L’opération de rodage

En général, la finition d’un fût par rodage, après une opération d’alésage, se décompose en trois étapes :

- une phase d’ébauche ; - une phase de finition ;

- une phase de finition plateau.

La figure 23 représente les enlèvements de matière de chaque étape suivant la direction radiale du fût. Le plus gros de la matière est enlevé dans une première étape, permettant de corriger la forme. Ensuite les étapes de finition et finition plateau permettent d’améliorer la micro- topographie de la surface (diminuer la rugosité).

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Chaque étape ayant des spécificités, nécessite un type d’abrasif particulier. Il n’existe pas d’abrasif permettant de réaliser à la fois un fort enlèvement de matière et une rugosité très fine. Il est donc cohérent de séparer ces étapes pour améliorer les performances globales du processus.

1.3.3.1. Le cycle d’ébauche

L’opération d’ébauche est généralement effectuée avec des abrasifs à gros grains et de plus en plus fréquemment en diamant avec un liant métallique. Elle a pour objectif d’enlever un maximum de matière pour atteindre un diamètre donné avec un défaut de forme maîtrisé.

Un système de mesure par soufflage intégré au rodoir permet de mesurer le diamètre réel du fût pendant le cycle de rodage. La fin du cycle de rodage est donnée lorsque la mesure moyennée atteint la valeur de la cote de consigne.

La cote visée en ébauche correspond à peu près à la cote finale augmentée de deux fois la rugosité visée en ébauche. L’objectif est de retirer le maximum de matière en ébauche pour minimiser le volume de matière à enlever en finition. Cependant, il faut laisser suffisamment de matière pour que la finition puisse complètement effacer les traces des pierres d’ébauche.

Pour un rodage ébauche efficace, il est préconisé d’employer un rodoir permettant de mettre un maximum de pierres, pour avoir une surface abrasive importante.

La figure 24 donne le chronogramme des variables machine au cours d’un cycle de rodage ébauche. On peut y observer l’évolution de la position verticale du rodoir, la vitesse de rotation de la broche, la position de l’expansion radiale des pierres et la mesure in-process du diamètre.

Figure 24 : Cycle de rodage ébauche.

Avant le début du cycle, le système de mesure est étalonné, le carter est serré et la lubrification est démarrée.

Le rodoir descend de sa position d’origine, le mouvement de battement démarre. La rotation est enclenchée dès que le rodoir a pénétré de 5mm.

Au premier passage par le point d’inversion haut, l’expansion est actionnée en vitesse rapide. Cette approche rapide des pierres s’arrête dès que la cote de contact abrasif est atteinte. Dès lors

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l’expansion radiale passe en vitesse de travail rapide. La vitesse d’expansion est en réalité échantillonnée. Le système électromécanique d’expansion avance par pas de 1 à 2µm au diamètre suivant les machines. La progression incrémentale de la valeur de l’écartement des pierres permet de générer des petits à-coups propices à la régénération de l’abrasif. Le paramètre de vitesse d’expansion agit sur la fréquence d’incrément des pas de la mécanique d’expansion. En général, en rodage ébauche on cherche à conserver la vitesse d’expansion rapide tout au long du cycle, c'est-à-dire jusqu’à l’atteinte de la cote finale. Cependant on observe souvent des déformations du carter pendant le rodage. Le calcul de cette déformation due aux efforts d’expansion a fait l’objet d’une simulation sous éléments finis de P. Covington [19]. Pour remédier à ce problème, les fabricants de machines proposent une réduction de la vitesse d’expansion à mi-cycle. L’expansion passe en mode travail à vitesse lente, dès que la mesure in- process atteint une valeur entrée par le régleur. Ce mode de travail déforme moins le carter cylindre que l’expansion rapide. Il permet de terminer la phase d’ébauche plus doucement pour rattraper les défauts de forme engendrés par la déformation du fût causée par l’effort d’expansion.

La fin du cycle d’ébauche est déclenchée quand la mesure in-process atteint le diamètre de consigne. La rotation est arrêtée quand le rodoir est sorti de quelques millimètres au-dessus du fût.

1.3.3.2. Le cycle de finition et plateau

L’opération de finition, généralement réalisée avec un abrasif à grains fins, a pour objectif de texturer la surface du fût (ou chemise). En fait cette texturation est issue de la striation de la surface par les abrasifs. La texture avec stries croisées est due à la combinaison du mouvement de battement du rodoir et de sa rotation sur le même axe. L’opération dure approximativement 30 secondes par fût. La cote moyenne atteinte doit être très proche de la cote finale.

L’opération de finition plateau permet d’écrêter la surface obtenue en finition. Cette opération est très courte (4 à 8 secondes par fût), elle consiste à appliquer un abrasif à grains extra-fin, avec une faible pression de contact dans le fût.

En enlevant les crêtes du profil de surface obtenue en finition, on génère une surface ayant un profil type plateau / vallée améliorant les performances tribologiques du couple piston-segments / chemise.

Les deux opérations de finition et de plateau sont souvent réalisées successivement grâce à l’emploi d’un rodoir à deux expansions. La figure 25 représente les actions successives des deux expansions pour un cycle de rodage de finition et plateau.

L’utilisation d’un rodoir à double expansion a l’avantage de permettre les deux opérations avec des abrasifs à tailles de grains différentes sans changer d’outil. L’inconvénient lié au rodoir double expansion est qu’il limite le nombre de pierres actives par expansion, diminuant ainsi les performances d’enlèvement de matière.

Le cycle de rodage d’une opération de « finition plateau » est représenté par le chronogramme de la figure 26. Il est très proche du cycle de rodage ébauche puisque l’expansion électromécanique actionne les pierres abrasives de finition de la même manière que les pierres d’ébauche.

Avant le début du cycle, le système de mesure est étalonné, le carter est serré et la lubrification est activée. Comme pour l’ébauche, le rodoir descend de sa position d’origine, le mouvement de battement démarre. La rotation est enclenchée dès que le rodoir a pénétré de 5mm. Au premier passage par le point d’inversion haut, l’expansion est actionnée en vitesse rapide.

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Figure 25 : Actionnement du rodoir double expansion pour cycle de finition et plateau.

La différence remarquable porte sur les valeurs des vitesses d’expansion. La vitesse d’expansion est adaptée à des abrasifs en carbure de silicium à petits grains. Le passage d’une vitesse de travail rapide à une vitesse de travail lente est nettement moins marqué qu’en ébauche, voire inexistant, car les forces d’expansion en finition ne déforment presque pas le carter.

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Dès que la cote de finition est atteinte, l’expansion des pierres plateau est activée. Pendant un court instant, les deux jeux de pierre sont en travail simultanément. Ce chevauchement d’actionnement des expansions permet au rodoir de conserver parfaitement son axe de déplacement. Les pierres de plateau viennent prendre le relais pour le centrage de l’outil. Sans cette phase de chevauchement, le rodoir risquerait de perdre son axe de rotation et de translation. L’actionnement des pierres plateau est généralement réalisé par un système d’expansion hydraulique. L’intérêt de ce système est la parfaite régulation de la pression de travail des abrasifs quelle que soit la durée de la phase, en l’occurrence, très courte pour le plateau. L’objectif de la phase plateau est d’écrêter la surface cylindrique. Cette action peut être menée rapidement, car seuls deux ou trois passages de pierre plateau suffisent pour écrêter localement la micro géométrie. L’objectif de cette phase est donc de réaliser deux ou trois passages partout dans le fût. En général, l’écrêtement de la phase plateau est homogène après 3 ou 4 battements du rodoir. Ce paramètre est réglé par l’opérateur. Il choisit soit une durée soit un nombre de battements pour déterminer la durée de la phase plateau.

A la fin de la phase plateau, la pression hydraulique d’expansion est coupée, entrainant la rétraction des pierres. Dès lors, le rodoir est remonté en position d’origine machine et l’opération est finie.

Ces étapes successives permettent d’obtenir une surface fonctionnelle dont il faut s’assurer de la qualité multi-échelle. La partie suivante présente les outils mis en œuvre pour mesurer la qualité.