Brevet FR2651452A1 — publié le 19910308

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE SOUPAPE La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une soupape, notamment une soupape d'échappement d'un moteur à combustion interne, qui se compose d'une tige de forme tubulaire, fabriquée séparément et comportant une partie s'élargissant vers l'extrémité située du côté fonctionnel de la soupape, ainsi qu'une tête de soupape réalisée en une matière très résistante à la chaleur et comportant une partie formant la base de soupape, une partie formant le siège de soupape et une partie dorsale de soupape, située à la suite et s'étendant jusqu'à une zone commune de jonction avec la tige de soupape, cette tige de soupape et la tête de soupape étant reliées entre elles dans la zone de jonction. D'après le brevet américain n 2 316 488, il est connu une soupape pour moteur à combustion interne, composée de deux parties formées de matériaux différents et fabriquées séparément. La soupape comporte une tige creuse moulée, d'une grande résistance à la traction et remplie d'un agent de refroidissement, et également d'une tête de soupape très résistante à la chaleur, qui constitue la base de soupape ainsi qu'une partie dorsale de la soupape s'étendant jusqu'à une zone de jonction de la tête de soupape avec la tige de soupape en élargissement. La tige et la tête de soupape sont reliées entre elles dans cette zone de jonction. Du fait de cette réalisation de la soupape en deux parties, avec une tige de soupape moulée, on doit réaliser une économie en matériau très résistant à la chaleur par le fait que ce matériau très résistant à la chaleur, coûteux et en outre difficile à usiner, est utilisé exclusivement pour la tête de soupape fortement sollicitée. Dans une soupape de ce genre, la tige peut évidemment être moulée d'une manière assez simple, mais cependant un usinage ultérieur avec enlèvement de copeaux de la tige de soupape pour améliorer la qualité de surface est difficile. Dans ce processus d'usinage par enlèvement de copeaux, de la matière est enlevée de la surface de tige et pour cette raison, l'épaisseur de paroi de la tige doit avoir une valeur déterminée. Du fait de la prédétermination de cette épaisseur minimale de paroi, le volume intérieur pouvant être rempli avec l'agent de refroidisse- ment est obligatoirement plus petit et le poids de la tige de soupape augmente. L'invention a en conséquence pour objet de permettre la fabrication d'une soupape du type défini ci-dessus de telle sorte que, dans un processus de fabrication simple, on puisse réaliser une soupape solide mais cependant légère et comportant une grande cavité intérieure. Le problème est résolu conformément à l'invention en ce que, pour la formation de la tige de soupape, un matériau de départ de forme tubulaire est réduit au diamètre de tige par déformation à froid, en ce qu'une zone de transition, située entre la tige de soupape réduite et le matériau de départ est profilée avec une forme d'arc en créant une partie de tige en élargissement, et en ce qu'ensuite la tige de soupape est sectionnée, dans la partie de tige en élargissement, en un endroit correspondant au diamètre de la zone de jonction entre la tête de soupape et la tige de soupape. Selon d'autres particularités du procédé conforme à l'inven- tion: - Dans une seconde étape opérationnelle, le matériau de départ de forme tubulaire est serré dans l'outil réducteur par son extrémité réduite par usinage dans une première étape opérationnelle, et en ce que, dans cette seconde étape opérationnelle, la partie du matériau de départ, qui n'a pas été usinée dans la première étape opérationnelle, est réduite et est ensuite sectionnée. - La tige est obturée, à son extrémité opposée à la tête de soupape, par augmentation d'épaisseur du matériau de départ de forme tubulaire. - La tige est obturée au moyen d'un bouchon à son extrémité opposée à la tête de soupape. - Le bouchon est soudé au laser avec la tige. - Le bouchon est relié à la tige avec conjugaison de formes. Une tige d'une soupape fabriquée en au moins deux parties qui sont ensuite reliées ensemble est réalisée à partir d'un matériau de départ de forme tubulaire. A cet égard, le matériau de départ de forme tubulaire est soumis, dans un processus de déformation à froid, c'est-à-dire à une température qui est inférieure à la température de recristallisation de la matière, à une réduction d'une de ses extrémités depuis son diamètre initial jusqu'au diamètre désiré pour la tige de soupape, par exemple, par un estampage circulaire avec engagement d'un mandrin correspondant à la section intérieure désirée pour la tige de soupape. Dans la même opération, la zone de transition entre le matériau de départ de forme tubulaire qui n'a pas été usinée et la tige de soupape réduite au moyen de l'opération d'estampage, est profilée à l'aide d'outils appropriés sous la forme d'une partie de tige s'élargissant avec une forme d'arc. Ensuite, la tige de soupape terminée de formage est séparée du matériau de départ de forme tubulaire en un endroit correspondant au diamètre de la zone de jonction entre la tête et la tige de la soupape. La tige de soupape est ensuite soudée avec la tête de soupape, qui a été fabriquée à partir d'une matière très résistante à la chaleur dans une opération particulière, et après un remplissage éventuel de la soupape avec un agent de refroidissement, elle est obturée à son extrémité supérieure qui était ouverte jusqu'à maintenant. La matière très résistante à la chaleur, coûteuse et difficile à usiner, est utilisée exclusivement pour la fabrication de la tête de soupape fortement sollicitée tandis que, pour la fabrication de la tige de soupape moins fortement sollicitée, on peut employer une matière moins coûteuse et facile à usiner. Dans le cadre de l'invention, il est possible, par l'intermédiaire d'un mandrin engagé à l'intérieur de la tige de maintenir exactement la section intérieure de cette dernière. En outre, on crée sur la tige une surface de haute qualité, ayant une faible profondeur de rugosité, ce qui simplifie l'usinage ultérieur de finition de la tige de soupape. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence, dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure I représente la première étape d'usinage intervenant dans le procédé conforme à l'invention et o le matériau de départ de forme tubulaire est réduit au diamètre de tige, - la figure 2 montre la même étape d'usinage par une vue en coupe faite selon la ligne II-II de la figure 1, - la figure 3 montre la seconde et la troisième étape du procédé conforme à l'invention, - la figure 4 montre une autre étape opératoire facultative, - les figures 5a, 5b, 5c représentent différentes formes de réalisation de la jonction entre la tige et la tête de la soupape, - les figures 6 et 7 représentent deux formes différentes de réalisation de l'obturation de l'extrémité supérieure de la tige de soupape, - les figures 8 et 9 représentent une extrémité de tige de forme différente ainsi que l'obturation de tige qu'il est ainsi possible de réaliser. Sur la figure 1, on a représenté comment le matériau de départ 1 de forme tubulaire, ayant un diamètre extérieur DO, est réduit, au moyen d'outils appropriés 2, jusqu'au diamètre extérieur D1 désiré pour la tige de soupape 3. Cela est réalisé par déformation à froid, par exemple par estampage circulaire comme cela est représenté ici. La figure 2 montre cette étape opératoire par une vue en coupe faite selon ia ligne II-II de la figure 1. Sur cette figure, la référence 2 désigne à nouveau les outils utilisés - dans ce cas quatre marteaux d'une machine d'estampage circulaire de type connu. Du fait de la constance du volume de la matière, l'épaisseur de paroi so du matériau de départ 1 de forme tubulaire doit augmenter, lors de l'estampage circulaire, jusqu'à l'épaisseur de paroi s1 de la tige de soupape 3. Le diamètre intérieur D2 désiré pour la tige de soupape 3 est obtenu par engagement d'un mandrin 4 dans la cavité du matériau de départ 1. Les avantages de l'estampage circulaire consiste en ce qu'une matière légère et peu coûteuse - pratiquement toute matière métallique ayant un allongement suffisant (supérieur à environ 6%) convient à cet égard - peut être usinée en un temps court, avec une grande résistance, une orientation favorable des fibres et de bonnes valeurs de tolérances. L'épaisseur de paroi de la tige de soupape 3 peut, malgré une grande résistance, être maintenue petite, ce qui permet d'obtenir ainsi un grand volume intérieur, par exemple pour recevoir un agent de refroidissement. En outre, le poids de la tige de soupape 3 est maintenu petit, ce qui a une influence avantageuse sur toutes les possibilités d'utilisation de la soupape. Les tolérances pouvant être obtenues lors de la fabrication de la tige de soupape 3 s'élèvent jusqu'à + 0,02mm dans le cas d'une rugosité typique de 2-3pm. Des surfaces de cette nature sont comparables avec des surfaces réalisées par un procédé d'usinage par enlèvement de copeaux du fait qu'elles sont peu rugueuses dans leur microstructure et que le risque d'usure par frottement est faible. A la place d'un estampage circulaire, on peut également envisager de fabriquer la tige de soupape par roulage à froid d'après le procédé dit de Grob. Le choix d'un procédé dépendra, entre autres, également des conditions géométriques. Sur la figur 3 est représentée l'étape opératoire suivante, dans laquelle la tige de soupape 3, ayant subi le formage préalable, est maintenant pourvue, au moyen de marteaux appropriés, non représentés ici, de la machine d'estampage circulaire, de la forme incurvée désirée, c'est-àdire ce qu'on appelle l'anse de panier, dans sa zone de transition simple qui formera ultérieurement la transition entre la tige 3 et la tête de soupape, mise en place ultérieurement. En outre, cette figure montre qu'il est possible de réaliser, à partir d'un tronçon de forme tubulaire du matériau de départ, deux tiges de soupape 3, 3' en faisant en sorte que la tige de soupape 3, déjà formée dans une opération précédente, est serrée par sa partie déjà usinée dans i'outil tandis que l'extrémité encore non usinée du matériau de départ de forme tubulaire est profilée, d'une manière analogue à ce qui a été décrit, pour créer une seconde tige de soupape 3' pourvue d'une seconde zone de transition 5'. Les deux tiges de soupape 3 et 3', ou bien la tige de soupape 3 et le matériau de départ de forme tubulaire, sont ensuite séparés l'un de l'autre, comme indiqué par la flèche 5 - par exemple par tronçonnage. De cette manière, il est possible de fabriquer simplement et rapidement deux tiges de soupape 3 et 3' à partir d'un tronçon de la matière première. Lorsque l'agencement géométrique spécial de la tige de soupape 3 avec sa zone de transition 5 nécessite que le diamètre final D3 de la zone de transition 5 soit plus grand que le diamètre Do0 du matériau de départ de forme tubulaire non traité, il est possible de faire subir une autre déformation correspondante à la tige de soupape 3 - comme indiqué sur la figure 4 - au moyen d'autres outils, par exemple des poinçons 7 et 8. La surface d'une soupape de ce genre est classiquement traitée par chromage dur. Du fait de la grande qualité de surface qui est obtenue avec le procédé d'estampage circulaire utilisé conformément à l'invention, il suffit, pour l'usinage de finition de la soupape, de meuler encore cette surface chromée sans avoir à usiner avec enlèvement de copeaux, la matière proprement dite de la soupape. Les figures 5a à 5c représentent respectivement l'extrémité inférieure de la tige de soupape 3, qui est reliée, en une zone de jonction 9 de la partie dorsale de soupape, avec la tête de soupape 10, par exemple par soudage au laser. La tête de soupape 10, qui est formée en une matière très résistante à la chaleur, par exemple d'un alliage à base de cobalt, peut avoir, comme le montrent les exemples de réalisation a à c, des formes différentes en fonction d'impératifs de refroidissement différents. Selon la forme de la tête de soupape 10, la tige de soupape 3 doit être agencée en correspondance dans la zone de jonction 9. Ainsi la forme de la tête de soupape 10 de la figure 5a permet une liaison simple avec la tige de soupape 3 réalisée par le procédé décrit ci-dessus. Pour les exemples de réalisation présentés sur les figures 5b et 5c, la tige de soupape 3 doit encore être additionnellement pourvue d'un rebord 11 recourbé vers l'intérieur. Sur la figure 5c, une couche de liaison 12 est interposée entre la tige de soupape 3 et la tête de soupape 10, cette couche servant par exemple à améliorer la liaison des deux pièces précitées dans le cas d'un brasage. Ce qui est important et s'applique à tous les exemples de réalisation, la zone de jonction 9 doit cependant être située, sur la partie dorsale de la soupape, en un endroit placé au- dessus du siège de soupape 13, et par conséquent dans une position non fortement sollicitée. La fabrication de la tête de soupape 10 en une matière très résistante à la chaleur peut être effectuée d'une manière correspondant à cette matière, par exemple dans un processus de frittage ou bien par extrusion. Sur les autres figures 6 à 9 est représentée respectivement l'extrémité supérieure d'une tige de soupape 3. La cavité ou volume intérieur des tiges de soupape 3 aux moteurs modernes de grande puissance est habituellement remplie d'un agent de refroidissement - par exemple on peut citer ici le sodium - cet agent étant introduit dans la tige de soupape 3 après l'opération de finition ci-dessus. Après le remplissage, la tige de soupape est obturée d'une manière appropriée. Cela peut être réalisé comme indiqué sur la figure 6, en montant un bouchon 14 dans l'extrémité supérieure de la tige et en le soudant dans la zone de liaison 15. Ce bouchon 14 remplit non seulement la fonction d'une fermeture de la cavité interne de la tige de soupape 3 mais simultanément il permet la réception de la tige de soupape dans un poussoir de culbuteur, non représenté ici, d'un mécanisme d'actionnement de soupapes. Dans ce but, il peut être fabriqué en une matière plus dure que celle de la tige de soupape 3. Sur la figure 7 est représenté un autre exemple de réalisation d'un bouchon 14 d'une tige de soupape 3. Dans ce cas, le bouchon 14 est emmanché avec conjugaison de formes dans la tige de soupape 3. Cette liaison 15 par conjugaison de formes entre le bouchon 14 et la tige de soupape 3 peut être réalisée en faisant en sorte que la tige de soupape 3 soit agencée, au moyen du procédé d'estampage circulaire décrit ci-dessus, en vue d'une application étroite contre la surface définissant le profil de la partie inférieure 16 du bouchon. Le bouchon 14 est réalisé en acier martensitique, dont la surface peut être trempée par induction de façon à absorber la charge s'exerçant sur l'extrémité de la tige de soupape. Les figures 8 et 9 montrent une autre possibilité d'agencement de la zone d'extrémité supérieure de la tige de soupape 3. La tige de soupape 3 est réduite d'une manière connue à l'aide du procédé d'estampage circulaire, avec engagement d'un mandrin. L'extrémité 17, qui formera ultérieurement l'obturation de la tige de soupape 3, n'est alors pas réduite de sorte qu'on obtient pour la tige de soupape la forme représentée sur la figure 8. Ensuite, l'extrémité 17 encore non réduite subit, lors de l'enlèvement du mandrin, une réduction jusqu'au diamètre désiré pour la tige, de sorte que cette partie augmente d'épaisseur et que l'extrémité de tige est obturée à la façon d'un bouchon intégré 14, comme le montre la figure 9. A l'extrémité de la tige réalisée de cette manière, et qui est soumise à une forte usure, il est possible ensuite de mettre en place une plaquette 18 formée en matière dure, ce qui correspond à ce qu'on appelle la mise en place d'une tablette. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applica- tions envisagées et sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. Avec le procédé conforme à l'invention, il est possible de fabriquer d'une manière simple et rapide une soupape ayant une grande cavité interne, un faible poids et cependant une grande résistance. L'utilisation d'une matière de grande résistance est limitée aux zones dans lesquelles elle est absolument nécessaire. REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé de fabrication d'une soupape, notamment une soupape d'échap. ement d'un moteur à combustion interne, qui se compose d'une tige de forme tubulaire, fabriquée séparément et comportant une partie s'élargissant vers l'extrémité située du côté fonctionnel de la soupape, ainsi qu'une tête de soupape réalisée en une matière très résistante à la chaleur et comportant une partie formant la base de soupape, une partie formant le siège de soupape et une partie dorsale de soupape, située à la suite et s'étendant jusqu'à une zone commune de jonction avec la tige de soupape, cette tige de soupape et la tête de soupape étant reliées entre elles dans la zone de jonction, caractérisé en ce que, pour la formation de la tige de soupape (3), un matériau de départ (1) de forme tubulaire est réduit au diamètre de tige (Di) par déformation à froid, en ce qu'une zone de transition (5), située entre la tige de soupape réduite (3) et le matériau de départ (1) est profilée avec une forme d'arc en créant une partie de tige en élargissement, et en ce qu'ensuite la tige de soupape (3) est sectionnée, dans la partie de tige en élargissement, en un endroit correspondant au diamètre de la zone de jonction (9) entre la tête de soupape (10) et la tige de soupape (3). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans une seconde étape opérationnelle, le matériau de départ (1) de forme tubulaire est serré dans l'outil réducteur (2) par son extrémité réduite par usinage dans une première étape opérationnelle, et en ce que, dans cette seconde étape opérationnelle, la partie (1) du matériau de départ, qui n'a pas été usinée dans la première étape opérationnelle, est réduite et est ensuite sectionnée. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la tige (3) est obturée, à son extrémité opposée à la tête de soupape (10), par augmentation d'épaisseur du matériau de départ (1) de forme tubulaire. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la tige (3) est obturée au moyen d'un bouchon (14) à son extrémité opposée à la tête de soupape (10). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le bouchon (14) est soudé au laser avec la tige (3). 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le bouchon (14) est relié à la tige (3) avec conjugaison de formes.