Soutenance mémoire
Face au développement de nouvelles puissances économiques, certaines entreprises des pays dits « industrialisés » doivent innover pour garder et/ou développer leur niveau de compétitivité. Dans le cadre de l’obtention de pièces par déformation plastique, de nombreuses pistes sont à explorer pour réduire le coût unitaire de la pièce tout en y apportant une forte valeur ajoutée tant sur l’outillage, que sur la conception et le dimensionnement, que sur la métallurgie ou que sur la précision géométrique. On peut citer par exemple :
➤ sur une pièce forgée type, comme une rotule de direction ou une bielle par exemple, le coût de la mise en forme (énergie, amortissement et entretien de la machine, opérateur, …) ne représente que 5 à 15 % du prix de revient d’une pièce. Ce n’est donc pas sur cette voie qu’il faut chercher à améliorer en premier lieu.
➤ le coût de l’outillage (matière première, réalisation, contrôle, …) prend, quant à lui, une part beaucoup plus importante dans le coût de revient de la pièce. Des réparations par rechargement des zones usées par abrasion permettent déjà de prolonger la durée de vie des outillages. Des études parallèles pour durcir au préalable les zones les plus sollicitées ou le développement d’outillages multimatériaux devraient contribuer à augmenter la durée de vie des matrices [BAC03, BIG05, NAV01, RAV01, SHI05]. Cependant, le surcoût engendré sur celles ci doit être rentabilisé avant de pouvoir espérer une réduction du coût ramené à la pièce. En outre, le développement de l’outillage doit se faire en parfaite connaissance de la fonction à assurer par la pièce, de façon à établir l’habillage qui minimisera l’usure.
➤ la conception et le dimensionnement prennent également une part importante du coût de revient unitaire de la pièce, mais ce coût n’est pas toujours aussi perceptible. S’il est facile de chiffrer les heures d’études pour le développement d’un nouveau produit, il est beaucoup moins facile d’évaluer le surcoût sur une pièce dû à une conception mal optimisée, sur l’habillage de la pièce et ses conséquence en terme d’usure par exemple. Aujourd’hui, les forgerons français tendent à intégrer les potentialités de leur processus de fabrication dans la conception des futurs produits. Ainsi, ZF Lemforder Mécacentre a reconçu une rotule de direction en remplaçant la majeure partie des opérations d’enlèvement de matière par des opérations de déformations plastiques ; diminuant au maximum l’engagement de matière initial [LEM03]. De plus en plus ces développements sont accompagnés d’outils d’aide à la gestion de la connaissance et du savoir pour pouvoir traiter la multitude d’informations nécessaires simultanément [BER05].
➤ la simulation numérique par éléments finis qui remplace les essais d’écoulements par écrasement de plasticine a réduit les coûts et le temps de développement des nouveaux produits. Le développement de ces outils logiciels permet de mieux prédire les comportements physique, mécanique et métallurgique des matrices et des lopins ce qui restreint le nombre d’essais de mise au point.
➤ les étapes de finition et/ou superfinition par enlèvement de matière sur une ébauche forgée augmente encore le coût de revient de la pièce finie. D’importants travaux menés à la fois sur la géométrie des pièces et sur la conception des outillages ont permis une amélioration de la qualité géométrique des pièces forgées [CAI04, DEA00, DOE97, WAN04]. Sont alors apparues successivement les pièces dites « near net shape » où la surépaisseur d’habillage est limitée à quelques dixièmes de millimètres pour qu’il ne reste plus qu’une passe de finition à effectuer.
Aujourd’hui, dans certains cas, il est possible d’obtenir des pièces dites « net shape» où les surfaces fonctionnelles principales sont obtenues directement par forgeage, ce qui limite le coût de fabrication.
Problématique : métrologie de pignons coniques forgés « net shape »
Contexte de l’étude
Les relations donneurs d’ordres – fournisseurs évoluent de plus en plus vers des relations de partenariat. Le fournisseur voit ainsi son métier évoluer vers la maîtrise de la conception et de la réalisation de ses produits. Il doit rester innovant pour rester compétitif. Dans cette optique, l’équipe Ingénierie de FABrication (IFAB) du Laboratoire de Génie Industriel et de Production Mécanique (LGIPM) apporte son soutien aux entreprises, en particulier dans le secteur d’activités de la forge, pour développer des produits dits « net shape ». Les surfaces fonctionnelles principales de ceux-ci sont obtenues directement par formage.
Ces travaux se placent dans un contexte de conception et de fabrication intégrée. La conception – fabrication, ou ingénierie intégrée, se distingue principalement de la conception linéaire par le fait que l’expression des besoins et de leurs spécifications évoluent au cours du processus de conception. L’absence de séparation franche entre les fonctions conception et industrialisation permet une grande réactivité lors de la conception en intégrant mieux les potentialités mais aussi les limites (capabilités par exemple) des procédés et des ressources de production. D’ailleurs, cette meilleure réactivité se traduit généralement par une réduction significative du temps de développement des produits. En revanche, les moyens de production évoluant au cours du temps, il devient difficile d’établir des documents autorisant la standardisation de la conception au sein d’une entreprise. Ils seront remplacés par des règles basées sur la connaissance acquise au cours du temps, limitant ainsi certaines tentatives vouées à l’échec. L’ingénierie intégrée s’appuie donc fortement sur la capacité à échanger entre les différents acteurs travaillant sur un même produit ou sur une même pièce (figure I-1). Les projets sont suivis par des équipes composées de plusieurs experts qui vont apporter leur point de vue à chaque étape de mise au point d’un produit.
C’est comme cela que le métrologue n’attend pas qu’une pièce soit terminée pour la contrôler et conclure sur sa conformité ou non. Dans ses travaux de thèse, L. Berviller montre que l’activité de « contrôle » est la source principale de l’amélioration de la connaissance du produit [BER05]. Les données issues d’un contrôle dimensionnel ou d’un autre contrôle spécifique (contrôle de fonctionnalité, contrôle métallurgique, test de fatigue, …) permettent, après interprétations, d’améliorer la réalisation du produit en agissant sur certains paramètres de fabrication. La contribution du métrologue au sein de l’équipe projet permet de mieux appréhender le processus de réalisation des pièces, afin d’améliorer la qualité dimensionnelle et géométrique intrinsèque des surfaces fonctionnelles.
Le pignon conique forgé
Choix du support de l’étude
Le choix d’appliquer cette démarche sur le pignon conique est motivé par deux raisons principales qui sont d’ailleurs liées :
➤ Le marché des transmissions mécaniques par engrenage est actuellement fortement concurrentiel. L’augmentation des puissances transmises, l’allongement de la durée de vie, la miniaturisation et l’allègement des mécanismes, entre autres, demandent une forte innovation tant sur les procédés et moyens de production, que sur la métallurgie ou sur la qualité dimensionnelle des pignons. De nombreux industriels et centres de recherche investissent pour produire des pignons de haute qualité à coût compétitif par rapport aux productions des pays émergeants.
➤ Dans cette optique, le laboratoire travaille sur le différentiel automobile depuis 1998 en étroite collaboration avec plusieurs industriels, dont Ascoforge SAFE et Ascométal CREAS, principaux partenaires. Le développement de nouveaux différentiels a notamment nécessité une innovation dans le contrôle dimensionnel et géométrique pour mieux appréhender la conception et la fabrication des pignons.
Même si ces travaux ont pour objectif final le développement de pignons coniques forgés, l’utilisation de pignons cylindriques droits ou hélicoïdaux a été nécessaire pour l’étude de certaines étapes. Dans tous les cas, que ce soit pour les pignons coniques ou cylindriques, les pièces étudiées ont les mêmes caractéristiques dimensionnelles que celles qui sont vouées à de très grandes séries pour l’industrie automobile principalement.
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Table des matières
INTRODUCTION
1. PROBLEMATIQUE : METROLOGIE DE PIGNONS CONIQUES FORGES « NET SHAPE »
1.1. CONTEXTE DE L’ETUDE
1.2. LE PIGNON CONIQUE FORGE
1.2.1. Choix du support de l’étude
1.2.2. Présentation du produit étudié
1.2.2.1. Le différentiel
1.2.2.2. Le pignon conique forgé : quelques définitions
1.2.2.3. Fabrication d’un pignon conique forgé
1.3. OBJECTIFS DU METROLOGUE
1.4. CONTROLE DE PIGNONS
1.4.1. Normes sur la géométrie des pignons
1.4.1.1. Principes généraux du tolérancement d’une denture
1.4.1.2. Définitions des écarts normalisés
1.4.2. Moyens de contrôle
1.4.2.1. Appareils de métrologie conventionnelle pour le contrôle dimensionnel et géométrique des engrenages
1.4.2.2. Utilisation des machines à mesurer tridimensionnelle pour le contrôle d’engrenages
1.4.2.3. Capteurs à contact
1.4.2.4. Capteurs sans contact
1.4.2.5. Choix du moyen de mesure
1.4.3. Engrènométrie
1.4.3.1. Principe de l’engrènométrie
1.4.3.2. Machines à entraxer : Engrènement sans jeu, mesure de l’écart total composé radial
1.4.3.3. Engrenomètre : Engrènement à axes imposés, mesure de l’écart total composé tangentiel
1.5. CONCLUSION PARTIELLE
2. STRATEGIE DE DEPOUILLEMENT ET QUALIFICATION DU MOYEN DE MESURE
2.1. INTERPRETATION DES NORMES, STRATEGIE DE DEPOUILLEMENT ASSOCIEE
2.1.1. Les limites des normes
2.1.2. Redéfinition du mesurande
2.1.3. Stratégie d’analyse des points de mesure
2.2. OUTIL MATHEMATIQUE POUR L’ANALYSE DES DONNEES
2.2.1. Analyse de l’écart de mesure par la méthode dite de « la base orthonormale »
2.2.2. Etude des écarts de position : définition du repère d’étude
2.2.3. Choix du repère d’étude
2.2.4. Aspects mathématiques de la méthode dite de « la base orthonormale »
2.3. APPORTS LIES AU CHANGEMENT DE MESURANDE
2.3.1. Réduction de l’incertitude sur les résultats de dépouillement
2.3.2. Détection et interprétation des défauts locaux
2.4. QUALIFICATION DU MOYEN DE MESURE ET OBTENTION D’UN ETALON METROLOGIQUE PAR MULTIRETOURNEMENT
2.4.1. Objectifs de cette qualification
2.4.2. Principe du multi-retournement
2.4.3. Etude des défauts machines identifiables
2.4.4. Mise en œuvre du multi-retournement
2.4.4.1. Protocole expérimental
2.4.4.2. Résultats expérimentaux
2.5. CONCLUSION PARTIELLE
3. APPLICATION DU NOUVEAU MESURANDE POUR L’ANALYSE DE QUELQUES ETATS DU PRODUIT AU COURS DE SON PROCESSUS DE FABRICATION
3.1. PRINCIPE DE LA QUALIFICATION DE L’INTERACTION PRODUIT – PROCEDE – PROCESSUS PAR UNE APPROCHE DIMENSIONNELLE
3.1.1. Présentation du carter de frein de camion et de son processus d’obtention
3.1.2. Procédure métrologique mise en œuvre
3.1.3. Principales constations sur le processus de réalisation
3.1.4. Conclusion
3.2. MISE EN PLACE DES CONTROLES POUR LE SUIVI DU PROCESSUS DE FABRICATION DU PIGNON CONIQUE FORGE « NET SHAPE »
3.2.1. Présentation des différents contrôles
3.2.2. Maquette informatique de traitement des données
3.3. ANALYSE DE QUELQUES ETATS DU PRODUIT AU COURS DE SON PROCESSUS DE FABRICATION
3.3.1. Montage de contrôle de réglage des outillages
3.3.1.1. Présentation du montage dédié
3.3.1.2. Analyse du montage
3.3.1.3. Amélioration proposée pour le réglage du montage
3.3.2. Suivi d’usure de matrices
3.3.2.1. Problématique du suivi d’usure des matrices
3.3.2.2. Analyse visuelle et par éléments finis
3.3.2.3. Suivi d’usure de matrice par analyse métrologique de pièces
3.3.3. Influence du traitement thermique
3.4. CONCLUSION PARTIELLE
CONCLUSION GENERALE
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