Étude du vieillissement des fontes à graphite lamellaire en vue de amélioration de leur usinabilité

Le contexte industriel 

Depuis 2008, le groupe Renault a mis en place une politique de relocalisation de la fabrication de certaines pièces essentielles à la production des véhicules. Cette démarche a pour but d’assurer la qualité et l’approvisionnement des pièces. Cette politique a conduit aux rachats de certaines filiales abandonnées dans les années 1980 et à un investissement massif sur ces divers sites de production. Auto-Châssis International, devenu Renault Le Mans, fait partie intégrante de ces sites : cela a abouti à la construction d’un nouveau chantier de moulage fonderie d’une capacité de 40 000 pièces/jour et de nouvelles lignes d’usinage. Grâce à ces investissements, la quasi-totalité des rotors de frein (disques, moyeux-disques et tambours) du groupe Renault sont fabriqués et usinés sur le site du Mans.

Cependant, afin de faire face à la concurrence étrangère, l’optimisation de la chaine de production des pièces de freinage doit être maximale. Les performances atteintes, principalement dans le domaine de l’usinage de pièces en fonte, doivent être en permanence améliorées afin de garantir la compétitivité des entreprises. Cette exigence est d’autant plus forte lorsqu’il s’agit de pièces produites en très grande série. Les processus d’usinage toujours plus performants et plus exigeants mis en œuvre pour la production de ces pièces deviennent de plus en plus sensibles à la qualité des pièces brutes obtenues par fonderie en moule sable. Afin de respecter ces exigences et pour garantir la qualité des pièces, des spécifications strictes ont été définies pour les bruts. Toutefois, malgré un respect du cahier des charges fonderie, des difficultés sont rencontrées au cours de l’opération d’usinage. Elles se traduisent par :

✧ une usure prématurée des outils coupants qui génère un surcoût important.
✧ un taux de rebut des pièces trop élevé.
✧ la nécessité d’un stockage de bruts couteux de 10 jours entre les étapes de fonderie et d’usinage pour les résoudre partiellement.

Le contexte de l’étude

Le freinage

Afin de comprendre au mieux les problèmes d’usinabilité rencontrés par Renault Le Mans et ayant abouti à cette thèse, il est nécessaire de faire un rappel de la fonction freinage d’un véhicule et en particulier de la différence entre le freinage avant et arrière. La principale différence entre le freinage avant et arrière réside dans la répartition des efforts de freinage. Afin de conserver la maitrise totale du véhicule, il faut éviter le blocage des roues arrière qui entrainerait la perte de direction du véhicule : il faut donc équilibrer les charges de freinage afin d’obtenir une répartition de 80% des efforts à l’avant et 20% des efforts à l’arrière.

Le moyeu-disque et son usinabilité

Dans cette étude, le cas du moyeu-disque va être spécialement abordé. En effet, les principaux problèmes d’usinabilité rencontrés sur les lignes de production de Renault Le Mans sont concentrés sur cette pièce. Afin de tenter d’éliminer ces problèmes, Renault a décidé de mettre en place cette thèse afin de mettre en évidence l’influence du matériau (vieillissement, composition chimique…) sur l’usinabilité des pièces. Avant d’aborder en détail l’étude du comportement de la fonte GL09, il est nécessaire de revenir sur la fabrication des pièces et sur leurs problèmes d’usinabilité.

Fabrication des pièces

Les moyeux-disques sont coulés par grappes de 8 à 12 pièces par moule en fonction de leur diamètre. Le moulage et la coulée des pièces se font sur un chantier dit « à plat » c’est-àdire que les pièces sont moulées et coulées horizontalement .

Problème d’usinabilité lors l’OP140

Cette opération est la plus critique du process d’usinage pour les outils comme pour les pièces. En effet, c’est à sa suite que la plupart des défauts apparaissent. Les principaux défauts pièces concernent la finition des pistes et la portée de roulement. Ces phases d’usinage entrainent beaucoup de rebuts car les tolérances sont faibles et l’impact sur le véhicule peut s’avérer rédhibitoire au montage ou plus grave pour le consommateur. Pour commencer, il est nécessaire de présenter un extrait du dessin de définition d’un moyeu-disque pour comprendre l’ensemble des contraintes de fabrication :

Le problème principal concerne la finition des pistes car il n’affecte pas seulement la pièce mais aussi les outils. L’opération de finition des pistes se fait avec un dépinceur, qui permet d’usiner en même temps les deux pistes afin de minimiser les défauts de parallélisme des pistes. De plus, l’outil est équipé d’un frottoir afin de stabiliser la dynamique de la coupe et d’éviter les vibrations de la pièce. Les outils utilisés sont des plaquettes en nitrures de silicium (Si3N4) adaptées à l’usinage à sec des fontes, possible grâce à la présence de graphite qui joue le rôle de lubrifiant solide. Les conditions de coupe sont les suivantes :

✧ vitesse de coupe VC = 900 m/min.
✧ avance par tour f = 0.35 mm.
✧ profondeur de passe ap = 0.4 mm.

Cette opération présente trois problèmes récurrents qui peuvent s’avérer complémentaires et/ou interdépendants.

✧ Le premier défaut se situe sur la pièce et concerne surtout l’état de surface des pistes. Il s’agit d’un problème qui influera directement la capacité de freinage du véhicule. A la suite de l’opération de finition des pistes, la contrainte d’état de surface de la pièce est très serrée car la rugosité R doit être inférieure à 10µm afin de garantir un serrage optimal des plaquettes de frein sur le moyeu-disque. Le respect de cette tolérance entraine un changement d’outil assez important.

✧ Le second défaut est un défaut géométrique des pièces. Il s’agit du défaut de battement de la pièce, autrement appelé le défaut de chips. Le battement des pistes est un défaut d’irrégularité d’épaisseur mesuré sur un diamètre défini de la pièce.  Ce défaut est très important car il peut conduire au brouttement lors du freinage. Le brouttement est dû au frottement de la plaquette sur la piste de frein avec des variations de pression/couple excessives dues à une variation d’épaisseur de piste du disque de frein trop importante sur la circonférence. Elle conduit à la vibration de la colonne de direction et donc du volant. Ce défaut est à proscrire sur véhicule car il donne une image de non-qualité aux clients.

✧ Le dernier défaut est la vibration de la pièce lors de l’usinage. Il est problématique car il conduit non seulement au rebut de la pièce (état de surface et battement non conformes) mais aussi à la dégradation très rapide voire à la casse des outils de coupe. De plus, ce phénomène est très difficilement prévisible et est renforcé par la géométrie de la pièce qui ressemble à une cloche.

En analysant les performances des lignes d’usinage, Renault Le Mans a constaté une usure excessive des outils de coupe. Leur changement est piloté par l’état de surface des pièces. Plus les plaquettes sont usées, plus l’état de surface se détériore: les plaquettes sont donc changées quand R>10 µm sur les pistes. Le fréquentiel de changement outil attendu pour avoir un rendement économique acceptable est de 150 cycles. Dans les faits, le fréquentiel outil est en moyenne d’une centaine de cycles et il n’est pas rare, lors de l’usinage de certains lots, d’observer des changements d’outil au bout de 10 ou 15 cycles sans en connaitre la raison. Le surcout outil sur l’ensemble des lignes de production de Renault Le Mans est donc assez conséquent (entre 100 et 200 k€ par an) auquel il faut ajouter les surcouts dus à la casse outil lors de l’apparition de vibration pendant l’OP140.

Après avoir analysé l’ensemble des conditions de coupe et en avoir testé de nouvelles, le fréquentiel outil ne s’est pas amélioré et les changements n’ont pas apporté les effets escomptés. L’unique paramètre n’ayant pas été pris en compte est l’interaction de la matière avec le process d’usinage. La seule mesure efficace sur l’usinabilité, décidée de manière empirique, a été le stockage des pièces après coulée pendant une période de 10 jours. Cette période de vieillissement a permis de connaitre moins de crises d’usinabilité mais n’a toutefois pas résolu l’ensemble des problèmes.

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Table des matières

I. INTRODUCTION GENERALE
I.1 Le contexte industriel
I.2 Le contexte de l’étude
I.2.1 Le freinage
I.2.2 Le moyeu-disque et son usinabilité
I.3 Plan d’étude
II. ETAT DE L’ART
II.1 Le matériau : la fonte à graphite lamellaire
II.1.1 Bref historique de la fonte
II.1.2 Corrélation entre microstructures et refroidissement des fontes
II.2 Vieillissement des fontes
II.2.1 Généralités
II.2.2 Mécanismes de vieillissement
II.2.3 Influence des éléments d’addition
II.2.4 Cinétique du phénomène
III. TECHNIQUES EXPERIMENTALES DE CARACTERISATION
III.1 Techniques de suivi de vieillissement
III.1.1 Dureté
III.1.2 Micro-dureté
III.1.3 Fréquences propres
III.1.4 Résistivité
III.2 Techniques de caractérisation chimiques et microstructurales
III.2.1 Analyses micrographiques
III.2.2 Analyses chimiques
III.2.3 Analyse thermique
IV. REALISATION DES ECHANTILLONS
IV.1 Plaque-modèle fonderie
IV.1.1 Adaptation des moyeux-disques Renault aux conditions de coulée en laboratoire pour l’élaboration d’échantillons de suivi de vieillissement
IV.1.2 Dimensionnement des échantillons
IV.1.3 Création de l’outillage fonderie
IV.1.4 Contrôle du remplissage et du refroidissement de l’empreinte
IV.2 Protocole de coulée
IV.2.1 Moulage
IV.2.2 Instrumentation des moules
IV.2.3 Protocole de fusion
V. CARACTERISATION MICROSTRUCTURALE ET MECANIQUE : RESULTATS ET DISCUSSION
V.1 Analyses microscopiques
V.1.1 Microscopie optique
V.1.2 Microscopie électronique à balayage
V.2 Corrélation des techniques de caractérisation lors d’un suivi de vieillissement
V.2.1 Simulation vibratoire du moyeu-disque
V.2.2 Corrélation entre suivi par mesure de dureté et par détermination de fréquences
propres
V.3 Essais de vieillissement
V.3.1 Suivi de vieillissement sur pièces Renault
V.3.2 Suivis de vieillissement sur échantillons élaborés en laboratoire : recherche des
paramètres matière influençant le vieillissement
V.3.3 Etude cinétique du phénomène
V.3.4 Conclusions concernant l’étude du vieillissement des fontes
VI. ESSAIS D’USINAGE INSTRUMENTES
VI.1 Conditions d’essais
VI.2 Essais et résultats
VI.2.1 Couple Outil-Matière
VI.2.2 Essais de durée de vie de l’outil
VI.2.3 Essai d’usinage instrumenté : métallurgie N°1
VII. CONCLUSION GENERALE

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