Brevet FR2947746A1 — publié le 20110114

PROCEDE DE FABRICATION D'UN COMPOSANT MECANIQUE EN FONTE [0001] L'invention concerne la fabrication de composants métalliques, et en particulier la fabrication de pièces brutes destinées à être transformées pour former des composants mécaniques métalliques, par exemple destinés à un montage dans un véhicule automobile. [0002] Un certain nombre de composants du véhicule, en particulier dans le moteur à combustion interne, sont issus de pièces brutes en métal moulé ou forgé. Parmi les composants usuellement réalisés à partir de pièces brutes métalliques, on peut notamment citer le vilebrequin, la bielle, le support moteur, les triangles de suspension avant ou arrière ou les pivots de fusées avant ou arrière. Ces pièces brutes sont proches de la géométrie finale du composant. Ces pièces brutes sont ensuite partiellement usinées avec certaines tolérances dimensionnelles pour être assemblées à d'autres composants du véhicule. [0003] Lors de la conception d'un composant, un choix de matière première et de son procédé de transformation doit être effectué. La fonte est généralement privilégiée pour son faible prix de revient et pour sa capacité à être moulée. L'acier est généralement privilégié pour ses caractéristiques mécaniques élevées et est particulièrement approprié pour une transformation par forgeage à chaud ou à mi-chaud. [0004] Dans US 4 881 427, on a proposé de réaliser un vilebrequin dont les parties principales (tourillons manetons) sont réalisées en acier forgé pour présenter ainsi des propriétés de résistance mécanique élevées tandis que les contrepoids sont réalisés moulés en fonte. Par ce choix, on peut allier les caractéristiques de l'acier forgé et une certaine liberté de forme pour les contrepoids résultant du moulage. Cependant, la partie principale étant constituée d'acier forgé, reste d'un prix de revient élevé. [0005] Il est également connu par FR2778125 de fabriquer des composants mécaniques en aluminium ou alliage d'aluminium par coulée puis pressage de la pièce entière directement en sortie coulée. Toutefois, l'emploi d'aluminium coulé/forgé pour des pièces de moteur du type vilebrequins soumis à de très importantes contraintes mécaniques n'est pas envisageable. [0006] Aucun procédé connu ne permet donc de fabriquer une pièce brute présentant à la fois un prix de revient proche d'une pièce brute moulée en fonte et une résistance mécanique proche d'une pièce brute forgée en acier. Par ailleurs, une pièce forgée en acier présente souvent des parties massives non fonctionnelles induisant un poids important. [0007] L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur un procédé de fabrication d'un composant mécanique, comprenant la formation d'une pièce brute incluant les étapes de : - moulage d'une pièce brute en fonte ; - forgeage local de la pièce brute moulée. [0008] Selon une variante, le forgeage est précédé d'une étape de préparation telle que l'élimination des bavures de moulage, un dessablage et/ou un dégraissage de la pièce brute solidifiée. [0009] La pièce brute moulée peut être solidifiée avant le forgeage. [0010] Selon encore une variante, le procédé comprend une étape de séparation de la pièce brute solidifiée en plusieurs composants, ledit forgeage local étant réalisé sur chacun desdits composants séparés. [0011] Selon une autre variante, ladite pièce forgée est une ébauche de vilebrequin. [0012] Selon encore une autre variante, le forgeage induit une réduction des cotes d'épaisseurs qui peut être comprise entre 1 à 4 mm. Elles dépendront des caractéristiques mécaniques désirées sur le produit final. Ce forgeage permet en quelque sorte de densifier la fonte dans les zones contraintes et d'obtenir des caractéristiques mécaniques supérieures à celles de la pièce brute. [0013] Selon une variante, le moulage comprend la formation d'un évidement dans la pièce brute par l'intermédiaire d'un noyau. [0014] Selon une autre variante, le procédé comprend en outre une étape d'usinage d'au moins une partie ou de la totalité de la zone forgée de la pièce brute. [0015] L'invention porte également sur un composant mécanique issu d'un procédé de fabrication tel que décrit ci-dessus. [0016] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : • la figure 1 est une représentation schématique d'un vilebrequin pouvant être fabriquée par un procédé selon l'invention ; • la figure 2 est un logigramme d'un procédé de fabrication d'un vilebrequin. [0017] L'invention propose un procédé de fabrication d'un composant mécanique. Ce procédé comprend la formation d'une pièce brute incluant les étapes de : -moulage d'une pièce brute en fonte ; -forgeage local de la pièce brute moulée. [0018] L'invention permet d'obtenir une pièce brute pour la formation d'un composant, par l'intermédiaire d'un procédé combinant le faible coût de fabrication d'une pièce en fonte et des propriétés de résistance mécanique améliorées. [0019] La figure 1 représente schématiquement un vilebrequin 1 particulièrement adapté pour être fabriqué en faisant appel aux procédés selon l'invention. Le vilebrequin 1 sert à transformer un mouvement de translation des pistons d'un moteur en un mouvement de rotation sur un arbre de sortie destiné à entraîner le véhicule. Le vilebrequin 1 comprend des tourillons 2 et 3 à ses extrémités qui servent à le guider en rotation par rapport à un carter moteur. Le vilebrequin 1 comprend des manetons 4 et 5 (autant de manetons que de pistons) excentrés par rapport à l'axe des tourillons 2 et 3 et 6. Les manetons 4 et 5 sont destinés à être assemblés avec une tête de bielle respective et ainsi entraîner le vilebrequin en rotation. Les tourillons 2, 3 et 6 ainsi que les manetons 4 et 5 sont reliés par l'intermédiaire de masses 7 (bras de liaison et contrepoids). Ces éléments du vilebrequin 1 sont avantageusement formés monobloc. [0020] La figure 2 est un logigramme d'un exemple de procédé de fabrication selon l'invention, appliqué à un vilebrequin. Lors d'une première étape 100, de la fonte ou un alliage de fonte est coulé dans un moule pour former une pièce brute. La pièce brute comprend en l'occurrence plusieurs vilebrequins bruts raccordés par un conduit de coulée. Lors d'une étape 101, la pièce brute est refroidie jusqu'à sa solidification et démoulée. Dans l'exemple illustré, la pièce brute moulée comprend quatre ébauches de vilebrequins. Lors d'une étape 102, la pièce brute solidifiée est séparée en plusieurs ébauches de vilebrequins. Lors d'une étape 103, chaque vilebrequin subit une étape de préparation préalable au forgeage. L'étape de préparation peut comprendre une phase de nettoyage des ébauches de vilebrequin. Le nettoyage peut comprendre une élimination des bavures de moulage, une élimination du sable de moulage et/ou un dégraissage. La préparation peut également comprendre une élimination de masselottes de moulage. Lors d'une étape 104, le vilebrequin préparé est soumis à un forgeage local. En réalisant le forgeage après solidification d'une pièce brute moulée, des étapes intermédiaires de traitement de cette pièce brute peuvent ainsi être réalisées (telle que l'étape de préparation). Lors d'une étape 105, des zones forgées telles que les manetons, tourillons , bras de liaison,..., et non forgées telles que contrepoids, plateau, ..., sont usinées pour présenter des tolérances géométriques permettant leur connexion à d'autres composants. [0021] Le forgeage local peut être un estampage à chaud ou mi-chaud. Il peut consister à chauffer des zones définies de l'ébauche de vilebrequin jusqu'à une température appropriée. Ces zones sont ensuite placées entre deux matrices définissant une empreinte de dimensions légèrement inférieures à celles de la pièce coulée. Ces matrices sont ensuite pressées fortement l'une contre l'autre. La pression peut être exercée à chaud ou à mi-chaud. Les vilebrequins sont forgés localement dans des zones dont les propriétés mécaniques doivent être renforcées car ce sont des zones soumises à de fortes contraintes mécaniques comme, par exemple, les bras de liaison, les manetons. Les zones forgées subissent un effet combiné de pressage à coeur et de corroyage superficiel qui permet d'améliorer sensiblement les caractéristiques mécaniques de la fonte. [0022] Le forgeage est par principe un écrasement et un refoulement de la matière première d'une ébauche. La pièce moulée est ainsi conçue pour présenter une surépaisseur adéquate selon un axe par rapport à sa dimension finale qui sera obtenue après forgeage et aux caractéristiques recherchées pour ledit produit final. Par exemple, pour un maneton de vilebrequin, on pourra envisager de mouler un vilebrequin brut présentant un maneton d'une épaisseur selon un axe de 2 à 3 mm supérieure à son épaisseur finale suite au forgeage. [0023] La combinaison d'une étape de moulage et d'une étape de forgeage peut également permettre d'abaisser le poids de la pièce brute à fabriquer. En effet, lors de l'étape de moulage, un ou plusieurs évidements peuvent être formés dans la pièce brute par l'intermédiaire d'un noyau. De tels évidements peuvent limiter la présence de surépaisseurs de la pièce brute. [0024] Bien que l'invention ait été décrite dans son application à un vilebrequin de moteur à combustion interne, l'invention peut également être appliquée à d'autres types de composants mécaniques. REVENDICATIONS1 Procédé de fabrication d'un composant mécanique (1), comprenant la formation d'une pièce brute incluant les étapes de : -moulage (100) d'une pièce brute en fonte ; -forgeage local (104) de la pièce brute moulée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le forgeage est un estampage. 3. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel la pièce brute moulée est solidifiée avant le forgeage. 4. Procédé de fabrication selon la revendication 3, comprenant une étape de séparation (102) de la pièce brute solidifiée en plusieurs composants, ledit forgeage local étant réalisé sur chacun desdits composants séparés. 5. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le forgeage est précédé d'une étape de préparation (103) telle que l'élimination des bavures de moulage, un dessablage et/ou un dégraissage de la pièce brute solidifiée. 6. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite pièce forgée est une ébauche de vilebrequin (1). 7. Procédé de fabrication selon la revendication 6, dans lequel le forgeage induit une réduction comprise entre 1 à 4 mm d'une dimension de la zone forgée. 8. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moulage (100) comprend la formation d'un évidement dans la pièce brute par l'intermédiaire d'un noyau. 9. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une étape d'usinage (105) d'au moins une partie de la zone forgée de la pièce brute. 10. Composant mécanique issu d'un procédé de fabrication selon l'une 5 quelconque des revendications précédentes.