Brevet FR2810050A1 — publié le 20011214

La présente invention concerne un procédé de trempe d'une pièce ayant un trou, telle qu'un vilebrequin utilisé dans un moteur à combustion interne, afin que la pièce durcisse, un outil d'assistance utilisé pour la trempe d'une telle pièce, et un vilebrequin. Les moteurs à combustion interne utilisés dans les véhicules à moteur ont un vilebrequin qui est raccordé aux pistons par des bielles. Le vilebrequin comporte plusieurs manetons, plusieurs tourillons et plusieurs contrepoids. Les tourillons sont supportés par des joues respectives afin qu'ils puissent tourner, et les bielles sont couplées aux manetons afin qu'elles puissent tourner. Les tourillons et les manetons ont des trous de circulation d'huile délimités pour le passage d'une huile lubrifiante. Les trous de circulation d'huile forment un passage d'huile lubrifiante destiné à transmettre une partie de l'huile lubrifiante des paliers aux manetons et aux tourillons afin que les enve- loppes de coussinets placés dans les têtes de bielle soient lubrifiées. Les manetons et les tourillons sont cémentés par chauffage par induction à hautes fréquences afin que leur dureté de surface augmente. Un problème posé par un vilebrequin est que, à cause de la présence du passage d'huile lubrifiante, les manetons, qui ne sont pas alignés sur les tourillons, ont tendance à présenter une résistance réduite à la fatigue par torsion. Ce problème peut être résolu par durcissement par chauffage par induction à hautes fréquences des manetons et des tourillons et des régions entourant les trous de circulation d'huile avec des configurations différentes donnant une couche durcie plus profonde dans les régions entourant les trous de circulation d'huile. On connaît aussi une solution technique destinée à accroître la résistance à la fatigue d'un vilebrequin près des ouvertures du passage d'huile de lubrification par trempe par chauffage par induction à hautes fréquences à la surface du vilebrequin, comprenant les ouvertures du passage d'huile lubrifiante, puis par trempe par un faisceau laser ou par grenaillage des régions superficielles dans les ouvertures, au-dessous de la couche durcie qui a été pro- duite par durcissement par chauffage par induction à hautes fréquences (demande publiée et mise à l'inspection publique de brevet japonais n 914 252). La première solution, c'est-à-dire l'application d'un durcissement par chauffage par induction à hautes fréquences aux manetons et aux tourillons ainsi qu'aux régions entou- rant les trous de passage de d'huile, dans des conditions différentes, constitue un inconvénient en ce que le rende- ment de production est faible et l'enroulement de chauffage utilisé pour le durcissement par chauffage par induction à hautes fréquences a une durée de service très courte et a tendance à provoquer des déformations accrues dans le vile- brequin. La seconde solution, c'est-à-dire celle qui est décrite dans la demande publiée et mise à l'inspection publique de brevet japonais n 9-14 252, pose aussi des problèmes car, comme un dispositif de trempe par un faisceau laser est nécessaire en plus du dispositif de durcissement par chauf- fage par induction à hautes fréquences, les investissements de l'installation de production sont accrus et ils ont tendance à augmenter le coût de fabrication du vilebrequin et peuvent aussi réduire le rendement de production. L'invention a pour objet de façon générale un procéde de trempe d'une pièce ayant un trou, pour la production d'une couche durcie trempée à la surface externe de la pièce et la production simultanée d'une couche durcie trempée dans le trou, y compris à une ouverture de celui-ci. L'invention a donc pour objet essentiel la réalisation d'un outil d'assistance permettant une production facile d'une couche durcie par trempage dans un trou délimité dans une pièce. L'invention a aussi pour objet un vilebrequin ayant la couche durcie voulue produite par durcissement par chauffage par induction à hautes fréquences totalement ou partielle- ment dans un trou de passage d'huile délimité dans le vile- brequin, selon la durabilité que doit avoir le vilebrequin. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexes sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'un vilebrequin constituant une pièce à laquelle s'applique un procédé de trempe de pièce ayant un trou selon l'invention; la figure 2 est une coupe transversale partielle du vilebrequin, avec l'outil d'assistance de trempe inséré dans un trou de passage d'huile délimité dans un maneton du vilebrequin; la figure 3 est une coupe partielle représentant la couche durcie produite par durcissement par chauffage par induction à hautes fréquences dans le trou de passage d'huile du maneton; la figure 4 est une vue en élévation latérale et en coupe partielle d'un enroulement de chauffage par induction à hautes fréquences destiné à assurer le chauffage par induction du maneton; la figure 5 est une coupe longitudinale partielle d'un vilebrequin ayant un outil d'assistance de trempe dans une première variante, introduit dans un trou de passage d'huile formé dans un maneton de vilebrequin; la figure 6 est une coupe partielle représentant une couche durcie produite par chauffage par induction à hautes fréquences dans le trou de passage d'huile du maneton à l'aide de l'outil d'assistance représenté sur la figure 5; la figure 7 est une vue en perspective d'un organe de maintien de l'outil d'assistance représenté sur la figure 5; la figure 8 est une vue en perspective avec des parties arrachées suivant un plan diamétral de l'organe de maintien représenté sur la figure 7; la figure 9 est une coupe longitudinale partielle d'un vilebrequin, comprenant un outil d'assistance de trempe selon une seconde variante, introduit dans un trou de cir- culation d'huile d'un maneton du vilebrequin; la figure 10 est une coupe partielle d'une couche durcie formée par durcissement par chauffage par induction à hautes fréquences dans le trou de circulation d'huile du maneton, à l'aide de l'outil d'assistance représenté sur la figure 9; la figure 11 est une coupe longitudinale partielle d'un vilebrequin, représentant un outil d'assistance de trempe suivant une troisième variante, introduit dans le trou de circulation d'huile d'un maneton de vilebrequin; et la figure 12 est une coupe partielle d'une couche durcie produite par durcissement par chauffage par induction à hautes fréquences dans le trou de circulation d'huile du maneton, par utilisation de l'outil d'assistance représenté sur la figure 11. La figure 1 représente un vilebrequin 10 constituant une pièce à laquelle est appliqué un procédé de trempe de pièce ayant un trou selon l'invention. Comme l'indique la figure 1, le vilebrequin 10 est formé d'un matériau ayant une excellente aptitude à la trempe, tel qu'un acier à teneur élevée en carbone, un acier allié ou analogue, et est sous forme d'un produit forgé ayant plusieurs contrepoids 12 formés en une seule pièce avec lui. Le vilebrequin 10 a aussi plusieurs tourillons cylindriques 14 de diamètre relativement grand et espacés axialement, supportés par des coussinets respectifs afin qu'ils tournent, et plusieurs manetons cylindriques 16 de petit diamètre et espacés axialement, auxquels sont couplées de manière rotative des bielles, non représentées. Les tourillons 14 et les manetons 16 ont des trous 18 de circulation d'huile formant un passage de circulation d'huile, pratiquement perpendiculaire à l'axe du vilebrequin 10. Les trous 18 de circulation d'huile délimités dans les tourillons 14 et les trous 18 de circulation d'huile déli- mités dans les manetons 16 communiquent mutuellement par des passages de communication, non représentés. Le passage de circulation d'huile lubrifiante communique aussi avec des trous de circulation d'huile (non représentés) délimités dans les contrepoids 12. Dans le mode de réalisation considéré, chacun des trous 18 de circulation d'huile a un diamètre d'environ 5,0 mm et des ouvertures axialement opposées 20 (voir figure 2) délimitées par des bords chanfreinés. Les trous 18 d'huile sont formés par perçage ou analogue, avant traitement de la surface du vilebrequin par durcissement par chauffage par induction à hautes fréquences. Avant ce durcissement par chauffage par induction à hautes fréquences, un outil d'assistance 22 de trempe est chargé dans chacun des trous de circulation d'huile 18. Comme l'indique la figure 2, l'outil 22 d'assistance comprend un noyau 24 de ferrite qui a pratiquement la forme d'un cylindre qui peut être inséré dans le trou 18 et qui joue le r8le d'un noyau magnétique constitué d'un matériau magnétique réfractaire, des fils de cuivre 26, constitués d'un matériau bon conducteur de l'électricité, et qui constituent des organes de maintien placés aux extrémités axialement opposées du noyau de ferrite 24 afin que celui-ci soit maintenu dans le trou de circulation d'huile 18, et des organes céramiques 28 formés d'un matériau isolant et réfractaire et constituant des entretoises placées entre la surface circonférentielle externe du noyau de ferrite 24 et la surface de paroi interne du trou de circulation d'huile 18, et entre les extrémités axialement opposées du noyau 24 de ferrite et les fils 26 de cuivre. Dans le mode de réalisation consideré, le noyau de ferrite 24 a un diamètre d'environ 3,5 mm et une longueur d'environ 20 mm, et il est sous forme d'un cylindre usiné dans une ébauche pleine. Le noyau de ferrite 24 a certaines régions recouvertes d'organes céramiques 28 et est logé avec du jeu dans le trou 18 d'huile. Le noyau 24 de ferrite peut être remplacé par un matériau inductif, ayant une excellente conductibilité et une excellente perméabilité magnétique, par exemple une feuille d'acier au silicium ou analogue. Les organes céramiques 28 peuvent être formés d'un matériau isolant réfractaire, tel que des fibres d'alumine ou analogue, et ils peuvent avoir une épaisseur comprise entre environ 0,2 et 0,5 mm. Dans l'exemple considéré, les organes céramiques sont sous forme de minces plaques allongées ayant une épaisseur de 0,3 mm environ et appli- quées à la surface circonférentielle externe du noyau de ferrite 24, à certains intervalles, en des points dispersés irrégulièrement ou suivant des motifs formant une matrice ou des croix. Les organes de maintien sont formés d'un matériau conducteur de l'électricité, supportant le noyau de ferrite 24, et ils sont placés afin de pouvoir être facilement pous- sés vers l'intérieur du trou 18 et chassés de celui-ci. Dans l'exemple considéré, chacun des organes de maintien comporte un seul fil de cuivre 26 courbé et placé au contact d'une extrémité d'entrée du trou 18 afin que ce trou 18 puisse communiquer avec l'extérieur sans fermeture de ce trou 18. Après que l'outil d'assistance 22 a été chargé dans chacun des trous 18, un enroulement 30 de chauffage par induction à hautes fréquences, en forme de selle ou de demi- boucle représentée sur la figure 4, est utilisé pour le dur- cissement par chauffage par induction à hautes fréquences des manetons 16 ou des tourillons 14, lorsque le vilebrequin est entraîné en rotation dans le sens indiqué par la flèche A. L'enroulement 30 de chauffage par induction à hautes fréquences comporte un tube d'alimentation 32 qui peut être déplacé dans la direction indiquée par les flèches X et Y à l'aide d'un organe de manoeuvre, non représenté, un conduc- teur courbe de chauffage 34 qui peut se déplacer avec le tube 32 d'alimentation et qui peut être excité par une alimentation à hautes fréquences, non représentée, et des enveloppes 36 de fluide de refroidissement destinées à projeter un fluide de refroidissement pour la trempe de la surface durcie du vilebrequin 10. On décrit dans la suite un procédé de durcissement par chauffage par induction à hautes fréquences des manetons 16 du vilebrequin 10. Lorsque l'enroulement 30 de chauffage par induction à hautes fréquences est excité afin qu'il chauffe la surface circonférentielle externe de chacun des manetons 16 par chauffage par induction, le noyau de ferrite 24 chargé dans le trou 18 d'huile produit un champ magnétique qui augmente la température d'une région qui s'étend depuis le centre O du trou 18 d'huile vers les ouvertures opposées 20, par chauffage par induction. En conséquence, comme l'indique la figure 3, une couche 40 durcie par chauffage par induction à hautes fréquences, représentée par la région hachurée de la figure 3, est produite et possède des régions 38 de jupe qui s'écartent progressivement depuis le centre O du trou 18, vers les ouvertures opposées 20. Après que le maneton 16 a été chauffé par l'enroulement de chauffage par induction à hautes fréquences, un fluide de refroidissement est projeté par les enveloppes 36 vers la surface durcie et le trou 18 afin que le maneton 16 qui a le trou 18 soit trempé. Au voisinage des ouvertures 20 du trou 18 d'huile, une couche durcie par chauffage par induction à hautes fré- quences est partiellement produite avec une épaisseur comprise entre environ 8,0 et 10,0 mm, c'est-à-dire à peu près deux fois l'épaisseur ordinaire d'une telle couche durcie par chauffage par induction à hautes fréquences, du fait de la couche durcie 40 qui possède les régions de jupe 38 s'étendant depuis le centre du trou 18 vers les ouver- tures opposées 20. Cette couche 40 durcie par chauffage par induction à hautes fréquences est efficace pour accroître notablement la résistance mécanique du maneton 16 soumis à des forces. Comme représenté sur la figure 3, au voisinage du centre O du trou 18 d'huile, une couche non durcie 42, indi- quée par la région claire de la figure 3, est produite sans être durcie par chauffage par induction à hautes fréquences car aucun chauffage par induction ne se produit dans cette couche. On peut noter que la couche durcie 40 s'étale pro- gressivement depuis des emplacements distants du centre O vers les ouvertures 20. En conséquence, les manetons 16 prennent une résistance voulue à la fatigue par torsion sans que la ténacité soit affectée de manière nuisible. La même couche durcie 40 par chauffage par induction à hautes fréquences peut être produite dans chacun des tourillons 14, de la même manière que dans le cas des manetons 16. De préférence, le noyau réfractaire de ferrite 24 introduit dans le trou de circulation d'huile 18 n'est par retenu intimement dans ce trou 18, mais est logé avec du jeu. Les organes de maintien doivent avoir une forme telle qu'ils peuvent être facilement poussés à l'intérieur des ouvertures 20 du trou 18 et chassés de celui-ci, et afin qu'ils puissent être avantageusement recyclés pour être réutilisés. Il faut que les organes de maintien ne ferment pas totalement le trou 18, mais forment une structure ouverte permettant la sortie d'air du trou 18 pour que l'effet de trempe soit possible. Une telle structure ouverte est nécessaire pour que le fluide de refroidissement s'écoule régulièrement dans le trou 18, car la pièce, c'est- à-dire les manetons 16 et les tourillons 14 du vilebrequin , qui a été chauffée par induction à hautes fréquences est trempée sous forme d'une structure martensitique à l'aide du fluide de refroidissement. La figure 5 représente l'outil d'assistance 22a de trempe dans une première variante de l'invention. Les par- ties de la variante d'outil d'assistance, décrite dans la suite, identiques à celles de l'outil d'assistance du mode de réalisation précédent, portent des références numériques identiques et on ne les décrit donc pas dans la suite. Dans la première variante, deux noyaux de ferrite axialement espacés 44a, 44b sont insérés axialement dans le trou 18 et plusieurs organes céramiques 46 jouant le rôle d'entretoises sont placés entre les noyaux de ferrite 44a, 44b ainsi qu'entre ces noyaux 44a, 44b et la surface circon- férentielle interne du trou 18. Comme l'indiquent les figures 7 et 8, d'autres organes de maintien 48 en forme de disque ayant chacun une saillie cylindrique 47 sont placés dans les ouvertures respectives 20 du trou de circulation d'huile 18. Chacun des organes de maintien 48 a deux trous débouchants diamétralement opposés 50a, 50b en forme de croissant. Les organes de maintien 48 sont de préférence formés d'un matériau conducteur de l'électricité. Les noyaux de ferrite 44a, 44b sont maintenus dans le trou de circu- lation d'huile 18 par les organes céramiques 46, les organes de maintien 48 et les organes de maintien 28. Lorsqu'un durcissement par chauffage par induction à hautes fréquences est réalisé sur les manetons 16 et les tourillons 14 à l'aide de l'outil d'assistance 22a de ce mode de réalisation, une couche durcie 40 par chauffage par induction à hautes fréquences, possédant des régions de jupe 38 qui s'écartent progressivement depuis le centre O du trou 18 vers les ouvertures opposées 20, est formée comme l'indique la figure 6. La figure 9 représente un outil d'assistance 22b per- mettant la trempe selon une seconde variante de l'invention. Dans cette seconde variante, l'outil d'assistance 22b a un noyau de ferrite 52 en forme de barillet, dont l'épais- seur est maximale au centre et diminue progressivement vers les extrémités opposées. Lorsqu'une opération de durcisse- ment par chauffage par induction à hautes fréquences est réalisée sur les manetons 16 et les tourillons 14 avec l'outil d'assistance 22b de cette variante, une couche durcie 40 par chauffage par induction à hautes fréquences est produite aux ouvertures des extrémités opposées 20 et entre ces extrémités opposées et au voisinage du centre du trou 18 comme représenté sur la figure 10. Certains vilebrequins destinés à être utilisés dans les moteurs à combustion interne de grande puissance et soumis à de fortes charges, dans les voitures de course et de sport, doivent avoir une résistance élevée à la torsion et une résistance mécanique générale élevée. Dans ces vilebre- quins, il est souhaitable que la couche durcie 40 par chauffage par induction à hautes fréquences soit entièrement présente dans le trou 18. Il est préférable alors d'utiliser l'outil d'assistance 22b du second mode de réalisation pour la production de tels vilebrequins. Cependant, dans le cas des vilebrequins d'utilisation générale, il n'est pas nécessaire que cette couche durcie 40 soit formée entièrement dans le trou 18, et une résistance suffisante à la torsion peut être obtenue lorsque la couche durcie 40 s'écarte progressivement depuis des emplacements distants du centre O vers les ouvertures 20. Par sélection d'un outil d'assistance convenable selon l'invention, il est possible de produire cette couche durcie par chauffage par induction à hautes fréquences entiè- rement ou partiellement dans le trou de circulation d'huile 18, suivant la résistance et la durabilité que doit posséder le vilebrequin à réaliser. En conséquence, divers vilebre- quins ayant des résistances différentes peuvent être fabriqués avec des outils d'assistance différents selon l'invention. Sur la figure 11, un outil d'assistance 22c de trempe dans une troisième variante de l'invention a un noyau de ferrite 54 en forme de bobine dont l'épaisseur est minimale au centre. Le noyau de ferrite 54 est maintenu dans le trou de circulation d'huile 18 par des organes céramiques 56 de section en T, en plus des organes de maintien 48, 26. Lorsqu'une opération de durcissement par chauffage par induction à hautes fréquences est exécutée sur les manetons 16 et les tourillons 14 avec l'outil d'assistance 22c de ce mode de réalisation, une couche durcie 40 est produite de la même manière que la couche durcie 40 représentée sur la figure 3, comme l'indique la figure 12. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux procédés, outils et vile- brequins qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. 1l REVENDICATIONS 1. Procédé de trempe d'une pièce ayant un trou comprenant un durcissement par chauffage par induction à hautes fréquences, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: l'insertion ou le chargement d'un organe d'induction (24, 44a, 44b, 52, 54) recouvert d'un organe isolant (28, 46, 56) dans un trou (18) délimité dans la pièce (10), et le durcissement par chauffage par10 induction à hautes fréquences de la pièce (10) lorsque l'organe d'induction (24, 44a, 44b, 52, 54) est retenu dans le trou par un organe de maintien (26, 48) formé d'un matériau conducteur de l'électricité qui est au contact d'une ouverture (20) du trou (18), et la création simultanée d'un champ magnétique par l'organe d'induction (24, 44a, 44b, 52, 54) chargé dans le trou (18) pour la production d'une couche durcie (40). 2. Procédé de trempe selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche durcie possède une région de jupe (38) qui s'écarte progressivement depuis un emplacement voisin d'un centre (O) dans la direction axiale du trou (18), vers l'ouverture (20) formée à l'extrémité du trou (18). 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'organe d'induction est un organe cylindrique en une seule pièce (24) destiné à créer une couche non durcie (42) au centre (O) du trou (18) et une couche durcie (40) ayant une région de jupe (38) qui s'écarte progressivement depuis un emplacement distant du centre (O) du trou (18) vers l'ouverture (20). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'organe d'induction comporte deux organes cylindriques axialement séparés (44a, 44b) destinés à produire une couche non durcie (42) au centre (O) du trou (18) et une couche durcie (40) possédant une région de jupe (38) qui s'écarte progressivement d'une position distante du centre (O) du trou (18) vers l'ouverture (20). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'organe d'induction comprend un organe d'induction (54) en forme de bobine destiné à former une couche non durcie (42) au centre (O) du trou (18) et une couche durcie (40) possé- dant une région de jupe (38) qui s'écarte progressivement depuis une position distante du centre (O) du trou (18) vers l'ouverture (20). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'organe d'induction comprend un organe d'induction (52) en forme de barillet destiné à produire une couche durcie (40) en totalité dans le trou (18), y compris à son centre (O), la couche durcie (40) ayant une région de jupe (38) qui s'écarte progressivement depuis un emplacement distant du centre (O) du trou (18) vers l'ouverture (20). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe d'induction est choisi dans le groupe qui comprend un noyau de ferrite et une feuille d'acier au silicium. 8. Procédé de trempe d'une pièce ayant un trou, comprenant un durcissement par chauffage par induction à hautes fréquences, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: l'insertion ou le chargement d'un organe d'induction (24,44a, 44b, 52, 54) recouvert d'un organe isolant (28, 46, 56) dans un trou (18) de circulation d'huile délimité dans chacun d'au moins plusieurs manetons (16) et tourillons (14) d'un vilebrequin (10) afin que l'organe d'induction (24, 44a, 44b, 52, 54) soit logé avec du jeu dans le trou de circulation d'huile (18), l'exécution d'un durcissement par chauffage par induction à hautes fréquences de chacun des manetons (16) et des tourillons (14) lorsque l'organe d'induction (24, 44a, 44b, 52, 54) est retenu dans le trou (18) de circulation d'huile par un organe de maintien (26, 48) d'un matériau conducteur de l'électricité qui est au contact d'une ouverture (20) du trou (18) de circulation d'huile, puis l'extraction de l'organe d'induction (24, 44a, 44b, 52, 54), de l'organe isolant (28, 46, 56) et de l'organe de maintien (26, 48) du trou (18) de circulation d'huile. 9. Outil d'assistance destiné à être utilisé pour l'exécution d'un durcissement par chauffage par induction à hautes fréquences sur une pièce ayant un trou, caractérisé en ce qu'il comprend: un organe d'induction (24, 44a, 44b, 52, 54) destiné à être chargé dans un trou (18) délimité dans une pièce (10) afin que l'organe d'induction (24, 44a, 44b, 52, 54) soit logé avec du jeu dans le trou (18), un organe de maintien (26, 48) formé d'un matériau conducteur de l'électricité et destiné à maintenir l'organe d'induction (24, 44a, 44b, 52, 54) dans le trou (18) formé dans la pièce (10), et plusieurs organes isolants (28, 46, 56) destinés à être placés entre l'organe d'induction (24, 44a, 44b, 52, 54) et une surface de paroi interne du trou (18) et entre l'organe d'induction (24, 44a, 44b, 52, 54) et l'organe de maintien (26, 48). 10. Outil d'assistance selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'organe d'induction comprend un organe choisi parmi un noyau de ferrite et une feuille d'acier au silicium. 11. Outil d'assistance selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'organe isolant est formé d'un matériau céramique contenant des fibres d'alumine et qui recouvre partiellement une surface de l'organe d'induction. 12. Outil d'assistance selon la revendication 9, caractérisé en ce que la pièce est un vilebrequin (10) ayant des manetons (16) et des tourillons (14) qui ont chacun un trou (18) de circulation d'huile, la disposition étant telle que le durcissement par chauffage par induction à hautes fréquences est réalisé sur une surface délimitant chacun des trous (18) de circulation d'huile à l'aide de l'outil d'assistance. 5 13. Outil d'assistance selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'organe de maintien (26, 48) a une structure ouverte permettant l'évacuation d'air du trou (18) formé dans la pièce (10), et un fluide de refroidissement est transmis au trou (18).