FR3093661A1 - Procédé de fabrication d’une pièce de pignonnerie, notamment pour une boîte de vitesse de véhicule automobile - Google Patents

Procédé de fabrication d’une pièce de pignonnerie, notamment pour une boîte de vitesse de véhicule automobile Download PDF

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PROCÉDÉ DE FABRICATION D’UNE PIÈCE DE PIGNONNERIE, NOTAMMENT POUR UNE BOÎTE DE VITESSE DE VÉHICULE AUTOMOBILE Le procédé comprend une première opération de nettoyage, une deuxième opération de mise en précontrainte et une troisième opération d’obtention d’un état de surface déterminé, ces première, deuxième et troisième opérations intervenant au moins sur la denture de la pièce de pignonnerie et étant réalisées dans le processus de fabrication entre des étapes préalables (S1 à S7) et des étapes postérieures (S9 à S12) de fabrication de la pièce. Conformément à l’invention, le procédé comprend une étape de grenaillage spécifique (S8), exécutée entre les étapes préalables et les étapes postérieures de fabrication, pendant laquelle les première, deuxième et troisième opérations sont réalisées simultanément. Figure 2

Description

PROCÉDÉ DE FABRICATION D’UNE PIÈCE DE PIGNONNERIE, NOTAMMENT POUR UNE BOÎTE DE VITESSE DE VÉHICULE AUTOMOBILE
La présente invention se situe de manière générale dans le domaine de la fabrication des pièces métalliques soumises à de fortes contraintes, tant mécaniques que thermiques, et des traitements qui leur sont apportés afin d’améliorer leur durée de vie. Plus particulièrement, l’invention se rapporte à un procédé de fabrication d’une pièce de pignonnerie. L’invention se rapporte également à une pièce de pignonnerie, telles que pignon, roue et couronne dentée, notamment pour une boîte de vitesse automobile, obtenue par la mise en œuvre du procédé susmentionné.
Les normes et les réglementations environnementales de pollution qui s’imposent aux constructeurs automobiles conduisent à un développement rapide de véhicules thermiques et hybrides dont la consommation énergétique doit être réduite. Des contraintes accrues s’appliquent sur les groupes motopropulseurs des véhicules et affectent la conception des boîtes de vitesse et des engrenages qu’elles contiennent.
Une réduction du poids de la boîte de vitesse doit être obtenue tout en préservant la tenue fonctionnelle de celle-ci. Les fabricants de pièces de pignonnerie doivent ainsi répondre à des demandes de modification concernant le type, la taille et la qualité des pièces. Ils doivent pouvoir fournir des pièces avec des flancs de dentures de haute qualité et avec des modifications topologiques spéciales, pour un accroissement de la capacité de tenue en chargement des engrenages et une réduction de la bruyance de la denture.
La boîte de vitesse doit répondre à plusieurs critères de tenue en service, tels que la résilience, la tenue à la fatigue et la tenue à l’écaillage des surfaces de contact des engrenages. La réduction de poids des engrenages implique des renforcements optimisés et maitrisés des pièces de pignonnerie afin de pouvoir préserver la tenue fonctionnelle de la boîte de vitesse.
Les renforcements recherchés peuvent être obtenus par des traitements thermiques ou thermochimiques, tels que des traitements de cémentation et carbonitruration, et/ou des traitements mécaniques tels que le grenaillage.
Les traitements effectués permettent d'augmenter la dureté en surface, par écrouissage ou par des transformations métallurgiques. L’accroissement de la dureté procure généralement une bonne résistance aux efforts de fatigue, en minimisant les dommages causés par l'usure et les effets en sous-couches dus aux chargements répétés. De plus, ces traitements introduisent des contraintes de compression dans les couches superficielles de la pièce, contraintes qui découlent d’hétérogénéités entre différentes déformations au sein de la pièce (déformations plastiques, expansions volumiques dues aux changements de température ou aux transformations des phases métallurgiques). Ces contraintes résiduelles de compression améliorent significativement la limite d'endurance lors des efforts cycliques car, d’une part, elles s'opposent aux contraintes de traction résiduelles, par exemple, causées par les procédés de fabrication, ou diminuent en service l'effet de contrainte globale et, d’'autre part, elles freinent la propagation de fissures amorcées.
Les traitements thermochimiques sont réalisés dans des fours et permettent d’enrichir les pièces de pignonnerie en carbone et/ou en azote, afin de les rendre plus résistantes aux efforts mécaniques et à l’usure et garantir ainsi leur durée de vie.
Les pièces de pignonnerie bénéficient aussi habituellement d’un traitement de surface mécanique de mise en compression qui est le grenaillage de précontrainte, appelé "shot-peening" en anglais. Ce traitement de surface mécanique est approprié pour accroître la durée de vie des pièces soumises à des sollicitations cycliques, ce qui est le cas des pièces de pignonnerie d’une boîte de vitesse. Le grenaillage de précontrainte ne doit pas être confondu avec d’autres applications courantes du grenaillage visant le nettoyage, la préparation ou la finition des surfaces.
Le grenaillage de précontrainte conventionnel consiste à projeter à grande vitesse des projectiles, appelés « grenailles » ou « media de grenaillage », sur la surface des pièces à traiter. Les grenailles sont composées typiquement de petites billes de métal, de verre ou de céramique, ou de portions de fil coupées. Des systèmes à air comprimé et à turbine sont utilisés classiquement. D’autres techniques, telles que le grenaillage par ultrasons et le grenaillage laser, sont également connues pour la mise en compression des matériaux et sortent du cadre traité ici.
Les documents US20150231763A1, EP2436487A1 et FR2889669A1 décrivent différentes techniques de grenaillage de précontrainte connues dans l’état de la technique.
Dans le grenaillage de précontrainte conventionnel, les impacts répétés des grenailles déforment plastiquement la surface du matériau en l’étirant, créant ainsi une incompatibilité de déformation avec le reste de la masse de matériau. Lorsque la continuité de la matière est respectée (absence de fissuration), une sous-couche est mise en compression et des couches plus profondes sont en traction, ce qui conserve l’équilibre global des contraintes dans la structure.
Des essais de caractérisation en fatigue à la flexion sur des dentures de pignons de boîte de vitesse ont montré que la limite d’endurance était améliorée en fonction du niveau de contraintes résiduelles introduit par grenaillage, à métallurgie initiale et à traitement thermique identiques au départ. Ainsi, par exemple, la limite d’endurance est augmentée de 15% pour une couronne de pont de boîte de vitesse en acier de nuance « 29MnCr5 » ayant subi une carbonitruration suivie d’une trempe dans l’huile et grenaillée à la turbine avec une bille d’acier coulé ou à la buse d’air comprimé avec une bille d’acier en fil coupé.
Avec les contraintes accrues susmentionnées qui s’appliquent sur la conception des boîtes de vitesse, il peut s’avérer nécessaire dans l’état de la technique de réaliser une rectification des dentures de certains pignons après le traitement thermochimique et le grenaillage. Cette rectification a pour objet d’obtenir un état de finition adéquat des surfaces portantes pour une réduction de la bruyance. La rectification permet de rattraper des déformations dues notamment au traitement thermique et d’appliquer des corrections de denture par l’enlèvement d’une épaisseur de matière. Le retrait de matière peut être important (environ 0,1 mm par flanc), ce qui autorise de récupérer des déformations conséquentes. Typiquement, la hauteur maximale de profil (rugosité Rz) obtenue après cette opération est comprise entre 5 et 10 μm.
Cette opération de rectification des dentures réalisée après le traitement thermochimique et le grenaillage présente des inconvénients indiqués ci-dessus.
Le prix de revient de la pièce est élevé. Celui-ci est impacté par un temps de process accru, un investissement nécessaire important en machine et en outillage et le coût de maintenance associé.
La profondeur de traitement thermochimique doit être accrue, car la rectification enlève une épaisseur de matière importante jusqu’à 0,1mm. La profondeur de traitement thermochimique doit alors être de 0,5 mm pour une dureté Vickers de 650 HV, au lieu de 0,35 mm sans rectification. Il en découle une augmentation de l’ordre de 50% de la durée du traitement thermochimique pour atteindre cette épaisseur 0,5 mm.
Le grenaillage de précontrainte doit avoir une profondeur supérieure pour compenser la perte due au retrait de matière et pour obtenir un niveau de contrainte maximum requis, typiquement à 30 µm de profondeur. Il en découle un temp de grenaillage plus long.
Il existe un risque de surchauffe locale dans les surfaces traitées thermiquement de la pièce de pignonnerie si un problème de lubrification intervient lors de l’usinage de rectification ou du fait de paramètres de coupe non respectés. Ces surchauffes locales si elles atteignent la température de revenu peuvent engendrer une faiblesse locale de la couche traitée thermiquement et conduire à une usure précoce de la pièce.
Il peut s’avérer nécessaire avec certaines méthodes de rectification de réaliser une opération supplémentaire de finition par rodage, dite « honing » en anglais, pour supprimer des défauts de surface gênants du point de vue acoustique.
Il est souhaitable de disposer d’un procédé de fabrication de pièce de pignonnerie, utilisable dans la fabrication des boîtes de vitesse de véhicule automobile, qui ne requiert pas d’opération de rectification des dentures, évitant ainsi les inconvénients susmentionnés.
Selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce de pignonnerie comprenant une première opération de nettoyage, une deuxième opération de mise en précontrainte et une troisième opération d’obtention d’un état de surface déterminé, les première, deuxième et troisième opérations intervenant au moins sur la denture de la pièce de pignonnerie et étant réalisées dans le processus de fabrication entre des étapes préalables et des étapes postérieures de fabrication de la pièce de pignonnerie. Conformément à l’invention, le procédé comprend une étape de grenaillage spécifique, exécutée entre les étapes préalables et les étapes postérieures de fabrication, pendant laquelle les première, deuxième et troisième opérations sont réalisées simultanément.
Selon une caractéristique particulière, l’étape de grenaillage spécifique fait appel à une grenaille arrondie de haute densité. Selon une forme de réalisation particulière, la grenaille est une grenaille céramique.
L’utilisation d’une grenaille arrondie de haute densité, par exemple des billes en céramique, permet d’améliorer le niveau de contrainte requis, typiquement à 30 microns, et donc la durabilité de la pièce de pignonnerie.
Selon une autre caractéristique particulière, la grenaille a une dureté Vickers inférieure à 1200 HV.
Avantageusement, l’invention autorise l’obtention d’un état de surface suffisamment fin de la denture pour autoriser une réduction de la bruyance, et cela sans recourir à une opération de rectification coûteuse de la denture. Il est ainsi possible en maitrisant l’état de surface de la denture de réduire à moindre coût le bruit généré en service et, dans un véhicule, d’améliorer sensiblement l’agrément de conduite.
L’utilisation d’une grenaille céramique élimine la présence de poussières fines habituellement générées par les media de grenaillage métalliques et réduit l’encrassement des installations et le besoin de maintenance.
De plus, la contamination ferreuse de la pièce traitée, habituellement apportée par les media de grenaillage métalliques, est également éliminée et cela permet de conserver la propreté de la pièce.
Par ailleurs, la grenaille céramique présente l’avantage d’une diminution de la fréquence de remplacement du media de grenaillage, en utilisant la filtration pour éliminer les projectiles cassés.
On notera également que l’invention apporte une diminution significative du temps de traitement thermochimique de la pièce de pignonnerie, de l’ordre de 50 %, ainsi que du temps de grenaillage.
Selon un autre aspect, l’invention concerne aussi une pièce de pignonnerie fabriquée par la mise en œuvre du procédé décrit brièvement ci-dessus.
L’invention concerne également une boîte de vitesse de véhicule et un véhicule comprenant au moins une telle pièce de pignonnerie.
D’autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous de plusieurs formes de réalisation particulières de l’invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
La Fig.1 montre un exemple d’engrenage comportant des pièces de pignonnerie auxquelles s’applique le procédé selon l’invention ;
La Fig.2 montre un exemple de processus de fabrication d’une pièce de pignonnerie par la mise en œuvre du procédé selon l’invention.
En référence aux Figs.1 et 2, il est maintenant décrit à titre d’exemple une forme de réalisation particulière du procédé selon l’invention pour la fabrication de pièces de pignonnerie. On comprendra que les pièces de pignonnerie dont il est ici question comprennent différents types de pièce d’engrenage, comme des pignons, des roues et couronnes dentées et autres, avec différentes géométries et différents types de denture, comme par exemple des roues cylindriques ou coniques avec des dentures droites ou hélicoïdales.
Un exemple de pièces de pignonnerie auxquelles s’applique le procédé selon l’invention est montré à la Fig.1. Dans cet exemple, il s’agit d’un engrenage à denture hélicoïdale 1 comprenant un pignon 10 et une roue dentée 11 montrés en engrènement. Le pignon 10 et la roue dentée 11 sont engrenées par l’intermédiaire de leurs dentures respectives 100 et 110.
Comme visible à la Fig.2, le procédé selon l’invention comporte une pluralité d’étapes de fabrication S1 à S12 qui sont réalisées successivement sur la pièce de pignonnerie pendant le processus de fabrication.
On considère ici, à titre d’exemple, que la pièce de pignonnerie est fabriquée à partir d’une ébauche forgée. On considère aussi, à titre d’exemple, que la pièce de pignonnerie est une pièce destinée à une boîte de vitesse de véhicule automobile.
Les étapes S1 à S7 et S9 à S12 sont des étapes de fabrication connues de l’homme du métier qui ne seront décrites ci-dessous que de manière sommaire. L’étape S8 est une étape de grenaillage spécifique, propre à l’invention, et sera détaillée plus bas.
Les étapes S1 à S7 sont réalisées successivement préalablement à la réalisation de l’étape S8 de grenaillage spécifique. L’étape S1 est une étape de réalisation d’une ébauche forgée de la pièce de pignonnerie. L’étape S2 est une étape d’usinage au tour de la pièce. L’étape S3 est une étape de réalisation de cannelure(s), si nécessaire, dans un alésage axial de la pièce. L’étape S4 est une étape de taille de la denture dans la pièce à l’aide d’une fraise-mère ou d’un outil-pignon. L’étape S5 est une étape de chanfreinage latéral et d’ébavurage de la denture. L’étape S6 est une étape de finition de la denture par rasage. L’étape S7 est une étape de traitement thermique.
Les étapes S9 à S12 sont réalisées successivement postérieurement à la réalisation de l’étape S8 de grenaillage spécifique. L’étape S9, présente ou pas selon la pièce, est une étape de redressage, par exemple, pour le redressage d’un arbre de pignon. L’étape S10 est une étape de rectification des portées de roulement (dans le cas d’un arbre) ou d’alésage (dans le cas d’un pignon fou par exemple). L’étape S11, présente ou pas selon la pièce, est une étape de phosphatation. L’étape S12, présente ou pas selon la pièce, est une étape de toilage des portées de roulement (dans le cas d’un arbre) après la phosphatation de l’étape S11.
Conformément à l’invention, l’étape de grenaillage spécifique S8 réalise trois opérations simultanément sur au moins la denture de la pièce, à savoir, un nettoyage, une mise en précontrainte et une obtention d’un état de surface peu rugueux. L’opération de nettoyage assure la propreté de la pièce. La mise en précontrainte permet de garantir la durabilité de la pièce. L’obtention d’un état de surface peu rugueux de la denture permet une réduction de la bruyance.
L’étape de grenaillage spécifique S8 fait appel à une grenaille arrondie de très haute densité. Ainsi, une grenaille céramique, typiquement des billes, pourra avantageusement être utilisée, mais pas exclusivement. La grenaille sélectionnée devra avoir une dureté Vickers inférieure à 1200 HV.
La dureté de la grenaille et l’énergie cinétique de celle-ci lors de sa propulsion sur la pièce devront être suffisantes pour engendrer le niveau de contrainte requis, typiquement à 30 microns. Un compromis optimal doit être trouvé pour obtenir simultanément le niveau de contrainte requis et un état de surface suffisamment fin pour répondre à la contrainte de bruyance de l’engrenage.
Ce compromis optimal pourra typiquement être déterminé par des essais et simulations et dépendra de la nuance métallurgique de la pièce. Ainsi, la densité, la taille de la grenaille et les conditions de propulsion (vitesse) pourront être déterminées de manière optimale par des essais et simulations et dépendront de la nuance métallurgique de la pièce.
Bien entendu, l’invention ne se limite pas aux formes de réalisation particulières qui ont été décrites ici à titre d’exemple. L’homme du métier, selon les applications considérées, pourra apporter différentes modifications et variantes entrant dans le champ de protection de l’invention.

Claims (8)

  1. Procédé de fabrication d’une pièce de pignonnerie (10, 11) comprenant une première opération de nettoyage, une deuxième opération de mise en précontrainte et une troisième opération d’obtention d’un état de surface déterminé, lesdites première, deuxième et troisième opérations intervenant au moins sur la denture (100, 110) de la pièce de pignonnerie (10, 11) et étant réalisées dans le processus de fabrication entre des étapes préalables (S1 à S7) et des étapes postérieures (S9 à S12) de fabrication de la pièce de pignonnerie, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de grenaillage spécifique (S8), exécutée entre les étapes préalables (S1 à S7) et les étapes postérieures (S9 à S12) de fabrication, pendant laquelle lesdites première, deuxième et troisième opérations sont réalisées simultanément.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’étape de grenaillage spécifique (S8) fait appel à une grenaille arrondie de haute densité.
  3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la grenaille est une grenaille céramique.
  4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la grenaille a une dureté Vickers inférieure à 1200 HV.
  5. Pièce de pignonnerie fabriquée par la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4.
  6. Boîte de vitesse de véhicule comprenant au moins une pièce de pignonnerie (10, 11) selon la revendication 5.
  7. Véhicule comprenant au moins une pièce de pignonnerie (10, 11) selon la revendication 5.
  8. Véhicule comprenant une boîte de vitesse selon la revendication 6.
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