Domaine technique La présente invention concerne un procédé pour la fabrication d'une pièce mécanique de forme à géométrie circulaire, notamment une pièce annulaire telle qu'une bague de roulement réalisée en un alliage métallique susceptible d'être soumis à au moins un traitement thermique de durcissement, dans lequel l'on réalise par centrifugation dans un moule creux rotatif une ébauche de ladite pièce mécanique à partir d'un volume prédéterminé dudit alliage métallique porté à une température de fusion T-i, et dans lequel l'on refroidit ladite ébauche à une température T2, inférieure à ladite température de fusion T1, à laquelle ladite ébauche a une consistance malléable

Elle concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé pour la fabrication d'une pièce mécanique de forme à géométrie circulaire, notamment d'une pièce annulaire telle qu'une bague de roulement réalisée en un alliage métallique susceptible d'être soumis à au moins un traitement thermique de durcissement, comportant un moule creux rotatif agencé pour recevoir le volume prédéterminé dudit alliage métallique, des moyens de chauffage pour porter cet alliage métallique à la température de fusion Ti et des moyens d'entraînement pour entraîner ledit moule creux en roijation et réaliser une ébauche de la pièce mécanique par centrifugation.

Elle comprend enfin une pièce mécanique réalisée selon ce procédé et au moyen de ce dispositif.

Technique antérieure Les pièces mécaniques ayant une forme à géométrie circulaire et notamment de pièces annulaires comme des bagues de roulements à billes ou à aiguilles par exemple, sont généralement réalisées par des procédés connus de décolletage qui impliquent un usinage complexe et coûteux de la pièce à partir d'une barre de métal approprié, tel que de l'acier au chrome. A titre d'exemple, pour une bague de roulement à bille, les phases de cet usinage comprennent la mise en place de la barre de métal sur le mandrin d'un tour, le perçage intérieur, la mise en forme extérieure au moyen d'un burin de forme plongeant, l'usinage du chemin de roulement intérieur au moyen d'un outil pénétrant dans la cavité centrale et pouvant être déplacé latéralement, l'usinage des gorges pour loger les anneaux cache-poussière de part et d'autre du chemin de roulement, la coupe de la pièce, son lavage et son traitement thermique ou trempe.

Les opérations d'usinage sont toutes génératrices de copeaux puisqu'elles consistent à enlever de la matière de la barre de métal pleine, de section circulaire, qui constitue la matière première servant à la fabrication de la pièce. Etant donné que les alliages utilisés sont coûteux, la production de copeaux génère une perte non négligeable, la masse de copeaux produite au cours de l'usinage d'une pièce étant souvent supérieure à la masse de la pièce elle- même. En outre, pour chaque diamètre de pièce il convient de disposer d'une barre de métal brut de diamètre équivalent, ce qui implique une immobilisation et une gestion de stock considérable de barres d'alliages métalliques divers dont le prix de base est élevé. Enfin, chaque pièce correspond à une gamme d'outils de perçage, de fraisage et autres très importante dont il convient d'assurer la maintenance pour garantir une fabrication de qualité. En particulier, les machines de décolletage sont très coûteuses et l'investissement est relativement lourd pour un fabricant.

Tous ces inconvénients auxquels s'ajoute le fait que certains aciers extra durs se prêtent mal à ce type d'usinage classique et sont, par conséquent, peu utilisés pour des raisons économiques dans l'industrie courante, font que les méthodes connues sont difficiles à gérer dans un processus économique où la productivité est devenue un atout majeur. Des essais plus ou moins satisfaisants ont été réalisés, mais ils n'ont pas abouti à des résultats satisfaisants en ce qui concerne à la fois la qualité et la productivité.

La publication GB 852 359 décrit un procédé de moulage par centrifugation de bagues en acier, dans lequel une quantité prédéterminée de métal fondu est prélevée d'un bac de métal en fusion pour être déversé dans un creuset de moulage. Le prélèvement de métal fondu en quantité prédéterminée est particulièrement délicat à réaliser avec un entonnoir de coulée pourvu d'une buse de distribution et d'un élément mécanique d'arrêt.

Le brevet américain US 3 927 450 décrit également un procédé de moulage par centrifugation de lingots creux en alliages métalliques, ces lingots étant ensuite usinés mécaniquement et coupés pour former les pièces mécaniques finies à géométrie circulaire que l'on souhaite réaliser.

Le brevet français FR 2516 825 décrit également un dispositif de moulage par centrifugation. Comme dans les documents précédents l'alliage fondu est prélevé dans un bac contenant la matière en fusion et la quantité requise est prélevée au moyen d'un récipient intermédiaire. Un tel dispositif d'approvisionnement est peu précis, complexe et coûteux.

Le brevet américain US 3 720 987 décrit un procédé de fabrication de bagues, notamment de roulements au moyen d'alliages métalliques d'acier au carbone, par centrifugation et qui est destiné à générer une migration des molécules d'acier vers l'extérieur et des molécules de carbone vers l'intérieur de la pièce moulée.

Le brevet américain US 5,101 ,547 décrit un procédé de moulage par centrifugation dans lequel la matière en fusion est prélevée d'un bain de matière première en fusion. Tous ces procédés ne sont pas précis et fiables et ne permettent pas de réaliser des pièces de précision, à grande cadence et de façon économique et fiable, sachant que les bagues de roulements sont des pièces de grande consommation qui doivent être réalisées avec des tolérances de l'ordre du 1/000 ième de millimètre.

Exposé de l'invention Le but de l'invention est de supprimer l'ensemble de ces inconvénients en proposant de remplacer les procédés classiques d'usinage par enlèvement de copeaux d'alliages métalliques par une technique de mise en forme simple et économique permettant d'utiliser n'importe quel alliage métallique, même les alliages dits extra-durs, à partir d'un stock de matière première réduit et de combiner, dans certains cas, cette mise en forme avec au moins une phase du traitement thermique de la pièce.

Ce but est atteint par le procédé tel que défini en préambule et caractérisé en ce que l'on détermine le volume d'alliage métallique devant être fondu à partir d'une barre d'alliage métallique engagée à l'intérieur d'un four vertical de chauffage par induction ouvert à son extrémité inférieure au-dessus dudit moule creux, en ce que l'on amène ledit volume prédéterminé d'alliage métallique à ladite température de fusion T1 , en ce que l'on forme le profil intérieur de ladite pièce mécanique au moyen de moyens d'usinage amenés en appui contre sa surface intérieure au moment où ladite ébauche a atteint ladite température T2, en ce que l'on extrait cette pièce dudit moule creux et on la porte à une température de trempe T3, et en ce qu'on la refroidit de manière prédéterminée.

Selon un mode de réalisation avantageux, ladite barre de d'alliage métallique est pré-entaillée circulairement de manière à définir des segments de barre correspondant chacun soit audit volume prédéterminé de matière première requise pour fabriquer ladite pièce mécanique, soit à un sous-multiple entier de ce volume. Selon une première variante, l'on peut introduire ladite quantité prédéterminée d'alliage métallique dans le moule sous la forme d'au moins une goutte formée par au moins un segment de barre fondu à ladite température Ti dans le four vertical de chauffage, cette goutte s'étant détachée par gravité de la barre d'alliage métallique engagée à l'intérieur dudit four vertical de chauffage.

Selon une seconde variante, l'on peut introduire ladite quantité prédéterminée d'alliage métallique dans le moule creux sous la forme d'au moins un segment de barre, ledit segment s'étant détaché de ladite barre par chauffage de la barre dans les zones où elle est pré-entaillée, et en ce l'on porte ledit au moins segment de barre à la température de fusion T1 par des moyens de chauffage entourant au moins partiellement ledit moule creux.

Ce but est également atteint par le dispositif pour la mise en œuvre de ce procédé tel que défini en préambule et caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour déterminer le volume d'alliage métallique devant être fondu à partir d'une barre d'alliage métallique, des moyens de chauffage par induction pour fondre ledit volume prédéterminé d'alliage métallique et l'amener à la température T1 dans le moule creux, des moyens pour refroidir ladite ébauche obtenue par centrifugation de l'alliage fondu dans le moule creux et l'amener à la température T2, inférieure à ladite température de fusion T1, à laquelle cette ébauche a une consistance malléable, des moyens d'usinage pour former le profil intérieur de ladite pièce mécanique, - un dispositif de régulation de température pour porter la pièce mécanique obtenue à partir de ladite ébauche à une température de trempe T3, et des moyens pour procéder à une trempe de ladite pièce mécanique (28) après son extraction du moule creux.

De façon avantageuse, lesdits moyens de détermination du volume d'alliage métallique devant être fondu sont formés par des pré-entailles ménagées circulairement sur la barre de manière à définir des segments de barre correspondant chacun soit au volume de matière première requise pour fabriquer ladite pièce mécanique, soit à un sous-multiple entier de ce volume.

Dans une première variante de réalisation, lesdits moyens de chauffage par induction peuvent comporter un four à induction vertical, ouvert à son extrémité inférieure au-dessus dudit moule creux, dans lequel est engagée la barre pré¬ entaillée dudit alliage métallique.

Dans une seconde variante de réalisation, lesdits moyens de chauffage par induction peuvent comporter un four à induction vertical, dans lequel est engagée la barre pré-entaillée dudit alliage métallique, et au moins une bobine d'induction entourant au moins partiellement ledit moule creux, la température du chauffage dans ledit four à induction étant dans ce cas définie pour fondre la barre seulement au niveau des pré-entailles et permettre ainsi le détachement des segments nécessaires pour obtenir le volume prédéterminé d'alliage métallique, lesdits segments étant ensuite fondus dans le moule et amenés à la température Ti de fusion par la bobine d'induction.

De préférence, les moyens d'usinage comportent une molette profilée rotative associée à des moyens d'entraînement en rotation et à des moyens de déplacement axial et latéral pour l'amener en appui contre la surface intérieure de ladite ébauche afin de former le profil intérieur de ladite pièce mécanique.

Le moule creux peut être associé à un cache qui définit une paroi de moulage de ladite pièce mécanique.

De façon avantageuse, les moyens pour procéder à une trempe de ladite pièce mécanique comportent au moins un bain de trempe.

Dans toutes les variantes, le moule creux comporte un creuset agencé pour contenir le volume prédéterminé d'alliage métallique et une cavité de moulage qui communique avec ledit creuset. Dans une variante de réalisation, le moule creux peut être constitué d'au moins deux segments mobiles radialement agencés pour permettre une ouverture de ce moule en vue de l'extraction de la pièce moulée.

Suivant la forme de réalisation, les moyens pour refroidir l'ébauche peuvent être agencés pour refroidir les parois extérieures du moule et/ou le cache.

Description sommaire des dessins La présente invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée d'une forme de mise en œuvre du procédé de l'invention et de ses variantes, en référence aux dessins annexés donnés à titre indicatif et non limitatif, dans lesquels:

les figures 1A, 1B et 1C représentent schématiquement les différentes phases de fabrication par décolletage traditionnel d'une pièce mécanique en forme de bague de roulement par exemple,

les figures 2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F et 2G représentent schématiquement le dispositif de l'invention et les différentes phases opératoires de fabrication d'une pièce mécanique en forme de bague de roulement selon un premier mode de mise en œuvre du procédé de l'invention,

les figures 3A et 3B représentent schématiquement le dispositif de l'invention et les différentes phases opératoires de fabrication d'une pièce mécanique en forme de bague de roulement selon un second mode de mise en œuvre du procédé de l'invention, et

la figure 4 est une vue de dessus d'une forme de réalisation particulière d'un moule creux utilisé dans le dispositif selon l'invention. .

Manière(s) de réaliser l'invention En référence à la figure 1A, la première phase du procédé de fabrication d'une pièce mécanique telle qu'une bague de roulement par décolletage classique, consiste par exemple à monter sur le mandrin d'un tour (non représenté), une barre 1 d'un alliage métallique approprié et d'effectuer un alésage central 2 au moyen d'un foret 3.

La figure 1B illustre deux phases suivantes qui peuvent être effectuées simultanément et qui consistent, d'une part, à usiner le contour extérieur 4 de la future pièce au moyen d'un outil de forme plongeant 5 et d'autre part à usiner le profil intérieur de la future pièce, par exemple le chemin de roulement 6 au moyen d'un outil de forme 7 à déplacement axial et latéral.

La figure 1C illustre la phase de coupe de la pièce mécanique usinée 8 au moyen d'un outil de coupe plongeant 9 qui détache la pièce de la barre métallique 1 afin de permettre le démarrage d'un nouveau cycle de production.

Ces opérations s'effectuent automatiquement à cadence élevée sur des machines à commande numérique. Elles génèrent une grande quantité de copeaux métalliques et les outils d'usinage doivent être affûtés régulièrement et ajustés en position pour compenser leur usure.

Le procédé selon l'invention permet de s'affranchir de toutes le contraintes liées à ce procédé de fabrication en améliorant encore le procédé connu de moulage de pièces par centrifugation. Les dimensions des pièces ainsi obtenues ne peuvent pas être garanties car le dosage du matériau à mouler n'est pas très fiable. Dans le procédé de l'invention cet inconvénient est supprimé par le fait que l'on détermine le volume d'alliage métallique devant être fondu à partir d'une barre d'alliage métallique engagée à l'intérieur d'un four vertical de chauffage par induction, cette barre étant divisée en segments égaux prédécoupés avec lesquels on pourra obtenir un volume d'alliage fondu prédéterminé toujours identique. L'on amène ensuite ce volume prédéterminé d'alliage métallique à la température de fusion de l'alliage pour former une ébauche par centrifugation dans un moule rotatif. Lorsque l'ébauche a encore une consistance malléable, l'on forme le profil intérieur de la pièce mécanique voulue au moyen d'un outil d'usinage tel qu'une molette profilée rotative amenée en appui contre sa surface intérieure et après extraction de la pièce du moule on la plonge dans un bain de trempe.

Ce procédé peut être mis en œuvre sur un dispositif illustré par les figures 2A à 2G. Ce dispositif 10 comporte un moule creux 11 , entraîné en rotation autour de son axe 12 et qui comporte un creuset 13 destiné à recevoir par exemple un alliage métallique à l'état fondu, ainsi qu'une cavité de moulage 14. Ce moule creux 11 est surmonté d'un cache 15 solidaire de ce moule et qui comporte une ouverture centrale 16. Le moule creux 11 est monté sur un support 17 qui est logé dans un bâti 18 portant des moyens d'entraînement en rotation du support 17 et du moule creux 11.

Au-dessus de cet équipement est disposé un dispositif d'amenée de la matière première utilisée pour la réalisation de la pièce mécanique, en l'occurrence un alliage métallique qui se présente par exemple sous la forme d'une barre 20 qui est formée de segments 21 reliés les uns aux autres par des gorges périphériques 22. Dans la pratique, un dispositif de fraisage (non représenté) usine les gorges périphériques 22 de manière prédéterminée et commandée automatiquement pour définir les segments 21. Cette barre 20 est engagée dans un four à induction vertical 23 de telle manière qu'une quantité . de matière première soit fondue et tombe dans le creuset 13 du moule creux rotatif 11.

A cet effet, le four à induction vertical 23 comporte des bobines d'induction 24 dont les axes sont verticaux et correspondent à l'axe d'un canal central 25 qui correspond sensiblement à l'axe 12 du moule creux 11. Les bobines d'induction 24 sont disposées de telle manière que les segments 21 de la barre 20 qui sont amenés automatiquement dans le sens des flèches A sont d'abord préchauffés puis fondus. Chaque segment 21 a de préférence un volume égal ou qui correspond à un sous-multiple entier du volume de matière première nécessaire à la fabrication de la pièce mécanique.

Le fonctionnement de ce dispositif est expliqué ci-dessous en référence aux figures qui représentent les différentes étapes du procédé. La figure 2A montre le moule creux 11 recouvert du cache 15 et positionné sous le four à induction vertical 23 alimenté en matière première sous la forme d'une barre d'alliage métallique 20 divisée en segments 21 qui sont successivement préchauffés puis fondus dans le four.

La figure 2B montre la phase suivante où le volume de matière première fondue correspondant à au moins un segment 21 de la barre 20 est tombé par gravité dans le creuset 13. Dans cette phase, le moule creux peut être en position stationnaire ou en rotation à petite vitesse.

La figure 2C montre la phase de centrifugation au cours de laquelle le moule creux est entraîné à grande vitesse pour que la matière fondue dans le creuset soit projetée dans la cavité de moulage 14 par centrifugation pour prendre un profil qui correspond à une ébauche 26 de la pièce mécanique à produire. Le profil extérieur de la pièce finie correspond exactement à la forme périphérique de la cavité de moulage 14. On notera que le cache 15 est toujours en place puisqu'il définit une des parois de moulage de la cavité de moulage 14. On notera également que la barre 20 s'est déplacée de manière à amener l'un au moins de ses segments 21 dans le canal central 25 du four à induction vertical 23 en vue de la coulée suivante.

La figure 2D représente une phase d'attente au cours de laquelle l'ébauche 26 est refroidie par des moyens de refroidissement 30, par exemple des conduits de ventilation dirigés vers les parois extérieures du moule 11 et/ou le cache 15. Le four à induction a élevé la température de la matière première à une valeur Ti qui correspond à la température de fusion de la matière. Cette température est abaissée par les moyens de refroidissement 30 au cours de cette phase du procédé à une valeur T2 à laquelle l'alliage métallique est suffisamment malléable pour pouvoir être mis en forme par des moyens d'usinage appropriés. Ces moyens d'usinage sont représentés sous la forme d'une molette de formage 27 qui peut être entraînée en rotation autour de son axe. On notera que le cache 15 a été retiré au cours de cette étape. La figure 2E représente la phase de formage au cours de laquelle le profil intérieur de la pièce mécanique est donné par la molette de formage 27, par appui sur l'ébauche 26 à l'état malléable, cette molette ayant été abaissée et introduite axialement dans la cavité du moule creux selon la flèche de direction B puis déplacée latéralement selon la flèche de direction C.

La figure 2F illustre la phase de retrait de la molette de formage 27 hors du moule creux 11 après la mise en forme de la pièce mécanique 28. Cette pièce est ensuite extraite du moule creux 11 par des moyens de préhension connus en soi et qui ne sont pas décrits ici.

La figure 2G illustre schématiquement la phase de transfert de la pièce moulée 28 extraite du moule creux 11 dans un bain de trempe 29 lorsque, à l'aide d'un dispositif de régulation de la température (non représenté), elle a atteint la température T3 permettant cette trempe. Un nouveau cycle de fabrication peut être démarré immédiatement après le retrait de la pièce 28 du moule 11. Le cas échéant, le moule peut être changé en vue de la fabrication d'une autre pièce.

Ces différentes phases du procédé peuvent être accomplies dans une atmosphère contrôlée pour éviter l'oxydation ou la corrosion suivant l'alliage métallique utilisé.

Dans une seconde forme de réalisation du dispositif illustré par les figures 3A et 3B, la matière première, à savoir l'alliage métallique, est fondue directement dans creuset 13 du moule creux 11 et les moyens de chauffage sous la forme de bobines d'induction 31 sont disposés autour du moule creux 11. Dans cette variante, le four vertical 23 est utilisé à une température inférieure à celle de la première forme de réalisation de façon que seule la zone de séparation de deux segments 21 consécutifs puisse fondre afin de détacher un segment 21 de la barre 20. Ce ou ces segments, suivant le volume prédéterminé nécessaire à la fabrication de la pièce, tombent dans le moule 11 où ils sont portés à la température de fusion Ti par les moyens de chauffage entourant ledit moule. Les autres composants du dispositif sont sensiblement les mêmes et, lorsque l'alliage métallique est fondu, l'opération de centrifugation par rotation du moule creux autour de son axe permet de réaliser une ébauche 26 dont le traitement est le même que celui décrit ci-dessus pour aboutir à la pièce finale.

Dans les deux variantes du dispositif selon l'invention décrites précédemment, le moule creux est surmonté du cache 15. La pièce peut être retirée du moule creux après retrait de ce cache.

La figure 4 représente une variante permettant d'obtenir des pièces mécaniques comportant un profilé sur son pourtour extérieur. Dans ce cas, le retrait de la pièce finie nécessite l'ouverture du moule creux et ledit moule creux 41 ne comporte pas de cache et est constitué d'au moins deux segments. Ces segments 42, au nombre de trois sur l'exemple illustré, se déplacent radialement dans le sens des flèches F pour permettre l'extraction automatique de la pièce au moyen d'un robot de préhension (non représenté).

Les formes de réalisation préférées décrites peuvent subir différentes modifications et peuvent être intégrées dans un carrousel équipé de différents poste de travail. Il est également possible d'utiliser un alliage sous la forme de particules divisées, par exemple des grains ou des granulés, contenus dans un doseur. Dans ce cas, le dosage de la quantité de particules nécessaires peut se faire par pesée ou par mesure volumétrique, afin que le volume des particules corresponde à celui de la pièce à réaliser. Les particules de matière première sont déversées à froid dans le creuset d'un moule creux équipé de moyens de chauffage tels que décrits en référence à la deuxième forme de réalisation.