Tube d'étirage avec une épaisseur de paroi variable

Alors que l'étirage du tube pour changer ses dimensions n'est pas nouveau, l'étirage avec un mandrin dynamique étroitement contrôlé est une technologie unique qui peut conférer une épaisseur de paroi variable.

Note de l'éditeur : cet article traite d'un processus de dessin de tube spécifique. Pour une vue d'ensemble du dessin, voir "Principes de dessin de tubes".

Dessiner un tube sur un banc de tirage n'a rien de nouveau. Que le banc utilise un chariot tiré par une chaîne ou utilise un système hydraulique pour faire fonctionner le chariot de tirage, le processus peut modifier le diamètre extérieur, le diamètre intérieur et l'épaisseur de paroi du tube. L'étirage peut également améliorer la finition de surface et même affiner la structure du grain.

Le processus d'étirage le plus simple, le fonçage, réduit le diamètre extérieur et le diamètre intérieur et peut modifier l'épaisseur de la paroi, en fonction de la conception de la matrice et du rapport D/t du tube. Un opérateur d'équipement utilise un processus de pointage pour réduire le diamètre extérieur du tube à une extrémité, puis fait passer l'extrémité pointue à travers la matrice. À partir de là, le banc d'étirage fait le reste, tirant toute la longueur du tube à travers la matrice.

"Le tube étiré existe depuis cent ans", a déclaré Paul Russo, président et copropriétaire de George A. Mitchell Co. "L'étirage avec un mandrin flottant, semi-flottant ou entièrement flottant, existe également depuis de nombreuses années." D'autres processus d'étirage courants utilisent des mandrins fixes. Le mandrin, parfois appelé un bouchon de mandrin, est inséré à l'intérieur du tube pointu, est avancé jusqu'à ce qu'il s'approche du roulement de la matrice et repose dans une position stationnaire au début du tirage.

Bien que ces processus soient plus que suffisants pour de nombreuses applications de dessin, les ingénieurs de George A. Mitchell Co. ont vu un moyen de concevoir une variante du processus de dessin conventionnel. Ce processus innovant consiste à déplacer le mandrin pour faire varier le diamètre intérieur au fur et à mesure que le tube est tiré.

Bien que de nombreux produits soient fabriqués à partir de matériaux d'une épaisseur de paroi constante, qu'il s'agisse de plaques, de feuilles, de tuyaux, de tubes ou de profilés, de nombreux produits bénéficieraient également d'avoir une épaisseur de paroi variable. L'utilisation du matériau le plus léger pour une grande partie d'un produit et d'un matériau plus lourd uniquement là où il est nécessaire (pour la résistance, pour le soudage à une autre pièce, pour le filetage ou pour toute autre caractéristique de conception) optimiserait la consommation de matériau et le poids du produit.

Pour faire varier l'ID d'un tube, les ingénieurs de Mitchell ont proposé un mandrin sur une tige de mandrin programmée pour un mouvement dynamique. La matrice a un angle inclus et un roulement droit, tandis que le mandrin a un cône de conception critique. Le mouvement du mandrin est contrôlé avec précision pendant le processus d'étirage, et le résultat est un tube sur mesure pour son application - un tube avec une épaisseur de paroi variable.

"Déplacer un mandrin n'a rien de nouveau", a déclaré Russo. "Le contrôle de la position statique d'un mandrin, par exemple pour compenser l'usure, s'est fait depuis longtemps via des dispositifs de réglage à vis de mandrin."

Bien que cette technologie ait un potentiel dans d'innombrables applications, le personnel de Mitchell a trouvé la plus grande utilisation dans l'industrie automobile.

Alors que l'étirage du tube pour changer ses dimensions n'est pas nouveau, l'étirage avec un mandrin dynamique étroitement contrôlé est une technologie unique qui peut conférer une épaisseur de paroi variable.

"De nombreuses voitures de sport ont des arbres de transmission tubulaires en aluminium", a déclaré Russo. "Enlever le poids sur la longueur du tube aide à réduire le poids du véhicule, et cette technologie peut l'épaissir aux extrémités où il a besoin de force pour se fixer à la transmission et au différentiel", a-t-il déclaré.

L'utilisation d'un tube en aluminium à paroi mince pour un arbre de transmission peut sembler une recette pour un désastre, surtout compte tenu du couple généralement développé par une automobile haute performance, mais ce n'est pas le cas.

"La rigidité provient du diamètre bien plus que de l'épaisseur de la paroi", a déclaré Russo. "Le calcul de la rigidité prend le diamètre à la quatrième puissance."

Au moins une conception de pointe d'écrasement automobile utilise un tube étiré qui a une épaisseur de paroi variable. La pointe d'écrasement, également connue sous le nom de crash box, est située entre le pare-chocs et le châssis pour absorber une partie de l'énergie d'un impact afin qu'une moindre partie de cette énergie soit transférée à l'habitacle. C'est comme un amortisseur qui ne fonctionne qu'une seule fois.

Parce que la pointe d'écrasement est comprimée par étapes, la section la plus fine se froissant en premier, elle offre une résistance graduée et progressive à l'impact. Au fur et à mesure que les sections plus épaisses se compriment, elles absorbent progressivement de plus grandes quantités d'énergie. Bien que les impacts se produisent soudainement, ce type de pointe d'écrasement se comprime relativement progressivement.

La pensée derrière la conception de cette pointe de broyage est quelque peu sophistiquée, mais cette technologie rend la solution à la fois simple et élégante. Et il offre sans doute une meilleure protection contre les chocs qu'une pointe écrasée avec des caractéristiques homogènes.

Les conceptions de vélos bénéficient également grandement de cette variété de tubes à paroi variable spécialement conçus. "Certains cadres de vélo composites sont pesés en onces", a déclaré Russo. "Les cadres en acier ne sont pas si légers, mais cette technologie aide." De nombreux VTT hautes performances sont fabriqués à partir d'AISI 4130, également connu sous le nom de chrome-molybdène, qui est idéal pour la course et d'autres applications nécessitant de la force sans poids. Il s'agit d'un acier de qualité aéronautique, à teneur moyenne en carbone et faiblement allié qui contient du chrome et du molybdène pour la résistance. Le muscler aux extrémités permet de le raccorder à d'autres tubes par soudure.

Les applications de cette technologie vont bien au-delà de la fabrication à la recherche de minerais précieux, de pierres précieuses, de pétrole et de gaz naturel. "Ces tubes ont des parois minces sur toute leur longueur et des parois plus lourdes aux extrémités pour le filetage ID et OD", a déclaré Russo.

"Certaines des canalisations fabriquées par cette méthode ont dû être acheminées vers un site exploratoire [de forage] qui, de par sa nature, est éloigné", a déclaré Russo. C'était si éloigné, en fait, que certains des matériaux, comme les tubes de forage, ont été amenés par hélicoptère.

"Faire en sorte que ces tubes soient aussi légers que possible rend l'étape de transport plus efficace", a déclaré Russo. Il ne faut pas une petite quantité de carburant toutes les heures pour maintenir un hélicoptère en l'air, et le charger de fret le rend encore beaucoup plus cher. Des tubes plus légers signifient plus par voyage.

Alors que l'étirage du tube pour changer ses dimensions n'est pas nouveau, l'étirage avec un mandrin dynamique étroitement contrôlé est une technologie unique qui peut conférer une épaisseur de paroi variable.

Les tubes à paroi variable peuvent être longs - le plus long connu par Russo est de 33 pieds - et les concepteurs de pièces ont presque toute la liberté dont ils disposent avec les processus de dessin conventionnels. Le système de dessin dynamique du mandrin peut donner des ID ronds ou ovales, avec une seule mise en garde : l'ID doit être symétrique sur les axes X et Y. Au-delà de ces paramètres, le potentiel pour d'autres applications est illimité.

"L'imagination est la limite", a déclaré Russo.