La trempe sous pression est une sorte de procédé de trempe spécialement utilisé pour réduire la déformation d'une pièce de forme complexe lors d'un traitement thermique. La déformation dans les opérations de traitement thermique industriel est causée par un certain nombre de facteurs indépendants. Certains de ces facteurs incluent la qualité des matériaux utilisés pour fabriquer la pièce et son historique de traitement précédent ; Répartition des contraintes résiduelles et historique des traitements thermiques antérieurs ; La contrainte thermique hors équilibre et la contrainte de transition de phase causées par la trempe elle-même. En raison de ces facteurs, les pièces de haute précision (telles que les bagues de roulement industrielles et les engrenages coniques hélicoïdaux automobiles) présentent souvent une déformation imprévisible pendant la trempe à l'huile sans contrainte ou libre.
La trempe sous pression est effectuée de manière soigneusement contrôlée, à l'aide d'outils spécialisés pour créer une force concentrée qui limite le mouvement de la pièce et aide à minimiser la déformation de la pièce. S'il est correctement manipulé, ce procédé de trempe permet généralement d'atteindre les exigences dimensionnelles relativement strictes spécifiées dans les spécifications de fabrication industrielle. Il est couramment utilisé dans une variété de pièces complexes en alliages ferreux et non ferreux. Les alliages d'acier courants utilisant la trempe sous pression comprennent généralement l'acier trempé à haute pénétration de carbone (tel que l'acier à outils AISI52100 et A2) et les aciers à faible teneur en carbone cémentés (tels que l'AISI, 8620 et 9310).
L'acier au carbone cémenté bénéficie en particulier du processus de trempe sous pression en raison de ses propriétés d'usinage et de sa popularité dans l'industrie automobile ainsi que dans les transmissions à engrenages pour les produits industriels et de consommation. Idéalement, pendant la trempe, la température de transition de la pièce est uniforme sur toute la section, de sorte que la transition puisse se produire uniformément. Cependant, dans la pièce cémentée, la température de transition de la martensite n'est pas constante sur toute la section transversale. Dans le processus de cémentation, le carbone diffusé à la surface des pièces produit un gradient de composition, résultant en une répartition en gradient de la température de transition près de la surface. Lors de la trempe, ce gradient va favoriser ou aggraver le problème de déformation d'une telle pièce. Ce type de déformation est également causé par la non-uniformité de la microstructure du matériau de la matrice (par exemple, matériau fortement ségrégué). En général, les grandes pièces à paroi mince telles que les bagues de roulement avec de grandes ouvertures sont plus sensibles aux effets de ces problèmes de déformation que les pièces épaisses et lourdes à géométrie compacte. Bien que la trempe sous pression n'élimine pas ces effets, son utilisation permet de minimiser ces problèmes de déformation.
La sévérité de la déformation pendant le processus de traitement thermique dépend fortement de la nature du processus de traitement thermique utilisé sur la pièce. Afin de minimiser les déformations lors de la trempe, la dissipation thermique des pièces doit être la plus homogène possible. Dans le cas de changements brusques de géométrie, cela est difficile à réaliser. Par exemple, dans une même pièce, la section mince est adjacente à la section épaisse. Un bon exemple est une dent sur un gros ou un petit engrenage. Par rapport aux grands engrenages et pignons, le rapport surface/volume des dents est plus grand et elles ont tendance à se déformer par « développement » lors de la trempe. Bien que de telles pièces puissent produire une déformation inattendue pendant la trempe libre ou la trempe sans contrainte, ce mouvement caractéristique des dents d'engrenage est hautement reproductible dans les opérations de trempe sous pression et peut être pris en compte dans la conception des engrenages pour minimiser la quantité de meulage après la trempe. Au fur et à mesure que la pièce est immergée dans le milieu de refroidissement de trempe, les dents de l'engrenage se refroidiront et se contracteront plus rapidement que les pièces adjacentes plus épaisses. En raison de cette différence de taux de refroidissement, les parties les plus fines et les plus légères de la pièce ont tendance à durcir et à se contracter rapidement tandis que le reste de la pièce reste gonflé. Parce que les parties plus épaisses se refroidissent et se contractent à une vitesse relativement lente, là où les parties plus épaisses se rejoignent, leur mouvement relatif est entravé. Le résultat est une section mince sur une section épaisse
Il se développe plus rapidement, entraînant des gradients de température et des contraintes tissulaires inégales. Lors de la trempe sous pression, ce problème est résolu en dirigeant sélectivement le liquide de refroidissement de trempe vers la partie la plus épaisse et loin de la partie la plus mince afin de favoriser une trempe plus uniforme. Ceci a été réalisé principalement grâce à l'utilisation d'outils spécialisés. En adoptant cette mesure importante, la déformation causée par la transformation peut être minimisée.
1 .Équipement
Au début des années 1930, les machines de trempe ont commencé à être largement utilisées dans la production industrielle des États-Unis, principalement pour le traitement des couronnes dentées dans les automobiles (y compris les voitures et les camions) (Figure 1).
▲ FIG. 1 machine-outil de trempe automatique de 64 cm (25 po)
Remarque : Fabriqué au début des années 1930 à l'usine Gleason de Rochester, New York. L'opérateur trempe une finition
Le grand engrenage conique en spirale de fonctionnement est retiré de l'ensemble de matrice inférieur.
Ces machines peuvent être entraînées par des systèmes hydrauliques ou pneumatiques (selon la conception) et peuvent utiliser une variété de fluides de trempe et de refroidissement, le plus souvent de l'huile. Alors que la conception géométrique et les fonctionnalités optionnelles de ces machines ont considérablement changé au cours des décennies depuis leur invention initiale, leurs fonctions de base sont restées les mêmes. Une forme représentative d'une machine-outil de trempe moderne est illustrée à la figure 2.
▲ figure 2 Machine de trempe Gleason529 sous une forme moderne
La conception globale se compose d'un certain nombre de composants de base, notamment une section de machine-outil verticale, un panneau de commande, une table de matrice inférieure, un outillage et une base. Les dispositifs de refroidissement sont utilisés pour maintenir la température du milieu de refroidissement de trempe dans une plage étroite spécifique, qui peut faire partie d'un système mécanique séparé, ou peut être utilisé dans une cuve centrale capable de connecter plusieurs machines de trempe simultanément. La partie verticale de la machine comprend la tige supérieure de la matrice supérieure, le boîtier de soupape de dérivation du système hydraulique, la canalisation hydraulique, l'électrovanne et la soupape, le boîtier de commande du panneau électrique. Le panneau de commande affiche les différents paramètres de performance qui peuvent devoir être ajustés pendant le cycle de trempe, comme illustré à la figure 3.
▲ FIG. 3 panneau de contrôle montre le cycle de trempe typique
Les différents paramètres qui doivent être ajustés pendant le processus de boucle
La base peut être utilisée comme réservoir de stockage d'huile pour un milieu de refroidissement de trempe et peut également supporter l'ensemble de matrice inférieur. Son schéma de principe est représenté sur la Fig. 4.
▲ FIG. 4 Le flux d'huile du pool d'huile vers l'unité de refroidissement puis de retour vers la machine de trempe
Le corps vertical est monté à l'avant de la base de la machine et permet un accès complet à la pièce dans la matrice inférieure, y compris le placement de la pièce sur l'outillage à tremper et le retrait de la pièce lorsque la machine est dans l'état "récupérer" après la trempe .
Pendant le fonctionnement, la pièce trempée est retirée manuellement ou automatiquement d'un four séparé (généralement un four à caisson, un four rotatif continu ou un four à tige poussoir) et placée sur l'outillage de l'ensemble de matrice inférieur. L'image complète de l'assemblage de la matrice inférieure est illustrée à la figure 5.
▲ FIG. 5 L'assemblage de la matrice inférieure de la machine de trempe sous condition de « retrait »
Remarque : Cône d'expansion central pressurisé par ressort et anneau rainuré indépendant
Il convient de noter que l'efficacité de l'équipement de transport du four de chauffage à la machine de trempe est généralement un paramètre clé dans la trempe sous pression. Le temps de transfert doit être réduit au minimum pour minimiser les pertes de chaleur. Si cette étape prend trop de temps, le résultat d'une trempe retardée peut entraîner des problèmes liés à la dureté et des produits de transition indésirables. Une fois la pièce à usiner placée avec succès sur l'ensemble de matrice inférieur, la machine commence à fonctionner et la pièce est rétractée en position centrale sous l'ensemble d'éjecteur hydraulique supérieur. La protection extérieure de la machine-outil diminue à mesure que l'assemblage descend, et l'avant-toit central entraîne un (ou plusieurs) expanseur interne pour entrer en contact avec le diamètre intérieur de la pièce à usiner à des points de pression spécifiés pour maintenir la rondeur à ces positions (figure 6).
▲ FIG. 6 Processus de trempe sous pression
A) Un engrenage chaud est placé sur la matrice inférieure pour la trempe sous pression
B) La tige d'éjecteur centrale et la matrice intérieure et extérieure supérieure doivent tomber au contact des pièces
C) Démarrer le cycle de temporisation et le flux d'huile commence à entrer dans la chambre de trempe et autour des pièces
Chaque composant de l'assemblage de la tige (détendeur central, matrice intérieure et extérieure) est contrôlé par trois vannes proportionnelles distinctes, toutes surveillées et contrôlées par des capteurs de pression. Le niveau de pression prédéfini est généralement maintenu par le détendeur tout au long du cycle de trempe, et dans certaines machines-outils dotées de fonctions de programmation, ce niveau de pression peut changer au cours du cycle de trempe. Dans le processus de trempe, les matrices intérieure et extérieure peuvent être abaissées de sorte qu'elles soient en contact avec la surface supérieure de la pièce trempée pour contrôler le positionnement, le bombage et la planéité de la pièce. Le débit d'huile de trempe peut être prédéfini et pré-édité, puis activé lorsque la pièce est trempée.
La figure 7 montre un exemple d'un chemin de cycle d'huile de trempe établi dans une chambre de trempe.
▲ FIG. 7 Expanseur central et processus de trempe
Schéma de principe du contact entre la matrice intérieure et extérieure et les pièces
1- Dispositif de protection mécanique monté sur l'ensemble matrice supérieure
2- Matrice supérieure externe 3- Matrice supérieure interne 4- Pièces trempées
5- Assemblage de la matrice inférieure 6- Cône d'expansion central
Ligne fléchée - Trajectoire du flux d'huile lors de la trempe
L'huile de trempe est pompée vers la chambre de trempe à travers une ouverture autour du diamètre extérieur de la matrice inférieure. Au fur et à mesure que les chambres autour de la pièce sont remplies, l'huile de trempe s'écoule par le haut. Si l'outillage est conçu correctement, le meilleur effet global peut être obtenu en ajustant la direction de la pièce de déversement d'huile de trempe. L'ouverture prolongée à la sortie peut être ajustée pour limiter le débit d'huile de trempe, ou elle peut être ouverte complètement pour un débit maximum, en fonction des exigences de la pièce. La matrice inférieure est composée d'un certain nombre d'anneaux concentriques rainurés différents
Le débit maximum peut être obtenu par rotation, ou le sens d'écoulement peut être limité à l'huile de trempe en fond de pièce. Lors de la trempe, un réglage précis de ces caractéristiques permet de minimiser la distorsion due à une dissipation thermique inégale. Dans le cycle de trempe, il est également possible de modifier le débit et la durée de l'huile de trempe par segments de temporisation, afin d'établir un processus de trempe bien défini pour des pièces spécifiques.
La table matrice inférieure est généralement montée sur la section transversale de la tige et entraînée par des pistons hydrauliques ou pneumatiques. Il y a une came dans l'ensemble de matrice inférieure pour ajuster l'anneau indépendant. En entraînant le CAM, ces anneaux individuels seront bombés ou coniques pour mieux s'adapter à la géométrie de la pièce requise (voir Figure 8). Afin d'établir un contact correct avec la pièce trempée, un joint est nécessaire sous chaque anneau. Un autre avantage de cette structure est que le joint peut être découpé et installé de manière relativement rapide et facile. Le bon support des pièces est un aspect clé de la trempe sous pression, dans laquelle la conception des matrices joue un rôle clé.
▲ FIG. 8 :
a) Schéma de principe du mécanisme utilisé pour contrôler la parabole
Ce mécanisme permet de soulever la bague intérieure de la matrice inférieure
Ou abaisser (serrer) pour compenser l'erreur de bombage
b) Assemblage réel de la matrice
Il montre comment contrôler la montée de ce mécanisme
Ou table tournante indépendante inférieure avec anneau rainuré
Le processus de trempe à l'huile se compose de trois étapes de base :
1) Au stade initial du film de vapeur, l'huile se vaporise dès qu'elle touche la pièce, formant un pare-vapeur autour de la pièce qui agit comme une couche isolante efficace.
2) Dans l'étape de transmission de vapeur, l'huile de trempe passe à travers la couche de vapeur et la vitesse de transfert de chaleur est plus rapide.
3) Au stade convectif, la dissipation de la chaleur est principalement obtenue par transfert de chaleur par convection.
Pour assurer une dissipation thermique uniforme lors de la phase initiale de trempe, le débit du milieu de trempe doit être suffisant pour empêcher la formation d'un film de vapeur. Si des bulles se forment dans la zone entourant la surface de la pièce, l'inhomogénéité de la dissipation thermique entraînera des changements de dureté et des déformations inacceptables. Lorsque l'étape de trempe initiale est éliminée avec succès, la vitesse d'écoulement du milieu de refroidissement de trempe peut être réduite. La distribution finale de la vitesse d'écoulement du fluide de refroidissement par trempe spécifiée pour la pièce doit être soigneusement sélectionnée pour répondre aux exigences de dureté et de géométrie. Une vitesse de trempe trop lente entraînera une trempe retardée, un changement de dureté et des produits de transition indésirables. Si la vitesse de refroidissement par trempe est trop rapide, les pièces seront déformées et/ou fissurées. Il est généralement nécessaire de passer par des tests répétés pour déterminer la vitesse d'écoulement appropriée du fluide de refroidissement de trempe et pour sélectionner le chemin d'écoulement du fluide de refroidissement de trempe autour des pièces. Le succès de la trempe dépend généralement de l'expérience, des connaissances et des compétences de l'opérateur de la machine.
La température moyenne de l'huile de trempe sous pression est principalement de 25 ~ 75 ℃ (75-165 ° F), selon la nature de l'opération de trempe, le type de milieu de refroidissement de trempe utilisé, les matériaux des pièces, les exigences de performance après traitement thermique, etc. Une mesure pour éviter d'endommager la bague d'étanchéité de la machine contenant le fluide de refroidissement trempé est d'éviter généralement que la température moyenne du fluide de refroidissement trempé soit trop élevée.
60 ℃ (140 ° F). Un entretien de routine approprié des bains d'huile de trempe est important, mais cela est souvent négligé lors de la trempe sous pression, ce qui entraîne des changements imprévisibles dans le durcissement des matériaux traités dans de tels systèmes. Avec l'utilisation continue d'un milieu de refroidissement de trempe, l'additif d'huile est progressivement décomposé. Même si le milieu de refroidissement de trempe est filtré en continu, les particules fines s'accumuleront toujours avec l'extension du temps. S'il n'est pas détecté, cela entraînera une vitesse de trempe accélérée, compromettant ainsi l'intégrité du processus de trempe à l'huile. La viscosité, le point d'éclair, la teneur en eau, les sédiments et la valeur de précipitation du milieu de trempe dans le réservoir de trempe doivent être surveillés périodiquement en fonction de l'utilisation. Le test du fluide de refroidissement trempé doit être effectué au moins une fois par trimestre.
2. Facteurs de contrôle de la déformation
En général, dans le processus de trempe sous pression, les facteurs clés de base affectant la déformation de la pièce sont les suivants :
1) La qualité du matériau de la pièce et le processus de traitement précédent.
2) La répartition des contraintes résiduelles de la pièce et le processus de traitement thermique préparatoire.
3) Contrainte thermique déséquilibrée et contrainte de transition de phase causée par l'opération de trempe.
4) Type d'acier utilisé et répartition de la température d'austénitisation.
5) Temps de transfert entre le four d'austénitisation et la machine de trempe.
6) Type, qualité, état et température du fluide de refroidissement de trempe utilisé.
7) La direction et la sélectivité du fluide de refroidissement de trempe circulant à travers la pièce.
8) Durée de trempe à différents débits.
9) Concevoir, installer et entretenir l'outillage approprié du moule de trempe.
10) La position du point de pression sur la pièce.
11) La quantité de pression appliquée pour maintenir la géométrie de la pièce.
12) Légumineuses.
Le dernier d'entre eux est une propriété unique à la trempe sous pression. Lors de la trempe, afin de minimiser la déformation, les matrices intérieure et extérieure sont généralement pulsées pour maintenir la géométrie de la pièce. La caractéristique d'impulsion atténue périodiquement la pression exercée par la matrice intérieure et extérieure, permettant au composant de se contracter normalement pendant qu'il refroidit tout en maintenant la géométrie requise de la pièce. Sans cette fonctionnalité, le contact par friction entre les moules créera des contraintes et les composants ne pourront pas se contracter lorsqu'ils refroidiront. Le mode impulsion peut réduire efficacement le contact de friction et éviter la déformation causée par l'excentricité et les irrégularités. Lorsque la technique pulsée est correctement appliquée, la pression est relâchée alors que le moule est en contact avec la pièce tout au long du cycle de trempe, puis est à nouveau appliquée toutes les 2s environ. Bien que les modes interne et externe soient cycliques dans cette méthode, la pression du détendeur n'est généralement pas pulsée. La plupart des machines-outils de trempe sous pression utilisées aujourd'hui dans l'industrie adoptent cette caractéristique de conception, cependant, ce n'est pas le dernier développement. Depuis des décennies, la technologie pulsée fait partie intégrante des machines-outils semi-automatiques de trempe sous pression conçues pour une productivité élevée. Un exemple de l'une de ces machines-outils semi-automatiques est illustré à la figure 9.
▲ FIG. 9 UTILISE le principe d'impulsion de la pression semi-automatique
Schéma de principe des quatre positions de la machine-outil de trempe forcée
Chaque pièce de trempe sous pression doit correspondre à une structure de conception d'outillage de moule et à des paramètres de machine-outil spécifiques. Dans les bagues de roulement et les engrenages, les tailles d'ouverture et la rondeur sont souvent maintenues en élargissant les matrices sectionnelles. Si l'ouverture de la pièce est trop petite pour supporter ces moules de section, un bouchon solide peut être utilisé à la place pour contrôler le diamètre et la conicité du trou. Le bouchon sera extrait après la trempe. Il est important que lorsqu'il existe différentes surfaces de positionnement dans l'ensemble de matrice actuel, les dimensions entre ces surfaces de positionnement doivent être maintenues à une petite tolérance. Le non-respect de cette règle peut entraîner des résultats contradictoires et des distorsions indésirables. En plus d'agrandir le moule, le rétrécissement du moule peut également maintenir efficacement la tolérance géométrique du diamètre extérieur, qui est un facteur clé. Un bon exemple d'engrenages, dont les rayons minces sont reliés à des dents d'engrenage, des bossages et des diamètres de roulement relativement épais. Les engrenages utilisés dans les applications aérospatiales contiennent souvent plusieurs de ces propriétés qui peuvent provoquer un retrait inégal lors de la trempe. Ceci peut être résolu efficacement en appliquant une charge de compression sur la surface externe du composant.
L'erreur de trempe sous pression peut être importante. Φ, par exemple, un engrenage de 230 mm (9) en Φ sur l'ouverture à condition de ne pas éteindre l'erreur de circularité de 0.025 mm (0.001 in), la pression généralement après la trempe peut atteindre 0.064 mm (0.0025 pouce). Le même engrenage, lorsqu'il est placé sur la plaque, ne doit pas avoir un jeu de jauge d'épaisseur de 0.05 mm (0.002 po) dans n'importe quelle position entre la plaque et la surface de l'engrenage. Pour Φ 460 mm (Φ 18) en engrenage, l'écart doit être inférieur à 0.075 mm (0.003 in). Si les facteurs énumérés ci-dessus sont correctement traités (c'est-à-dire en utilisant des pièces forgées de haute qualité, en normalisant correctement avant l'usinage, en utilisant des outils tranchants, en suivant bonnes opérations d'usinage, etc.), cette exigence d'erreur stricte peut généralement être obtenue par trempe sous pression. Une extension est l'utilisation d'un contrôle de trempe sous pression à rouleaux (40) de longueur et de pièces cylindriques de 1020 mm Φ 200 mm (Φ 8 in) de long , arbre, déformation du vilebrequin. Cette technique UTILISE des rouleaux pour appliquer avec précaution une charge contrôlée sur une pièce chaude lorsqu'elle tourne autour de son axe et la chambre de trempe est remplie d'un fluide de refroidissement de trempe qui coule. La figure 10 montre une image typique de cette machine-outil de trempe hautement spécialisée.
▲ Figure 10 Schéma de la vis sans fin d'une machine-outil de trempe à matrice à rouleaux pressés