Brevet FR2738174A1 — publié le 19970307

i2738174 La présente invention concerne un procédé et un appareil destinés à améliorer la finition et à augmenter la dureté de la surface de pièces telles que des lobes d'arbre à cames, des tourillons d'arbre à cames et des manetons et tourillons de vilebrequin. Dans les procédés actuellement utilisés, les lobes ou surfaces d'appui d'une pièce telle qu'un arbre à cames ou un vilebrequin, subissent une microfinition par abrasion à un état lisse, avec du papier de verre ou des meules lorsque la pièce tourne autour de son axe longitudinal. Bien que ce procédé améliore la finition de la surface, il n'augmente pas sa dureté. En fait, il peut même réduire la dureté car il supprime de la matière de la surface finie. En outre, la quantité de matière retirée dans cette opération varie sur les surfaces non circulaires. Ceci est dû au fait que le papier de verre et les meules ont tendance à retirer plus de matière des surfaces de petit rayon, telles que le nez d'un lobe d'arbre à cames, que des surfaces de grand rayon telles que le cercle de base d'un lobe ou des surfaces plates telles que les régions de rampe. Cet enlèvement non uniforme de la matière oblige le fabricant à modifier la forme voulue avant la microfinition. Cette modification est difficile et imprévisible et elle nécessite des essais empiriques. L'abrasion par le papier de verre ou des meules provoque la formation d'une boue qui est composée de la matière retirée, de particules de sable ou de meule et d'huile ou de la solution utilisée. Etant donné les problèmes posés par l'environnement, la décharge de cette boue est très difficile et coûteuse. En outre, ce procédé nécessite un changement fréquent du papier de verre ou des meules lorsqu'ils s'usent, d'une manière coûteuse et très longue, et il pose actuellement des problèmes supplémentaires de décharge. Il existe d'autres procédés qui mettent en oeuvre des rouleaux pour rendre lisse et durcir une pièce et ces procédés sont habituellement appelés "brunissage". Cependant, le brunissage n'est utilisé que sur les pièces qui ont une forme circulaire à l'intérieur et à l'extérieur. Le brunissage ne convient pas au traitement des pièces non circulaires telles que les lobes des arbres à cames. En outre, le brunissage, étant donné les forces très élevées qu'il implique, nécessite que les rouleaux et les forces soient diamétralement opposés afin que la pièce ne subisse pas une flexion ou une rupture. Selon la présente invention, un patin très dur et relativement lisse, par exemple formé de diamant ou de carbure de tungstène revêtu, vibrant à une fréquence élevée en direction perpendiculaire à l'axe de rotation de la pièce, est appliqué contre la surface qui doit subir la microfinition lorsque la pièce tourne. La vibration à hautes fréquences permet l'application d'une force suffisante à la surface pour qu'elle soit suffisamment comprimée pour augmenter la dureté ainsi que pour augmenter la qualité de la finition. La vibration à hautes fréquences réduit aussi les contraintes internes de la pièce qui peuvent être dues à une opération antérieure de redressement ou de traitement thermique. La masse de la pièce elle-même absorbe la plus grande partie de l'énergie nécessaire à la microfinition de la surface sans que le patin doive être poussé contre la pièce avec une force si grande que la pièce fléchit ou se courbe en sens opposé. De préférence, on utilise des moteurs linéaires pour la commande des ensembles à coulisseau qui repoussent les patins contre la pièce. Comme les moteurs linéaires ne nécessitent aucune vis à billes pour transformer un mouve- ment de rotation en un mouvement linéaire, il est possible de conserver une force constante appliquée à la pièce dans toute sa course. Le patin est repoussé vers l'arrière lorsque la partie haute du lobe de la pièce rotative passe sous lui. Des vérins pneumatiques peuvent aussi être utilisés pour la manoeuvre des ensembles à coulisseau et pour l'application d'une force constante pendant toute la course. Comme le procédé de l'invention ne retire pas de matière, la configuration de la pièce n'est pas modifiée si bien que le fabricant peut rectifier la pièce à la configu- ration voulue. La modification de la configuration avant la microfinition selon l'invention n'est pas nécessaire. En outre, comme aucune matière n'est retirée, ce pro- cédé ne produit aucune boue dont la décharge est délicate. Comme aucun traitement par sablage ou meulage n'est mis en oeuvre, le coût et le temps de changement du papier de verre ou des meules est éliminé. Le patin a de préférence une construction telle qu'il donne une surface cylindrique ou plate de contact, ayant son axe ou son plan parallèle à l'axe de la pièce. La finition de surface du patin doit être aussi lisse que la finition voulue de la pièce ou plus lisse. Le patin est formé d'un matériau très dur, de préférence de diamant ou de carbure de tungstène revêtu d'un composé tel que le nitrure de chrome ou le nitrure de titane. Le composé de revêtement doit être très dur, il doit posséder une dureté Vickers comprise entre 3 000 et 7 000 et il doit être inerte afin qu'il ne réagisse pas chimiquement avec le matériau de la pièce et ne provoque une détérioration ou une érosion d'une surface quelconque. Il doit aussi supporter la pression et l'action de frotte- ment nécessaires au changement de la microfinition de la surface de la pièce. Un patin cylindrique modifié peut avoir une légère forme en "tonneau" ou en "sablier". Un patin modifié de forme générale plate peut être légèrement concave ou con- vexe. Les formes modifiées transfèrent la forme opposée à la surface qui subit la microfinition. L'invention a pour objet la mise à disposition d'un procédé et d'un appareil de microfinition d'une pièce, ayant les propriétés et caractéristiques précitées. L'invention a aussi pour objet la réalisation d'un appareil de microfinition ayant une construction robuste et durable et qui peut être facilement fabriqué et facilement mis en oeuvre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en élévation frontale d'un appareil ayant une construction selon l'invention en mode de chargement et de déchargement, représentant les têtes et les coulisseaux qui ont reculé, le poste 1 en attente représenté sur les figures 2 et 2A n'étant pas représenté afin que le poste de microfinition apparaisse plus clairement; la figure 1A est analogue à la figure 1 mais elle représente le mode de fonctionnement dans lequel les têtes et les coulisseaux sont en position avancée, le poste 1 en attente n'étant pas non plus représenté pour la même raison; la figure 2 est une coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1; la figure 2A est une coupe suivant la ligne 2a- 2a de la figure lA; les figures 3 et 3A sont des vues en plan de l'appareil des figures 1 et 1A respectivement; la figure 4 est une vue partielle agrandie représentant un type de tête et de coulisseau de microfinition ayant un vibrateur; la figure 5 est une vue partielle agrandie d'un autre type de tête et de coulisseau de microfinition ayant un vibrateur; la figure 6 est une vue agrandie en élévation frontale de la tête de microfinition de la figure 4; la figure 7 est une vue partielle agrandie d'un autre type de tête et de coulisseau de microfinition ayant un vibrateur; la figure 8 est une vue partielle agrandie d'un autre type de tête et de coulisseau de microfinition ayant un vibrateur; la figure 9 est une vue agrandie en élévation frontale de la tête de microfinition de la figure 7; la figure 10 est une vue en perspective d'un patin cylindrique qui est au contact d'un exemple de lobe d'arbre à cames formant "toucheau à rouleau"; et la figure 11 est une vue en perspective représentant un patin plat au contact d'un lobe de came à "toucheau plat". On se réfère maintenant aux dessins et notamment aux figures 1 à 3A; la machine 20 de microfinition comporte un banc ou châssis principal 22 de machine sur lequel sont montés des ensembles 24 et 26 à broche placés latéralement. Ces ensembles 24 et 26 sont montés sur des glissières convenables 27 afin qu'ils se rapprochent ou s'éloignent sous la commande de moteurs 28 et 30. Les ensembles 24 et 26 à broche sont des organes 36 d'entraînement qui peuvent coopérer avec les extrémités opposées de la pièce qui, dans ce cas, est un arbre à cames allongé 38 ayant des lobes longitudinalement espacés 40. Des moteurs 41 et 44 d'entraî- nement font tourner les organes 36 d'entraînement qui font eux-mêmes tourner l'arbre à cames à vitesse constante autour de son axe longitudinal. Des appuis 46 sont au contact de parties intermédiaires d'extrémité de l'arbre à cames et le supportent lorsqu'il subit les forces créées pendant l'opération de microfinition. Les lobes 40 de l'arbre à cames subissent une microfi- nition effectuée par des patins 42. Chaque patin est porté par un ensemble 50 à coulisseau. Plus précisément, chaque ensemble à coulisseau comporte un coulisseau associé 52 placé en face d'un lobe de came, et une tête 54 placée à l'extrémité du coulisseau près du lobe. Les patins 42 sont montés sur les têtes 54. Les coulisseaux 52 sont perpendi- culaires à l'arbre à cames et sont montés dans des guides 56 afin qu'ils présentent un mouvement longitudinal de coulis- sement vers l'arbre à cames et du côté opposé. Chaque coulisseau est déplacé en translation par rapport à l'arbre à cames de préférence par un moteur linéaire 58 qui repousse le patin contre un lobe de came avec une force constante et uniforme. Des vérins pneumatiques ou d'autres moteurs peuvent remplacer les organes linéaires de manoeuvre, mais il est souhaitable que la force de chaque patin appliquée contre son lobe de came soit constante et uniforme pendant toute l'opération de microfinition. Les guides 56 de coulisseau sont montés sur des parties fixes de la machine (non représentée) à des positions telles que les coulisseaux 52 sur lesquels sont montés les patins se trouvent dans des plans différents séparés les uns des autres d'environ 45O (voir figures 2 et 2A) afin que la machine puisse réaliser la microfinition de lobes de la pièce qui sont plus proches que la largeur des ensembles à coulisseau. Les figures 1, 2 et 3 représentent la machine en mode de chargement et déchargement dans lequel tous les patins et coulisseaux sont en position reculée. Les figures 1A, 2A et 3A représentent la machine de microfinition en mode de fonctionnement dans lequel les patins et les coulis- seaux sont en position avancée et, à ce moment, les patins sont au contact des lobes pour assurer leur microfinition. Les figures 2 et 2A représentent l'arbre à cames supporté à un poste 2 de microfinition entre deux postes 1 et 3 en attente auxquels les arbres à cames peuvent être supportés par des montants 59 et 61 avant et après trai- tement au poste 2. Un mécanisme classique de soulèvement et de transport (non représenté) peut être utilisé pour le transfert des arbres à cames d'un poste à un autre. Un vibrateur 60 est monté sur la tête 54 de chaque ensemble à coulisseau 50. Les vibrateurs 60 sont destinés à provoquer la vibration du patin 42 lorsqu'il est repoussé contre une came. La vibration est perpendiculaire à la surface du lobe. La vibration a de préférence une fréquence comprise entre environ 170 et 270 Hz. La vibration à hautes fréquences permet l'application à la surface du lobe d'une force suffisante pour que cette surface soit tassée et comprimée et que sa dureté augmente de même que la qualité de sa finition. Une force excessive n'est pas nécessaire et elle varie avec la largeur de la surface du lobe de came qui subit la microfinition. Cette force peut être comprise entre 220 et 440 N pour des lobes ayant une largeur de 12,7 mm seulement. Pour des lobes de 50,6 mm de largeur, la force peut être de 1 560 N. Cette force reste constante et ne varie pas pendant l'opération de microfinition. Le lobe repousse en réalité le patin vers l'arrière, lorsque la partie haute du lobe passe sous le patin, si bien que la force appliquée par le patin à la surface du lobe reste la même. La longueur du patin 42 est supérieure à la largeur du lobe si bien que toute la largeur du lobe est traitée. Les figures 4 et 6 représentent un premier mode de réalisation d'ensemble à coulisseau dans lequel le patin 42 est une barre cylindrique de section circulaire uniforme sur toute sa longueur, son axe longitudinal central étant paral- lèle à l'axe de rotation de l'arbre à cames et parallèle à la surface du lobe traité. La tête 54 pivote vers le coulisseau 52 sur une broche 62 afin qu'elle pivote sur un axe parallèle à l'axe longitudinal du patin. La tête 54 est repoussée vers le lobe par un ressort hélicoïdal 64 de compression placé entre la tête et le coulisseau. Le vibrateur 60 est représenté monté sur la tête 54. Lorsque l'ensemble à coulisseau 50 fait avancer un patin contre le lobe, le ressort 64 se comprime si bien que le patin reste au contact du lobe lorsque la pièce tourne. Le vibrateur 60 est monté rigidement sur la tête, et lorsqu'il est excité, il provoque une vibration de la tête et du patin à une fréquence élevée, de l'énergie étant ainsi introduite dans la pièce. Cette force ou énergie est absorbée par la surface du lobe si bien que celle-ci devient dure et lisse. Cette microfinition de la surface du lobe est réalisée lorsque la pièce tourne à une vitesse constante, de préférence comprise entre 20 et 30 tr/min. Le patin 42 peut le cas échéant être modifié par réalisation d'une configuration en "tonneau" ou en "sablier" qui transfère la forme opposée à la surface qui subit la microfinition. Le patin est formé d'un matériau très dur. Il a de préférence une dureté Vickers comprise entre environ 3 000 et 7 000. Le patin est de préférence formé d'un matériau qui ne réagit chimiquement avec la pièce. La pièce est habituellement formée de fer ou d'acier mais elle peut aussi être formée d'autres matériaux. De préférence, le patin est formé de diamant ou de carbure de tungstène. S'il est formé de carbure de tungstène, il est de préférence revêtu d'un composé qui peut être le nitrure de chrome ou de titane dont la dureté est comprise dans la plage précitée. La surface du patin, qu'il s'agisse de diamant ou de carbure de tungstène revêtu, est lisse et elle a un effet de frottement contre la surface du lobe de came pendant l'opération de microfinition sur la pièce rotative. La surface du patin qui est au contact de la pièce doit être suffisamment dure et lisse pour supporter l'effet de frottement. D'autres matériaux qui conviennent pour la formation du patin sont le nitrure de silicium et certains matériaux céramiques tels que l'oxyde d'aluminium (A1203). La figure 5 représente un mode de réalisation analogue à celui de la figure 4, mais dans lequel la tête 54a a une configuration légèrement différente, bien qu'elle pivote de manière analogue sur le coulisseau 52 sur une broche 62 formant pivot. La seule différence essentielle entre la tête de la figure 5 et celle de la figure 4 est que le patin 42a de la figure 5 a la forme d'un bloc plat et non d'un cylindre et a une surface plate 70 de contact avec la pièce qui est parallèle à l'axe de rotation de l'arbre à cames et qui est aussi parallèle à la surface du lobe de came qui subit la microfinition. Les figures 7 et 9 représentent un autre mode de réalisation dans lequel le patin 42 est fixé à une tête 54b qui glisse entre les bras 74 du coulisseau 52b dans la direction longitudinale du coulisseau 52b. Le ressort hélicoïdal 64b est comprimé entre la tête 54b et le coulisseau 52b et entoure une tige 78 dépassant de la tête 54b. La tige 78 peut coulisser dans le coulisseau 52b et possède un vibrateur 60 à l'extrémité distante de la tête. Son fonctionnement est évident à la suite de la description des autres modes de réalisation. La figure 8 diffère des figures 7 et 9 uniquement en ce que le patin 42a est plat comme le patin 42a de la figure 5. Un patin plat de façon générale et modifié peut avoir une forme légèrement concave ou convexe et, dans ce cas, il donne la configuration opposée à la surface qui subit la microfinition. On se réfère maintenant à la figure 10 qui représente le patin cylindrique 42 de la figure 4 au contact d'un exemple de lobe 90 d'arbre à cames formant "toucheau à rouleau". Le rayon négatif ou la courbe rentrante de ce type de lobe peut subir une microfinition de préférence avec un patin cylindrique du type représenté sur la figure 4. Le type de patin plat 42a de la figure 5 ne convient pas à la microfinition d'une courbe rentrante ou d'une partie de lobe ayant un rayon négatif. La figure 11 représente le patin plat 42a de la figure 5 placé contre un exemple de lobe 92 d'arbre à cames à "toucheau plat". Cette surface de lobe a un rayon positif et n'a pas de courbe rentrante ni de rayon négatif et la configuration du lobe de came permet donc l'utilisation d'un patin plat plus simple et moins coûteux, du type représenté sur la figure 5. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Appareil de microfinition d'une surface d'une pièce (38), caractérisé en ce qu'il comprend un support (46) de pièce, un patin (42), un dispositif (50) de montage du patin (42) près d'une pièce (38) sur le support (46), un dispositif (64) de maintien du patin (42) au contact d'une surface de la pièce (38), et un dispositif (60) destiné à faire vibrer le patin (42) à une fréquence élevée lorsqu'il est au contact de la surface de la pièce (38) afin que cette surface subisse une microfinition. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le patin (42) a une surface lisse au contact de la surface de la pièce (38), et l'appareil comporte en outre un dispositif destiné à assurer le déplacement relatif du patin (42) sur la surface de la pièce (38) de manière que la surface du patin (42) ait un effet de frottement sur la surface de la pièce (38). 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vibration du patin (42) est perpendiculaire de façon générale à la surface de la pièce (38). 4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le patin (42) est mis en vibration par le dispositif (60) de vibration à une fréquence comprise entre environ 170 et 270 Hz. 5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le patin (42) a une dureté Vickers comprise entre environ 3 000 et 7 000. 6. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le patin (42) est formé d'un matériau choisi dans le groupe qui comprend le diamant, le carbure de tungstène, le carbure de tungstène revêtu de nitrure de chrome ou de titane, une céramique et le nitrure de silicium. 7. Procédé de microfinition d'une surface d'une pièce (38), caractérisé en ce qu'il comprend la mise à disposition d'un patin (42) et le maintien du patin (42) en contact sous pression avec une surface de la pièce (38) avec vibration du patin (42) à une fréquence élevée de manière que la surface subisse une microfinition. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le patin (42) possède une surface lisse au contact de la surface de la pièce (38), et le procédé comprend le dépla- cement relatif du patin (42) à la surface de la pièce (38) de manière que la surface du patin (42) ait un effet de frottement sur la surface de la pièce (38) lorsque le patin (42) est mis en vibration. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la vibration du patin (42) est perpendiculaire de façon générale à la surface de la pièce (38). 10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le patin (42) est mis en vibration à une fréquence comprise dans la plage allant d'environ 170 à 270 Hz. 11. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le patin (42) a une dureté Vickers comprise entre environ 3 000 et 7 000. 12. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le patin (42) est formé d'un matériau choisi dans le groupe qui comprend le diamant, le carbure de tungstène, le carbure de tungstène revêtu de nitrure de chrome ou de titane, une céramique et le nitrure de silicium.