Planification des opérations d'usinage du vilebrequin : principes et choix des repères

Principes de planification des opérations pour les vilebrequins et choix des repères

Principes de conception des processus et des itinéraires

1. Commencez par définir les points de référence : Dans la planification des opérations, la première ou la deuxième opération doit, dans la mesure du possible, permettre d'usiner les repères de précision du vilebrequin. Les opérations suivantes peuvent alors utiliser ces repères de précision pour positionner la pièce, ce qui facilite le contrôle de la précision des autres surfaces.
2. Usinage des surfaces avant le perçage : Lorsqu'il est nécessaire de percer des trous dans les tourillons du vilebrequin ou sur les faces des brides, usinez d'abord les tourillons et les faces des brides, puis percez les trous dans ces surfaces. Cela permet de garantir plus facilement la précision des trous.
3. Usiner les surfaces principales avant les surfaces secondaires : La planification des opérations doit se concentrer sur les surfaces importantes des tourillons principaux et des tourillons de manivelle. Les surfaces secondaires peuvent être usinées entre ces opérations.
4. Ébauche avant finition, avec des opérations distinctes d'ébauche et de finition : La distinction entre l'usinage de dégrossissage et l'usinage de finition se justifie par les raisons suivantes.
   1. Garantir la qualité de l'usinage : Lors de l'ébauche, une importante surépaisseur entraîne des forces de coupe élevées et un fort dégagement de chaleur. Le système d'usinage subit donc des déformations élastiques et thermiques, ainsi que des contraintes résiduelles élevées sur la pièce. L'ébauche ne permet pas d'atteindre une grande précision ni une faible rugosité de surface. Les opérations suivantes doivent réduire progressivement les paramètres de coupe et les erreurs d'usinage afin de répondre aux exigences de qualité de la pièce. Pour les ébauches présentant des contraintes résiduelles internes, l'usinage de dégrossissage peut redistribuer ces contraintes et provoquer une déformation au fil du temps. La séparation entre l'usinage de dégrossissage et la finition permet d'éviter l'effet des déformations liées aux contraintes sur l'usinage de finition ; les déformations résiduelles peuvent également être éliminées lors des étapes ultérieures d'usinage de finition.
   2. Détecter rapidement les défauts liés aux espaces vides : L'usinage de dégrossissage permet d'enlever une grande partie de la matière en excès et peut mettre en évidence très tôt les défauts de la pièce brute, ce qui permet de la mettre au rebut ou de la réparer à temps et d'éviter ainsi le gaspillage lié à la poursuite de l'usinage.
   3. Utilisez les machines-outils de manière appropriée : L'usinage d'ébauche peut être réalisé à l'aide de machines dotées d'une puissance et d'une rigidité élevées, mais d'une précision modérée, tandis que l'usinage de finition fait appel à des machines de haute précision. Cela permet d'exploiter pleinement les capacités de chaque machine. La séparation entre l'ébauche et la finition s'applique aussi bien à l'usinage d'une seule surface qu'à celui de la pièce dans son ensemble. À mesure que la précision des pièces moulées et forgées destinées à l'industrie automobile moderne continue de s'améliorer et que la surépaisseur totale diminue, la distinction entre les étapes d'ébauche et de finition devient moins marquée.
5. Organiser de manière rationnelle les opérations de traitement thermique et les procédés de renforcement de surface.
6. Les vilebrequins étant des pièces élancées, il convient de réduire au minimum les déformations dues à l'usinage. La planification du processus d'usinage des vilebrequins suit généralement les principes suivants : ébauche avant finition ; point de référence avant les autres caractéristiques ; surfaces avant les alésages ; surfaces principales avant les surfaces secondaires ; et tourillons principaux avant les tourillons de manivelle.

Lors de l'élaboration d'un plan de processus, il convient de prendre en compte d'autres principes : la compatibilité avec le programme de production, l'optimisation des résultats économiques et l'adoption active de nouveaux processus et technologies adaptés au programme de production.

Un plan de processus est principalement évalué selon trois critères : la qualité, le coût et les délais de livraison.

Développement global des processus et des itinéraires

Pour un vilebrequin monobloc, les principaux matériaux utilisés pour les ébauches sont l'acier forgé et la fonte nodulaire. Les procédés de fabrication courants sont les suivants :

• Vilebrequin en acier forgé : préparation des ébauches, forgeage, normalisation, usinage de première ébauche, trempe et revenu superficiels, et usinage de finition.
• Vilebrequin en fonte nodulaire : moulage, normalisation, recuit de durcissement, usinage de dégrossissage, trempe et revenu de surface, et usinage de finition.

Développement de procédés d'ébauche

Les méthodes courantes d'ébauche des vilebrequins comprennent le tournage, le fraisage interne, le tournage-brochage et le tournage-tournage-brochage. Ces quatre méthodes sont actuellement utilisées. Le choix de la méthode dépend du produit, du volume de production, du temps de cycle, des exigences du processus et de l'investissement.

Tournant : offre la plus grande polyvalence. Fraisage interne : convient à l'usinage des tourillons de manivelle et des flancs de la manivelle, en particulier lorsque l'ébauche présente une importante marge d'usinage. Brochage par rotation : Elle impose des exigences élevées à la pièce brute et s'adapte mal aux changements de produit ; elle convient donc à la production en grande série d'un seul produit. Brochage par tours alternés : Ce procédé combine le tournage et le brochage par tournage ; sa précision atteint celle du brochage par tournage, son rendement est inférieur à celui du fraisage interne, et sa flexibilité est supérieure à celle du brochage par tournage et du fraisage interne.

Le vilebrequin 4H fait appel à une combinaison de tournage et de fraisage interne pour l'usinage de dégrossissage.

Développement du procédé de rectification

Séquence de rectification et qualité d'usinage : Il n'y a pas de réponse absolue à la question de savoir s'il faut rectifier en premier les tourillons principaux ou les tourillons de manivelle.

1. Rectification des tourillons principaux, suivie de la rectification des tourillons de vilebrequin : La libération de contraintes provoquée par la rectification des manetons peut entraîner un faux-rond du tourillon principal supérieur à la tolérance, ce qui est difficile à contrôler.
2. Rectification des manetons, suivie de la rectification des tourillons principaux : La conversion du repère de référence peut entraîner un dépassement de la tolérance pour l'erreur de rayon de manivelle ; elle est difficile à maîtriser et nécessite un équipement supplémentaire.

Grâce aux progrès réalisés dans les technologies d'ébauche et de trempe des tourillons de vilebrequin, la surépaisseur de rectification a été considérablement réduite. Les déformations et les contraintes liées à la rectification sont moindres, et la rectification de précision des tourillons peut désormais être réalisée en une seule passe, ce qui permet d'éliminer la rectification de semi-finition et de simplifier le processus.

Les fissures et les brûlures de rectification, en particulier sur les larges faces de poussée, le faux-rond des tourillons principaux, ainsi que la précision de positionnement des tourillons de manivelle par rapport aux tourillons principaux — notamment le faux-rond radial, le rayon de manivelle et le parallélisme — constituent des éléments clés à prendre en compte lors de la conception du processus de rectification.

Du point de vue du processus de fabrication, si l'effet de la force de rectification des manetons sur la déformation du vilebrequin peut être maîtrisé dans les limites du faux-rond admissible des tourillons principaux, la rectification des tourillons principaux avant celle des manetons constitue un processus optimisé, caractérisé par un parcours simple et un faible investissement. Les opérations utilisées uniquement pour établir le positionnement du processus constituent des activités sans valeur ajoutée et devraient être réduites ou supprimées.

Repérage du vilebrequin – Choix du repère de référence

Prenons l'exemple du vilebrequin d'un moteur 4H : celui-ci comporte quatre tourillons de manivelle et cinq tourillons principaux. Pour le choix d'un repère radial sur le vilebrequin d'un moteur en ligne, les alésages centraux situés aux deux extrémités ou au niveau des tourillons principaux, tels que la ligne reliant les centres du premier et du cinquième tourillon principal ou la ligne reliant les deux alésages centraux, peuvent servir de repères radiaux.

Plusieurs repères axiaux sont disponibles. Afin de limiter le déplacement axial et d'empêcher toute dérive axiale provoquée par des forces axiales, l'épaulement, ou face de butée, du quatrième tourillon principal et la face d'extrémité du tourillon de bride sont utilisés comme repères axiaux.

Le vilebrequin étant une pièce complexe, il comporte également plusieurs repères de position angulaires, tels que le bossage angulaire de l'excentrique situé sur le contrepoids du premier tourillon principal, le premier tourillon de manivelle et les trous de repérage dans la bride.

1. Choix du repère de référence brut du vilebrequin 4H : Les ébauches de vilebrequin sont généralement courbées. Afin de garantir que les alésages centraux aux deux extrémités soient percés au centre géométrique des faces d’extrémité, le repère de référence d’ébauche dans le sens radial est choisi à partir des diamètres extérieurs des tourillons situés près des deux extrémités. Le repère de référence de positionnement axial correspond aux épaulements situés de part et d’autre du troisième tourillon principal. Comme les ailes de vilebrequin situées de part et d’autre du troisième tourillon principal se trouvent au milieu du vilebrequin, leur utilisation comme référence approximative réduit l’erreur de positionnement au niveau des autres ailes de vilebrequin. Le bossage angulaire du contrepoids du premier tourillon principal est choisi comme référence angulaire approximative.
2. Choix du repère de précision du vilebrequin 4H : La surface du vilebrequin étant complexe, elle comporte plusieurs repères de précision. Deux d'entre eux sont utilisés tout au long du processus d'usinage : le plus important est constitué par les alésages centraux situés aux deux extrémités, et l'autre par le premier et le cinquième tourillons principaux. Plusieurs repères de précision axiaux sont également disponibles, notamment les alésages centraux, la face d'extrémité du tourillon de bride et l'épaulement, ou face de butée, du quatrième tourillon principal. La plupart des repères de position angulaires utilisent les alésages de process de la bride pour limiter la liberté de rotation lors de la rectification des tourillons principaux et des manetons. Le premier maneton est également parfois utilisé comme repère de position angulaire.