Brevet FR2504459A1 — publié le 19821029

ROUE EN ALUMINIUM. EN PARTICULIER ROUE DE VéHICULE. ET EN OUTRE PROCEDE ET DISPOSITIF POUR SA FABRICATION La présente invention concerne une roue en aluminium, en particulier une roue de véhicule et, en outre, un procédé et un dispositif pour la fabrication de cette roue en aluminium. Les roues de véhicules automobiles ont été fabriquées presque exclusivement a partir de tôle d'acier. Conformément à la technologie traditionnelle de fabrication des roues en acier, la surface de roulement est profilée a partir d'une bande, puis elle est soudée de façon a former la jante de la roue. Le profil de la surface de roulement est formé par roulage dans la jante, puis le disque de roue est soudé sur la surface intérieure de la jante. Dans le but d'augmenter la protection de l'environnement, les économies d'énergie et la sécurité, on a utilisé de plus en plus intensivement ces derniers temps des roues en métal léger- aluminium -. On connait a l'heure actuelle trois procédés de fabrication de roues en aluminium, a savoir: la coulée, le forgeage et l'emboutissage. A cet égard, il est a noter que le poids des roues en acier utilisées pour des véhicules automobiles est de 8 a 12 kg sans le pneumatique, et en fonction du type, tandis que le poids de roues réalisées par coulée d'aluminium est généralement de 5 a 8 kg, alors que celui des roues formées de tôle d'aluminium est de 3 a 5 kg.Le coût des roues en aluminium moulé est bien supérieur a celui des roues en acier et, en conséquence,ces roues moulées sont utilisées principalement pour des véhicules automobiles qui le justifient. Les roues formées de tôle d'aluminium sont produites a un coût considérablement inférieur a celui des roues coulées et, en conséquence, on peut s'attendre a ce que les roues formées de tôle, qui sont plus légères, soient utilisées d'une façon générale. A l'heure actuelle, on emploie en majeure partie des roues en aluminium coulé. Celles-ci sont fabriquées a partir de métal en fusion en opérant habituellement par coulée a basse pression, ou moins fréquemment par coulée a haute pression. La pièce coulée est soumise a un essai non-destructif, puis a un traitement thermique. Ensuite, on effectue un usinage, puis un autre contrôle. Les roues moulées peuvent être produites avec différentes formes et un excellent aspect esthétique mais elles sont relativement lourdes et coûteuses, comme mentionné ci-dessus. On peut produire des roues possédant d'excellentes propriétés mécaniques par forgeage. Dans cette technologie, le produit préfabriqué est découpé en barre, préchauffé puis forgé en matrice, ces opérations étant suivies par un traitement thermique et la forme finale étant produite par usinage. Bien que le profilage des roues forgées soit inférieur à celui des roues coulées, elles possèdent cependant des propriétés mécaniques bien meilleures sans défauts structuraux de la matière, notamment sans inclusions de gaz. Les roues forgées sont extrêmement coûteuses et, par conséquent, elles sont utilisées principalement pour des avions et des véhicules automobiles spéciaux. Dans les brevets GFR Nos. 26 29 511 et 26 35 983, on décrit une roue de véhicule fabriquée en métal léger forgé ou coulé. Dans les brevets hongrois Nos. 174 572 et F0-740, on décrit des roues produites à partir d'une seule pièce forgée en matrice. La production traditionnelle de roues en acier à-partir de deux pièces soudées a été également appliquée aux roues en métal léger, lorsque la jante de roue est constituée à partir d'une bande par cintrage et jonction par soudage. La surface de roulement de la jante est profilée normalement par roulage. Conformément au brevet soviétique No. 712 643, la surface de roulement est profilée à l'aide d'un outil de formage usiné spécialement. Le disque de roue et la jante sont assemblés de la même façon par soudage. La structure en deux pièces a été décrite dans le document publié par'GFR sous le No. 28 24 972, où les parties extérieures et intérieures de la roue sont produites par roulage puis, pour éviter un soudage, sont assemblées par différentes méthodes, par exemple par frettage, par des joints à vis, par collage, etc. Le document GFR publié sous le No. 24 39 840 décrit une telle roue en métal léger, dans laquelle le disque de roue et la surface de roulement sont assembles par soudage par cordons ou par points. Le grand inconvénient de la solution composite consiste en ce que le soudage des alliages d'aluminium est toujours problématique puisque les propriétés de résistance de la matière recuite au voisinage des joints soudés peuvent être rétablies seulement par un traitement thermique ultérieur. Les joints soudés nécessitent habituellement également un contrôle ultérieur de qualité. Toutes ces opérations augmentent considérablement le coût de production. Cette technologie ne convient pas pour les caractéristiques des métaux légers et elle ne permet pas d'exploiter son potentiel intrinsèque. Conformément à la technologie mise au point au Japon ("Modem Metals", Volume 35, Octobre 1979, page 82-83), on fabrique de telles roues en aluminium en deux pièces pour des véhicules automobiles de la façon suivante un produit préfabriqué de profil approprié est formé à partir d'une tôle par emboutissage profond, puis on enlève sa partie inférieure et la surface de roulement est laminée à partir de la pièce de forme tubulaire ainsi obtenue, puis la partie de base enlevée est finie par emboutissage profond et, finalement, les deux pièces sont assemblées par soudage. Cependant, cette méthode technologique présente des difficultés à cause des problèmes de soudage déjà mentionnés. Pour éliminer les problèmes de soudage, on a mis au point ce qu'on appelle des roues en trois pièces, où la surface de roulement est produite à partir de deux pièces et est fixée sur le disque de roue forgé à l'aide de boulons. Cependant, du fait de l'insécurité des joints filetés, ces roues peuvent être rarement utilisées. La technologie, connue et utilisée à l'heure actuelle, des roues en aluminium a été décrite dans #le document#"The Status of Light Alloy Disc Wheel in Japan", publié par le "Light Metal Wheel Committee" en 1980. L'invention a pour but de réaliser une roue en aluminium - notamment une roue de vehicule - qui soit formée de tôle et qui possède les avantages intrinsèques d'un poids réduit des roues entôle tout en éliminant simultanément les soudages problématiques des alliages d'aluminium, ou tout autre procédé d'assemblage. Un autre objectif consiste à mettre au point un procédé qui permette de produire économiquement la roue avec une qualité appropriée et avec des paramètres favorables. Conformément à la présente invention, ces différents problèmes sont résolus en réalisant le disque de roue et la surface de roulement de la roue en aluminium à partir d'une seule tôle d'aluminium, c'est-à-dire que la roue en aluminium conforme à la présente invention se compose d'un seul élément structural. La roue en aluminium conforme à l'invention combine les avantages des solutions connues tout en éliminant leurs inconvénients. Puisqu'on ne fait pas intervenir de soudage, le contrôle de qualité est simplifié et aucun traitement thermique ultérieur n'est hécessaire, la matière est utilisée économiquement, les propriétés mécaniques de la roue sont favorables et le poids de la structure est identique ou même inférieur à celui des roues connues réalisées à partir de tôle. La roue conforme à l'invention peut être produite à partir d'alliages d'aluminium qui sont durcis par des procédés d 'écrouissage des métaux, alors que dans le cas des roues soudées, on ne peut utiliser que des alliages ayant subi une trempe et un revenu. La roue en aluminium est produite par un procédé conforme à la présente invention, suivant lequel un disque en tôle est profile par emboutissage profond sous la forme d'une cuvette cylindrique, ce disque étant produit à partir d'un alliage d'aluminium profilé électromagnétiquement et ayant une conductivite et une résistance appropriées, les dimensions du disque étant en outre adaptées aux dimensions finales de la roue; des parties incurvées d'adaptation du disque de roue sont formées par emboutissage dans le fond de la cuvette, puis le trou de passage de l'arbre de roue ainsi que les trous servant à la fixation et à d'autres buts - par exemple l'orientation - sont réalisés de la même façon par poinçonnage, puis un outil composite d'adaptation du profil de la surface de roulement est placé dans la cuvette et la surface de roulement est formée à partir de la jupe de la cuvette avec application d'un effet de champ électromagnétique. Conformément à un autre mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, la cuvette réalisée par emboutissage profond est soumise à un per çage grossier - comme décrit ci-dessus, la surface de roulement est formée dans la jupe de la cuvette par application d'unchamp et,buduneinductionelectro- magnétique, puis des parties incurvées d'adaptation de la forme de disque de roue sont formées par poinçonnage dans le fond de la cuvette et, ensuite, simultanément, le trou de passage d'arbre de roue et les trous servant à la fixation et à d'autres buts - par exemple l'orientation - sont réalisés par poinçonnage. il peut être très avantageux de réaliser la cuvette par ce qu'on appelle un processus d'emboutissage profond avec amincissement de paroi puisque, de cette manière, la paroi de la jupe de cuvette peut être réalisée plus mince que son fond, suivant ce qui est nécessité par la structure,ce:tedispositi#nétant favorable en ce qui concerne le processus de profilage électromagnétique. Il est à noter que le terme "aluminium" utilise dans la présente demande de brevet se rapporte également aux alliages d'aluminium. En ce qui concerne le domaine d'application de la présente invention, il est préférable d'utiliser des alliages d'aluminium dont la résistance à la traction est comprise entre 150 et 600 N/mm2. La conductivité des alliages doit correspondre à la valeur nécessaire pour le profilage électro- magnétique. Le profilage électromagnétique est effectué de façon appropriée avec un champ ou une induction électromagnetique d'une puissance de 20 a sou kW. On a obtenu des résultats favorables en effectuant l'emboutissage profond et/ou le poinçonnage et/ou le profilage électromagnétique en plusieurs étapes. Dans certains cas où, pendant les différentes opérations de profilage, les positions relatives des éléments de surface de la roue sont modifiées, il devient nécessaire d'effectuer une opération de calibrage à la presse à la fin de la séquence d'opérations. Un autre avantage est obtenu lorsqu'une ou plusieurs opérations d'emboutissage profond, de poinçonnage et - dans un cas donné - de calibrage sont combinées mutuellement. Naturellement, les opérations classiques de profilage final et de finition de surface doivent être exécutées sur le produit fabriqué par le procédé conforme à l'invention, à la fin de la séquence complète d'opérations. Le profilage électromagnétique constitue l'opération la plus essentielle du procédé conforme à l'invention. Dans ce but, on utilise, conformément à la présente invention, un dispositif qui est formé d'un ensemble composite comportant des outils intérieur, inférieur, supérieur et intermédiaire assurant l'adaptation du profil de la surface de roulement de la roue, lesdits outils étant placés surin cône de tension, la pièce à profiler étant appliquée à l'aide d'un anneau de blocage et les outils étant entourés par un enroulement électrique de profilage qui est enrobé d'une isolation. il peut être avantageux de ménager un ou plusieurs trous de sortie d'air dans les outild (inférieur et/ou intermédiaire). D'autres buts et avantages de la présente invention apparaftront à la lecture de la description suivante et des figures jointes, données à titre illustratif mais non limitatif. La Figure 1 est une vue en coupe d'une roue de véhicule conforme à la présente invention. La Figure 2a représente un disque qui constitue le produit préfabriqué initial intervenant dans le procédé conforme à l'invention. La Figure 2b est une vue en perspective de la cuvette formee par profilage du disque par emboutissage profond, et la Figure 3 est une coupe schématique du dispositif conforme à l'jn- vention qui est utilise pour le profilage électromagnétique. Le profil de la surface de roulement 2 de la roue de véhicule 1 représentée sur la Figure 1 est identique au profil de roulement classique et, en conséquence, on ne le décrira pas en détail. Le disque de roue 3 est profilé à partir du fond de la cuvette réalisée par emboutissage profond et représentée sur la Figure 2b et, par conséquent, il est nécessairement plus épais que la surface de roulement 2. L'épaisseur de tôle peut être choisie dans de larges limites, si la cuvette 8 est produite par un procédé d'emboutissage profond avec amincissement de paroi. Le coin formé à la jonction de la surface de roulement 2 et du disque de roue 3 est très avantageux puisqu'il permet d'absorber des percussion ou des chocs se produisant lors d'un impact avec le trottoir, dans le cas d'un virage brutal, etc, plus favorablement que les roues de profil ouvert utilisées jusqu'à maintenant. Le trou de passage 4 de l'arbre de roue est ménagé dans la partie centrale du disque de roue 3. Des trous de passage de boulons 5 et des trous d'orientation 6 sont ménagés conformément aux structures des roues traditionnelles. La Figure 2a représente un disque plat 7 qui a été préparé pour l'opé- ration d'emboutissage profond et qui permet de réaliser par formage la cuvette 8 représentée sur la Figure 2b. Cette cuvette est utilisée comme élément préfabriqué dans les opérations suivantes. La Figure 3 représente le dispositif utilisé pour le profilage électromagnétique réalisé conformément au procédé selon l'invention. Ce dispositif se compose d'un ensemble composite comprenant des outils intérieurs inférieur 18, supérieur 11 et intermédiaire 12, lesdits outils étant séparés dans plusieurs directions spatiales par des surfaces planes et incurvées de manière que, après assemblage, la surface extérieure soit adaptée à la surface de roulement de la roue à former. Les outils 18, 11 et 12 sont placés sur le cne de tension 15, la cuvette 8 est ensuite mise en place - comme indiqué sur le côté gauche de la Figure 3 - puis elle est fixée à l'aide de l'anneau de blocage 16. Les différents outils et l'élément préfabriqué sont fixés ensemble à l'aide d'un appareil actionné mécaniquement, pneumatiquement ou hydrauliquement (non représenté). L'autre partie principale du dispositif est constituée par l'enroulement électrique de profilage 13 entourant les outils etdiménsionnéen correspondance avec les contraintes électriques et mécaniques se produisant pendant l'opération de profilage, tout en pouvant être refroidi én correspondance aux conditions opératoires. Les conducteurs de l'enroulement de profilage 13 sont enrobés d'une isolation électrique 14 - de façon appropriée, une matière synthétique renforcée par des fibres -, cette isolation étant elle-même recouverte par une gaine métallique 17 assurant une protection électrique et une fixation mécanique. Le profilage électromagnétique est suivi par un démontage des outils 18, 11 et 12 à partir de l'intérieur du produit profilé par desserrage des éléments de blocage qui peuvent ensuite être réassemblés pour l'opération de profilage suivante.L1.inductionmagnétique engendrée par l'enroulement de profilage 13 relié â un générateur d'impulsions (non représenté) assure le profilage de la surface de roulement 2 en correspondance avec les outils 18, 11, 12 en partant de la surface de jupe de la cuvette 8. Le procédé conforme à l'invention fait intervenir deux opérations essentielles pour la production de la roue en aluminium réalisée en une seule pièce. La première opération consiste dans l'emboutissage profond avec amincissement de paroi qui permet d'établir les différentes epaisseurs de paroi nécessaires. Ainsi, par exemple, l'épaisseur initiale dela tôle de fabrication d'une roue de véhicule en alliage d'aluminium est de 5 à 7 mm, et la force à faire intervenir dans l'opération d'emboutissage profond est d'environ 6300 kN. L'autre opération consiste dans le profilage électromagnétique de la surface de roulement. Dans ce but, l'alliage sélectionné pour la roue doit convenir pour un profilage électromagnétique en ce qui concerne la conduc tîvité et la force de profilage, tandis que, simultanément, le durcissement de la matière par suite du profilage peut être efficacement exploité pour augmenter la résistance et la capacité de charge de la roue. Une impulsion électromagnétique d'une puissance d'environ 100 à 150 kJ est nécessaire pour assurer le profilage de la surface de roulement de la roue de véhicule automobile mentionnée ci-dessus à titre d'exemple. On va donner dans la suite un exemple numérique concret d'application du procédé conforme à l'invention: Pour produire une roue d'aluminium de 220 mm de diamètre, on a choisi comme matériau l'alliage AlMgSi 1 (Rm = 255 N/mm2; Rpos = 177 N/mm2). L'épaisseur de la tle formant le disque est de 5 mm, le diamètre étant de 350 mm. L'opération d'emboutissage profond servant produire la cuvette est réalisée en deux étapes, la force nécessaire étant de 630 tonnes. On a utilisé pour cette opération une presse hydraulique. Après l'opération d'emboutissage profond, on forme par emboutissage les parties incurvées servant à l'adaptation de la forme du disque de roue et, ensuite, on réalise le trou de passage d'arbre de roue, les trous de passage de boulons et les trous d'orientation. L'étape suivante consiste dans le profilage électromagnétique réalisé à l'aide du dispositif représenté sur la Figure 3. La puissance à faire intervenir dans cette opération est d'environ 50 kW, la durée de loperation étant d'environ 30 secondes. A ce stade, la roue est pratiquement terminée et on doit seulement exécuter ensuite le traitement de surface classique et les opérations de finition. Il est à noter qu'on a obtenu avec le profilage électromagnétique une très bonne précision qui rend inutile l'usinage ultérieur de la roue fabriquée conformément à la présente invention. L'avantage essentiel de l'invention consiste en ce qu'on produit une roue de véhicule ayant une structure en tôle bien plus simple que celle des roues réalisées jusqu'à maintenant du fait qu'il est possible de fabriquer la roue en aluminium a partir d'un simple disque plat. Le procédé conforme à l'invention permet d'économiser du temps et il convient de façon excellente pour une production industrielle en grande série. Le procédé n'exerce aucune influence perturbatrice sur la qualité du matériau structural utilise et ainsi, par exemple, on évite le ramollissement se produisant dans les opérations de soudage classiques. il est possible de produire la roue en faisant intervenir une quantité minimale de matériaux de base et avec une qualité satisfaisant pleinement les utilisateurs. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte pour cela de l'esprit de l'invention. Ainsi on doit comprendre que par le terme roue en aluminium, on entend une zoue destinée à recevoir un bondage pneumatique de roulement et dont le matériau est un alliage métallique à base d'aluminium ou autre matériau equivalent c'est-à-dire léger, relativement inoxydable et facile à mettre en oeuvre par moulage, forgeage et surtout e#mboutissage. REVENDICATIONS 1.- Roue en aluminium, notamment roue de véhicule, se composant d'une surface de roulement et d'un disque de roue, caractérisée en ce que la surface de roulement (2) et le disque de roue (3) sont profilés à partir d'une seule tôle d'aluminium. 2.- Roue en aluminium selon la revendication 1, caractérisée en ce que la tôle d'aluminium formant la surface de roulement (2) et le disque de roue (3) est constituée d'un alliage d'aluminium ayant une résistance à la traction de 150 a 600 N/mm2. 3.- Procédé de fabrication d'une roue d'aluminium selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la roue est formée d'un alliage d'aluminium pouvant être profilé électromagnétiquement et convenant en ce qui concerne la conductivité et la force de profilage, en ce qu'un disque plat (7) dont les dimensions sont adaptées aux dimensions finales de la roue (1) est profilé par emboutissage profond sous la forme d'une cuvette cylindrique (8), en ce que des parties incurvées d'adaptation du profil du disque de roue (3) sont formées par emboutissage dans le fond de la cuvette (8), en ce qu'ensuite, on réalise le trou de passage d'arbre (4) dans le disque de roue (3) et les trous (5, 6) servant a la fixation et à d'autres buts - par exemple à l'orientabion - par une opération de poinçonnage, puis on place danslacuvette (8) un outil interne(11,12,18) composite d'adaptation du profi-l de la surface de roulement (2) et on forme la surface de roulement (2) à partir de la surface de jupe de la cuvette en faisant intervenir un champ électromagnétique. 4.- procédé de fabrication d'une roue d'aluminium selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la roue est formée d'un alliage d'aluminium pouvant être profilé électromagnétiquement et convenant en ce qui concerne la conductivité et la force de profilage, en ce qu'un disque plat (7) dont les dimensions sont adaptées aux dimensions finales de la roue (1) est profilé par emboutissage profond sous la forme d'une cuvette cylindrique (8), en ce que la cuvette (8) est soumise à un perçage grossier, en ce qu'ensuite un outil interne composite est placé dans la cuvette en adaptation aux dimensions de la surface de roulement (2) à former, en ce que la surface de roulement (2) est profilée à partir de la jupe de la cuvette (8) en faisant intervenir un champ ou une induction éléctromagnetique et qu'on forme par emboutissage des parties incurvées dans le fond de la cuvette (8) en adaptation à la forme du disque de roue (3), et en ce qu'ensuite ou simultanément, on ménage par poinçonnage le trou de passage d'arbre de roue (4) dans le disque de roue (3) et les trous (5, 6) servant à la fixation et dans d'autres buts - par exemple l'orientation. 5.- Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la cuvette (8) est formée par emboutissage profond avec amincissement de paroi. 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'on utilise un champ une induction électromagnetique d'une puissancede 20 à500 kW pour le profilage de la surface de roulement (2). 7.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que les opérations d'emboutissage profond et/ou de poinçonnage et/ou de profilage électromagnétique sont réalisées en plusieurs étapes. 8.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, carac térisé en ce que la séquence d'opérations est suivie par un calibrage final de la roue a la presse. 9.- Procédé selon llune quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce qu'une ou plusieurs opérations d'emboutissage profond, de poinçonnage et - le cas écheant - de calibrage sont combinées mutuellement. 10.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 9, carac térisé en ce que la séquence d'opérations est suivie par des opérations conventionnelles de profilage final et de finition de surface. 11.- Dispositif de profilage électromagnétique applicable dans le procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble composite se composant d'outils internes inférieur,supérieur et intermédiaire (18, 11, 12) servant à l'adaptation de la forme de la surface de roulement de la roue (2), les outils étant places sur un cône de tension (15) sur lequel la pièce (8) à profiler est appliquée à l'aide d'un anneau de blocage (16), en ce qu'en outre lesdits outils sont entourés par un enroulementélectriquede profilage (13)qui est enrobé avec une isolation électrique (14). 12.- Dispositif selon la revendication 11 caractérisé en ce que l'isolation électrique est entourée par une gaine métallique (17). 13.- Dispositif selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce qu'un ou plusieurs trous de sortie d'air sont ménagés dans l'outil inférieur et/ou intermédiaire (18, 12). 14.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que l'enroulement de profilage (13) est muni d'un système de refroidissement.