Brevet FR2825303A1 — publié le 20021206

La présente invention concerne un procédé de pressage, en particulier destiné à l'obtention de cylindres de verins hydrauliques et de filtres à haute pression. Actuellement, on utilise des procédés connus, tels que l'extrusion à chaud pour la fabrication de ces dispositifs. Ces procédés d'extrusion à chaud nécessitent la formation initiale d'une pièce métallique cylindrique, par exemple un tronçon de barre de section circulaire ou de billette de dimensions convenables, coupée à une longueur qui est fonction du volume de la pièce à obtenir. La pièce cylindrique est chauffée à une température d'environ 1 200 OC dans un four, habituellement à gaz. L'étape de poinçonnage est alors exécutée : la pièce cylindrique encore chaude est placée dans une matrice de pressage et un refoulement est exécuté avec un poinçon jusqu'à l'obtention d'une forme de cloche. La pièce est alors retirée encore chaude et est prête à subir une opération de filage extérieur : cette opération est telle que le matériau métallique, filé par un outil appelé filière, est mis au profil correspondant à la filière. Après sortie de la filière, la pièce a une section déformée, plus petite qu'à son entrée, et une plus petite épaisseur des parois latérales, résultant de l'utilisation d'un poinçon ou broche convenable placé coaxialement à la filière. Après cette opération de filage, le produit semi-fini brut obtenu a une finition de surface externe et interne comprenant des écailles, des gorges et d'autres imperfections : les tolérances de concentricité peuvent par exemple varier entre 10 et 30 % de l'épaisseur du produit semi-fini. Après cette opération de filage à chaud, une opération de filage à froid est exécutée et elle est précédée des trois étapes suivantes : une opération de tournage extérieur est exécutée pour donner à la pièce en cloche obtenue par extrusion une forme concentrique, l'opération étant suivie d'un sablage et d'une phosphatation du produit semi-fini. Normalement, le filage à froid est exécuté en plusieurs passes : le nombre de ces passes dépend de l'épaisseur de la pièce obtenue et, après chaque passe, un recuit, une phosphatation et un sablage doivent être exécutés. L'inconvénient principal de cette opération d'extrusion à chaud et de filage à froid est qu'il est nécessaire d'utiliser des machines très importantes et coûteuses avec de longues durées de changement d'outil : la quantité minimale de pièces nécessaires à la rentabilité du procédé de fabrication de tels cylindres et filtres à haute pression n'est pas inférieure à 100 t de pièces. Un autre inconvénient du procédé connu est le fait que le produit obtenu nécessite d'autres opérations d'usinage pour entrer entre les limites de tolérances fixées. Un tournage interne et externe est ainsi réalisé et élimine la couche de matériau ayant les caractéristiques métallurgiques modifiées par chauffage : au cours des opérations d'usinage de ce type, 15 à 20 % du matériau sont perdus. Un autre procédé connu pour la fabrication des cylindres de vérins hydrauliques et des filtres à haute pression met en oeuvre une machine formant des copeaux dans une pièce cylindrique métallique, telle qu'une barre d'acier plein laminé. Un perçage partiel est alors réalisé en direction axiale, avant tournage des surfaces externe et interne. L'inconvénient principal de ce procédé connu est qu'il nécessite de longs temps programmés d'usinage qui augmentent le coût de chaque pièce individuelle. Un autre inconvénient du procédé décrit est le fait que les opérations d'usinage précitées avec formation de copeaux provoquent une usure considérable des outils de coupe. Cette usure est encore plus importante lorsque les matériaux utilisés ont une teneur en carbone inférieure à 0,20 % ; ces matériaux, non seulement ont une faible capacité à former des copeaux, mais en outre posent des problèmes d'utilisation de mèches de métal dur, si bien que les temps et coûts d'usinage augmentent encore. Un autre inconvénient est dû à la quantité considérable de matériaux de déchets et de tournures car, normalement, au cours de ces opérations d'usinage avec formation de copeaux, plus de 80 % du matériau utilisé sont perdus. L'invention a essentiellement pour objet la solution des problèmes techniques précités, et l'élimination des inconvénients de la technique antérieure, et elle concerne ainsi un procédé qui permet l'obtention de dispositifs tels que des vérins hydrauliques et des filtres à haute pression, à l'aide de machines simples de petites dimensions, avec consommation d'une faible quantité d'énergie et pour un faible coût. L'invention a aussi pour objet un procédé qui ne nécessite que de cours temps pour le changement d'outillage, si bien que des lots de petits nombres de pièces peuvent être exécutés. Un autre objet important est la mise à disposition d'un procédé qui donne une finition optimale, correspondant à des tolérances étroites de surface et de concentricité, si bien que d'autres opérations d'usinage ne sont pas nécessaires. L'invention a aussi pour objet l'obtention d'un produit qui possède des caractéristiques mécaniques optimales, fréquemment sans qu'un traitement thermique soit nécessaire. L'invention concerne aussi l'obtention d'un produit qui ne nécessite pas d'opérations intermédiaires de recuit et de sablage qui sont très coûteuses et peu productives. L'invention concerne aussi un procédé qui ne nécessite aucun soudage pendant la fabrication du cylindre. Surtout, l'invention a pour objet la mise à disposition d'un procédé simple et rentable qui donne une petite quantité de copeaux. Ces objets sont atteints, comme décrit plus clairement dans la suite, grâce au procédé de pressage, en particulier pour l'obtention de cylindres et de filtres, destiné à être exécuté sur un produit semi-fini constitué avantageusement d'une pièce cylindrique ayant un trou borgne axial à une extrémité et convenablement traitée par un premier traitement chimique de surface connu, qui est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : un premier pressage à l'aide d'un premier poinçon agissant sur une partie de la profondeur du trou borgne pour la délimitation d'une première zone usinée, une première mise à la dimension de la première zone usinée à l'aide d'un second poinçon à profil inverse destiné à délimiter une seconde zone usinée, un second traitement chimique de surface du produit semi-fini ainsi obtenu, un second pressage de la seconde zone usinée à l'aide d'un troisième poinçon afin qu'une troisième zone usinée soit délimitée avec une épaisseur voulue du produit semifini ainsi obtenu, et une seconde mise à la dimension de la troisième zone usinée avec un quatrième poinçon destiné à délimiter une quatrième zone plate de contact permettant l'obtention d'un cylindre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : les figures 1 et 2 représentent, en coupe longitudinale et en plan respectivement, un produit semi-fini constitué d'une pièce cylindrique ayant un trou axial ; les figures 3 et 4 représentent en coupe longitudinale et en plan respectivement, un produit semi-fini après une première opération de pressage ; les figures 5 et 6 représentent, en élévation latérale et en plan respectivement, un premier poinçon utilisé dans une première opération de pressage ; les figures 7 et 8 sont des coupes de détail des figures 3 et 9 respectivement ; les figures 9 et 10 représentent, en coupe longitudinale et en plan respectivement, un produit fini après une première opération de mise à la dimension ; les figures 11 et 12 représentent, en coupe longitudinale et en plan respectivement, un second poinçon destiné à la première opération de mise à la dimension ; les figures 13 et 14 représentent, en coupe longitudinale et en plan respectivement, deux tronçons séparés du produit semi-fini après une seconde opération de pressage ; les figures 15 et 16 représentent, en élévation latérale et en plan respectivement, un troisième poinçon utilisé pour l'opération de pressage ; les figures 17 et 18 représentent, en coupe longitudinale et en plan respectivement, deux tronçons séparés du produit semi-fini après une seconde opération de mise à la dimension ; les figures 19 et 20 représentent, en coupe longitudinale et en plan respectivement, un quatrième poinçon destiné à la seconde opération de mise à la dimension ; et les figures 21 et 22 sont des coupes longitudinales de tronçons séparés. On se réfère aux figures sur lesquelles la référence 1 désigne un produit semi-fini qui est obtenu avantageusement par des opérations convenables d'usinage exécutées sur une pièce cylindrique avantageusement obtenue dans une barre d'acier laminée à chaud de section circulaire, ayant subi auparavant une opération d'écroûtage destinée à retirer la couche du matériau ayant des caractéristiques métallurgiques modifiées, présente à la surface extérieure de la barre de section circulaire. A une première extrémité portant la référence 2, de cette pièce cylindrique, un perçage partiel est exécuté en direction axiale pour l'obtention d'un trou borgne portant la référence 3. Pendant cette étape, 10 % environ du matériau sont perdus sous forme de copeaux. Le produit semi-fini 1 est soumis auparavant lui aussi à un premier traitement de surface chimique connu, comprenant l'immersion dans la suite de solutions suivantes : une solution alcaline de dégraissage à base d'hydroxyde de sodium et de silicates de sodium, à raison de 2 à 15 % en poids dans l'eau, à une température de 70 à 95 C, pendant un temps qui varie entre 5 et 15 min, de l'eau chaude de rinçage à une température comprise entre 60 et 85 C pendant un temps qui varie entre 5 et 15 min, une solution de phosphatation contenant du phosphate diacide de zinc, de l'acide nitrique, du nitrate de zinc et de l'acide phosphorique dilué dans l'eau, en pourcentage compris entre 5 et 20 %, à une température comprise entre 60 et 85 OC pendant un temps qui varie entre 5 et 15 min, pour la production d'une couche compacte et homogène de phosphate de zinc de très fine structure cristalline qui facilite la déformation mécanique du matériau froid ; de l'eau chaude de rinçage à une température de 60 à 85 C pendant une période qui varie entre 5 et 15 min, une solution de passivation et neutralisation à réaction alcaline contenant des borates de sodium, du carbonate de sodium et du sulfite de sodium, sous forme diluée dans l'eau, ayant un pH compris entre 7 et 9,5, pendant une période qui varie entre 5 et 15 min, et une solution de lubrification, par exemple d'un savon à base de stéarates de sodium, le lubrifiant qui réagit avec la couche de phosphate de zinc formant des savons de zinc qui donnent au revêtement une couche perfectionnée de barrage antifriction associée à une lubrification optimale. Le pourcentage de dilution du savon dans l'eau est compris entre 3 et 12 %, à une température de 60 à 80 C, pendant une période qui varie entre 2 et 10 min. A partir de ce produit semi-fini 1 représenté sur les figures 1 et 2, le procédé comprend une première étape dans laquelle, lorsque le produit semi-fini 1 a été placé dans une première matrice prédéterminée, un premier pressage est exécuté avec un premier poinçon portant la référence 4. Le premier poinçon 4 a avantageusement une forme tronconique dont le diamètre minimal est approximativement égal ou légèrement inférieur au diamètre du trou borgne 3 et a une conicité comprise entre 10 et 500. Le premier poinçon 4 agit sur la plus grande profondeur du trou borgne 3 en provoquant un élargissement qui délimite une première zone usinée 5 ; simultanément, la forme tronconique de la première matrice, non représentée sur les figures, provoque la formation d'un rebord circulaire externe désigné par la référence 6, à l'extrémité 2. Dans une seconde étape, une première opération de mise à la dimension est exécutée sur la première zone usinée 5, avantageusement avec un second poinçon portant la référence 7, possédant une première surface avant concave 8 telle que, en coupe longitudinale telle qu'indiquée sur la figure 11, l'inclinaison de la surface avant par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe du second poinçon 7 forme un angle a compris entre 5 et 100. Cette forme du second poinçon 7, appelée"profil inverse", est destinée à la formation d'une seconde zone usinée, désignée par la référence 9 et formée avantageusement avec une surface cylindrique. A la partie terminale de la seconde zone usinée 9 opposée à l'extrémité 2, une première surface annulaire 10 forme le bord périphérique d'une première cavité contiguë portant la référence 11 et formée par la partie terminale non usinée du trou borgne 3. Cette seconde étape de mise à la dimension est alors suivie d'une troisième étape dans laquelle le produit semifini ainsi obtenu est soumis à un second traitement chimique de surface, avantageusement analogue au premier traitement chimique de surface exécuté avant le premier pressage. Ce second traitement chimique de surface est suivi d'une quatrième étape dans laquelle, après disposition du produit semi-fini 1 dans une seconde matrice plus grande que la première, un second pressage de la seconde zone usinée 9 est exécuté avec un troisième poinçon, portant la référence 12, ayant une forme de préférence analogue à celle du premier poinçon 4 mais ayant de plus grandes dimensions. Ce troisième poinçon 12, représenté sur les figures 15 et 16, a en fait une forme tronconique, ayant un diamètre minimal approximativement égal ou légèrement inférieur au diamètre de la seconde zone usinée 9. Le second pressage exécuté par ce troisième poinçon 12 est destiné à délimiter une troisième zone usinée portant la référence 13 ; simultanément, l'épaisseur du produit semifini atteint l'épaisseur voulue. Une cinquième et dernière étape, nécessaire pour l'obtention du cylindre, comporte une seconde opération de mise à la dimension exécutée sur la troisième zone usinée 13 avec un quatrième poinçon portant la référence 14 et ayant une forme analogue à celle du second poinçon 7, mais avec de plus grandes dimensions. Le quatrième poinçon 14 a aussi une seconde surface avant concave 16 destinée à former un profil inverse qui délimite une quatrième zone plate de contact 15 dans la troisième zone usinée 13. Cette quatrième surface plate de contact 15 forme une surface annulaire séparée qui constitue le bord périphérique de la seconde cavité, indiquée par la référence 17, formé par la partie terminale de la troisième zone usinée 13 qui n'est pas modifiée par la seconde opération de mise à la dimension. La quatrième zone plate de contact 15 peut être avantageusement utilisée comme surface d'arrêt de la tête d'un piston dans un vérin hydraulique. La seconde cavité 17 peut avantageusement être utilisée comme siège pour un écrou éventuel de fermeture étanche de la tête d'un piston. Les figures 21 et 22 désignent par la référence 18 le cylindre obtenu avec ce procédé ; le cylindre contient un trou radial indiqué par la référence 19, communiquant avec la première cavité 11 et destiné à transmettre le liquide utilisé dans le cylindre. Deux paires de trous taraudés 20, destinés à assurer l'interconnexion avec une plaque de fermeture, non 1 représentée, sont aussi avantageusement formés à un rebord circulaire externe 6. La première et la seconde matrice utilisées dans la première et la seconde étape et dans la quatrième et la cinquième étape peuvent être avantageusement formées d'un acier spécial pour opérations d'usinage à chaud, par exemple du type AISI/SAE H13. Le procédé décrit précédemment est de préférence utilisé avec des produits d'acier des types compris entre AISI/SAE 1010 et AISI/SAE 4150, c'est-à-dire avec des aciers spéciaux à cémentation et de traitement (C10-50CrMo4). On note que l'invention a ainsi atteint les objets prédéfinis par mise à disposition d'un procédé qui permet l'obtention de dispositifs, tels que des cylindres de vérins hydrauliques et des filtres à haute pression, à l'aide de machines simples, ayant de faibles temps de changement d'outils d'usinage, permettant une réduction des coûts et l'exécution de lots ayant un petit nombre de pièces. Le produit obtenu respecte des tolérances étroites de surface et de concentricité, et ne nécessite donc pas d'autres opérations d'usinage, et il possède des caractéristiques mécaniques optimales grâce à l'écrouissage subi par le matériau pendant les opérations de mise en forme. Les matériaux utilisés ainsi que les dimensions des éléments individuels peuvent être adaptés en fonction des conditions particulières. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de pressage, en particulier pour l'obtention de cylindres et de filtres, destiné à être exécuté sur un produit semi-fini constitué avantageusement d'une pièce cylindrique ayant un trou borgne axial à une extrémité et convenablement traitée par un premier traitement chimique de surface connu, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : un premier pressage à l'aide d'un premier poinçon (4) agissant sur une partie de la profondeur du trou borgne (3) pour la délimitation d'une première zone usinée (5), une première mise à la dimension de la première zone usinée (5) à l'aide d'un second poinçon (7) à profil inverse destiné à délimiter une seconde zone usinée (9), un second traitement chimique de surface du produit semi-fini ainsi obtenu, un second pressage de la seconde zone usinée (9) à l'aide d'un troisième poinçon (12) afin qu'une troisième zone usinée (13) soit délimitée avec une épaisseur voulue du produit semi-fini ainsi obtenu, et une seconde mise à la dimension de la troisième zone usinée (13) avec un quatrième poinçon (14) destiné à délimiter une quatrième zone plate de contact (15) permettant l'obtention d'un cylindre. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un trou radial est formé dans le cylindre dans la région de la première cavité formée par l'extrémité du trou borgne (3) qui n'est pas usinée. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, avant la première étape de pressage, le produit semifini est placé dans une première matrice prédéterminée formée afin que, pendant la déformation assurée par le premier poinçon (4), un rebord circulaire externe (6) se forme à l'extrémité du produit semi-fini. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier poinçon (4) a une forme tronconique dont le diamètre minimal n'est pas supérieur au diamètre du trou borgne (3). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 et 4, caractérisé en ce que le premier poinçon tronconique (4) a un angle de conicité compris entre 10 et 50 . 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier poinçon (4) a une première surface avant concave. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 et 6, caractérisé en ce que le second poinçon (7) a, en coupe longitudinale, une inclinaison de la surface avant par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe du second poinçon (7) qui est comprise entre 5 et 10 . 8. Procédé selon l'une des revendications 1 et 7, caractérisé en ce que, à la partie terminale de la seconde zone usinée (9) opposée à l'extrémité du produit semi-fini est disposée une première surface annulaire. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 et 8, caractérisé en ce que la surface annulaire forme un bord périphérique contigu de la première cavité. 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, avant la quatrième étape de pressage, le produit semi-fini est placé dans une seconde matrice prédéterminée ayant avantageusement des dimensions supérieures à celles de la première matrice. 11. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le troisième poinçon (12) a une forme tronconique de diamètre minimal qui n'est pas supérieur au diamètre de la seconde zone usinée (9). 12. Procédé selon l'une des revendications 1 et 11, caractérisé en ce que le troisième poinçon tronconique (12) a des dimensions supérieures à celles du premier poinçon (4) et a une conicité comprise entre 10 et 500. 13. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le quatrième poinçon (14) a des dimensions supérieures à celles du second poinçon (7) et a une seconde surface avant concave. 14. Procédé selon l'une des revendications 1 et 13, caractérisé en ce que le quatrième poinçon (14) a, en coupe longitudinale, une inclinaison de sa surface avant, par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe du quatrième poinçon (14), comprise entre 5 et 100. 15. Procédé selon l'une des revendications 1 et 14, caractérisé en ce que la quatrième zone de contact forme une seconde surface annulaire constituant un bord périphérique de la seconde cavité formée par la partie terminale de la troisième zone usinée (13) et qui n'est pas modifiée par la seconde opération de mise à la dimension. 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs trous taraudés (20) formés au rebord circulaire externe pour la fixation d'une plaque de fermeture. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première et la seconde matrice sont formées d'un acier spécial pour opérations d'usinage à chaud.