Brevet FR2662962A1 — publié le 19911213

La présente invention est relative à un procédé pour la fabrication d'un arbre à cames à partir d'un arbre de base et de pièces de moulage qui, prémoulées à partir d'un mélange de poudre à fritter et enfilées avec un certain jeu radial sur l'arbre de base, sont positionnées en un pre- mier temps sur l'arbre de base par des éléments de maintien venant en prise) en en épousant les contoursdans des cavités radiales de l'arbre de base et des pièces de moulage, puis frittées en phase liquide moyennant un retrait excédant le jeu radial. Afin de satisfaire d'un côté à la demande d'arbres à cames présentant un poids relativement faible et de sim- plifier de l'autre côté la fabrication d'arbres à cames de ce genre, la proposition a déjà été faite (DE-A-35 00 653) de fabriquer par des méthodes métallurgiques de frittage les cames, les ébauches de palier et autres parties profilées de l'arbre à cames, de les monter sur un arbre de base en acier, de préférence creux, puis de les solidariser à l'ar- bre de base par un frittage en phase liquide La position angulaire des pièces de moulage préfrittées, en particulier des cames, doit être assurée dans ces circonstances par un montage avec ajustage serré, ce qui non seulement rend plus difficile la mise au point de la position angulaire exacte, mais est encore accompagné du risque que l'ajustage serré ne se relâche au cours de l'opération de frittage et qu'ainsi la position angulaire mise au point ne se perde. Pour prévenir ces inconvénients, on sait déjà (DE- A-32 09 980) enfiler avec un certain jeu radial les pièces de moulage préfrittées sur l'arbre de base et prévoir dans l'arbre de base et les pièces de moulage des perçages ali- gnés les uns sur les autres dans lesquels on enfonce à la presse un tube qui, servant à la distribution d'un lubri- fiant, fait office d'élément de maintien pour positionner les pièces de moulage La position angulaire des pièces de moulage par rapport à l'arbre de base, peut, certes, être définie avec une précision élevée par l'intermédiaire des perçages dans l'arbre de base pour les éléments de main- tien; pourtant des difficultés se présentent pour percer après coup avec précision les cames préalablement frittées. Au surplus, les pièces de moulage demandent une cohésion suffisante pour permettre le perçage, si bien que le retrait intervenant lors du préfrittage des pièces de moulage ne peut plus être exploité pour assurer la liaison des pièces de moulage libres avec l'arbre de base. Par conséquent, le problème reposant a la base de l'invention est d'éviter ces inconvénients et de perfection- ner avec des moyens simples un procédé pour la fabrication d'arbres à cames du genre décrit au début de manière telle que soient assurés non seulement un positionnement précis des pièces de moulage sur l'arbre, mais encore l'obtention d'une liaison singulièrement bonne entre les pièces de mou- lage et l'arbre de base. L'invention résout le problème posé par le fait que les cavités destinées aux éléments de maintien sont fa- çonnées à la presse, lors du moulage à la presse des pièces de moulage, dans un coté frontal desdites pièces de moulage et que les pièces de moulage sont enfilées sur l'arbre de base jusqu'à ce que chacun des éléments de maintien, préala- blement engagés dans le sens radial dans l'arbre de base, vienne en prise dans la cavité pratiquée dans la pièce de moulage lui correspondant, avant que les pièces de moulage, qui reposent de préférence sur les éléments de maintien de l'arbre de base placé debout à la verticale, ne soient frit- tées en phase liquide. Etant donné que, suite à ces mesures, les cavités pour les éléments de maintien sont façonnées à la presse dans les pièces de moulage lors du moulage à la presse, la précision de la position desdites cavités ne dépend plus d'un usinage consécutif des pièces de moulage, mais bien de la précision des moules de presse, si bien qu'en association avec la précision du perçage réalisable sur l'arbre de base, les conditions réunies pour une fabrication en série d'ar- bres à cames, selon des critères exigeants de précision éle- vée, sont particulièrement avantageuses A cela vient encore s'ajouter le fait qu'en raison de la suppression d'un usi- nage supplémentaire des pièces de moulage avant leur mise en plase sur l'arbre de base, il y a avantage à supprimer la phase du préfrittage, si bien que la totalité du retrait produit lors du frittage des pièces de moulage peut être ex- ploitée pour assurer la liaison entre les pièces de moulage et l'arbre de base Ceci signifie tout d'abord que la liai- son pouvant être créée entre les pièces de moulage et l'ar- bre de base est meilleure par suite du degré de surcontrac- tion réalisable, c'est-à-dire de la dimension à concurrence de laquelle le diamètre intérieur d'une pièce de moulage frittée séparément sans arbre de base est plus petit que le diamètre extérieur de l'arbre de base Par conséquent, pour obtenir un degré de surcontraction prescrit, on peut mettre en oeuvre un matériau qui présente un taux de retrait assez faible par rapport au niveau de la technique comparable ac- tuelle Avec un taux de retrait comparable, le jeu radial à choisir entre les pièces de moulage et l'arbre de base peut être plus grand en conséquence, ce qui influe directement sur la qualité que doit nécessairement présenter la surface de l'arbre. Les cavités façonnées à la presse sur le côté frontal dans les pièces de moulage garantissent un position- nement singulièrement simple et précis des pièces de moulage sur l'arbre de base, parce qu'il suffit en effet d'enfiler les pièces de moulage sur l'arbre de base jusqu'à ce que les éléments de maintien, préalablement engagés dans l'arbre de base, viennent entrer en prise, ce qui non seulement arrête définitivement la position axiale des pièces de moulage sur l'arbre, mais encore définit sans équivoque leur position angulaire; il est vrai que la position enfoncée en butée des pièces de moulage suppose que les éléments de maintien ne puissent être engagés dans les cavités radiales de l'ar- bre de base que lorsque la partie de came à placer plus en amont dans le sens de l'enfilage sur l'arbre ait été enfilée sur l'arbre de base Le fait de prévoir que les pièces de moulage sont frittées sur un arbre de base installé debout à la verticale, les éléments de maintien constituant dès lors des assises pour les pièces de moulage, permet d'une part d'écarter le risque de tout décalage axial des pièces de moulage et, d'autre part, de prévenir tout effort de flexion sur l'arbre de base pendant l'opération du frittage, avec pour avantage considérable qu'il n'y a plus à redouter de fléchissement de l'arbre à cames Moyennant un système de soutien approprié de l'arbre de base, il est vrai que l'opé- ration de frittage pourrait être conduite de la manière con- ventionnelle sur un arbre placé à l'horizontale. Pour assister la venue en prise, dans les cavités prévues sur le côté frontal des pièces de moulage, en en épousant les contours, des éléments de maintien qui font ra- dialement saillie sur l'arbre de base les cavités pratiquées dans les pièces de moulage peuvent former, pour les éléments de maintien, des faces de centrage symétriques par référence à un plan axial, si bien qu'il se produit un centrage auto- matique lors de l'emmanchement des pièces de moulage sur l'arbre de base par la venue en prise des éléments de main- tien dans les cavités pratiquées du côté frontal dans les pièces de moulage A ce propos, les conditions deviennent particulièrement avantageuses lorsque les cavités présentent une section transversale en forme de U, ajustée à la section des éléments de maintien, usuellement des broches de rete- nue Afin d'assurer un logement sans jeu des broches de re- tenue dans les cavités radiales de l'arbre de base, lesdites broches de retenue peuvent présenter une forme de réalisa- tion conique. Pour les pièces de moulage à enfiler sur l'arbre de base avec un jeu relativement minime, un unique élément de maintien suffit à maintenir une pièce de moulage dans une position en alignement orthogonal à l'axe sur un arbre de base installé debout à la verticale, d'autant qu'en effet d'infimes défauts de positionnement par décalage de la pièce de moulage sont annulés lors du retrait de ladite pièce de moulage, il convient de dire que si les jeux radiaux sont assez grands, il faut prévoir un support supplémentaire in- terdisant toute position décalée, de biais, des pièces de moulage sur l'arbre placé debout Il est avantageux à cet effet de faire reposer pendant l'opération du frittage cha- cune des pièces de moulage sur au moins trois pièces de maintien engagées dans l'arbre de base dont l'une, qui fai- sait office d'élément de maintien, vient en prise, en en épousant les contours, dans une cavité de la pièce de mou- lage correspondante, tandis que les autres pièces de main- tien présentent par rapport à la pièce de moulage un certain jeu de liberté de mouvement dans le sens de l'enveloppe. Cette mesure permet d'un côté de conjurer tout décalage inadmissible des pièces de moulage sur l'arbre installé de- bout et, d'un autre côté, d'assurer un positionnement pré- cis, parce que le jeu ménageant une liberté de mouvement des pièces de maintien à l'exception de l'élément inséré de maintien, exclut le risque d'une position angulaire hyper- statique Afin de pouvoir disposer les pièces de maintien dans un même plan axial, il convient de prévoir pour toutes les pièces de maintien des cavités sur le côté frontal dans les pièces de moulage, évidemment en tenant dûment compte du jeu exigé ménageant une liberté de mouvement dans le sens de l'enveloppe. D'autres caractéristiques et avantages du procédé conforme à l'invention pour la fabrication d'un arbre à cames ressortiront plus en détail de la description qui va suivre en regard des dessins annexés, dans lesquels: la fig 1 est une vue de côté d'un arbre de base pour un ar- bre à came devant être fabriqué suivant l'inven- tion; la fig 2 est une vue en coupe selon II-II de la figure 1; la fig 3 est une vue du côté frontal d'une came prémoulée pour l'arbre de base; la fig 4 est une vue en coupe de cette came selon IV-IV de la figure 3; la fig 5 est une vue en coupe de l'arbre de base selon V-V de la figure 1; la fig 6 est une vue frontale d'une came prémoulée pour l'arbre de base dans la zone de la coupe V-V, tournée à concurrence de 900 par rapport à la vue en coupe selon V-V; la fig 7 est une vue en coupe de la came selon VII-VII de la figure 6; la fig 8 est une vue de côté d'une arbre de base planté de- bout à la verticale dans un plateau tournant, avec des pièces de moulage partiellemnt enfilées, et la fig 9 est une vue en coupe selon IX-IX de la figure 8 Pour confectionner un arbre à cames avec des piè- ces 1 de moulage fabriquées par une méthode métallurgique de frittage, les pièces 1, de moulage moulées à la presse à partir d'un mélange de poudre à fritter, sont enfilées avec un jeu radial sur un arbre 2 de base, y sont positionnées, puis frittées en phase liquide; On utilise, pour le posi- tionnement des pièces 1 de moulage, des éléments 3 de main- tien en forme de broches qui sont engagées sans jeu dans des cavités radiales 4 pratiquées dans l'arbre 2 de base et viennent en prise, en en épousant les contours, dans des ca- vités 5 pratiquées du côté frontal dans les pièces 1 de mou- lage Les pièces 1 de moulage sont enfilées à cet effet sur l'arbre 2 de base jusqu'à ce que les éléments 3 de maintien viennent en prise dans les cavités 5 Des pièces de main- tien 6 peuvent encore être prévues en supplément des élé- ments 3 de maintien, afin de garantir, sur un arbre 2 de base installé debout à la verticale, une position orthogo- nale des pièces 1 de moulage, même en présence de jeux ra- diaux relativement grands Ces pièces de maintien 6 supplé- mentaires qui ont, elles aussi, la forme de broches, sont disposées dans un même plan à angle droit par rapport à l'axe que les éléments 3 de maintien, comme la figure 2 per- met en particulier de le constater Lesdites pièces de main- tien 6, cependant, ne viennent pas en prise, en en épousant les contours, dans des cavités 7 correspondantes sur le côté frontal des pièces 1 de moulage, mais jouissent, au sein desdites cavités 7, d'un jeu ménageant leur liberté de mou- vement dans le sens de l'enveloppe, afin que la position an- gulaire des pièces 1 de moulage soit définie exclusivement par l'intermédiaire des éléments 3 de maintien Si le jeu radial est minime au point qu'aucun décalage des pièces 1 de moulage sur l'arbre de base placé debout à la verticale ne soit à redouter, il est possible de renoncer aux pièces de maintien 6 supplémentaires, comme l'illustrent les figures 5 à 7. Afin de faciliter la venue en prise sans aucun jeu des éléments 3 de maintien dans les cavités 5 prévues du cô- té frontal dans les pièces 1 de moulage, ces cavités 5 peu- vent former, pour les éléments 3 de maintien, des faces de centrage symétriques par rapport à un plan axial, comme cela est le cas avec la section transversale en forme de U de la cavité Si les éléments 3 de maintien sont censés se situer à l'intérieur des faces frontales des pièces 1 de moulage, les cavités 5 doivent présenter une profondeur excédant le diamètre des éléments 3 de maintien, afin de pouvoir prendre en compte le retrait dans le sens axial des pièces 1 de mou- lage Il en va de manière identique également pour la lon- gueur des cavités prévues dans les pièces 1 de moulage. Suivant la figure 8, on insère, pour la fabrica- tion d'un arbre à cames, l'arbre 2 de base préparé dans un plateau 8 qui tourne autour d'un axe de rotation vertical, afin de pouvoir enfiler les pièces de moulage à assembler avec l'arbre de base sur un arbre 2 de base monté debout à la verticale A cet effet, on enfile tout d'abord sur l'ar- bre 2 de base placé debout à la verticale la pièce 1 de mou- lage se plaçant le plus bas sur l'arbre, par exemple une ba- gue de palier, jusqu'à ce que l'élément 3 de maintien engagé le plus bas dans l'arbre 2 de base vienne en prise, en en épousant les contours, dans la cavité 5 prévue côté frontal dans ladite pièce 1 de moulage Ensuite, on peut engager l'élément 3 de maintien prévu dans la pièce 1 de moulage qui suit vers le haut, par exemple pour une came, dans la cavi- té 4 pratiquée à cet effet dans l'arbre 2 de base et enfiler ladite pièce de moulage sur l'arbre 2 de base, étant cepen- dant entendu qu'il faut tenir compte ce faisant de la posi- tion angulaire de cette pièce de moulage Si les pièces de moulage sont amenées uniformément alignées à l'arbre 2 de base, l'arbre 2 de base peut être pivoté dans la position angulaire requise par l'intermédiaire du plateau 8 tournant, afin de recevoir dans sa bonne position la pièce de moula- ge A la figure 9 est indiqué le pas angulaire "alpha" qu'il faut effectuer entre les positions de rotation successives qui sont nécessaires pour recevoir l'une après l'autre les pièces 1 de moulage Cela permet de constater sans autres que le changement de position dans le sens de la rotation de l'arbre de base à l'aide du plateau 8 tournant peut être ex- ploité avec avantage pour percer dans la bonne position les cavités 4 destinées à engager les éléments 3 de maintien. Après avoir enfilé successivement les différentes pièces de moulage, on peut alors enfiler, conformément à la figure 8, la bague de palier du haut, avant de soumettre l'arbre à cames ainsi préparé a une opération de frittage en phase liquide qui provoque une liaison métallique solide entre les pièces 1 de moulage et l'arbre 2 de base, car au cours du frittage, les pièces 1 de moulage sont en effet le siège d'un retrait d'une ampleur susceptible de dépasser considérablement le jeu radial. Le taux du retrait dépend du mélange de poudre à fritter mis en oeuvre pour les pièces 1 de moulage, qui est une poudre de fer allié, et il est en général de 1 à 6 % Au surplus, ce mélange de poudre à fritter peut contenir jus- qu'à 20 % en poids de bronze, ce qui conduit non seulement à une amélioration des propriétés de glissement des pièces de moulage, mais crée aussi les conditions d'une liaison par brasure des pièces de moulage avec l'arbre de base, lorsque la pression lors du frittage baisse en- dessous de la tension de vapeur du cuivre Le mélange de poudre sélectionné pour les pièces de moulage est façonné à la presse en pièces 1 de moulage en réalisant dans le même temps les cavités 5 et 7 pour les éléments 3 de maintien ou les pièces 6 de maintien, et ce, à une densité de 6,5 à 6,7 g/cm 3 Cette densité de pressage permet d'obtenir une fermeté suffisante à cru pour les manutentions à suivre, sans devoir appliquer un préfrit- tage Dans des cas particuliers, il est vrai, une phase de frittage peut être prévue à la suite du moulage à la presse en vue d'accroître la solidité des pièces crues; il faut cependant veiller tout particulièrement à ce que la contrac- tion lors du frittage évolue dans certaines limites pour ne point absorber notablement par anticipation le retrait des pièces de moulage, essentiel pendant l'opération du frittage principal. Pour un exemple de réalisation, la poudre utilisée pour les pièces 1 de moulage est une poudre de fer allié à 6 % en poids de molybdène, dans laquelle ont été incorporés 2,8 % en poids d'une poudre à 16 % de ferrophosphore, 1,85 % en poids de graphite et 0,8 % en poids de cire faisant offi- ce de lubrifiant Partant de ce mélange de poudre à fritter, on moule à la presse des cames dont la densité à cru fait 6,5 g/cm 3 Ces pièces de moulage sont alors enfilées confor- mément à la représentation donnée à la figure 8 sur un arbre de base en acier St 58, dont l'enveloppe a une surface ayant été polie Le diamètre extérieur de l'arbre de base, dont l'épaisseur de paroi fait 5 mm, mesure 25,0 mm Le diamètre intérieur des cames fait 25,1 mm, si bien que les cames peu- vent être enfilées sans problème sur l'arbre d'acier Après le positionnement suivant l'invention des pièces de moulage sur des éléments de maintien en forme de broches dont le diamètre fait 2,5 mm, l'arbre à cames ainsi asssemblé est soumis en position debout à la verticale à un frittage dans un four sous vide à une température de frittage de 1 0600 C pendant une durée de deux heures, tandis que les écarts de température mesurés dans le four font i 50 C La pression de frittage régnant dans le four est de 4 10-2 mb A la suite de l'opération de frittage, l'arbre à cames est lentement refroidi jusqu'à 9000 C, puis refroidi brusquement sous at- nosphère d'azote pour le tremper Après une phase de revenu à 5500 C, on établit sur l'arbre une dureté HRC de 51 1 La flèche maximale de l'arbre à cames fritté de 500 mm de lon- gueur fait moins de 0,1 mm, en raison de sa position debout à la verticale pendant l'opération du frittage Les analyses métallurgiques effectuées font apparaître qu'à la suite du frittage en phase liquide, la liaison établie entre les pièces de moulage et l'arbre de base est métallique et par- faite, grâce à un phénomène de diffusion La contraction li- bre des pièces de moulage s'établit à 5,3 %, si bien que le degré de surcontraction atteint est de 1,23 mm Ce degré de surcontraction relativement important crée la condition d'un siège serré du genre emmanchement à chaud des pièces de mou- lage sur l'arbre de base, étant entendu que la phase liquide engendre, du fait de l'action de l'arbre de base qui contra- rie le retrait des pièces de moulage, une densification des pièces de moulage La densité établie lors du frittage est de 7,7 g/cm 3 La résistance à la torsion de la liaison entre les pièces de moulage et l'arbre de base n'a pas pu être dé- terminée, car la résistance à la torsion de l'arbre est plus faible que celle de la liaison. Dans un autre exemple de réalisation, la poudre de fer de départ est une poudre de fer allié à 18 % de Cr, dans laquelle sont incorporés 3,44 % en poids d'une poudre à 16 % de ferrophosphore, 2,40 % en poids de graphite, 17,0 % en D poids de cuivre électrolytique, 1,2 % en poids de poudre d'étain, 0,8 % en poids de molybdène et 0,5 % en poids de paraffine faisant office de lubrifiant, en vue de confec- tionner à partir de ce mélange de poudres, par moulage à la presse, des pièces d'une densité de pressage de 6,6 g/cm 3. Le diamètre du perçage dans les pièces de moulage est de 31,0 mm et la largeur axiale nominale des cames est de ,0 mm La dimension calculée pour le diamètre extérieur de l'arbre creux de base (d'une épaisseur de paroi de 5 mm) en acier St 58 est de 29,95 mm, afin de pouvoir assurer un de- gré de surcontraction de 0,5 mm pour un retrait libre de % Les pièces de moulage enfilées sur l'arbre de base sont frittées sur un arbre de base placé debout à la verticale dans un four sous vide à une température de 1 0850 C pendant une durée de deux heures, puis trempées dans ce même four à une température de trempe de 1 050 'C Après une phase de re- venu à 550 'C pendant une durée de deux heures, la dureté HRC mesurée est de 50 1 La mesure de la flèche maximale de l'arbre, d'une longueur de 500 mm, est de 0,14 mm Les ana- lyses métallurgiques aboutissent à constater outre la liai- son métallique intervenue entre l'arbre de base et les piè- ces de moulage par diffusion, un brasage supplémentaire par la phase de bronze fluidifiée pendant le frittage La densi- té des pièces de moulage est de 7,63 g/cm 3 La résistance à la torsion de la liaison est plus grande que celle de l'ar- bre. il R E V E N D I C A T I O N S 1 Procédé pour la fabrication d'un arbre à cames h partir d'un arbre ( 2) de base et de pièces ( 1) de moulage qui, prémoulées à partir d'un mélange de poudre à fritter et enfilées avec un certain jeu radial sur l'arbre de base, sont positionnées en un premier temps sur l'arbre ( 2) de base par des éléments ( 3) de maintien venant en prise, en en épousant les contours, dans des cavités ( 5) radiales de l'arbre ( 2) de base et des pièces ( 1) de moulage, puis frit- tées en phase liquide moyennant un retrait excédant le jeu radial, caractérisé par le fait que les cavités ( 5) desti- nées aux éléments ( 3) de maintien sont façonnées à la presse lors du moulage à la presse des pièces ( 1) de moulage dans un côté frontal desdites pièces ( 1) de moulage et que les pièces ( 1) de moulage sont enfilées sur l'arbre de base jus- qu'à ce que chacun des éléments ( 3) de maintien, préalable- ment engagés dans le sens radial dans l'arbre ( 2) de base, vienne en prise dans la cavité ( 5) pratiquée dans la pièce ( 1) de moulage lui correspondant, avant que les pièces ( 1) de moulage qui reposent de préférence sur les éléments ( 3) de maintien de l'arbre ( 2) de base placé debout à la verti- cale, ne soient frittées en phase liquide. 2 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les cavités ( 5) pratiquées dans les pièces ( 1) de moulage forment des faces de centrage symétriques par référence à un plan axial pour les éléments ( 3) de maintien. 3 Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que les cavités ( 5) présentent une section transversale en forme de U. 4 Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les pièces ( 1) de moulage repo- sent pendant l'opération du frittage sur au moins trois piè- ces ( 6) de maintien engagées dans l'arbre ( 2) de base dont l'une qui fait office d'élément ( 3) de maintien, vient en prise, en en épousant les contours, dans une cavité ( 5) de la pièce ( 1) de moulage correspondante, tandis que les au- tres pièces ( 6) de maintien présentent, par rapport aux piè- ces ( 1) de moulage, un certain jeu de liberté de mouvement dans le sens de l'enveloppe.