Brevet FR2864460A1 — publié le 20050701

"Machine de galetage, notamment pour l'écrouissage d'un vilebrequin" La présente invention concerne une machine de galetage, notamment pour l'écrouissage d'un vilebrequin. On connaît de nombreuses machines de galetage dans l'état de la technique, notamment pour des applications de renforcement mécanique par écrouissage d'un vilebrequin de moteur à combustion interne de véhicule automobile. Les vilebrequins sont des pièces mécaniques se io présentant sous la forme d'arbres qui assurent la transformation du mouvement rectiligne alternatif de l'ensemble pistons-bielles d'un moteur à combustion interne, en une rotation. Chaque type de vilebrequin est dimensionné au plus juste afin d'optimiser les performances et l'encombrement du moteur associé, et sa forme et ses dimensions dépendent du nombre de cylindres, du nombre de paliers, de la course, de la disposition des cylindres et de l'ordre d'allumage. De plus, le vilebrequin est l'une des pièces les plus sollicitées du moteur. En effet, les nombreuses sollicitations en torsion, en flexion, et en vibration torsionnelle impliquent des problèmes de tenue en fatigue, et par conséquent des contraintes de fabrication importantes. Les vilebrequins sont donc le plus souvent réalisés en une seule pièce par forgeage ou moulage et subissent ensuite différentes opérations d'usinage et plus particulièrement d'écrouissage, notamment réalisée au moyen d'une machine de galetage. En effet, l'écrouissage permet de modifier la structure d'un matériau en imposant une déformation permanente à la surface de la pièce traitée pour en améliorer les propriétés mécaniques telles que la limite d'élasticité, la contrainte à la rupture, la dureté, la ductilité et la résilience. Le document EP-A-0.168.153, auquel on se reportera pour plus de détails, décrit et représente un exemple de vilebrequin réalisé en une seule pièce. Un tel vilebrequin comporte, de manière usuelle, d'une part des bras de manivelle s'étendant globalement radialement et délimités axialement par des faces latérales globalement perpendiculaires à l'axe de rotation du vilebrequin et, d'autre part, des tronçons cylindriques de maneton ou de tourillon dont chacun s'étend axialement à partir d'au moins une face latérale d'un bras io de manivelle et est délimité par une surface cylindrique convexe usinée qui définit, avec ladite face latérale une zone annulaire de raccordement. Les zones annulaires de raccordement entre les surfaces cylindriques convexes usinées des manetons et des tourillons, et is les faces latérales des bras de manivelle comportent des congés toriques de manière à permettre entre autre un usinage de ces surfaces cylindriques convexes, sans interférence avec les faces latérales des bras. Or, on a pu déterminer que ces zones de raccordement et plus particulièrement la zone autour des congés toriques d'usinage ou de raccordement, est une des zones du vilebrequin dans laquelle les contraintes mécaniques sont les plus élevées. Par conséquent, la fiabilité et la qualité du vilebrequin dépendent de la bonne tenue à la fatigue du vilebrequin dans ces zones de raccordement. C'est la raison pour laquelle, on procède à l'écrouissage des congés de raccordement du vilebrequin par galetage réalisé au moyen de deux galets simples qui roulent dans les congés du vilebrequin entraîné en rotation par rapport à la machine et qui vont, notamment sous l'effet de l'effort de galetage exercé par la machine, écrouir ladite zone de raccordement. Le document US-A-6.253.590 décrit et représente un exemple d'une machine pour l'écrouissage des congés de raccordement d'un vilebrequin de moteur à combustion interne par une opération de galetage. Une telle machine de galetage, illustrant l'état de la technique, comporte: - un outil d'action qui comporte un boîtier d'action délimitant un logement intérieur dans lequel sont montés des moyens de galetage comportant des éléments roulants interposés radialement entre un moyeu cylindrique et une couronne coopérant avec une cage de support des galets, et io - un outil de réaction comportant des éléments roulants interposés radialement entre au moins une roue de réaction et un moyeu cylindrique. La mise en oeuvre de telle machine ne donne cependant pas entière satisfaction. En effet, la durée de vie des outils reste limitée, les cages de support des galets par exemple s'usent rapidement. Dans une telle machine, les moyens de roulement sont constitués par des aiguilles libres interposées radialement entre le moyeu cylindrique central et la couronne. On constate aussi un problème d'usure des moyens de roulement et des pièces adjacentes moyeu et couronne. II est par conséquent nécessaire de procéder à de fréquents reconditionnements qui impliquent notamment une immobilisation de la machine se répercutant tant sur la productivité que sur les coûts. Or, la mise en place des aiguilles libres nécessite un temps de montage relativement long qui augmente la durée totale des opérations de reconditionnement. De surcroît, il existe un risque d'introduction de salissures lors de la mise en place des aiguilles. De plus, les pistes de roulement des aiguilles sont constituées respectivement par la périphérie cylindrique convexe du moyeu cylindrique central et par la périphérie cylindrique concave de la couronne de sorte que ces pièces doivent présenter un état de surface approprié et notamment de bonnes propriétés de résistance à l'usure, ce qui en complique la fabrication et en augmente considérablement le coût. L'invention vise donc à remédier aux inconvénients 5 susnommés et à améliorer d'une manière générale une telle machine pour l'écrouissage d'un vilebrequin. Dans ce but, l'invention propose une machine de galetage, notamment pour l'écrouissage d'un vilebrequin de moteur à combustion interne, du type comportant un outil de réaction, et un io outil d'action qui comporte un boîtier d'action délimitant un logement intérieur dans lequel sont montés des moyens de galetage comportant des éléments roulants interposés radialement entre un moyeu cylindrique et une couronne coopérant avec une cage de support des galets, caractérisée en ce que les éléments roulants appartiennent à un roulement dont la bague extérieure est reçue à l'intérieur de la couronne et dont la bague intérieure est traversée par le moyeu. Grâce à l'invention, les opérations d'entretien et de reconditionnement sont notamment simplifiées par l'utilisation d'un roulement. Il est ainsi possible de réduire les coûts de reconditionnement en utilisant des roulements, des moyeux cylindriques et des couronnes de type standard. Avantageusement, l'utilisation de roulements permet de réduire les phénomènes d'usure entre les moyeux et les couronnes ou rouleaux de réaction et de supprimer les risques d'introduction de salissures. De préférence, la cage de support des galets d'écrouissage est réalisée en acier, ce qui permet d'augmenter le nombre de pièces traitées par rapport à des cages réalisées en bronze. De préférence, les brides de retenue pour les cages de support sont fixes et le boîtier de réaction monobloc de manière à simplifier le reconditionnement. Avantageusement, grâce à ces simplifications et à l'utilisation de roulements, on facilite les opérations de reconditionnement dont la durée et le coût sont ainsi réduits. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - les galets sont, suivant l'axe de rotation de la cage, montés à jeu axial par rapport à la cage de support; - les galets sont, suivant l'axe de rotation de la cage, montés serrés radialement dans des cavités de la cage de support; io - la cage de support des galets est réalisée en acier, notamment en acier fortement allié avec traitement thermique; - l'outil de réaction comporte un boîtier de réaction à l'intérieur duquel sont montés à rotation des moyens de réaction comportant des éléments roulants interposés radialement entre au moins une roue de réaction et un moyeu cylindrique, caractérisé en ce que les éléments roulants appartiennent à un roulement dont la bague extérieure est constituée par la roue de réaction et dont la bague intérieure est traversée par le moyeu; - les éléments roulants de l'outil d'action et/ou l'outil de réaction sont des aiguilles ou des rouleaux. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique de côté selon la direction axiale d'une machine selon l'invention comportant un outil supérieur d'action et un outil inférieur de réaction entre lesquels on a représenté, en section, la surface cylindrique convexe d'un maneton ou d'un tourillon de vilebrequin - la figure 2 est une vue schématique partielle en coupe transversale d'une machine selon la figure 1 illustrant l'écrouissage des congés de raccordement du vilebrequin par les galets; - les figures 3A à 3E sont respectivement une vue de face et des vues en coupe d'un exemple de réalisation d'une cage de support des galets d'écrouissage. Dans la description qui va suivre, des chiffres de référence identiques désignent des pièces identiques ou ayant des fonctions similaires. Par convention, et à titre non limitatif, on utilisera les termes "supérieur" ou "inférieur", "axial" ou "transversal" qui désignent des éléments ou des positions orientés respectivement selon la figure 1 vers le haut ou le bas, et selon l'axe de rotation X-X du vilebrequin ou orthogonalement à celui-ci. La figure 1 représente une machine 10 de galetage susceptible de permettre l'écrouissage d'un vilebrequin 12 qui est entraîné en rotation par rapport à la machine 10 autour de son axe X-X par des moyens moteurs (non représentés). La machine 10 comporte respectivement un outil supérieur 14, dit d'action, et un outil inférieur 16, dit de réaction. L'outil d'action 14 comporte un boîtier 18 de forme globalement parallélépipédique délimitant un logement intérieur 20 dans lequel sont reçus et agencés des moyens conventionnels exerçant un effort déterminé de galetage pour l'écrouissage du vilebrequin 12. Le boîtier supérieur d'action 18 comporte, dans au moins une de ses faces latérales 22, une ouverture 24 permettant d'accéder axialement au logement intérieur 20. En fonctionnement, l'ouverture d'accès 24 est fermée par un couvercle 26 qui est rapporté sur le boîtier 18 et maintenu par des premiers moyens de fixation 28. De préférence, les premiers moyens de fixation 28 du 3o couvercle 26 sont des vis à tête fraisée, par exemple fendue ou six pans creux, qui sont reçues dans des trous taraudés complémentaires (non représentés) du boîtier 18. L'utilisation de ce type de vis comme moyens de fixation permet avantageusement de réduire le temps nécessaire de montage et démontage lors des opérations de reconditionnement de la machine. Les moyens conventionnels pour le galetage sont notamment agencés dans la partie inférieure du boîtier 18 et comportent un sous-ensemble outil constitué par au moins un galet 30 d'écrouissage formant un élément roulant qui est monté transversalement entre deux cages 32 de support destinées à recevoir en partie ledit galet 30. Le galet 30, encore dénommé rouleau, est io avantageusement réalisé dans un matériau, tel que de l'acier, présentant une dureté élevée, par exemple de l'ordre de 62 à 64 HRC, pour permettre l'écrouissage du vilebrequin 12. Dans l'exemple de réalisation, l'outil d'action 14 comporte deux galets d'écrouissage 30 respectivement un pour chacun des congés de raccordement délimitant axialement la surface cylin- drique convexe d'un maneton ou d'un tourillon du vilebrequin 12. Avantageusement, les galets 30 sont suivant l'axe de rotation de la cage d'une part montés à jeu axial et d'autre part montés serrés radialement, dans les cages de support 32. Grâce à un tel montage des galets 30, on obtient une meilleure répartition de l'effort de galetage, notamment sur les galets, et une meilleure précision sur les angles initiaux entre les axes de rotation des galets et le vilebrequin 12. En position de fonctionnement, les cages 32 sont maintenues en place transversalement par des brides de retenue 34 qui sont fixées sur le boîtier 18 par l'intermédiaire de seconds moyens de fixation 36. Les brides 34 ne sont pas donc réglables, notamment selon la direction transversale comme dans l'état de la technique, ce qui permet d'une part de garantir un jeu de fonctionnement constant en supprimant tout risque de déréglage lors des opérations de reconditionnement et, d'autre part, de réduire le temps total nécessaire au reconditionnement en simplifiant leur montage et démontage. Les seconds moyens de fixation 36 sont de préférence constitués par des vis qui traversent radialement les brides 34 et dont les corps filetés sont reçus dans des trous taraudés complémentaires du boîtier 18. Plus précisément et comme on peut le voir sur la figure 2, l'outil 14 comporte des moyens d'action 31 qui sont agencés dans le logement intérieur 20 et qui sont destinés à exercer un effort de galetage orienté radialement vers les cages 32 et les galets 30 d'écrouissage. lo Les moyens d'action 31 comportent un moyeu cylindrique 38 intérieur et des éléments roulants 40 qui sont interposés radialement entre le moyeu 38 et une couronne extérieure d'appui 42 qui coopère avec les cages 32 des galets 30. Conformément à l'invention, les éléments roulants 40 appartiennent à un roulement 41 comportant une bague extérieure 46 et une bague intérieure 44. La bague extérieure 46 est montée serrée à l'intérieur de la couronne extérieure d'appui 42 et la bague intérieure 44 est traversée axialement par le moyeu cylindrique intérieur 38. L'outil inférieur de réaction 16 comporte un boîtier 48 de forme globalement parallélépipédique sur lequel sont montés à rotation des moyens de réaction 50 destinés à s'opposer à l'effort de galetage exercé par l'outil d'action 14. Avantageusement, le boîtier 48 est réalisé en une seule pièce ce qui permet encore de simplifier les opérations de montage et démontage et de réduire le nombre de vis de fixation (non représentées) par rapport à un boîtier en deux parties. Le vilebrequin 12 est en appui avec la surface extérieure 54 des deux roues de réaction 52 des moyens de réaction 50 qui sont espacées axialement l'une par rapport à l'autre pour assurer une bonne transmission au vilebrequin 12 de l'effort de réaction. Comme on peut le voir sur les figures 1 et 2, l'outil de réaction 16 comporte des éléments roulants 56 qui sont interposés radialement entre d'une part chaque roue de réaction 52 formant une bague extérieure et, d'autre part, son moyeu cylindrique associé 58 par l'intermédiaire d'une bague intérieure 64. Avantageusement, les éléments roulants 56 sont ici constitués par des aiguilles ou des rouleaux qui appartiennent à un roulement 60 dont la bague intérieure 64 est traversée par le moyeu 58 et dont la bague extérieure est constituée par la roue de réaction 52. Grâce à un tel roulement 60, on facilite les opérations io d'entretien et de reconditionnement de l'outil de réaction 16. La figure 2 illustre plus particulièrement l'écrouissage du vilebrequin 12 par les galets 30. Le vilebrequin 12, représenté partiellement, comporte au moins un maneton 66 se trouvant dans l'axe X-X du vilebrequin et au moins un tourillon 68 excentré d'axe Y-Y parallèle à l'axe de rotation X-X du vilebrequin. Le tourillon 68 permet au vilebrequin 12 de reposer sur des paliers (non représentés) au moyen desquels il est monté en rotation dans un carter et sur chacun des manetons 66 viennent s'articuler des bielles (non représentées). Les tourillons 68 et les manetons 66 sont reliés les uns aux autres par des bras de manivelle 70 encore parfois appelés coudes. Le vilebrequin 12 comporte des zones de raccordement 72 des tourillons 66 et des manetons 68 avec les faces latérales 74 respectives des bras de manivelle 70. Les zones de raccordement 72 comportent des congés cylindriques annulaires 76 pour permettre l'usinage des surfaces cylindriques convexes 78 des tourillons 66 et des manetons 68. L'écrouissage est obtenu par déformation grâce aux galets 30 qui roulent dans les congés 76 du vilebrequin 12 entraîné en rotation et sur lesquels s'exercent d'une part l'effort de moyens d'action 31 et, d'autre part, l'effort de réaction des moyens de réaction 50. io L'écrouissage par galetage des congés cylindriques annulaires 76 par la machine 10 permet de renforcer la tenue mécanique des zones de raccordement 72 et ainsi d'améliorer la tenue à la fatigue du vilebrequin 12. Les figures 3A à 3E illustre un exemple de réalisation préféré d'une cage de support des galets d'écrouissage 30. Les cages sont le plus souvent réalisées dans des matériaux comme le bronze et elles comportent des cavités ou logements dans lesquelles les galets d'écrouissage 30 sont reçus io et guidés. Or, les galets 30 sont réalisés dans des aciers très durs, ce qui provoque d'importants phénomènes d'usure des cavités des cages. L'usure prématurée des cages limite le nombre d'opérations de galetage réalisées et augmente de manière conséquente le coût, puisque les cages sont des pièces complexes et coûteuses. C'est la raison pour laquelle, on a cherché à augmenter le nombre d'opérations réalisées avec un jeu de cage de support et cela afin de permettre une réduction des coûts et des opérations de reconditionnement. La cage de support 32 illustrée à la figure 3A est une cage du type celle décrite dans le document US-A-6.389.861 de l'état de la technique auquel on se reportera pour plus détails. Une cage 32 de ce type présente une symétrie selon la direction transversale et comporte à cet effet deux cavités opposées. Ainsi, lorsque la première cavité est usée, on procède au retournement de la cage pour utiliser la seconde cavité ce qui permet d'augmenter le nombre de pièces traitées et de réduire les coûts mais requiert cependant une opération de reconditionnement dont les inconvénients ont été décrits auparavant. Une telle solution n'est donc pas entièrement satisfaisante de sorte que l'on a cherché à augmenter la résistance à l'usure 2864460 Il des cages en utilisant d'autres matériaux que le bronze afin d'augmenter le nombre de pièces traitées et de réduire la fréquence des opérations de reconditionnement. On a alors constaté que l'utilisation de matériau de dureté supérieure provoquait souvent l'apparition de fractures dans la cage, à cause notamment des efforts importants s'exerçant sur la cage. Le document WO-A-02/24407, ou US-B-6.360.574, décrit par exemple l'utilisation de polymères, de préférence io thermoplastiques, de type polyéthylène haute densité pour réaliser les cages de support des galets d'écrouissage présentant une meilleure ductilité, et une résistance aux chocs et à l'usure supérieures notamment par rapport au bronze. Selon l'exemple de réalisation préféré illustré aux figures 15 3A à 3E, la cage 32 est avantageusement réalisée en acier ou un alliage d'acier, notamment en acier inoxydable. De préférence, on utilise un acier fortement allié, de type Z80 W D06 ou analogue, avec traitement thermique. La cage 32, de forme générale prismatique, est du type qui 20 comporte deux parties symétriques 80 pour le montage de deux galets d'écrouissage 30. Les deux parties de support 80 sont reliées entre elles par un corps 82 formant un pont qui s'étend transversalement entre les faces latérales intérieures 84 de chacune des parties de support 80. Les faces latérales intérieures 84 des parties 80 délimitent d'une part avec la face horizontale supérieure 86 du corps 82 un évidement supérieur 88 qui est notamment destiné à coopérer avec un élément de centrage de forme complémentaire solidaire de la couronne 42 d'un outil d'action 14 et, d'autre part, avec la face horizontale inférieure 90 un évidement inférieur 92. Chaque partie 80 de support comporte une face horizontale supérieure 94 et une face horizontale inférieure 96 opposée, une face verticale avant 98 et une face verticale arrière 100. Chaque partie de support 80 comporte une cavité respectivement 102A et 102B formant une piste de roulement 104 complémentaire du galet d'écrouissage 30 qui y est partiellement reçu et guidé. Les cavités 102A et 102B forment un angle déterminé avec un axe vertical qui correspond à l'inclinaison de l'axe de rotation (G) des galets 30 par rapport aux congés de raccordement du vilebrequin 12, c'est-à-dire globalement à l'intersections des plans de coupe 3B et 3C illustrés à la figure 3A. La cage 32 présente de plus une symétrie avant-arrière, c'est-à-dire selon un plan de coupe vertical de manière à permettre deux utilisations successives de la cage, une première application avec la cavité 102A de la face avant 98 et une seconde application avec la cavité 102B opposée avec la face arrière 100. Comme on peut le voir à la figure 3E, la cage 32 comporte des moyens tels qu'un congé ou un angle cassé de raccordement intérieur entre la piste de roulement 104 des galets 30 formant le fond de la cavité 102 et la partie de support 80 adjacente. Grâce à ces moyens, on réduit les risques de fractures de la cage 32 et il est possible de réaliser la cage dans des matériaux comme des alliages d'acier. Ainsi qu'on l'aura compris, la cage 32 peut être mise en oeuvre dans une machine 10 du type de celle décrite aux figures 1 et 2 dont le temps nécessaire pour procéder au reconditionnement est réduit par l'utilisation de roulement conformément à l'invention. REVENDICATIONS 1. Machine (10) de galetage, notamment pour l'écrouissage d'un vilebrequin (12) de moteur à combustion interne, du type comportant un outil de réaction (16), et un outil d'action (14) qui comporte un boîtier (18) délimitant un logement intérieur (20) dans lequel sont montés des moyens de galetage (31) comportant des éléments roulants (40) interposés radialement entre un moyeu cylindrique (38) et une couronne (42) coopérant avec une cage de support (32) des galets (30), caractérisée en ce que les éléments roulants (40) appartiennent à un roulement dont la bague extérieure (46) est reçue à l'intérieur de la couronne (42) et dont la bague intérieure (44) est traversée par le moyeu (38). 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les galets (30) sont, suivant l'axe de rotation de la cage, montés à jeu axial par rapport à la cage de support (32). 3. Machine selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les galets (30) sont, suivant l'axe de rotation de la cage, montés serrés radialement dans des cavités (102) de la cage de support (32). 4. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la cage de support (32) des galets (30) est réalisée en acier, notamment en alliage d'acier. 5. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, du type dans laquelle l'outil de réaction (16) comporte un boîtier (48) à l'intérieur duquel sont montés à rotation des moyens de réaction (50) comportant des éléments roulants (56) interposés radialement entre au moins une roue de réaction (52) et un moyeu cylindrique (58), caractérisée en ce que les éléments roulants (56) appartiennent à un roulement (60) dont la bague extérieure est constituée par la roue de réaction (52) et dont la bague intérieure (64) est traversée par le moyeu (58). 6. Machine selon l'une des revendications 1 ou 5, caractérisée en ce que les éléments roulants (40, 56) sont des aiguilles ou des rouleaux.