâchoire 24 et des segments de roue 82, 92 aussi froide que possibie et en trempant le fil W formé lui-méme, on peut former un produit de qualité supérieure. L'expl ication qu i précède est basée su r de l' information et l'acqu is de ce qui se produit comme résultat de la mise en _uvre du dispositif d'extrusion continue 10 à une température plus froide. Quels que soient 8 2831846 les événements réels provoqués par des filières et une roue de formage plus froides, le fonctionnement de l'appareil 10 donne une amélioration de la qualité d u fil W formé. On va maintenant décrire plus avant l' invention en se référant à l'exemple suivant, dans lequel on va comparer un fil W formé par une machine d'extrusion continue ciassique dépourvue des systèmes de refroidissement additionnels à un fil formé par la même machine d'extrusion continue comportant des systèmes de refroidissement tels que décrits. EXEMPLE o On a effectué un test pour faire appara^'tre la différence entre un fil W formé par une machine d'extrusion continue classique et un fil formé par une machine d'extrusion continue 10 comportant des systèmes de refroidissement tels que décrits au préalable. Pendant les essais, on a utilisé une machine d'extrusion continue BWE dans les mêmes conditions de fonctionnement en utilisant une filière 28 comportant le même orifice de filière 44. Lors des deux essais, on a formé un fli de cuivre rectangulaire W de 0,197" par 0,079" à partir d'une poudre de cuivre ayant une taille de particules Dso d'environ 200 mailles (Tyler). Le tableau 1 montre les caractéristiques de fonctionnement de la machine d'extrusion continue lorsqu'on l'a utilisée avec et sans refroidissement. TABLEAU 1 Caractéristiques de fonctionnement | Machine d'extrusion Machine d'extrusion continue sans continue avec refroid issement refroidissement supplémentaire supplémentaire températu re chaud froid trempe non oui 9 2831846 refroidissement par non oui écran de gaz Vitesse de roue 7 rpm 3,5 rpm vitesse de production 12,5 m/min 16 m/min réelle Température de surface 360 C de roue Température de bloc 365 C 275 C d'entrée flux d'agent refroidissant 50 gpm 64 gpm de roue On notera au tabl au 1 que la machine d'extrusion continue que l'on a fait fonctionner avec un refroidissement supplémentaire a montré une vitesse de production réelle plus élevée avec une vitesse de roue plus faible. On pense que des oxydes se forment dans la rainure à des températures de roue plus élevoes et, comme résultat, on voit appara^'tre davantage de patinage de métal dans la rainure ce qui donne une extrusion inférieure, c'est-à-dire, une vitesse de production inférieure. Le tableau 2 montre les propriétés physiques d'un fil formé en utilisant la machine d'extrusion continue 10 sans refroidissement to supplémentaire et d'un fil formé par la machine d'extrusion continue 10 avec refroidissement supplémentaire. TABLEAU 2 Caractéristiques physiques de produit de fil | machine d'extrusion Machine d'extrusion continue sans continue avec refroid issement refroidissement suppiémentaire. supplémentaire 2831846 1 1 1 Résistance ultime à la 29,2 ksi 34,1 ksi traction Résistance à 12,5 ksi 24,1 ksi I'allongement 2% Allongement total % 29,1 % 28,5 % essai de torsion n/a 1,022 # de défauts de surface >5 mm/unité de 0,722 mm/unité de longueur est. longueur # de défauts de surface n/a 624 comptes de courant de Foucault Conductivité n/a 100,17 % IACS Les résultats montrent des améliorations importantes de la qualité et des propriétés du fil W formé en utilisant une machine d'extrusion continue 10 comportant les systèmes de refroidissement supplémentaires. De façon plus précise, le tableau 2 montre une augmentation de 13 % de la résistance ultime à la traction du fil W formé par extrusion continue sur une machine ayant une température d'ensemble plus basse. Le tableau 2 montre également une augmentation importante de la résistance à l'allongement et une légère diminution des propriétés d'aliongement entre les deux fils respectifs. La différence d'allongement n'est pas une o différence importante, et fait partie des tolérances d'erreur d'essai. La résistance à l'allongement variera en fonction de la taille du prod u it extrudé, de la vitesse d'extrusion et de la manière dont le produit est trempé. Plus particulièrement, un fil formé par une machine d'extrusion continue 10 a montré significativement moins de défauts de surface : lorsqu'on a effectué une mesure par une technique classique de courant de Foucault. A cet égard, sans le refroidissement supplémentaire, le produit résultant a présenté tant de boursouflures et d'échaudures que I'on n'a pas pu en obtenir un chiffre mesurable en ce qui concerne ies défauts de surface. La présente invention fournit donc une machine d'extrusion continue 10 comportant un refroidissement supplémentaire pour maintenir la température de la roue et de la filière de formage à une température significativement plus basse pour réaliser un fil de cuivre ayant de meilleures caractéristiques de surface de même qu'une résistance ultime à la traction plus élevée. La description qui précède constitue un mode de réalisation o spécifique de la présente invention. On appréciera que dans ce mode de réalisation tel que décrit à titre représentatif seulement, ceux qui sont expérimentés dans l'art pourront mettre en pratique de nombreux changements et modifications sans s'éloigner de l'esprit ni de la portée de l'invention. On s'attend à ce que tous ces changements et modifications ", fassent partie de la portée de l'invention telle qu'elle est revendiquée ou de son équivalent. 12 2831846 REVENDICATIONS 1. Dispositif d'extrusion continue entranée par frottement (10), comprenant: un premier élément cylindrique (12) comportant une rainure circonférentielle (16) formée dans sa surface périphérique (14); un second élément stationnaire en saillie dans ladite rainure (16); un passage (32) défini entre ledit premier élément et ledit second élément, ledit passage (32) comportant une extrémité d'entrée (34) et une extrémité de sortie (36); o u n moyen servant à faire tou rner led it premier élément cylind rique de sorte que ledit premier élément se dépiace dans le sens de ladite extrémité d'entrée (34) à ladite extrémité de sortie (36); un dispositif d'alimentation en métal servant à amener du métal dans ledit passage (32) au niveau de ladite extrémité d'entrée (34); un élément de butée (26) sétendant transversalement audit passage (32) au niveau de ladite extrémité de sortie (36); au moins un orifice de filière (44) situé au niveau de ladite extrémité de sortle (36) dudit passage (32); une cuve (52) contenant un premier fluide de refroidissement imméd iatement adjacente à une sortie dud it orifice de filière (44) immergeant du métal forcé à travers ledit oriffce de filière (44) dans ledit premier fluide de refroidissement; et un moyen servant à diriger un second fluide de refroidissement dans ladite rainure circonférentielle (16) juste après ledit élément de butée (26). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier élément et led it second élément définissent un passage globalement arqué (32). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que led it o passage (32) a une forme de section transversale globalement uniforme. 13 2831846 4. Dispositif selon la revend ication 3, caractérisé en ce que led it premier fluide de refroidissement est un liquide. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que led it liquide est de l'eau. s 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit second fluide de refroidissement est un gaz. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que led it gaz est de l'azote. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit o premier élément cylindrique (12) est formé d'un segment intérieur cylindrique (82) disposé dans une disposition de complémentarité entre deux segments extérieurs annulaires (92), ledit segment intérieur (82) comportant a) ladite rainure circonférentielle (16) formée dans sa surface périphérique (14), b) des parois latérales (84) comportant une pluralité de rainures annulaires formées dans celles-ci, au moins une paire desdites rainures étant disposée de sorte que ladite rainure circonférentielle (16) de ladite surface périphérique (14) se trouve entre lesdites au moins deux rainures, et c) une pluralité de canaux espacés angulairement (86, 88) s'étendant à travers ledit segment intérieur (82) d'une paroi latérale (84) à I'autre paroi latéraie (84); et un système de refroidissement en communication avec lesdites s rainures annulaires traversant ledit segment intérieur (82) dirigeant un fluide refroidissant à travers celui-ci. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits canaux (86, 88) se trouvent à proximité de ladite rainure circonférentielle (16). 14 2831846 10. Dispositif d'extrusion continue entranée par frottement (10), comprenant: un premier élément cylindrique (12) comportant une rainure circonférentielle (16) formée dans sa surface périphérique (14); un second élément stationnaire en saillie dans ladite rainure (16); un passage (32) défini entre ledit premier élément et ledit second élément, ledit passage (32) comportant une extrémité d'entrée (34) et une extrémité de sortie (36); u n moyen servant à faire tourner led it premier élément cylindrique o (12) de sorte que ledit premier élément se déplace dans le sens de ladite extrémité d'entrée (34) à ladite extrémité de sortie (36); un dispositif d'alimentation en métal servant à amener du métal dans ledit passage (32) au niveau de ladite extrémité d'entrée (34); un élément de butée (26) s'étendant transversalement audit passage (32) au niveau de ladite extrémité de sortie (36); et au moins un orifice de filière (44) situé au niveau de ladite extrémité de sortie (36) dudit passage (32); ledit premier élément cylindrique (12) étant formé d'un segment intérieur cylindrique (82) disposé dans une disposition de complémentarité entre deux segments extérieurs annulaires (92), ledit segment intérieur (82) comportant a) ladite rainure circonférentielle (16) formée dans sa surface périphérique (14), b) des parois latérales (84) comportant une pluralité de rainures annulaires formées dans celles-ci, au moins une paire desdites rainures étant disposée de sorte que ladite rainure circonférentielle (16) de ladite surface périphérique (14) se trouve entre lesdites au moins deux rainures, et 2831846 c) une pluralité de canaux espacés angulairement (86, 88) s'étendant à travers ledit segment intérieur (82) d'une paroi latérale (84) à l'autre paroi latérale (84); et un système de refroidissement en communication avec lesdites rainures annulaires traversant ledit segment intérieur (82) dirigeant un