Brevet FR2867706A1 — publié le 20050923

DESCRIPTION L'invention concerne un procédé de finissage d'une pièce brute en métal. L'invention concerne en particulier le finissage de pièces brutes ou encore d'éléments de joints homocinétiques. Pour de nombreux éléments en métal, il est nécessaire que ces éléments présentent, à l'état fini, une tolérance de diamètre et une rectitude requises. Les surfaces doivent être particulièrement lisses, donc présenter une rugosité inférieure à des valeurs maximales. Ces exigences valent par exemple pour des faces de paliers sur lesquelles roulent des billes ou des aiguilles. L'état connu de la technique, et par la suite l'invention, vont être décrits à titre d'exemple à l'aide d'un tripode pour un joint homocinétique; mais l'invention n'est pas limitée à de tels éléments. Un tripode est installé dans un joint tripode. Les joints tripodes sont eux-mêmes des joints homocinétiques qui sont par exemple utilisés dans la ligne d'entraînement de véhicules automobiles à roues avant motrices. De tels joints doivent autoriser aussi bien le débattement et le rebondissement des roues, et la compensation de longueur associée, que leur braquage. Un tripode présente un corps annulaire formant moyeu, auquel se raccordent des tourillons orientés radialement à l'axe longitudinal du corps formant moyeu, qui présentent chacun des faces porteuses de roulements disposées périphériquement par rapport aux axes des tourillons. Des galets montés sur aiguilles sont respectivement positionnés sur les tourillons par un perçage cylindrique axial dans lequel les tourillons s'engagent sensiblement sans jeu. Les supports de galets sont donc axialement coulissants par rapport aux tourillons. On obtient ainsi que les galets de tripode montés sur les supports de galets peuvent être guidés en roulement lorsque l'élément extérieur du joint et le tripode tournent dans une position angulaire l'un par rapport à l'autre. Le corps formant moyeu présente une ouverture traversante dans la face circonférentielle intérieure de laquelle est pratiquée une denture. Lors de la fabrication d'un tripode, on pratique habituellement d'abord, dans une pièce brute, la denture dans la face intérieure de l'ouverture du corps formant moyeu. On effectue ensuite un durcissement avec une méthode de durcissement appropriée. On peut envisager par exemple un durcissement par trempe, un durcissement par induction, une trempe interrompue ou une nitruration. Le durcissement est suivi de l'usinage dur des tourillons. Cet usinage est nécessaire pour éliminer la surépaisseur existante et parce que des modifications de forme, comme par exemple une distorsion, sont inévitables lors du durcissement. De plus, les pièces croissent pendant le durcissement du fait d'un enrichissement en carbone: leur volume augmente. Cette croissance est également irrégulière. Le meulage et le tournage conviennent particulièrement bien comme méthodes d'usinage dur. L'inconvénient de la procédure décrite est que l'usinage dur pose de grandes exigences à l'outil et à la machine. En conséquence, les outils et les machines d'usinage dur sont très coûteux aussi bien à l'achat qu'à l'entretien. C'est particulièrement vrai pour le tournage dur. C'est la raison pour laquelle une alternative à la procédure décrite consiste à pré-usiner la pièce brute dès avant le durcissement, par meulage, avec une qualité telle qu'on peut se passer de l'usinage dur consécutif au durcissement. Mais le meulage présente lui aussi des inconvénients importants. La poussière produite ou encore l'émulsion inévitablement obtenue de copeaux métalliques et d'eau ou de réfrigérant est nocive pour la santé et pollue l'environnement. De même, le meulage doit toujours être suivi d'un lavage à fond. A cela s'ajoute que le processus de meulage est relativement long. On a également constaté que la croissance inévitable de la pièce lors du durcissement ne s'effectue que de façon très irrégulière, de sorte que, du fait des distorsions, des écarts de surface pouvant atteindre 30 m sont quasiment inévitables. Toutes les méthodes de fabrication ont en commun d'utiliser des pièces brutes coûteuses de haute précision, réalisées par extrusion à froid. Si l'on utilise des pièces forgées à chaud, plus économiques, il faut d'abord effectuer un tournage de semi- finition des tourillons. L'invention a pour but de fournir un procédé de finissage d'une pièce brute en métal qui puisse être exécuté économiquement. On doit notamment pouvoir renoncer à un usinage dur après le durcissement. Le nouveau procédé doit également avoir une faible incidence sur l'environnement, et pouvoir être exécuté d'une manière rapide et simple. Selon l'invention, ce but est atteint par un procédé de finissage d'une pièce brute en métal qui est caractérisé par les étapes suivantes: 1. usinage à vert de la pièce brute, 2. laminage fin de surfaces de qualité qui doivent satisfaire à de hautes exigences de qualité sur la pièce finie, 3 2867706 J. durcissement de la pièce brute. Le procédé selon l'invention permet d'usiner la pièce brute, dès avant le durcissement, de telle sorte qu'on peut se passer d'un usinage brut après le durcissement. Selon l'invention, il n'est pas nécessaire de meuler les faces auxquelles sont posées les plus grandes exigences de qualité. On supprime donc tous les inconvénients qui résultent du processus de meulage. Le procédé selon l'invention est respectueux de l'environnement, économique et simple à exécuter. Le terme de surfaces de qualité désigne les faces auxquelles sont posées les plus grandes exigences de qualité sur la pièce finie. Il s'agit par exemple de faces de paliers, de sièges d'étanchéité, de moyeux sphériques et analogues. Les effets secondaires du processus de durcissement qui constituent un inconvénient dans l'état de la technique sont quasi totalement éliminés par le laminage fin de la surface. On a ainsi constaté que la croissance apparaissant lors du durcissement est beaucoup plus régulière lorsque les régions correspondantes ont subi au préalable un laminage fin. La conséquence en est à son tour, d'une part que la rugosité des surfaces correspondantes est nettement moindre, et d'autre part que les distorsions, du fait des contraintes uniformes de pression dues au laminage fin, se situent dans une plage nettement inférieure au cas de surfaces qui ont subi un tournage ou un meulage avant le durcissement. Le processus de laminage fin est également appelé roulage . Le roulage est un procédé de traitement de surface selon lequel des cylindres en acier ayant subi un polissage de finition usinent sous pression un matériau de résistance inférieure. Si la pression produite par les cylindres dépasse le seuil d'écoulement plastique du matériau, la déformation à froid ainsi obtenue déforme plastiquement la couche superficielle de la face usinée. La déformation produit une surface aussi lisse qu'un miroir et dotée d'un grand rapport de zones de contact, par lequel des surfaces réalisées par roulage surpassent des usinages par enlèvement de matière. Les surfaces réalisées par roulage sont plus lisses et plus résistantes que des surfaces fabriquées par enlèvement de matière. Le laminage fin permet d'obtenir une grande précision dimensionnelle, un grand rapport de zones de contact, un temps d'usinage court et des manipulations relativement simples. Un autre avantage est qu'on peut utiliser pour le laminage fin des machines standard. Un avantage important consiste en outre en ce que, à la différence de tous 35 les autres procédés connus, on peut utiliser lorsqu'on emploie le procédé de fabrication selon l'invention des pièces forgées à chaud. Cela apporte des économies considérables. L'augmentation du rapport de zones de contact signifie que, du fait de la surface plus lisse, un corps posé, par exemple une aiguille d'un roulement à aiguilles, dispose d'une plus grande surface d'appui, ce qui engendre une sollicitation réduite ou encore moins de pointes de sollicitation. Cela exerce une influence considérable sur la durée de vie de tels roulements. Lors de la fabrication des tripodes décrits plus haut, on a constaté que les faces porteuses de roulements disposées sur les tourillons présentent après le durcissement une distorsion inférieure à 4 m. Si par contre le processus de durcissement est précédé d'un meulage, les distorsions atteignent 20 à 30 m. Les tourillons usinés avec le processus de laminage fin selon l'invention présentaient pour partie une croissance uniforme des tourillons d'au plus 0,02 mm. On a constaté une quasi- absence d'ovalisation à l'état dur: elle était d'au plus 0,005 mm. Une certaine réserve de croissance lors du roulage est donc possible. Selon des caractéristiques supplémentaires du procédé selon l'invention, dont on peut tirer d'autres avantages et exemples de réalisation de l'invention: la pièce brute est constituée d'un métal forgé à chaud; les surfaces de qualité sont formées par des faces porteuses de roulements; les surfaces de qualité sont formées par des sièges d'étanchéité ; les surfaces de qualité sont formées par des moyeux sphériques; la pièce brute est formée par un élément d'un joint homocinétique; la pièce brute est formée par un tripode; les surfaces de qualité sont formées par des faces porteuses de roulements disposées sur des tourillons du tripode. La description des dessins qui suit explique l'invention plus en détail sur l'exemple d'un tripode. Parmi les dessins annexés: la figure 1 est une vue en perspective d'un élément intérieur d'un joint homocinétique, à savoir d'un tripode, la figure 2 est une vue de dessus, en direction axiale, du tripode de la figure 1, la figure 3 représente une courbe de mesure de surface d'une face porteuse de roulement d'un tourillon fabriqué selon l'état de la technique, la figure 4 représente une courbe de mesure de surface d'une face porteuse de roulement d'un tourillon fabriqué d'après le procédé selon l'invention. L'invention va être expliquée sur l'exemple d'un tripode 10, sachant qu'elle ne doit pas être limitée à la fabrication d'un tripode. Comme le montrent les figures 1 et 2, le tripode 10 présente trois tourillons 12 qui sont disposés périphériquement autour d'un corps 14 formant moyeu. Dans la forme représentée de réalisation, chaque tourillon 12 présente sur sa périphérie extérieure une surface 16 porteuse de roulement. Les tourillons 12 sont disposés ou encore conçus de manière à s'adapter dans une bague intérieure non représentée d'un roulement. Comme de très hautes exigences sont posées aux faces 16 porteuses de roulements en matière de rugosité et d'ovalisation, on les appelle surfaces de qualité . Le corps 14 formant moyeu présente une ouverture traversante 20 dotée d'une denture 22 sur sa surface intérieure. Un tripode 10 est habituellement fabriqué à partir d'une pièce brute. Celle-ci est d'abord usinée à vert, sachant qu'on forme d'abord la denture 22, puis qu'on crée la forme finale souhaitée du tripode 10 par brochage, tournage ou meulage. Il s'ensuit un durcissement de la pièce brute. Lors du durcissement, des distorsions et une croissance de la pièce brute par suite d'enrichissements en carbone sont inévitables, c'est pourquoi la pièce brute subit habituellement ensuite un usinage dur, afin d'obtenir la forme définitive et de pouvoir respecter des tolérances prescrites. Un processus de tournage, à savoir le tournage dit dur, s'est également imposé pour l'usinage dur. On sait seulement que si la pièce brute a été meulée avant le durcissement, on peut alors renoncer à un usinage dur. Toutefois, comme on l'a déjà exposé plus haut, le meulage présente un tel nombre d'inconvénients qu'il est remplacé selon l'invention par un processus de laminage fin. Cela signifie qu'à la suite de la fabrication de la denture 22, on crée d'abord par tournage ou brochage la forme de base du tripode 10 ou encore des tourillons 12, pour ensuite donner aux faces 16 porteuses de roulements, par laminage fin, leur forme définitive dès avant le durcissement. Les faces 16 porteuses de roulements des tourillons peuvent être par exemple laminées à l'aide d'une cage de laminage évidée sous une forme conique et dotée par exemple de 7 aiguilles de laminage. Le tourillon rotatif 12 est alors introduit dans la cage de laminage évidée sous une forme conique. La pression exercée par les aiguilles de laminage dépasse le seuil d'écoulement plastique du matériau du tripode 10 ou encore du tourillon 12, de sorte qu'il se produit une déformation à froid de la couche superficielle. On a constaté qu'une certaine rugosité de la surface avant le processus de laminage fin, qui est également appelé roulage, est tout à fait avantageuse. La raison en est que le matériau en saillie peut être enfoncé dans des creux également présents. Les figures 3 et 4 représentent des résultats d'une mesure de surface d'une face 16 porteuse de roulement soumise à un tournage dur après le durcissement (figure 3) et d'une face 16 porteuse de roulement qui n'est plus usinée après le durcissement, mais laminée fin avant le durcissement (figure 4). Lors de la mesure, la rugosité de la face 16 porteuse de roulement est mesurée en direction axiale, donc en partant du corps 14 formant moyeu et en direction de l'extrémité libre. On a indiqué sur l'axe Y les fluctuations de surface en m, tandis que la fréquence d'un écart donné est portée en pourcentage sur l'axe X. Cela signifie donc que l'allure d'une courbe de mesure obtenue 24 représente l'importance du rapport de zones de contact de la surface. On cherche ici à obtenir que la courbe de mesure 24 s'étende le plus vite possible environ parallèlement à l'axe X. Cela signifie en effet que la surface fluctue en majeure partie d'une rugosité donnée, de sorte que des paliers ou galets reposant sur cette surface disposent d'une surface d'appui maximale. Il résulte des deux diagrammes qu'une surface ayant subie un laminage fin avant le durcissement a pour effet que la courbe de mesure 24 prend dès environ 10% une allure constante relativement rectiligne. Ce n'est pas le cas pour un tourillon 12 fabriqué selon l'état de la technique: la courbe s'étend ici avec une pente relativement raide sur toute la plage, donc de 0 à 100%. Il résulte également des deux figures qu'une pièce fabriquée d'après le procédé selon l'invention, à savoir dans le présent exemple un tourillon 12, connaît pendant le processus de durcissement une croissance très uniforme et pratiquement pas de distorsion. Autrement, l'allure de la courbe serait nettement plus raide, ou encore les fluctuations de la rugosité seraient plus prononcées. REVENDICATIONS 1. Procédé de finissage d'une pièce brute ou ébauche en métal, caractérisé par les étapes suivantes 1. usinage à vert de la pièce brute, 2. laminage fin de surfaces de qualité qui doivent satisfaire à de hautes exigences de qualité sur la pièce finie, 3. durcissement de la pièce brute. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce brute est constituée d'un métal forgé à chaud. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les surfaces de qualité sont formées par des faces (16) porteuses de roulements. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les surfaces de qualité sont formées par des sièges d'étanchéité. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les surfaces de qualité sont formées par des moyeux sphériques. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la pièce brute est formée par un élément d'un joint homocinétique. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la pièce brute est formée par un tripode (10). 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les surfaces de qualité sont formées par des faces (16) porteuses de roulements disposées sur des tourillons (12) du tripode (10).