Brevet FR2946907A1 — publié le 20101224

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE CULASSE MUNIE D'UNE PAROI DE GUIDAGE D'ECOULEMENT AU NIVEAU D'UN SIEGE DE SOUPAPE [0001] L'invention concerne la conception et la fabrication de culasses de moteurs à 5 combustion interne, et en particulier l'assemblage et l'usinage de sièges de soupape rapportés sur la culasse. [0002] Les moteurs à quatre temps sont munis de soupapes montées coulissantes dans une culasse. L'ouverture et la fermeture des soupapes permettent de définir différents cycles moteurs. Les soupapes se déplacent donc alternativement entre une 10 position où elles sont en contact avec un siège de soupape et une position où elles sont écartées du siège de soupape. Le contact entre la soupape et le siège permet d'assurer une étanchéité. Cette étanchéité étant primordiale pour garantir un bon fonctionnement du moteur, le siège de soupape fait l'objet d'un usinage de très grande précision. 15 [0003] Un grand nombre de moteurs comprend une culasse réalisée en alliage d'aluminium. Les sièges de soupapes sont le plus souvent réalisés en acier et emmanchés dans des alésages ménagés dans la culasse. [0004] Les législations en vigueur imposent des niveaux d'émission de gaz polluants sans cesse plus réduits. Ainsi, de nombreux développements des moteurs 20 visent à réduire ces niveaux d'émission. Certains développements portent sur le traitement des gaz d'échappement générés par le moteur. D'autres développements visent à optimiser le fonctionnement et la combustion du moteur. [0005] Parmi les évolutions techniques proposées pour réduire les émissions, certains moteurs présentent des parois de guidage (aussi appelées masking walls en 25 langue anglaise) concentriques aux sièges de soupapes. Les parois de guidage ont pour fonction de générer un tourbillon de gaz selon un axe parallèle à la course du piston. Lorsqu'une soupape est en contact avec son siège, sa tête reste en saillie par rapport au siège en direction de la chambre de combustion. Dans cette position, la tête de soupape est entourée sur une portion angulaire par la paroi de guidage. La 30 paroi de guidage canalise l'écoulement de gaz autour de la tête de soupape au début de sa course d'ouverture. La paroi de guidage doit garantir une section d'écoulement constante, contrôlée et réduite sur le début de la course d'ouverture de la soupape. [0006] Selon un procédé de fabrication connu d'une culasse, des parois de guidage sont usinées dans l'aluminium de la culasse de façon concentrique par rapport à des alésages d'emmanchement de sièges de soupapes. Un épaulement est formé entre le fond d'une paroi de guidage et l'alésage d'emmanchement correspondant. Des sièges de soupape formés en acier fritté sont ensuite emmanchés dans les alésages. Les sièges de soupapes subissent ensuite un usinage de finition de façon à rester en saillie par rapport au fond de l'épaulement. Une première technique consiste à réaliser un usinage en plongée des sièges. L'outil de coupe présente alors plusieurs plaquettes d'usinage décalées axialement et angulairement. L'inclinaison des différentes plaquettes par rapport à la direction de coupe permet de définir le profil du siège usiné. Une seconde technique consiste à réaliser un usinage par chariotage des sièges. L'outil de coupe présente alors une plaquette qui est déplacée axialement et radialement pour définir la forme du siège de soupape. [0007] L'emmanchement et l'usinage d'un siège induisent des dispersions sur sa concentricité avec sa paroi de guidage. Par conséquent, la section d'écoulement n'est pas uniforme autour de la soupape, ce qui réduit considérablement l'efficacité de la paroi de guidage. Ces dispersions peuvent avoir une incidence importante sur l'efficacité de la paroi de guidage puisque le jeu entre la soupape et la paroi de guidage est relativement réduit. De telles dispersions peuvent induire une augmentation du niveau de rejet de polluants. Des tolérances de concentricité plus réduites induisent un surcoût non négligeable du processus de fabrication. De plus, il est délicat d'usiner le siège de soupape sans détériorer la paroi de guidage avec l'outil de coupe, puisqu'une partie de l'outil de coupe doit dépasser radialement du bord du siège et s'approcher de la paroi de guidage pour pouvoir usiner intégralement le siège. Le risque de contact entre l'outil de coupe du siège de soupape et la paroi de guidage croit avec le défaut de concentricité. Par ailleurs, l'outil de coupe n'étant pas prévu pour usiner de l'aluminium, celui-ci se détériore de façon accélérée, notamment du fait des variations de températures induites par un contact et une fusion de l'aluminium. Le coût de l'outillage se trouve alors fortement accru. [0008] L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur un procédé d'usinage d'une culasse formée d'un premier matériau et comprenant un siège de soupape rapporté formé d'un second matériau, le procédé comprenant l'usinage en une même passe du siège de soupape et d'une paroi de guidage, la paroi de guidage étant formée dans la culasse concentrique avec le siège, le siège de soupape et la paroi de guidage étant usinés durant ladite même passe respectivement par des première et deuxième plaquettes d'usinage distinctes. [0009] Selon une variante, la deuxième plaquette d'usinage est distante du siège lorsque la première plaquette usine le siège. [0010] Selon encore une variante, la première plaquette d'usinage est distante de la paroi de guidage lorsque la deuxième plaquette usine la paroi de guidage. [0011] Selon une autre variante, les première et deuxième plaquettes sont formées 10 de matériaux distincts. [0012] Selon encore une autre variante, l'usinage du siège est réalisé durant ladite même passe par la première plaquette et au moins une troisième plaquette présentant une orientation distincte par rapport à la direction de coupe. [0013] Selon une variante, ledit usinage est suivi d'une étape de chariotage du 15 siège de soupape. [0014] Selon encore une variante, le procédé comprend l'usinage dans la même passe d'un guide de queue de soupape rapporté dans la culasse et concentrique avec le siège. [0015] Selon une autre variante, la paroi de guidage usinée est cylindrique. 20 [0016] Selon encore une autre variante, la paroi de guidage s'étend à la périphérie du siège. [0017] Selon une variante, les première et deuxième plaquettes sont montées sur un même porte-outil. [0018] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement 25 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 vue en coupe transversale d'une culasse ; • la figure 2 est une vue en coupe au niveau d'un siège de soupape ; • la figure 3 est une vue en coupe d'un siège de soupape en présence de la soupape; • la figure 4 est une vue en coupe d'un siège de soupape et d'une paroi de guidage avec leurs plaquettes d'usinage ramenées dans un même plan ; • la figure 5 est une vue en coupe d'un siège de soupape et d'une paroi de guidage avec d'autres plaquettes d'usinage ramenées dans un même plan; • la figure 6 est une vue de côté d'un porte-outil ; • la figure 7 illustre plusieurs vues de côté du porte-outil de la figure 6 selon différents angles ; • la figure 8 représente plusieurs vues de côté d'un autre porte-outil selon une variante. [0019] L'invention propose un procédé d'usinage d'une culasse de moteur à combustion interne. En partant d'une culasse formée d'un premier matériau et comprenant un siège de soupape rapporté formé d'un second matériau, on usine dans une même passe le siège de soupape et une paroi de guidage formée dans la culasse concentrique avec le siège. Le siège de soupape et la paroi de guidage sont usinés dans la même passe par des plaquettes d'usinage distinctes. [0020] Ainsi, on obtient une excellente concentricité entre le siège de soupape et la paroi de guidage. Cette concentricité permet en outre de réduire le risque d'un contact entre une plaquette et un matériau pour lequel elle n'est pas adaptée lors d'un usinage de finition ultérieur. De plus, on peut éliminer le risque de contact entre une plaquette et le matériau pour lequel elle n'est pas adaptée durant ladite passe. La fréquence de changement des plaquettes et le coût d'usure d'outil pour la fabrication de la culasse sont ainsi réduits. [0021] On peut noter qu'une plaquette en nitrure de bore cubique est fréquemment utilisée pour l'usinage de sièges de soupapes en acier. Une telle plaquette présente une durée de vie très amoindrie lors de fortes variations de températures, notamment du fait de l'apparition de fissures. De fortes variations de températures apparaissent notamment lors d'un contact avec l'aluminium de la culasse, induisant une fusion de l'aluminium et son dépôt sur la plaquette. Une plaquette en diamant polycristallin est également fréquemment utilisée pour l'usinage de parois de guidage dans l'aluminium de la culasse. La durée de vie d'une telle plaquette peut également être fortement amoindrie lors d'un contact avec l'acier du siège de soupape. [0022] La figure 1 est une vue en coupe d'une culasse 1. La culasse 1 présente un corps 11 réalisé en alliage léger, par exemple en aluminium. Le corps 11 est par exemple formé par moulage. La culasse 1 délimite d'une part un conduit d'admission 12 et un conduit d'échappement 13 débouchant dans la partie supérieure 16 d'une chambre de combustion. Les conduits 12 et 13 sont destinés à être obturés sélectivement par des soupapes respectives non représentées. La culasse 1 comporte des sièges de soupape destinés à assurer une étanchéité lorsqu'ils sont en contact avec les soupapes. Les soupapes sont montées coulissantes dans la culasse 1 par l'intermédiaire de guides de queue de soupape 14 et 15. Les guides de queue de soupape 14 et 15 peuvent être emmanchés dans la culasse 1. Les guides de queue de soupape 14 et 15 sont formés concentriques avec leurs sièges de soupape respectifs. [0023] La figure 2 est une vue en coupe de la culasse 1 au niveau d'un siège de soupape 2 ayant été usiné. Le siège de soupape 2 est rapporté et emmanché dans un alésage de la culasse 1. Le siège de soupape 2 est formé d'un autre matériau que la culasse 1, par exemple de l'acier. Le siège de soupape 2 présente des surfaces 21 à 23 usinées selon différentes inclinaisons par rapport à l'axe de la course de la soupape. Une paroi de guidage 3 est formée concentrique avec le siège de soupape 2. La paroi de guidage 3 s'étend axialement au-delà du siège de soupape 2. Un épaulement raccorde la paroi de guidage 3 à l'alésage dans lequel le siège 2 est emmanché. Le siège 2 est en saillie axialement par rapport à cet épaulement, afin d'éviter les interférences entre une soupape et l'épaulement. [0024] La figure 3 est une vue en coupe de la culasse 1 en présence d'une soupape 4 d'admission en contact avec le siège 2. Un jeu radial J est ménagé entre la paroi 3 et le bord radial de la soupape 4. La paroi 3 s'étend axialement de façon à guider les gaz au moins sur le début de la course d'ouverture de la soupape 4. La paroi 3 peut ne pas entourer l'intégralité de la soupape 4 et du siège 2. La paroi 3 peut ainsi s'étendre radialement selon un angle compris entre 100 et 200° autour du siège 2. La paroi 3 est avantageusement de forme cylindrique avec une génératrice parallèle à l'axe de la soupape. [0025] La figure 4 représente une étape d'usinage de la culasse 1 en rapportant différentes plaquettes d'usinage dans un même plan pour des raisons de lisibilité. L'usinage représenté est un usinage par plongée, dans lequel le déplacement axial d'arêtes de coupe génère la forme souhaitée. Différentes plaquettes d'usinage 51 à 54 sont fixées de façon connue en soi de façon amovible sur un porte-outil d'usinage 5 détaillé ultérieurement. Les plaquettes 51 à 54 étant fixées de façon amovible, elles peuvent être changées indépendamment les unes des autres en fonction de leurs usures respectives. Les plaquettes 51 à 54 sont fixes les unes par rapport aux autres. Les plaquettes 51 à 53 sont adaptées pour réaliser un usinage optimal du matériau du siège 2. Les plaquettes 51 à 53 présentent des orientations distinctes par rapport à la direction de coupe (axe de la soupape), qui permettent de réaliser les différentes inclinaisons 21 à 23 du siège 2. La plaquette 54 est adaptée pour réaliser un usinage optimal du matériau de la paroi 3. La plaquette 54 est intrinsèquement distincte des plaquettes 51 à 53, et présente par exemple une géométrie de son arête de coupe ou un matériau constitutif distincts. Les plaquettes 51 à 54 peuvent être réparties radialement à intervalles réguliers autour de l'outil d'usinage 5. [0026] Lorsque le porte-outil 5 est déplacé selon la direction de coupe, on réalise dans une même passe l'usinage du siège 2 et de la paroi de guidage 3, garantissant une excellente concentricité. De plus, chaque plaquette n'entre en contact qu'avec le matériau pour l'usinage duquel elle est optimisée, améliorant ainsi sensiblement sa durée de vie. [0027] En pratique, la plaquette 53 peut protéger la plaquette 54 d'un contact avec le siège 2 et réciproquement la plaquette 54 peut protéger la plaquette 53 d'un contact avec la paroi 3. Comme illustré à la figure 4, durant l'usinage du siège 2 par la plaquette 53, la plaquette 54 est disposée en retrait axialement. Par conséquent, la plaquette 54 reste distante du siège 2. De façon similaire, durant l'usinage de la paroi 3 par la plaquette 54, la plaquette 53 est disposée en retrait radialement. Par conséquent, la plaquette 53 reste distante de la paroi 3. L'usinage du siège 2 durant ladite passe peut être un usinage d'ébauche ou un usinage de finition. Si un chariotage de finition ultérieur du siège 2 est prévu dans la gamme de fabrication, l'excellente concentricité limite les risques que l'outil de chariotage entre en contact avec la paroi de guidage 3. [0028] Les figures 6 et 7 représentent des vues de côté du porte-outil 5 sur lequel les plaquettes 51 à 54 sont fixées. Les plaquettes 51 à 54 sont décalées radialement de 90° les unes par rapport aux autres. Le porte-outil 5 présente un doigt en saillie axialement. Une plaquette de finition 59 adaptée pour l'usinage d'un guide de soupape est disposée au niveau de l'extrémité du doigt. Un usinage du guide de soupape concentrique au siège 2 peut ainsi être réalisé dans une même passe d'usinage du porte-outil 5. Le porte-outil 5 est destiné à être accouplé de façon connue en soi à une machine tournante l'entraînant en translation selon la direction de coupe et en rotation. [0029] La figure 5 représente une étape d'usinage de la culasse 1 en rapportant différentes plaquettes d'usinage dans un même plan pour des raisons de lisibilité. L'usinage représenté est un usinage d'ébauche en plongée du siège 2. Les plaquettes d'usinage 54 à 56 sont fixées de façon amovible sur un porte outil d'usinage 5 illustré à la figure 8. Les plaquettes 54 à 56 sont décalées radialement de 120°. Les plaquettes 54 à 56 sont fixes les unes par rapport aux autres. Les plaquettes 55 et 56 sont adaptées pour réaliser un usinage optimal du matériau du siège 2. Les plaquettes 55 et 56 sont par exemple réalisées en nitrure de bore cubique. La plaquette 55 dispose d'une lame de coupe présentant une orientation adéquate pour ébaucher l'usinage d'une inclinaison du siège 2. La plaquette 54 est adaptée pour réaliser un usinage optimal du matériau de la paroi 3. La plaquette 54 est par exemple réalisée en diamant polycristallin. La plaquette 54 est intrinsèquement distincte des plaquettes 55 et 56. La plaquette 56 présente une lame de coupe décalée axialement par rapport à la plaquette 54 pour protéger cette dernière d'un contact avec le siège 2 durant l'usinage. De façon similaire, la plaquette 54 est décalée radialement par rapport à la plaquette 55 pour protéger cette dernière d'un contact avec la paroi 3 durant l'usinage. Les risques de détérioration accidentelle des plaquettes 54 et 55 sont ainsi réduits. Comme dans le mode de réalisation précédent, une même passe d'usinage permet d'usiner le siège 2 et la paroi de guidage 3, garantissant une concentricité optimale. Le porte outil 5 présente également un doigt au niveau de son extrémité axiale afin de réaliser l'usinage d'un guide de queue de soupape dans la même passe. [0030] Durant l'usinage, la plaquette 55 pourra usiner le bord inférieur du siège 2 pour former un méplat. La plaquette 55 présente à cet effet une lame de coupe perpendiculaire à la direction d'usinage. Ainsi, on peut supprimer une extrémité pointue du siège 2 à l'origine d'une zone de fragilité. De plus, on diminue les risques de formation d'un point chaud au niveau du siège 2 durant le fonctionnement. La formation du méplat permet également de réduire la proximité entre un outil de coupe et la paroi 3 lors d'un chariotage de finition ultérieur, puisque la course radiale de l'outil peut être réduite au niveau du méplat. REVENDICATIONS1. Procédé d'usinage d'une culasse (1) formée d'un premier matériau et comprenant un siège de soupape (2) rapporté formé d'un second matériau, le procédé comprenant l'usinage en une même passe du siège de soupape et d'une paroi de guidage (3), la paroi de guidage étant formée dans la culasse concentrique avec le siège, le siège de soupape et la paroi de guidage étant usinés durant ladite même passe respectivement par des première (53) et deuxième (54) plaquettes d'usinage distinctes. 2. Procédé d'usinage selon la revendication 1, dans lequel la deuxième plaquette d'usinage (54) est distante du siège (2) lorsque la première plaquette (53) usine le siège (2). 3. Procédé d'usinage selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la première plaquette d'usinage (53) est distante de la paroi de guidage (3) lorsque la deuxième plaquette (54) usine la paroi de guidage (3). 4. Procédé d'usinage selon l'une quelconque des revendications précédentes,dans lequel les première et deuxième plaquettes (53, 54) sont formées de matériaux distincts. 5. Procédé d'usinage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'usinage du siège est réalisé durant ladite même passe par la première plaquette et au moins une troisième plaquette (51, 52) présentant une orientation distincte par rapport à la direction de coupe. 6. Procédé d'usinage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ledit usinage est suivi d'une étape de chariotage du siège de 30 soupape (2). 7. Procédé d'usinage selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant l'usinage dans la même passe d'un guide de queue de soupape (14) rapporté dans la culasse (1) et concentrique avec le siège (2). 8. Procédé d'usinage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la paroi de guidage usinée est cylindrique. 9. Procédé d'usinage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la paroi de guidage (3) s'étend à la périphérie du siège (2). 10. Procédé d'usinage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les première et deuxième plaquettes (53, 54) sont montées sur un même porte-outil (5).15