Brevet FR2928282A1 — publié le 20090911

La présente invention concerne un procédé de fabrication de plaques de métal, seul ou en alliage homogène, par centrifugation. Il existe actuellement trois méthodes classiques de métallurgie pour la production de plaques de métal. La première méthode consiste à couler, de façon continue ou discontinue des plaques planes brutes. La seconde méthode est réalisée par coulage en fonderie d'un lingot, qui est ensuite forgé jusqu'à l'obtention d'une plaque métallique brute. La troisième méthode de fabrication de plaques de métal consiste à couler un lingot, puis à le laminer jusqu'à l'obtention d'une plaque métallique brute. Divers autres dispositifs, utilisant notamment la centrifugation, permettent d'avoir des plaques de composition particulière ou présentant des propriétés spécifiques. Ainsi, le document JP 09-216047 décrit un procédé de fabrication d'une plaque de métal présentant d'un côté une bonne résistance à l'usure, tandis que l'autre face présente une bonne résistance à la corrosion. Un premier métal fondu est coulé dans une centrifugeuse, tandis qu'un second métal est coulé après solidification du premier. Le document JP 60-076263 décrit un procédé de fabrication de plaques de métal, qui sont constituées de deux matières différentes. Pour cela, un premier métal est coulé à grande vitesse, puis un second vient se superposer, de manière à former un tube formé de deux matières. Le tube est ensuite sorti puis découpé, et redressé à chaud. L'invention propose un nouveau procédé de fabrication de plaques de métal, réalisées en une matière homogène, présentant une forte épaisseur. A cet effet, la présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'une plaque métallique, constituée d'un métal seul ou d'un alliage homogène, qui est élaboré, chauffé et fondu dans une poche, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - coulée du métal ou de l'alliage fondu dans un moule 2 de centrifugeuse 1, jusqu'à la formation d'une couronne 3, - usinage de la face interne de ladite couronne 3, - découpe axiale de ladite couronne 3 de manière à former des pavés 3a, - assemblage des pavés 3a entre eux. On comprendra mieux l'invention en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente la centrifugeuse avec un module d'usinage, destinés au procédé de fabrication de la plaque métallique, - la figure 2 représente la pièce métallique après centrifugation, usinage et découpe, - la figure 3 est une représentation d'un type d'assemblage des éléments de la plaque métallique ; - la figure 4 est un autre type d'assemblage des éléments de la plaque métallique réalisée selon le procédé selon l'invention, - les figures 5 et 6 représentent une plaque métallique obtenue après assemblage des pavés entre eux, ces pavés présentant une forme particulière. La plaque de métal réalisée selon le procédé de fabrication selon l'invention peut être constituée d'un métal seul ou d'un alliage homogène. Sa composition sera fonction de sa destination et de son utilisation ultérieures. Quelle que soit la composition de la plaque, son procédé de fabrication reste inchangé. Le procédé de fabrication de la plaque de métal selon l'invention est réalisé en plusieurs étapes successives. La première étape consiste à élaborer l'alliage dans une poche chauffée si la plaque n'est pas constituée d'un métal seul. Si celle-ci est réalisée en un métal seul, le principe est identique, à savoir que le métal est disposé dans la poche pour y être fondu. Cette poche est ensuite chauffée, de manière à obtenir la température et la viscosité nécessaires pour la coulée de matière. Le chauffage de la poche est réalisé classiquement, à l'aide de dispositifs connus, qui ne seront par conséquent pas plus développés dans la suite de la description. La seconde étape du procédé de fabrication des plaques de métal selon l'invention consiste à couler le contenu de la poche dans une centrifugeuse 1, après que l'alliage ou le métal seul ait atteint la température adéquate, ainsi que la viscosité voulue, pour être façonné dans le moule 2 de la centrifugeuse 1. La vitesse et les caractéristiques de la centrifugation seront déterminées pour obtenir une couronne métallique 3, destinée à la formation de la plaque. Elles seront également fonction de la taille de la centrifugeuse 1, de ses caractéristiques, ainsi que du type de métal ou d'alliage destinés à la plaque métallique. Cette couronne 3 peut présenter une forme ouverte ou fermée. Ses dimensions sont également variables, notamment au niveau de son épaisseur et de sa hauteur, permettant ainsi d'obtenir par la suite des plaques de mesures et de formes différentes. La troisième étape du procédé de fabrication permet d'obtenir une face interne propre. La centrifugation permet d'obtenir une couronne 3 dont la face externe est propre tandis que la face interne présente des scories. La face interne nécessite donc un usinage afin d'éliminer la matière non saine. L'usinage de la pièce peut être réalisé de différentes manières. II peut être fait de manière classique, en laissant la pièce refroidir puis en la transportant jusqu'à une machine-outil, telle qu'un tour pour aléser la pièce. La centrifugeuse destinée au procédé de fabrication d'une plaque métallique selon l'invention peut également être équipée d'un module mobile 4, pouvant plonger dans le moule de la centrifugeuse, permettant ainsi un gain de temps, d'énergie et d'espace pour la fabrication de la pièce de métal. Ce module mobile permet d'effectuer différentes opérations d'usinage et/ou de découpe sur la couronne, qui peuvent être le tournage et/ou le fraisage et/ou l'alésage et/ou le perçage et/ou le taraudage. Ces opérations peuvent être réalisées dans l'alésage et sur les chants. La découpe peut être réalisée sur une partie seulement ou sur la totalité de la couronne. Ce type d'usinage présente plusieurs avantages par rapport à l'usinage classique. II est en effet plus facile dans la mesure où la matière est encore chaude, et donc plus malléable. II permet de réduire les contraintes résiduelles, tout en raccourcissant le cycle de fabrication. Cet usinage par module permet également de diminuer l'encombrement au sol, et de faciliter la récupération des copeaux, améliorant également le recyclage. Lors de la quatrième étape de fabrication de la plaque métallique, la couronne 3 est découpée de manière à obtenir des pavés 3a. Dans le cas où la couronne est ouverte, elle constitue elle-même un pavé. Cette découpe peut être inclinée dans plusieurs directions et peut ne pas être linéaire. Ainsi les pavés peuvent avoir des formes complexes permettant d'optimiser les opérations ultérieures d'assemblage. La forme des pavés peut être rectangulaire, comme représenté sur les figures 2, 3 et 4, ou hexagonale comme représenté sur les figures 5 et 6. On utilisera ensuite le terme de découpe axiale pour faciliter la compréhension de l'exposé de l'invention. Si on réalise une seule découpe on obtient une pièce plus grande mais fortement courbée donc plus difficile à redresser et porteuse de plus de contraintes résiduelles. Si on réalise plusieurs découpes on obtient des pièces plus petites mais moins courbées Ainsi par exemple, si la couronne 3 présente un diamètre de 4 mètres, les pavés 3a présentent une flèche de 63 millimètres environ. Cette flèche leur permet d'être plus facilement redressés, en ne créant que peu de contraintes résiduelles. La découpe de cette couronne 3 est généralement réalisée soit par fraisage (par exemple avec une tête plongeante comme décrite dans la phase précédente) soit par un faisceau laser, dont l'intensité et les caractéristiques sont variables en fonction du métal ou de l'alliage à découper, ainsi que de l'épaisseur à découper. La découpe axiale peut être facilitée par la présence de rainures axiales à l'intérieur même du moule de la centrifugeuse. Cela permet des économies de matière et permet d'obtenir une couronne munie de zones plus minces 3b, correspondant aux zones de découpe. Cette opération de découpe peut être réalisée hors de la centrifugeuse. Mais elle peut également être réalisée à l'intérieur de la centrifugeuse, au moyen d'un module d'usinage 4, tel que décrit ci-dessus. La découpe peut être suivie d'une étape de redressage en fonction de la flèche des pavés. Ce redressage, total ou partiel du ou des pavés 3a, peut être précédé et/ou accompagné ou non d'une mise en température. Lors de la cinquième étape, la couronne métallique 3, après avoir été ouverte, ou le pavé 3a ou un ensemble de pavés assemblés, sont insérés dans une machine de type rouleuse inversée ou étireuse, de manière à ce que le métal ou l'alliage passe d'une forme courbée à une forme de plus en plus plane. L'utilisation de la rouleuse inversée permet de réaliser une forme plane à partir d'un cylindre. Cette opération peut nécessiter un ou plusieurs passages de la pièce métallique dans un four de recuit, de manière à obtenir la forme et/ou les caractéristiques métallurgiques et/ou mécaniques souhaitée pour la dite pièce. Des pièces métalliques peuvent être soudées à une ou deux de leurs extrémités, permettant ainsi de former des rallonges. Ceci permet d'engager facilement la pièce métallique dans la rouleuse inversée ou l'étireuse tout en limitant les pertes aux extrémités. Les rallonges sont ensuite supprimées lors de la finition de la pièce métallique. La sixième étape du procédé de fabrication d'une plaque de métal consiste à assembler les pavés 3a entre eux, lorsque la couronne 3 est découpée en pavés 3a. Cette opération n'a pas lieu si la couronne 3 n'est pas découpée en pavés 3a. L'assemblage des pavés 3a entre eux peut être réalisé au choix par soudure par faisceau d'électron, par soudure traditionnelle ou par soudure par friction (FSW). Après assemblage des pavés 3a entre eux, on obtient des tôles, plus ou moins plates, de plus grandes dimensions, qui peuvent être découpées si la plaque métallique a une destination connue, ou rester en l'état. Les pavés 3a peuvent être assemblés entre eux de diverses manières. Leur orientation peut être classique : tous les pavés 3a présentent la même orientation, c'est-à-dire la face extérieure d'un pavé adjacent à la face extérieure d'un second pavé, sans rotation des pavés, et ainsi de suite. Les pavés 3a peuvent également être disposés aléatoirement, sans orientation et sans rotation précises. Les pavés 3a peuvent s'orienter également en alternance intérieur/extérieur, sans rotation latérale, comme on peut le voir sur la figure 3. Cette orientation particulière permet d'équilibrer la répartition globale des contraintes résiduelles sur une bande étroite. Les pavés 3a peuvent être assemblés par rotation latérale, comme on peut le voir sur la figure 4, permettant ainsi d'équilibrer la répartition globale des contraintes résiduelles sur des bandes larges. L'assemblage des pavés peut également être suivi d'une opération de redressage, à froid ou à mi-chaud. Si besoin, la pièce métallique peut être laminée ou planée ou calibrée ou forgée, en fonction de l'aspect extérieur et/ou des caractéristiques métallurgiques et/ou mécaniques souhaitées. Un traitement thermique peut également être appliqué afin d'améliorer les caractéristiques de la plaque. La plaque métallique selon l'invention peut présenter des formes complexes, linéaires ou non. Le procédé de fabrication d'une plaque métallique, procure de nombreux avantages liés notamment à la centrifugation, appelée également coulée sous pression centrifuge, qui est une technique de coulée, s'appuyant sur les propriétés physiques de la force centrifuge. Le moule effectue ainsi une rotation autour d'un axe, vertical ou horizontal, donnant ainsi au métal ou à l'alliage métallique des propriétés physiques particulières. Celles-ci concernent notamment une grande homogénéité du métal dans l'ensemble de la pièce. Si la pièce est réalisée en un alliage, la centrifugation permet d'homogénéiser deux alliages métalliques pour que la pièce finale ait les propriétés physiques des deux alliages à la fois. La centrifugation confère à la pièce finale une solidification plus rapide, et donc une meilleure texture, ainsi qu'une cristallisation très régulière. Le procédé de fabrication de plaques de métal selon l'invention permet de réduire la quantité de matière nécessaire. II permet également de réduire les surépaisseurs de forge, et par conséquent de réduire les coûts de transformation ultérieurs. La présence de rainures dans le moule de la centrifugeuse, qui forment des zones de pré-découpage dans la couronne, limitant la quantité de matière. Les contraintes dans la matière sont également réduites. L'encombrement des installations est également limité, à la fois au niveau des dimensions et des coûts, dans la mesure où la couronne peut rester dans le moule pour y être usinée au niveau de sa face intérieure. Elle peut également être découpée dans la centrifugeuse, limitant ainsi l'encombrement au sol. 20 25 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une plaque métallique, constituée d'un métal seul ou d'un alliage homogène, qui est élaboré, chauffé et fondu dans une poche, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - coulée du métal ou de l'alliage fondu dans un moule 2 de centrifugeuse 1, jusqu'à la formation d'une couronne 3, - usinage de la face interne de ladite couronne 3, - découpe axiale de ladite couronne 3 de manière à former des pavés 3a, assemblage des pavés 3a entre eux. 2. Procédé de fabrication d'une plaque métallique, selon la revendication 1, caractérisé en ce que les opérations de découpe et d'assemblage sont suivies d'une opération de redressage. 3. Procédé de fabrication d'une plaque métallique, selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'opération de redressage est réalisée dans une machine de type rouleuse inversée ou étireuse. 4. Procédé de fabrication d'une plaque métallique, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape d'usinage est réalisée par sortie de la couronne 3, son refroidissement, et son transport jusqu'à un module d'usinage. 5. Procédé de fabrication d'une plaque métallique, selon la revendication 1, caractérisé en ce que les opérations d'usinage et de découpe sont réalisées au moyen d'un module mobile, plongeant dans le moule 2 de la centrifugeuse 1. 6. Procédé de fabrication d'une plaque métallique selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que l'opération d'usinage consiste en une opération de tournage, de fraisage, d'alésage, de perçage ou de taraudage. 7. Procédé de fabrication d'une plaque métallique, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la découpe de la couronne 3 est réalisée par un faisceau laser ou par fraisage. 8. Procédé de fabrication d'une plaque métallique, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'assemblage des pavés 3a est réalisé au moyen d'une soudure. 9. Procédé de fabrication d'une plaque métallique, selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'assemblage des paves 3a est réalisé par une soudure à faisceau d'électron, par soudure traditionnelle ou par soudure par friction. 10. Procédé de fabrication d'une plaque métallique, selon l'une des revendications 1, 7 ou 8, caractérisé en ce que l'assemblage des pavés 3a est réalisé selon une orientation homogène, selon une orientation aléatoire, en alternance, ou en rotation latérale de leurs faces extérieures et intérieures. 11. Procédé de fabrication d'une plaque métallique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le redressage de la plaque métallique est réalisé à froid ou à mi-chaud. 12. Plaque métallique obtenue selon le procédé de fabrication de la revendication 1, caractérisée en ce que ladite couronne 3 servant à son élaboration présente des rainures axiales 3b, destinées à faciliter sa découpe. 13. Application du procédé selon l'une des revendications précédentes pour la réalisation de plaques de forme complexe non exclusivement linéaires.