Brevet FR2958193A1 — publié le 20111007

PROCEDE DE FABRICATION DE PIECES FORGEES EN ALLIAGE LEGER INCORPORANT DES SECTIONS PLEINES OU TIREES D'EPAISSEUR L'invention se rattache au secteur technique du forgeage à chaud ou à froid permettant de réaliser des pièces creuses en alliages légers. L'invention fait référence aussi au secteur technique de la fonderie dans lequel il est connu de fondre de la matière autour d'un noyau préalablement disposé et maintenu dans un moule. L'invention concerne l'application du procédé pour tous domaines techniques pour la réalisation de pièces à hautes caractéristiques mécaniques et en particulier pour certaines pièces ou composants relevant des domaines de l'automobile, du cycle non limitativement. La technologie du forgeage de pièces creuses est bien connue. C'est par exemple, le cas du forgeage de lingots de matière préalablement percée. C'est aussi le forgeage radial d'ébauches ou lingots à forger nécessitant du temps et plusieurs étapes de forgeage. On connaît aussi le forgeage de pièces creuses avec mise en place de broches qui permettent la réalisation d'évidements. Cette technique nécessite l'utilisation de mécanismes d'insertion de broches et un automatisme susceptible de fonctionner à la cadence de marteaux pilons pour une bonne productivité. Outre le fait que les formes de ces évidements ne doivent pas être trop complexes car elles engendrent la forme des broches, ces évidements sont toujours apparents pour permettre le positionnement des broches, et créer des limitations d'utilisation. En outre, la cinématique à calculer n'est pas toujours facile à mettre en oeuvre. On connaît aussi la méthode d'usinage des pièces mais celle-ci est coûteuse en temps d'usinage et en matière initiale à usiner. On connaît aussi le procédé de forgeage de pièces creuses avec la mise en oeuvre de deux demi-pièces aux formes complémentaires qui sont soudées entre elles le long de leur bordure périphérique aménagée pour cet assemblage. Cela requiert des appareils de soudure haute fréquence sophistiqués et coûteux, un contrôle de la qualité de la soudure en égard des sollicitations extérieures de la pièce réalisée. Cette technique nécessite la réalisation indépendante de chacune des demi-pièces et ensuite de procéder à l'assemblage comme indiqué ci-avant. Par ailleurs, la combinaison des procédés de coulage par fonderie de matériaux du type alliage léger et suivie d'une phase de forgeage, est aussi bien connue par les nombreux brevets du demandeur qui en est à l'origine avec le brevet EP 119 365 et ses développements EP 1250204, EP 1219367. La fabrication des pièces creuses par forgeage et fonderie trouve de très nombreuses applications toujours plus importantes. Outre les brevets du Demandeur, il a été proposé d'intégrer dans un procédé hybride combinant fonderie et forgeage un noyau dans la pièce forgée. C'est par exemple la divulgation du brevet EP 850825 qui est spécifique à une manivelle de pédalier de cycle. La solution décrite dans ce document bien qu'intéressante présente certains inconvénients ou limites. Avant l'opération de forgeage, les portées de fonderie sont enlevées, et lors du forgeage, le noyau n'est pas en situation de stabilité. Il y a en outre des possibilités de débris du noyau lors de l'opération de forgeage entraînant des défauts de surface. Le brevet EP 850825 ne tient pas compte des possibilités de déformations du noyau au cours de l'opération de frappe lors du forgeage. Ce brevet est limité aux manivelles de pédaliers pour cycle dans lequel les contraintes sont assez différentes que celles résultant des composants techniques pour la conception de véhicules automobiles. On connaît aussi un procédé de fabrication de pièces forgées creuses défini dans le brevet PCT WO 2009/050382. Le document illustre et décrit l'utilisation d'un noyau. Cependant, le procédé décrit présente de nombreux inconvénients. Il vise à étancher l'ébauche de sorte que le noyau se trouve complètement isolé vis-à-vis de l'environnement extérieur. Cette étanchéité est assurée en obturant chaque conduit d'évacuation des gaz servant à assurer le positionnement du noyau par un élément d'obturation. Chaque conduit d'évacuation du gaz est lui-même obturé par un élément de rigidification sous forme de tige ou axe métallique. Selon ce brevet et comme indiqué dans la description les portées associées au noyau sont disposées dans les zones à usiner. Pour évacuer le noyau et les conduits précités associés, le procédé décrit dans le brevet requiert qu'il faille percer, pré-usiner la pièce obtenue pour débourrer le noyau. Cette contrainte est très lourde et délicate à réaliser. L'opérateur doit aussi détourer la pièce finale. Le détourage entraîne la récupération de matériaux divers et incompatibles tels que aluminium et acier, l'aluminium étant contenu dans la bavure forgée et l'acier étant le matériau constitutif des moyens d'étanchage (broches, portées-rapportées). Cela nécessite dans l'hypothèse d'un recyclage un tri. Ainsi dans les deux brevets EP 850 825 et WO 2009/050382 les opérations décrites sont coûteuses au plan économique et environnemental. Le procédé décrit dans ce brevet suppose que la pièce soit creuse de part en part, ce qui en limite la mise en oeuvre. Or, les cahiers des charges des constructeurs automobiles avec lesquels le demandeur travaille ne requièrent pas que les pièces ainsi travaillées soient creuses dans la totalité de leur volume. La technique décrite dans le brevet PCT WO 2009/050382 ne permet pas de réaliser des pièces qui présentent à la fois des zones creuses et des zones pleines. Ainsi, les deux brevets précités présentent des limites inhérentes aux procédés mis en oeuvre. La démarche du Demandeur a donc été de reconsidérer entièrement la problématique posée et de développer une démarche différente en travaillant d'abord sur la maitrise des contraintes issues de l'opération de forgeage de par la déformation de la matière et du noyau en particulier. La solution apportée par le Demandeur répond à ce problème avec une maitrise parfaite des contrôles de déformations lors de l'opération de forgeage de la pièce creuse en tout ou partie de son volume à obtenir. Le procédé de fabrication de pièces creuses réalisées en deux opérations successives de coulée de matériau pour la réalisation d'un produit semi fini puis de forgeage met en oeuvre les phases opératoires suivantes : a) définition de la pièce creuse finale dans sa partie intérieure en tout ou partie de son volume à obtenir après forgeage avec déformation des sections pleines ou tirés d'épaisseur selon les contraintes d'environnement et de mécanique, b) modélisation des sections pleines et tirées d'épaisseur dans les zones de la pièce le nécessitant c) réalisation du tiré d'épaisseur par l'intermédiaire d'un ou de plusieurs noyaux mono matière et recyclable présentant des zones fonctionnelles pour leur positionnement recherché dans le moule, le ou les dits noyau(x) étant à disposer localement aux endroits requérants des zones avec un tiré d'épaisseur, et modélisation du ou des dits noyau(x) dans les sections tirées d'épaisseur d) après modélisation de la pièce finale à obtenir et du ou des noyaux, définition du produit semi fini et du ou des noyaux dans leurs formes initiales ayant une configuration différente du ou des noyaux forgés correspondant à ou aux évidements intérieurs à obtenir de la pièce forgée. e) après coulage du métal autour du ou des dits noyau(x) sur tout ou 10 partie de leur volume, dans la forme initiale préalable permettant l'obtention d'un produit semi-fini avec son ou ses noyaux, opération de frappe de ce produit semi-fini avec son ou ses noyaux engendrant la déformation de la pièce et de son ou ses noyaux de leurs formes initiales à leurs formes finales. Détourage des bavures constituées du matériau de coulée et obtenu par forgeage exempt de matériaux autres que le matériau de coulée, Evacuation du ou des noyaux monomatière et recyclables Ces caractéristiques et d'autres encore ressortiront bien de la suite de la 20 description. Pour fixer l'objet de l'invention illustrée de manière non limitative aux figures des dessins où ^ La figure 1 est une vue en perspective d'un ensemble de plusieurs noyaux 25 destinés à être insérés dans une pièce à couler puis à forger. Les noyaux (1) sont monomatière comprenant leurs portées (la) assurant leur positionnement dans le moule. f) 15 g) ^ La figure 2 est une vue illustrant les noyaux positionnés dans le moule de fonderie avant d'effectuer l'opération de coulée. ^ La figure 3 est une vue en coupe illustrant le produit semi-fini (2) obtenu après coulée, avec les 2 noyaux positionnés dans les zones en tirée d'épaisseur. ^ La figure 4 est une vue d'une pièce forgée finie (3) avec des zones incluant des noyaux (1) dans les parties en tirée d'épaisseur et des zones pleines. ^ La figure 5 est constituée de 2 vues : Schéma (5A) image du produit semi fini (2) obtenu après coulée avec ses noyaux dans les zones à sections tirées d'épaisseur et ses zones à sections pleines, Schéma (5B) image de ce produit semi fini (3) après forgeage et enlèvement des noyaux (1) Afin de rendre plus concret l'objet de l'invention, on le décrit maintenant d'une manière non limitative illustré aux figures des dessins. Ainsi, le procédé selon l'invention se distingue de l'art antérieur par les opérations de modélisation initiales de la pièce incluant un ou des noyaux (1) monomatière et recyclables et intégrant dans le même matériau leurs portées (la) de positionnement. Ces opérations de modélisation permettent la définition des parties de pièces qui doivent être pleines et celles qui présentent des tirés d'épaisseur par la mise en place des noyaux. Les modélisations en amont combinées à la maitrise et à la connaissance des caractéristiques des matériaux constituant la pièce et le ou les noyaux permettent de simuler l'écoulement du métal autour du ou des noyaux qui se déforment lors du forgeage. Cela permet l'optimisation de la forme du ou des noyaux placés dans la pièce en vue de sa mise en oeuvre par coulage et forgeage. La maitrise de l'ensemble de ces données nous permet de définir la pièce selon les épaisseurs souhaitées Le procédé selon l'invention met en oeuvre aussi un logiciel de valeurs intégrant toutes les données relatives à la pièce finie à obtenir, toutes les données du ou des noyaux, toutes les données relatives à la machine ou outils de frappe, ledit logiciel calculant l'ensemble des déformations de la pièce et du ou des noyaux pour définir les formes initiales et finales à obtenir. La modélisation permet de n'avoir aucun défaut interne car la forme initiale du ou des noyaux est définie préalablement pour répondre à cet objectif, par exemple, les types de défauts, dégagement du noyau dans la bavure ou tirée d'épaisseur non homogène sur toute la section considérée, ne peuvent pas arriver. La modélisation permet de n'avoir aucun défaut externe apparent type repli, trace de brut par exemple. La bavure obtenue après forgeage reste exclusivement dans le matériau de coulée et peut être facilement détourée et recyclée. Le procédé selon l'invention permet aussi de définir entre autre une optimisation de la raideur et d'autre part de diminuer le poids sans dégradation de la tenue de la pièce. Il y a donc une liberté de conception de la pièce en fonction de la raideur recherchée ce qui offre de larges possibilités sans coût supplémentaire. Le ou les noyau(x) (1) sont par ailleurs choisis et définis en présentant un taux de compression inférieur à 0,30 à 1500 MPa. Le ou les noyaux peuvent être de différentes matières ou similaires selon les besoins mais chaque noyau est monomatière. On peut récupérer intégralement après le débourrage le noyau selon les méthodologies connues. L'évacuation du ou des noyaux s'effectue de manière classique par le biais d'orifices prévus sur la coquille et la matrice de frappe. La solution apportée permet ainsi une optimisation de la fabrication de pièces en alliage léger creuses en tout ou partie de leur volume par la mise en oeuvre du coulage de l'alliage et du forgeage de la pièce. Ainsi une même pièce traitée par le procédé selon l'invention peut présenter selon les modélisations une seule zone creuse pour la réception d'un noyau, plusieurs zones creuses alternées avec des zones pleines, les zones creuses recevant des noyaux en nombre correspondant. En outre les portées (la) peuvent être multidirectionnelles. Le procédé offre de grands avantages au plan économique et environnemental, il offre une grande liberté de conception des pièces et évite la problématique des contraintes d'étanchage telles qu'identifiées dans le brevet PCT WO 2009/050382. REVENDICATIONS-1- Procédé de fabrication de pièces creuses réalisées en deux opérations successives de coulée de matériau pour la réalisation d'un produit semi fini puis de forgeage mettant en oeuvre les phases opératoires suivantes : a) définition de la pièce creuse finale dans sa partie intérieure en tout ou partie de son volume à obtenir après forgeage avec déformation des sections pleines ou tirés d'épaisseur selon les contraintes d'environnement et de mécanique, b) modélisation des sections pleines et tirées d'épaisseur dans les zones de la pièce le nécessitant c) réalisation du tiré d'épaisseur par l'intermédiaire d'un ou de plusieurs noyaux monomatière et recyclable présentant des zones fonctionnelles pour leur positionnement recherché dans le moule, le ou les dits noyau(x) étant à disposer localement aux endroits requérants des zones avec un tiré d'épaisseur, et modélisation du ou des dits noyau(x) dans les sections tirées d'épaisseur d) après modélisation de la pièce finale à obtenir et du ou des noyaux (1), définition du produit semi fini (2) et du ou des noyaux dans leurs formes initiales ayant une configuration différente du ou des noyaux forgés correspondant à ou aux évidements intérieurs à obtenir de la pièce forgée. e) après coulage du métal autour du ou des dits noyau(x) sur tout ou partie de leur volume, dans la forme initiale préalable permettant l'obtention d'un produit semi-fini avec son ou ses noyaux, opération de frappe de ce produit semi-fini (3) avec son ou ses noyaux engendrant la déformation de la pièce et de son ou ses noyaux de leurs formes initiales à leurs formes finales,f) Détourage des bavures constituées du matériau de coulée et obtenu par forgeage exempt de matériaux autres que le matériau de coulée, g) Evacuation du ou des noyaux monomatière et recyclable - 2- Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les noyaux ont un taux de compression inférieur à 0,30 à 1500 MPa. - 3- Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que les portées (la) 10 sont multidirectionnelles. - 4- Produits obtenus selon l'une quelconque des revendications 1 à 3. 15