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PROCEDE DE,CONFORMATION A FROID .DE METAUX ET AUTRES MATIERES AYANT)UNE ;LIMITE
D'ETIRAGE PRONONCEE.
Les métaux sont transformés suivant les procédés connus par usi- nage ou façonnage avec ou sans enlèvement de copeaux pour obtenir des pié- ces de forme déterminée., La conformation sans enlèvement de copeaux se fai- sait jusqu'à présent soit après un fort chauffage préalable du corps ini- tial, soit, dans le cas de la conformation à froid, en utilisant des pres- sions relativement grandes.
Dans le premier cas on utilise des marteaux et des presses de forgeage, tandis que dans le second cas on se sert de presses à emboutir et à estamper et de machines analogues.
L'invention est basée sur la considération que la conformation à froid de métaux doit être possible avec un très faible travail, à condi- tion que le métal puisse être amené, pendant la conformation, à un état étirable ou coulable permanent sous lequel les fortes résistances internes existant ordinairement dans le corps solide en métal sont éliminées dans une large mesure. Un moyen connu pour diminuer les résistances internes du fer forgé, de l'acier et d'autres métaux consiste à chauffer la pièce à con- former.
Mais le chauffage nécessaire exige beaucoup de temps et de chaleur, de sorte qu'il est inéconomique, Des limites relativement étroites sont é- galement imposées à la conformation à chaud par le refroidissement se produi- sant au cours du processus de conformation et de l'augmentation impliquée de ce fait des résistances interneso En outre, il se produit une forte oxy- dation de la surface du métal avec les conséquences indésirables bien con- nues. Enfin, malgré le chauffage préalable, des pressions toujours très im- portantes sont encore nécessaires pour conformer la matière à chaud.
On a aussi utilisé avec succès la conformation plastique de mé- tal,notamment d'acier, seulement dans une mince couche superficielle pour imprimer dans la matière, par des pressions dites superficielles, par exem- ples des filetages, au moyen d'un cylindre d'impression, ou également pour
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obtenir seulement une compression de la couche extérieure de la matière.
On a constaté que l'on peut augmenter essentiellement par ce procédé la du- rée d'existence de pièces mécaniques soumises à de fortes sollicitations.
Mais ce procédé de conformation à froid ne peut aussi être exécuté qu'en utilisant une grande force agissant sur une petite surface.
Les procédés connus ont, en outre, ceci de commun que la con- formation d'une pièce métallique ne peut être poussée que jusqu'à une me- sure déterminée de changement de forme, car lorsque la limite d'étirage de la matière est dépassée, il se produit des fissures et ruptures quand la matière coulant ne peut plus suivre les forces de changement de forme, par- ce que la cohésion interne des couches de la matière se relâche déjà.
On appelle état plastique ou conformable l'état de corps soli- des sous lequel ils peuvent modifier leur forme de façon permanente dans une forte mesure sans relâchement notable de leur cohésion. Dans les mé- taux, les changements de forme plastiques sont basés principalement sur la déformation des divers corps cristallins dont la matière est constituée, due à ce qu'on appelle la translation ou formation de jumeaux. L'élévation de la température pendant la conformation à chaud facilite la formation de surfaces de glissement dans les corps cristallins, tandis qu'une grande vi- tesse de charge favorise la tendance à la rupture brusque. On sait, en ou- tre, que la même matière est cassante dans un état de tension déterminé, alors qu'elle permet des changements de forme plastiques dans un autre é- tat de tension.
En suivant l'idée sur laquelle l'invention est basée, qui est de faire passer une matière métallique à l'état plastique en éliminant les tensions internes dans une forte mesure et de conformer cette matière à froid dans cet état 'dans la mesure maximum, on a créé un procédé qui donne un nouveau moyen de conformation à froid avec une dépense minimum de force et'de temps. Le procédé conforme à l'invention permet l'augmentation brus- que de la faculté de glissement entre les grains cristallins à l'état froid de la matière. Le moyen pour obtenir cet état "superplastique" consiste à faire passer la pièce à conformer à un état oscillant imposé par des for- ces excitatrices extérieures, par exemple par un champ d'inertie fonction- nant à la cadence de la fréquence propre.
Ce procédé est en opposition ap- parente à la théorie admise de la résistance, selon laquelle des oscilla- tions permanentes conduisent à une désorganisation de la matière et fina- lement à la rupture de la pièce. Au contraire, dans le procédé selon l'in- vention, l'état plastique de la matière se produit brusquement dans la gam- me des oscillations critiques du premier, second ou troisième degré, de la pièce à conformer, de sorte qu'à partir de l'instant de l'écoulement la pièce peut être amenée à des formes très différentes par des forces extérieures extrêmement petites sans que la texture de la matière perde'de ce fait la cohésion interne.
Une propriété du procédé conforme à l'invention est, en outre, que la matière mise à l'état plastique par les oscillations imposées reste pendant un temps prolongé à l'état plastique après avoir été ramenée au-dessous de la fréquence des oscillations critiques, de sorte que la déformation amorcée dans la gamme critique peut aussi être continuée en dehors de cette gamme. On peut tirer une explication de cette transformation subite de l'état d'agrégat solide d'un métal en un état plastique ou vis- queux, sans chauffage préalable, de la considération suivante
Selon l'état actuel de la science, on admet que lors de la con- formation à chaud des métaux, des lois analogues à celles applicables dans le cas de liquides visqueux sont valables en ce qui concerne le frottement interne.
Il existe donc une relation de dépendance entre la résistance au changement de forme et la vitesse de ce changement de forme. Le procédé con- forme à l'invention donne un moyen de suivre ces lois dans un domaine inac- cessible jusqu'à présent. Des métaux sont amenés à froid à l'état d'agrégat visqueux ou "superplastiques", du fait que le corps métallique est soumis à des oscillations entrant dans la gamme des oscillations critiques. Dans cet état, le changement de forme s'effectue, suivant le procédé établi par
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l'invention, à une grande vitesse, étant donné que la pièce à conformer a déjà, au cours de l'opération, une grande vitesse périphérique de par exem- ple 20 m/s, à laquelle s'ajoute encore la déviation radiale impliquée par l'état d'oscillation.
Dans cet état de mouvement, dont à une très grande vitesse de changement de forme, la résistance au changement de forme baisse à une valeur si faible que de grands changements de forme sont possibles a- vec une très faible dépense de force, sans que la cohésion interne de la structure de la texture soit éliminée de ce fait. Cette constatation coin cide aussi avec le fait connu que la résistance au changement de forme a- baisse beaucoup plus fortement lors de la déformation dynamique à chaud, sous le marteau de forge, à une température croissante d'une pièce en acier au carbone, que lors d'une conformation à chaud statique à la presse.
Sui- vant cette loi connue, l'influence de la vitesse de changement de forme sur la résistance au changement de forme est déjà clairement exprimée, mê- me si ce n'est que dans une mesure beaucoup plus faible que dans le procé- dé conforme à l'invention. C'est ainsi que, par exemple, selon l'expérien ce, avec un acier au carbone déterminé, la résistance au changement de for- me diminue d'environ 65% entre 800 et 1200 C lors de la conformation dyna- mique.
Mais, tandis que.l'acier ne se rapproche de l'état visqueux qu'à 1200 C, l'acier non chauffé est amené, dans le procédé conforme à l'invention, brus- quement à l'état visqueux ou à l'état "superplastique", inconnu jusqu'à pré- sent, par des forces dynamiques qui sont à l'état d'oscillations critiques et sont de ce fait beaucoup plus élevées. L'effet obtenu par l'invention sur la structure de texture de métaux n'est donc pas en contradiction avec la théorie valable jusque présent. Le procédé selon l'invention élargit au contraire seulement la connaissance des processus de changement de forme au delà des limites connues jusqu'à présent.
Dans l'expérimentation méthodique du procédé de l'invention avec des matières de natures diverses, on a constaté que le comportement d'une matière mise à l'état d'oscillation dépend de sa structure de texture et de ses propriétés de résistance. Des matières déterminées, qui ont une limite prononcée d'écoulement, comme par exemple l'acier fondu, sont de préférence appropriées à la conformation à froid suivant le procédé de l'in- vention.
Si, par exemple, un anneau en acier fondu est soumis par une ac- tion extérieure à des oscillations forcées, qui conduisent à l'état d'os- cillation critique de l'anneau, l'anneau tournant peut être élargi en quel- ques secondes au multiple de son diamètre sous une pression extrêmement faible par un outil fixe, tel que mandrin ou analogue, attaquant sa surface intérieure, sans qu'il se produise des fissures ou crevasses. L'anneau ainsi conformé avait des surfaces lisses de tous côtés, la surface extérieure de l'anneau profilé à conformer étant limitée par un anneau gabarit tour- nant avec lui. L'anneau profilé était ainsi achevé, prêt à être utilisé, ou bien, selon sa destination il suffisait de le rectifier à la meule.
La fabrication d'untel anneau exige selon les procédés usuels par laminage et usinage à enlèvément de copeaux au tour environ six à huit minutes, ce qui représente donc, par rapport au procédé de l'invention, plus de cent fois plus de temps, si l'on tient compte du temps mort dans les deux pro- cédés. Avec la conformation à froid usuelle, la conformation d'une pièce en acier fondu exigerait dans les limites indiquées dans l'exemple une pression totalè d'environ 360 tonnes; or, pour les raisons déjà indiquées, la conformation à froid exécutée avec les moyens usuels n'est pratiquement pas applicable pour le changement de forme d'environ 475% auquel s'applique 1'exemple. Le procédé conforme à l'invention n'exige donc qu'une fraction du temps qui est nécessaire dans les procédés usuels pour la conformation à froid ou à chaud.
En outre, l'invention permet un changement de forme beaucoup plus poussé en une seule opération de travail que les procédés connus jusqu'à présent. Le procédé selon l'invention est en outre caracté- risé par le fait que le volume de la pièce dont la conformation' est achevée est égal au volume du corps initial; il ne se produit donc aucune sorte de déchet de matière contrairement aux procédés usuels à enlèvement de copeaux.
Le progrès technique obtenu de ce fait est si important que le procédé con- forme à l'invention semble approprié à changer fondamentalement l'usinage de métaux à limite d'étirage prononcée.
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Il y a de nombreuses possibilités d'application de l'invention, la conformation indiquée d'un anneau profilé n'étant évidemment qu'un exem- ple. Sans donner d'autres exemples d'application, on signale seulement la conformation à froid de corps creux de diverses natures selon le procédé de l'invention, ces corps pouvant être fabriqués de façon analogue confor- mément à l'invention.
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PROCESS OF, COLD CONFORMATION OF METALS AND OTHER MATERIALS HAVING) A; LIMIT
PRONOUNCED STRETCHING.
The metals are transformed according to known processes by machining or shaping with or without chip removal to obtain pieces of specific shape., Shaping without chip removal has hitherto been done either after strong heating. prior to the initial body, ie, in the case of cold forming, using relatively high pressures.
In the first case hammers and forging presses are used, while in the second case stamping and stamping presses and similar machines are used.
The invention is based on the consideration that cold shaping of metals should be possible with very little labor, provided that the metal can be brought, during shaping, to a permanent stretchable or castable state in which high temperatures. Internal resistances ordinarily existing in the solid metal body are eliminated to a large extent. One known means of reducing the internal resistances of wrought iron, steel and other metals consists in heating the part to be shaped.
But the necessary heating requires a great deal of time and heat, so it is ineconomic. Relatively narrow limits are also imposed on hot conformation by the cooling occurring during the conformation process and l The increase in internal resistances therefore involved. In addition, a strong oxidation of the metal surface occurs with the well-known undesirable consequences. Finally, despite the prior heating, still very high pressures are still necessary to conform the material when hot.
The plastic conformation of metal, especially steel, has also been used with success only in a thin surface layer to print on the material, by so-called surface pressures, for example threads, by means of a cylinder. printing, or also for
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obtain only compression of the outer layer of the material.
It has been found that it is possible to essentially increase by this method the life span of mechanical parts subjected to high stresses.
But this cold shaping process can also only be performed using a large force acting on a small area.
The known methods have, moreover, this in common that the shaping of a metal part can only be extended to a certain extent of change in shape, because when the stretch limit of the material is exceeded, cracks and ruptures occur when the flowing material can no longer follow the forces of change of shape, because the internal cohesion of the layers of the material is already loosening.
The plastic or conformable state is the state of solid bodies in which they can permanently change their shape to a great extent without noticeable loosening of their cohesion. In metals, plastic shape changes are based primarily on the deformation of the various crystalline bodies of which matter is made up, due to what is called translation or twinning. The rise in temperature during hot shaping facilitates the formation of sliding surfaces in crystalline bodies, while a high rate of charge promotes the tendency to snap. It is known, moreover, that the same material is brittle in a determined state of tension, while it allows plastic shape changes in another state of tension.
By following the idea on which the invention is based, which is to change a metallic material into the plastic state by eliminating internal stresses to a great extent and to conform this cold material in this state to the maximum extent , a process has been created which provides a new means of cold forming with a minimum expenditure of force and time. The process according to the invention allows the abrupt increase in the sliding ability between the crystalline grains in the cold state of matter. The means to obtain this "superplastic" state consists in causing the part to be conformed to pass an oscillating state imposed by external excitatory forces, for example by an inertia field operating at the rate of the natural frequency.
This process is in apparent opposition to the accepted theory of resistance, according to which permanent oscillations lead to disorganization of the material and ultimately to the breakage of the part. On the contrary, in the process according to the invention, the plastic state of the material occurs suddenly in the range of critical oscillations of the first, second or third degree, of the part to be shaped, so that from the moment of flow the part can be brought to very different shapes by extremely small external forces without the texture of the material losing the internal cohesion.
A property of the process according to the invention is, moreover, that the material made plastic by the imposed oscillations remains for a prolonged time in the plastic state after having been brought below the frequency of the critical oscillations. , so that the deformation initiated in the critical range can also be continued outside this range. An explanation of this sudden transformation from the solid aggregate state of a metal to a plastic or viscous state, without prior heating, can be derived from the following consideration
According to the current state of science, it is admitted that during the hot forming of metals, laws analogous to those applicable in the case of viscous liquids are valid with regard to internal friction.
There is therefore a dependency relationship between the resistance to shape change and the speed of this shape change. The method according to the invention provides a means of following these laws in a field hitherto inaccessible. Metals are cold brought into a viscous aggregate or "superplastic" state because the metal body is subjected to oscillations within the critical oscillations range. In this state, the change of shape takes place, following the procedure established by
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the invention, at a high speed, since the part to be shaped already has, during the operation, a high peripheral speed of for example 20 m / s, to which is also added the radial deviation involved by the state of oscillation.
In this state of motion, including at a very high rate of change of shape, the resistance to the change of shape drops to such a low value that large changes of shape are possible with very little expenditure of force, without the internal cohesion of the texture structure is thereby eliminated. This wedge observation also coincides with the known fact that the resistance to shape change decreases much more strongly during the dynamic hot deformation, under the forging hammer, at an increasing temperature of a carbon steel part, than during static hot press shaping.
Following this known law, the influence of the rate of change of shape on the resistance to the change of shape is already clearly expressed, even if only to a much smaller extent than in the process. according to the invention. Thus, for example, according to experience, with a determined carbon steel, the resistance to change of shape decreases by about 65% between 800 and 1200 C during dynamic shaping.
But, while the steel does not approach the viscous state until 1200 C, the unheated steel is brought, in the process according to the invention, suddenly to the viscous state or to the viscous state. hitherto unknown "superplastic" state by dynamic forces which are in the state of critical oscillations and are therefore much higher. The effect obtained by the invention on the texture structure of metals is therefore not in contradiction with the theory valid hitherto. The method according to the invention, on the contrary, only expands the knowledge of the shape change processes beyond the limits known hitherto.
In the methodical experimentation of the process of the invention with materials of various natures, it has been observed that the behavior of a material put in the state of oscillation depends on its texture structure and on its resistance properties. Specific materials which have a pronounced flow limit, such as, for example, molten steel, are preferably suitable for cold forming according to the process of the invention.
If, for example, a molten steel ring is subjected by an external action to forced oscillations, which lead to the critical oscillation state of the ring, the rotating ring can be enlarged in any way. ques seconds to the multiple of its diameter under extremely low pressure by a stationary tool, such as a mandrel or the like, attacking its inner surface, without the occurrence of cracks or crevices. The ring thus shaped had smooth surfaces on all sides, the outer surface of the profile ring to be shaped being bounded by a jig ring rotating with it. The profiled ring was thus completed, ready to be used, or else, depending on its purpose, it was sufficient to grind it with a grinding wheel.
The manufacture of such a ring requires, according to the usual methods by rolling and machining with the removal of chips on the turn, about six to eight minutes, which therefore represents, compared to the method of the invention, more than a hundred times longer, if the dead time is taken into account in both processes. With the usual cold shaping, the shaping of a piece of molten steel would require within the limits given in the example a total pressure of about 360 tons; now, for the reasons already indicated, the cold shaping carried out with the usual means is practically not applicable for the change of shape of about 475% to which the example applies. The process according to the invention therefore requires only a fraction of the time which is necessary in the usual processes for cold or hot shaping.
In addition, the invention allows a much more extensive change of shape in a single working operation than the methods known hitherto. The method according to the invention is further characterized in that the volume of the part whose shaping has been completed is equal to the volume of the initial body; there is therefore no kind of waste material unlike the usual chip removal processes.
The technical progress thus obtained is so important that the method according to the invention seems suitable for fundamentally changing the machining of metals with a pronounced draw limit.
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There are many possibilities of application of the invention, the indicated conformation of a profiled ring being obviously only one example. Without giving other examples of application, only the cold forming of hollow bodies of various kinds according to the process of the invention is mentioned, these bodies being able to be manufactured in a similar manner in accordance with the invention.