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CA 02754687 2011-09-07
WO 2010/106043 PCT/EP2010/053335
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CARTER MOULÉ AVEC TUYAUTERIES RAPPORTÉES
Le domaine de la présente invention est celui de la fabrication
des pièces par fonderie, et plus particulièrement celle des pièces
moulées, en aluminium ou en un de ses alliages, qui comprennent des
canaux intégrés. Ces canaux ont en général pour but de conduire un
lubrifiant ou un fluide gazeux vers des parties disposées à l'intérieur de
cette pièce. La présente invention s'applique tout particulièrement à la
fabrication de pièces telles que des culasses ou des carters, comme les
carters de boîtes d'engrenages pour moteurs aéronautiques.
Il est particulièrement délicat de réaliser par fonderie des
carters en alliage léger, c'est-à-dire en un alliage à base d'aluminium ou
de magnésium, qui renferment des tuyauteries réalisées dans un alliage
similaire. Les techniques couramment utilisées consistent soit à réaliser
la tuyauterie par fonderie simultanément avec la coulée du carter, soit à
intégrer une tuyauterie dans le moule préalablement à la coulée, mais en
s'assurant que celle-ci ne sera pas endommagée par le métal en fusion.
Dans le premier cas on réalise un moule qui ménage une cavité,
par exemple au moyen d'un noyau de sable, correspondant à la tuyauterie
à réaliser ; cette technique a l'avantage de pouvoir réaliser la tuyauterie
dans le même alliage que le carter et donc de bien maîtriser les
dilatations ultérieures du carter et ainsi d'éviter l'apparition de
contraintes
qui proviendraient de l'utilisation de matériaux différents. On fabrique le
moule du carter en plaçant des noyaux en sable qui reproduisent
l'intérieur de la tuyauterie à fabriquer et qui sont positionnés à l'endroit
où doit apparaître cette tuyauterie. Cette technique a pour inconvénient
qu'il faut vérifier les tuyauteries après la coulée pour s'assurer que le
sable s'est bien éliminé en fin d'opération et qu'il ne subsiste plus de
grain susceptible de se détacher en opération, ce qui pourrait provoquer
des anomalies dans le fonctionnement des mécanismes placés à
l'intérieur du carter. Ce contrôle, associé à d'éventuelles retouches,
constitue une opération longue et coûteuse qu'il est souhaitable de
supprimer. D'autres inconvénients sont également rencontrés comme le
fluage des noyaux de sable, qui génère de l'imprécision dans le
positionnement des sorties des canalisations, comme des variations
d'épaisseur le long des tuyauteries ou encore, comme la présence
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possible de retassures aux croisements des noyaux de sable. Par ailleurs
les tubes réalisés directement lors de la fonderie présentent des
épaisseurs plus élevées que des tuyauteries classiques qui seraient
réalisées de façon indépendante. La masse totale du carter en est
pénalisée d'autant, le surcroît de masse pouvant atteindre 10% de la
masse du brut, autrement dit du carter issu de fonderie, avant son usinage
pour mise aux cotes définitives.
Une autre méthode de fabrication d'un carter en alliage léger
est décrite dans la demande de brevet européen EP 0470021 de la société
Montupet S.A. Dans ce cas les tuyauteries sont réalisées
indépendamment du carter, puis intégrées dans celui-ci avant la coulée
de l'alliage. Cependant cette technique nécessite de prendre un grand
nombre de précautions, comme par exemple de choisir l'alliage de la
tuyauterie de façon que sa température de fusion soit supérieure à celle
de l'alliage de fusion et/ou de prévoir la circulation d'un fluide de
refroidissement dans la tuyauterie pendant la coulée. De plus un temps
de contact, très court, doit être respecté entre les tubes et le métal en
fusion.
On connaît par ailleurs le document US 4450886 qui porte sur
une méthode de production de tuyaux d'aspiration dans le domaine de
l'automobile, dans lesquels on intègre un tube de recirculation des gaz
d'échappement. Ce document ne mentionne en particulier pas comment
le tube de recirculation est tenu pendant la coulée du métal du tube
d'aspiration.
La présente invention a pour but de remédier à ces
inconvénients en proposant une méthode de réalisation d'un carter en
alliage léger qui ne présente pas certains des inconvénients de l'art
antérieur et qui, en particulier, aboutisse à un carter optimisé en termes
de masse consacrée à la réalisation de ses tuyauteries internes.
A cet effet, l'invention a pour objet une méthode de réalisation
d'une pièce de fonderie en alliage léger comportant au moins une
tuyauterie portée par une paroi de ladite pièce, ladite méthode
comprenant les étapes de réalisation de ladite tuyauterie, de réalisation
d'un moule reproduisant la forme de ladite pièce sans ladite tuyauterie,
de positionnement de ladite tuyauterie dans ledit moule et de coulée du
métal pour réaliser ladite pièce, caractérisée en ce que au moins une
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partie de la tuyauterie subit préalablement à l'installation de celle-ci dans
le moule, une étape de traitement de surface destinée à générer une
barrière thermique entre cette partie de ladite tuyauterie et le métal de
coulée, ledit moule comprenant au moins un emplacement en creux
autour de la tuyauterie de façon à réaliser un pontet de maintien de la
tuyauterie, s'étendant à partir de ladite paroi de la pièce de fonderie.
La génération d'une barrière thermique évite d'avoir à prévoir
d'éventuelles surépaisseurs sur les tuyauteries, qui seraient rendues
nécessaires pour supporter les risques d'altération lors d'un contact avec
le métal de coulée du carter. Par ailleurs l'utilisation de pontets permet de
réduire la masse du carter consacrée au maintien des tuyauteries : cette
méthode de maintien par des éléments positionnés de façon discrète
conduit à un carter beaucoup plus léger que si les tuyauteries étaient
surmoulées sur toute leur longueur. Le carter peut donc être dimensionné
avec une masse minimale.
De façon préférentielle, le traitement de surface est une
oxydation anodique. Un tel traitement est couramment mis en oeuvre
dans la fabrication de pièces en alliage léger et est donc facile à réaliser.
Dans un mode particulier de réalisation ledit moule comprend
au moins un emplacement en creux autour de ladite tuyauterie de façon à
réaliser un pontet de maintien de ladite tuyauterie, s'étendant à partir de
ladite paroi de la pièce de fonderie.
Dans ce mode particulier de réalisation toute la partie de la
tuyauterie destinée à être noyée dans un pontet subit ladite étape
préalable de traitement de surface.
Dans un mode particulier de réalisation, lorsqu'au moins une
tuyauterie traverse une paroi, ladite tuyauterie est surmoulée pour sa
partie externe à ladite pièce. On évite ainsi les problèmes d'étanchéité à
la traversée de la paroi.
L'invention concerne également une pièce de fonderie réalisée
par une des méthodes décrites ci-dessus dans laquelle la tuyauterie est
réalisée dans sensiblement le même alliage que la pièce de fonderie.
Les températures de fusion du carter et de la tuyauterie sont
alors proches et les risques d'endommagement de la tuyauterie lors de la
coulée sont réduits.
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L'invention concerne par ailleurs un carter comportant une
pièce de fonderie en alliage léger réalisée par une méthode décrite ci-
dessus, ainsi qu'un carter dans lequel la tuyauterie est réalisée dans
sensiblement le même alliage que la pièce de fonderie.
Elle concerne enfin une boîte d'engrenages comportant un
carter tel que décrit ci-dessus et un moteur aéronautique comportant une
telle boîte d'engrenage.
L' invention sera mieux comprise, et d' autres buts, détails,
caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au
cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de
réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et
non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés.
Sur ces dessins :
- la figure 1 est une vue en perspective d'une moitié d'un
carter moulé, de l'art antérieur, dans lequel les tuyauteries sont intégrées
au carter,
- la figure 2 est une vue en perspective d'une coupe
transversale d'un même carter selon l'art antérieur,
- la figure 3 est une vue en perspective d'une moitié d'un
carter moulé, selon un mode de réalisation de l'invention, dans lequel les
tuyauteries sont rapportées avant l'opération de fonderie,
- la figure 4 est une vue en perspective d'une coupe
transversale d'un carter moulé, selon un mode de réalisation de
l'invention.
En se référant à la figure 1, on voit une moitié d'un carter 1 de
boite d'engrenages pour moteur aéronautique selon l'art antérieur. Ce
carter est une pièce de fonderie réalisée en alliage léger. Le carter 1
présente une forme allongée et courbe, analogue à celle d'une banane,
pour s'adapter à la forme circulaire du moteur sur lequel il est monté. Il
forme une boite destinée à recevoir les engrenages. Le carter présente
deux parois de fond 2 sensiblement planes et une paroi périphérique 3,
refermée sur elle-même et s'étendant perpendiculairement à la paroi de
fond. Les parois de fond 2 sont percées de trous pour laisser passer les
arbres entraînés par les pignons (non représentés) de la boite
d'engrenage. Sur les parois de fond 2 de la boîte courent des tuyauteries
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4, dont la fonction est de transporter un fluide, tel que de l'huile, de
lubrification et de récupération des calories générées par les engrenages.
En se référant à la figure 2 on voit une tuyauterie 4 courant le
long de l'angle formé par la paroi de fond 2 et la paroi périphérique 3
5 d'un carter 1 de l'art antérieur. Cette tuyauterie 4 est réalisée de façon
monobloc avec la paroi de fond 2 et la paroi périphérique 3, en venant
directement de fonderie avec les deux parois correspondantes, et fait
corps avec elles.
En se référant maintenant à la figure 3 on voit un carter 1 dans
lequel les tuyauteries 4 sont détachées des parois 2 et 3 du carter 1,
auxquelles elles sont rattachées par des pontets 5 venant, eux, de
fonderie avec les parois du carter 1. Les tuyauteries 4 sont constituées
dans le même alliage que le carter 1 mais sont réalisées préalablement à
la coulée de ce carter.
En se référant à la figure 4 on voit une tuyauterie 4 logée à
l'intérieur du carter 1, dont une tuyauterie de dérivation 6 se détache pour
alimenter un engrenage particulier. Cette tuyauterie de dérivation 6 se
distingue des autres tuyauteries 4 en ce qu'elle traverse une des parois 2
du carter 1. La réalisation de ce type de tuyauterie posait un problème
particulier dans l'art antérieur car il convenait de positionner avec
précision le noyau représentatif de cette future tuyauterie dans le moule
du carter. En plaçant la tuyauterie réelle dans le moule avant la coulée du
métal et en la surmoulant par la coulée, on obtient la garantie que le
point de sortie de cette canalisation sera parfaitement positionné et on
évite ainsi les risques de rebut des carters pour lesquels le
positionnement du point de sortie ne serait pas correctement placé.
Sur la figure 4 on voit une tuyauterie 4 qui traverse une des parois de
fond 2 du carter, puis qui circule à l'extérieur du carter. Or des
brouillards d'huile remplissent l'intérieur du carter. Toute la partie de la
tuyauterie qui se retrouve à l'extérieur du carter est surmoulée, de sorte
qu'il n'y a pas de rupture d'étanchéité, au passage de la paroi, entre
l'intérieur et l'extérieur du carter.
La réalisation d'un carter 1 selon l'invention s'effectue ainsi de
la façon suivante :
Les tuyauteries 4 destinées à être introduites dans le carter 1
sont réalisées préalablement à la coulée, selon un mode de fabrication
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classique. Elles sont préférentiellement réalisées dans le même alliage
que celui choisi pour réaliser le carter, afin d'éviter les problèmes de
dilatations différentielles qui apparaîtraient si on choisissait des
matériaux de compositions différentes. Elles peuvent toutefois être
réalisées dans un alliage similaire à celui prévu pour la coulée, pour
autant que les températures de fusion des deux pièces ne soient pas trop
éloignées l'une de l'autre.
Pour permettre la coulée et faire en sorte que les tuyauteries ne
se détériorent pas au contact du métal en fusion, l'invention propose de
protéger les tuyauteries par une barrière thermique sur leur pourtour
extérieur. Pour cela les tuyauteries sont soumises, avant leur installation
dans le moule de fonderie, à un traitement de surface tel qu'une
oxydation anodique, qui génère une couche superficielle d'oxyde. Tout
autre traitement de surface aboutissant à la mise en place d'une barrière
thermique est également envisageable.
Grâce à ce traitement de surface, leur diamètre et leur épaisseur
sont définies en fonction des contraintes qu'elles doivent subir en
utilisation, sans prise en compte d'éventuelles surépaisseurs qui seraient
rendues nécessaires pour supporter les risques d'altération lors d'un
contact avec le métal de coulée du carter. Le carter peut donc être
dimensionné avec une masse minimale, quant à ces éléments.
Un moule est réalisé, là encore de façon classique,
correspondant à la forme recherchée pour le carter après moulage ; cette
forme est définie a priori, sans tenir compte des tuyauteries 4.
Celles-ci sont ensuite mises en place à l'intérieur du moule
avant la coulée et positionnées à leur emplacement définitif, en relation
avec la position des parois à venir du carter, selon des techniques
classiques, connues de l'homme du métier. Des emplacements en creux
sont ménagés dans le moule, entourant de loin en loin les tuyauteries 4
pour que des pontets 5 se forment autour de ces tuyauteries et assurent
leur maintien une fois la coulée réalisée.
Le carter est enfin réalisé par la coulée du métal qui le
constitue. Les tuyauteries 4 sont désormais fixées sur les parois du carter
par les pontets 5 qui se forment lors du refroidissement du métal de la
coulée.
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Dans un mode particulier de réalisation les tuyauteries 4 ne
sont soumises à une oxydation anodique classique (ou à tout autre
traitement de surface qui créerait une barrière thermique sur sa partie
externe), qu'au niveau de leurs portions qui seront emprisonnées par des
pontets 5. Le reste des tuyauteries sera par la suite soumis au traitement
de surface qui est appliqué à l'ensemble du carter.
Bien que l'invention ait été décrite en relation avec un mode de
réalisation particulier, il est bien évident qu'elle comprend tous les
équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons
si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.
