Principes d’étirage à froid

Figure 1: Le dessin de la tige utilise une matrice pour déterminer la DO du tube et une tige pour déterminer l’ID du tube.

Dessiner un tube d’une taille à l’autre semble simple. Le processus comporte deux étapes principales: écraser une extrémité (également connue sous le nom de pointer le tube), puis la tirer à travers une matrice qui a l’ID correct. Lorsque le processus est terminé, l’OD du tube correspond à l’ID du dé.

En réalité, c’est beaucoup plus compliqué que ça. Un tirage réussi est le produit de cinq étapes distinctes:

1. Acquisition de la matière première
2. Préparation à l’étirage
3. Étirage
4. Redressement
5. Finition et inspection finale

Les tubes à redessiner peuvent être soudés ou sans soudure. Le processus de redessinage pour chacun est essentiellement le même; par conséquent, les processus décrits dans cet article s’appliquent aux deux.

Les tubes soudés sont fabriqués à partir de bandes qui ont été roulées, fendues et enroulées. Une fois la bobine livrée à l’installation de production de tubes, elle est déroulée et introduite dans un broyeur qui la forme en une forme tubulaire et la couture résultante est soudée. Les aciers au carbone et faiblement alliés sont généralement soudés par résistance électrique (ERW), tandis que les aciers inoxydables sont soudés à l’arc au tungstène au gaz (GTAW).

Les tubes sans soudure peuvent provenir de tubes percés (acier au carbone ou faiblement allié) ou d’extrusions (acier inoxydable, aciers fortement alliés et alliages à base de nickel). Ils peuvent être traités ultérieurement par pilgering ou réduction. Une autre matière première est une barre percée, qui est généralement utilisée pour des alliages spéciaux ou des tolérances.

Bien que l’équipement et les procédures discutés ici puissent s’appliquer à la plupart des alliages, ils visent principalement l’acier au carbone et faiblement allié, l’acier inoxydable et les alliages à base de nickel. Le cuivre et l’aluminium sont généralement produits par des procédés à volume élevé, tandis que les alliages de titane et de zirconium conviennent mieux aux procédés spécialisés à faible volume tels que le pilage et le laminage de tubes.

Approvisionnement

Le dessin commence par l’acquisition de la matière première. Le bon de commande doit spécifier la chimie et les dimensions du matériau, y compris les tolérances — taille, épaisseur de paroi, concentricité et rectitude. Dans la plupart des cas, les propriétés recuites sont spécifiées pour une douceur maximale. Ces exigences peuvent être incluses dans une spécification propriétaire ou un code ou une spécification ASTM, AMS ou MIL.

Pointage

L’étape suivante est le pointage, qui consiste à diminuer le diamètre de plusieurs pouces de matériau à l’extrémité du tube afin qu’il puisse entrer dans la matrice de dessin. Les trois méthodes les plus courantes de pointage sont le pointage par poussée, le sertissage rotatif et le pointage par compression. Dans certains cas, un revêtement de phosphate ou un film de savon est appliqué avant le dessin.

Dessin

Les bancs de tirage sont généralement mécaniques et comportent trois composants: un banc arrière, une tête de matrice et une section avant. Des mâchoires sur un chariot agrippent le tube et un crochet à l’arrière du chariot engage une chaîne mobile, tirant le tube à travers une matrice. Les matrices sont le plus souvent des inserts en carbure de tungstène fritté avec un liant au cobalt qui ont été rétrécis – insérés dans un boîtier en acier.

Les tubes sont étirés à une taille finie en utilisant une ou plusieurs des opérations suivantes:

Figure 5: Les redresseurs utilisent des forces de flexion et un mouvement de roulement pour redresser le tube. Les configurations courantes utilisent six ou 10 rouleaux.

• Dessin de tige ou de mandrin
• Dessin de prise, y compris fixe, flottant et semi-flottant (attaché)
• Coulant

Dessin de tige. Lors de l’étirage de la tige, un mandrin en acier trempé est inséré dans l’alésage du tube qui a été pointu. Une fois le tube introduit dans la filière (voir Figure 1), de l’huile de lubrification est pompée sur la surface du tube, les mâchoires du chariot agrippent la pointe du tube ou de la tige, le crochet du chariot s’engage dans la chaîne et le tube est tiré à travers la filière. Le diamètre de la matrice détermine la DO; le diamètre de la tige détermine la taille de l’ID. Sélection appropriée de la matrice minimise les changements d’épaisseur de paroi avant que le tube entre en contact avec le mandrin.

En général, les tubes à parois lourdes ont tendance à s’amincir avant d’entrer en contact avec la tige; les parois légères s’épaississent. Les matrices à angle élevé ont tendance à amincir le mur et les matrices à angle bas ont tendance à épaissir le mur. Il est essentiel de se rappeler que l’angle optimal de la matrice varie avec le rapport diamètre/ épaisseur (D / t).

Une fois le tube étiré, il doit être expansé pour le retrait de la tige. Une méthode courante consiste à appliquer une pression en faisant tourner le tube tout en le faisant passer à travers des rouleaux croisés. Ce processus génère des contraintes radiales et dilate le tube. Le processus est répété jusqu’à ce que le tube soit à la taille finie.

Les avantages du tréfilage sont que les vitesses de tréfilage sont relativement élevées et que des réductions de surface élevées (environ 45% pour l’acier inoxydable) sont possibles. Les inconvénients sont qu’il s’agit d’une opération à deux personnes et qu’elle nécessite une opération de dessin supplémentaire, telle qu’un tirage en bouchon ou un enfoncement, pour supprimer le motif en spirale.

Dessin de prise. Deux variétés de dessin de prise sont fixes et flottantes. Le dessin de bouchon fixe utilise une tige creuse ancrée à l’arrière du banc. Un lubrifiant est pompé à travers la tige jusqu’à un petit trou près de l’avant, permettant au lubrifiant d’entrer dans l’ID du tube. Un bouchon en carbure de tungstène légèrement conique est fileté ou brasé à l’extrémité de la tige; le tube est chargé sur la tige, le lubrifiant est pompé sur la surface de l’OD et le tube est étiré.

L’un des avantages du dessin de prise fixe (voir Figure 2) est qu’il produit une identification lisse. Un autre avantage est que la conicité permet d’ajuster l’ID pour répondre à une tolérance serrée. Bien qu’il ne nécessite qu’un seul opérateur, la vitesse d’étirage est assez lente et les réductions de surface maximales sont faibles — environ 25% pour l’acier inoxydable.

Le dessin de bouchon flottant (voir Figure 3) est bien adapté à la production économique de bobines de grande longueur. Cette méthode a été utilisée pour dessiner le cuivre et l’aluminium pendant de nombreuses années. Une fois le lubrifiant pompé dans l’ID du tube, un bouchon conique est inséré, le tube est serti pour maintenir le bouchon en place et le tube est pointu. Pendant le tirage, le bouchon est maintenu en position par une combinaison de forces entre le tube ID et le bouchon. La conception de l’outillage est essentielle au succès de ce processus. Les angles de matrice sont généralement compris entre 28 et 32 degrés, avec des angles de prise entre 20 et 24 degrés. La longueur du roulement doit être d’environ 10 à 15% du diamètre de la matrice. Sachez qu’une fiche trop longue peut causer des rayures sur l’ID; une fiche trop courte ne s’installera pas.

Le dessin semi-flottant et le dessin de bouchon attaché sont des procédés de bouchon flottant adaptés au dessin de longueurs droites. Le bouchon est fixé sans serrer à une tige arrière et le tube est chargé sur la tige et le bouchon pour le dessin (voir Figure 4).

Naufrage. L’enfoncement est le terme pour dessiner un tube sans support interne. Il est généralement effectué comme une passe de dimensionnement après un tirage de tige. L’angle de matrice approprié dépend du rapport theD/t; un angle de filière correctement choisi minimise le changement d’épaisseur de paroi. Si le mur s’épaissit trop, la finition de la surface d’identification se détériorera.

La longueur de roulement est plus longue qu’avec d’autres opérations, jusqu’à 50% du diamètre de la matrice, pour assurer la rondeur du tube fini.

Le dessin et l’enfoncement des bouchons peuvent être utilisés pour dessiner un tube à une taille finie.

Lors de la conception d’un plan de dessin, le rapport entre la réduction de la paroi et la réduction du diamètre est un facteur de qualité important. Les réductions de murs ont tendance à repasser ou à lisser la surface d’identification; les réductions de diamètre ont tendance à rendre la surface rugueuse. Une expression commode pour le rapport est la valeur Q, qui est égale à la réduction de la paroi perce nt divisée par la réduction du pourcentage ID. Une valeur Q de 2 ou plus hautetends pour lisser la surface d’identification. Lorsque le calendrier ne se prête pas à une série de tirages à valeur Q élevée, il est préférable d’utiliser un tirage à tige à valeur Q élevée suivi d’un puits dur plutôt qu’une série d’opérations de tirage à valeur Q faible. Des valeurs Q élevées se traduisent également par de faibles niveaux de contrainte résiduelle pour les tubes travaillés à froid. Dans un projet récent, une valeur Q de 0.91 a donné une contrainte résiduelle de plus de 52 000 livres par pouce carré (PSI) telle que mesurée par la procédure Sachs et Espy décrite dans la norme ASTM E1928. Un tirage avec une valeur Q de 2,2 avait un niveau de contrainte résiduelle de seulement 5 200 PSI. Des valeurs Q élevées entraîneraient des valeurs négatives ou compressives.

Lubrification. La lubrification est une autre considération importante, ainsi que le calendrier d’outillage et de dessin. La plupart des usines de tubes utilisent des huiles chlorées pour lubrifier les aciers inoxydables et les alliages de nickel. La viscosité correcte peut être aussi faible que 8 000 SUS (Secondes universelles Saybolt) ou supérieure à 100 000 SUS selon l’alliage, la taille du tube et le type de réduction.

Redressement

Le redressement est généralement effectué à l’aide d’un redresseur rotatif à six ou 10 rouleaux (voir Figure 5) avec une combinaison de flexion et de pression. Alors que le flex a peu d’effet sur les propriétés, la pression a tendance à augmenter la limite d’élasticité et à augmenter le niveau de contrainte résiduelle. Exercer une pression minimale est la meilleure pratique.

Finition

Les opérations de finition peuvent inclure le polissage, le décapage ou le sablage pour améliorer l’aspect de la surface et éliminer les imperfections mineures. Les techniques d’inspection finale sont déterminées par les exigences de commande des clients.

Les rédacteurs de TPJ – The Tube & Pipe Journal® remercient le Tube & Pipe Association, International® ‘ s Extrusion, Drawing & Tube Reducing Technology Council pour ses efforts dans l’organisation de la publication de cet article.