L\'invention concerne un procédé de réalisation par forgeage de pièces à pas hélicoïdal. Le procédé suivant l\'invention s\'applique essentiellement à la réalisation de pièces hélicoïdales de relativement grandes dimensions à denture profonde et notamment à des ébauches semi-finies pour compresseurs à vis. L\'invention concerne également les profilés nécessaires pour la réalisation du procédé.

Il existe des méthodes et appareillages éprouvés pour la réalisation à cadence accélérée de pièces à pas hélicoïdal en visserie-boulonnerie; toutes concernent cependant des pièces de diamètre réduit et travaillent à froid et en rainures peu profondes.

Les pièces hélicoïdales de grandes dimensions pour machines de puissance, extrudeuses, vis pour compresseur sont généralement réalisées par enlèvement de matière. On tourne ou l\'on fraise des barres cylindriques ou encore des ébauches cylindriques comportant déjà des tourillons. On peut également procéder par assemblage (par soudure ou brasage) de pièces cintrées. On admet un coût de main-d\'oeuvre élevé et également une perte de matière première importante par unité produite du fait du coût élevé de l\'outillage mis en oeuvre. On pourrait réaliser un gain substantiel s\'il était possible de produire des pièces hélicoïdales de grandes dimensions à un degré de semi-finition avancé. On réduirait en effet ainsi à la fois le temps d\'usinage et le gaspillage de matière première.

On connaît, dans le domaine du travail du bois, des mèches de tarauds réalisées par torsion. Cette technique est toutefois limitée à des pièces de faible diamètre qui ne, requièrent pas, de surcroît, une très grande précision dimensionnelle.

Le brevet US-A-3608400 décrit ainsi une méthode pour la formation de mèches de foreuses par torsion d\'une tige comportant des nervures initialement droites. Ce

procédé est normalement réalisé à froid mais la pièce peut éventuellement être chauffée pendant ou préalablement à la torsion ^* . On part de pièces de relativement faible diamètre. La denture ainsi formée n\'est pas une denture profonde. Après torsion, la section de la pièce n\'est pas modifiée de façon perceptible, et, par ailleurs, on ne réclame pas des pièces formées une grande précision dimensionnelle, le diamètre de forage étant déterminé par des plaquettes rapportées, fixées sur la pointe de la mèche. Le brevet US-A-2174814 décrit une méthode de formation pour des engrenages hélicoïdaux de faible longueur (de l\'ordre de 2,5 cm) découpés dans une barre nervurée de quelque 3 m après torsion de celle-ci; la barre est maintenue sous une tension longitudinale durant la torsion. Une clé de forme appropriée est prévue pour qu\'un opérateur puisse rectifier manuellement le degré de torsion de la barre en cours d\'opération.

Le brevet US-360941 décrit une méthode de fabrication par torsion à chaud de rallonges de forets de mine à partir d\'un axe droit nervure.

Les pièces à pas hélicoïdal obtenues par les différentes méthodes décrites dans ces documents ne requièrent pas une précision extrême et la déformation de la section y est toujours considéré comme un facteur négligeable.

Le but de l\'invention est la mise au point d\'un procédé de forgeage permettant d\'obtenir, de façon reproductible, des pièces à pas de vis hélicoïdal de relativement grandes dimensions et notamment des pièces à denture profonde.

Un autre but de l\'invention est la réalisation économique d\'ébauches de pièces hélicoïdales semi-finies de sections variées.

Un autre but est d\'obtenir des pièces hélicoïdales présentant des tolérances de fabrication réduites par rapport aux dimensions de la pièce finie.

L\'invention a également pour but de réduire les

déchets de matières premières (métaux coûteux ou de haute qualité) .

L\'objet de l\'invention est un procédé de réalisation d\'une pièce métallique hélicoïdale à pas régulier. Ce procédé comporte les opérations suivantes :

- fabrication d\'un profilé de départ présentant des nervures disposées radialement autour d\'un axe,

- chauffage de ce profilé de façon à obtenir une température uniforme, - fixation de ce profilé sur un dispositif apte à lui appliquer un couple de torsion autour de son axe,

- torsion du profilé, de façon telle que les nervures prennent une forme hélicoïdale, la section du profilé étant telle qu\'on obtient après la déformation due à la torsion, une section correspondant à celle souhaitée pour une pièce hélicoïdale déterminée,

- arrêt de la torsion au moment où la forme hélicoïdale atteint un pas déterminé correspondant à la section souhaitée, - refroidissement de la pièce hélicoïdale obtenue.

Le profilé de départ est de préférence obtenu par découpe d\'un profilé de grande longueur.

Le profilé de départ est obtenu avantageusement par forgeage ou par matriçage. Suivant une variante de réalisation avantageuse, ce profilé de départ est obtenu par formation de nervures sur une partie de la longueur d\'une barre prédécoupée, les extrémités de cette barre prédécoupée conservant leur section originale, destiné à être fixée par des moyens de fixation sur le dispositif apte à appliquer un couple de torsion à la barre prédécoupée.

Suivant une forme d\'exécution avantageuse, le procédé suivant l\'invention comporte en outre l\'opération suivante : - usinage des extrémités du profilé de départ de façon à former des moyens de soutien et d\'entraînement à ces extrémités.

Ce procédé comporte en outre de préférence l\'opération suivante : finition par usinage de la pièce hélicoïdale obtenue.

Avantageusement, le profilé de départ est en acier et il est chauffé uniformément à température mi-chaude, le domaine mi-chaud étant conventionnellement situé pour l\'acier entre le bleuissement et le passage vers le domaine austénique Ac3.

Suivant une autre façon de procéder, l\'acier est chauffé de préférence à une température comprise entre 600 et 1100°C.

On remarquera que si l\'on désire procéder à la torsion d\'une pièce en aluminium ou en un de ses alliages, la température se situera, entre* 300 et 500°C. Pour la torsion, suivant le même procédé, d\'une barre de laiton, on opérera de préférence entre 600 et 850°C.

Le chauffage des profilés peut être effectué par exemple dans un four de recuit.

L\'invention a également pour objet une vis de compresseur réalisée par un des procédés tels que décrits ci-dessus.

L\'invention a également pour objet un profilé pour la réalisation d\'un des procédés ci-dessus, qui comporte des nervures s\'étendant radialement autour d\'un axe, la section de ce profilé étant telle qu\'après chauffage et déformation sous torsion, on obtienne une section correspondant à la section d\'une pièce hélicoïdale déterminée.

Un avantage du procédé suivant l\'invention est que, lorsque les paramètres de fabrication ont été mis au point, on peut réaliser en très grandes séries, donc à bon marché, des pièces hélicoïdales complexes en conservant un haut degré de précision.

Un autre avantage est que la puissance de l\'appareillage nécessaire à la mise en forme proprement dite est très réduite. Suivant un premier exemple, la puissance développée lors de la torsion d\'une pièce de 10 cm de

diamètre et d\'une longueur égale à au moins 2 fois son diamètre est inférieure à ou de l\'ordre de 1 kW.

Suivant un autre exemple, la mise en forme par torsion d\'une pièce de 14 cm de diamètre et de 0,6 m de long requiert une puissance inférieure à 6 kW.

Un autre avantage réside dans la simplicité de l\'outillage mis en oeuvre.

Un autre avantage du procédé est que la mise en forme par torsion s\'applique non seulement à l\'acier de différentes nuances, mais également à d\'autres métaux ou alliages forgeables.

En outre, pour certains matériaux, on peut travailler à relativement basse température, ce qui limite les problèmes d\'oxydation du métal. D\'autres particularités et avantages de l\'invention ressortiront de la description de formes de réalisations ci-après, référence étant faite aux dessins annexés, dans lesquels : la Fig. 1 est une vue en perspective avec interruption d\'un segment de profilé à rainure droite servant de départ pour le procédé suivant l\'invention; la Fig. 2 est une vue en perspective d\'un profilé de départ avant torsion; la Fig. 3 est une vue en perspective du profilé de départ après torsion; les Fig. 4 (a, b, c, d) sont des superpositions du profil d\'une pièce vue en coupe transversale à l\'état initial et à différents stades de torsion; la Fig. 5 montre, en coupe transversale, la déformation d\'un autre type de profilé après torsion; les Fig. 6 à 9 sont des graphiques montrant l\'évolution relative de différents paramètres dimensionnels au cours de la torsion; la Fig. 10 est une vue en superposition de la section d\'un profilé obtenu par calcul et de cette même section après torsion; la Fig. 11 montre, vue de côté avec interruption,

une vis d\'Archi ède réalisée grâce au procédé suivant l\'invention. la Fig. 12 est une vue d\'un profilé de départ obtenu par forgeage-martelage au départ d\'une barre prédécoupée.

La Fig. 1 montre un profilé nervure 1 tel qu\'utilisé comme base de départ dans le procédé de réalisation de pièce hélicoïdale suivant l\'invention. Il présente l\'aspect d\'un engrenage droit de largeur infinie. La section des nervures de cet engrenage droit n\'a en apparence, à ce stade, rien de fonctionnel. En fait, elle est calculée de façon à ce que l\'on obtienne après une déformation rigoureusement contrôlée, en torsion, de la nervure de départ, une forme se rapprochant aussi près que possible de celle de la denture hélicoïdale que l\'on souhaite obtenir. Un profilé nervure 1 tel que représenté peut être réalisé suivant différentes méthodes, et notamment par forgeage, par martelage à plusieurs marteaux, par matriçage, par extrusion, par laminage ou tout autre procédé de mise en forme. Le profilé montré à la Fig. 1 comporte quatre nervures 2 disposées autour d\'un "coeur" 3.

Suivant la forme que l\'on souhaite obtenir, et suivant l\'appareillage dont on dispose, ce profilé 1 peut présenter un nombre de nervures quelconque, et même un nombre pair ou impair suivant l\'éventualité.

La Fig. 2 montre, en perspective, un profilé de départ (préébauche) 4 découpée dans un tronçon de profilé comme montré à la Fig. 1. Pour une raison qui apparaîtra plus loin, la préébauche 4 est plus longue que la future pièce finie, et dans un rapport de proportion déterminée avec celle-ci.

La préébauche comporte à chacune de ses extrémités, des tourillons 5 par l\'intermédiaire desquels il est possible à la fois de la soutenir et de lui appliquer un couple de torsion.

La Fig. 12 montre une autre forme de préébouche,

obtenue par forgeage et notamment par martelage-forgeage d\'une barre prédécoupée. Comme le montre la figure, les nervures 2 ont été préformées sur toute la longueur de la barre initiale, à l\'exception ^* toutefois de ses extrémités 5a, qui ont conservé leur section initiale, carrée en l\'occurence. Une préébauche ainsi préparée offre une prise améliorée pour l\'application du couple de torsion puisqu\'elle offre un plus grand diamètre, et qu\'elle ne requiert pas un usinage préalable du tourillon 5 comme à la préébauche montrée à la Fig. 2. On notera que, dans le but d\'épargner de la matière, il est également possible de braser des tourillons 5 de section adéquate sur une section prédécoupée.

On chauffe ensuite cette préébauche, dans le cas d\'un acier, jusqu\'à température "mi-chaude", ou entre 600 et 1100°C suivant les conditions de travail.

Il est important pour la reproductibilité du procédé suivant l\'invention, que l\'on obtienne une température homogène sur toute la longueur et en tout point de la préébauche 4. Ceci peut être obtenu en utilisant par exemple un four de recuit, ce qui n\'exclut pas d\'autres moyens de chauffage, tels que le four à induction, etc.

La préébauche 4 est ensuite montée entre deux supports axiaux par l\'intermédiaire desquels il est possible de lui appliquer un couple de torsion, sans sollicitation axiale notable. On soumet la préébauche à une torsion lente via les supports axiaux 5. Vu la température à laquelle elle a été portée, la pièce se déforme sous l\'effet de la torsion et les nervures 2, initialement droites, adoptent une configuration hélicoïdale.

On notera que la présence des supports axiaux 5 n\'a rien de déterminant pour le procédé et que le couple de torsion peut parfaitement être appliqué via des plateaux ou par crochage sur les extrémités de la préébauche. Dans les conditions imposées, on constate que la déformation de la section s\'effectue de façon pratiquement uniforme, tant aux extrémités qu\'au milieu de la pièce. On

obtient donc (Fig. 3) une hélice parfaitement régulière.

L\'opération entraîne par ailleurs certaines transformations inattendues, voire à priori paradoxales, sur la pièce 4 : celle-ci s\'est en effet contractée dans le sens axial, le diamètre extérieur des dents 6 s\'est restreint, le "coeur" 3 s\'est au contraire étendu, enfin le profil des nervures 2 initiales s\'est globalement altéré.

Les inventeurs se sont attachés à maîtriser, par essais et projections, les phénomènes régissant la déformation de la section, de façon à pouvoir non seulement obtenir un pas régulier et rigoureux, mais encore à déterminer par calcul la section d\'une nervure initiale se rapprochant autant que possible, après torsion, du profil hélicoïdal souhaité. De cette façon, le parachèvement de la pièce peut être ramené à quelques passes de finition au tour ou à la fraiseuse.

Les Fig. 4a, 4b, 4c, 4d montrent en superposition, la section initiale 7 de la préébauche 4 et la même section déformée 8, 9, 10 après rotation respectivement de 180, 270 et 360°. Ces figures permettent d\'apprécier visuellement l\'effet progressif d\'élargissement du profil et de raccourcissement des nervures 2.

Le même phénomène est mis en évidence à la Fig. 5 pour une préébauche présentant une autre section initiale 11 après torsion de 360° (profil pointillé 12). Plus la torsion est importante, plus les pans 13 apparaissent bombés, ce qui démontre que l\'élargissement d\'un dent n\'est pas le simple résultat de l\'inclinaison progressive d\'une nervure par rapport à l\'axe de la pièce. En modifiant même légèrement la section on peut donc modifier en conséquence les déformations engendrées par la torsion. On constate en outre, si l\'on pratique des coupes en différents points de l\'axe, que les sections obtenues se superposent parfaitement. Ceci montre que le procédé est bien maîtrisé. En effet, on avait constaté, lors d\'essais préalables, une inversion du profil de part et d\'autre de la section

centrale de la pièce. Ceci était évidemment incompatible avec les buts de l\'invention. La mise au point du procédé ayant été poursuivie en dépit de ces indices défavorables, le phénomène a été éliminé par le respect de températures plus homogènes.

Sur base de ces prémisses, on a déterminé expérimentalement et par calcul par différences finies l\'évolution des différentes variables (section, dimensions terminales, etc.) en fonction de paramètres directement mesurables sur des échantillons (longueur initiale, diamètre, angle de torsion, nature du matériau, température ... ) .

On peut aisément démontrer que, dans le cas d\'une forme initiale cylindrique, à torsion angulaire donnée, la déformation équivalente moyenne est proportionnelle au diamètre et inversement proportionnelle à la longueur. Le calcul montre également que cet axiome reste vrai pour une pièce de section quelconque. Le raccourcissement de la pièce étant (une) fonction de la déformation et également de la température, on détermine effectivement à partir de valeurs expérimentales l\'évolution de la configuration d\'une préébauche au cours de la torsion et, partant de là, on établit la section d\'un profilé donnant, après torsion contrôlée, une pièce hélicoïdale de section déterminée. Suivant une des hypothèses initiales, la pièce obtenue après torsion est une ébauche qui doit de toute façon encore être usinée pour parvenir à son stade terminal; on bénéficie donc d\'une latitude dans la précision du contour de l\'ordre de 1 à 2 mm. On constate, en pratique, que l\'on peut rester au-dessous de ce seuil, mais il va de soi que l\'on peut se réserver davantage de latitude et prévoir une plus forte surépaisseur. De toute façon, la quantité de métail à enlever reste largement inférieure à la quantité de déchets que l\'on obtient lors d\'un usinage classique de pièces comparables.

On observe par ailleurs que les bords extrêmes de la préébauche, par l\'intermédiaire desquels le couple de

torsion est appliqué, assez curieusement, ne participent pas à la torsion (ce phénomène affecte une "tranche" de métal de 15 mm environ).

Les Fig. 6, 7 et 8 montrent l\'allure d\'évolution des différentes variables dans le cas d\'une pièce telle que représentée à la Fig. 4.

Le graphique de la Fig. 6 donne la variation du diamètre (en %) en fonction du raccourcissement mesuré (en %) pour ce qui est du coeur de l\'échantillon (courbe 14) et pour sa périphérie (courbe 15).

Le graphique de la Fig. 7 montre la relation entre le taux de contraction d\'un type d\'acier déterminé (à basse teneur en carbone) et sa déformation équivalente moyenne, et ce à différentes températures d\'essais, soit à 400°C (courbe 16) à 700°C (courbe 17) et à 900°C (courbe 18) .

Le graphique de la Fig. 8 met en rapport le taux d\'élargissement des dents (pour une pièce de l\'allure de celle représentée à la Fig. 4) en fonction du rayon pour différentes valeurs de la contraction, soit une valeur de (-6,72%) (courbe 19), de (-12,12%) (courbe 20) et de (-13,92%) (courbe 21).

Le graphique de la Fig. 9 établit le taux d\'élargissement des dents (en %) en fonction de la contraction de la pièce (en %) à différents rayons (mesurés par rapport à l\'axe de la pièce).

La Fig. 10 montré, en superposition, la section

22 d\'une nervure droite 1, établie par calcul, la section

23 de la dent obtenue après torsion de la pièce, et la section définitive (24) de la pièce hélicoïdale après usinage. Les sections étant déterminées à partir de données expérimentales, elles peuvent être utilement ajustées en effectuant, comme lors d\'autres opérations de mise en forme de pièces métalliques, un "bilan volumique" avant et après torsion pour pallier à d\'éventuels déficits de matière.

On a également reporté sur la Fig. 10 la courbe enveloppe E, qui représente le profil d\'une ébauche

cylindrique permettant d\'obtenir une pièce présentant le même profil hélicoïdal que montré à la courbe 24 par enlèvement de matière, c\'est-à-dire par un procédé d\'usinage classique. A titre de comparaison, on notera que la pièce suivant la courbe E présente une masse de 28 kg, l\'ébauche suivant la courbe 23 une masse de 19 kg. La masse de la pièce finie (identique dans les deux cas) est de 17 kg. Ces chiffres illustrent de façon éloquente l\'aspect économique de la présente méthode. Une des particularités du procédé de mise en forme suivant l\'invention, qui la distingue nettement de tout procédé de mise en forme par torsion connu, réside dans la maitrise de la déformation, qui est calculée et conduite de façon à obtenir une section de forme prédéterminée. Cette section se détermine, pendant que la pièce est en cours de torsion, de façon indirecte, par la mesure du pas obtenu, et non pas par l\'angle de torsion imposé à la pièce.

L\'arrêt de la phrase de torsion est donc subordonné à la mesure de l\'obtention d\'un pas déterminé.

Cette mesure peut être effectuée visuellement, avec un comparateur de forme approprié, ou de façon automatique, par mesure laser couplée à la commande de la machine de torsion.

La Fig. 11 est une vue interrompue d\'une vis d\'Archimède confectionnée suivant le procédé de l\'invention. Le prix de revient d\'une telle pièce, normalement confectionnée par assemblage, devient particulièrement intéressant si l\'on utilise le procédé suivant l\'invention, ce qui peut lui ouvrir des débouchés dans certains montages industriels, tels que pour l\'élévation de produits liquides ou visqueux par exemple.