Technologies des moyens industriels de rodage

Cette partie présente dans un premier temps les critères permettant d’analyser les performances des machines de rodage dédiées à la finition de chemise de carter cylindre, pour ensuite établir une comparaison des machines existantes dans l’entreprise Renault. Enfin nous verrons comment l’unité élémentaire de rodage (la broche) est adaptée pour réaliser les opérations en série sur une ligne de fabrication.

1.5.1. Performances des axes

Les axes de la machine sollicités pendant l’opération de rodage sont au nombre de trois : la rotation qui donne la vitesse tangentielle de coupe, le battement qui donne la vitesse axiale de coupe et l’expansion qui donne la vitesse radiale de coupe ou la pression de contact des pierres abrasives sur la surface cylindrique.

La rotation est pilotée en vitesse. En général, une consigne de vitesse constante est paramétrée pour chaque étape du cycle de rodage.

Le début de la rotation de la broche s’effectue pendant la descente du rodoir. Ce démarrage rapide dimensionne la motorisation plus que le couple et la vitesse nécessaires à la coupe en rodage. On retrouve donc des moteurs de rotation avec une puissance effective nettement supérieure à la puissance de coupe. Ce surdimensionnement a l’intérêt de pouvoir envisager de roder n’importe quel diamètre. Mais plus le diamètre est grand, plus le rodoir a un grand nombre de pierres, plus il faut un couple important et une fréquence de rotation plus faible pour rester à la vitesse de coupe optimale. De plus, l’augmentation de l’angle de rodage diminue la vitesse de rotation et augmente la vitesse de battement pour conserver la vitesse de coupe optimale.

En plus d’avoir un démarrage rapide, le moteur de rotation doit idéalement avoir un fort couple à bas régime pour pouvoir s’adapter simultanément au rodage de grand diamètre avec un angle de striation important.

Le pilotage du battement est complexe, car la trajectoire suivie n’est pas linéaire. La recherche d’une texture (avec un angle de strie) homogène sur toute la hauteur du cylindre implique la recherche d’une vitesse de translation constante sur toute la course. La consigne de position correspond donc à un signal triangulaire ayant l’amplitude de la course de battement. L’inversion du mouvement au bout de course de battement est donc très dynamique. En réalité le paramètre d’accélération d’inversion est réglable. Il est également possible d’insérer des temporisations en bout de course. La figure 33 représente des trajectoires de la position verticale. On constate que pour le même nombre de battements, le temps de cycle est plus important pour le battement à faible dynamique (courbe verte, 5m/s²).

Pour caractériser l’axe de battement, il faudra analyser l’accélération maximale atteignable en fonction des vitesses de consigne. Cette étude sera mené dans le cadre de la caractérisation physique du moyen de rodage.

Les deux types d’expansion, hydraulique et électromécanique, sont difficilement comparables. L’expansion hydraulique est caractérisée par la dimension du vérin d’actionnement ainsi que la pression d’alimentation admissible.

L’expansion électromécanique est caractérisée par ses vitesses d’avance maximale et la taille de ses incréments de position minimaux. Sur cet axe une notion de précision peut faire partie des critères.

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Figure 33 : Position axiale de battement en fonction du temps.

1.5.2. Comparaison de l’architecture des moyens industriels

Les deux principaux constructeurs de machine de rodage sont les industriels allemands Gehring et Nagel. Chaque constructeur a sa propre architecture de broche. Sur la figure 34, l’architecture type Gehring est représentée. La broche est entrainée en battement par un vérin en position supérieure. La rotation est transmise par cannelure.

Sur les broches Gering à double expansion, le vérin d’expansion hydraulique est situé sur le chariot vertical. En revanche, le moteur électrique d’expansion électromécanique transmet un mouvement de rotation par cannelure jusqu’à un boitier d’expansion intégré au chariot axial.

Figure 34 : Architecture de broche Gehring.

La figure 35 représente l’architecture type Nagel. Comme pour Gehring, le moteur de rotation entraine par chaine et pignon interposés l’arbre cannelé constituant la broche.

Le chariot vertical est actionné par deux vérins de part et d’autre de l’axe de la broche. L’intérêt de ce montage réside dans sa compacité. L’inconvénient majeur est que le moteur d’expansion électrique et le vérin hydraulique d’expansion sont intégrés au chariot de translation axiale. Le moteur subit les à-coups des inversions du mouvement de battement en bout de course.

Les deux types d’architectures utilisent des vérins hydraulique pilotés en position pour l’axe de battement. Elles sont toutes les deux optimisées en terme d’encombrement en largeur pour permettre l’intégration en ligne de deux broches avec un entraxe réduit.

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Figure 35 : Architecture de broche Nagel.

Le concept Gehring est cependant plus encombrant en hauteur puisque le vérin est placé en partie supérieure de la machine. Les différences de performances dynamiques seront étudié dans la partie caractérisation physique du rodage.

1.5.3. Intégration en ligne de production et flexibilité

Les installations grandes capacités sont optimisées pour la production d’un seul type de moteur. Une machine industrielle de rodage des carters de moteur intègre un nombre important de broches. En général, les postes où sont effectuées les opérations d’abrasion sont équipés de deux broches pour augmenter la productivité. La figure 36 représente une machine à huit broches courante pour la finition des carter de moteur à quatre cylindres. Le faible entraxe entre deux broches permet d’exécuter simultanément l’opération de rodage sur deux cylindres d’un même carter. Ainsi, après le poste de contrôle dimensionnel d’entrée, le premier poste est consacré à l’ébauche des fûts 1 et 3, le deuxième poste est consacré à l’ébauche des fûts 2 et 4. Le même schéma est reproduit pour la finition. En fin de ligne, un poste est dédié au contrôle dimensionnel. Les diamètres mesurés sont codés et gravés tel un détrompeur sur le côté du carter. Cette classification des diamètres permet l’appairage des pistons et segments à l’assemblage.

Ce type de machine est assimilable à une machine-transfert dédiée au rodage des fûts. Le transfert des pièces d’un poste à l’autre est assuré par un système du type pas de pèlerin. Le schéma de la figure 36 représente une ligne de production capable de produire un carter cylindre toutes les 40 secondes, ce qui porte sa capacité à 450 000 unités par an. Ce type de machine représente un investissement de plus de 2 000 000€.

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Actuellement ces machines ne sont pas équipées de changeur automatique d’outil et le convoyeur est dédié à un seul type de carter. On convient donc de dire que ces machines ne sont pas flexibles en terme de capacité et en terme de diversité des pièces.