EP3463713A1 - Procede de fabrication d'une piece constituee au moins partiellement d'un alliage metallique, et methode d'optimisation - Google Patents

Procede de fabrication d'une piece constituee au moins partiellement d'un alliage metallique, et methode d'optimisation

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Publication number
EP3463713A1
EP3463713A1 EP17731620.5A EP17731620A EP3463713A1 EP 3463713 A1 EP3463713 A1 EP 3463713A1 EP 17731620 A EP17731620 A EP 17731620A EP 3463713 A1 EP3463713 A1 EP 3463713A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
local reinforcement
manufacturing
reinforcement
zone
local
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17731620.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Emile Thomas Di Serio
Lionel DUPERRAY
Véronique BOUVIER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Saint Jean Industries SAS
Original Assignee
Saint Jean Industries SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Saint Jean Industries SAS filed Critical Saint Jean Industries SAS
Publication of EP3463713A1 publication Critical patent/EP3463713A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K25/00—Uniting components to form integral members, e.g. turbine wheels and shafts, caulks with inserts, with or without shaping of the components
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B21J5/002—Hybrid process, e.g. forging following casting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00—Making machine elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B3/00—General features in the manufacture of pig-iron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B1/00—Preliminary treatment of ores or scrap

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a part made at least partially of a metal alloy.
  • the invention also relates to a method for optimizing a part.
  • the field of the invention is that of the manufacture of parts made entirely or partially of a metal alloy (ferrous or non-ferrous), said manufacture including two successive operations of foundry and forging.
  • EP0586314 describes the positioning of inserts in a foundry preform, then the striking of the preform to obtain the final piece.
  • the inserts are fixedly and permanently integrated by deformation of the material, thus defining local reinforcement zones.
  • the inserts are formed separately and then attached to the body of the part constituted by the preform, which the present invention aims to avoid.
  • the weight goals of the structures are constantly decreasing, with an increase in their demands and a cost objective compatible with the market. These constraints lead today in most cases to a compromise in terms of choice of materials, process, weight and costs. For example, if a particular area of the part is subjected to high stresses, the material of this piece overall will be driven by this area and induce high costs related to the choice of this material.
  • the object of the present invention is to provide an improved manufacturing method.
  • the subject of the invention is a method for manufacturing a part made at least partially of a metal alloy, the method comprising a metallurgical manufacturing step a1) consisting of manufacturing the body of the part, characterized in that the method then comprises a reinforcing step a2) of forming a local reinforcement on the body, in a stress zone of the workpiece.
  • the invention makes it possible to locally improve the mechanical characteristics of the part, for example its resistance to fatigue or its hardness, while keeping the mass of the reinforced part as small as possible and without using an insert.
  • the invention can reduce locally a section of the room, and thus gain space.
  • the invention may make it possible to improve the overall performance of the part, for example its stiffness.
  • the metallurgical manufacturing step a1) comprises a foundry operation a1 1) of making a foundry preform, then a forging operation a12) of forging the foundry preform to obtain the body of the room.
  • This metallurgical manufacturing step a1) corresponds to the implementation of the COBAPRESS process.
  • the metallurgical manufacturing step a1) comprises a foundry operation a1 1) of manufacturing the body of the part.
  • This foundry operation a1 1) is not followed by a forging operation a12).
  • the metallurgical manufacturing step a1) comprises a forging operation a12) of manufacturing the body of the part. This forging operation at 12) is not preceded by a foundry operation a1 1).
  • the invention also relates to a method for optimizing the design of an existing part, comprising a metal alloy body, the optimization method comprising the following successive phases:
  • the part is a structural part for automobile (including a pivot type ground connection piece, steering arm, suspension arm, a cradle-type structural part ”), aeronautic, industrial equipment or medical device.
  • the local reinforcement has a surface at least 50% in contact with the body of the workpiece.
  • the local reinforcement substantially marries the body of the room.
  • the method comprises a step of surface preparation of the zone to be reinforced, between the metallurgical manufacturing step a1) and the reinforcing step a2).
  • the method comprises a step of finishing the part in the reinforced zone, after the reinforcing step a2).
  • the method comprises a surface treatment step, applied at least on one part of the body, between steps a1) and a2).
  • the method comprises a surface treatment step, applied at least on part of the part, after step a2).
  • the body and local reinforcement consist of different metal alloys.
  • the body is made of a metal alloy, while the local reinforcement consists of a composite material.
  • the body is made of a metal alloy, while the local reinforcement is made of a ceramic material.
  • Local reinforcement is formed by cold spraying.
  • Local reinforcement is formed by micro-arc oxidation.
  • the local reinforcement is formed by bonding a composite assembly taking its final shape on the body of the room.
  • Local reinforcement is formed by baking a resin.
  • Local reinforcement is formed by additive manufacturing.
  • the local reinforcement is substituted for an original portion of the body of the existing room.
  • the local reinforcement is substituted for an insert fitted, overmolded or pressed on the body of the existing part.
  • the optimized part has substantially the same dimensions as the existing part.
  • the optimized part has locally reduced dimensions compared to the existing part.
  • Figure 1 is a top view of a piece according to the state of the art, comprising a metal alloy body, manufactured in a foundry operation and a forging operation;
  • Figure 2 is a side view of the part of Figure 1;
  • Figures 3 and 4 are views similar to Figures 1 and 2, illustrating a method of optimizing the design of the part;
  • Figures 5 and 6 are views similar to Figures 1 and 2, showing an optimized part according to the invention, comprising local reinforcements formed on the body in stressed areas;
  • Figure 7 is a section along the line VII-VII in Figure 6;
  • Figures 8 to 12 are views similar to Figures 3 to 7, showing a second embodiment of an optimized part according to the invention.
  • Figures 1 to 4 is shown a part 10, comprising a one-piece body 1 1 and a tubular insert 18 fitted into the body January 1.
  • the part 10 is a ground connection part of a motor vehicle.
  • the body 1 1 is made of metal alloy, for example aluminum alloy, following two successive operations of foundry and forging.
  • the body 1 1 comprises a main portion 12, an end portion 13, and an elongated portion 14 connecting the portions 12 and 13.
  • Two openings 15 and 16 through are formed in the portion 12.
  • the opening 15 has a section substantially rectangular, while the opening 16 has a circular section.
  • the insert 18 is made of metal alloy, for example steel, then fitted, overmolded or pressed (in particular by COBAPRESS) in the opening 16 formed in the body January 1.
  • the insert 18 provides different functions between the body 1 1 and a not shown element disposed through the opening 16: thermal bonding, friction resistance, lubrication, etc.
  • FIGS. 3 and 4 are highlighted stress zones Z4, Z5 and Z6 of the part 10, respectively corresponding to elements 14, 15 and 16.
  • a stress zone of the part 10 is defined as being an area subjected to significant mechanical, thermal, friction and / or abrasion stresses when the part 10 is in use. These constraints are said to be important, insofar as they require particular attention to preserve the integrity of the part in operation, because of its environment (mechanical system to which the part is integrated, external factors, etc.).
  • the mechanical stresses can be caused by bending, torsion, traction and / or compression forces experienced by this zone;
  • the thermal stresses can be caused by a local temperature increase, permanent or temporary, suffered by this zone;
  • Frictional stresses can be caused by an electric cable that extends along the room and is likely to rub against the surface of the room in this area;
  • the abrasion stresses may be caused by a projection of materials from the ground on which the car equipped with the workpiece travels in this area.
  • zones Z4, Z5 and Z6 of the part 10 are not subjected to the same constraints in service.
  • zone Z4 we try to lighten part 14, made of metal alloy, without reducing its mechanical performance.
  • an outer portion 140 of this portion 14 may be replaced by a composite material.
  • zone Z5 it is sought to improve the resistance of the part 10 at the opening 15, without modifying the material constituting the body 1 1.
  • a portion 150 located around the opening 15 can be replaced by a metal alloy stronger than that of the body 1 1.
  • the steel insert 18 can be replaced by a coating formed in the opening 16 , by cold spraying a powder comprising metal particles (alloys of aluminum, copper, cobalt, nickel, molybdenum, aluminum quasi-crystals AI-QC ).
  • FIGS. 1 to 4 a part 20 according to the invention.
  • the part 20 is an optimized version of the part 10 shown in FIGS. 1 to 4.
  • the part 20 has a function and dimensions similar to the part 10.
  • part 20 Some components of the part 20 are comparable to those of the part 10 described above and, for the sake of simplification, bear the same reference numerals. Other elements constituting the piece 20 have differences with the piece 10 and have numerical references increased by ten.
  • the part 20 comprises a body 21, as well as various local reinforcements 40,
  • these zones Z4, Z5 and Z6 are not subjected to the same constraints in service. Under these conditions, the choice of the constituent materials of the body 21 and local reinforcements 40, 50 and 60 is a compromise in terms of performance, weight and costs.
  • the body 21 is made of metal alloy, for example aluminum alloy, following two successive operations of foundry and forging.
  • the body 21 comprises a main portion 22, an end portion 13, and an elongated portion 24 connecting the portions 22 and 13. Two openings 15 and 16 through are formed in the portion 22.
  • the body 21 comprises an elongated portion 24 provided with a local reinforcement 40.
  • the portion 24 is made of metal alloy, while the reinforcement 40 is made of composite material.
  • the reinforcement 40 is formed by sheets of carbon, glass or thermoplastic fibers (in particular poly (p-phenyleneterephthalamide, known under the trademark Kevlar), pre-coated with resin, having a quasi-finished state. is in the form of an element composite bonded to the body 21 and taking its final form directly on the body 21.
  • the reinforcement 40 is substituted for the portion 140 of the body January 1, so that the parts 14 and 24 have substantially the same dimensions.
  • the reinforcement 40 makes it possible to lighten the piece 20 in zone Z4, without reducing its mechanical performance.
  • zone Z5 a reinforcement 50 is substituted for the portion 150 of the body 11.
  • the opening 15 is formed through this reinforcement 50, in the part 22.
  • the opening 15 has the same dimensions for the parts 10 and 20.
  • the reinforcement 50 is made of metal alloy stronger than that of the body 1 1, by example by cold spraying.
  • the resistance of the part 20 is improved at the opening 15 relative to the part 10, without modifying the material of the body 21 relative to the body January 1.
  • the insert 18 is replaced by a coating 60 formed by cold spraying in the opening 16.
  • the coating 60 makes it possible to lighten the part 22 of the part 20, without diminishing its performances at the level of the opening 16.
  • the body 21 constitutes the bulk of the volume of the part, in comparison with the reinforcements 40, 50 and 60.
  • FIGS. 8 and 9 show a variant of the part 10 of FIGS. 3 and 4.
  • the stressed zones Z4 and Z6 of the part 10, respectively corresponding to the elements 14 and 16, are highlighted.
  • Z4 two portions 141 and 142 external part 14 may be replaced by a composite material.
  • zone Z6 the steel insert 18 can be replaced by a cold-spray coating in the opening 16.
  • FIGS. 8 and 9 a part 30 according to the invention.
  • the part 30 is an optimized version of the part 10 shown in FIGS. 8 and 9.
  • the part 30 has a function and dimensions similar to the part 10.
  • part 30 Some components of the part 30 are comparable to those of the part 10 described above and, for the sake of simplification, bear the same reference numerals. Other elements constituting the piece 30 differ from the piece 10 and have numerical references increased by ten.
  • the part 30 comprises a body 31, as well as various local reinforcements 41, 42 and 60 formed directly on the body 31.
  • the body 31 is made of metal alloy, for example aluminum alloy, following two successive operations of foundry and forging.
  • the body 31 comprises a main portion 12, an end portion 13, and an elongated portion 34 connecting the portions 32 and 13. Two openings 15 and 16 through are formed in the portion 12.
  • the body 31 comprises an elongated portion 34 provided with two local reinforcements 41 and 42.
  • the portion 34 is made of metal alloy, while the reinforcements 41 and 42 are made of composite material.
  • the reinforcements 41 and 42 are respectively substituted for the portions 141 and 142 of the body January 1, so that the parts 14 and 34 have substantially the same dimensions.
  • the reinforcements 41 and 42 make it possible to lighten the piece 30 in zone Z4, without reducing its mechanical performance.
  • the insert 18 is replaced by the coating 60 formed by cold spraying in the opening 16.
  • the coating 60 makes it possible to lighten the part 22 of the part 20, without diminishing its performances at the level of the opening 16.
  • each of the reinforcements 40/41/42/50/60 has a surface entirely disposed in contact with the body 21/31.
  • the surface of the reinforcement in contact with the body can be disposed at least 50% in contact with the body (and up to 100%).
  • the surface of the reinforcement is disposed at least 90% in contact with the body.
  • the part 20/30 consists at least partially of a metal alloy and comprises:
  • the body 21/31 constitutes the bulk of the volume of the part 20/30, in comparison with the reinforcements.
  • the body 21/31 is likely to constitute a functional piece alone, while the reinforcements can locally improve the characteristics of this piece.
  • Each reinforcement has a volume less than 20% of the volume of the body 21/31, preferably less than 10%.
  • the local reinforcement can be formed by cold spraying, micro-arc oxidation, additive manufacturing, baking of a resin in a mold, bonding of a composite assembly (which takes its final form on the body of the piece when the glue dries), or any other suitable technique.
  • the invention excludes the reinforcing parts attached to the body, for example by welding, screwing or pressing.
  • the invention also excludes reinforcement pieces incorporated into the body by overmolding.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a part 20/30 made at least partially of a metal alloy.
  • the method comprises the following successive steps a1) and a2):
  • the step a1) comprises a foundry operation then a forging operation, in accordance with the COBAPRESS process.
  • step a1) comprises only a foundry operation.
  • step a1) comprises only a foundry operation.
  • the method may comprise a step of surface preparation of the area to be reinforced, between steps a1) and a2), depending on the technique used in step a2).
  • this surface preparation step can comprise a brushing, a degreasing, a shot blasting, a machining or a deposit.
  • the deposit may consist in applying an adhesive to the body 21/31 of the part 20/30.
  • the method may also include a step of finishing the workpiece 20/30 in the reinforced zone, after step a2).
  • this finishing step may include machining, polishing or surface treatment.
  • the method may also include a surface treatment step. This surface treatment may be applied at least on a part of the body 21/31 between steps a1) and a2), or at least part of the part after step a2).
  • the invention also relates to a method of optimizing the design of an existing part 10, comprising a body 1 1 metal alloy. Initially, this body 1 1 is for example manufactured according to a foundry operation and / or a forging operation.
  • the optimization method comprises the following successive phases b1, b2, b3, b4 and b5:
  • an optimized part 20/30 comprising a body 21/31 modified, providing at least one local reinforcement 40, 41, 42, 50 and / or 60 formed on the body
  • b3) Define tools of metallurgical manufacture (generally foundry and / or forging) to manufacture the body 21/31 of the optimized part 20 / 30.
  • the manufacturing tools of the body 21/31 of the part 20/31 are different from the tools manufacturing body 1 1 of the original part 10.
  • the foundry shells and forging dies used to fabricate the body 11 may simply be modified to allow the body to be made 21/31.
  • b4) Fabricate the body 21/31 of the optimized part 20/30 with the tools.
  • This phase may include a foundry operation and then a forging operation, in accordance with the implementation of the COBAPRESS process. Alternatively, this phase may only include a foundry operation.
  • the part 20/30 can be adapted in terms of costs, features and performance.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce (20) constituée au moins partiellement d'un alliage métallique, le procédé comprenant une étape de fabrication métallurgique a1) consistant à fabriquer le corps (21) de la pièce (20); caractérisé en ce que le procédé comprend ensuite une étape de renfort a2) consistant à former un renforcement local (40, 50, 60) directement sur le corps (21), dans une zone sous contrainte (Z4, Z5, Z6) de la pièce (20). L'invention concerne également une méthode d'optimisation d'une pièce.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE PIECE CONSTITUEE AU MOINS
PARTIELLEMENT D'UN ALLIAGE METALLIQUE, ET METHODE D'OPTIMISATION
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce constituée au moins partiellement d'un alliage métallique. L'invention concerne également une méthode d'optimisation d'une pièce.
Le domaine de l'invention est celui de la fabrication de pièces constituées entièrement ou partiellement d'un alliage métallique (ferreux ou non ferreux), ladite fabrication incluant deux opérations successives de fonderie puis de forgeage.
Saint-Jean Industries développe le procédé COBAPRESS (marque déposée) pour l'aluminium et ses alliages depuis plus de 30 ans. Cette technologie consiste à forger une préforme de fonderie en une seule opération de forgeage, comme décrit notamment dans les documents EP01 19365, EP0586314 et EP2877353.
Le procédé COBAPRESS s'est révélé très performant pour des applications de liaisons au sol chez la plupart des constructeurs automobiles. En pratique, ce procédé permet une amélioration notable des caractéristiques mécaniques et notamment de la tenue en fatigue par rapport à la fonderie classique. D'autre part, ce procédé est compétitif par rapport à la forge en termes de coûts et de complexité géométrique réalisable.
EP0586314 décrit le positionnement d'inserts dans une préforme de fonderie, puis la frappe de la préforme pour obtenir la pièce finale. Les inserts sont intégrés de manière fixe et à demeure par déformation de la matière, définissant ainsi des zones de renforcement locales. Les inserts sont formés à part, puis rapportés sur le corps de la pièce constitué par la préforme, ce que la présente invention vise à éviter.
Aujourd'hui l'allégement des structures, dans les domaines automobile, aéronautique et industriel, est une nécessité liée à l'évolution des normes sécuritaires, environnementales et autres.
Les objectifs de poids des structures sont en perpétuelle diminution, avec une augmentation de leurs sollicitations et un objectif de coût compatible avec le marché. Ces contraintes conduisent aujourd'hui dans la majorité des cas à un compromis en termes de choix de matériaux, process, poids et coûts. A titre d'exemple, si une zone particulière de la pièce est soumise à de fortes contraintes, la matière de cette pièce au global va être pilotée par cette zone et induire des coûts élevés liés au choix de cette matière. Le but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication amélioré.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une pièce constituée au moins partiellement d'un alliage métallique, le procédé comprenant une étape de fabrication métallurgique a1 ) consistant à fabriquer le corps de la pièce, caractérisé en ce que le procédé comprend ensuite une étape de renfort a2) consistant à former un renforcement local sur le corps, dans une zone sous contrainte de la pièce.
Ainsi, l'invention permet d'améliorer localement les caractéristiques mécaniques de la pièce, par exemple sa résistance à la fatigue ou sa dureté, tout en gardant une masse de la pièce renforcée la plus faible possible et sans utiliser de pièce rapportée. En alternative ou en complément, l'invention peut permettre de réduire localement une section de la pièce, et ainsi gagner en encombrement. En outre, l'invention peut permettre d'améliorer les performances globales de la pièce, par exemple sa raideur.
Selon un premier mode de réalisation, l'étape de fabrication métallurgique a1 ) comprend une opération de fonderie a1 1 ) consistant à fabriquer une préforme de fonderie, puis une opération de forgeage a12) consistant à forger la préforme de fonderie pour obtenir le corps de la pièce. Cette étape de fabrication métallurgique a1 ) correspond à la mise en œuvre du procédé COBAPRESS.
Selon un deuxième mode de réalisation, l'étape de fabrication métallurgique a1 ) comprend une opération de fonderie a1 1 ) consistant à fabriquer le corps de la pièce. Cette opération de fonderie a1 1 ) n'est pas suivie par une opération de forgeage a12).
Selon un troisième mode de réalisation, l'étape de fabrication métallurgique a1 ) comprend une opération de forgeage a12) consistant à fabriquer le corps de la pièce. Cette opération de forgeage a 12) n'est pas précédée par une opération de fonderie a1 1 ). L'invention a également pour objet une méthode d'optimisation de la conception d'une pièce existante, comprenant un corps en alliage métallique, la méthode d'optimisation comprenant les phases successives suivantes :
b1 ) identifier une zone sous contrainte de la pièce existante, par exemple par simulation numérique ;
b2) définir une pièce optimisée comprenant un corps modifié, en prévoyant au moins un renforcement local formé sur le corps dans la zone sous contrainte ;
b3) définir des outillages de fabrication métallurgique conformes au corps de la pièce optimisée ;
b4) fabriquer le corps de la pièce optimisée avec les outillages ;
b5) former le renforcement local directement sur le corps, dans la zone sous contrainte de la pièce optimisée.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention, prises isolément ou en combinaison :
La pièce est une pièce de structure pour automobile (notamment une pièce de liaison au sol de type pivot, bras de direction, bras de suspension, une pièce de structure de type berceau...), aéronautique, équipement industriel ou dispositif médical.
Le renforcement local a une surface disposée au moins à 50% en contact avec le corps de la pièce.
Le renforcement local épouse sensiblement le corps de la pièce.
Plusieurs renforcements locaux sont formés sur le corps, dans une ou plusieurs zones sous contrainte de la pièce.
Le procédé comprend une étape de préparation de surface de la zone à renforcer, entre l'étape de fabrication métallurgique a1 ) et l'étape de renfort a2).
Le procédé comprend une étape de finition de la pièce dans la zone renforcée, après l'étape de renfort a2).
Le procédé comprend une étape de traitement de surface, appliqué au moins sur une partie du corps, entre les étapes a1 ) et a2).
Le procédé comprend une étape de traitement de surface, appliqué au moins sur une partie de la pièce, après l'étape a2).
Le corps et le renforcement local sont constitués de différents alliages métalliques. Le corps est constitué d'un alliage métallique, tandis que le renforcement local est constitué d'un matériau composite. Le corps est constitué d'un alliage métallique, tandis que le renforcement local est constitué d'un matériau céramique.
Le renforcement local est formé par pulvérisation à froid.
Le renforcement local est formé par oxydation micro-arc.
- Le renforcement local est formé par collage d'un ensemble composite prenant sa forme finale sur le corps de la pièce.
Le renforcement local est formé par cuisson d'une résine.
Le renforcement local est formé par fabrication additive.
Le renforcement local est substitué à une portion d'origine du corps de la pièce existante.
Le renforcement local est substitué à un insert emmanché, surmoulé ou pressé sur le corps de la pièce existante.
La pièce optimisée présente sensiblement les mêmes dimensions que la pièce existante.
- La pièce optimisée présente des dimensions localement réduites par rapport à la pièce existante.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
la figure 1 est une vue de dessus d'une pièce conforme à l'état de la technique, comprenant un corps en alliage métallique, fabriqué suivant une opération de fonderie puis une opération de forgeage ;
la figure 2 est une vue de côté de la pièce de la figure 1 ;
les figures 3 et 4 sont des vues analogues aux figures 1 et 2, illustrant une méthode d'optimisation de la conception de la pièce ;
les figures 5 et 6 sont des vues analogues aux figures 1 et 2, montrant une pièce optimisée conforme à l'invention, comprenant des renforcements locaux formés sur le corps dans des zones sous contrainte ;
la figure 7 est une coupe selon la ligne VII-VII à la figure 6 ; et
les figures 8 à 12 sont des vues analogues aux figures 3 à 7, montrant un deuxième mode de réalisation d'une pièce optimisée conforme à l'invention.
Sur les figures 1 à 4 est représentée une pièce 10, comprenant un corps monobloc 1 1 et un insert tubulaire 18 emmanché dans le corps 1 1 . A titre d'exemple, la pièce 10 est une pièce de liaison au sol de véhicule automobile. Le corps 1 1 est réalisé en alliage métallique, par exemple en alliage d'aluminium, suivant deux opérations successives de fonderie puis de forgeage. Le corps 1 1 comprend une partie principale 12, une partie d'extrémité 13, et une partie allongée 14 reliant les parties 12 et 13. Deux ouvertures 15 et 16 traversantes sont ménagées dans la partie 12. L'ouverture 15 a une section sensiblement rectangulaire, tandis que l'ouverture 16 a une section circulaire.
L'insert 18 est réalisé en alliage métallique, par exemple en acier, puis emmanché, surmoulé ou pressé (notamment par COBAPRESS) dans l'ouverture 16 formée dans le corps 1 1 . L'insert 18 assure différentes fonctions entre le corps 1 1 et un élément non représenté disposé à travers l'ouverture 16 : liaison thermique, résistance à la friction, lubrification, etc.
Sur les figures 3 et 4 sont mises en évidence des zones sous contrainte Z4, Z5 et Z6 de la pièce 10, correspondant respectivement aux éléments 14, 15 et 16.
Dans le cadre de la présente invention, une zone sous contrainte de la pièce 10 est définie comme étant une zone soumise à d'importantes contraintes mécaniques, thermiques, de frottement et/ou d'abrasion lorsque la pièce 10 est en service. Ces contraintes sont dites importantes, dans la mesure où elles nécessitent une attention particulière pour préserver l'intégrité de la pièce en fonctionnement, du fait de son environnement (système mécanique auquel la pièce est intégrée, facteurs externes, etc).
A titre d'exemples :
- les contraintes mécaniques peuvent être causées par des forces de flexion, torsion, traction et/ou compression subies par cette zone ;
- les contraintes thermiques peuvent être causées par une augmentation locale de température, permanente ou temporaire, subies par cette zone ;
- les contraintes de frottement peuvent être causées par un câble électrique qui s'étend le long de la pièce et est susceptible de venir frotter contre la surface de la pièce dans cette zone ;
- les contraintes d'abrasion peuvent être causées par une projection de matériaux, depuis le sol sur lequel circule l'automobile équipée de la pièce, dans cette zone.
En pratique, les zones Z4, Z5 et Z6 de la pièce 10 ne sont pas soumises aux mêmes contraintes en service.
Dans la zone Z4, on cherche à alléger la partie 14, réalisée en alliage métallique, sans diminuer ses performances mécaniques. A cet effet, une portion 140 externe de cette partie 14 peut être remplacée par un matériau composite. Dans la zone Z5, on cherche à améliorer la résistance de la pièce 10 au niveau de l'ouverture 15, sans modifier le matériau constitutif du corps 1 1. A cet effet, une portion 150 située autour de l'ouverture 15 peut être remplacée par un alliage métallique plus résistant que celui du corps 1 1.
Dans la zone Z6, on cherche à alléger la partie 12 sans diminuer les performances de la pièce 10 au niveau de l'ouverture 16. A cet effet, l'insert 18 en acier peut être remplacé par un revêtement formé dans l'ouverture 16, par projection à froid d'une poudre comprenant des particules métalliques (alliages d'aluminium, de cuivre, de cobalt, de nickel, de molybdène, d'aluminium quasi-cristaux AI-QC...).
Bien entendu, d'autres solutions peuvent être retenues en fonction du cahier des charges à respecter.
Sur les figures 5 à 7 est montrée une pièce 20 conforme à l'invention. La pièce 20 est une version optimisée de la pièce 10 montrée aux figures 1 à 4. La pièce 20 a une fonction et des dimensions similaires à la pièce 10.
Certains éléments constitutifs de la pièce 20 sont comparables à ceux de la pièce 10 décrite plus haut et, dans un but de simplification, portent les mêmes références numériques. D'autres éléments constitutifs de la pièce 20 présentent des différences avec la pièce 10 et portent des références numériques augmentées de dix.
La pièce 20 comprend un corps 21 , ainsi que différents renforcements locaux 40,
50 et 60 formés directement sur le corps 21 , respectivement dans les zones Z4, Z5 et Z6 de la pièce 10.
Comme mentionné précédemment, ces zones Z4, Z5 et Z6 ne sont pas soumises aux mêmes contraintes en service. Dans ces conditions, le choix des matériaux constitutifs du corps 21 et des renforcements locaux 40, 50 et 60 est un compromis en termes de performances, poids et coûts.
Le corps 21 est réalisé en alliage métallique, par exemple en alliage d'aluminium, suivant deux opérations successives de fonderie puis de forgeage. Le corps 21 comprend une partie principale 22, une partie d'extrémité 13, et une partie allongée 24 reliant les parties 22 et 13. Deux ouvertures 15 et 16 traversantes sont ménagées dans la partie 22.
Dans la zone Z4, le corps 21 comprend une partie allongée 24 pourvue d'un renforcement local 40. La partie 24 est réalisée en alliage métallique, tandis que le renforcement 40 est réalisé en matériau composite. Par exemple, le renforcement 40 est formé par des nappes de fibres carbone, de verre ou thermoplastique (notamment poly(p- phénylènetéréphtalamide, connu sous la marque Kevlar), pré-enduites de résine, présentant un état quasi-fini. Le renforcement 40 se présente sous forme d'un élément composite collé sur le corps 21 et prenant sa forme finale directement sur le corps 21 . Le renforcement 40 est substitué à la portion 140 du corps 1 1 , de sorte que les parties 14 et 24 présentent sensiblement les mêmes dimensions. Le renforcement 40 permet d'alléger la pièce 20 dans la zone Z4, sans diminuer ses performances mécaniques.
Dans la zone Z5, un renforcement 50 est substitué à la portion 150 du corps 1 1.
L'ouverture 15 est formée à travers ce renforcement 50, dans la partie 22. L'ouverture 15 présente les mêmes dimensions pour les pièces 10 et 20. Le renforcement 50 est réalisé en alliage métallique plus résistant que celui du corps 1 1 , par exemple par pulvérisation à froid. La résistance de la pièce 20 est améliorée au niveau de l'ouverture 15 par rapport à la pièce 10, sans modifier le matériau du corps 21 par rapport au corps 1 1 .
Dans la zone Z6, l'insert 18 est remplacé par un revêtement 60 formé par projection à froid dans l'ouverture 16. Le revêtement 60 permet d'alléger la partie 22 de la pièce 20, sans diminuer ses performances au niveau de l'ouverture 16.
Le corps 21 constitue l'essentiel du volume de la pièce, en comparaison avec les renforcements 40, 50 et 60.
Sur les figures 8 et 9 est représentée une variante de la pièce 10 des figures 3 et 4. Dans cette variante sont mises en évidence les zones sous contrainte Z4 et Z6 de la pièce 10, correspondant respectivement aux éléments 14 et 16. Dans la zone Z4, deux portions 141 et 142 externes de la partie 14 peut être remplacée par un matériau composite. Dans la zone Z6, l'insert 18 en acier peut être remplacé par un revêtement formé par projection à froid dans l'ouverture 16.
Sur les figures 10 à 12 est montrée une pièce 30 conforme à l'invention. La pièce 30 est une version optimisée de la pièce 10 montrée aux figures 8 et 9. La pièce 30 a une fonction et des dimensions similaires à la pièce 10.
Certains éléments constitutifs de la pièce 30 sont comparables à ceux de la pièce 10 décrite plus haut et, dans un but de simplification, portent les mêmes références numériques. D'autres éléments constitutifs de la pièce 30 présentent des différences avec la pièce 10 et portent des références numériques augmentées de dix.
La pièce 30 comprend un corps 31 , ainsi que différents renforcements locaux 41 , 42 et 60 formés directement sur le corps 31 .
Le corps 31 est réalisé en alliage métallique, par exemple en alliage d'aluminium, suivant deux opérations successives de fonderie puis de forgeage. Le corps 31 comprend une partie principale 12, une partie d'extrémité 13, et une partie allongée 34 reliant les parties 32 et 13. Deux ouvertures 15 et 16 traversantes sont ménagées dans la partie 12. Dans la zone Z4, le corps 31 comprend une partie allongée 34 pourvue des deux renforcements locaux 41 et 42. La partie 34 est réalisée en alliage métallique, tandis que les renforcements 41 et 42 sont réalisés en matériau composite. Les renforcements 41 et 42 sont substitués respectivement aux portions 141 et 142 du corps 1 1 , de sorte que les parties 14 et 34 présentent sensiblement les mêmes dimensions. Les renforcements 41 et 42 permettent d'alléger la pièce 30 dans la zone Z4, sans diminuer ses performances mécaniques.
Dans la zone Z6, l'insert 18 est remplacé par le revêtement 60 formé par projection à froid dans l'ouverture 16. Le revêtement 60 permet d'alléger la partie 22 de la pièce 20, sans diminuer ses performances au niveau de l'ouverture 16.
Par ailleurs, la pièce 10 / 20 / 30 peut être conformée différemment des figures 1 à 12 sans sortir du cadre de l'invention. Sur les exemples des figures 5 à 7 et 10 à 12, chacun des renforcements 40 / 41 /
42 / 50 / 60 épouse le corps 21 / 31 de la pièce 20 / 30. Autrement dit, chacun des renforcements 40 / 41 / 42 / 50 / 60 a une surface entièrement disposée au contact du corps 21 / 31.
En variante non représentée, la surface du renforcement en contact avec le corps peut être disposée au moins à 50% en contact avec le corps (et jusqu'à 100%). De préférence, la surface du renforcement est disposée au moins à 90% en contact avec le corps.
Quel que soit le mode de réalisation de l'invention, la pièce 20 / 30 est constituée au moins partiellement d'un alliage métallique et comprend :
un corps 21 / 31 en alliage métallique, fabriqué suivant une étape de fabrication métallurgique a1 ) ; et
au moins un renforcement local formé directement sur le corps 21 / 31 , dans une zone sous contrainte de la pièce 20 / 30, lors d'une étape de renfort a2) postérieure à l'étape de fabrication métallurgique a1 ).
Le corps 21 / 31 constitue l'essentiel du volume de la pièce 20 / 30, en comparaison avec les renforcements. Le corps 21 / 31 est susceptible de constituer une pièce fonctionnelle à lui seul, tandis que les renforcements permettent d'améliorer localement les caractéristiques de cette pièce. Chaque renforcement présente un volume inférieur à 20% du volume du corps 21 / 31 , de préférence inférieur à 10%. Dans le cadre de l'invention, le renforcement local peut être formé par pulvérisation à froid, oxydation micro-arc, fabrication additive, cuisson d'une résine dans un moule, collage d'un ensemble composite (qui prend sa forme finale sur le corps de la pièce lorsque la colle sèche), ou toute autre technique adaptée.
L'invention exclut les pièces de renfort rapportées sur le corps, par exemple par soudage, vissage ou pressage.
L'invention exclut également les pièces de renfort intégrées au corps par surmoulage.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une pièce 20 / 30 constituée au moins partiellement d'un alliage métallique.
Le procédé comprend les étapes a1 ) et a2) successives suivantes :
a1 ) une étape de fabrication métallurgique consistant à fabriquer le corps 21 / 31 de la pièce 20 / 30 ; et
a2) une étape de renfort consistant à former un renforcement local directement sur le corps 21 / 31 , dans une zone sous contrainte de la pièce 20 / 30. Selon un premier mode de réalisation, l'étape a1 ) comprend une opération de fonderie puis une opération de forgeage, conformément au procédé COBAPRESS.
Selon un deuxième mode de réalisation l'étape a1 ) comprend uniquement une opération de fonderie.
Selon un troisième mode de réalisation l'étape a1 ) comprend uniquement une opération de fonderie.
Le procédé peut comprendre une étape de préparation de surface de la zone à renforcer, entre les étapes a1 ) et a2), en fonction de la technique utilisée dans l'étape a2). A titres d'exemples non limitatifs, cette étape de préparation de surface peut comprendre un brossage, un dégraissage, un grenaillage, un usinage ou un dépôt. Dans le cas d'un renfort par composite, le dépôt peut consister à appliquer une colle sur le corps 21 / 31 de la pièce 20 / 30.
Le procédé peut également comprendre une étape de finition de la pièce 20 / 30 dans la zone renforcée, après l'étape a2). A titres d'exemples non limitatifs, cette étape de finition peut comprendre un usinage, un polissage ou un traitement de surface. Le procédé peut également comprendre une étape de traitement de surface. Ce traitement de surface peut être appliqué au moins sur une partie du corps 21 / 31 entre les étapes a1 ) et a2), ou au moins sur une partie de la pièce après l'étape a2).
L'invention a également pour objet une méthode d'optimisation de la conception d'une pièce 10 existante, comprenant un corps 1 1 en alliage métallique. Initialement, ce corps 1 1 est par exemple fabriqué suivant une opération de fonderie et/ou une opération de forgeage.
La méthode d'optimisation comprend les phases b1 , b2, b3, b4 et b5 successives suivantes :
b1 ) Identifier une ou plusieurs zones sous contrainte Z4 / Z5 / Z6 de la pièce 10 existante, par exemple par simulation numérique.
b2) Définir une pièce optimisée 20 / 30 comprenant un corps 21 / 31 modifié, en prévoyant au moins un renforcement local 40, 41 , 42, 50 et/ou 60 formé sur le corps
21 / 31 dans la zone sous contrainte Z4 / Z5 / Z6.
b3) Définir des outillages de fabrication métallurgique (généralement fonderie et/ou forgeage) pour fabriquer le corps 21 / 31 de la pièce optimisée 20 / 30. Les outillages de fabrication du corps 21 / 31 de la pièce 20 / 31 sont différents des outillages de fabrication du corps 1 1 de la pièce 10 d'origine. Dans certains cas, les coquilles de fonderie et matrices de forge ayant servi pour fabriquer le corps 1 1 peuvent être simplement modifiées pour permettre la fabrication du corps 21 / 31 . b4) Fabriquer le corps 21 / 31 de la pièce optimisée 20 / 30 avec les outillages. Cette phase peut comprendre une opération de fonderie puis une opération de forgeage, conformément à la mise en œuvre du procédé COBAPRESS. En alternative, cette phase peut comprend uniquement une opération de fonderie.
b5) Former le renforcement local 40, 41 , 42, 50, 60 directement sur le corps 21 / 31 , dans la zone sous contrainte Z4 / Z5 / Z6 de la pièce optimisée 20 / 30.
Les caractéristiques techniques des différents modes de réalisation et variantes mentionnés ci-dessus peuvent être, en totalité ou pour certaines d'entre elles, combinées entre elles. Ainsi, la pièce 20 / 30 peut être adaptée en termes de coûts, de fonctionnalités et de performances.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de fabrication d'une pièce (20 ; 30) constituée au moins partiellement d'un alliage métallique, le procédé comprenant une étape de fabrication métallurgique a1 ) consistant à fabriquer le corps (21 ; 31 ) de la pièce (20 ; 30), caractérisé en ce que le procédé comprend ensuite une étape de renfort a2) consistant à former un renforcement local (40, 41 , 42, 50, 60) directement sur le corps (21 ; 31 ), dans une zone (Z4, Z5, Z6) sous contrainte de la pièce (20 ; 30).
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'étape de fabrication métallurgique a1 ) comprend une opération de fonderie a1 1 ) consistant à fabriquer une préforme de fonderie ; puis une opération de forgeage a12) consistant à forger la préforme de fonderie pour obtenir le corps (21 ; 31 ) de la pièce (20 ; 30).
3. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'étape de fabrication métallurgique a1 ) comprend une opération de fonderie a1 1 ) ou une opération de forge a12) consistant à fabriquer le corps (21 ; 31 ) de la pièce (20 ; 30).
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le renforcement local (40, 41 , 42, 50, 60) a une surface disposée au moins à 50% en contact avec le corps (21 ; 31 ) de la pièce (20 ; 30).
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le renforcement local (40, 41 , 42, 50, 60) épouse sensiblement le corps (21 ; 31 ) de la pièce (20 ; 30).
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que plusieurs renforcements locaux (40, 41 , 42, 50, 60) sont formés sur le corps (21 ; 31 ), dans une ou plusieurs zones (Z4, Z5, Z6) sous contrainte de la pièce (20 ; 30).
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de préparation de surface de la zone (Z4, Z5, Z6) à renforcer, entre l'étape de fabrication métallurgique a1 ) et l'étape de renfort a2).
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de finition de la pièce (20 ; 30) dans la zone (Z4, Z5, Z6) renforcée, après l'étape de renfort a2).
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le corps (21 ;
31 ) et le renforcement local (50, 60) sont constitués de différents alliages métalliques.
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le corps (21 ;
31 ) est constitué d'un alliage métallique, tandis que le renforcement local (40, 41 ,
42) est constitué d'un matériau composite.
1 1 . Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le renforcement local (40, 41 , 42, 50, 60) est formé par pulvérisation à froid.
12. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le renforcement local (40, 41 , 42, 50, 60) est formé par oxydation micro-arc.
13. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le renforcement local (40, 41 , 42, 50, 60) est formé par collage d'un ensemble composite prenant sa forme finale sur le corps (21 ; 31 ) de la pièce (20 ; 30).
14. Procédé selon la revendication 10 ou 13, caractérisé en ce que le renforcement local (40, 41 , 42, 50, 60) est formé par cuisson d'une résine.
15. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le renforcement local (40, 41 , 42, 50, 60) est formé par fabrication additive.
16. Méthode d'optimisation de la conception d'une pièce existante (10), comprenant un corps (1 1 ) en alliage métallique, la méthode d'optimisation comprenant les phases successives suivantes :
b1 ) identifier une zone sous contrainte (Z4, Z5, Z6) de la pièce existante (10), par exemple par simulation numérique ;
b2) définir une pièce optimisée (20 ; 30) comprenant un corps (21 ; 31 ) modifié, en prévoyant au moins un renforcement local (40, 41 , 42, 50, 60) formé sur le corps (21 ; 31 ) dans la zone sous contrainte (Z4, Z5, Z6) ; b3) définir des outillages de fabrication métallurgique conformes au corps (21 ;
31 ) de la pièce optimisée (20 ; 30) ;
b4) fabriquer le corps (21 ; 31 ) de la pièce optimisée (20 ; 30) avec les outillages ; et
b5) former le renforcement local (40, 41 , 42, 50, 60) directement sur le corps
(21 ; 31 ), dans la zone sous contrainte (Z4, Z5, Z6) de la pièce optimisée (20 ; 30).
17. Méthode selon la revendication 16, caractérisé en ce que le renforcement local (40, 41 , 42, 50) est substitué à une portion d'origine (140, 150) du corps (1 1 ) de la pièce existante (10).
18. Méthode selon la revendication 16, caractérisé en ce que le renforcement local (60) est substitué à un insert (18) emmanché, surmoulé ou pressé sur le corps (1 1 ) de la pièce existante (10).
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