CH630705A5 - Vis auto-perforante et auto-taraudeuse et son procede de fabrication. - Google Patents
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Description
L'invention concerne une vis autoperforante et autotaraudeuse réalisée en acier inoxydable à haute résistance à la corrosion.
La demande toujours croissante et les besoins en matières résistant à la corrosion, en particulier en éléments de fixation résistant à la corrosion, ont mis en lumière un problème se posant dans le domaine des vis autoperforantes. Une vis autoperforante et autotaraudeuse classique doit avoir une dureté de 50 Rc ou plus afin de pouvoir percer et tarauder d'une manière satisfaisante un matériau tel que de l'acier doux. Jusqu'à présent, on a sacrifié la résistance à la corrosion de l'élément de fixation pour permettre à ce dernier de percer et de tarauder convenablement de tels matériaux. Par exemple, l'acier inoxydable du type 410 est un matériau à structure martensitique durcissable dont la teneur en chrome n'est généralement comprise qu'entre 11,5 et 1-3,5%. Le durcissement est communément effectué par un traitement thermique classique ou par la mise en œuvre d'une technique de cémentation. Cependant, dans le cas de l'acier inoxydable du type 300, dont la teneur en chrome est plus élevée, la structure est en général austénitique et non durcissable. Un tel matériau convient très bien à la réalisation d'un élément de fixation durable et résistant à la corrosion. Cependant, jusqu'à présent, ce matériau n'a pas permis de percer convenablement l'acier doux ou des matières analogues.
On a développé des aciers spéciaux tels que l'acier au chrome/-manganèse 18/18 afin d'obtenir une matière d'une grande résistance à la corrosion, permettant des opérations de perçage. Cependant, ces aciers ont pour inconvénient d'être extrêmement durs et ils sont donc également très difficiles à refouler. Par conséquent, la durée de vie des matrices ou autres outils de refoulage est très courte.
On a suggéré de résoudre ce problème par des solutions de compromis consistant à réaliser un élément de fixation en plusieurs parties. Par exemple, on a suggéré d'utiliser un couvre-tête en acier du type 300 avec une vis en acier au carbone obtenue par refoulage à froid classique. Cette vis peut évidemment effectuer un perçage et sa tête conserve une certaine résistance à la corrosion. Cependant, la corrosion de la tige constitue toujours un problème, ainsi que le coût accru résultant de l'utilisation de plusieurs pièces, des manipulations, etc.
On a également suggéré l'utilisation de vis en plusieurs parties comportant une tige et une tête en acier du type 300 et une pointe en acier au carbone, fixée d'une certaine manière à la tige. Cependant, il est évident qu'un problème aigu de manipulation se pose et, jusqu'à présent, aucune solution satisfaisante n'a été trouvée au problème posé par la fixation convenable de la pointe sur la tige.
Aucun des essais effectués dans l'art antérieur n'a permis la réalisation satisfaisante d'un élément de fixation caractérisé par l'association des caractéristiques avantageuses que sont la facilité de fabrication, une grande résistance à la corrosion et une aptitude au perçage de l'acier au carbone.
L'invention concerne donc une vis autoperforante et autotaraudeuse résistant à la corrosion, qui est définie par la revendication 1.
Un procédé de production de la vis selon l'invention est caractérisé par la revendication 6.
L'un des avantages de l'invention est la possibilité de produire en grande série ces pointes de perçage par forgeage. Un autre avantage de l'invention est la possibilité de produire une vis autoperforante relativement plus aisée à refouler à froid que d'autres éléments réalisés en acier inoxydable pouvant être considérés comme présentant la dureté nécessaire au perçage.
La composition chimique du matériau avant que ce dernier soit travaillé comprend de préférence de 7,75 à 8,25% de Ni, de 0,06 à 0,10% de C et de 17 à 18,5% de Cr, afin d'obtenir un équilibre convenable entre la dureté, la résistance à la corrosion et la durée de vie.
La vis de fixation autoperforante, dont la pointe de perçage présente une structure à prédominance martensitique et dont la partie restante est austénitique, peut être avantageusement produite par forgeage à froid, et plus particulièrement par la mise en œuvre d'un procédé dans lequel le forgeage s'effectue à une vitesse linéaire extrêmement faible. Par exemple, il est apparu qu'une vitesse de forgeage ne dépassant pas 15 cm/min permet de transformer avec succès la structure austénitique en une structure à prédominance martensitique dans la zone de la pointe de perçage. Il est également apparu que la structure devient plus aisément martensitique lorsque l'ébauche est à l'état refroidi.
Etant donné que le travail (ou le forgeage) joue un rôle important dans la production satisfaisante de la vis autoperforante, la pointe est
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conçue pour produire un déplacement maximal de la matière. Par exemple, il est apparu avantageux de réaliser une pointe dont la dimension mesurée dans sa direction transversale est d'au moins 50% inférieure à celle mesurée dans la direction de ses arêtes de coupe.
L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple et sur lequel:
la fig. 1 est une élévation de la vis autoperforante finie selon l'invention;
la fig. 2 est une élévation, dans un plan perpendiculaire à celui de la fig. 1, de la vis autoperforante;
la fig. 3 est une vue en bout de la pointe suivant la ligne 3-3 de la fig-1;
la fig. 4 est une vue partielle en perspective éclatée montrant la production d'une vis autoperforante selon l'invention;
la fig. 5 est une élévation partielle du tronçon de la pointe de l'ébauche venant d'être forgé, et la fig. 6 est une coupe suivant la ligne 6-6 de la fig. 2, montrant les proportions relatives de la structure martensitique et de la structure austénitique dans la vis finie.
La vis autoperforante selon l'invention sera décrite d'abord globalement en regard des fig. 1 à 3. L'élément de fixation 10 comprend principalement une tête large 12, une tige filetée 14 et une pointe de perçage 16. Cette dernière comprend deux cannelures 20 à peu près longitudinales qui présentent une première surface 21 délimitée par des arêtes de coupe 18 orientées latéralement vers l'extérieur et vers le haut, et par des arêtes de coupe 22 orientées à peu près longitudinalement. Les cannelures présentent une seconde surface 29 dont l'étendue radiale est très inférieure à celle de la permière surface 21, afin de permettre une fonction décrite ci-après. Une surface inclinée de dépouille 24 est formée en arrière de chacune des arêtes opposées de coupe 18 et coupe une partie arrière 28 de la tige de dimension réduite. Comme montré sur les figures, dans une forme préférée de réalisation, la pointe est configurée de manière à avoir, dans une direction radiale, une dimension très inférieure à celle présentée dans la direction radiale comprenant les arêtes de coupe. La pointe de perçage de la forme préférée de réalisation présente donc une aire en section droite d'au moins 50% inférieure à celle de la tige. Par exemple, les dimensions typiques d'une vis du type N° 8 sont telles que le diamètre de crête de la tige filetée 14 est d'environ 4,24 mm et que le grand diamètre de la pointe, mesuré transversalement et dans le plan des arêtes de coupe 18, est d'environ 3,45 mm, alors que la dimension arrière 28 est d'environ 1,5 mm.
Etant donné que l'un des buts principaux de l'invention est de produire une vis ayant une grande résistance à la corrosion,
l'ébauche de vis est réalisée en acier inoxydable du type 300 à structure austénitique. Le procédé de mise en forme de la vis autoperforante constitue une partie importante de l'invention, et il est montré sur la fig. 4 qui représente une ébauche 30 en acier inoxydable austénitique du type 300, placée de toutes manières convenables entre deux matrices opposées 34 et 36 de forgeage.
D'une manière classique à la technologie de forgeage des vis autoperforantes, les matrices opposées 34 et 36 sont déplacées l'une par rapport à l'autre dans les sens indiqués par les flèches afin de comprimer l'extrémité 32 de l'ébauche introduite entre elles. Il est évident que l'une des matrices 34 ou 36 ou que ces deux matrices peuvent être déplacées pour créer le mouvement relatif nécessaire. La compression de l'extrémité 32 permet d'obtenir la forme de la pointe de perçage 16 au moyen de deux empreintes 38, identiques mais inversées l'une par rapport à l'autre, présentées par les matrices 34 et 36. Cependant, à la différence de l'art antérieur, l'une des matrices 34 et 36 ou ces deux matrices sont déplacées à une vitesse très faible pendant la phase réelle de forgeage ou de déplacement de métal. On a déterminé qu'une vitesse de forgeage comprise entre 2,5 et 15 cm/min permet d'obtenir les résultats souhaités. En fait, la vitesse préférée est d'environ 2,5 cm/min au cours du forgeage. On a également déterminé que, lorsque l'on travaille ou comprime à une telle faible vitesse la pointe d'une ébauche de vis perforante en acier inoxydable du type 300, la structure austénitique de cette pointe est transformée pour prendre une prédominance martensitique.
Les fig. 5 et 6 montrent respectivement l'extrémité d'introduction 32 après qu'elle a été déformée pour constituer la pointe de perçage du type plat, montrée sur les fig. 1 à 3. Etant donné que l'extrémité 32 doit être fortement déformée par déplacement de matière afin que l'une des dimensions latérales de cette pointe soit réduite au moins de la moitié de la dimension latérale des arêtes de coupe, un travail à froid important est réalisé. Ce travail à froid et le passage d'une structure austénitique à une structure martensitique permettent d'obtenir une vis autoperforante pouvant percer de l'acier au carbone ou autres matières analogues. En fait, cette opération de forgeage lent effectuée sur de l'acier inoxydable austénitique du type 300 provoque un durcissement, de l'ordre de 50 à 57 Rc, de la pointe et en particulier des arêtes de coupe.
La fig. 6 montre la structure de l'acier inoxydable après les opérations de forgeage, de filetage par roulage et de refoulage. Les zones ombrées et sombres, indiquées en M, montrent grossièrement la proportion de la structure martensitique dans les diverses parties par rapport à la proportion de la structure austénitique, cette dernière étant indiquée en A. Une conséquence du forgeage lent est que la zone de la pointe de perçage prend une structure fortement martensitique, en fait à peu près comprise entre 40 et 70%, ce pourcentage pouvant dans certains cas être sensiblement supérieur suivant d'autres facteurs indiqués ci-après. Sous l'effet d'un léger travail à froid, une petite partie d'austénite se transforme en martensite dans les zones de la tige et de la tête. Il est apparu que la proportion de martensite dans ces zones est généralement comprise entre 10 et 40%. La proportion relativement importante de martensite à proximité de la pointe est mise en évidence par un magnétisme élevé présenté par cette pointe, contrairement aux autres parties de la vis.
Bien que l'élément de fixation soit globalement décrit comme étant réalisé en acier inoxydable du type 300 à structure austénitique avant d'être travaillé, il est apparu que certaines caractéristiques chimiques de la matière sont importantes pour obtenir les caractéristiques souhaitées de dureté de la pointe et de grande résistance à la corrosion. Par exemple, les proportions de chrome comprises entre 17 et 18,5% constituent une teneur en chrome permettant d'obtenir une résistance convenable à la corrosion, ainsi qu'une combinaison convenable du chrome avec d'autres éléments assurant l'obtention d'une structure martensitique à la pointe, tout en produisant une matière pouvant être soumise efficacement à des opérations de refoulage à froid. La teneur en carbone de l'acier inoxydable préféré est en général comprise entre 0,06 et 0,1 % afin d'assurer l'arrivée au niveau martensitique convenable. Un autre constituant important de l'acier inoxydable préféré du type 300 est le nickel dont la proportion est généralement comprise entre 7,75 et 8,25%. La teneur en nickel est importante, car en se combinant avec le chrome, ce métal détermine la vitesse appropriée de durcissement au travail et la plage convenable de dureté de la matière austénitique pour permettre un refoulage sans diminution sensible de la durée de vie de l'outil. La composition chimique de la matière austénitique constitue donc un facteur important dans le procédé et le produit décrits dans le présent mémoire.
Un autre facteur important pour la fabrication du produit et pour le produit lui-même est l'association convenable du travail à froid et de la transformation martensitique résultant d'une forme de pointe telle que celle montrée sur les fig. 1 à 3. Un autre facteur important pour la réalisation d'un produit acceptable est la température de l'ébauche au cours du forgeage. Il est apparu qu'une ébauche refroidie permet d'obtenir une structure martensitique beaucoup plus rapidement et en plus grande proportion qu'une ébauche travaillée à la température ambiante. En fait, des températures d'ébauche de l'ordre de — 18 à — 62°C, obtenues par refroidissement au moyen de neige carbonique ou par tout autre dispositif, améliorent sensiblement la formation de la structure martensitique à la pointe de la vis.
Le produit fini, tel que montré sur les fig. 1 à 3 et 6, répond donc
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aux critères et présente les avantages de l'invention, car il est réalisé globalement en acier inoxydable du type 300 de manière à présenter toutes les caractéristiques souhaitables d'un élément de fixation à forte teneur en chrome. Sa plus grande partie conserve la structure austénitique, ce qui est avantageux du point de vue résistance mécanique et résistance à la corrosion, mais sa pointe prend une structure fortement martensitique, ce qui permet à l'acier inoxydable du type 300, autrement austénitique, de percer un matériau dur tel que l'acier au carbone. Le procédé préféré de fabrication du procédé précité consiste principalement en une opération de forgeage très lent destinée à produire une pointe de perçage à structure martensitique et, dans la forme préférée de réalisation, une pointe de perçage dont une dimension, dans une première direction, est sensiblement inférieure à celle présentée dans une autre direction.
Comme montré sur les fig. 1 et 2, un léger angle de dégagement 26 5 peut être donné aux arêtes de coupe 18 et 22 afin de ménager un dégagement positif en arrière de ces arêtes, dans les cannelures. La dimension transversale réduite, comprise entre les surfaces arrière ou talons opposés 28, favorise également un dégagement efficace des copeaux qui, associé à l'effet de la structure martensitique, permet à io l'élément, autrement réalisé en acier inoxydable du type 300, de réaliser un perçage convenable.
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1 feuille dessins
Claims (10)
1. Vis autoperforante et autotaraudeuse, résistant à la corrosion, réalisée en acier inoxydable du type 300 principalement à structure austénitique, caractérisée en ce qu'elle comporte une tige à filetage hélicoïdal, une tête d'entraînement élargie radialement et située à une première extrémité de la tige, et une pointe de perçage formée à froid et située à l'autre extrémité de la tige, la pointe de perçage ayant une structure de 40 à 70% martensitique qui donne à la pointe au moins une surface présentant une dureté de 50 à 58 Rc, de façon que cette pointe puisse percer l'acier, tout en conservant les caractéristiques souhaitables de résistance à la corrosion présentée par la structure austénique de l'acier inoxydable du type 300.
2. Vis selon la revendication 1, caractérisée en ce que les zones de la tête et de la tige ont une structure de 0 à 40% martensitique.
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REVENDICATIONS
3. Vis selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'acier inoxydable austénique comprend de 7,75 à 8,25% de Ni, de 0,06 à 0,10% de C et de 17,0 à 18,5% de Cr.
4. Vis selon la revendication 1, caractérisée en ce que la pointe de perçage comporte deux arêtes de coupe orientées radialement vers l'extérieur et vers le haut et croisant une arête latérale de coupe, une partie cannelée qui s'élève des arêtes de coupe, la dimension transversale de la pointe de perçage, considérée dans le plan des arêtes de coupe, étant au moins double de celle considérée à peu près perpendiculairement au plan des arêtes, l'aire de la section droite de la pointe de perçage ne dépassant pas 50% de l'aire de la section droite de la tige.
5. Vis selon la revendication 1, caractérisée en ce que la pointe de perçage présente une structure martensitique à au moins 50%.
6. Procédé de fabrication de la vis selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à refouler à froid, à une première extrémité d'une ébauche en acier inoxydable austénitique du type 300, une tête élargie radialement et à laquelle un couple peut être appliqué, à forger l'autre extrémité de l'ébauche entre deux matrices opposées et configurées de manière à former une pointe de perçage, le forgeage étant effectué par rapprochement des deux matrices l'une de l'autre alors que l'extrémité d'ébauche est placée entre elles, le rapprochement des matrices s'effectuant à une vitesse qui ne dépasse pas 15 cm/min, afin de transformer la structure austénitique de la pointe en une structure martensitique.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'acier inoxydable austénitique comprend de 7,75 à 8,25% de Ni, de 17,0 à 18,5% de Cr et de 0,06 à 0,10% de C.
8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'au moins l'extrémité destinée à former la pointe de perçage est refroidie pendant son forgeage, afin de favoriser la formation d'une structure martensitique dure au cours de cette opération.
9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'extrémité de la pointe de perçage est comprimée entre les deux matrices afin que l'aire de la section droite de la pointe soit réduite à une valeur à peu près égale à 50% de celle qu'elle avait avant que l'extrémité soit comprimée.
10. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'extrémité de la pointe de perçage est comprimée latéralement à une vitesse d'environ 2,5 cm/min.
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