Brevet FR2965596A1 — publié le 20120406

Procédé de fabrication de bielle par forgeage [0001 La présente invention concerne un procédé de fabrication de bielle par forgeage. La bielle est la pièce du moteur qui permet de transformer le mouvement alternatif des pistons en un mouvement rotatif du vilebrequin. Une bielle comporte une tête munie d'un alésage pour la liaison sur le vilebrequin, un corps et un pied également muni d'un alésage pour la liaison avec le piston. La bielle subit par conséquent des sollicitations importantes de traction, compression, à-coups et vibrations. Chaque bielle doit, de ce fait, être dimensionnée au juste nécessaire afin d'optimiser les masses en mouvement (alternatif pour le pied, rotatif pour la tête). [0002] De manière connue, les bielles de moteurs utilisées peuvent être estampées à chaud sur des presses mécaniques pour certaines fabrications et sur marteaux pilons pour d'autres. De tels procédés de forgeage sont notamment décrits dans FR FR 2 746 683 qui propose de réaliser une bielle par forgeage d'une ébauche exempte de bavures latérales et comportant sur la tête et sur le pied au moins une amorce d'alésage, puis par calibrage en contenu de l'ébauche forgée par écrasement entre deux inserts à l'intérieur d'une matrice, comportant des moyens pour recevoir l'excédent de métal. [0003] Ainsi, FR-A-2 746 683, propose de réaliser le réchauffage d'un lopin d'acier pour en effectuer le laminage pour obtenir une pré-ébauche comportant à une extrémité une partie massive destinée à devenir la tête, au centre une partie étirée qui deviendra le corps de la bielle et à l'autre extrémité une partie moins massive qui devient le pied. La pré-ébauche est ensuite forgée soit par matriçage soit par estampage et on obtient alors une ébauche pourvue d'une bavure à sa périphérie. On peut alors enlevée la bavure périphérique par découpage. Pour calibrer en contenu cette ébauche, on dispose l'ébauche dans l'évidement d'une matrice puis on l'écrase entre deux inserts, l'excédent de matière étant recueilli dans un moyen prévu à cet effet de manière à ne pas affecter la géométrie de la bielle formée. On peut ainsi ajuster l'épaisseur de la tête et du pied et assurer le dressage de la bielle. Puis, on effectue ensuite un traitement thermique de l'ébauche avant de réaliser un grenaillage. [0004] Pour limiter la présence de bavures et donc les opérations d'usinage nécessaires pour les retirer, on a proposé dans FR 2 837 730 de réaliser à partir d'un lopin d'acier une étape de répartition longitudinale par laminage ou martelage après chauffage de la matière pour former une pré-ébauche cylindrique présentant dans une direction longitudinale plus de matière dans les zones d'extrémité destinées à former la tête et le pied puis à effectuer ensuite dans un premier jeu de matrices une étape de répartition longitudinale et transversale de la matière une pré-ébauche pour obtenir une ébauche sans bavure puis dans un second jeu de matrices effectuer une étape de finition par répartition de la matière longitudinalement, transversalement et en épaisseur de l'ébauche pour obtenir une bielle brute sans bavure et réaliser ensuite les alésages de la tête et du pied. Chaque jeu de matrices comporte une matrice inférieure comportant une empreinte fermée et une matrice supérieure formant poinçon et coulissant dans la matrice inférieure avec un jeu compris entre 0,3 et 0,05 mm. Ainsi grâce à une matrice fermée, on obtient une pré-ébauche et une ébauche sans bavure la matière se déplaçant pour se « répartir » lors des opérations de forgeage. Cependant, un tel procédé reste onéreux à mettre en oeuvre du fait des coûts des matrices. [0005i Les concepteurs de moteurs demandent aux fabricants de pièces brutes de gagner de la masse dans les zones peu chargées et en particulier sur les épaisseurs d'âmes de bielles. A ces demandes, s'ajoutent un besoin de réduction des tolérances des cotes d'épaisseur et de la symétrie des âmes de bielles. Toutefois, la réduction de masse qu'il est possible de réaliser sur les bielles dépend des limites de la technologie de forgeage. Ainsi les épaisseurs des âmes de bielles ne peuvent être inférieures à 2,6 / 2,8mm ce qui correspond à l'épaisseur du plan de joint lors d'un estampage. [0006] Les tolérances d'épaisseur actuelles sont de 0,8mm (±0,4mm) et la symétrie de l'âme par rapport à l'axe passant par la tête et de pied de bielle est de l'ordre de 0,4 à 0,8mm. [000n Réduire encore une telle épaisseur conduirait à un outillage de forge (matrices) qui serait conçu pour réaliser une épaisseur d'âme inférieure à 2,6 / 2,8 mm. Or, il risque de se produire une collision entre les matrices supérieures et inférieures conduisant au cas d'un coup de presse à vide. Cette collision entrainerait une dégradation rapide des outillages qui génèrerait en outre un défaut sur la pièce forgée. [000s] Les tolérances d'épaisseurs sont directement liées à la précision de l'outillage, et de la presse. Il se produit lors de l'estampage un défaut de parallélisme de la tête et du pied qui résulte de l'écart des efforts de forgeage nécessaires à la déformation de ces zones. Lors du forgeage, ces écarts ont une incidence directe sur les jeux de fonctionnement de la machine qui se traduisent par une position aléatoire du coulisseau sur lequel la matrice supérieure est fixée. [000s] Les opérations d'ébarbage (découpe de la bavure) et de débouchage (découpe de la matière situé dans l'alésage de la tête de bielle) ne peuvent pas réduire les épaisseurs d'âme ainsi que les tolérances d'épaisseurs. Seul un outillage qui maintient la bielle pendant la découpe de la bavure et de la débouchure peut limiter sa déformation et c'est ce type d'outillage qui est actuellement utilisé par de nombreux forgerons. [oolo] La présente invention a donc pour but de proposer un procédé de forgeage de type connu mais qui permet d'obtenir une âme de bielle plus fine et plus précise en épaisseur et en position tout en étant d'une mise en oeuvre économique et simple. [oo11] L'invention propose donc un procédé de forgeage d'une bielle comportant une tête, un pied et un corps ou âme s'étendant entre la tête et le pied, comprenant les étapes suivantes consistant à : - débiter de l'acier en lopin, - chauffer ledit lopin par induction, - laminer ledit lopin, - estamper une ébauche, puis - ébarber et déboucher l'ébauche, caractérisé en ce que, lors de l'étape d'estampage, est formée une ébauche de bielle dont l'âme est plus épaisse que ses ailes ou nervures et on met alors en oeuvre les étapes consistant à : - réchauffer par induction l'ébauche sous atmosphère et - à calibrer à chaud la tête et le pied de la bielle pour assurer une meilleure précision dimensionnelle et comprimer l'âme de la bielle pour en réduire l'épaisseur sans 30 générer de bavure. [0012] Ainsi de manière avantageuse, on forge des bielles de manière relativement classique mais dont l'ébauche présente une géométrie du corps permettant une réduction de la masse sans provoquer de perturbation au niveau de l'étape d'estampage en proposant une âme d'une certaine épaisseur par rapport aux ailes, l'âme présentant une cote plus épaisse que celle souhaitée pour l'âme de la bielle tandis que les ailes ou nervures présentent une cote moins épaisse que celle souhaitée pour les ailes ou nervures de la bielle, puis on rétablit la géométrie du corps de la bielle en proposant une étape supplémentaire de réduction d'épaisseur de l'âme sans avoir besoin de mettre en oeuvre des étapes complémentaires de finition, le calibrage permettant avantageusement de déplacer la matière de l'âme vers les ailes sans générer de bavure. [0013] Ainsi, le calibrage à chaud dans un outillage spécifique, contrairement à un calibrage classique qui consiste à écraser la matière, a pour but de comprimer la matière au niveau de l'âme pour la faire se déplacer de l'âme vers les ailes pour obtenir une épaisseur d'âme réduite, rétablissant ainsi la géométrie de l'âme de la bielle recherchée. Le réchauffage par induction est effectué à au moins 1000°C, de manière que le déplacement de la matière de l'âme de l'ébauche de la bielle vers ses ailes s'effectue correctement. [0014] De manière avantageuse, on peut ainsi proposer une bielle dont l'épaisseur de l'âme est réduite ce qui influe directement sur la réduction de la masse de l'attelage mobile du moteur (masse alternative et rotative). De même, on a diminué les tolérances des cotes d'épaisseur et donc on a obtenu un gain en usinage tandis qu'on a diminué également la tolérance de symétrie de l'âme ce qui a une incidence directe sur la tenue de la bielle au flambage. [0015] L'invention concerne également une ébauche de bielle, comprenant une tête, un pied et une âme s'étendant entre la tête et le pied pourvue d'ailes ou nervures, et dont l'âme présente une cote plus épaisse que celle souhaitée pour l'âme de la bielle et dont les ailes ou nervures présentent une cote moins épaisse que celle souhaitée pour les ailes ou nervures de la bielle, ainsi que la bielle obtenue par le procédé selon l'invention et un moteur à combustion interne, comportant au moins une telle bielle. [0016] On décrira maintenant l'invention plus en détails en référence au dessin dans lequel : [0017] La figure 1 représente une vue en coupe d'un exemple d'outillage de calibrage selon le procédé de l'invention ; [ools] La figure 2 représente une vue en coupe après rotation à 90°de la figure 1 ; [0019] La figure 3 représente une vue agrandie de la figure 2 ; [0020] La figure 4 représente une vue de dessus de la partie inférieure de l'exemple d'outillage de la figure 1 ; et [0021] La figure 5 représente une vue de dessus de la partie supérieure de l'exemple de d'outillage de la figure 1. [0022] Une bielle est donc constituée d'une tête comportant un alésage, un corps et un pied pouvant comporter un alésage. [0023] Pour réaliser une telle bielle, on débite un lopin d'acier que l'on chauffe par induction à une température désirée en fonction de l'acier le composant. Ainsi, pour des aciers C70 sécable, 50MnS6, 45Mn5 BT UA2, on chauffe à 1260°+/-15°C. Puis ce lopin est transformé par laminage en une pré-ébauche qui est ensuite C. Puis ce lopin est transformé par laminage en une pré-ébauche qui est ensuite soumise à une opération d'estampage pour la transformer en ébauche de bielle E. [0024] Cette ébauche E de bielle présente alors un corps présentant une âme et des ailes ou nervures, l'âme étant réalisée de manière à être plus épaisse que les ailes et l'âme présentant une cote plus épaisse que la cote de la l'âme de la bielle finale souhaitée. [0025] Ensuite, on réalise l'ébarbage et le débouchage en une seule et même opération. [0026] Après découpe des bavures de l'ébauche réalisée et débouchure, on réchauffe ainsi la bielle dans un inducteur pour atteindre une température voisine de 1150°C au moins sur l'âme de la bielle. Ce chauffage par induction est préférablement réalisé sous atmosphère (azote) de manière à limiter la formation de calamine. On peut également prévoir de réaliser ce réchauffage par un inducteur de forme similaire à celle de l'ébauche de manière à obtenir un chauffage homogène de l'ébauche et éviter le plus possible la formation de calamine. [0027] On peut ensuite décalaminer superficiellement l'ébauche de bielle par un système mécanique (brosses métalliques) ou par jet d'eau sous pression. [0028] On entreprend ensuite le calibrage à chaud de la tête et du pied de la bielle pour assurer une meilleure précision dimensionnelle et comprimer l'âme de la bielle pour en réduire l'épaisseur. [0029] Pour cela on met en place l'ébauche sur la partie inférieure 1 d'une presse pourvu de l'empreinte 2 de la bielle souhaitée finale. Puis on ferme la partie supérieure 3 de la presse sur la partie inférieure 1. Les parties inférieure 1 et supérieure 3 sont respectivement montées sur des rondelles élastiques 4 qui assurent une force de fermeture permettant d'éviter le fluage de matière en bavure lors du calibrage de l'âme puisque la matière qui est comprimée dans l'âme de bielle doit être canalisée et assurer le remplissage des ailes (nervures), mais ne doit pas s'écouler vers l'extérieur pour éviter la formation d'une nouvelle bavure. [0030] Ce calibrage de l'âme est effectué à l'aide de deux poinçons 5 ménagés au niveau de chaque partie supérieure 3 et inférieure 1. Ainsi, ces deux poinçons 5 n'interviennent au niveau de l'âme de la bielle qu'une fois la presse fermée ce qui évite la formation de bavures latérales lors du fluage de la matière. [0031] Chaque poinçon 5 porte l'empreinte de l'âme souhaitée donc avec une partie saillante pour former une âme réduite en épaisseur et des creux à remplir pour former des ailes plus hautes Ainsi, l'épaisseur de l'âme sous l'action des poinçons en regard est réduite de 1,5 à 2 mm en fonction des réglages effectuées et le remplissage des ailes ou nervures s'effectue correctement sans couler vers l'extérieur. [0032] On peut ainsi proposer une bielle dont l'épaisseur de l'âme est réduite ce qui influe directement sur la réduction de la masse de l'attelage mobile du moteur (masse alternative et rotative) sans provoquer d'usure ou de dégradation des outillages. REVENDICATIONS1. Procédé de forgeage d'une bielle comportant un pied, une tête et un corps ou âme s'étendant entre la tête et le pied, comprenant les étapes suivantes consistant à : débiter de l'acier en lopin, chauffer ledit lopin par induction, laminer ledit lopin, estamper une ébauche, puis ébarber et déboucher l'ébauche, caractérisé en en ce que, lors de l'étape d'estampage, est formée une ébauche de bielle dont l'âme est plus épaisse que ses ailes ou nervures, et on met alors en oeuvre les étapes consistant à : - réchauffer par induction l'ébauche sous atmosphère et - à calibrer à chaud la tête et le pied de la bielle pour assurer une meilleure précision dimensionnelle et comprimer l'âme de la bielle pour en réduire l'épaisseur sans générer de bavure. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réchauffe ainsi l'ébauche de bielle dans un inducteur pour atteindre une température au moins égale à 1000°C, et préférence voisine de 1150°C au moins sur l'âme de la bielle. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on décalamine superficiellement l'ébauche de après réchauffage par induction tel que par un système mécanique notamment des brosses métalliques, par jet d'eau sous pression. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on met en place l'ébauche chauffée par induction sur la partie inférieure (1) d'une presse pourvu d'une empreinte (2) de la bielle souhaitée finale, on ferme la partie supérieure (3) de la presse sur la partie inférieure (1), les parties inférieure (1) et supérieure 3) étant respectivement montées sur des rondelles élastiques (4) assurant une force de fermeture permettant d'éviter le fluage de matière en bavure lors du calibrage de l'âme effectué à l'aide de deux poinçons (5) ménagés au niveau de chaque partie supérieure (3) et inférieure (1) et les deux poinçons (5) n'interviennent au niveau de l'âme de la bielle qu'une fois la presse fermée ce qui évite la formation de bavures latérales lors du fluage de la matière. 7 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque poinçon (5) porte l'empreinte de l'âme souhaitée donc avec une partie saillante pour former une âme réduite en épaisseur et des creux à remplir pour former des ailes plus hautes. 6. Ebauche de bielle, comprenant une tête, un pied et une âme s'étendant entre la tête et le pied pourvue d'ailes ou nervures, caractérisé en ce que l'âme de l'ébauche présente une cote plus épaisse que celle souhaitée pour l'âme de la bielle et dont les ailes ou nervures présentent une cote moins épaisse que celle souhaitée pour les ailes ou nervures de la bielle, l'âme de l'ébauche étant plus épaisse que les ailes. 7. Bielle comprenant une tête, un pied et une âme s'étendant entre la tête et le pied pourvue d'ailes ou nervures, caractérisée en ce qu'elle est obtenue par le procédé selon l'une des revendications 1 à 5. 8. Moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une bielle selon la revendication 7.