PROCEDE ET DISPOSITIF D'USINAGE D'UN FÛT CYLINDRIQUE ET PROCEDE DE FABRICATION UTILISANT CE PROCEDE D'USINAGE
[0001 L'invention concerne un procédé et un dispositif d'usinage d'un fût cylindrique. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un bloc-cylindres d'un moteur thermique à combustion interne. [0002] Des procédés d'usinage connus d'un fût cylindrique comporte : û un alésage final du fût cylindrique pour obtenir les dimensions finales de ce fût cylindrique, et û la dégradation de l'état de surface d'une face interne du fût cylindrique obtenue par l'alésage final pour accroître sa rugosité. [0003] Un tel procédé est par exemple décrit dans la demande de brevet E P 1 820 874. [0004] Pour obtenir des dimensions finales très précises, on utilise un alésoir. La rugosité de la face interne du fût cylindrique obtenu après cet alésage final est très faible. Dans cette description, la rugosité est mesurée par l'écart moyen arithmétique Ra par rapport à la ligne moyenne. La ligne moyenne est calculée à partir des relevés de coupe de la face interne. C'est la ligne des moindres carrés. [0005i Par rugosité très faible, on désigne ici une rugosité inférieure à 3 lm et typiquement, inférieure à 1 ou à 0,5 µm. [0006] L'augmentation de la rugosité de la face interne du fût cylindrique a pour but de former une couche d'accroche sur laquelle un revêtement est projeté. Dans certains modes de réalisation, ce revêtement remplace avantageusement la chemise en fonte du cylindre. En effet, la chemise en fonte est plus épaisse (épaisseur supérieure à 1,5mm) que le revêtement projeté (épaisseur inférieure à 0,4mm). L'utilisation d'un revêtement à la place d'une chemise en fonte permet donc d'alléger le bloc cylindre. Pour pouvoir remplacer la chemise en fonte, ce revêtement doit adhérer fortement au fût cylindrique. De plus, il doit présenter de bonnes propriétés, identiques voire meilleures que celles des chemises en fonte pour remplir les mêmes fonctions. [0007] L'accroissement de la rugosité de la face interne du fût cylindrique permet d'améliorer l'adhésion du revêtement sur cette face interne. Toutefois, la rugosité avant dépôt créée ne doit pas être trop importante sinon cela affectera la qualité du revêtement. [000si Actuellement, pour obtenir la rugosité appropriée, on procède d'abord à l'usinage final de l'ensemble du fût cylindrique à l'aide d'un alésoir. Ensuite, l'alésoir est retiré de l'intérieur du fût cylindrique et un outil de dégradation d'état de surface spécialement conçu pour accroître la rugosité de la face interne du fût est placé à l'intérieur du fût cylindrique. Cet outil usine la face interne du fût pour augmenter sa rugosité. Ces opérations pour aléser et dégrader l'état de surface du fût cylindrique 2 sont longues et complexes. L'invention vise à simplifier le procédé d'usinage du fût cylindrique. [0009] Elle a donc pour objet un tel procédé dans lequel l'alésage pour obtenir les dimensions finales d'une partie du fût cylindrique est réalisé en même temps que la dégradation de l'état de surface d'une autre partie de la face interne du fût cylindrique. [0010] La réalisation simultanée des opérations d'alésage et de dégradation simplifie le procédé et permet également un gain de temps important. [0011] Les modes de réalisation de ce procédé d'usinage peuvent comporter la caractéristique suivante : ^ le procédé comprend le déplacement à l'intérieur du fût cylindrique d'une barre d'actionnement portant à la fois : - un alésoir en contact avec une partie de la face interne pour réaliser l'alésage final, et - un outil de dégradation d'état de surface simultanément en contact avec une autre partie de la face interne ayant déjà subi l'alésage final pour réaliser la dégradation de l'état de surface de cette autre partie de la face interne. [0012] Ces modes de réalisation du procédé d'usinage présentent en outre l'avantage suivant : û l'utilisation d'une même barre d'actionnement portant à la fois l'alésoir et l'outil de dégradation d'état de surface simplifie le procédé en évitant d'avoir à introduire successivement une barre d'actionnement portant l'alésoir et une autre barre d'actionnement portant l'outil de dégradation d'état de surface. [0013] L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un bloc- cylindres d'un moteur thermique à combustion interne comportant : û la formation d'un fût cylindrique dans le bloc-cylindres, û l'usinage du fût cylindrique, selon le procédé ci-dessus d'usinage, pour obtenir les dimensions finales de ce fût cylindrique et l'état de surface souhaité d'une face interne du fût cylindrique, puis û la projection sur la face interne du fût cylindrique d'un revêtement réduisant les frottements entre ce fût cylindrique et un piston. [0014] L'invention a également pour objet un dispositif d'usinage d'un fût cylindrique comportant : û au moins un alésoir apte à aléser le fût cylindrique pour lui donner ces dimensions finales, û au moins un outil de dégradation d'état de surface apte uniquement à dégrader l'état de surface d'une face interne du fût cylindrique pour accroître sa rugosité, et û une barre d'actionnement du déplacement de l'alésoir ou de l'outil de dégradation d'état de surface à l'intérieur du fût cylindrique, l'alésoir et l'outil de dégradation d'état de surface étant montés sur la même barre d'actionnement de manière à procéder à la dégradation d'état de surface d'une partie de la face interne du fût cylindrique en même temps que l'alésoir alèse une autre partie du fût cylindrique. [0015] Les modes de réalisation de ce dispositif peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : ^ l'outil de dégradation d'état de surface est apte à accroître la rugosité de l'état de surface de la face interne du fût cylindrique pour que sa rugosité atteigne un écart moyen arithmétique Ra par rapport à la ligne moyenne supérieure à 3 lm et inférieure à 15 lm ; ^ l'alésoir est apte à usiner le fût cylindrique avec un état de surface correspondant à une rugosité dont l'écart moyen arithmétique Ra par rapport à la ligne moyenne est inférieur à 3 pm et, de préférence, inférieur à 1 lm ; ^ l'alésoir est une plaquette d'usinage en saillie sur la périphérie extérieure de la barre d'actionnement et l'outil de dégradation d'état de surface est en saillie sur la périphérie extérieure de la même barre d'actionnement et en retrait de la plaquette d'usinage dans la direction d'alésage. [0016] Ces modes de réalisation du dispositif d'usinage présentent en outre les avantages suivants : û l'utilisation d'un outil de dégradation placé légèrement en retrait sur la même barre d'actionnement permet de réaliser simplement et en même temps l'alésage final et la dégradation d'état de surface de la face interne ainsi alésée pour augmenter sa rugosité. [0017] 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 se référant aux dessins sur lesquels : û la figure 1 est une illustration schématique partielle en coupe d'un bloc-cylindres, û la figure 2 est une illustration schématique partielle et en coupe d'un dispositif d'usinage pour former un fût cylindrique du bloc-cylindres de la figure 1, û la figure 3 est une illustration schématique et en coupe de la position d'un alésoir par rapport à un outil de dégradation d'état de surface du dispositif d'usinage de la figure 2, û la figure 4 est une illustration schématique et en coupe d'une portion de la face interne obtenue à l'aide du dispositif de la figure 2, et û la figure 5 est un organigramme d'un procédé de fabrication du bloc-cylindres de la figure 1. [0018] Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments. [0019] Dans la suite de cette description, les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détail. [0020] La figure 1 représente un bloc-cylindres 2 de moteur à combustion interne. Typiquement, il s'agit d'un bloc-cylindres d'un moteur à combustion interne d'un véhicule tel qu'un véhicule automobile. Par exemple, le véhicule automobile est une voiture. Ce bloc-cylindres comporte typiquement plusieurs cylindres. Pour simplifier la figure 1, seul un cylindre 4 a été représenté. Ce cylindre 4 s'étend le long d'un axe de révolution 6 vertical parallèlement à une direction verticale Y. L'extrémité supérieure du cylindre 4 débouche dans un plan horizontal 8 parallèle à une direction X perpendiculaire à la direction Y. Ce cylindre 4 est destiné à recevoir un piston 10 monté à coulissement le long de l'axe 6. Le piston 10 est relié par une bielle à un vilebrequin pour entraîner en rotation les roues motrices du véhicule. [0021] Le cylindre 4 est formé d'un fût cylindrique 12 creusé dans le bloc-cylindres 2. Typiquement, le bloc-cylindres 2 est en aluminium. La face interne du fût cylindrique 12, c'est-à-dire la face de ce fût tournée vers l'axe 6, est recouverte d'un revêtement 14. Le revêtement 14 remplace une chemise en fonte. A cet effet, le revêtement 14 présente des propriétés mécaniques proches, identiques ou supérieures à celle d'une chemise en fonte. Par exemple, le revêtement 14 est réalisé en métal tel que de l'acier ou un métal à base de molybdène ce qui permet de décroître le coefficient de frottement du piston 10 à l'intérieur du cylindre 4. [0022] L'épaisseur du revêtement 14 est typiquement inférieure à 1 mm et de préférence inférieure à 400ou 200 µm. En effet, plus l'épaisseur de ce revêtement 14 est faible plus le poids du bloc-cylindres 2 est réduit. [0023] La face interne du revêtement 14, c'est-à-dire celle tournée vers l'axe 6, est directement en contact avec le piston 10. [0024] La figure 2 représente un outil 20 d'usinage du fût cylindrique 12. [0025] Cet outil 20 comporte une barre d'actionnement 22 apte à se déplacer à l'intérieur du fût 12. A cet effet, l'outil 20 comporte un actionneur 24 apte à déplacer la barre 22 dans la direction d'alésage c'est-à-dire dans la direction qui s'enfonce à l'intérieur du fût 12. Cette direction d'alésage correspond à la direction Y. L'actionneur 24 entraîne également la barre 22 en rotation autour de l'axe 6. [0026] L'extrémité de la barre 22 est équipée, d'un côté, d'un alésoir 26 et de l'autre côté, d'un outil 28 de dégradation d'état de surface. [0027] L'alésoir 26 est par exemple une plaquette d'alésage dont une arête vive fait saillie au-delà de la périphérie extérieure de la barre 22. Cette arête vive vient en contact direct avec la face interne du fût 12 pour l'aléser. Typiquement, la position de cette plaquette et, en particulier, son éloignement de l'axe de révolution de la barre 22 est réglable. Les dimensions de l'alésoir 26 et son réglage sont choisis pour donner au fût 12 son diamètre intérieur définitif et final. [0028] L'alésoir 26 est suffisamment lisse pour que la face interne du fût 12 alésé par cet alésoir présente une rugosité inférieure à 3 lm et, typiquement, inférieure à un 1 µm ou 0,5 µm. Cette rugosité de la face interne du fût 12 obtenue à l'aide de l'alésoir 26 est insuffisante pour attacher correctement le revêtement 14 sur cette face interne. [0029] L'outil 28 est conçu pour remédier à cet inconvénient en dégradant l'état de surface de la face interne du fût 12 après que celle-ci ait été alésée par l'alésoir 26.
L'outil 28 augmente ainsi la rugosité de la face interne du fût 12 alésé. Par exemple, l'outil 28 est conformé pour obtenir une rugosité comprise entre 3 pm et 15 lm et, de préférence, comprise entre 5 et 10 µm. L'outil 28 est disposé par rapport à l'alésoir 26 de manière à ce que la partie de la face interne dégradée par cet outil 28 soit en retrait de la partie de la face interne du fût 12 alésée en même temps par l'alésoir 26.
A cet effet, l'outil 28 est en retrait par rapport à l'alésoir 26 dans la direction Y. [0030] La figure 3 représente par un arc de cercle 30 la position de l'arrête vive de l'alésoir 26 en train d'aléser la face interne du fût 12. Sur cette même figure, on a représenté par un rayon 32, en superposition, la position du grain de l'outil 28 en train d'éroder la face interne 12 au même instant. Cette figure illustre clairement que le point de contact entre l'alésoir 26 et le fût 12 où se produit l'alésage se situe devant le point de contact où se produit la dégradation du fût 12 par l'outil 28 dans la direction Y. La distance entre ces points de contact est faible de manière à ce que la face interne alésée soit immédiatement après dégradée à l'aide de l'outil 28. Par exemple, la distance entre les points de contact de l'alésoir 26 et de l'outil 28 est supérieure à 10 pm et, de préférence, supérieure à 100 ou 500 pm et inférieure à 1 cm. [0031] Ici, l'outil 28 présente un grain qui dégrade la face interne du fût 12. Ce grain crée des stries 34 dans la face interne du fût 12 lorsque l'outil 28 est simultanément déplacé en rotation le long de l'axe 6 et en translation dans la direction Y. [0032] La profondeur de ces stries 34 et donc la conformation de l'outil 28 est choisie pour obtenir une rugosité de la face interne du fût 12 comprise entre 5 et 10 µm. Par exemple, la profondeur des stries 34 est comprise entre 10 et 100 lm et la largeur des stries est comprises entre 50 et 200 µm. [0033] La figure 4 montre un agrandissement 38 de la paroi d'une strie 34. Cet agrandissement permet de voir que le fond des stries n'est pas lisse mais lui-même rugueux. [0034] Le procédé de fabrication du bloc-cylindres 2 va maintenant être décrit plus en détail en regard du procédé de la figure 5. [0035] Initialement, lors d'une étape 40, le bloc-cylindres 2 est formé. Par exemple, le bloc-cylindres 2 est obtenu par des procédés de fonderie. A ce stade, le bloc- cylindres comporte des fûts cylindriques brutes. [0036] Ensuite, lors d'une étape 42, on procède à l'écroûtage des fûts cylindriques et à la demi-finition du fût. [0037] Lors d'une étape 44, le fût cylindrique 12 est alésé et dégradé lors d'une seule et même opération. Pour cela, la barre 22 est déplacée à l'intérieur du fût 12.
Plus précisément, en même temps que la barre 22 s'enfonce à l'intérieur du fût 12, celle-ci est entraînée en rotation par l'actionneur 24. Ainsi, lors de ce déplacement de la barre 22, l'alésoir 26 creuse le fût cylindrique 12 pour obtenir le diamètre souhaité avec une grande précision. [0038] Dans le même temps, l'outil 28 dégrade l'état de surface d'une autre partie de la face interne du fût 12 pour augmenter sa rugosité. La partie où l'état de surface est dégradé par l'outil 28 correspond à une partie du fût 12 juste précédemment alésée. [0039] Ainsi, le dispositif 20 permet d'obtenir en une seule et même opération l'alésage du fût cylindrique 12 aux dimensions souhaitées ainsi que la création d'une face d'accroche ayant la rugosité appropriée pour recevoir le revêtement 14. [0040] Une fois l'alésage terminé et l'état de surface souhaité obtenu, la barre 22 est retirée. Par exemple, pour ne pas usiner le fût lors du retrait de la barre 22, celle-ci est désaxée ou l'alésoir 26 et/ou l'outil 28 sont rétractés pour ne pas toucher la face interne du fût. [0041] Ensuite, lors d'une étape 46, le revêtement 14 est projeté sur la face interne du fût 12. Par exemple, le revêtement 14 est déposé par projection thermique à l'aide d'une torche de projection. La projection thermique consiste à projeter des gouttelettes de métal fondu sur la face interne du fût 12. Cette projection peut être réalisée à l'aide d'un procédé de projection plasma ou à l'aide d'un procédé de projection par arcs électriques. [0042] De nombreux autres modes de réalisation sont possibles. [0043] Par exemple, plusieurs alésoirs 26 peuvent être répartis le long de la périphérie extérieure de la barre 22. De façon similaire, plusieurs outils 28 de dégradation d'état de surface peuvent être répartis le long de la périphérie de la barre 22. [0044] II existe de nombreux modes de réalisation de l'outil 28. Par exemple, le grain de l'outil 28 peut être remplacé par un angle vif creusant des stries dans la face interne ayant une section transversale en forme de « V ». [0045] Dans une autre variante, l'outil 28 est un outil composé d'abrasifs (par exemple un abrasif à base de carbure de silicium ou autres) ayant pour rôle d'éroder et dégrader la surface interne du fût afin d'obtenir l'état de surface souhaité. [0046] [0047] D'autres déplacements de la barre 22 sont également possibles. [0048] Le fût cylindrique sur lequel est projeté le revêtement 14 peut être obtenu par d'autres procédés de fabrication. Par exemple, un autre procédé de fabrication d'un bloc-cylindres d'un moteur à combustion interne, comporte : û la formation d'un creux cylindrique dans le bloc-cylindres, û l'usinage du creux cylindrique, û l'ajout par frettage d'une chemise, par exemple en acier, à l'intérieur de ce creux cylindrique pour former le fût cylindrique sur lequel doit être projeté le revêtement 14, û l'usinage de ce fût cylindrique pour obtenir les dimensions finales souhaitées et l'état de surface souhaité comme décrit précédemment, et - la projection sur la face interne de ce fût du revêtement 14 à bas coefficient de frottement. [0049] Par exemple, le revêtement 14 peut être en molybdène.