Brevet FR2797314A1 — publié le 20010209

- 1 - PROCÉDÉ D'USINAGE D'UN VILEBREQUIN À DISPOSITION ORIGINALE DE l'OPÉRATION D'ÉQUILIBRAGE ET DISPOSITIF PERMETTANT DE LE METTRE EN OEUVRE DOMAINE D'APPLICATION DE L'INVENTION La présente invention a trait au domaine de l'usinage et notamment aux adaptations permettant d'assurer l'usinage complet d'un vilebrequin dans les meilleures conditions possibles. DESCRIPTION DE L'ART ANTÉRIEUR Les vilebrequins sont des pièces mécaniques se présentant sous la forme d'arbres qui assurent la transformation du mouvement rectiligne alternatif de l'ensemble piston-bielle d'un moteur thermique en mouvement rotatif. Ces pièces sont réalisées classiquement par forgeage ou moulage avant d'être usinées précisément. 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 entrainer les quatre bielles et quatre contrepoids 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. Classiquement, le début de la chaîne de fabrication par enlèvement de matière d'un vilebrequin comprend les opérations suivantes: - définition des points de départ, - usinage des extrémités, - usinage des paliers, usinage des manetons, et - réalisation des trous d'huile, viennent ensuite diverses opérations dites de finition et l'équilibrage final par mesure dynamique et éventuel débalourdage par enlèvement de matière. DESCRIPTION DE L'INVENTION Des améliorations dans la détermination des points de -- 2 -- départ par centrage du vilebrequin telles celles décrites dans le brevet français nO 2761129 ont conduit la demanderesse à étudier et mettre en oeuvre une succession différente d'opérations dans le procédé d'usinage classique d'un vilebrequin. En effet, les opérations d'usinage coûtant cher, il est primordial de limiter leur nombre et leur durée tout en respectant les contraintes géométriques et dynamiques définies par les constructeurs automobiles. Ces études ont abouti à la conception d'un procédé d'usinage nouveau permettant d'optimiser la fabrication des vilebrequins. Selon la caractéristique principale de l'invention, le procédé d'usinage de l'invention est remarquable en ce qu'il consiste à réaliser les opérations de mesure dynamique des masses et d'enlèvement de matière à des fins d'équilibrage avant les opérations de finition. Cette caractéristique est particulièrement judicieuse en ce qu'elle permet d'assurer l'équilibrage du vilebrequin avant les opérations o le balourd et l'enlèvement de matière n'évolueront pas beaucoup. En effet, les opérations dites de finition et de super finition, comme leur nom l'indique, n'enlèvent pas beaucoup de matière et n'influent donc pas de manière significative sur le balourd du vilebrequin. Dans tous les cas, l'enlèvement de matière sur de telles opérations est paramétrable. Cette disposition originale de l'opération d'équilibrage dans le procédé d'usinage d'un vilebrequin de l'invention a donc plusieurs avantages. D'une part, elle permet de supprimer l'opération de débalourdage par perçage des vilebrequins à la fin de leur chaîne de réalisation par enlèvement de matière et d'autre part, elle assure une mesure dynamique des masses lors d'une opération se trouvant particulièrement près de l'opération de définition des points de départ ce qui assure une -- 3 -- correction plus aisée et plus rapide si ladite définition des points de départ définissait des surfaces de références demandant trop d'enlèvement de matière dans les opérations suivantes. L'opération et le dispositif de mesure dynamique des masses ne sont pas nouveaux mais l'exécution de cette opération à ce moment là de la chaîne de réalisation par enlèvement de matière d'un vilebrequin est particulièrement nouvelle et inventive. Ce changement de concept dans la réalisation d'un vilebrequin n'a pu être accompli que grâce aux progrès récents réalisés dans la bonne définition des points de départ sur les vilebrequins à usiner. En effet, les procédés de l'art antérieur avaient pour concept de ne réaliser la mesure et l'équilibrage d'un vilebrequin que lorsque ce dernier était passé par toutes les phases d'enlèvement de matière que ce soit d'usinage de semi-finition ou de finition. Ainsi, l'ensemble de la chaîne d'usinage pouvait assurer la réalisation d'un mauvais usinage sur un vilebrequin du fait, par exemple, de points de départ mal définis sans pouvoir détecter ce mauvais vilebrequin avant la fin de chaine de fabrication c'est à dire lors de l'opération d'équilibrage final. Aussi, le procédé de l'invention obvie non seulement à cet inconvénient de la détection tardive d'un mauvais vilebrequin mais permet également de le corriger. 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, un mode de réalisation d'un procédé d'usinage d'un vilebrequin à disposition originale de l'opération d'équilibrage conforme à l'invention. Pour mieux illustrer la description qui suit, un exemple non limitatif de chaîne d'usinage de vilebrequin est décrit ci-dessous. Opération 1: réalisation des points de départ par centrage géométrique et ou dynamique. Opération 2: réalisation des extrémités du vilebrequin pour tournage et/ou par tournage arasage. Opération 3: Réalisation des paliers par tournage, arasage, tournage- arasage et/ou fraisage tournage. Opération 4: Réalisation des manetons par tournage, arasage, tournage- arasage et/ou fraisage-tournage. Opération 5: Réalisation des trous d'huiles par perçage et/ou par forage. Opération 6: Lavage. Opération 7: Traitement thermique revenu. Opération 8: Galetage. Opération 9: Finition des paliers. Opération 10: Finition des manetons. Opération 11: Finition des fixations des extrémités par perçage, taraudage, alésage fraisage. Opération 12: Réalisation des paliers et de la butée par tournage. Opération 13: Finition du plateau du vilebrequin. Opération 14: Finition de la queue du vilebrequin. -- 5 -- Opération 15: Réalisation de l'équilibrage dynamique par débalourdage et par perçage. Opération 16: Phase dite de superfinition. Opération 17: Montage des accessoires par assemblage à chaud. Opération 18: Lavage. Opération 19: Contrôle final. Au vu d'une telle succession d'opérations, il peut être défini plusieurs ensembles d'opérations: - un premier ensemble dit d'opérations d'usinage à grand enlèvement de matière constitué par les opérations 2 à 5, - un deuxième ensemble dit d'opérations de finition constitué par les opérations 9 à 14. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse, le procédé de l'invention est remarquable en ce qu'il consiste à intercaler entre les opérations d'usinage des extrémités, paliers et manetons du vilebrequin et celle de réalisation des trous d'huile dans le vilebrequin, une opération de mesure dynamique des masses du vilebrequin usiné. La réalisation d'une mesure dynamique à ce stade de la chaîne d'usinage du vilebrequin est particulièrement avantageuse en ce qu'elle se situe entre la dernière opération d'enlèvement conséquent de matière c'est à dire la réalisation des trous d'huile et l'avant dernière opération c'est à dire celle de la réalisation des manetons. En effet, suite à l'opération de réalisation des trous d'huile viennent les opérations de lavage, de traitement thermique et de galetage, puis celles de finition pendant lesquelles l'enlèvement de matière est minime ou du moins paramétrable. Selon une caractéristique particulièrement -- 6 -- judicieuse de l'invention imaginée par la demanderesse, le procédé d'usinage de l'invention consiste à réaliser l'opération d'enlèvement de matière à des fins d'équilibrage lors de l'opération de réalisation des trous d'huile sur le vilebrequin. Ainsi, non seulement le procédé de l'invention obvie aux inconvénients des procédés de l'art antérieur mais évite la mise en oeuvre d'une machine-outil supplémentaire pour la réalisation du débalourdage. En conséquence, ce n'est pas une machine telle celle prévue pour l'opération 15 qui sera intercalée entre le dispositif de mesure dynamique des masses et la réalisation des trous d'huile mais bien une seule et même machine qui réalisera l'enlèvement de matière pour la réalisation des trous d'huile et les trous de débalourdage. En outre, selon un mode de réalisation particulièrement judicieux, le procédé d'usinage de l'invention est remarquable en ce qu'une fois l'opération d'enlèvement de matière à des fins d'équilibrage réalisée sur le vilebrequin, ce dernier est soumis à une opération de mesure dynamique des masses. Ainsi, la demanderesse prévoit une mesure dynamique des masses après enlèvement de matière à des fins d'usinage et perçage des trous d'huile. Cette phase permet de vérifier la qualité de l'équilibrage réalisé. De plus, étant donnée la proximité dans l'enchaînement des opérations du procédé de l'invention, d'une autre opération de mesure dynamique des masses à savoir celle prévue après les opérations d'usinage des paliers, manetons et extrémités du vilebrequin, le dispositif permettant de mettre en oeuvre une telle mesure pourra être exploité pour la mesure dynamique des masses aussi bien avant l'opération d'enlèvement de matière et perçage des trous d'huile, qu'après. De même, comme c'est le cas dans la chaine d'usinage proposée en exemple non limitatif, lorsque le procédé 7 2797314 - 7 - d'usinage est du type de celui o la définition des points de départ est réalisée par perçage des extrémités pré-usinées du vilebrequin et que lors dudit perçage le vilebrequin est positionné sur des appuis numérisés au niveau de ses surfaces pré-usinées, le procédé de l'invention est remarquable en ce qu'il consiste à mesurer dynamiquement le balourd du vilebrequin après les opérations d'usinage des paliers, manetons et extrémités et à transmettre les mesures de ce balourd d'une part au dispositif d'enlèvement de matière à des fins d'équilibrage dans l'éventualité o le vilebrequin mesuré peut être équilibré et d'autre part, au dispositif de tenue du vilebrequin lors du perçage des points de départ afin de corriger la localisation du centre géométrique de sorte que le balourd des vilebrequins suivants en sortie d'usinage puisse être équilibré. L'invention concerne également un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé d'usinage d'un vilebrequin remarquable en ce qu'il est constitué d'une part d'un dispositif de mesure dynamique du balourd du vilebrequin venant d'être usiné et d'autre part d'une machine-outil comportant la mobilité nécessaire pour la réalisation de perçages et de forages perpendiculairement ou non à l'axe de rotation du vilebrequin à des fins d'équilibrage. L'utilisation d'une machine-outil assurant à son outil la mobilité nécessaire pour la réalisation des trous d'huile et de débalourdage permet d'associer dans les meilleures conditions et au moyen d'une seule machine ces deux opérations. Selon un mode de réalisation préféré mais non limitatif, la machine-outil constituant le dispositif de l'invention est du type comprenant un coulant mobile sur trois axes et disposant d'un magasin d'outils. Une telle machine-outil d'usinage aura la capacité cinématique de réaliser les perçages et forages -- 8 -- nécessaires à la réalisation des trous d'huile et au débalourdage en disposant de plusieurs outils. Selon un choix technologique non limitatif de la demanderesse, le coulant de la machine-outil est mû sur ses trois axes au moyen de moteurs linéaires. Une telle motorisation assurera la réalisation rapide des usinages. La demanderesse a également pensé à utiliser pour cette opération un procédé de type connu sous le nom commercial "digital way" permettant d'informer la partie commande de la machine-outil du moment o l'outil touche la pièce à usiner permettant d'assurer très précisément une course d'usinage. Afin de mettre en oeuvre la caractéristique du procédé consistant à réaliser une opération de mesure dynamique des masses après réalisation de l'opération d'enlèvement de matière à des fins d'équilibrage et de perçage des trous d'huile, le dispositif de l'invention comporte avantageusement un module de transfert assurant les déplacements successifs des vilebrequins entre le dispositif de mesure dynamique du balourd du vilebrequin et ladite machine-outil. Ce module de transfert assurera en conséquence, les éventuels allers et retours nécessaires au bon équilibrage du vilebrequin avant les opérations suivant celles du perçage des trous d'huile. Ce module de transfert a pour autre avantage de ne pas attendre une éventuelle mesure ou vérification d'équilibre du vilebrequin en fin de chaîne pour s'apercevoir que le vilebrequin comporte un balourd trop important. De plus, ce module de transfert du type de celui assurant la prise de la pièce dans le dispositif de mesure et la pose de cette dernière dans le montage d'usinage de la machine-outil et vice-versa, peut avoir pour fonction de réaliser la liaison ponctuelle entre une chaine d'usinage de vilebrequins et une machine-outil du type de celle décrite plus haut qui peut être intégrée à une autre chaîne de fabrication. Cette fonction de lien entre deux chaînes d'usinage est particulièrement adéquate lors de la réalisation de petite série de vilebrequins. Aussi, non seulement, le procédé d'usinage du vilebrequin et le dispositif permettant de le mettre en oeuvre ont pour avantage d'exploiter une seule machine-outil pour la réalisation dès l'enlèvement de matière à des fins d'équilibrage et pour le perçage des trous d'huile mais elle offre aussi la possibilité d'exploiter une machine- outil située en dehors de la chaîne d'usinage du vilebrequin ou du moins non exclusivement dédiée à cette chaîne d'usinage. On comprend que le procédé d'usinage d'un vilebrequin et le dispositif permettant de le mettre en oeuvre, qui viennent d'être ci-dessus décrits, l'ont été en vue d'une divulgation plutôt que d'une limitation. Bien entendu, divers aménagements, modifications et améliorations pourront être apportés à l'exemple ci-dessus, sans pour autant sortir du cadre de l'invention pris dans ses aspects et dans son esprit les plus larges. Ainsi, par exemple, pour contrôler la qualité de l'équilibrage, il peut être envisagé dans certains cas, une opération de mesure dynamique des masses en fin de chaîne d'usinage et non une opération d'équilibrage par mesure et enlèvement de matière comme dans les chaînes d'usinage de vilebrequins classiques. De même, sans sortir du cadre de l'invention, il est envisagé que le dispositif de mesure dynamique des masses puisse être exploité comme montage d'usinage adapté à la machine-outil réalisant l'enlèvement de matière à des fins d'équilibrage et de perçage des trous d'huile. - 10 - REVENDICATIONS 1. Procédé d'usinage de vilebrequin du type de celui comportant les opérations principales suivantes: - détermination des points de départ, usinage des extrémités, paliers et manetons, - réalisation des trous d'huile, - finition des extrémités, paliers et manetons, - mesure dynamique et éventuel enlèvement de matière à des fins d'équilibrage, CARACTÉRISÉ EN CE QU'il consiste à réaliser les opérations de mesure dynamique des masses et d'enlèvement de matière à des fins d'équilibrage, avant les opérations de finition. 2. Procédé d'usinage selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ EN CE QU'il consiste à intercaler entre les opérations d'usinage des extrémités, paliers et manetons du vilebrequin et celle de réalisation des trous d'huile dans le vilebrequin, une opération de mesure dynamique des masses du vilebrequin usiné. 3. Procédé d'usinage selon les revendications 1 et 2, CARACTÉRISÉ EN CE QU'il consiste à réaliser l'opération d'enlèvement de matière à des fins d'équilibrage lors de l'opération de réalisation des trous d'huile sur le vilebrequin. 4. Procédé d'usinage selon la revendication 2 du type de celui o la définition des points de départ est réalisée par perçage des extrémités pré-usinées du vilebrequin et que lors dudit perçage, le vilebrequin est positionné sur des appuis numérisés au niveau de ses surfaces pré-usinées, CARACTERISÉ EN CE QU'il consiste à mesurer dynamiquement le balourd du vilebrequin après les opérations d'usinage des paliers, manetons et extrémités et à transmettre les mesures de ce balourd d'une part au dispositif d'enlèvement de matière à des fins d'équilibrage dans l'éventualité o le vilebrequin mesuré peut être équilibré et au dispositif de tenue du vilebrequin lors du perçage des points de départ afin de - 1- corriger la localisation du centre géométrique de sorte que le balourd des vilebrequins suivants en sortie d'usinage puisse être équilibré. 5. Procédé d'usinage selon la revendication 3, CARACTÉRISÉ EN CE QU'une fois l'opération d'enlèvement de matière à des fins d'équilibrage réalisée sur le vilebrequin, ce dernier est soumis à une opération de mesure dynamique des masses. 6. Dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé d'usinage d'un vilebrequin selon les revendications 1 à 3 prises ensemble, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QU'il est constitué d'une part d'un dispositif de mesure dynamique du balourd du vilebrequin venant d'être usiné et d'autre part d'une machine-outil comportant la mobilité nécessaire pour la réalisation de perçages et de forages perpendiculairement ou non à l'axe de rotation du vilebrequin à des fins d'équilibrage. 7. Dispositif selon la revendication 6, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE la machine-outil constituant ledit dispositif est du type comprenant un coulant mobile sur trois axes et disposant d'un magasin d'outils. 8. Dispositif selon la revendication 7, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE le coulant de la machine-outil est mû sur ses trois axes au moyen de moteurs linéaires. 9. Dispositif selon la revendication 6, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QU'il comporte un module de transfert assurant les déplacements successifs des vilebrequins entre le dispositif de mesure dynamique du balourd du vilebrequin et ladite machine-outil.