Brevet FR2776219A1 — publié le 19990924

ARBRE METALLIQUE DESTINE A RECEVOIR UNE PIECE SURMOULEE OU RAPPORTEE ET ENSEMBLE AINSI OBTENU La présente invention se rapporte à un arbre métallique, par exemple un arbre cylindrique, cet arbre présentant une portion élargie en diamètre qui forme une collerette destinée à recevoir, typiquement par un procédé d'injection, une pièce surmoulée, par exemple une roue en matière plastique qui peut constituer, avec cet arbre métallique, un des éléments d'une chaîne cinématique. Elle se rapporte aussi à un tel ensemble, obtenu après avoir surmoulé ou rapporte o cette pièce sur cet arbre. Il est bien connu que le moyen le plus simple pour réaliser l'ancrage d'une matière injectée, autour d'un axe cylindrique, est de créer des zones d'ancrage, par taillage ou par fraisage, réparties sur la périphérie de l'axe à surmouler. Les formes et dimensions des entailles ou autres zones d'ancrage dépendent de la valeur du couple à transmettre et sont fonction de l'application. L'inconvénient de ce moyen connu est sa limitation en possibilité de résistance de l'ancrage en cas de sollicitation très importante de la roue et de l'arbre, la liaison arbre/roue à l'endroit de l'ancrage risquant alors de se briser. Après avoir exploré toutes les formes possibles, il apparaît que le seul moyen de réaliser un ancrage résistant à des sollicitations très importantes réside dans l'augmentation du diamètre de la zone d'ancrage, et ceci de façon importante. Plusieurs solutions viennent alors naturellement à l'esprit Une première solution qui consisterait à augmenter le diamètre de l'arbre sur toute sa longueur. Ceci n'est généralement pas acceptable car le dispositif entraîné par l'arbre n'est pas susceptible d'accepter cette augmentation de diamètre. En outre, une telle solution, si elle était acceptable, pénaliserait nécessairement le coût global de l'installation. ò Une deuxième solution qui consisterait à réaliser, par décolletage, un arbre d'une seule pièce et muni d'une collerette de bien plus grand diamètre dans la zone d'ancrage du pignon à surmouler. Ceci est difficilement concevable pour une production industrielle de série, d'une part parce que le décolletage doit être réalisé sur une grande quantité de matière, et d'autre part parce que la rectification finale ne peut alors pas être réalisée en continu, par exemple par le procédé de rectification dit , c'est-à-dire de part et d'autre de la partie de plus grand diamètre. * Une troisième solution qui consisterait à rapporter, par exemple par chassage à force, une bague annulaire sur une partie de l'arbre située au droit du pignon plastique à surmouler. Pour ceci, cette partie de l'arbre devrait alors avoir un diamètre très légèrement supérieur à celui de l'arbre lui-même, et être moletée à cet endroit, ceci afin d'immobiliser la bague sur l'arbre par interférence, sur le moletage, du diamètre intérieur de la bague d'une part, et du diamètre de l'arbre d'autre part. Là encore, la rectification ne pourrait pas être faite en continu, en raison de la présence de la zone moletée de légèrement plus grand diamètre. Il ne serait pas possible non plus de réaliser, par des moyens conventionnels compatibles avec une production en série, cette zone moletée après l'opération de rectification, car les arbres subissent, avant rectification, une opération de trempe qui les durcit notablement. Afin de remédier à tous ces inconvénients, il a déjà été proposé, selon le document FR-A-2.747.602, un procédé de réalisation d'un arbre métallique à collerette de réception d'une pièce surmoulée, ce procédé consistant: à réaliser sur l'ébauche de l'arbre, avant rectification et à l'endroit o va être réalisée ladite portion élargie en diamètre, une zone d'ancrage, de diamètre égal ou très légèrement inférieur à celui de cet arbre, à réaliser, après une trempe éventuelle si cet arbre est en acier, l'opération de rectification de l'arbre, qui peut alors avantageusement être effectuée en continu, * à utiliser un insert métallique annulaire, réalisé par exemple par décolletage et comprenant, d'un seul bloc mais reliés par seulement un mince filet métallique, un ensemble de deux bagues annulaires, une grande et une petite, coaxiales et adjacentes, dont: * dans grossièrement un premier plan qui sera celui o l'on va réaliser ladite portion d'arbre élargie en diamètre: une première bague de diamètre extérieur égal à celui de cette portion élargie et de diamètre intérieur égal au diamètre extérieur de la deuxième bague, diminué de la très petite épaisseur radiale dudit mince filet métallique de liaison des deux bagues, le pourtour extérieur de cette grande bague étant profilé pour constituer une zone d'ancrage pour le matériau à surmouler, et * dans grossièrement un second plan qui est décalé axialement par rapport audit premier plan et qui est adjacent à ce dernier: la deuxième bague, de diamètre extérieur ci-dessus défini et de diamètre intérieur égal, au jeu près destiné à permettre le coulissement, à celui de l'arbre rectifié, cette deuxième bague étant en outre fendue longitudinalement, en au moins un endroit, sur la quasi totalité de son épaisseur axiale, * à enfiler alors cette double bague, ou insert, sur cet arbre rectifié, jusqu'à amener la plus grande bague à l'endroit, ou zone d'ancrage, o doit être positionnée la portion élargie en diamètre, et, tout en maintenant cette grande bague dans cette position relative sur l'arbre, à forcer axialement, à l'aide d'une presse, la plus petite bague en direction de cette grande bague, afin de briser ledit mince filet de liaison et faire pénétrer à force cette petite bague dans la grande bague en entraînant, par une réduction du diamètre intérieur de cette petite bague favorisée par la présence de sa ou ses fentes axiales, un très fort serrage de cette petite bague, et donc de l'ensemble de ces deux bagues devenues alors grossièrement coplanaires, sur la partie, précédemment très légèrement rétrécie en diamètre, de cet arbre rectifié. Cette solution, si elle induit un moindre coût du fait que l'on peut rectifier l'axe en enfilade, a cependant l'inconvénient de nécessiter la gestion de l'ancrage entre l'insert métallique de plus grand diamètre et l'axe métallique proprement dit: les problèmes relatifs à l'ancrage de la partie thermoplastique surmoulée sur l'arbre métallique sont alors transférés sur la jonction entre l'insert métallique et l'axe, également métallique, ce qui ne facilite nullement les choses. En outre, on perd un avantage important associé au procédé le plus classique qui consiste à prévoir des profils d'ancrage directement sur l'arbre. En cas d'efforts alternés importants s'exerçant sur les dents de la roue thermoplastique surmoulée, ces efforts sont partiellement absorbés par l'élasticité de la liaison entre la roue thermoplastique et l'arbre métallique à l'endroit o se trouvent les profils d'ancrage: tant que l'on ne dépasse pas la limite d'élasticité du matériau thermoplastique, celui ci se déforme sous la contrainte, et absorbe ainsi sans dommage les pics de couple. Tel n'est pas le cas avec un ensemble selon le document FR-A-2.747.602 précité, car l'ancrage du thermoplastique sur la collerette ou insert de plus grand diamètre ne présente pratiquement pas d'élasticité, et il en est de même de l'ancrage métal/métal de cette collerette ou insert sur l'arbre métallique proprement dit. L'invention vise à remédier à tous ces inconvénients. Elle se rapporte à cet effet à un arbre métallique destiné à recevoir une pièce surmoulée ou rapportée et comportant une collerette de réception et d'ancrage de cette pièce surmoulée ou rapportée, caractérisé: en ce que cet arbre et cette collerette d'ancrage sont réalisés d'un seul bloc par un processus de frappe à froid, et en ce que cette collerette présente des profils d'ancrage sur au moins une de ses grandes faces. Avantageusement, ces profils d'ancrage sont des crevés ou emboutis dont la section, prise perpendiculairement à leur axe radial, est en forme de cuvette à bords évasés, ou éventuellement droits. L'invention sera bien comprise, et ses avantages et autres caractéristiques ressortiront mieux, lors de la description suivante d'un exemple préférentiel de réalisation, en référence au dessin schématique annexé dans lequel: a Figure 1 montre la constitution générale, en vue de dessus, de la machine de réalisation, par frappe à froid, de l'arbre métallique de l'invention. a Figure 2 montre le lopin métallique brut, obtenu en entrée de la machine, après cisaillage de celui-ci. Figures 3 à 8 schématisent les phases successives de fabrication, par frappe à froid, de l'arbre de l'invention. À Figure 9 est une vue en perspective de la matrice qui équipe le denier outil de frappe à froid selon Figure 8, ainsi que de l'arbre de l'invention finalement obtenu. À Figure 10 est une vue de détail, grossièrement en coupe et déroulée à plat, montrant la coopération des zones d'ancrage selon l'invention et de la matière plastique ensuite surmoulée dans ces zones en particulier. À Figure 11 est une vue, en perspective avec coupe partielle, du pignon obtenu après surmoulage de la matière thermoplastique sur l'arbre de la figure 9. À Figure 12 est une vue de détail agrandie du pignon de la figure 1 1. 25. Figure 13 est une vue déroulée de détail, en coupe selon XIII-XIII de Figure 12, du moule de surmoulage, avec la matière thermoplastique qui y est injectée. À Figure 14 est une coupe longitudinale partielle d'une variante de réalisation pour laquelle la roue dentée n'est pas surmoulée sur l'arbre de l'invention, mais rapportée sur celui ci. En se référant à la figure 1, la machine de frappe à froid est une presse horizontale classiquement composée d'un bloc porte matrices 13 qui est fixe en position, et d'un coulisseau porte poinçons 14 qui est mobile horizontalement dans les deux directions indiquées. Le bloc fixe 13 porte six matrices 7 à 12, qui sont chacune associées à un éjecteur (respectivement 15 à 20) qui permet d'évacuer le lopin de la matrice après chaque coup de poinçon. Le transfert du lopin d'une matrice à l'autre est assuré par un classique système de pinces (non représentées) qui le saisissent à la sortie de chaque matrice et l'emmènent par translation devant la matrice suivante. Ces matrices seront détaillées ci- après en référence aux figures 3 à 8. Le coulisseau 14 porte six poinçons 1 à 6, qui sont les conjugués respectifs des matrices 7 à 12, et que l'on verra également plus en détails sur les figures 3 à 8. Il est entraîné par une bielle (non représentée) qui lui confère son mouvement de déplacement horizontal d'arrière en avant, et vice versa. En position "point mort avant ", les poinçons se trouvent à quelques dixièmes de millimètre de la face avant de leur matrice conjuguée, ce qui permet de réaliser le travail de déformation souhaité sur le lopin. En position " point mort arrière ", ces poinçons sont suffisamment dégagés de la face avant de ces matrices pour permettre l'éjection du lopin et son transfert par les pinces vers chaque matrice suivante. La machine est en outre équipée d'un dispositif 21 d'alimentation en matière première et de cisaillage par translation de l'extrémité aval de celle-ci, ce qui permet de sectionner une longueur de barre métallique, ou lopin, d'une longueur suffisante pour réaliser l'arbre de l'invention. Les différentes phases de réalisation de l'arbre de l'invention seront maintenant explicitées en référence aux figures 2 à 8. La première phase consiste, à l'aide donc du dispositif d'alimentation et de cisaillage 21, à découper le lopin métallique brut 22, représenté en Figure 2, qui sera traité par la machine pour aboutir à l'arbre de l'invention (Figure 10) en fin de chaîne. Lors du retour arrière du coulisseau 14, les pinces amènent ce lopin brut 22 devant la première matrice 7, et il subit (Figure 3), sous l'action de frappe conjuguée du poinçon 1 et de cette matrice 7 lorsque le coulisseau est déplacé jusqu'à sa position avant extrême, une action de mise en forme et calibrage de ses deux extrémités afin de minimiser les défauts de surface liés au cisaillage. Le coulisseau recule ensuite, ce qui permet à l'éjecteur 15 d'extraire le lopin 22 de la matrice 7, de sorte que les pinces peuvent s'en saisir et le transférer vers la matrice suivante 8. Selon Figure 4, la frappe a alors pour effet de réduire la section d'une des extrémités 220 du lopin 22 par une opération de filage ayant pour objet de préparer la partie de l'arbre qui recevra, par roulage effectué ultérieurement, un filetage. Le lopin est ensuite, comme précédemment, éjecté par l'extracteur 16 et amené par les pinces devant le poste de frappe suivant 9,3. Selon Figure 5, l'opération suivante consiste à ébaucher partiellement la collerette: le volume à refouler étant important, plusieurs opérations de frappe sont nécessaires à l'obtention de cette collerette. Il est à noter que, pour cette opération, le volume 221 de matière destiné à la collerette finale est contenu dans le poinçon 3. L'opération suivante, Figure 6, consiste, par action conjuguée de la matrice 10 et du poinçon 4, à terminer le cône 222 de transition entre l'extrémité 220 et le corps du lopin 22 (ce cône 222 étant destiné à recevoir un moletage), et à refouler une seconde fois le volume 221 destiné à former la collerette, afin de l'amener au plus près des cotes de la pièce terminée. L'opération suivante, Figure 7, consiste, par action conjuguée de la matrice 11 et du poinçon 5, à réaliser le moletage précité 23 sur le cône 222 et à réaliser la finition de la collerette 24 pour ce qui est de son épaisseur et de son diamètre extérieur. La dernière opération de presse, Figure 8, consiste, par action conjuguée de la matrice 12 et du poinçon 6, dont les formes bien spéciales sont clairement visibles en perspective sur les figures 8 et 9, à réaliser, par emboutissage à froid, la collerette d'ancrage définitive 24 qui est bien visible sur la perspective du produit fini 29 représenté Figure 9, et qui est, conformément à l'invention, munie de profils d'ancrage 25 qui sont situés sur ses deux grandes faces 26 et 27 au lieu d'être, selon l'art antérieur, situés sur sa tranche périphérique 28. A noter que le filetage 30 qui est représenté sur l'extrémité 220 du produit fini 29 n'est bien entendu pas réalisé par frappe à froid, mais par une opération de roulage ultérieure. Le poinçon 6 a la même forme que la matrice 12 selon Figure 9. Il est simplement décalé d'un angle de rotation axiale, égal au pas des profils 1 5 d'ancrage successifs 25, par rapport à cette matrice 12. Le pignon thermoplastique proprement dit 31, ou roue dentée 31 (figure 11) est ensuite classiquement surmoulé sur l'arbre 29 de l'invention. Les profils d'ancrage 25 sont ainsi prévus, de manière identique mais alternée d'une face à l'autre dans cet exemple de réalisation, sur les deux grandes faces 26 et 27 de la collerette 24. L'effet bénéfique de cette disposition sera expliqué en faisant également référence à la figure 10. On voit clairement sur les figures 8 à 11 que les profils d'ancrage 25 ont une forme, vue selon Figure 10 en section prise perpendiculairement à leur axe radial, de cuvette à fond plat 32 et à bords 33 et 34 évasés. Les angles cc et [ que forment ces bords inclinés 33,34 avec le fond plat 32 de chaque profil 25 sont ici identiques, mais ils pourraient être différents dans une autre forme de réalisation qui différentierait les deux sens de rotation possibles de l'ensemble arbre/pignon 29/31. En cas de blocage accidentel de l'arbre 29, alors que la roue dentée thermoplastique 31 est engrenée sur une chaîne cinématique et entraînée positivement par cette dernière, par exemple dans le sens de la flèche F, le caractère incliné des bords 33,34 permet à la matière thermoplastique, qui présente une certaine élasticité, de se déformer en " montant " sur les bords inclinés tels que le bord 33 des profils d'ancrage 25. Tout l'effort de blocage est alors reporté au niveau de ces profils 25, au lieu d'être maintenu sur les dents 35 (figure 11) de la roue, et l'on profite alors d'une certaine élasticité due au caractère incliné a des bords 33 situés dans le sens de la rotation. Bien entendu, si la roue 31 est entraînée dans le sens opposé à la flèche F, ce sont alors les autres bords 34 qui contribuent à ce rôle d'amortissement élastique, et c'est l'angle f3 qui est alors déterminant pour cet effet d'amortissement: si ces deux angles ac et 3 sont différents, l'amortissement conforme à l'invention diffère selon le sens de rotation de le roue 31. La figure 11 représente l'ensemble arbre/pignon 29,31 finalement i obtenu après surmoulage de la roue 31 en matière thermoplastique sur l'arbre de l'invention 29. Cette figure, en association avec les figures 12 et 13, permet d'expliciter une autre caractéristique particulière de l'invention, limitée au cas présentement décrit o cette roue dentée 31 est rapportée par surmoulage d'une matière thermoplastique. On sait que la matière thermoplastique est, d'un manière très générale pour une opération de surmoulage par injection dans un moule, soumise à un effet de retrait après son démoulage. Ce retrait est peu important, et n'est pas néfaste dans la plupart des applications. Néanmoins, il existe quand même et, dans le cas présent, il peut annuler le bénéfique effet d'amortissement procuré par l'invention. En effet ce retrait, qui agit entre autres dans le sens radial, va entraîner un ferme blocage radial de la roue 31 contre la tranche 28 de la couronne métallique d'ancrage 24. Plus rien ne pourra alors bouger au niveau de la couronne 24 en cas de blocage de l'arbre 29, de sorte que l'effet d'amortissement selon la figure 10 ne pourra pas se mettre en oeuvre. Pour éviter ceci, l'invention prévoit de munir les deux parties (fond et couvercle) du moule d'injection de formes alternées 36,37 (figure 13) qui sont faites pour créer, selon Figures 1 1 et 12, au moins un espace pratiquement vide 38 correspondant à une absence pratiquement totale de matière thermoplastique au dessus (vu dans le sens radial et en direction de l'extérieur de la roue 31) de la tranche 28 de la collerette 24, à l'exception de quelques petits doigts thermoplastiques radiaux 39 qui viennent chacun s'appuyer sur la tranche 28, préférentiellement au milieu du fond plat de chaque profil 25. Comme il va de soi, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit. C'est ainsi que, selon la figure 14, la roue dentée 31 n'est pas obligatoirement une roue qui est surmoulée sur l'arbre 29 de l'invention. Dans cette variante, cette roue 31 comporte des formes complémentaires aux profils d'ancrage 25 précités, et elle est pressée énergiquement et en direction axiale, par l'intermédiaire de ces formes complémentaires conjuguées, sur ces profils 25. Pour ceci, cette roue dentée est munie d'un orifice central 40 juste assez grand pour permettre de l'enfiler sur l'arbre 29. Une rondelle/ressort élastique 41, maintenue en position par un collier 42, assure une pression élastique suffisante de ces profils complémentaires contre les profils d'ancrage 25. En cas de blocage accidentel de l'arbre 29, les angles ca ou [3 (selon le sens de rotation) précédemment définis permettent, en fonction de la pression élastique de la rondelle/ressort 41, aux profils complémentaires de la roue 31 de " monter " sur les profils 25 de l'arbre 29, et même à l'extrême de passer totalement ces profils jusqu'à venir chacun s'enclencher dans le profil 25 suivant, et ainsi de suite avec un effet de crécelle. C'est ainsi également selon des formes de réalisation ne présentant pas nécessairement tous les avantages exposés ci-dessus, les angles ca et/ou 1 précités pourraient être des angles droits au lieu d'être des angles obtus. iIl Dans le même ordre d'idées, l'arbre monobloc 29 pourrait être obtenu par une autre technique que la frappe à froid, par exemple par décolletage et/ou usinage, et même ne pas être monobloc. Dans une autre variante, les profils d'ancrage 25 pourraient n'être prévus que sur l'une des deux grandes faces de la couronne 24. Dans un même ordre d'idées, ils pourraient être combinés avec d'autres profils qui seraient prévus sur la tranche 28 de cette couronne 24. A noter que le procédé ci dessus décrit et illustré par les figures 1 à 8, pour l'obtention de l'arbre de l'invention par frappe à froid, peur évoluer en fonction de la géométrie de l'arbre. Le nombre de poinçons, et de matrices associées, peut être diminué ou augmenté en fonction des besoins, pour des questions évidentes de prix de revient. REVENDICATIONS 1. Arbre métallique (29) destiné à recevoir une pièce (31) surmoulée ou rapportée et comportant une collerette (24) de réception et d'ancrage de cette pièce surmoulée ou rapportée, caractérisé: * en ce que cet arbre (29) et cette collerette d'ancrage (24) sont réalisés d'un seul bloc par un processus (1-23) de frappe à froid, À et en ce que cette collerette (24) présente des profils d'ancrage (25) sur au moins une de ses grandes faces (26,27). 2. Arbre métallique (29) destiné à recevoir une pièce (31) surmoulée ou rapportée et comportant une collerette (24) de réception et d'ancrage de cette pièce surmoulée ou rapportée, caractérisé en ce que cette collerette (24) présente des profils d'ancrage (25) sur au moins une de ses grandes faces (26,27). 3. Arbre métallique selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ces profils d'ancrage (25) sont des crevés ou emboutis dont la section, prise perpendiculairement à leur axe radial, est en forme de cuvette. 4. Arbre métallique selon la revendication 3, caractérisé en ce que cette cuvette est à bords (33,34) évasés. 5. Arbre métallique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les angles (cx et 13) entre le fond (32) et les bords (33,34) de cette cuvette sont identiques. 6. Arbre métallique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les angles (cx et 13) entre le fond (32) et les bords (33,34) de cette cuvette sont différents. 7. Arbre métallique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il ne présente des profils d'ancrage (25) que sur une seule de ses deux grandes faces. 8. Ensemble arbre/pignon obtenu à partir d'un arbre métallique (29) selon l'une des revendications I à 7, caractérisé en ce que le pignon (31) est obtenu par surmoulage d'une matière thermoplastique sur cet arbre (29). 9. Ensemble selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un espace pratiquement vide (38) correspondant à une absence pratiquement totale de matière thermoplastique au dessus de la tranche (28) de la collerette d'ancrage (24), à l'exception de petits doigts thermoplastiques radiaux (39) qui viennent chacun s'appuyer sur cette tranche (28). 10. Ensemble arbre/pignon obtenu à partir d'un arbre métallique (29) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le pignon (31) est rapporté sur l'axe de l'arbre (29) par l'intermédiaire d'un organe d'appui axial élastique (41), et en ce que ce pignon (31) présente des formes d'appui contre ladite collerette (24) qui sont complémentaires/conjuguées desdits profils d'ancrage (25).