Brevet FR2861002A1 — publié le 20050422

"Procédé d'usinage d'une face de carter et outil pour la mise en oeuvre d'un tel procédé" La présente invention concerne un procédé d'usinage d'une face de carter et un outil pour la mise en oeuvre dudit 5 procédé d'usinage. L'invention s'applique au fraisage des parois du moteur à faible raideur et plus particulièrement, mais non exclusivement, à l'usinage de la face supérieure d'un carter de moteur à combustion interne sur laquelle est rapportée une culasse. io La présente invention concerne notamment un procédé d'usinage d'une face d'un carter de moteur à combustion interne, du type comportant une opération d'usinage par fraisage dit en bout au cours de laquelle la fraise, dont l'axe est perpendiculaire à la surface à usiner, se déplace selon une direction parallèle au plan de la surface. Toutefois, l'invention est susceptible d'être mise en oeuvre pour réaliser un fraisage surfacique de toutes pièces prismatiques comportant des parois fines. On connaît de nombreux exemples de procédés d'usinage conventionnel de ce type dans l'état de la technique, notamment pour usiner les organes d'un moteur à combustion interne, tels que le carter qui en constitue le bâti destiné à supporter les principales pièces en mouvement et qui est obtenu par fonderie. Un tel carter de moteur à quatre cylindres, selon l'état de la technique, est représenté schématiquement en vue de dessus à la figure 1. La figure 1 illustre ainsi la face supérieure 12 du carter 10 sur laquelle est rapportée une culasse (non représentée) formant la partie supérieure du moteur, avec interposition d'un joint d'étanchéité dit joint de culasse . Le carter 10 comporte quatre cylindres dans lesquels sont reçus les pistons du moteur et des conduits latéraux, encore appelés baignoires , dans lesquels circule l'huile de lubrification entre la partie haute du moteur et un carter inférieur formant réservoir d'huile. Comme visible sur la figure 1, les cylindres débouchent dans la face supérieure 12 par des ouvertures 14 et les conduits latéraux par des orifices 16 de forme oblongue qui s'étendent longitudinalement de part et d'autre des cylindres. Les orifices latéraux 16 sont délimités vers l'extérieur par une paroi latérale 18 du carter qui est de faible épaisseur. L'usinage de la face supérieure 12 du carter 10 consiste io généralement en une opération de fraisage en bout qui est réalisée à l'aide d'un outil, ici une fraise 20, dont l'axe de rotation X est perpendiculaire à la face supérieure 12 et qui se déplace par rapport au carter 10 selon la flèche F, c'est-à-dire selon la direction longitudinale. Cependant, l'état de surface obtenu par une telle opération d'usinage ne donne pas entière satisfaction. En effet, on a pu constaté que la face supérieure 12 usinée présentait notamment au voisinage des orifices latéraux 16 un état de surface dégradé. Plus précisément, l'état de surface de la face supérieure 12 présente de nombreuses stries 22 mieux visibles sur le détail de la figure 1A. L'apparition de telles stries 22 est essentiellement due à des phénomènes vibratoires qui se produisent lors de l'usinage d'ébauche et qui de plus provoquent des dégradations prématurées des outils. La dégradation des outils a pour conséquence d'une part d'affecter la capacité de production, puisqu'il est nécessaire de procéder à leur changement plus fréquemment et, d'autre part, entraîne des surcoûts importants, principalement imputables aux coûts des outils et à la réduction de la capacité de production. Toutefois, on a observé que ces phénomènes vibratoires étaient plus importants et essentiellement présents dans la zone des parois 18 délimitant les baignoires d'huile et des essais ont permis de conclure qu'une des raisons était le manque de rigidité du carter 10 dans ces zones, notamment des parois 18. En effet, les parois 18 constituent des parties ou toiles minces qui, lors de l'opération d'usinage, entrent en résonance et provoquent ainsi l'apparition des états de surface striée observés dans ces zones. Pour remédier à ces inconvénients, on pourrait envisager de modifier le carter afin d'en augmenter la rigidité, notamment celle des parois 18. io Mais une telle solution n'est pas acceptable car elle serait d'une part excessivement coûteuse à mettre en oeuvre puisque nécessitant de nouvelles études et d'importantes modifications des outils de production et, d'autre part, elle contribuerait à augmenter le poids du moteur, ce qui est en totale contradiction avec les objectifs poursuivis actuellement par les constructeurs automobiles. Des essais ont permis de constater que la vitesse de rotation de la fraise 20 était sans incidence particulière sur l'apparition de ces phénomènes vibratoires. Toutefois, on a pu déterminer lors de ces essais que plus la profondeur de passe de la fraise correspondant à la surépaisseur (s) de fonderie à usiner était faible plus les phénomènes vibratoires, et donc les stries, étaient réduits. Ainsi, le procédé d'usinage actuellement mis en oeuvre consiste à usiner successivement en plusieurs étapes de fraisage la face supérieure 12 du carter avec des profondeurs de passe réduites et cela jusqu'à obtention de la côte finale désirée. Les figures 2A à 2C illustrent les principales étapes d'un tel procédé d'usinage, qui s'il permet de réduire l'apparition des stries 22, ne donne néanmoins pas satisfaction dans le cadre d'une application industrielle en grande série. Ainsi qu'on l'aura compris, une telle solution n'est pas satisfaisante tant économiquement qu'industriellement car elle est particulièrement coûteuse du fait de l'augmentation du temps nécessaire pour usiner la face supérieure d'un carter. Par conséquent, l'invention vise notamment à proposer un nouveau procédé et un outil de mise en oeuvre de ce procédé pour l'usinage des carters de moteur à combustion interne. Dans ce but, l'invention propose un procédé d'usinage du type de celui décrit précédemment, caractérisé en ce qu'il comporte: - une première étape d'ébauche au cours de laquelle ladite io face du carter est fraisée pour éliminer une première partie de la surépaisseur (s) de fonderie pour obtenir une côte d'ébauche (Cp), et - une deuxième étape de finition au cours de laquelle ladite face du carter est fraisée de manière à obtenir la côte finale (Cf). 15 Selon d'autres caractéristiques de l'invention: les première et deuxième étapes de fraisage constituent une opération unique de fraisage; - les deux étapes de fraisage sont effectuées au moyen d'une fraise unique. Avantageusement, les première et deuxième étapes de fraisage sont réalisées en une opération unique de fraisage qui est effectuée au moyen d'une fraise unique. Grâce au procédé selon l'invention, on usine un plus grand nombre de carters pour une durée équivalente et on augmente 25 ainsi la productivité, tout en réduisant les coûts. De plus, la surépaisseur (s) est usinée par les deux jeux d'arêtes de coupe que comporte la fraise et dont les profondeurs de passe respectives sont réduites de manière à atténuer les phénomènes vibratoires et à permettre d'obtenir un état de surface satisfaisant. L'invention propose aussi un outil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, caractérisé en ce que l'outil est une fraise cylindrique d'axe de rotation X comportant un premier jeu d'arêtes de coupe réparties circonférentiellement de manière régulière pour réaliser l'ébauche et un second jeu d'arêtes de coupe réparties circonférentiellement de manière régulière pour réaliser la finition. Selon d'autres caractéristiques de l'outil selon l'invention: s - la fraise est étagée pour décaler axialement les deux jeux d'arêtes de coupe d'une distance (d) déterminée correspondant à la différence entre la côte initiale (Ci) et la côte finale (Cf) et afin de répartir globalement de manière égale la surépaisseur (s) à fraiser entre les profondeurs de passe des deux jeux; io - les premier et second jeux d'arêtes de coupe, décalés radialement l'un par rapport à l'autre, se trouvent respectivement sur un premier rayon (RI) et un second rayon (R2) centrés sur l'axe de rotation X et en ce que la différence entre les valeurs des rayons (RI) et (R2) est supérieure à l'épaisseur (e) des parties minces que comporte le carter les arêtes de coupe appartiennent à des plaquettes amovibles reçues dans des logements complémentaires du corps de la fraise; - la répartition circonférentielle des arêtes de coupe est 20 adaptée à l'application concernée. 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 dessus de la face supérieure d'un carter de moteur et d'une fraise pour son usinage; - la figure 1A est une vue de détail en grossissement de l'état de surface obtenu par un procédé d'usinage conventionnel - les figures 2A à 2C sont des vues schématiques en coupe transversale d'une fraise et de la paroi mince d'une baignoire d'huile du carter, qui représentent les principales étapes de l'usinage de la face supérieure du carter selon un procédé d'usinage selon l'état de la technique; - les figures 3A à 3C sont des vues analogues aux figures 2A à 2C qui illustrent, par comparaison, les principales étapes du procédé d'usinage de la face supérieure du carter par une fraise associée conformément à l'invention. Dans la description qui va suivre, les éléments identiques, similaires ou analogues seront désignés par les mêmes chiffres de référence. Dans la description et dans les revendications, on utilisera à titre non limitatif les expressions telles que io supérieur et inférieur , axial et radial , ainsi que les directions en référence aux figures et selon le trièdre (L, V, T) de la figure 1 pour en faciliter la compréhension. La figure 2A représente schématiquement la paroi 18 d'un carter 10 selon la figure 1 avant l'usinage de sa face supérieure 12 par une fraise 20. Le carter 10, obtenu par fonderie, comporte du fait de ce procédé de fabrication une surépaisseur s de matière sur sa face supérieure 12 correspondant à côte initiale (Ci) et qui doit être usinée pour obtenir la côte finale désirée (Cf). Avantageusement, la surépaisseur (s) du brut de fonderie est réduite au minimum, généralement de l'ordre de 3 mm, permettant d'économiser de la matière et de faciliter les opérations d'usinage. La fraise 20 selon l'état de la technique est une fraise cylindrique d'axe de rotation X comportant radialement et de manière régulière sur sa circonférence un jeu d'arêtes de coupe 24. Les arêtes de coupe 24 appartiennent ici à des plaquettes amovibles 26, par exemple de forme triangulaire, qui sont reçues dans des logements complémentaires 28 que comporte la tête ou corps de la fraise 20. La fraise 20 se déplace globalement selon la direction longitudinale de la flèche F par rapport au plan horizontal de la face supérieure 12 du carter 10. La paroi 18 d'épaisseur (e) forme une partie mince qui est susceptible d'entrer en résonance sous l'effet des vibrations produites par la fraise 20 et ainsi de provoquer l'apparition de stries 22. s Le procédé d'usinage de l'état de la technique comporte une première étape ou passe d'ébauche, illustrée à la figure 2B, qui consiste à réaliser une première opération de fraisage au cours de laquelle la face supérieure 12 est usinée pour obtenir la côte intermédiaire (Cp). io Pour limiter les phénomènes vibratoires, la profondeur de passe de la fraise 20 est de préférence réduite par exemple de l'ordre de 1 mm. Le nombre d'opérations successives de fraisage dépend de la surépaisseur (s) à usiner, ainsi plus la surépaisseur est faible moins le nombre d'opération nécessaire à l'obtention de la côté finale (Cf) est important. Comme visible à la figure 2C, la côte finale (Cf) est obtenue après une deuxième opération d'usinage ou passe de finition de la face supérieure 12 par la fraise 20 dont la profondeur de passe correspond alors à la différence entre la côte intermédiaire (Cp) et la côte finale (Cf). Dans la description qui va suivre, on décrira le procédé d'usinage et la fraise illustrée aux figures 3A à 3B selon l'invention par comparaison avec l'état de la technique illustré aux figures 2A à 2C. Grâce à l'invention, la surépaisseur (s) est usinée en une opération unique à l'aide d'un outil spécifique associé pour la mise en oeuvre du procédé. L'outil est de préférence constitué par une fraise 30 unique telle qu'illustrée aux figures 3A à 3C. En variante, l'opération unique d'usinage est réalisée par un outil double comportant un corps sur lequel sont montées solidairement deux fraises distinctes respectivement une première fraise pour l'ébauche et une seconde fraise pour la finition. Selon un autre aspect de l'invention, la fraise 30 est une fraise cylindrique d'axe de rotation X comportant un premier jeu 32 d'arêtes de coupe 34 réparties circonférentiellement de manière régulière pour réaliser la première étape d'ébauche et un second jeu 36 d'arêtes de coupe 38 réparties circonférentiellement de manière régulière pour réaliser la seconde étape de finition. La fraise cylindrique 30 comporte un bord inférieur étagé 40 délimitant circonférentiellement d'une part, radialement à io l'extérieur, une première série de logements supérieurs 42 pour le montage des plaquettes formant le premier jeu 32 et, d'autre part, ici décalée radialement vers l'intérieur par rapport aux logements 42, une deuxième série de logements inférieurs 44 pour le montage des plaquettes formant le second jeu 36. Avantageusement, la fraise 30 est étagée pour que les deux jeux 32, 36 d'arêtes de coupe soient décalés verticalement, c'est-à-dire axialement par rapport à l'axe X, d'une distance (d) déterminée correspondant à la différence entre la côte intermédiaire (Cp) et la côte finale (Cf) et cela de répartir la surépaisseur (s) à fraiser, par exemple de manière sensiblement égale entre les jeux 32, 36. De préférence, la distance (d) est de l'ordre de 1.5 mm de sorte que pour une surépaisseur (s) donnée de l'ordre de 3 mm à usiner, les profondeurs de passe de chacun des jeux 32, 36 soit d'environ 1.5 mm, ce qui permet de diminuer les phénomènes vibratoires des parties minces telles que les parois 18. De plus, les premier et second jeux 32, 36 d'arêtes de coupe 34, 38 sont décalés radialement l'un par rapport à l'autre, c'est-à-dire qu'ils sont décalés selon la direction longitudinale en considérant les figures, de manière que les étapes d'usinage respectives d'ébauche et de finition soient réalisées consécutivement au cours d'une opération unique d'usinage, conformément à l'invention. Ainsi comme visible sur la figure 3A, le premier jeu 32 usine la surépaisseur (s) de manière à obtenir la côte intermédiaire (Cp), puis c'est le second jeu 36 qui usine la seconde partie de la surépaisseur (s) pour obtenir la côte finale (Cf). Les premier et second jeux 32, 36 d'arêtes de coupe se trouvent respectivement sur un premier rayon (RI) et un second rayon (R2) centrés sur l'axe de rotation X et la différence entre les valeurs des rayons (RI) et (R2) est avantageusement io supérieure à l'épaisseur (e) de la partie mince à usiner, ici la paroi 18 du carter 10, mesurée sur le plan qui contient la plaquette en coupe et l'axe de la fraise. Les premier et second jeux 32, 36 appartiennent de préférence, mais non exclusivement, à des plaquettes amovibles de forme rectangulaire comportant donc huit arêtes de coupe permettant d'effectuer un plus grand nombre d'usinages que des plaquettes de type triangulaire. Dans tous les cas, la répartition circonférentielle des arêtes de coupe peut être adaptée à l'application concernée. i0 REVENDICATIONS 1. Procédé d'usinage d'une face (12) d'un carter (10) de moteur à combustion interne, comportant une opération d'usinage par fraisage en bout au cours de laquelle la fraise (20) dont l'axe (X) est perpendiculaire à la surface à usiner se déplace selon une direction parallèle au plan de la surface, caractérisé en ce qu'il comporte: - une première étape d'ébauche au cours de laquelle ladite face (12) du carter (10) est fraisée pour éliminer une première io partie de la surépaisseur (s) de fonderie de manière à obtenir une côte d'ébauche (Cp), et - une deuxième étape de finition au cours de laquelle ladite face (12) du carter (10) est fraisée de manière à obtenir la côte finale (Cf). 2. Procédé d'usinage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les première et deuxième étapes de fraisage constituent une opération unique de fraisage. 3. Procédé d'usinage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les deux étapes de fraisage sont 20 effectuées au moyen d'une fraise unique (30). 4. Outil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'outil est une fraise cylindrique (30) d'axe de rotation (X) comportant un premier jeu (32) d'arêtes de coupe (34) réparties circonférentiellement de manière régulière pour réaliser l'ébauche et un second jeu (36) d'arêtes de coupe (38) réparties circonférentiellement de manière régulière pour réaliser la finition. 5. Outil selon la revendication 4, caractérisé en ce que la fraise (30) est étagée pour décaler axialement les deux jeux d'arêtes de coupe d'une distance (d) déterminée correspondant à la différence entre la côte initiale (Ci) et la côte finale (Cf) et afin de répartir globalement de manière égale la surépaisseur (s) à fraiser entre les profondeurs de passe des deux jeux (32, 36). 6. Outil selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que les premier (32) et second (36) jeux d'arêtes de coupe, décalés radialement l'un par rapport à l'autre, se trouvent respectivement sur un premier rayon (RI) et un second rayon (R2) centrés sur l'axe de rotation (X) et en ce que la différence entre les valeurs des rayons (RI) et (R2) est supérieure à l'épaisseur (e) des parties minces (18) que comporte le carter. 7. Outil selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les arêtes de coupe (34, 38) appartiennent à des plaquettes amovibles reçues dans des logements complémentaires (42, 44) du corps de la fraise (30). 8. Outil selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que la répartition circonférentielle des arêtes de coupe est adaptée à l'application concernée.