Matériaux pour l'outillage

La sélection des matériaux pour la fabrication des outils est une étape importante puisque ces derniers ont une influence considérable sur la qualité des tubes finaux. En effet, en cas d'usure prématurée, les outils peuvent endommager les tubes fabriqués et ainsi diminuer la qualité du produit. Mais encore, puisque le coût de fabrication de l'outillage peut être important, le choix d'un matériau inadéquat peut alors compromettre la durée de vie des outils. Le tableau 2.2 est tiré de la référence [3] et présente un résumé des matériaux recommandés pour la fabrication de l'outillage pour l'étirage de tubes de différents alliages.

Table 2 Recommended tool materials for drawing bars, t u b i n g , and complex shapes

I Round bars and tubing) a) ■ Common commercial sizes Maximum

commercial siieic): Complex shapes: dies Metal to be drawn Bar and tube dies Tube mandrebtb) dies and mandrels and mandretsUMb) Carbon and alloy steels Tungsten carbide WI or carbide D2 or CPM 10V CPM 10V or carbide Stainless steels, titanium,

tungsten, molybdenum, and

nickel alloys Diamond or D2 or carbide D2. M2. or F2 or carbide(e) carbide(d) CPM IOV(a)

Copper, aluminum, and

magnesium alloys WI or carbide WI or carbide D2 or CPM 10V Ol. CPM 10V. or carbide

(a) Tool steels for both dies and mandrels arc usually chromium plated, (bl "Carbide" indicates use of cemented carbide nibs fastened to steel rods, (c) 10 in. OD by V. in. wall, (d) Under 1.5 mm (0.062 in), diamond; over 1.5 mm (0.052 in), tungsten carbide, (e) Recommendations for large tubes or complex shapes apply to stainless steel only.

Tableau 2.2 : Matériaux pour outillage [3]

Selon la référence [3], le choix des matériaux pour les outils dépend d'abord des dimensions du tube, de la composition de l'alliage du tube, la forme, les tolérances dimensionnelles et la quantité de métal à étirer. Les outils sont bien entendu soumis à de l'érosion sévère et sont donc le plus souvent faits d'acier où des inserts en diamant ou en carbure sont intégrés à l'outillage. Cependant, pour des raisons économiques, l'utilisation d'acier outil est aussi très répandue. On peut voir dans le tableau ci-dessus que pour des alliages tels que l'aluminium, l'utilisation d'acier outil comme le AISI-W1, AISI-D2 ou le AISI-Ol est appropriée. Selon la référence [1], l'acier est un matériau très souvent utilisé pour la fabrication de l'outillage pour l'étirage. La dureté recherchée pour ces outils devrait être entre 63 et 67 HRC (Rockwell C) [1, 7, 19]. On comprend bien que les aciers outil utilisés sont des aciers traités thermiquement. Il est donc possible, suite au traitement thermique, que les dimensions de l'outillage varient en raison de la contraction possible du matériau. Il faut donc choisir des aciers outil qui minimisent cette déformation et ce surtout si la forme du tube étiré n'est pas circulaire, car il peut être difficile d'aller usiner la surface de l'outil après le traitement thermique [7]. Wick et col. [19] mentionne à son tour que l'outillage est soumis à des forces compressives, à de l'abrasion, à des effets thermiques et chimiques importants. La sélection de matériaux est donc importante et dépend du matériau à étirer, de la dimension du tube, de la forme du tube, de la quantité à mettre en forme et aussi du coût du matériau à utiliser. Pour Wick [19], l'utilisation des aciers outil est généralement limitée à la fabrication de gros outil et ce, pour des raisons économiques et

pour des applications particulières. Les aciers mentionnés par [1] ainsi que TAISI-M2 sont recommandés pour la fabrication d'outils [19]. La dureté est un facteur important sur la durée de vie de l'outillage. Les aciers ayant une dureté plus faible sont moins propices aux ruptures mais vont avoir tendance à s'user plus rapidement [19]. La référence [27] présente aussi un tableau montrant des aciers outil pouvant être utilisés pour fabriquer la matrice et le mandrin. Le tableau 2.3 présente ce dernier.

TABLE 5.7

Typical Tool and Die Materials f o r Metal w o r k i n g

Process Material

Die casting

Powder metallurgy Punches

Dies

Molds for plastics and rubber Hot forging Hot extrusion Cold heading Cold extrusion Punches Dies Coining Drawing Wire Shapes

Bar and tubing Rolls Rolling Thread rolling Shear spinning Sheet metals Shearing Cold Hot Pressworking H13,P20 A2, S7, D2, D3, M2 WC, D2, M2 SI, O l , A2, D2, 6F5, 6F6, P6, P20, P21, H13 6F2,6G, H11, H I 2 H11,H12, H13,H21 W 1 , W 2 , M 1 , M 2 , D2, WC A2, D2, M2, M4 0 1 , W 1 , A 2 , D 2 52100, W I , O l , A2, D2, D3, D4, HI 1, H12, H13 WC, diamond WC, D2, M2 WC, W1,D2

Cast iron, cast steel, forged steel, WC A2, D2, M2

A2, D2, D3

D2, A2, A9, S2, S5, S7 H11,H12, H13

Zinc alloys, 4140 steel, cast iron, epoxy composites, A2, D2, Ol

Tableau 2.3 : Aciers outil pour fabrication d'outillage [27]

2.5 Lubrification

Une lubrification appropriée est essentielle dans l'étirage de tube en aluminium [3, 5]. Le lubrifiant rempli d'abord un rôle au niveau du frottement entre les interfaces en contact. Bien entendu, plus on diminue la composante de frottement, plus on diminue la force

d'étirage pour compléter un cycle d'étirage. Aussi, dans les cas où la vitesse d'étirage est importante, le lubrifiant doit également agir comme un liquide refroidisseur afin d'extraire la chaleur produite par le procédé. Ainsi, il y a moins de risque que cette élévation de température altère les propriétés de la microstructure du matériau. On peut penser aussi que si la qualité des tubes étirés peut diminuer dans le cas de mauvaise lubrification, la durée de vie des outils peut elle aussi être affectée par une lubrification inadéquate.

Dans la référence mentionnée ci-dessus, on fait la distinction entre « dry drawing » et le « wet drawing ». Afin de faciliter la compréhension et faire la distinction entre les deux types de lubrification, on utilisera en français les termes « étirage sans frottement » et « étirage sans frottement et chaleur » respectivement. En effet, l'étirage sans frottement fait référence au fait que le lubrifiant est choisi pour ses propriétés tribologiques uniquement. La pièce est refroidie une fois la mise en forme terminée. L'outillage peut être aussi refroidi par de l'eau par exemple. L'étirage sans frottement est surtout utilisé pour les matériaux plus résistants tels que l'acier et l'acier inoxydable. En ce qui concerne l'étirage sans frottement et chaleur, le lubrifiant est à la fois utilisé pour ses propriétés tribologiques mais aussi pour sa capacité à extraire la chaleur. Ces lubrifiants peuvent être à base d'huile ou aqueux. Ils peuvent être appliqués sur la surface des outils ou sur la pièce à être déformée. La référence [5] fournie un tableau (tableau 2.4) qui présente différents lubrifiants pouvant être utilisés en fonction du matériau à étirer.

Bar and tube drawing Steels

Stainless steels and Ni alloys

Al and Mg alloys

Cu and Cu alloys Ti alloys

Refractory metals

Heavy oil, soap-fat paste, grease

Heavy oil, soap-fat, paste, grease (+ EP) (+ MoS2. etc.)

Polymer coating + EP oil Phosphate + soap Metal + MO (or EM) MO + CI additive Chlorinated wax

Polymer (chlorinated) (+ MO) Oxalate + soap

Metal (Cu) + MO MO + fatty derivatives Soap coating

Wax (lanolin) coating Polymer coating EM (fat)

MO (+ fat) (+ EP) Soap film Polymer coating Oxidized + CI oil (wax) Fluoride-phosphate + soap Metal + soap

Hot: graphite coating

Warm (cold): graphite or MoS2

Oxidized + wax Metal (Cu) + MO MF MF 0.07 0.05 MF 0.15 0.07 0.07 0.05 MF MF 0.07 0.05 0.05 MF MF 0.05 0.07 0.15 0.1 0.07 0.15 0.1 0.15 0.1

la) EM. emulsion of ingredients shown in parentheses. MO, mineral oil; of higher viscosity for more severe duties, limited by staining. EP, EP com- pounds (S, CI. and/or P). (b) MF, mixed-film lubrication; |i = 0.15 at low speeds, dropping to 0.3 at high speeds. Source: Ref I, p 373

Tableau 2.4 : Lubrifiant et coefficient de frottement [5]

Selon Kalpakjian et col. [27], une lubrification adéquate est nécessaire afin d'augmenter la durée de vie des outils, obtenir un fini de surface de qualité, diminuer les forces d'étirage et l'élévation de température. Il est difficile dans l'étirage de tube de maintenir un film de lubrifiant assez épais et ce surtout au niveau de l'interface tube-mandrin. De plus, les auteurs de cette référence parlent également de « wet drawing » et de « dry drawing ». Cependant, ces termes ont une toute autre signification dans leur texte que dans [5]. En effet, ces termes font plus référence ici à la façon dont on applique le lubrifiant. Lorsque la matrice et le tube sont immergés dans le lubrifiant, on parle ici de « wet drawing » alors que si le lubrifiant est disposé de façon à recouvrir la surface du tube sans immersion, on parle alors de « dry drawing ».

Neves et col. [22] présente des résultats très intéressants comparant expérimentalement l'utilisation de différents lubrifiants et ce pour deux conditions d'utilisation distinctes. La

première condition était celle où le fluide est appliqué de façon pressurisée alors que pour la deuxième, le lubrifiant n'était pas pressurisé. Ainsi, les auteurs ont démontré que la force d'étirage était inversement proportionnelle à la vitesse d'étirage. De plus, ils ont conclu en mentionnant que le fait de pressuriser le lubrifiant pouvait diminuer les efforts d'étirage. Mais encore, ils ont montré que l'utilisation du bon lubrifiant pouvait diminuer considérablement la charge d'étirage requise. Le tableau 2.5 présente les résultats expérimentaux des 3 lubrifiants utilisés lors de l'étirage sur mandrin fixe et ce pour différentes vitesses d'étirage.

Table 2. Experimental results of the average drawing force.

LUBRICATION SAE 20W40 LUBRICATION 1 m mm 2 m nun 5 m. nun PRESSURIZED 450,0 273,8 328.3 UNPRESSURIZED 498.7 308.2 358,8 Relative increasing (%) 10.8 12,6 9,3 RENOFORM MZA 20 1 m in in 2 m mm 5 m mm PRESSURIZED 448.3 374,1 323.0 UNPRESSURIZED 445,0 435,2 358,7 Relative increasing (%) -0.7 14 11 E.XTRUDOIL319MOS 1 m nun 2 m min 5 m nun PRESSURIZED 266.3 229,3 228,2 UNPRESSURIZED 310,7 272,7 285,1 Relative increasing (%) 16.7 18.9 24,9

Tableau 2.5 : Comparaison de 3 types de lubrifiants sur la force d'étirage [22] On peut donc dire que le choix du bon lubrifiant pour le procédé d'étirage ne doit pas être laissé au hasard. En effet, il peut être très important en termes d'efforts à fournir pour compléter un cycle d'étirage. On ne fait pas mention dans [22] de la qualité des finis de surfaces obtenus en fonction du lubrifiant sélectionné. Néanmoins, on peut penser que si l'effort est moins important, on a alors un lubrifiant de bonne qualité qui diminue le frottement et donc les risques d'endommager la surface de la pièce. Il faut donc rechercher

le lubrifiant qui possède les qualités requises pour ce type de procédé. Selon Lange [1], les qualités recherchées pour un bon lubrifiant pour l'étirage sont :

Faible coefficient de frottement;

Se séparant facilement de l'outillage et la pièce;

Conserve ses propriétés lubrificatrices durant le procédé; Permet d'obtenir de bons finis de surface;

Facilement applicable sur le tube; Résistant aux pressions de déformation; Peut se nettoyer facilement.

Cette référence présente également un tableau (tableau 2.6) résumant l'utilisation de certains lubrifiants en fonction de l'alliage à étirer.

Table 14.1.

Material Lubricant Remarks

Wet

A l u m i n u m Petroleum w i t h fatty o i l ; cylinder

oil

Viscosity 2 0 - 4 0 ° E

Steel Petroleum w i t h flour for lime- coated wire (additions of graphite, zinc oxide, chalk); mineral oil

No high requirements on the surface

Steel (also p l a t i n u m , gold, silver, copper, zinc)

Soap emulsions w i t h fatty oils and water

Copper: 3% free fat Steel. 1.5* free fat. p H 9 Zinc: 2 - 3 * free fat, p H 7 Austenitic steel, stainless

Keel

Sulfurized water-soluble oil w i t h high-pressure additives ( MoSs,

colloidal graphite)

Zinc 3 - 5 * soap-water solution Brass (also low-carbon

steel wires)

Fermented solution of 20% bran and shredded grain in water

D r y

Unpleasant smell, but very inexpensive, characteristic flat and shiny surface (liquor finish)

A l u m i n u m , brass, noble metals

Powdered soap and beeswax Steel Powdered soap w i t h lime or

oleate and tallow; mixtures nf solid fat and lime

For lime-coated or similarly treated wires

A l u m i n u m Oleate and solid fat Shiny, clean surfaces (also achievable w i t h fatty oils, as in a mixture w i t h calcium carbonate) Steel Metallic soaps ( a l u m i n u m ,

calcium, and zinc stéarate)

Surfaces are not pretreated. for higher requisites phosphating is necessary Austenitic steel Metallic soaps ( a l u m i n u m ,

calcium stéarate)

Oxalate lubricant carrier

Sourer Compiled from ( 14 26)

Chez Alfiniti on utilise de l'huile pour l'étirage de long tube. L'huile utilisée est fabriquée par la compagnie MAGNUS et a comme nomination CAL-70. D n'a pas été possible d'obtenir les caractéristiques particulières pour ce lubrifiant par le manufacturier puisque cette huile est considérée comme un produit de haute technologie et ses propriétés sont donc considérées comme confidentielles afin d'éviter le copiage industriel. Dans le cadre du projet, nous allons également utiliser cette huile afin de représenter les conditions que l'on retrouve en entreprise. Pour les tubes de plus courte longueur, Alfiniti va parfois enrober le tube d'une graisse plutôt que de fournir en continu le procédé en fluide.