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CA 02634944 2008-06-25
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Outillage pour le matriçage au pilon
La présente invention concerne le matriçage de pièces métalliques au
moyen d'un pilon, plus particulièrement le matriçage de pièces annulaires
et vise un moyen de sécurisation lors de l'opération de matriçage.
La forge par matriçage consiste à former par déformation plastique des
pièces ébauches portées initialement à une température appropriée. Ces
pièces sont réalisées en alliages non ferreux tels que les alliages
d'aluminium, de cuivre, de titane, de nickel, etc.
Le matriçage est donc une opération de forge effectuée à l'aide d'un
outillage comprenant des matrices : une demi-matrice supérieure et une
demi-matrice inférieure que l'on rapproche l'une de l'autre. Les matrices
sont gravées à la forme de la pièce.
Dans le domaine des turbomachines aéronautiques, on fabrique par cette
technique de matriçage notamment des disques de turbine. Les pièces
concernées sont de forme annulaire et sont dites débouchées, c'est-à-dire
avec une ouverture centrale. Elles sont en outre relativement légères, de
l'ordre de 100 kg pour un disque de turbine.
Plus précisément, un pilon comprend deux éléments de bâti fixes
supportant chacun un porte insert et un insert ou matrice. Le porte insert
supérieur guidé par des colonnes verticales est entraîné à une vitesse de 1 à
2 m/s contre le porte insert inférieur sur la matrice duquel on a disposé
l'ébauche à taper. Les deux matrices sont convenablement gravées pour
donner la forme souhaitée. Quand les deux demi-matrices entrent en
contact par l'intermédiaire de la pièce, toute l'énergie est transmise à la
matière de celle-ci. Une partie est absorbée par la déformation plastique du
métal, une partie est transformée en chaleur et une autre partie est
transformée en énergie mécanique. Cette dernière résulte du contact entre
les deux inserts qui se produit après quelques coups après que la pièce s'est
en partie déformée. En raison de l'élasticité du métal constituant les inserts
cette énergie mécanique est transmise des inserts à la pièce. Lorsque le
porte insert reprend sa course vers le haut, la pièce est libérée et a ainsi
tendance à sauter et rebondir. Sur les matrices connues, lors du rebond, la
pièce peut sortir de la gravure, glisser sur l'insert, voire tomber hors de la
matrice. La pièce peut aussi se retourner lors du rebond.
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Dans ces deux cas la présence d'un compagnon de forge à proximité de la
machine est nécessaire pour remettre la pièce en place.
Une solution est de mettre en oeuvre une matrice avec cuvette. Cette
solution est avantageuse car applicable également aux pièces non
annulaires, mais l'outillage est cher en raison principalement du surcoût
matière ; en outre l'accès à la pièce est plus difficile car elle se situe au
fond de la cuvette. Ainsi malgré ses avantages cette solution n'est
globalement pas satisfaisante.
Un premier objectif de l'invention est de trouver un moyen relatif au
matriçage d'une pièce annulaire qui, lors d'un rebond de la pièce, permet à
celle-ci d'être retenue sur l'outillage.
L'invention a comme autre objectif de trouver un moyen qui est également
susceptible de retenir la pièce au centre l'outillage après le rebond.
L'invention a comme autre objectif d'empêcher le retournement de la
pièce.
On atteint les objectifs ci-dessus avec un outillage pour le matriçage au
pilon d'une pièce annulaire comprenant un porte insert inférieur, avec une
matrice inférieure, coopérant avec un porte insert supérieur et une matrice
supérieure, les deux matrices comprenant une cavité annulaire de
matriçage. L'outillage est caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen
de guidage de la pièce limitant ses déplacements latéraux lorsque celle-ci
est soulevée depuis la matrice inférieure.
En disposant un tel moyen de guidage sur l'outillage on assure le maintien
de la pièce sur celui-ci quand il vient à être projeté en l'air. On protège
ainsi le personnel qui se tient à proximité du pilon. On réduit aussi
sensiblement les risques d'endommagement des pièces par des rebonds
d'amplitude incontrôlée. La solution de l'invention permet indirectement
d'appliquer une puissance par le pilon plus élevée que dans l'art antérieur,
lorsque cela est requis pour certaines pièces. Avec les pilons de l'art
antérieur en effet en cherchant à éviter les rebonds on limite au contraire le
niveau de puissance appliquée. Cette élévation de niveau de puissance a un
effet sur la qualité de la pièce.
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Avantageusement le moyen de guidage comprend une colonne ménagée
entre les deux matrices disposée à l'intérieur de la couronne formée par la
cavité annulaire. Une colonne centrale présente l'avantage de ramener la
pièce dans la cavité de matriçage lorsque le rebond l'entraîne contre la
colonne, et évite ou limite l'intervention du compagnon de forge. Cela
réduit encore les risques liés à la manipulation de pièces lourdes et à haute
température. En particulier, la hauteur de la colonne est au moins égale à la
hauteur de rebond de la pièce. La disposition centrale en limitant le
déplacement de la pièce empêche également son retournement par le
rebond.
De préférence la colonne est solidaire de la matrice inférieure. Notamment
la matrice inférieure comprend un alésage, ménagé dans l'axe de la
couronne formée par la cavité de matriçage, dans lequel est logée la
colonne. Un moyen de calage est par exemple constitué par une collerette
de calage axial, dont est pourvue la colonne coopérant avec un logement
ménagé dans la matrice inférieure.
Pour assurer un fonctionnement optimum la colonne est fixe et la matrice
supérieure comprend un alésage pour la réception de la partie supérieure de
la colonne. En particulier l'orifice ménagé dans la matrice supérieure
comprend un cône de centrage.
L'invention porte également sur le procédé de matriçage au pilon d'une
pièce annulaire consistant à disposer un outillage de l'invention dans le
pilon puis à frapper la pièce au moyen de l'outillage.
La demanderesse connaît le document DE 10356269 qui porte sur une
presse pour le thixoformage de métal à l'état fluide ou pâteux. Dans un
mode de réalisation, une colonne, disposée au centre de la pièce annulaire à
former, coopère avec des éléments d'étanchéité pour contenir le métal en
cours de déformation. La colonne dans ce type de presse ne remplit aucune
fonction de guidage ni de rétention de la pièce car il ne se produit aucun
rebond, les vitesses de déplacement étant très faibles, inférieures à 0,1 m/s.
D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit
d'un mode de réalisation de l'invention accompagnée des dessins sur
lesquels
- La figure 1 montre schématiquement un pilon ;
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- La figure 2 montre en coupe un outillage de l'invention avec une
matrice inférieure et une matrice supérieure percées d'un orifice central
pour respectivement le logement et le guidage d'une colonne de centrage.
- La figure 3 montre l'outillage de l'invention monté sur un pilon.
Comme on le voit sur la figure 1 un pilon 1 comprend un bâti fixe inférieur
2 et un bâti fixe supérieur 3 au dessus de celui-ci. Les deux bâtis supportent
chacun un outillage. L'outillage inférieur 20 comprend un porte insert 21 et
un insert ou matrice 22. L'outillage supérieur 30 comprend un porte insert
31 et un insert ou matrice 32. Les matrices sont fixées dans leur porte insert
respectif de façon amovible soit par frettage soit au moyen de clavettes. Les
deux matrices 22 et 32 comportent chacune une cavité de matriçage et
ménagent entre elles, lorsqu'elles sont posées l'une sur l'autre, le volume
de la pièce à obtenir. Un mécanisme approprié assure le déplacement des
deux porte inserts, l'un en direction de l'autre. La pièce P est frappée et
mise en forme dans la cavité de matriçage. Des colonnes 34 montées sur la
porte insert supérieure coopèrent avec des alésages 24 ménagées dans le
porte insert inférieur pour assurer le centrage des deux matrices l'une par
rapport à l'autre.
L'outillage conforme à l'invention est représenté à la figure 2. Sur cette
figure on voit deux matrices 122, 132, disposées l'une au dessus de l'autre :
la matrice supérieure 132 au dessus de la matrice inférieure 122. Les deux
matrices sont en forme de disque et gravées en surface d'une cavité
annulaire 122a et 132a respectivement. Les deux cavités 122a et 132a sont
coaxiales et définissent entre elles une cavité annulaire d'axe XX
perpendiculaire au plan des disques de matrice. La cavité 122a-132a
correspond à la forme de la pièce après qu'elle a été frappée entre les deux
matrices.
Les deux matrices sont alésées en leur centre. L'alésage 122b traversant de
la matrice inférieure 122 est cylindrique d'axe XX de rayon R1 avec un
élargissement 122c de rayon R2 >R1 dans sa partie inférieure.
L'alésage 132b traversant de la matrice supérieure est cylindrique d'axe
XX de rayon R' légèrement supérieur à R. Sur la partie basse de la matrice,
l'alésage comprend une portion évasée 132c formant cône de centrage.
Sur la figure, une colonne 140 est engagée dans l'alésage 122b. La colonne
comprend une collerette 140a sur sa partie inférieure dont la forme
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correspond à la partie élargie 122c de la matrice inférieure. La colonne est
de diamètre R et sa hauteur H est déterminée par le rebond attendu de la
pièce frappée.
5 Le fonctionnement du pilon est le suivant. On a représenté sur la figure 3
la
matrice inférieure 122 équipée de la colonne 140 et contenue dans son
porte insert. La colonne 140 est maintenue en place par la collerette qui est
immobilisée entre l'insert et le fond du porte insert.
La matrice supérieure 132 est montée sur le porte insert supérieur en vis-à-
vis de la matrice inférieure. Dans cette position, l'alésage 132b se situe
dans le prolongement de la colonne 140. Le porte insert supérieur est
équipé de colonnes 134 de guidage et de centrage qui coopèrent avec des
alésages ménagés dans le porte insert supérieur. Ces colonnes ont pour
fonction d'assurer un positionnement correct des deux matrices l'une par
rapport à l'autre au moment de la frappe de la pièce.
On place la pièce ébauche E sur la matrice inférieure dans la cavité 122a et
on actionne le mécanisme de frappe. La matrice supérieure est entraînée
contre la matrice inférieure. Lors du déplacement de la matrice supérieure,
la partie saillante de la colonne est engagée dans l'alésage 132b.
L'introduction de la colonne 140 dans l'alésage est facilitée par le cône de
centrage. En outre le rayon de l'alésage de la matrice supérieure est
suffisant par rapport à celui de la colonne pour éviter les frottements
intempestifs.
La vitesse de déplacement de la matrice supérieure est de 1 à 2 m/s.
Par l'énergie appliquée, la pièce est mise à la forme des cavités 122a-132a.
Dans le même mouvement la matrice est relevée et la pièce rebondit sur
une certaine hauteur qui est fonction de l'énergie mécanique qui lui a été
transférée. La pièce annulaire se déplace vers le haut et bascule sur un côté.
Ce mouvement de basculement est arrêté par la partie saillante de la
colonne. La pièce retombe dans la zone centrale de la matrice inférieure. Si
la pièce n'est pas retombée dans la cavité annulaire 122a, l'opérateur peut
aisément la manipuler pour la placer correctement sans risque. La hauteur
de la colonne est suffisante pour que la pièce ne soit pas projetée par-dessus
elle.
