Brevet FR2715338A1 — publié le 19950728

Rotule à haute résistance mécanique et procédé de faication. La présente invention concerne une rotule à haute résistance mécanique destinée en particulier à l'équipement des articulations sollicitées au choc et à l'écrasement, et son procédé de fabrication. On connait des cages de rotules, réalisées en une matière traitée à coeur à haute dureté (plus de 60 H.R.C.), dont la partie sphérique d'articulation de même matière et traitement est reçue dans la cage par ouverture de celle-ci sur un rayon au moyen d'un choc sur la face latérale. Cependant, ces rotules sont fragiles, étant sujettes à des fractures de la cage. Par ailleurs, toute interruption du graissage, surtout pour une exposition au choc et à l'écrasement, rend ces rotules très vulnérables. L'invention vise à remédier à ces inconvénients. Il est en effet proposé selon l'invention un procédé de fabrication d'une rotule à haute résistance mécanique et notamment à l'abrasion, au choc et à l'écrasement, constituée d'un élément sphérique d'articulation et d'une cage réceptrice complémentaire, caractérisé en ce qu'il comprend les phases suivantes: l'usinage de l'élément sphérique constitué en acier à haute dureté, prétraité à 882N/mm2-1029N/mm2 (90-105 kg/mm2) à coeur et d'au moins 55 H.R.C. en surface, sur 1,5-3 mm, - le forgeage et l'usinage de la cage en un acier austénitique au manganèse de nuance Z 120M 12 (12% de manganèse et 1,2% de carbone), à un diamètre de surface interne légèrement supérieur à celui de l'élément sphérique de façon à ce que sa circonférence intérieure soit supérieure d'une valeur e de 1-2,5 mm à celle de cet élément, la surface interne de la cage étant en outre légèrement préécrouie à une dureté de 38 à 40 H.R.C. et sur une faible profondeur (quelques dixièmes de mm), tandis que la matière à coeur conserve sa ductilité, - le tronçonnage de la cage, sensiblement sur un rayon, par un outil de coupe dont l'épaisseur de lame ou tronçonnée est égale à ladite valeur e, - l'extension de la cage pour permettre l'introduction de l'élément sphérique (assemblage de la rotule), par exemple par ouverture de la cage sur un outil à base conique inférieur, et introduction supérieure de l'élément sphérique au moyen d'une presse, - le serrage de la rotule ainsi assemblée (resserrement des bords de tronçonnage de la bague) dans un gabarit de mise en forme de la rotule, à ses dimensions définitives, et - la soudure de la partie tronçonnée avec contr8ôle de température à un faible niveau de façon à ne pas nuire aux surfaces traitées de très haute dureté. Naturellement, on pourra réaliser un traitement de finition de la surface extérieure de la cage, au niveau de la soudure notamment, par exemple un meulage de cette zone, ou encore effectuer un usinage de cette surface extérieure à la dimension externe de cage requise. Des matériaux constitutifs de l'élément sphérique sont avantageusement des nuances connues sous l'appellation Z 30C 13T ou 42 CD 4T. Néanmoins, pour des rotules de grand diamètre (300 mm et plus), les matériaux spécifiés précédemment pour la bague et l'élément sphérique, respectivement, peuvent être inversés. On obtient ainsi une rotule à haute résistance mécanique et à l'abrasion, l'élément à base de manganèse absorbant l'énergie de choc et d'écrasement éventuelle et s'autoécrouissant en surface contre celle de l'autre élément pour permettre l'autolubrification de l'articulation. Cet autoécrouissage s'accroit au fur et à mesure de la sollicitation jusqu'à parvenir à la dureté de la surface antagoniste de l'élément sphérique L'invention concerne également la rotule obtenue par la mise en oeuvre du procédé précité. L'invention est illustrée ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation et en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - La figure 1 est une vue de la bague de rotule tronçonnée et chanfreinée pour soudure selon le procédé de l'invention, - La figure 2 est une vue schématique en élévation montrant l'assemblage de l'élément sphérique dans la bague ou cage de rotule, et - La figure 3 est une vue du gabarit de mise en forme de la bague pour la soudure de ses extrémités tronçonnées. Avec référence au dessin, la rotule d'articulation selon l'invention est du type comprenant un élément sphérique 1 ou rotule proprement dite insérée en mouvement rotatif libre dans une bague circulaire ou cage complémentaire 3. La rotule est destinée à être montée de façon classique sur un arbre par sa partie d'alésage. L'élément sphérique 1 est issu d'usinage de façon typique, en acier Z 30C 13T prétraité à 882-1029N/mm2 (90-105 kg/mm2) à coeur et sa surface est traitée thermiquement par induction à très haute dureté, environ 1862N/mm2 (190 kg/mm2) ou environ 55 H.R.C.) sur une épaisseur de 2 à 3 mm. Cet élément ne subit aucun autre traitement. La bague 3 est issue de forgeage et d'usinage en un acier au manganèse austénitique de nuance Z 120M 12 précitée. La surface intérieure, recevant l'élément sphérique, est légèrement préécrouie à une dureté de 38 à H.R.C. sur une profondeur de 3-5 dixièmes de mm. Les dimensions de cette bague sont légèrement supérieures à celles de la bague définitive. En effet, sa circonférence intérieure possède une longueur supplémentaire e, de 1,4 mm, égale à la largeur de la lame de l'outil utilisé pour l'opération de tronçonnage ultérieure. Cette longueur e peut varier au maximum de 1 mm selon les dimensions de la rotule, de 100 à 300 mm de diamètre, en proportion directe du diamètre. De même, son épaisseur est légèrement plus importante, 1 à 2 mm, pour permettre l'étape de finition extérieure ultérieure (usinage) à la cote définitive. La première opération typique du procédé de fabrication selon l'invention est un tronçonnage de la bague suivant un rayon, par un outil de coupe classique, par exemple à disque rotatif de tronçonnage de largeur égale à 1,4 mm. La bague est ainsi tronçonnée en 5 et un chanfrein 7 est ensuite réalisé à la partie supérieure de la fente 5 du tronçonnage comme représenté à la figure 1. Ce chanfrein est formé sur toute la largeur de la bague, de même que sur ses c8tés jusqu'à une distance d'environ 1 mm (au plus près) de la zone de surface inférieure traitée et sur une profondeur égale sensiblement à la moitié de l'épaisseur de celle-ci. La seconde opération du procédé concerne l'assemblage de la rotule représenté à la figure 2. Pour cette opération, on utilise une presse dont le poinçon applicateur 9 a une forme adaptée (complémentaire) des faces latérales de la bague, et un socle ou matrice inférieure tronconique 11, effilé vers le haut, dont la section correspond à l'ouverture latérale de la bague pour qu'elle y soit engagée à sa partie supérieure, et d'angle de c8ne relativement faible. La bague est donc engagée par l'une de ses ouvertures latérales sur la matrice 11 et l'élément sphérique, posé sur l'autre ouverture de la bague, reçoit sur sa face supérieure le poinçon applicateur 9 de la presse. Le poinçon est appliqué à force vers le socle, l'élément sphérique demeurant dans une disposition parallèle à la bague. Celle-ci s'étend sous l'action du cone et dès qu'elle s'est suffisamment écartée, l'élément sphérique pénètre de lui- même, sous l'élasticité de la bague, dans celle-ci. La rotule est à présent assemblée et peut subir la troisième opération de liaison des bords tronçonnés de la bague. Celle-ci consiste en une soudure effectuée au niveau du chanfrein 7 de la fente de la bague. La rotule est introduite dans un gabarit 13 de mise en forme de la bague à sa dimension définitive de service. Ce gabarit comporte deux mâchoires 15 sensiblement demi- circulaires, complémentaires de la bague dans sa forme resserrée et articulées au niveau inférieur. Ces mâchoires appliquées l'une vers l'autre à force jusqu'au resserrement complet de la bague avec application l'un sur l'autre des bords de tronçonnage, ménagent une ouverture supérieure 17 permettant d'effectuer ladite opération de soudure. Celle-ci est effectuée de façon classique sous arc électrique (sous gaz neutre entre électrodes) avec apport de matière par un fil de matière de soudure approprié, par exemple à base de nickel-chrome, à une température inférieure à 250 C pour ne pas affecter les zones de surface traitées. Pour la même raison, on ne s'approche pas de ces zones traitées à moins de 1 mm (sur les chanfreins latéraux) et l'élément sphérique est orienté à 90 de la bague et à distance de la soudure. Lorsque la bague est en acier au manganèse austénitique, la couche de couverture de soudure est effectuée en la même matière que la bague. Lorsque l'opération de soudure est achevée, une opération d'usinage de la bague à sa c8te externe définitive est effectuée. Cette opération de finition permet de dissimuler la soudure effectuée. La rotule est alors achevée. On notera que l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit et que de nombreuses variantes de réalisation peuvent y être incluses. Ainsi l'assemblage au lieu d'être effectué à plat comme décrit ci-dessus, peut l'être avec l'élément sphérique appliqué perpendiculaire- ment à la bague, tenu par une partie de sa circonférence sur un poinçon applicateur de forme adéquate, tandis que la bague s'ouvre sur un socle inférieur largement ouvert dans sa partie interne (de type manchon recevant les faces latérales de la bague. De même, le gabarit de mise en forme peut être de forme à alésage interne conique recevant la rotule à force, en butée à sa position resserrée définitive. 6 /2715338 REVENDICATIONS 1.Procédé de fabrication d'une rotule à haute résistance mécanique et notamment à l'abrasion, au choc et à l'écrasement, constituée d'un élément sphérique d'articula- tion (1) et d'une cage ou bague réceptrice complémentaire (3), caractérisé en ce qu'il comprend les phases suivantes: - l'usinage de l'élément sphérique (1) constitué en acier à haute dureté, prétraité à 882-1029N/mm2(90-105kg/mm2) à coeur et d'au moins 55 H.R.C. en surface, sur 1,5-3 mm. - le forgeage et l'usinage de la cage (3) en un acier austénitique au manganèse de nuance Z 120M 12 (12% de manganèse et 1,2% de carbone), à un diamètre de surface interne légèrement supérieur à celui de l'élément sphérique (1) de façon à ce que sa circonférence intérieure soit supérieure d'une valeur e de 1-2,5 mm à celle de cet élément, la surface interne de la cage étant en outre légèrement préécrouie à une dureté de 38 à 40 H.R.C. et sur une faible profondeur (quelques dixièmes de mm), tandis que la matière à coeur conserve sa ductilité, - le tronçonnage de la cage (3), sensiblement sur un rayon par un outil de coupe dont l'épaisseur de lame ou tronçonnée est égale à ladite valeur e, - l'extension de la cage (3) pour permettre l'intro- duction de l'élément sphérique (1) (assemblage de la rotule), par exemple par ouverture de la cage sur un outil à base conique inférieur (11), et introduction supérieure de l'élément sphérique, au moyen d'une presse, - le serrage de la rotule ainsi assemblée dans un gaba- rit de mise en forme (13) de la rotule, à ses dimensions définitives, et la soudure de la partie tronçonnée (5), avec contr8ôle de température à un faible niveau de façon à ne pas nuire aux surfaces traitées, de très haute dureté. 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est complété d'un traitement de finition de la surface extérieure de la cage, au niveau de la soudure notamment, par exemple un meulage de cette zone, ou un usinage de cette surface extérieure à la dimension 7 2715338 externe de cage requise. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que des matériaux constitutifs de l'élément sphérique (1) sont des nuances connues sous l'appellation Z 30C 13T ou 42 CD 4T, la surface intérieure (d'articulation) étant traitée à une dureté de 1862N/mm2 (190 kg/mm2) sur une épaisseur de 2 à 3 mm par un procédé classique d'induction. 4. Procédé de fabrication selon l'une des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que pour des rotu- les de grand diamètre (300 mm et plus) les matériaux pré- cités de l'élément sphérique et de la bague, respecti- vement, peuvent être inversés. 5. Procédé de fabrication selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que un chanfrein (7) est réalisé sur la partie tronçonnée (5) de la bague, ceci aux fins de ladite opération de soudure, ce chanfrein étant par exemple formé sur toute la largeur de la bague, de même que sur ses côtés jusqu'à une distance d'environ 1 mm (au plus près) de la zone de surface infé-rieure traitée, et sur une profondeur égale sensiblement à la moitié de l'épaisseur de celle-ci. 6. Procédé de fabrication selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que pour ladite opération d'assemblage, on utilise une presse dont le poinçon applicateur (9) a une forme adaptée (complémentaire) des faces latérales de la bague (3), et un socle ou matrice inférieure tronconique (11), effilé vers le haut, dont la section correspond à l'ouverture latérale de la bague pour qu'elle y soit engagée à sa partie supérieure, et d'angle de cône relativement faible. 7. Procédé de fabrication selon l'une des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que pour ladite opération de serrage de la cage de rotule assemblée en vue de la soudure de la partie tronçonnée (5), on utilise un gabarit (13) qui comporte deux mâchoires (15) sensiblement demi-circulaires, complémentaires de la bague dans sa forme resserrée et articulées au niveau inférieur, ces mâchoires étant appliquées l'une vers l'autre à force jusqu'au resserrement complet de la bague avec application l'un sur l'autre des bords de tronçonnage, ménageant une ouverture supérieure (17) permettant d'effectuer ladite opération de soudure. 8. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite opération de soudure est effectuée de façon classique sous arc électrique (sous gaz neutre entre électrodes) avec apport de matière par un fil de matière de soudure approprié, par exemple à base de nickel- chrome, à une température inférieure à 250 C pour ne pas affecter les zones de surface traitées. 9. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1-5 et 7,8, caractérisé en ce que l'assemblage de la rotule est effectué avec l'élément sphérique (1) appliqué perpendiculairement à la bague (3), tenu par une partie de sa circonférence sur un poinçon applicateur de forme adéquate, tandis que la bague s'ouvre sur un socle inférieur largement ouvert dans sa partie interne (de type manchon recevant les faces latérales de la bague). 10. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1-6 et 8,9, caractérisé en ce que le gabarit de mise en forme est de forme à alésage interne conique recevant la rotule à force, en butée à sa position resserrée définitive. 11. Rotule d'articulation obtenue par la mise en oeuvre du procédé défini dans l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une cage (3) enfermant un élément d'articulation interne (1), fendue sur un rayon et dont les bords de fente (5) sont reliés, par exemple par soudure, à leur position définitive, l'un au moins des éléments, cage ou élément d'articulation étant en un acier au manganèse austénitique et l'autre à traitement à très haute dureté sur la zone de surface d'articulation.