Brevet FR2761915A1 — publié le 19981016

PROCEDE ET DISPOSITIF DE REALISATION DE DISQUES DE FREIN La présente invention concerne un procédé de réalisation de disques de frein. Elle concerne également un dispositif de mise en oeuvre dudit procédé. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la fabrication des disques de frein pour automobiles et autres moyens de transport terrestre. D'une manière générale, les disques de frein ont pour fonction de transformer, par frottement sur des mâchoires de friction, l'énergie cinétique du véhicule en énergie calorifique et de diffuser cette dernière pour conduction thermique et rayonnement infrarouge. Pour assurer cette fonction, le matériau choisi pour réaliser les disques de frein doit satisfaire à un certain nombre d'impératifs, tels que tenue mécanique à chaud (supérieure à 50 Mpa à 7500C), chaleur massique importante (supérieure à 900 J/kg C), conductibilité thermique élevée (supérieure à 25 W/m C), coefficient de frottement supérieur à 0,5. Actuellement, le matériau utilisé susceptible de satisfaire à toutes ces exigences dimensionnelles est une fonte de composition chimique moyenne, à savoir carbone 3,4 % - silicium 2,1 % - manganèse 0,7 % chrome 0,5 %, de façon à obtenir un carbone équivalent proche de 4 % et une structure micrographique à graphite en fines lamelles dans une matrice perlitique à moins de 5 % de ferrite. La dureté doit être inférieure à HB240 afin d'assurer une bonne usinabilité des pistes à la coupe de finition. Notons également que la friction des disques sur les mâchoires doit être équivalente pour les deux sens de rotation opposés et ne pas évoluer avec la température. Pour cela, il faut que les disques puissent être usinés par tournage fin ou rectification pour obtenir un état de surface de rugosité inférieure à 8 m sans écailles. Les tolérances serrées de forme et d'état de surface nécessitant de réaliser une gamme d'usinage des pistes comportant trois opérations : un usinage d'ébauche avec une profondeur de passe voisine de 2 mm pour enlever la peau de fonderie, un usinage de semifinition de 0,5 mm de profondeur pour recentrer le disque en voilage, et un usinage de finition réalisé par coupe ou rectification sur une faible profondeur de 0,2 mm pour lisser la rugosité superficielle. La composition chimique de la fonte résulte donc d'un compromis entre propriétés thermomécaniques pour assurer les performances à chaud et caractéristiques métallurgiques et mécaniques permettant l'usinage désiré. En d'autres termes, l'utilisation d'une fonte plus alliée en éléments d'alliage plus performants au niveau des prestations fonctionnelles se traduit par des difficultés d'usinabilité par outils coupants. A l'inverse, une fonte moins alliée en éléments du type silicium ou manganèse, confère une meilleure usinabilité par outils coupants, mais se traduit par de moindres propriétés thermomécaniques qui induiraient un surdimensionnement des disques. I1 existe, de manière connue, de nouvelles formulations avec dépôts pour friction et barrière thermique, élaborés par procédé plasma, mais qui cependant présentent un court élevé réservant leur domaine d'application à des véhicules stratégiques (militaires), à vocation performance (trains à grande vitesse), et de moindre diffusion que l'automobile. De même, les techniques d'usinage à grande vitesse utilisant des outils ultra-durs sont également en cours de développement, mais restent soumises à la fiabilité des machines d'usinage en capacité d'absorber des efforts importants et à la reproductibilité au niveau constance de qualité d'état de surface et de tolérances dimensionnelles des pièces usinées. Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un procédé de réalisation de disques de frein qui permettrait notamment de faciliter l'usinage d'une fonte plus résistante, présentant de meilleures propriétés mécaniques à chaud. La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ledit procédé comporte une opération d'usinage à chaud d'une pièce de fonte d'acier contenant au moins un des éléments suivants : molybdène, chrome à plus de 0,3 % et cuivre. Ainsi, du fait de la mise en oeuvre d'une technique d'usinage à chaud, il est possible d'adopter une fonte plus résistante dont la formulation chimique est bien adaptée à de meilleures propriétés mécaniques à chaud. Pour cela, l'utilisation d'éléments d'addition tels que le molybdène, le chrome à plus de 0,3 % et le cuivre, assure la stabilité de la structure perlitique et l'augmentation de la dureté, de la résistance à l'usure et de la stabilité thermique. De façon plus précise, l'addition de molybdène augmente la dureté et est stabilisant de la perlite, le chrome, élément carburigène, est promoteur de lamelles de carbures de la perlite, alors que le cuivre est un élément durcisseur des interlamelles de ferrite dans la perlite. I1 résulte du procédé de l'invention l'avantage de pouvoir sous-dimensionner les disques de frein, si bien que le supplément du coût en alliages est compensé par la réduction de masse de la matière engagée sans parler des économies de consommation substantielles à l'usage du véhicule. Enfin, la réduction des efforts de coupe due à l'usinage à chaud permet d'augmenter la profondeur de passe, notamment en finition, ce qui se traduit par la suppression de l'usinage de semi-finition et donc de gagner une opération dans la gamme d'usinage. Notons également que l'ensemble des opérations d'usinage peuvent s'effectuer, pour un niveau d'usure équivalent, avec des gains de durée de vie de plus de 100 % pour des outils coupants conventionnels, respectivement en carbures revêtus et en céramiques. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs pour bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 est une vue en coupe illustrant le principe du procédé conforme à l'invention. La figure 2 est une vue de côté d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention. Le procédé de réalisation, objet de l'invention, dont le principe est montré sur la figure 1, consiste à usiner à chaud un disque de frein à partir d'une pièce 1 de fonte d'acier contenant au moins l'un des éléments suivants : molybdène, chrome à plus de 0,3 % et cuivre. La composition chimique de base de la fonte rappelée plus haut est néanmoins conservée pour assurer l'aptitude à l'inoculation de la fonte lors de son élaboration, cela afin de provoquer une germination et une précipitation du graphite en fines lamelles de répartition régulière. La quantité de graphite est ajustée pour obtenir un pourcentage en carbone équivalent de l'ordre de 4 % avec prise en compte des pourcentages de carbone, de silicium, de phosphore et correction des pourcentages d'addition des éléments métalliques interagissants. Ainsi, une addition de 0,7 % de molybdène permet d'élever la résistance mécanique à 6000C de 150 à 200 Mpa, une addition supplémentaire de 0,6 % de chrome l'élève encore à 250 Mpa. I1 faut également signaler que l'addition de molybdène et de chrome assure une meilleure résistance à chaud à la décomposition des carbures en graphite et ferrite qui, s'accompagnant d'une expansion volumique, se traduirait par la formation de fissures. Enfin, une addition de cuivre permet encore d'augmenter à raison de 50 Mpa par pourcent d'addition la résistance à chaud de la ferrite, phase la plus molle de la fonte. Egalement, la présence de cuivre durcissant la ferrite présente l'avantage supplémentaire d'éviter la tendance au beurrage lors du frottement sous forte pression prolongée des garnitures. L'usinage à chaud de ladite pièce 1 peut consister, ainsi que le montre la figure 2, en un usinage par coupe assisté par laser qui, de manière générale, procède par chauffage local par l'irradiation d'un faisceau laser 2 sur la surface de la pièce 1 juste avant le bec 3 de l'outil 4 de coupe. La coupe intervient donc à chaud sur une matière ramollie, ce qui se traduit par une diminution de frottement par cisaillement de l'outil coupant 4 sur la matière usinée dans le rapport de la baisse des caractéristiques du matériau à cette température relativement à la température ambiante. Ce procédé, appelé aussi tournage assisté par laser, a donc pour effet de réduire les efforts de coupe, induisant ainsi de nombreux avantages au niveau de l'évolution du produit et de l'amélioration du procédé de transformation. Comme l'illustre la figure 2, le procédé de tournage assisté par laser est mis en oeuvre par adjonction d'une source laser 5 sur un tour 6 d'usinage. Le système d'amenée du faisceau 2 est constitué par un bras 7 articulé dont l'extrémité est solidaire du porte-outil 8, de manière que la tache 9 du faisceau laser 2 soit focalisée à un emplacement précis et constant en avant du bec 3 de l'outil coupant 4, mais ajusté en fonction des conditions de coupe, à savoir vitesse et profondeur. Pour être efficace, la tache 9 est focalisée sur la hauteur du chanfrein 10 de tournage et à une distance proche, typiquement 3 mm, devant le bec 3 de l'outil 4 de coupe. La dimension ou diamètre D de la tache 9 pour couvrir la largeur du chanfrein 10 est conditionnée par la profondeur de passe : supérieure à 1 mm en ébauche et égale à 0,5 mm en finition. La tache 9 pourrait avantageusement être de forme elliptique élancée de manière à atteindre une plus forte densité d'énergie donc un meilleur rendement au niveau de l'interaction. La puissance d'irradiation est réglée pour obtenir une élévation de température de la surface usinée, condition nécessaire pour réduire les efforts de coupe. Mais l'élévation de la température est aussi à l'origine d'une augmentation du coefficient d'absorption de l'énergie par la matière chauffée, et, de ce fait, augmente le rendement du transfert énergétique rayonnement laser-matière. Un perfectionnement de mise en oeuvre de ces conditions opératoires consiste en l'utilisation d'un laser CC2 de 5 kW de puissance, focalisé selon une tache 9 de diamètre inférieur à 1 mm. Cette densité surfacique de puissance, proche des conditions de soudage 5 kW/mm2, est suffisamment élevée pour créer une amorce de plasma en extrême surface 11, promoteur d'un rendement énergétique d'absorption supérieur à 30 % et de sa régularité de par son rôle d'accumulateur d'énergie compensant les fluctuations. D'autres sources laser, par exemple du type YAG ou à diode de puissance, peuvent aussi être utilisées avec des puissances inférieures ou supérieures à celle indiquée ci-dessus selon les conditions de coupe afin d'obtenir l'assistance en température au débit d'enlèvement de matière. Cependant, compte tenu de la vitesse v de coupe très élevée, supérieure à 150 m/mn plus élevée qu'en soudage, soit 10 m/mn, et de la conductibilité thermique limitée de la fonte, l'élévation moyenne de température induite n'est que de 5000C pour le débit d'enlèvement de matière énoncé précédemment, typiquement 2,5 cm3/s. A cette température moyenne, la baisse des caractéristiques mécaniques de la fonte, proche de 30 % induit des diminutions d'efforts de coupe et de vibrations équivalentes à des vitesses de coupe et des profondeurs de passe, respectivement de 150 m/mn et 2 mm en ébauche et de 600 m/mn et 0,5 mm en finition avec obtention d'une rugosité superficielle inférieure à 8 Um sans écailles. Le dispositif représenté sur la figure 2 est un tour à axe A horizontal usinant une seule piste 12 à la fois, la pièce 1 étant ancrée dans un mors serrant 13 et entraînée en rotation. Le procédé de l'invention peut également être mis en oeuvre au moyen d'un tour à axe vertical usinant les deux faces de la pièce de fonte en simultané. Dans ce cas, on utilise, soit deux dispositifs optiques, analogues à celui de la figure 2, d'architecture adaptée à la configuration de la machine, soit un dispositif optique unique permettant à partir d'une seule source laser, la division du faisceau en deux par un système de miroir semi-réfléchissant ou à arêtes brisées, chacun des faisceaux étant focalisé en tache de dimension et de forme appropriées, comme décrit dans la demande de brevet français NO 96.06617 au nom du demandeur. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation de disques de frein, caractérisé en ce que ledit procédé comporte une opération d'usinage à chaud d'une pièce (1) de fonte d'acier contenant au moins l'un des éléments suivants molybdène, chrome à plus de 0,3 % et cuivre. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit usinage à chaud est un tournage assisté par laser. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le faisceau (2) dudit laser est focalisé sur le chanfrein (10) de tournage formé par un outil (4) de coupe. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le faisceau (2) dudit laser est focalisé sur ledit chanfrein (10) de tournage à une distance d'environ 3 mm en avant dudit outil (4) de coupe. 5. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le faisceau (2) dudit laser est focalisé sur une tache (9) de diamètre (D) au plus égal à la hauteur du chanfrein d'usinage. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ledit laser est un laser C02. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ledit laser est du type YAG. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ledit laser est du type diode de puissance. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que la présence dudit laser est d'environ 5 kW. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que ledit tournage est effectué en deux passes. 11. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte un tour à axe horizontal pour l'usinage d'une seule face de disque à la fois. 12. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte un tour à axe vertical pour l'usinage simultané de deux faces de disque.