Brevet FR2667260A1 — publié le 19920403

PROCEDE POUR LA FABRICATION D'UN PISTON EN DEUX PARTIES La présente invention concerne un piston en deux par- ties, appelé également piston articulé, pour utilisation dans les moteurs à combustion interne Plus particulière- ment, la présente invention concerne un procédé pour la fabrication de la portion supérieure, ou tête, d'un piston articulé ainsi que le piston obtenu par ce procédé. La tendance actuelle est à une utilisation croissante de pistons articulés dans les moteurs à combustion interne, en particulier dans les moteurs Diesel modernes qui fonc- tionnent à des vitesses élevées et ont une forte puissance volumétrique, alors que leur conception vise à satisfaire des exigences de faible poids, faible consommation de car- burant et de lubrifiant, et de réduction du niveau de bruit et des émissions polluantes, la réglementation étant de plus en plus sévère dans de nombreux pays en ce qui concer- ne ce dernier point Dans le piston articulé, la portion supérieure, ou tête, et la portion inférieure, ou jupe, ont des fonctions distinctes La jupe est montée au moyen d'un axe sur une paire de bossages d'axe situés à l'extrémi- té inférieure d'éléments s'étendant depuis la tête et d'un seul tenant avec celle-ci Un espace, ou jeu, est conservé entre l'extrémité inférieure de la tête et l'extrémité supérieure de la jupe de manière qu'une fois le piston in- s-éré dans le moteur, il n'y ait aucun contact entre la tête et la jupe, empêchant ainsi tout transfert de chaleur de la tête à la jupe, ce qui permet à la jupe d'être montée avec un jeu jupe-cylindre très faible, entraînant une réduction du bruit En outre, le mouvement latéral, ou oscillant, du piston articulé provoqué par la bielle est diminué En con- séquence, la portion de la tête dotée des rainures à seg- ments peut être ajustée avec un plus petit jeu, ce qui amé- liore la stabilité des segments de piston Cela permet alors de réduire la consommation de lubrifiant et de mini- miser le gaz contournant le piston. Etant donné les températures élevées créées sur le haut du piston durant la combustion dans les moteurs Die- sel, il est nécessaire d'extraire une partie de la chaleur de ladite portion du piston, en particulier de la cuvette de combustion afin d'empêcher la formation de fissures à chaud qui risquent de fendre la partie supérieure Une so- lution bien connue à ce problème consiste à doter le piston d'une chambre dans laquelle circule une huile de refroidis- sement Dans les pistons articulés, cette chambre est com- posée d'une encoche, ou gorge, circonférentielle, sur la tête et d'un plateau sur le haut de la jupe Le moyen de refroidissement est distribué jusqu'à la chambre au moyen d'une buse située au carter du moteur Le mouvement alter- natif du piston amène l'huile de refroidissement à se pro- jeter contre la paroi de la chambre, ce qui extrait une partie de la chaleur depuis la partie supérieure, en parti- culier autour de la cuvette de combustion. Un principe technique de base-pour les moteurs Diesel est que le centre de la cuvette de combustion sur le haut du piston doit être aligné avec le gicleur d'injection de carburant afin de satisfaire aux exigences d'efficacité de la combustion Par conséquent, l'emplacement du gicleur d'injection dans certaines constructions de moteurs exige que la cuvette de combustion soit décalée de la ligne mé- diane du haut du piston Dans ce cas, il est nécessaire que la chambre de refroidissement soit conçue de manière à garantir un refroidissement efficace, c'est-à-dire que l'épaisseur de la paroi interne de la chambre, qui sépare la chambre de la cuvette de combustion, soit aussi petite et uniforme que possible Cela implique que la chambre de refroidissement soit asymétrique relativement à l'axe lon- gitudinal du piston Dans la tête des pistons articulés classiques, dans laquelle les portions supérieure et de bossages d'axe sont d'un seul tenant, la réalisation d'une rainure asymétrique sur la portion inférieure n'est pos- sible que lorsque la pièce est réalisée par moulage Ce- pendant, le procédé de moulage s'avère inadéquat pour la fabrication de têtes dont les propriétés structurelles sont compatibles avec les charges imposées sur elles C'est la raison pour laquelle le procédé de forgeage est aujourd'hui nettement préféré Ce procédé, cependant, présente un in- convénient: il est impossible de doter la portion infé- rieure de la tête d'une rainure durant le forgeage, aussi la rainure doit-elle être réalisée par usinage, et unique- ment alors dans le cas d'une chambre asymétrique Une cham- bre asymétrique n'est pas réalisable en raison de contrain- tes de fabrication, parce qu'il est impossible que l'outil d'usinage accède à la zone à usiner. Le demandeur de la présente invention a imaginé et dé- veloppé un concept dans lequel les pièces composant la tê- te d'un piston articulé, à savoir la portion supérieure et la portion de bossages d'axe, sont fabriquées séparément puis raccordées par soudage Ledit procédé est décrit dans la demande de brevet brésilien 8805716. A partir de ce concept, le présent demandeur a mis au point un procédé visant à résoudre le problème de la réa- lisation d'une rainure asymétrique sur la portion inférieu- re du haut d'un piston articulé Selon la présente inven- tion, les portions composant la tête du piston articulé, c'est-à-dire le haut et les bossages d'axe, sont fabri- quées séparément; une rainure asymétrique est usinée sur la portion inférieure du haut; ensuite, le haut est raccordé aux bossages d'axe par soudage. Par conséquent, la présente invention a pour objet de proposer un procédé pour la fabrication d'une tête de pis- ton articulé de manière que la portion inférieure du haut du piston soit dotée d'une rainure périphérique asymétrique relativement à l'axe longitudinal de la tête. La présente invention a encore pour objet de proposer une tête de piston articulé dotée d'une cuvette de combus- tion disposée asymétriquement par rapport à l'axe longitu- dinal de la tête, le dessous de la portion supérieure étant doté d'une rainure périphérique asymétrique relativement à l'axe longitudinal de la tête Le procédé de la présente invention est illustré schématiquement sur le dessin an- nexé, dont les références se rapportent à la description d'un mode de réalisation préféré. Selon la présente invention, un premier flan 1 sensi- blement cylindrique est disposé et fixé sur un outil d'usi- nage (non représenté) et soumis à une première opération d'usinage pour former une rainure circonférentielle péri- phérique asymétrique 5 sur le dessous du premier flan 1 (phase "a") Ensuite, le premier flan 1 fixé audit outil d'usinage est déplacé depuis son axe longitudinal et soumis à une seconde opération d'usinage durant laquelle, étant donné la position excentrée de l'élément 1 par rapport à l'outil de découpe, une quantité de matériau supplémentaire d'une seule partie de la rainure 5 est enlevée dans la di- rection de l'axe de l'élément 1 (phase "b") Si nécessaire, des opérations d'usinage supplémentaires peuvent être ef- fectuées (selon les phases "c" et "d"), toujours avec un déplacement supplémentaire du centre de l'élément 1 jusqu'à ce que la configuration souhaitée pour la rainure 5 soit obtenue. Au cours d'opérations distinctes, un second flan 2 est soumis à un usinage, une de ses extrémités étant dotée d'un évidement et, près de l'évidement, d'un rétrécissement de ladite extrémité de manière à former un rebord 6. Ensuite, les éléments 1 et 2 sont raccordés par souda- ge en juxtaposant le rebord 6 à la surface centrale infé- rieure du premier élément 1, de manière à former la tête grossière 3 d'un piston en deux parties La tête grossière 3 est alors soumise aux dernières opérations d'usinage pour former la cuvette de combustion 7, les rainures à segments 8, les bossages d'axe de piston 9 et les orifices d'axes de piston 10, formant ainsi la tête finie 4. Dans sa forme finale, l'on peut constater que la cu- vette de combustion 7 est décalée relativement à l'axe lon- gitudinal de la tête 4, et que le rebord annulaire 11 entre la cuvette de combustion 7 et l'évidement 5 a une épaisseur sensiblement uniforme, ce qui garantit une extraction opti- male de la chaleur de ladite zone. En outre, il faut noter que la plus petite largeur de la rainure asymétrique impose une limitation de largeur de l'outil de découpe, aussi, plus l'asymétrie souhaitée est grande, plus le nombre d'opérations d'usinage nécessaires pour réaliser la rainure asymétrique est élevé. Après l'usinage de la cuvette de combustion sur la portion supérieure de la tête, la paroi interne des rainu- res devient concentrique à la cuvette de combustion et for- me avec la paroi de la cuvette de combustion un rebord an- nulaire d'une épaisseur réduite et uniforme, une caracté- ristique bénéfique à un refroidissement efficace et unifor- me de cette portion de la tête de piston. Le procédé préféré pour raccorder les deux éléments composant la tête de piston est le soudage par friction qui effectue la connexion sans faire fondre le matériau d'aucun des éléments à souder L'avantage du soudage par friction réside dans l'absence de porosités de retrait puisqu'il n'y a pas de formation de phases liquides durant l'opération de soudage, ce qui empêche des modifications structurelles du matériau des éléments soudés l'un à l'au- tre Cependant, d'autres procédés peuvent être employés pour ce soudage comme le soudage en atmosphère inerte avec fil-électrode (soudage MIG), le soudage en atmosphère iner- te avec électrode tungstène (sondage TIG), le soudage par fusion, le soudage avec électrodes, le soudage par bombar- dement électronique ou le soudage par laser. Le mode de réalisation décrit et illustré est préféré mais non limitatif, il faut donc noter que d'autres modes de réalisation sont possibles dans l'esprit et le cadre de la présente invention Ainsi, par exemple, le second flan 2 peut être un élément moulé, forgé ou même fritté ayant déjà sa forme finale pour le raccordement à l'élément 1, de ma- nière que les opérations d'usinage pour la formation de l'évidement et du rebord sur l'élément 2 puissent être sup- primées. REVENDICATIONS 1 Procédé pour la fabrication d'une tête de piston en deux parties, caractérisé en ce qu'il comprend les phases consistant à: se procurer un premier flan ( 1) de forme sensiblement cy- lindrique; placer et fixer ledit premier flan ( 1) sur un dispositif de maintien; réaliser par usinage une rainure circonférentielle asymé- trique ( 5) sur le dessous dudit premier flan ( 1) près de sa périphérie; sur le même dispositif de maintien, déplacer ledit premier flan ( 1) depuis son axe longitudinal; effectuer au moins une autre opération d'usinage sur ladite rainure circonférentielle ( 5) dudit premier flan ( 1) en en- levant davantage de matériau d'une partie seulement de la paroi interne de ladite rainure circonférentielle ( 5); se procurer un second flan ( 2) soumettre ledit second flan ( 2) à des opérations d'usinage pour doter une des extrémités dudit second flan ( 2) d'un évidement et rétrécir le diamètre extérieur dudit second flan ( 2) sur la portion adjacente audit évidement de maniè- re à former un rebord ( 6) sur ladite extrémité; raccorder par soudage ledit premier flan ( 1) audit second flan ( 2) en juxtaposant ledit rebord ( 6) dudit second flan ( 2) à la surface inférieure centrale dudit premier flan ( 1), ledit premier flan ( 1) et ledit second flan ( 2) rac- cordés formant la tête grossière ( 3) dudit piston; soumettre ladite tête grossière ( 3) à l'usinage pour former une cuvette de combustion ( 7) concentrique à la paroi in- terne de ladite rainure circonférentielle ( 5); et soumettre ladite tête grossière ( 3) à des opérations d'usi- nage final pour réaliser les rainures à segments ( 8), les bossages d'axe ( 9) et les orifices d'axe ( 10). 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le raccord dudit premier flan ( 1) audit second flan ( 2) est réalisé par soudage par friction. 3 Piston en deux parties pour moteurs à combustion in- terne, comprenant une tête ( 4) composée d'une portion supé- rieure d'un seul tenant avec des bossages d'axe ( 9) pour supporter un axe, caractérisé en ce que ladite portion su- périeure et lesdits bossages d'axe ( 9) sont raccordés par soudage, lesdits bossages d'axe étant dotés d'orifices ( 10) pour ledit axe. 4 Piston selon la revendication 3, caractérisé en ce que le haut de ladite portion supérieure est doté d'une cuvette de combustion ( 7) décalée relativement à l'axe longitudinal de la portion supérieure. Piston selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dessous de ladite portion supérieure est doté d'une rai- nure périphérique ( 5) dont la paroi est excentrée relative- ment à l'axe longitudinal de la portion supérieure et con- centrique à la cuvette de combustion ( 7). 6 Piston selon la revendication 3, caractérisé en ce que la paroi interne de la rainure périphérique ( 5) et la paroi de la cuvette de combustion ( 7) forment un rebord annulaire ( 11) ayant une épaisseur sensiblement uniforme.