Brevet FR2761129A1 — publié le 19980925

PROCEDE D'USINAGE D'UN VILEBREQUIN La présente invention a trait au domaine de l'usinage des vilebrequins et notamment aux adaptations permettant d'assurer la localisation des centrages d'usinage dans des conditions optimales. Les vilebrequins sont des pièces mécaniques se présentant sous la forme d'arbre qui assurent la transformation du mouvement rectiligne alternatif de l'ensemble pistonbielle d'un moteur thermique en mouvement circulaire. Ces pièces sont réalisées classiquement par forgeage ou moulage avant d'être usinées précisément pour s'intégrer à l'intérieur d'un carter de moteur thermique. Pour l'exemple d'un moteur thermique à quatre cylindres, le vilebrequin comporte cinq paliers au moyen desquels il est en liaison pivot avec le carter, quatre manetons disposés parallèlement à l'axe de rotation du vilebrequin et servant à entraîner les quatre bielles et quatre contre-poids assurant un équilibre des masses du vilebrequin par rapport à son axe de rotation avec les quatre manetons et les huit bras qui les décalent de l'axe de rotation du vilebrequin. Les opérations d'usinage coutant cher, il est primordial de limiter leur nombre et leur durée et donc de garder le plus possible des surfaces brutes sur les vilebrequins tout en respectant les contraintes géométriques et dynamiques émises par les constructeurs automobiles. Les contraintes géométriques sont des contraintes de précision d'usinage qui doivent être le plus précis possible afin d'optimiser les liaisons pivot du vilebrequin avec le carter ou les bielles. Le vilebrequin étant à l'origine une pièce forgée ou moulée, les surfaces de référence, c'est à dire les points de centrage, doivent être les plus précis possible pour assumer une répétabilité optimale, c'est à dire une position identique du vilebrequin d'un poste d'usinage à un autre. Les contraintes dynamiques, quant à elles, concernent l'équilibrage du vilebrequin qui, lors de sa rotation, ne doit pas créer de moment d'inertie en dehors de l'axe de rotation du vilebrequin. Les masses (masse des manetons, masse des contre-poids) et surtout les surfaces restant brutes après usinage doivent être suffisamment équilibrées pour que lors de la rotation du vilebrequin, le balourd résiduel soit minimisé. Le balourd résiduel, c'est à dire un défaut d'équilibrage des vilebrequins peut, s'il est trop important, occasionner une usure prématurée des composants en contact avec celui-ci et ne pas assurer une bonne transmission de mouvement, donc entraîner des pertes de rendement ainsi que des consommations excessives de carburant. D'autre part un balourd résiduel génère un effet vibratoire qui si celui-ci prend trop d'amplitude est une cause de manque de confort dans la conduite du véhicule. Les procédés d'usinages des vilebrequins existant proposent donc d'assurer en début de leur chaîne de fabrication, un centrage de référence dépendant d'une mesure dynamique des masses s'effectuant à partir du vilebrequin brut. Une des caractéristiques de l'usinage des vilebrequins réside après la mesure dynamique des masses, où les points de centrages définissant l'axe de référence sont usinés de façon à ce que la zone de balourd et donc l'axe principal d'inertie soient situés dans la zone des contrepoids, de sorte que lors du passage sur "l'équilibreuse" en fin de chaîne de fabrication, le vilebrequin usiné puisse être équilibré par enlèvement minimum de matière en perçant les contrepoids. Néanmoins, les surfaces brutes du vilebrequin empêchent une mesure dynamique des masses suffisamment précise pour répondre aux critères de qualité des usinages de plus en plus fins demandés par les constructeurs automobiles. Il est particulièrement difficile d'assurer une bonne répétabilité en faisant tenir les extrémités d'un vilebrequin par les mors d'un mandrin de tour pour l'entraîner en rotation afin de mesurer dynamiquement les masses puis en plaçant ces extrémités sur des appuis numérisés de façon à orienter le vilebrequin à des fins de perçage des points de centrages du fait que les mors se sont serrés sur une surface brute, donc imprécise. De plus, cette imprécision du repérage de l'axe principal d'inertie et donc de l'axe de référence augmente le balourd résiduel au fur et à mesure de la progression du vilebrequin dans la chaîne d'usinage résultant du manque de précision dans la répétabilité de sorte que lors du passage en "équilibreuse" l'eniêvement de matière sur les contrepoids en fin de chaîne de fabrication des vilebrequins devient une opération longue et coûteuse. Partant de cet état de fait, la demanderesse a remis en cause la chaîne d'usinage de vilebrequins classiques et a mené des recherches afin d'obtenir un procédé de fabrication des vilebrequins assurant un meilleur repérage du balourd afin de déterminer avec le maximum de précisions, l'axe de référence de centrage du vilebrequin et donc d'assurer une répétabilité optimale. Ces recherches ont abouti à un procédé de fabrication particulièrement original et judicieux atteignant une précision jamais atteinte jusqu'ici dans ce domaine sans entraîner des surcoûts prohibitifs dans la fabrication de vilebrequins. Selon la caractéristique principale de l'invention, le procédé d'usinage d'un vilebrequin du type de celui comprenant les opérations de mesure dynamique des masses et de perçage des points de centrage en début de chaîne d'usinage, est remarquable en ce qu'il consiste à prédéfinir par usinage du vilebrequin, des surfaces de références avant l'opération de mesure dynamique des masses. Cette caractéristique est particulièrement avantageuse car jusqu'à maintenant la mesure dynamique du balourd se faisait à partir des surfaces brutes des vilebrequins. Il sera donc plus facile de matérialiser l'axe d'inertie à partir de surface de références usinées et non brutes. La définition par usinage d'un axe géométrique fictif même erroné permet de prendre une référence fixe lors de la mesure dynamique et donc d'assurer un paramétrage optimal des appuis numérisés lors du perçage des points de centrage. D'autre part, la prédéfinition de surfaces de références garantit une bonne répétabilité entre le poste de mesure dynamique des masses et celui de perçage des points de centrage matérialisant l'axe de référence, répétabilité qui n'était pas assurée dans les procédés de l'art antérieur puisque l'entraînement des vilebrequins se faisait directement sur une pièce brute. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, le procédé d'usinage des vilebrequins est remarquable en ce qu'il consiste à prédéfinir lesdites surfaces de références par usinage des deux extrémités du vilebrequin avant l'opération de mesure dynamique des masses. Le choix du lieu de références est particulièrement judicieux par le fait que les extrémités des vilebrequins sont des surfaces facilement usinables comparées aux autres paliers qui se trouvent intercalés entre les bras ou entre les contrepoids. Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, le procédé consiste à prédéfinir les surfaces de références par détourage des surfaces cylindriques et planes des deux extrémités du vilebrequin. L'utilisation de l'opération de détourage est particulièrement avantageuse par le fait qu'elle permet de ne pas faire tourner le vilebrequin qui, comme pièce brute, donnerait donc une mauvaise prise et un mauvais centrage dans le cas d'une prise par une de ses extrémités dans un mandrin de tour par exemple. D'autre part, l'opération de détourage permet de prendre des points d'appui sur le vilebrequin et donc d'intégrer dans les chaînes de côtes constituant le montage d'usinage de cette opération de détourage, des côtes brutes du vilebrequin afin de respecter les critères d'encombrement et de mouvement du vilebrequin dans le carter ou de passage avec le piston, tels que fixés par le constructeur automobile. Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, le procédé consiste à placer le vilebrequin dans un dispositif de mesure dynamique, après l'opération d'usinage des surfaces de références et à assurer la rotation du vilebrequin par entraînement par adhérence sur les susdites surfaces cylindriques usinées. n est en effet possible grâce à la prédéfinition de surfaces de références d'utiliser un tel moyen de mise en mouvement pour faire tourner le vilebrequin sur l'axe géométrique fictif matérialisé par les surfaces pré-usinées Les concepts fondamentaux de l'invention venant d'être exposés ci-dessus dans leur forme la plus élémentaire, d'autres détails et caractéristiques ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit donnant à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins annexés, une illustration d'un procédé d'usinage de vilebrequins conforme à l'invention. Cette description se réfère aux dessins annexés sur lesquels La figure I est une vue de côté d'un vilebrequin standard pour moteur à quatre cylindres. La figure 2a est une vue de côté du vilebrequin de la figure 1 adoptant un premier mode de réalisation de maintien et de mise en position du vilebrequin. La figure 2b est une vue de côté du vilebrequin de la figure 2 adoptant un second mode de réalisation de maintien et de mise en position du vilebrequin. Tel qu'illustré sur le dessin de la figure 1, un vilebrequin pour moteur à quatre cylindres, référencé dans son ensemble V, comporte cinq paliers 110, 120, 130, 140, 150 servant à sa liaison pivot avec le carter du moteur (non représenté). Ce vilebrequin V comporte également quatre manetons 210, 220, 230, 240 dont l'axe est parallèle et décalé par rapport à l'axe de rotation du vilebrequin V de façon à réaliser une liaison bielle/manivelle entre le vilebrequin V et les quatre bielles (non représentées), lesquelles comportent à une extrémité un piston se déplaçant dans un cylindre. Ces manetons 210, 220, 230, 240 sont situés entre les paliers 110, 120, 130, 140, 150 et décalés par rapport à l'axe au moyen de bras 310, 320, 330, 340, 350, 360, 370, 380 assurant non seulement leur décalage mais aussi l'espacement entre les manetons et les paliers. Les deux bras centraux à savoir 340 et 350 ainsi que les deux bras extrêmes à savoir 310 et 380 comportent un contrepoids 341, 351, 311, 381 servant à équilibrer le balourd causé par le déport de la masse des manetons et des bras qui les soutiennent. Le vilebrequin V tel qu'illustré comporte également deux extrémités 400 et 500 dont la première est formée par une surface cylindrique 410 coaxiale au palier 110 située dans son prolongement mais de diamétre inférieur laquelle est terminée à son extrémité par une surface plane 420 perpendiculaire à l'axe de rotation du vilebrequin V. La deuxième extrémité 500 est dans le prolongement du palier 150 et est formée par une surface cylindrique 510 immédiatement accolée au palier 150 coaxial à celui-ci mais de diamètre supérieur à laquelle est accolé coaxial un autre cylindre 520 de diamètre inférieur terminé par une surface plane 530 perpendiculaire à l'axe de rotation du vilebrequin V. Avantageusement, le procédé d'usinage de l'invention consiste à prédéfinir les surfaces de références par détourage des surfaces cylindriques 510 et 410 et planes 420 et 530 des deux extrémités 400 et 500 du vilebrequin V. Ainsi, avant l'opération d'équilibrage sont définies deux surfaces parfaitement cylindriques qui en définissant un axe géométrique fictif, servent de références pour l'opération de mesure dynamique des masses. Cette dernière fait intervenir deux disques de contact par surface cylindrique qui entraînent par adhérence en rotation le vilebrequin V autour d'un axe défini par les deux surfaces cylindriques 410 et 510. La mise en rotation du vilebrequin V sur un axe géométrique particulièrement bien défini permet une mesure du balourdage particulièrement précise. Cette mesure dynamique des masses sur des surfaces déjà usinées permet de paramétrer le positionnement des extrémités du vilebrequin V lors de l'opération suivante qui consiste à matérialiser précisément l'axe principal d'inertie en perçant sur les surfaces planes 420 et 530 des points de centrage 421 et 531, matérialisant un axe de référence qui servira à positionner le vilebrequin V dans chaque poste d'usinage constituant la suite de la chaîne de fabrication de celui-ci. Ainsi, grâce à cette précision dans la matérialisation de l'axe principal d'inertie, il sera aisé de donner la meilleure répétabilité possible dans les opérations de transfert entre lesdits différents postes. La figure 2a illustre un mode de réalisation préférée de mise en position et de maintien en position, du vilebrequin lors de l'opération de détourage. Avantageusement, les appuis du serrage ( matérialisés par les flèches S) du vilebrequin V sont réalisés sur les premier 110 et cinquième 150 paliers et sur les surfaces latérales des deux contrepoids centraux 341 et 351. Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, I'opération de serrage ( matérialisé par les flèches S) du vilebrequin V est réalisé concentriquement lors de l'opération de détourage. La figure 2b illustre un autre mode de réalisation préférée de mise en position et de maintien en position du vilebrequin, lors de l'opération de détourage. Avantageusement, les appuis du serrage ( matérialisés par les flèches S ) du vilebrequin V sont réalisés sur les premier 110 et cinquième 150 paliers, sur les surfaces latérales des deux contrepoids centraux 351 et 341 et sur les surfaces cylindriques des quatre contrepoids 311, 341, 351 et 381, lors de l'opération de détourage définissant les surfaces de références 510 et 410. Ainsi lorsque dans le cahier des charges, les surfaces cylindriques des contrepoids restent brutes, ce type de centrage pour l'opération de détourage permet de matérialiser l'axe géométrique fictif par rapport à la surface brute cylindrique des contrepoids, ce qui a pour avantage de prendre en compte les critères d'encombrement pour le passage des contrepoids à l'intérieur du carter et notamment lors de la remontée du piston. De même que pour le premier mode de réalisation de la mise en position et de maintien en position, l'opération de serrage (matérialisée par les flèches S) est avantageusement réalisée concentriquement. On comprend que le procédé d'usinage d'un vilebrequin qui vient d'être ci-dessus décrit et représenté, I'a été en vue d'une divulgation plutôt que d'une limitation. Bien entendu, divers aménagements, modifications et améliorations pourront être apportés à I'exemple ci-dessus, sans pour autant sortir du cadre de l'invention pris dans ses aspects et dans son esprit les plus larges. Afin de permettre une meilleure compréhension des dessins, une liste des références avec leurs légendes est ci-après énumérée. 110, 120, 130, 140, 150 .. Paliers du vilebrequin V 210, 220, 230, 240... .. Manetons du vilebrequin V 310, 320, 330, 340, 350, 360, 370, 380... .. Bras porteurs des manetons 311, 341,351,381.. Contrepoids 400 .. Première extrémité du vilebrequin V 410 . .. Surface cylindrique 420 . ... Surface plane 421.. .. Point de centrage 500 .. Deuxième extrémité du vilebrequin V 510 .. Surface cylindrique 520 . ... Cylindre de bout 530 .. .. Surface plane 531... .. Point de centrage V .. Vilebrequin Flèches S.. . Points de serrage du vilebrequin V REVENDICATIONS 1.Procédé d'usinage d'un vilebrequin (V) du type de celui comprenant les opérations de mesure dynamique des masses et de perçage des points de centrage en début de chaîne d'usinage, CARACTERISE EN CE QU'il consiste à prédéfinir par usinage du vilebrequin (V) des surfaces de références avant l'opération de mesure dynamique des masses. 2. Procédé d'usinage d'un vilebrequin (V) selon la revendication 1, CARACTERISE EN CE QU'il consiste à prédéfinir lesdites surfaces de références par usinage des deux extrémités (400 et 500) du vilebrequin (V) avant l'opération de mesure dynamique des masses. 3. Procédé d'usinage d'un vilebrequin (V) selon les revendications 1 et 2 CARACTERISE EN CE QU'il consiste à prédéfinir les susdites surfaces de références par détourage des surfaces cylindriques (410 et 510) et planes (420 et 530) des deux extrémités (400 et 500) du vilebrequin (V). 4. Procédé d'usinage d'un vilebrequin (V) pour moteur à quatre cylindres en ligne selon les revendications 1 à 3 , CARACTERISE EN CE QUE le centrage du vilebrequin (V) est réalisé sur les premier et cinquième paliers (110 et 150) et sur les surfaces latérales des deux contrepoids centraux (341 et 351), lors de l'opération de détourage prédefinissant les surfaces de références. 5. Procédé d'usinage d'un vilebrequin (V) pour moteur à quatre cylindres en ligne selon les revendications 1 à 3, CARACTERISE EN CE QUE le centrage du vilebrequin est réalisé sur les premier et cinquième paliers (110 et 150), sur les surfaces latérales des deux contrepoids centraux (341 et 351), et sur les surfaces cylindriques des quatre contrepoids (311, 341, 351, 381) du vilebrequins (V), lors de l'opération de détourage prédéfinissant les surfaces de références. 6. Procédé d'usinage d'un vilebrequin (V) selon les revendications 1 à 5 prises ensemble, CARACTERISE EN CE QU'il consiste à placer le vilebrequin (V) dans un dispositif de mesure dynamique, après l'opération d'usinage des surfaces de références et à assurer la rotation du vilebrequin (V) par entraînement par adhérence sur les susdites surfaces cylindriques (410 et 510) usinées. 7. Procédé d'usinage d'un vilebrequin (V) selon les revendications 1 à 6 prises ensemble, CARACTERISE EN CE QUE les susdites surfaces usinées cylindriques (410 et 510) de référence situées à chaque extrémité (400 et 500) du vilebrequin (V) sont placées en contact sur deux roues d'entraînement dont les axes de rotation sont parallèles de sorte que lors du mouvement de rotation desdites roues, le vilebrequin (V) soit entraîné en rotation par adhérence à des fins de mesure dynamique des masses. 8. Procédé d'usinage d'un vilebrequin (V) selon les revendications 1 à 7 prises ensemble, CARACTERISE EN CE QUE des points de centrage (421 et 531) utilisés pour la mise en place du vilebrequin (V) sur chaque poste de la chaîne d'usinage sont percés sur les surfaces planes de référence (420 et 530) des deux extrémités pré-usinées (400 et 500) du vilebrequin (V), afin de situer la zone de balourd dans les contrepoids. 9. Procédé d'usinage d'un vilebrequin (V) selon les revendications 3, 4 et 5, CARACTERISE EN CE QUE le serrage (Flèche S) du vilebrequin (V) est réalisé co"centriquement sur ce dernier lors de l'opération de détourage.