Brevet FR2937572A1 — publié le 20100430

PROCEDE DE REALISATION D'UNE SURFACE D'ETANCHEITE D'UN ELEMENT DE MOTEUR, TEL QU'UNE CULASSE Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un procédé de réalisation d'une surface d'étanchéité d'un élément de moteur en alliage métallique. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de réalisation d'une surface d'étanchéité d'une culasse de moteur à combustion interne. Arrière-plan technologique Classiquement un moteur à combustion interne est composé d'un bloc-cylindres, d'une culasse et d'un joint de culasse assurant l'étanchéité entre le bloc-cylindres et la culasse. 15 Le bloc-cylindres et la culasse comprennent respectivement des surfaces d'étanchéité (encore dénommé plan de joint), c'est-à-dire des surfaces destinées à être en regard l'une de l'autre et à être en contact avec le joint culasse. Ces surfaces d'étanchéité présentent traditionnellement une parfaite planéité ainsi qu'une faible rugosité et sont réalisées par 20 usinage de ladite surface à partir d'un brut de culasse et de blocs-cylindres obtenus par fonderie. Aujourd'hui, les bruts de culasse peuvent être obtenus par fonderie selon le procédé à modèle perdu (PMP) ou "lost foam". Par rapport aux procédés classiques tel que la 25 coulée gravité en coquille métallique, cette technique offre une meilleure rentabilité, une meilleure qualité tout en permettant de faire des pièces complexe, précise et de générer moins de pollution. Les principales étapes de moulage d'une culasse par le procédé PMP consistent 30 successivement en la fabrication d'une réplique exacte de la culasse en polystyrène expansé, une mise en place de la réplique dans un moule en sable, une coulée d'un alliage métallique, le plus souvent un alliage d'aluminium, en fusion dans le moule, qui détruit la réplique en polystyrène, et après refroidissement de l'alliage métallique, un retrait du sable et un nettoyage de la culasse obtenue. 35 Toutefois, lors de la coulée de l'alliage métallique et la destruction par combustion ou sublimation de la réplique en polystyrène, il y a formation de gaz qui doit s'évacuer du10 moule. Il est apparu qu'une partie du gaz est emprisonné dans l'alliage d'aluminium et forment des fissures et/ou des porosités. L'usinage de la surface d'étanchéité fait apparaitre ces fissures et/ou ces porosités, ce qui pose des problèmes de qualité de surface d'étanchéité et de bonne coopération en étanchéité avec le joint de culasse, lorsque celui-ci est assemblé entre la culasse et le bloc-cylindres. L'invention a pour but de pallier l'inconvénient de l'art antérieur en proposant un procédé de réalisation d'une surface d'étanchéité d'un élément de moteur améliorant la qualité de surface de ladite surface d étanchéité. L'invention concerne donc un procédé de réalisation d'une surface d'étanchéité d'un élément de moteur en alliage métallique, tel qu'une culasse, comprenant les étapes consistant à : 15 - Réaliser une ébauche de la surface d'étanchéité par fraisage, - Réaliser une finition de la surface d'étanchéité par fraisage, caractérisé en ce qu'il comporte une étape consistant à réaliser une fusion de l'alliage métallique au moins sur une zone partielle de la surface d'étanchéité par une source de chaleur, pour éliminer des défauts de surface sur ladite zone partielle. 20 Avantageusement, l'étape de fusion est réalisée entre l'étape d'ébauche et l'étape de finition de la surface d'étanchéité par fraisage. On forme ainsi des zones homogènes d'alliage métallique qui après l'usinage de finition présenteront une qualité de surface suffisante pour permettre un contact à étanchéité. Avantageusement encore, l'étape de fusion est réalisée suite à l'étape d'ébauche et l'étape de finition de la surface d'étanchéité par fraisage. Dans ce cas, l'épaisseur d'alliage métallique à fondre est plus faible, ce qui permet de limiter la puissance de la source de chaleur. De plus, le procédé peut présenter individuellement ou en combinaison les caractéristiques suivantes : La surface d'étanchéité comportant des orifices de passage de fluide, avantageusement, 35 la zone partielle fondue comprend au moins une zone périphérique entourant les orifices de passage de fluide. Cette variante est guidée par une optimisation des zones à traiter. 25 30 Avantageusement, l'étape de fusion de l'alliage métallique sur la zone partielle est réalisée par un balayage de la source de chaleur sur ladite zone partielle. Préférentiellement la source de chaleur est choisie parmi un laser, un chalumeau, un faisceau d'électron, un arc électrique, une torche plasma, un moyen d'induction électrique comprenant une source d'induction correspondant à la zone partielle. L'invention a aussi pour objet un procédé d'obtention d'une culasse en alliage métallique comportant une étape de fonderie à modèle perdu et la réalisation d'une surface d'étanchéité selon l'invention. L'invention concerne aussi une culasse comportant au moins une zone partielle de sa surface d'étanchéité refondue. Enfin, l'invention a aussi pour objet un moteur à combustion interne comportant une culasse selon l'invention. Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après de deux modes particuliers de réalisation du procédé selon l'invention, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : - La figure 1 est une représentation schématique d'un moteur à combustion interne comprenant une culasse obtenue par le procédé selon l'invention. - La figure 2 est une représentation schématique d'une coupe d'une culasse sortie brute de fonderie selon le procédé dit à modèle perdu. - La figure 3 est une représentation schématique d'une section de culasse au cours d'une première étape selon un premier mode de réalisation du procédé de l'invention. - La figure 4 est une représentation schématique d'une section de culasse au cours d'une deuxième étape selon un premier mode de réalisation du procédé de l'invention. - La figure 5 est une représentation schématique de face d'un plan de joint de culasse illustrant une zone du plan de joint à traiter par fusion locale conformément au procédé de l'invention. - La figure 6 est une représentation schématique d'une section de culasse au cours d'une troisième étape selon un premier mode de réalisation du procédé de l'invention. - La figure 7 est une représentation schématique d'une section de culasse au cours d'une étape de fusion locale au niveau du plan de joint de la culasse, selon un second mode de réalisation du procédé de l'invention. Description détaillée La figure 1 présente un moteur à combustion interne 1 comprenant une culasse 2, un joint de culasse 3 et un bloc-cylindres 4. Le joint de culasse 3 est disposé serré entre la culasse 3 et le bloc-cylindres 4. Le moteur 1 peut indifféremment être un moteur de type essence ou de type encore Diesel. La figure 2 présente une coupe schématique d'une culasse 2 en alliage métallique 7, tel qu'un alliage d'aluminium, sortie brute de fonderie selon le procédé à modèle perdu (PMP) ou "lost foam". Classiquement, les principales étapes de moulage d'une culasse par le procédé PMP consistent successivement en la fabrication d'une réplique exacte de la culasse en polystyrène expansé, une mise en place de la réplique dans un moule de sable, une coulée d'un alliage métallique, le plus souvent un alliage d'aluminium, en fusion dans le moule, qui détruit la réplique en polystyrène, et après refroidissement de l'alliage métallique, un retrait du sable et un nettoyage de la culasse 2 obtenue. La culasse 2 comprend notamment une surface d'étanchéité 5, communément dénommée aussi plan de joint, destinée à venir en regard du joint de culasse 3 lors de leur assemblage avec le bloc-cylindres 4. La culasse 2 peut présenter des retraits par rapport au plan de joint 5 correspondant aux chambres de combustions 6. Lors de la destruction par combustion ou sublimation de la réplique en polystyrène, il y a formation de gaz qui doit s'évacuer du moule. Il est apparu qu'une partie du gaz est emprisonné dans l'alliage d'aluminium de la culasse 2. L'alliage d'aluminium 7 présente alors des porosités des fissures 8 et/ ou des porosités 9, (symbolisés en clair sur la figure 2). Ces porosités 8 et/ou ces fissures 9 ne sont pas obligatoirement visibles à la surface de la culasse 5, à sa sortie brute de fonderie. Le plan de joint 5 fait traditionnellement l'objet d'une rectification par passages d'une fraise d'usinage afin d'obtenir une parfaite planéité et une faible rugosité. Les figures 3 à 6 illustrent et détaillent les étapes d'un premier mode de réalisation du procédé selon l'invention. La figure 3 présente la culasse 2 au cours d'une première étape du procédé de réalisation du plan de joint 5 selon l'invention. Cette première étape de réalisation est une étape dite de fraisage en ébauche du plan de joint 5. En effet, une fraise 10 balaie le plan de joint 5, selon un sens donné à titre indicatif par la flèche 11 sur la figure 3, et procède au cours de cette première étape à un enlèvement de matière de l'ordre de quelques millimètres, à titre indicatif de l'ordre de 3 millimètres, essentiellement pour garantir la planéité dudit plan de joint 5. Toutefois, comme le montre la figure 3, cette première étape de rectification de la surface d'étanchéité 6 fait apparaitre en surface les fissures 8 et/ou les porosités 9 au niveau dudit plan de joint 5, ce qui posera des problèmes de bonne coopération du joint de culasse 3 en terme d'étanchéité, lorsque celui-ci sera ultérieurement assemblé entre la culasse 2 et le bloc-cylindres 4. La figure 4 présente la culasse 2 au cours d'une deuxième étape du procédé de réalisation du plan de joint 5 selon l'invention. Conformément à l'invention, cette deuxième étape de réalisation est une étape de fusion locale de l'alliage métallique 7. Au cours de cette deuxième étape, une source de chaleur apte à apporter une densité d'énergie suffisante pour provoquer la fonte locale d'un métal, tel qu'un faisceau laser 12, de type laser CO2 ou laser YAG focalisé sensiblement au niveau du plan de joint 5, balaie ledit plan de joint 5, selon un sens donné à titre indicatif par la flèche 13 sur la figure 4, et procède à une fusion locale de l'alliage métallique 7 au niveau de la surface du plan de joint 5. Cette fusion locale atteint aussi l'alliage métallique immédiatement sous la surface du plan de joint. La source de chaleur est alors ajustée pour effectuer la fusion locale sur une profondeur déterminée, de préférence inférieure ou égale à I mm. L'alliage métallique rendu liquide noie ainsi les défauts de surface que représentent les fissures 8 et/ou les porosités 9. Après refroidissement, on obtient finalement des zones homogènes 14 d'alliage métallique. La figure 5 présente une vue schématique de face du plan de joint 5 de la culasse 2. La culasse 2 comprend des orifices de passages d'eau 15 de refroidissement du moteur 1, des orifices de passage d'huile 16 de lubrification du moteur 1 ainsi que des ouvertures 17 correspondant aux chambres de combustion 6 traversant le plan de joint 5. La culasse 2 comprend par ailleurs des alésages 18 traversant le plan de joint 5 pour le passage de moyens de fixation de la culasse 2 au bloc-cylindres 4. Avantageusement, pour réduire le temps nécessaire au traitement du plan de joint 5 de la deuxième étape de fusion et éviter un échauffement du plan de joint 5 qui pourrait être responsable de déformations thermiques, le faisceau laser 12 balaie une zone partielle 19 du plan de joint 5 et procède à la fusion locale de l'alliage métallique, pour traiter les défauts de surface du plan de joint 5 uniquement sur ladite zone partielle 19. Toujours dans le but de réduire le temps nécessaire au traitement du plan de joint 5, le balayage de la source de chaleur que constitue le laser s'effectue sur une largeur L déterminée, de préférence comprise entre 3 et 8 mm. Selon la focalisation du laser 12, la fusion locale de l'alliage métallique peut être faite à la surface même du plan de joint, mais la fusion locale peut aussi être réalisée sous la surface du plan de joint 5, à l'instar des techniques dites de soudage par transparence. En pratique, le faisceau laser 12 peut être embarqué sur une unité de déplacement multiaxe programmable en numérique, non représenté. On peut alors programmer un parcours prédéterminé de la zone partielle 19 à traiter. Avantageusement, la zone partielle 19 comprend au moins une zone périphérique 20 entourant les orifices de passage de fluide, c'est-à-dire sur la figure 5 : les orifices de passage d'eau 15 de refroidissement du moteur 1, les orifices de passage d'huile 16 de lubrification du moteur 1 ainsi que les ouvertures 17 correspondant aux chambres de combustion 6 et pouvant constituer une source de fuite de gaz des dites chambres de combustion. Les zones périphériques 20, peuvent aussi être ajustées pour coïncider avec des zones de contact du joint de culasse 3, lorsque celui-ci sera ultérieurement assemblé entre la culasse 2 et le bloc-cylindres 4. On assure ainsi une isolation étanche des fluides traversant les orifices de passages d'eau 15, les orifices de passage d'huile 16 ainsi que les ouvertures 17 correspondant aux chambres de combustion 6. Les sources de chaleur acceptables pour la réalisation de la fusion de l'alliage métallique au niveau du plan de joint 5 ne se limitent pas au laser. En effet, le laser est une source de chaleur particulières parmi d'autres sources de chaleur aptes à réaliser une fusion locale de métal en surface que sont, par exemple, un chalumeau, un faisceau d'électron, les moyens de soudure par arc électrique, une torche plasma. Toutes ces sources provoquent une élévation de température locale et nécessitent d'être déplacées pour traiter une surface déterminée. Une autre source de chaleur aussi acceptable, non représentée, et ne nécessitant pas de balayage est un moyen de chauffage par induction électrique avec des sources d'induction disposées sur le plan de joint 5 et correspondant à la zone partielle 19. La figure 6 présente la culasse 2 au cours d'une troisième étape de réalisation du plan de joint 5, conforme à l'invention. Cette troisième étape de réalisation est une étape dite de fraisage en finition du plan de joint 5. En effet, au cours de cette troisième étape, une fraise de finition 21 balaie le plan de joint 5, selon un sens donné à titre indicatif par la flèche 22 sur la figure 6, et procède à un enlèvement d'une faible épaisseur de matière, à titre indicatif inférieure au millimètre par exemple de l'ordre de 0,5 millimètre, pour finaliser la rectification du plan de joint 5 et garantir notamment son état de surface et en particulier sa rugosité. Dans un second mode de réalisation avantageux, le procédé de réalisation de la surface d'étanchéité 5 de culasse 2, l'étape de fusion locale de l'alliage métallique est préférentiellement réalisée à la suite de l'étape de finition du plan de joint 5 par fraisage. On a alors, pour ce second mode de réalisation du procédé selon l'invention, la succession d'étape suivante : - Une première étape d'ébauche de la surface d'étanchéité 5 par fraisage, avec un enlèvement de matière de l'ordre de quelques millimètres, essentiellement pour garantir la planéité dudit plan de joint 5. - Une deuxième étape de finition de la surface d'étanchéité 5 par fraisage, avec un enlèvement de matière de faible épaisseur de matière, à titre indicatif inférieure au millimètre, par exemple de l'ordre de 0,5 millimètre, pour finaliser la rectification du plan de joint 5. - Une troisième étape, illustrée par la figure 7, de fusion de l'alliage métallique 7 au niveau du plan de joint 5, au cours de laquelle une source de chaleur, tel qu'un faisceau laser 12, de type laser CO2 ou laser YAG, focalisé sensiblement au niveau du plan de joint 5, balaie ledit plan de joint 5, selon un sens donné à titre indicatif par la flèche 23 sur la figure 7, et procède à une fusion locale de l'alliage métallique 7. Ce second mode de réalisation a pour avantage supplémentaire par rapport au premier mode de réalisation du procédé selon l'invention de nécessiter un laser 12, de moindre 5 puissance, car l'épaisseur d'alliage métallique 7 à fondre est, pour de second mode de réalisation, faible (à titre indicatif, de quelques dixièmes de millimètre) afin de ne pas dégrader la qualité du plan de joint 5 obtenue lors de la deuxième étape de finition par fraisage. Evidemment, l'application du procédé de l'invention à une surface d'étanchéité de culasse pour un moteur n'est aucunement limitative. En effet, le procédé de l'invention peut s'appliquer à toute autre pièce d'un moteur comprenant une surface d'étanchéité, par exemple un bloc-cylindres. Revendications1. Procédé de réalisation d'une surface d'étanchéité (5) d'un élément de moteur (1) en alliage métallique (7), tel qu'une culasse (2), comprenant les étapes consistant à : - Réaliser une ébauche de la surface d'étanchéité (5) par fraisage, - Réaliser une finition de la surface d'étanchéité (5) par fraisage, caractérisé en ce qu'il comporte une étape consistant à réaliser une fusion de l'alliage métallique (7) au moins sur une zone partielle (19) de la surface d'étanchéité (5) par une source de chaleur, pour éliminer des défauts de surface sur ladite zone partielle (19). 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape de fusion est réalisée entre l'étape d'ébauche et l'étape de finition de la surface d'étanchéité (5) par fraisage. 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape de fusion est réalisée suite à l'étape d'ébauche et l'étape de finition de la surface d'étanchéité (5) par fraisage. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, la surface d'étanchéité (5) comportant des orifices (15, 16, 17) de passage de fluide, caractérisé en ce que la zone partielle (19) fondue comprend au moins une zone périphérique (20) entourant les orifices (15, 16, 17) de passage de fluide. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de fusion de l'alliage métallique sur la zone partielle (19), est réalisée par un balayage de la source de chaleur sur ladite zone partielle (19). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source de chaleur est choisie parmi un laser (12), un chalumeau, un faisceau d'électron, un arc électrique, une torche plasma, un moyen d'induction électrique comprenant une source d'induction correspondant à la zone partielle (19). 7. Procédé d'obtention d'une culasse (2) en alliage métallique (7) comportant une étape de fonderie à modèle perdu et la réalisation d'une surface d'étanchéité (5) selon l'une des revendications précédentes. 8. Culasse comportant au moins une zone partielle (19) de sa surface d'étanchéité (5) refondue. 9. Moteur comportant une culasse selon la revendication 8.