Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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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 EP0119365, 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.
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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 ai) 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 al)
comprend une opération de fonderie ail) 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
ai) correspond
à la mise en oeuvre du procédé COBAPRESS.
Selon un deuxième mode de réalisation, l'étape de fabrication métallurgique
al)
comprend une opération de fonderie ail) consistant à fabriquer le corps de la
pièce.
Cette opération de fonderie ail) n'est pas suivie par une opération de
forgeage a12).
Selon un troisième mode de réalisation, l'étape de fabrication métallurgique
ai)
comprend une opération de forgeage a12) consistant à fabriquer le corps de la
pièce.
Cette opération de forgeage a12) n'est pas précédée par une opération de
fonderie ail).
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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 :
bl ) 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 ai) 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 ai) 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.
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- 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 Vil-Vil 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
11 et un insert tubulaire 18 emmanché dans le corps 11. A titre d'exemple, la
pièce 10 est
une pièce de liaison au sol de véhicule automobile.
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Le corps 11 est réalisé en alliage métallique, par exemple en alliage
d'aluminium,
suivant deux opérations successives de fonderie puis de forgeage. Le corps 11
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.
5 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 11. L'insert 18 assure différentes fonctions entre le corps 11 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.
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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 11. 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 11.
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 Al-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
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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 11, 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
11.
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 11, 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 11.
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.
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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 11, 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 ai) ; 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 ai).
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%.
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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
su rmoulage.
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 ai) et a2) successives suivantes :
ai) 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 ai) comprend une opération de
fonderie puis une opération de forgeage, conformément au procédé COBAPRESS.
Selon un deuxième mode de réalisation l'étape al) comprend uniquement une
opération de fonderie.
Selon un troisième mode de réalisation l'étape ai) comprend uniquement une
opération de fonderie.
Le procédé peut comprendre une étape de préparation de surface de la zone à
renforcer, entre les étapes ai) 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.
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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 ai) et a2), ou au moins sur une partie de la pièce après l'étape
a2).
5
L'invention a également pour objet une méthode d'optimisation de la conception
d'une pièce 10 existante, comprenant un corps 11 en alliage métallique.
Initialement, ce
corps 11 est par exemple fabriqué suivant une opération de fonderie et/ou une
opération
de forgeage.
La méthode d'optimisation comprend les phases bl , b2, b3, b4 et b5
successives
suivantes:
bl) 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 11 de la pièce 10 d'origine. Dans certains
cas, les
coquilles de fonderie et matrices de forge ayant servi pour fabriquer le corps
11
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 oeuvre 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.
