Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Les tubes, corps creux de grande longueur, très présents en industrie, se sont diversifiés (métaux et alliages métalliques, polymères, ciment, verres et céramiques), leurs tailles vont du nanomètre au mètre, en passant par le micromètre et l’échelle millimétrique. À une diversité de matériaux et d’usages correspond évidemment une très grande variété de procédés de fabrication. Cet article se consacre aux tubes métalliques de section géométrique simple, obtenus par des procédés de grande diffusion (laminage, filage, étirage…). La mise en forme des tubes métalliques a pour objectif de donner à un matériau-ébauche une forme précise, des propriétés mécaniques adéquates et un état de surface idoine pour l’utilisation du produit. La particularité des tubes est de comporter une surface externe et une surface interne, avec entre les deux surfaces, une paroi souvent mince.
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Long hollow bodied tubes, widely used in the industry, have become diversified (metals, metallic alloys, polymers, cement, glass and ceramics), their size range from the nanometer to the meter, including the micrometer and the millimetric scale. A large variety of fabrication processes evidently correspond to this diversity of materials and usages. thsi article is dedicated to metallic tubes of simple geometric section obtained by large diffusion processes (rolling, spinning, drawing, etc.) The forming of metallic tubes aims at giving precision to the form of the material, appropriate mechanical properties and a suitable surface state for the usage of the product. A typical feature of tubes is to include an external and an internal surface with an often thin wall thickness between the two surfaces.
Auteur(s)
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Pierre MONTMITONNET : École des mines de Paris – ParisTech, Centre de mise en forme des matériaux (Cemef), CNRS UMR 7635 (Sophia-Antipolis)
-
Jean-Luc AUBIN : Areva NP / Cezus, usine de Paimbœuf
INTRODUCTION
Les tubes, corps creux de grande longueur, sont omniprésents dans les technologies mécaniques appliquées à tous les champs de l’industrie. Originellement transporteurs de fluides, ils peuvent être conteneurs (de la pharmacie aux tubes-gaines de combustible nucléaire…), pièces de structures allégées, réacteurs... Les matériaux se sont diversifiés (tous métaux et alliages métalliques, polymères, ciment, verres et céramiques) ; les tailles vont du nanomètre (nanotubes de carbone !) au mètre (pipe-line), en passant par le micromètre (tubes capillaires, aiguilles…) et l’échelle millimétrique ou centimétrique. Si l’on pense immédiatement aux tubes « lisses » qui nous entourent, il ne faut pas oublier que la section peut être bien plus complexe (tubes à ailettes pour échangeur de chaleur, tubes à rainures circonférentielles, longitudinales ou hélicoïdales…).
Évidemment, à cette diversité de matériaux et d’usages correspond une très grande variété de procédés de fabrication. Nous nous concentrons dans la suite de cet article sur les tubes métalliques, de section géométrique simple, obtenus par des procédés de mise en forme de grande diffusion (laminage, filage, étirage…).
Dans la mise en forme des tubes métalliques, on cherche comme toujours à donner à un matériau-ébauche une forme précise, des propriétés mécaniques adéquates via une microstructure contrôlée, et un état de surface idoine pour l’utilisation du produit. La particularité des tubes est de comporter une surface externe et une surface interne : leur calibrage demande souvent l'intervention de plusieurs outils. Entre les deux surfaces, la paroi est souvent mince, ce qui rapproche, par certains côtés, cette mise en forme de celle des métaux en feuille.
Les tubes et tuyaux de grande dimension peuvent être obtenus par coulée centrifuge (tuyaux en fonte, cf. figures 1 et et ). Le roulage-soudage, à partir de bande laminée à plat, fournit des tubes en acier, en aluminium, de diamètre compris entre 10 mm et 2 m ; on peut ensuite descendre beaucoup plus bas, en dessous du millimètre de diamètre, par des étirages successifs. Enfin, si l’on veut des tubes sans soudure pour éliminer une faiblesse potentielle, on a recours au filage, laminage, étirage.
Cet article est constitué de deux parties. La première est une présentation générale et succincte des principaux procédés de mise en forme des tubes. Elle regroupe des informations issues de plusieurs articles du traité Matériaux, auquel on renverra le lecteur pour plus de détails ; elle s’appuie aussi sur l'ouvrage de Roberts qui reste fondamental pour les procédés de laminage de l’acier en général, et sur la somme récente de Brensing et Sommer qui porte plus spécialement sur la mise en forme des tubes d’acier.
Dans la seconde partie, on prend l’exemple d’un procédé peu ou mal connu, le laminage à pas de pèlerin, pour se livrer à une analyse approfondie des conditions mécaniques de déformation. Une partie des résultats est d’application générale en laminage des tubes, d’autres sont spécifiques à ce procédé bien particulier ; ces points seront précisés.
un tableau regroupant les symboles est présenté en fin d'article.
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VERSIONS
- Version courante de mars 2022 par Pierre MONTMITONNET, Jean-Luc DOUDOUX
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Conclusion2. Étude détaillée d’un procédé de mise en forme à froid de tubes : le laminage à pas de pèlerin
2.1 Cinématique des outils, cinématique du matériau
Le laminage à pas de pèlerin (à froid) est donc un procédé de laminage de tubes, dans lequel l’épaisseur et le diamètre intérieur sont réduits simultanément, dans des proportions relatives librement choisies par l’utilisateur, par un chemin éventuellement non proportionnel : on peut choisir de réduire davantage le diamètre d’abord, puis l'épaisseur, ou l’inverse, ou toute combinaison jugée utile aux propriétés finales du produit. On dispose donc d’une grande souplesse qui permet par exemple de maîtriser avec précision la texture du matériau , ce qui peut être très important pour certaines applications – nous en verrons un exemple dans la suite.
La figure 8 décrit schématiquement le laminoir à pas de pèlerin. On y voit l’ébauche tubulaire, chaussée sur la tige porte-mandrin longue de plusieurs mètres ; un chariot fait avancer et tourner périodiquement l’ébauche, comme nous le verrons plus loin ; des pinces-guides maintiennent le tube et l’ébauche en position horizontale malgré les efforts qui lui sont appliqués. Toute cette partie n’a donc pour but que de contrôler le positionnement de l’ébauche et du tube et d’approvisionner en métal la partie centrale, celle où la déformation est effectuée, c’est-à-dire la cage, sur laquelle nous allons maintenant concentrer notre attention.
Mobile en translation quasi sinusoïdale par un système bielle-vilebrequin (figure 8, et § 2.2.1), la cage porte les deux matrices dont les axes comportent des pignons qui engrènent sur des crémaillères, fixes et extérieures à la cage : cela permet de coordonner les mouvements de rotation et de translation des matrices. La cage sera soumise à des forces verticales cycliques de tension de plusieurs tonnes, dues à l’effort de séparation des matrices provenant des contraintes de contact tube/matrice. Elle doit donc être conçue de façon à résister à la fatigue, tout en étant suffisamment rigide pour éviter un trop grand écartement des matrices qui nuirait à la précision géométrique. Une force...
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Étude détaillée d’un procédé de mise en forme à froid de tubes : le laminage à pas de pèlerin
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - CUENIN (P.) - Industrie de la fonderie - [M 3 500]. Techniques de l'Ingénieur, base documentaire. Mise en forme des métaux et fonderie (1994).
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(2) - CUENIN (P.) - Moulage. Noyautage. - [M 3 512]. Techniques de l'Ingénieur, base documentaire. Mise en forme des métaux et fonderie (1994).
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(3) - ROBERTS (W.L.) - Hot Rolling of Steel. - Marcel Dekker, New York (1983).
-
(4) - BRENSING (K-H.), SOMMER (B.) - Steel tube and pipe manufacturing processes. - http://www.mrw.de/downloads/stahlrohre_engl.pdf.
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(5) - JARBOUI (C.) - Équipements sous pression – Procédés et technologies de formage. - [BM 6 560]. Techniques de l'Ingénieur, base documentaire Machines hydrauliques et thermiques (2004).
-
(6) - ERUÇ (E.), SHIVPURI (R.) - A summary of ring rolling technology....
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