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La présente invention concerne des perfectionnements
aux procédés et dispositifs d'extrusion hydrostatique continue.
On sait, depuis les travaux de P.W. BRIDGMAN, que la
ductilité de beaucoup de métaux et alliages croit lorsqu'on
lcur applique une pression croissante et qu'on peut les déformer
sans fracture, et, notamment les extruder au travers d'une
filière, sous des pressions très élevées. Ces travaux ont été
publiés, en particulier, dans l'ouvrage "Large Plastic Flow
and Fracture " pub].ié par Mc GRAW-HILL, New York, en 1952 et
ont fait l'ob~et du brevet US 2.558.035.
Mais, toutes les tentatives pour mettre en oeuvre
l'effet BRIDGMAN, en vue d'extruder une ébauche de longueur
indéfinie, se sont heurtées à la complexité des appareillages
et n'ont pas abouti jusqu'à présent, à une exploitation indus-
trielle.
Dans ses bre~ets FR 2.320.~13 et FR 2.373.339, la
demanderesse a décrit un procédé et un appareillage ouvrant
la voie à une mise en oeuvre i.ndustrie].le cle l'extrusion hydro-
statique d'une ébauche de longueur indéfinie. Selon le premier
de ces brevets, l'ébauche à extruder est tout d'abord conformée
poùr faire apparait.re cleux faces plates sensiblement parallèles,
puis introcluite dans un canal formé par deux organes coaxiaux
en mouvement re].ati~, l'organe mobile dit "rotor", portant une
saignée de révolution plus profonde que large, tracée à sa
surface et comportant deux faces latérales sensiblement parallè-
les, l'autre organe dit"stator" formant avec la saignée un
callal obturé par un ergot solida:ire cle l'oryane fixe et portant,
au moins, une filière. L'ébauche, entourée sur toutes ses faces
par un liquide visqueux, est entrainée vers la filière par les
forces développées dans le fluide par le rotor, sans qu'il y
ait cle contact direct, méta] sur métal, entre ].'ébauche et les
parois du rot.or, contrairement à ce qui se produisait dans les
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procédés antérieures, tels que ce]ui décrit dans les brevets
français 2.123.843 et 2.197.665.
Selon le second de ces brevets, 2.373.339, qui consti-
tue un perfectionnement du premier, l'ébauche à extruder est
appliquée sur les parois ou le fond de la saignée pratiquée
dans le rotor, sous l'action du fluide visqueux, de façon telle
que ladite ébauche soit entralnée par le rotor sans glissement,
en direction d'une chambre d'extrusion d'où elle est spontanément
extruclée au travers d'une filière.
Le fluide visqueux est amellé au-dessus du produit à
extruder, à ]a pression d'extrusion au voisinage de la filière
et à des pressions plus faibles en un ou plusieurs points situés
entre l'entrée du produit et la filière. La répartition de la
pression du fluide visqueux au-dessus du produit est telle que
l'adhérence des deux génératrices du produit au contact avec les
Elancs de la saignée trapézoïdale est suffisante pour assurer
l'entralnement du produit par contact métal-métal, sans glisse-
ment par rapport au rotor.
Dans ce dispositif, on a, de plus, disposé à filière
hors de la saignée, ce qui permet de la rendre plus accessible et
de la dimensionner plus largement. De la sortie de la saignée
jusqu'à la filière, le produit traverse une chambre ménagée
dans le stator où règne la pression d'extrusion, dite chambre
isostatique.
Bien que ces procédés et le dispositif de mise en
oeuvre Eonctiollnent de fa~on tout à fait satisfaisante, un
certain nombre d'inconvénients sollt apparus, en particu]ier en
ce qui concerne la puissance de pompage du liquide visqueux.
~n efEet, la pression du travail peu~ atteindre 1600 MPa et le
débit de fuite moyen du fluide visqueux est de l'ordre de 25 à 30
millilitres par seconcle Compte tenu du rendement, cela cor-
respond à une puissance de pompage qui se situe dans la gamme
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de 50 à 100 kilowatts. En outre, sous cette pression élevée,
les multiplicateurs de pression a gros débits sont soumis a
un travail très dur et l'ensemble de l'appareillage nécessite
un entretien relativement important et onéreux.
L'objet de la présente invention est un perfectionne-
ment du procédé et du dispositif d'extrusion hydrostatique qui
viennent d'être décrits.
Selon la présente invention, il est prévu un
procédé d'extrusion hydrostatique continue d'un premier objet,
dit ébauche, de longueur indéfinie, en un second objet, de
longueur également indéfinie mais de section différente, dans
lequel l'ébauche entourée d'une quantité substantielle d'un
fluide visqueux est introduite dans une saignée taillée dans
un rotor recevant directement par un moyen d'introduction
le fluide moteur engendrant, par une pénetration progressive
du couvercle dans la saignee, une pression progressive crois- ~ -
sante du point d'entrée a la pression ambiante jusqu'à la cham-
bre isostatique o~ regne la pression d'extrusion et assurant
une adhérence suffisante pour que le mouvement du rotor
2Q entralne ladite ébauche avec un glissement négligeable de
l'amont à la pression ambiante jusque vers l'aval, a l'entrée
de la chambre isostatique d'où elle s'échappe par extrusion
hydrostatique a travers, au moins, un orifice de filiere!
caractérisé en ce que le fluide visqueux situé dans la saignée
est choisi parmi les substances solides, liquides, liquéfiées,
pâteuses, pulvérulentes possédant une aptitude a l'écoulement
dans les conditions de température et de pression régnant
dans la saignée et dans la chambre isostatique et possede une
viscosité supérieure a celle du fluide situé au voisinage
de la filiere.
B - 3 -
~ ,
llZ3~
Ainsi le procédé selon l'invention autorise des jeux
de fonctionnement entre rotor et stator plus importants, sans
augmenter le debit de fuite. En outre, le fait que le fluide
moteur, introduit initialement sous pression faible ou nulle,
est amene sous la haute presslon necessaire sous l'effet de
la rotation du rotor, permet de supprimer les multiplicateurs
de pression coûteux et relativement fragiles.
Parmi les substances convenant a la mise en oeuvre
de l'invention, on peut citer des sels d'acides gras (tels
qu'oleates, sebacates, palmitates, stearates), et, en parti-
culier, le stearate de calcium, des poudres minérales ou
organiques, par exemple des poudres en granulés de chlorure de
polyvinyle, de polyoléfines, de polytétrafluorocarbone etc...
En ce qui concerne le fluide situé dans la chambre
isostatique, on peut lui conférer une viscosité inférieure a
celle du fluide moteur situe dans la saignee, par plusieurs
moyens, soit en chauffant la chambre isostatique, soit en
refroidissant la saignee, soit encore en introduisant dans la
chambre isostatique un fluide ayant, par nature, une viscosité
inférieure a celle du fluide moteur situé dans la saignée. Ce
fluide peut être un liquide, tel q'un hydrocarbure liquide,
mais aussi un gaz liquéfié sous la pression regnant dans la
chambre isostatique : par exemple du butane, du propane, du
dioxydè de carbone.
Par ailleurs, la mise en oeuvre du procédé étant liée
a la viscosité des fluides utilisés et la viscosité étant elle-
même dépendante, sous une pression donnée, de la température,
il est important de pouvoir maintenir la température du ou des
fluides, aussi bien dans la saignée que dans la chambre isostati-
que a une valeur convenable, soit que l'on chauffe pour diminuerla viscosite, soit que l'on refroidisse pour eliminer la chaleur
degagee par le processus d'extrusion et augmenter la viscosite
du ou des fluides.
B 4 _
,.
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DiEférentes dispositions annexes facilitent la mise
en oeuvre du procédé :
- le fluide moteur est introduit dans la saignée par, au moins,
un orifice pratiqué dans le stator, par un dispositiE de type
connu ;
- l'excès éventuel de fluide moteur peut être évacué par, au
moins, l'un des orifices pratiqués dans le stator ;
- le fluide moteur s'échappant de l'appareil par les différentes
fuites indispensables à son fonctionnement peut être récupéré
et réintroduit dans le circuit générateur de haute pression;
- grâce à la présence d'un stator composé de deux éléments
identiques, on peut extruder simultanément deux ébauches ;
- grâce à la présence d'un rotor comportant, au moins, deux
saignées coiffées d'un couvercle en au moins deux éléments,
faisant chacun fonction de stator, on peut extruder simultané-
ment au moins deux ébauches ;
- l'ébauche peut être constituée de plusieurs éléments distincts
introduits conjointement dans la saignée du rotor et forte-
ment pressés ensemble ]ors de leur passage dans la filière
d'extrusion.
Selon la présente invention, il est aussi prévu un
dispositif d'extrusion hydrostatique continue d'un premier objet
dit ébauche, de longueur indéfinie, en un second objet de
longueur également indéfinie, mais de section différente, dans
lequel deux organes coaxiaux coopérant, l'un mobile, dit rotor
~ portant, tracée à sa surface, une saignée de révolution recevant
l'ebauche à extruder, l'autre fixe dit stator, formant un premier
secteur de la saignée contenant l'ébauche et un fluide moteur,
un couvercle sensib].ement étanche vis-à-vis dudit fluide, le
stator comportant également dans un deuxième secteur de la
salgnée, située en aval du précédent, un relief dit ergot,
obstruant en tota]ité la section de ]a saignée et exactement
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ajusté à celui-ci pour la rendre suffisamment étanche vis-à-vis
du fluide visqueux, le stator comportant un moyen d'alimentation
de ]a saignée en fluide moteur, ainsi qu'un orifice situé en face
du premier secteur de la saignée, au voisinage du second secteur
et débouchant, par un conduit allongé traversant le stator,
dans une chambre isostatique communiquant vers l'extérieur au
travers d'au moins un orifice de filière, le moyen d'alimentation
en fluide moteur engendrant dans le prernier secteur de la saignée
un gradient de pression du point d'entrée, à la pression ambiante,
jusqu'à l'entrée du conduit débouchant dans la chambre isostati-
que où règne la pression d'extrusion, caractérisé en ce qu'il
comporte des moyens de régulation de la température de chaque
fluide.
La chambre isostatique peut être munie d'un orifice
obturable qui peut être raccordé à un moyen d'injection, sous
; pression, d'un fluide d'une viscosité inférieure à celle du fluide
moteur.
Par source de simplification, nous désignons par le
terme de "fluide" toute substance liquide ou liquifiée, pâteuse
ou pulvérulente ou même solide, possèdant dalls les conditions
de température et de pression règnant dans le dispositif une
aptitude à l'écoulement.
Les figures et les exemples qui suivent, permettront de
préciser la mise en oeuvre de l'invention.
Les figures 1 et 2 montrent deux profils de la saignée
dans laquelle l'ébauche est entralnée.
La figure 3 represente La filière au travers de laquelle
l'ébauche est extrudée.
La fiaure 4 montre la disposition générale du dispositif
d'extrusion selon l'invention.
La figure 5 schématise l'évolution de la pression
dans la saignée.
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L'ébauche 1 est disposée dans la saignée à section
trapézoidale 2 pratiquée dans le rotor 3. Dans ce cas, l'ébauche
s'appuie sur les flans de la saignée, mais e:l.Le est entralnée
sans glissement, c'est-à-dire sans :Eriction métal sur métal.
La pression de ~1uide est générée par le redan en spirale
4 du stator, comme dans le brevet FR 2.310.813. Mais il est
également possible d'adopter une saignée 5 à faces parallèles
(figure 2), dans laquelle l'ébauche est entièrement entourée
par le fluide moteur, sans contact entre l'ébauche et les
parois de la saignée.
Le stator 6 peut comporter un ou plusieurs orifices 7
reliant localement la saignée du rotor à un conduit radial 8.
On peut ainsi ajuster la pression dans la zone correspondante
de la saignée en injectant par l'orifice ou les orifices 7 un
complément de fluide moteur, ou, au contraire, en permettant
l'échappement d'un excédent.
On a découvert que le flui.de moteur pouvant ne plus
être obligatoirement un "flui.de" au sens classique du terme, mais
toute substance liquide, liquifiée, pâteuse ou pulvérulente,
ou même solide, possèdant dans les conditions de température
et de pression règnant dans la saignée et dans la chambre
d'extrusion, une aptitude à l'écoulement. En particulier, on a
découvert qu'un certain nombre de poudres et notamment les sels
d'acides gras, possédaient sous les pressions mises en oeuvre,
de l'ordre de plusieurs milliers de bars, une aptitude à l'écoule-
ment qui permet leur emploi à la fois comme agent de transmis-
sion de la pression hydrostatique et comme agent moteur de
l'ébauche à extruder, mais, du fait de leur "viscosité" très
élevée, pour autant qu'on puisse parler de viscosité dans le cas
d'une substance qui n'est pas réeLlement fluide, le débit de
fuite au niveau des différents jeux de fonctionnement est
extrêmement faible . Comme la puissance du groupe de pompage
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est égale (au rendement près) au produ;t du débit de fuite par
la pression, il en résulte que la puissance nécessaire est
abaissée de façon considérable par rapport à celle qui est
nécessaire dans le cas d'un fluide visqueux classique, tel que
]es huiles naturelle$ ou synthétiques.
De même, des poudres ou yranulés de chlorure de poly-
vinyle, de polyoléEines (polyéthylène), polytétrafluorocarbone,
conviennent pour la mise en oeuvre de l'invention.
Cependant, il est parfois difficile de concilier dans
le même fluide les caractéristiques différentes exigées par
l'étanchéité, d'une part, (faib)e débit de fuite) et par l'extru-
sion d'autre part (aptitude du fluide à la lubrification de la -~
filière).
Il est alors possible d'utiliser soit un meme fluide
sous deux états différents, soit deux fluides différents, par
exemple une poudre de stéarate comme fluide moteur et un produit
à plus faible viscosité dans la chambre isostatique 9 au voisinage
de la filiëre 10 injecté, par exemple, par l'oriEice 11. Ce
fluide peut être un hydrocarbure liquide quelconque, des huiles
naturelles ou synthétiques, ou même du simple pétrole (également
appelé kérosène).
Comme, par ailleurs, la viscosité d'une substance
diminue, sous une pression donnée, quand la température s'élève,
il peut être avantageux de munir le dispositif d'extrusion de
moyens connus pour porter la température du fluide, localement
ou dans son ensemble, à une valeur convenable. C'est ainsi que
l'cn peut, soit chauEEer la chambre isostatique, soit refroidir
la saignée (et, éventuellement l'ébauche), de façon que le fluide
situé dans la saignée ait une viscosité supérieure à celle
du fluide situé dans la chambre isostatique, conformément à
l'invention. Si le fluide visqueux est du stéarate de calcium,
on peut, par exemple, chauffer la chambre isostatique au voisinage
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ou au-dessus de son point de fusion qui est 180~C. On peut,
accessoirement, refroidir la filière qui a généralement
tendance à s'échauffer par le processus même d'extrusion. De
meme, dans certains cas, il peut être avantageux de préchauffer
l'ébauche pour augmenter son aptitude à la dé~ormation. Dans
le cas où l'on injecte dans la chambre isostatique, au voisinage
de la filière, un fluide différent de celui qui est dans la
saignée, il faut utiliser pour celà un petit multiplicateur de
p~ession. Mais, il faut remarquer que ce multiplicateur
travaille à pression é]evée sous un faible débit, car il n'y
a à ce niveau aucune autre fuite que le mince film de fluide
entra;né par le produit extrudé et qui sert à lubrifier la
filière et cette fuite est très faible.
EXEMPLE 1
.
Dans un dispositif conforme à celui des figures 2 et
4, on a introduit une ébauche en cuivre de 10 millimètres de
diamètre, entra;née à une vitesse de 0,50 mètres par seconde~
Le fluide moteur est de la poudre stéarate de calcium. On a
injecté, en outre, dans la chambre isostatique par l'orifice
11, au voisinage de la filière 16 du pétrole (kérosène) sous
une pression de 1500 MPa.
La partie active du rotor, schématisée sur la figure
5 par la partie épaissie du cercle extérieur, a une ]ongueur de
2,S mètres et la saignée a une section de 80 x 10 mm à l'entrée,
diminuant progressivement, selon le schéma figure 6, jusqu'à
20 x 10 à l'entrée du canal 12, conduisant à la filière, dont
le diamètre de sortie est de 2 mm, cette disposition assurant
le gradient de ~ression le long de la saignée jusqu'à la chambre
isostatique.
La poudre est injectée par l'orifice 13 sous une
pression faible ou nulle qui augmente jusqu'à environ 1500 MPa à
l'entrée du canal 12.
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L'ébauche avance avec le rotor car la Lorce d'adhérence
de l'ébauche dans la poudre est supérieure à la poussée inverse,
qui tendrait à la faire recu]er, exercée sur elle par la pression
de 1500 MPa. On estime que la force d'adhérence de la poudre
sur les parois de la saignée est, en moyenne, supérieure à 200
newtons par cm2 de surEace de contact. L'effort exercé par
la poudre pour faire avancer l'ébauche est donc supérieur à
3,14 x 1 x 250 x 200 = 15,7.10 N.
L'effort exercé par la pression d'extrusion et
s'opposant à l'avance de l'ébauche est : 1,5.109 Pa x 0,785.10 4
m2 = 11,8.10 N.
La comparaison de ces deux résultats montre que l'en-
tralnement de l'ébauche par la poudre, en l'absence du contact
direct métal-métal de l'ébauche sur les parois et/ou le fond
de la saignée, s'effectue avec un coefficient de sécurité
largement suffisant (1198 x 100 = 33~). ;
Le Eond de la saignée peut alors avoir une forme
quelconque, ainsi d'ailleurs que le produit à extruder, à la seule
condition qu'il puisse être logé dans la saignée 5.
XEMPLE 2 :
On a opéré dans des conclitions identiques à celles de
l'exemple 1, mais l'oriEice 11 a été obturé et on a chauffé la
zone de la chambre isostatique de façon à porter sa température
à 180~C, correspondant au point de liquéfaction commençante
du stéarate de calcium.
On a obtenu, sans difficulté et sans grippage de la
lilière, l'exteusion d'un ~il de 2 mm.
D'autres types de poudres, en particulier, les sels
d'acidcs gras peuvent être utilisés comme "fluide visqueux" dans
des conditions comparables à celles qui viennent d'être décrites.
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