Brevet FR3099561A1 — publié le 20210205

Description Titre de l'invention : Dispositif modulaire pour positionner des nièces métalliuues lors d'opérations de traitement thermique. [0001] La présente invention se rapporte au domaine du traitement thermique de pièces. Plus particulièrement, la présente invention se rapporte au domaine des outillages utilisés pour agencer les pièces tout au long du traitement. [0002] Les opérations de traitement thermique font appel à de nombreux outillages ou montages destinés à positionner les pièces à traiter et à les maintenir durant les différentes étapes. Afin de limiter les déformations géométriques des pièces, à haute température, la conception de ces outillages doit tenir compte : [0003] - des spécificités des pièces à traiter (forme, masse, matière) ; [0004] - des paramètres de traitement à appliquer (température, temps, atmosphère, media de refroidissement, pression...) ; [0005] - du positionnement des pièces (posées, suspendues...) ; [0006] - de divers critères d'optimisation : [0007] - Taux de remplissage c'est-à-dire la quantité dc pièces, le volume et le poids dc la charge ; [0008] - Conditions de traitement telles que la circulation des gaz ou dc l'huile durant la « trempe » et l'homogénéité d'enrichissement lors de traitements thermochimiques. [0009] Les outillages peuvent être de nombreux types, par exemple : [0010] - plaques ajourées ; [0011] - paniers ; ou, [0012] - supports suspendus. [0013] Les outillages peuvent être en divers matériaux. Les matériaux principalement utilisés sont les aciers « réfractaires », fortement alliés et présentant des résistances au fluage améliorées. Plus rarement, on utilise des CFC (acronyme de « Carbon Fibcr Composit », composite à fibres dc carbone liées dans une matrice carbone), du graphite ou des céramiques, notamment. [0014] Si les outillages en acier sont très répandus, ils présentent dc nombreux désavantages. Ils sont lourds et ils ont une conductivité et une chaleur massique importantes. Cela limite les performances lors des phases de refroidissement car il y a une importante quantité de chaleur à évacuer. Pour les mêmes raisons, ils ont une grande inertie lors des phases de chauffe, ce qui augmente les durées de traitement, donc les consommations énergétiques. En outre, en raison du fluage à haute température, les outillages en acier sont rapidement déformés, ce qui entraine souvent des non-conformités sur les pièces traitées et le remplacement fréquent de ces équipements, ce 2 qui est une source de coûts importants. [0015] La réalisation des mêmes outillages dans d'autres matériaux tels que les CFC, le graphite ou les céramiques est particulièrement couteuse. Elle est notamment peu adaptée à de petites séries, pour lesquelles un outillage spécifique ne peut être amorti. [0016] Le but de l'invention, est de proposer un outillage qui intègre l'ensemble des données et contraintes précédemment exposées et qui, en outre : [0017] - présente une durabilité améliorée, c'est-à-dire une augmentation de sa « durée de vie », donc du nombre de pièces produites dans des conditions satisfaisantes avec un même outillage ; [0018] - permet une réduction du coût d'outillage, ramené à la pièce produite ; [0019] - peut être adaptable et/ou réutilisable. [0020] Pour résoudre ce problème l'invention propose un système d'outillage modulaire pour le traitement thermique de pièces qui comprend plusieurs composants élémentaires assemblables entre eux, chaque composant étant dans un matériau adapté à sa fonction et le système comprenant au moins deux composants, chacun dans un matériau différent. Il peut comprendre des éléments de transfert vertical de charges et des éléments de transfert horizontal de charges. Les éléments de transfert vertical de charge sont avantageusement en graphite. Les éléments de transfert horizontal de charge sont avantageusement en un matériau composite, de préférence ayant une matrice carbone ou céramique. [0021] De préférence, les éléments de transfert vertical des charges sont des plots et les éléments de transfert horizontal des charges sont des poutres destinées à être assemblées avec les plots de façon à former un châssis. [0022] De préférence, les éléments de transfert vertical des charges sont des colonnes et l'élément de transfert horizontal des charges est une plaque destinée à reposer sur les colonnes, cette plaque étant de préférence en un composite céramique et fibres agglomérées. [0023] Le système peut comprendre, parmi les éléments, au moins un élément en quartz. [0024] Le système peut comprendre des moyens pour positionner un premier élément rela- tivement à un deuxième élément parmi plusieurs positions possibles. Il peut aussi comprendre des moyens pour assembler et désassembler des éléments entre eux [0025] Plusieurs modes d'exécution de l'invention seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels : [0026] [fig.l] est une vue en perspective d'un système d'outillages pour le traitement thermique de pièces ; [0027] [fig.2] est une vue éclatée et en perspective d'une première partie du système de la figure 1 ; et, [0028] [fig.3] est une vue éclatée et en perspective d'une deuxième partie du système de la 3 figure 1. [0029] Les termes dessus, dessous, horizontal, vertical, supérieur, inférieur, notamment, doivent être compris dans la position d'usage de la figure 1, ils ne sont pas limitatifs. [0030] La figure 1 illustre un système 1 d'outillage selon l'invention pour le traitement thermique de pièces. A la figure 1, seules des pièces 2 en forme de barres cylindriques 2 sont représentées. Selon les outillages utilisés, d'autres types de pièces peuvent être traitées avec le système. Le système 1 utilise plusieurs outillages modulaires 6,7,8 qui sont prévus pour permettre le maintien des pièces dans un four durant leur traitement thermique. [0031] Dans l'exemple illustré, les outillages 6,7,8 sont montés sur une base 9 d'un type adapté pour y fixer des outillages et être utilisé dans un four de traitement thermique travaillant de façon continue, dit four « à charge », ou semi-continue, dit four « poussant », par exemple un four de cémentation. [0032] Un premier outillage 6 est représenté à la figure 1, avec d'autres outillages 7, 8, monté sur la hase 9. Il est représenté isolément et partiellement éclaté, à la figure 2. Il présente une forme de plateau horizontal, sensiblement rectangulaire. Il comprend : [0033] - quatre plots 11 ; [0034] - quatre poutres 12 ; [0035] - quatre interfaces 13 ; [0036] - des traverses primaires 14 ; et, [0037] - des traverses secondaires 15. [0038] Dans l'exemple illustré, les quatre plots 11 sont identiques entre eux. Ils sont reliés à la base 9 à l'aide d'adaptateurs 10. [0039] Les poutres 12 forment deux paires de poutres identiques entre elles ; une paire de poutres courtes et une paire de poutres longues. Chaque extrémité 16 de chaque poutre 12 est fixée à un plot 11 respectif, de sorte que les plots 11 et les poutres 12 forment ensemble un châssis 20 qui, vu de dessus, a une forme sensiblement rectangulaire. [0040] Les interfaces sont du type positionneurs. Ces positionneurs 13 forment deux paires de positionneurs identiques entre eux ; une paire de positionneurs courts et une paire de positionneurs longs. [0041] Dans l'exemple illustré, chaque positionneur 13 a une forme de barre de section rec- tangulaire. Il est posé sur une poutre 12 respective, un positionneur court sur une poutre courte et un positionneur long sur une poutre longue. Chacune des extrémités 17 du positionneur est en prise avec le même plot 11 que l'extrémité correspondante de la poutre. Il comprend un bord supérieur 18 crénelé dans lequel sont formées des encoches 19. [0042] Chaque traverse primaire 14 repose sur deux des positionneurs 13 d'une même paire, disposés en vis-à-vis l'un de l'autre, de sorte que les traverses primaires sont parallèles entre elles. Chaque extrémité 21 d'une traverse primaire repose à l'intérieur d'une encoche 19 d'un positionneur respectif parmi les deux en vis-à-vis. Dans l'exemple illustré les traverses primaires sont des traverses longues, qui reposent sur une paire de positionneurs courts. [0043] Les traverses primaires comportent un bord supérieur 22 crénelé dans lequel sont formées des encoches 23. [0044] Chaque traverse secondaire 15 repose sur deux des traverses primaires 14 d'une même paire, disposées en vis-à-vis l'une de l'autre, de sorte que les traverses secondaires sont parallèles entre elles. Chaque extrémité 24 d'une traverse secondaire 15 repose à l'intérieur d'une encoche 23 d'une traverse primaire respective parmi les deux en vis-à-vis. Dans l'exemple illustré les traverses secondaires sont des traverses courtes. [0045] Les traverses secondaires 15 comportent un bord supérieur 25 lisse et un bord inférieur 26 crénelé dans lequel sont formées des encoches 27. [0046] Les encoches 27 des traverses secondaires et les encoches 23 des traverses primaires sont conçues pour s'imbriquer entre elles de sorte que, lorsque les traverses secondaires reposent sur les traverses primaires, les bords supérieurs 22, 25 des traverses primaires et secondaires sont coplanaires. Ainsi, les traverses 14,15 primaires et secondaires forment ensemble un caillebotis 30 qui est porté par le châssis 20. [0047] En outre, dans l'exemple illustré du premier outillage 6, les encoches 19 des posi- tionneurs 13 et les extrémités des traverses 14, 15 sont conçues pour s'imbriquer entre elles de sorte que, lorsque les extrémités des traverses reposent sur les positionneurs, comme illustré à la figure 1, les bords supérieurs 22, 25 des traverses sont coplanaires avec les bords supérieurs 18 des positionneurs 13. [0048] Les extrémités des poutres et des traverses ont une forme d'épaulement qui leur permet d'avoir une hauteur suffisante tout en permettant de maintenir les bords supérieurs 18, 22 et 25 coplanaires. [0049] Les plots 11 sont identiques entre eux. Chaque plot est de forme sensiblement paral- lélépipédique ; dans l'exemple illustré du premier outillage 6, les plots sont sensiblement cubiques, c'est-à-dire qu'il a six faces 41-43 sensiblement canées. Il comprend : [0050] - une face supérieure 41 horizontale du centre de laquelle s'élève un pion 46 cy- lindrique ; [0051] - une face inférieure, non visible aux figures, au centre de laquelle est formée un alésage prévu pour recevoir un pion d'un autre plot, de sorte que deux plots peuvent être empilés en maintenus horizontalement entre eux ; [0052] - deux faces intérieures 42, verticales, formant entre elles un angle droit ; et, [0053] - deux faces extérieures 43, verticales, formant ensemble un angle droit. [0054] Chaque plot 11 comprend deux rainures verticales 47, chacune sur une face intérieure 42 respective. Chaque rainure est ouverte dans sa face respective et ouverte dans la face supérieure 41. Ceci permet d'introduire les extrémités respectives de la poutre et du positionneur. [0055] TI peut y avoir plus de rainures verticales 47 que les deux illustrées dans cet exemple ; elles peuvent ne pas être ouvertes vers le haut. [0056] Chaque plot 11 comprend en outre deux fentes latérales 49, chacune débouchant d'une part dans une face extérieure 43 et d'autre part dans une rainure 47 respective. Chaque fente est prévue pour y introduire une clavette, non représentée, afin de maintenir les plots solidaires des poutres et, éventuellement, des positionneurs. [0057] TI peut y avoir plus de fentes que les deux fentes illustrées dans cet exemple. [0058] Dans l'exemple illustré, les positionneurs ne sont pas fixés au châssis 20 formé par les plots et les poutres, de sorte qu'ils peuvent être posés ou retirés aisément, par exemple pour utiliser un autre type d'interface ou en cas d'usure trop importante. [0059] De préférence, dans la position d'usage de la figure 1, le niveau de la face supérieure 41 est plus haut que le niveau du bord supérieur 18 du positionneur, de sorte que deux plots peuvent être superposés. Dans l'exemple illustré, le bord supérieur 18 du positionneur est affleurant avec la face supérieure 41. [0060] Les différentes encoches, réparties sur les positionneurs 13, et les traverses 14,15, permettent de choisir l'écartement et le nombre des traverses de chaque type 14,15 que l'on souhaite utiliser, en fonction des pièces à traiter, de leur nombre, de leur poids et de leurs dimensions. [0061] Les matériaux choisis pour chacun des composants élémentaires 11-15 de l'outillage 6 sont choisis en fonction des contraintes qu'ils doivent subir, tant du fait du maintien et du poids des pièces à traiter que du traitement thermique subi. [0062] De préférence, dans l'exemple illustré : [0063] - les plots 11 sont réalisés en graphite isostatique ; [0064] - les poutres 12 sont en CFC ou en composite à matrice et fibre céramiques ; et, [0065] - les interfaces 13 sont en CFC ou métalliques. [0066] Grace à l'utilisation de matériaux spécifiques à la fonction de chaque composant élé- mentaire, on diminue le poids des outillages, donc, notamment, leur coût et leur inertie thermique. [0067] On va maintenant décrire le deuxième outillage 7 en ce qu'il diffère du premier outillage 6. [0068] La figure 3 est une vue partiellement éclatée du deuxième outillage 7. Dans cet exemple, le positionneur est formé d'une seule pièce avec la poutre 12. [0069] En outre, les traverses ont une forme de « U ». Leurs extrémités comprennent un montant vertical qui s'élève au-dessus de leur bord supérieur 22,25. Ainsi, dans la 6 position d'usage de la figure 1, les bords supérieurs 18 des poutres 12 sont au-dessus des bords supérieurs 22,25, coplanaires, des traverses 14, 15. Le deuxième outillage a la forme d'un panier. [0070] Les plots 11 ont une hauteur supérieure à celles des plots 11 du premier outillage, de sorte qu'il permette d'absorber la profondeur du panier, sans gêner les pièces qui sont prévues pour être posées sur le premier outillage. [0071] Pour diminuer le nombre de composants élémentaires, on peut aussi utiliser un seul type de plots ayant une hauteur unique. Un ou plusieurs châssis 20 peuvent alors être intercalés et empilés entre deux outillages, afin de surélever l'un des outillages par rapport à l'autre. [0072] On va maintenant décrire le troisième outillage 8 en référence à la figure 1. [0073] Dans l'exemple illustré, le troisième outillage sert au traitement de pièces cy- lindriques 2, disposées verticalement afin de limiter leurs déformations au cours du traitement thermiques qu'elles doivent subir. [0074] Le troisième outillage 8 comprend une première partie 52 constituée d'un plateau d'un type similaire à celui du premier outillage 6, sur lequel repose la hase des pièces 2. Il comprend aussi une deuxième partie 53, destinée à tenir la partie supérieure des pièces 2. [0075] La deuxième partie 53 comprend : [0076] - des colonnes tubulaires 56 ; [0077] - des noyaux cylindriques 57 ; et, [0078] - une plaque de maintien 58. [0079] Chacune des colonnes 56 est en prise avec un pion 46 d'un plot 11 respectif et qui s'étend verticalement vers le haut depuis la face supérieure 41 de ce plot. Un noyau 57 est ajusté dans chacune des colonnes 56 et s'étend au-dessus du pion 46 à l'intérieur de la colonne. Les dimensions du noyau sont telles qu'il dépasse de l'extrémité supérieure 60 de la colonne et peut servir à y emboiter une colonne supplémentaire. [0080] La plaque est sensiblement rectangulaire Elle comprend, à chaque angle, un trou 61 prévu pour y emboîter un noyau. De cette façon la plaque est maintenue horizontalement par les noyaux 57 qui traversent les trous 61 ; elle est aussi maintenue verticalement par les colonnes sur les extrémités 60 desquelles elle repose. [0081] La plaque est régulièrement percée de passages 62 circulaires. Chaque pièce 2 passe au-travers d'un passage 62 respectif, qui maintien ainsi la tête de la pièce. [0082] Une deuxième plaque d'un même type peut être prévu, de préférence entre la première partie 52 et la première plaque 58, de façon à s'assurer que les pièces resteront effectivement verticales. [0083] Toujours pour optimiser l'usage de chacun des éléments constitutifs des outillages, dans l'exemple illustré, les colonnes sont en graphite et la plaque est constituée de 7 CFC ou de fibres céramiques dans une matrice céramique. [0084] Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. Au contraire, l'invention est définie par les revendications qui suivent. [0085] Il apparaîtra en effet à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. [0086] Les dimensions des différents composants peuvent varier, notamment en fonction des dimensions des pièces à traiter ou de la constitution de la charge, par exemple le nombre de niveaux superposés. Par exemple, les plots peuvent comprendre plus de deux rainures ou plus de deux fentes. [0087] Ainsi, on peut imaginer des outils différents, comprenant des composants différents adaptés au four ou l'enceinte dans laquelle doit se faire le traitement ou bien au type de pièce à traiter. [0088] On peut aussi utiliser d'autres matériaux que ceux précédemment cités. Par exemple, on peut utiliser du quartz, pour réaliser des tringles, destinées à y suspendre des pièces, ou y enfiler des pièces annulaires. [0089] Les interfaces, plus sensible à l'usure et à l'érosion, peuvent aussi être en quartz. [0090] Un système d'outillage modulaire selon l'invention a une durabilité améliorée, permettant ainsi une augmentation du nombre de pièces produites dans des conditions satisfaisantes, donc une réduction du coût d'outillage à la pièce produite. [0091] Un système d'outillage modulaire selon l'invention, basé sur des composants élé- mentaires « standardisés » permet de réaliser de multiples combinaisons, en fonction de la typologie de pièces à traiter et des impératifs techniques à satisfaire. Il permet, sur la base des composants « élémentaires » de réaliser des sous-ensembles adaptés à chaque cas de figure. [0092] Ainsi, les avantages d'un système selon l'invention sont notamment : [0093] - l'association de composants « élémentaires » qui peuvent être combinés suivant les besoins, permettant une très grande diversité de combinaisons ; [0094] - des éléments facilement remplaçables, car démontables, notamment en cas de casse, d'une partie d'un outillage, seule celle-ci est à remplacer ce qui représente une grande économie ; [0095] - des interfaces peuvent permettre d'adapter, dans une certaine mesure, l'outillage de traitement aux pièces, par exemple à l'aide de positions prédéfinies, par exemple avec les encoches précédemment décrites ; [0096] - le même principe est utilisable pour différentes tailles de fours de traitement, de nombreux composants élémentaires étant communs, et il est possible de faire évoluer le système avec la taille des fours ; [0097] - Il permet d'associer différents matériaux en fonction des propriétés recherchées, 8 notamment : [0098] - des métaux, réfractaires ou pas ; des CFC, avec ou sans imprégnation ; du graphite ; des céramiques, massives ou sous formes de plaques avec fibres ag- glomérées ; du quartz ; ou, d'autres matériaux. [0099] Pour des outillages équivalents, l'utilisation d'un système modulaire selon l'invention permet un gain de poids qui peut atteindre 90% et un coût d'usage qui peut être réduit de 50%. 9 REVENDICATIONS[Revendication 1] Système d'outillage (1) pour y disposer des pièces (2) destinées à subir un traitement thermique, comprenant plusieurs composants élémentaires (11-15, 56-58) assemblables entre eux, ledit système comprenant au moins deux composants, chacun dans un matériau différent, dont des éléments de transfert vertical de charges (11,56) et des éléments de transfert horizontal de charges (12,58), caractérisé en cc que les éléments de transfert vertical de charge (11) sont en graphite et/ou les éléments de transfert horizontal de charge sont en un matériau composite, de préférence ayant une matrice carbone ou céramique. [Revendication 2] Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que des éléments de transfert vertical des charges sont des plots (11) et en ce que des éléments de transfert horizontal des charges sont des poutres (12) destinées à être assemblées avec lesdits plots de façon à former un châssis. [Revendication 3] Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que des éléments de transfert vertical des charges sont des colonnes (11) et en ce qu'un élément de transfert horizontal des charges est une plaque destinée à reposer sur les colonnes, ladite plaque étant de préférence en un composite céramique et fibres agglomérées. [Revendication 4] Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend parmi les éléments, au moins un élément en quartz. [Revendication 5] Système selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'un élément (14, 13, 12) comprend des moyens (19, 23, 27) pour y positionner un autre élément (15, 14, 12), lesdits moyens de positionnement offrant un choix de plusieurs positions relatives possibles entre lesdits éléments. [Revendication 6] Système selon l'une des revendications précédente, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (13, 19, 23, 27, 47, 49, 57, 61) pour assembler et désassembler des éléments entre eux.