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ROUX Flavien

Agrégation externe de génie mécanique session 2006

Dossier industriel :

La Finition de Pignons fous chez RENAULT

(le tournage dur : un échec)

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Remerciements Avant tout, je tiens à remercier les personnes qui m’ont accueillies et renseignées dans le cadre de ce dossier : A Cléon : Mr Chollet Mr Barbeau Mr Monteil Mr Riou A Rueil : Mr Vandewiel Mr Khanfir

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SOMMAIRE

I. INTRODUCTION 3 Présentation de l’entreprise 3

Présentation du support 7

Problématique 14

II. L’évolution de la gamme avec tournage dur 15 Gamme de fabrication initiale 15

Le tournage dur 17

Les lignes de finition PKflex 20

1er problème 21

2ème problème 23

Conséquences de défaillances client 24

3ème problème 26

4ème problème 28

III. Changement de procédé 31

Le rodage 32

La solution de rodage retenue 33

La gamme avec rodage 34

Les lignes de finition PKflex rodage 36

Bilan du changement de procédé 37

IV. CONCLUSION 37

V. Application pédagogique 38

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I. INTRODUCTION La recherche d’un support industriel répondant aux critères de l’épreuve de dossier m’a conduit jusqu’à l’usine RENAULT de CLEON (76).

Présentation de l’entreprise :

La première voiture de Louis RENAULT (1898) L’aventure industrielle de Renault commence en 1898. Son fondateur, Louis Renault, a deux passions : l’innovation technologique et les usines. Avec une 1ère commande de 250 taxis en 1905, les usines Renault adoptent la production en série. Nouvelle étape en 1913 : pour augmenter la productivité et assurer la diversification de la production, Louis Renault introduit le taylorisme dans ses usines. (Une première en France).

Aujourd’hui, la petite société des Frères Renault est désormais dirigée par Carlos Ghosn et elle est devenue le groupe RENAULT S.A. propriétaire de Samsung Motors et Dacia également impliqué dans l’alliance Renault/Nissan (44% du capital de Nissan).

Sa large gamme de véhicules lui a permit en 2004 de réaliser 40,7 milliards d’Euros de chiffre d’affaire et de se classer au 10ème rang mondial des constructeurs automobile avec une production d’environ 2,5 millions de véhicules. En tenant comptes des résultats de NISSAN (3,3 millions), le groupe se hisse à la 4ème place mondiale avec 9,6% du marché.

- 4 -

RENAULT emploi environ 130 600 personnes dans un peu plus 350 sites partout dans le monde (environ36 pays).

- 5 -

• L’usine de Cléon : Historique :

1958 : Création de l’usine pour la fabrication des pièces pour la boîte de vitesses de la DAUPHINE. 1959 : Ouverture de l’atelier des traitements thermiques. L’usine produit environ 1000 boites de vitesse par jour. 1961 : Fabrication de la première pièce moteur. L’usine produit environ 4000 boîtes de vitesses et 400 moteurs chaque jour. 1964 : Ouverture de la fonderie. 1969 : Lancement de la première boîte de vitesses automatique à Cléon. 1970 : Cléon produit pour la première fois des boîtes à 5 rapports. 1980 : L’usine s’agrandit pour les installations nécessaires à la boîte de vitesses de type JB. 1981 : Début de la production des moteurs diesel. 1983 : Développement important de la robotisation. 1994 : Installation du deuxième four de 30 tonnes à la fonderie. 1996 : Certification ISO 9002. 1999 : Rattachement de la fonderie de Cléon à Teksid, détenu à 33.5% par Renault et à 66.5% par Fiat. 2000 : Obtention de la norme ISO 14001 et développement des lignes flexibles. 2001 : Cléon accueille le Département Fabrication Pièces Proto Mécaniques.

Aujourd’hui : Situé en Haute Normandie, au bord la Seine et de l’A13 à 20 Km de Rouen, 110 Km

de Paris, la plus importante usine Renault est idéalement placée pour alimenter les différents sites d’assemblages français (Flins, Sandouville, Douai, Maubeuge) et étrangers (Pays Bas, Espagne, Slovénie, Turquie, Brésil, Chili…).

En effet, avec une superficie de 155 ha dont 40ha de bâtiments couverts, le site fort de 5200 employés produit quotidiennement 5000 moteurs et 6000 boîtes de vitesses soient respectivement environ 50% et 60% des besoins du groupe.

Les 5200 employés sont à 52% des ouvriers, 38% des techniciens et agents de maîtrise, 6,2% d’ingénieurs et cadres et 3,8% d’apprentis.

- 6 -

Le plan de l’usine :

LCENTRALEDES

FLUIDES

ISERVICE DEVELOPPEMENT DECENTRALISE - DIRECTION ESSAIS PROTOTYPES

N

RESTAURANT

BIELLES

CA

RT

ER

SD

IST

RIB

UT

ION

G

LIGNE FLEXIBLE

Assemblage PK6

MOTEUR"G"

AR

BR

ES

A C

AM

ES

MO

T.

F

F

LIGNE FLEXIBLE Pignons

VILEBREQUINS

G

LIGNE FLEXIBLE Carters de mécanisme

et d’embrayage et couronnes

AR

BR

ES

A C

AM

ES

TU

BU

LA

IRE

S

FL

EX

IBL

ES

ASSEMBLAGEBV JB

USINAGE BV JB - JC

ASSEMBLAGE BV JC

TR

AIT

EM

EN

TS

TH

ER

MIQ

UE

SUSINAGE

BV JB

USINAGEBV PK

GEMPILAGEBV JB / JC

AS

SE

MB

LAG

EB

V P

K

CULASSESF 9

BIELLES 144

VILEBREQUINS FONTEMOTEUR F

VILEBREUIN MOTEUR M

ASSEMBLAGEBAS MOTEUR F

CARTERS CYLINDRESMOTEUR F

AS

SE

MB

LAG

EM

OT

EU

R F

EVILEBREQUINS ACIER

MOTEUR F

VIL

EB

RE

QU

INS

MO

TE

UR

F

BIELLES SECABLES

CU

LAS

SE

S

FLE

XIB

LES

M

OT

EU

R F

et M

P5

X.3

X.2

X.1

EspaceG. Besse

Accueil

DIRECTION USINE

DIRECTION ESSAIS PROTOTYPES

(DF3P)MAGASIN PHF

ATELIERS CENTRAUX DE MAINTENANCE -

CARTERMOTEUR M

LIGNE FLEXIBLE Assemblage PK6

BOITIERS DIFFERENTIELS PK

K

ASSEMBLAGE& BANCS

MOTEUR M

LCENTRALEDES

FLUIDES

ISERVICE DEVELOPPEMENT DECENTRALISE - DIRECTION ESSAIS PROTOTYPES

NN

RESTAURANT

BIELLES

CA

RT

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LIGNE FLEXIBLE

Assemblage PK6

MOTEUR"G"

AR

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LIGNE FLEXIBLE Pignons

VILEBREQUINS

G

LIGNE FLEXIBLE Carters de mécanisme

et d’embrayage et couronnes

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LIGNE FLEXIBLE

Assemblage PK6

MOTEUR"G"

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LIGNE FLEXIBLE Pignons

VILEBREQUINS

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LIGNE FLEXIBLE Carters de mécanisme

et d’embrayage et couronnes

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A C

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BIELLES

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LIGNE FLEXIBLE

Assemblage PK6

MOTEUR"G"

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F

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LIGNE FLEXIBLE Pignons

VILEBREQUINS

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LIGNE FLEXIBLE Carters de mécanisme

et d’embrayage et couronnes

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BR

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A C

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BU

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IBL

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ASSEMBLAGEBV JB

USINAGE BV JB - JC

ASSEMBLAGE BV JC

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AIT

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SUSINAGE

BV JB

USINAGEBV PK

GEMPILAGEBV JB / JC

AS

SE

MB

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EB

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BIELLES 144

VILEBREQUINS FONTEMOTEUR F

VILEBREUIN MOTEUR M

ASSEMBLAGEBAS MOTEUR F

CARTERS CYLINDRESMOTEUR F

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MOTEUR F

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CU

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XIB

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P5

X.3

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X.1

EspaceG. Besse

Accueil

DIRECTION USINE

P5

X.3

X.2

X.1

EspaceG. Besse

Accueil

DIRECTION USINE

DIRECTION ESSAIS PROTOTYPES

(DF3P)MAGASIN PHF

ATELIERS CENTRAUX DE MAINTENANCE -

CARTERMOTEUR M

LIGNE FLEXIBLE Assemblage PK6

BOITIERS DIFFERENTIELS PK

K

ASSEMBLAGE& BANCS

MOTEUR M

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Présentation du support :

Il s’agit des pignons fous de 1ère, 3ème, 4ème et marche arrière des boîtes de vitesses de type PK6 et PK4 montées sur les modèles « haut de gamme de la marque » : Mégane RS, Laguna, Espace, Velsatis ou encore les utilitaires Trafic et Master.

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Aujourd’hui, le cahier des charges des boîtes de vitesses s’est compliqué pour répondre aux attentes des clients en terme d’agrément de conduite, de performances et d’économie. La réponse à ces demandes passe par des motorisations plus performantes et des boites de vitesses permettant une utilisation optimale de celles-ci.

Les points clefs du cahier des charges :

- couple transmissible (>couple maxi des motorisations = 360Nm)

- 6 rapports + marche arrière

- silence et facilité du passage des vitesses

- encombrement (longueur maxi)

Les principales idées :

Pour supporter le couple nécessaire, il y’a 2 principaux paramètres sur lesquels on peut agir : la largeur de denture et l’entraxe des arbres (l’optimisation matériaux ayant déjà était faite). Il faut aussi limiter la portée des arbres pour éviter les problèmes de flexion (multiplication du nombre de paliers ou réduction de la largeur des pignons).

Pour faciliter le passage de vitesse et éviter les « craquements de vitesses », il faut soigner la synchronisation.

Pour accueillir 6 rapports dans une longueur restreinte, on peut réduire la largeur des pignons ou répartir les rapports sur différents arbres (portant moins de pignons chacun) ce qui revient soit à rajouter un étage de réduction soit à mettre 2 arbres secondaires.

Les « solutions » retenues :

Par rapport aux autres boîtes de la marque, la largeur de denture a été un peu augmentée mais surtout l’entraxe est devenu supérieur.

Pour la synchronisation, une attention particulière a été portée sur l’état de surface des cônes de friction, le rapport de première est doté d’une synchronisation à « double cône » et la marche arrière, pour la première fois chez Renault, est synchronisée.

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L’architecture retenue est à 3 arbres (1 arbre primaire et 2 secondaires) :

Les 2 arbres secondaires verts s’engrènent simultanément sur la couronne du différentiel. Pour la marche arrière le mouvement passe de l’arbre primaire au pignon fou de 2ème puis au pignon fou de M-AR et enfin à l’arbre secondaire vert par l’intermédiaire du baladeur de M-AR.

(Les liaisons au bâti ne sont pas représentées)

Schéma de principe des boîtes PK

A - A

A A

DIFF

DIFF

EM

BR

AY

AG

E

MO

TE

UR

1ère 2ème

3ème 4ème

5ème 6ème

MAR

M-AR

- 10 -

Plan d’ensemble PK6

- 11 -

Les pignons : En fonction de la destination des boîtes de vitesses, les rapports de réduction ne seront pas les mêmes, c’est pourquoi il existe plusieurs « déclinaisons » de chaque types de pignons :

Pignon Rapport Diamètre (mm) Largeur totale (mm) 11 / 43 125,69 37,6 11 / 46 127,09 37,6 1ère 11 / 51 128,28 37,6 31 / 43 103,8 36,95 29 / 43 106,6 36,95 3ème 31 / 40 103,98 36,95 39 / 43 93,8 36,35 41 / 40 88,4 36,35 43 / 44 91,5 36,35 41 / 37 87,84 36,35

4ème

45 / 40 85,74 36,35 27 / 47 127,78 34,32 MAr 27 / 47 127,78 32,1

L’usine produit environ 10 000 boîtes PK/semaine soit autant de pignons de chaque type. Principales « fonction » :

Phase de vie fonction Critère Niveau Vitesse

enclenchée Transmettre le

couple Couple

transmissible > x Nm

Synchronisation Adapter les vitesses des

arbres

Temps de synchronisation

> x s/(rad/s)

« point mort » Ne pas transmettre de

couple

Couple résistant

(frottement)

< x Nm

Pignon fou

Arbre primaire Arbre secondaire

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Ces fonctions sont soumises à un critère de durée de vie. Solution technologique :

- Transmettre le couple :

Engrenage à denture hélicoïdale entre l’arbre primaire et le pignon fou � spécifications sur la denture :

Géométrie Matériau (dureté superficielle, Re, KCV …) Etat de surface (micro porosité de lubrification)

Liaison crabot / baladeur entre le pignon fou et l’arbre secondaire � spécifications sur la couronne de crabot :

Géométrie Matériau (dureté, Rm…)

- Adapter les vitesses des arbres : Synchronisation par cônes de friction

� spécifications sur le cône : Géométrie (angle, longueur) Etat de surface Matériau (dureté)

- Ne pas transmettre de couple : Guidage en rotation par cage à aiguilles � spécification sur l’alésage :

Géométrie (rectitude, circularité) Etat de surface Matériau

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Matière : 27 MnCr 5

Pour répondre aux exigences attendues (dureté et résilience…), le matériau subit

divers traitements :

- Cémentation basse pression - Trempe à l’azote

- Grenaillage « de précontrainte » sur la denture - Phosphatation (création d’une micro porosité + dépôt lubrifiant)

0,5 mm 0,5 mm

Surface Coeur

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Problématique :

Dans le cadre de la politique « d’usine flexible », il a été décidé de lancer la production de ces pignons sur des lignes « flexibles » avec des outils « flexibles » permettant de produire sur les mêmes lignes toute la diversité des pignons tout en minimisant les temps de changement de série (SMED).

Les opérations nécessaires pour fabriquer les pignons :

- Ebauche (tournage).

- Taillage de la denture (ébauche + finition).

- Montage des crabots (soudage).

- Traitements (thermique, mécanique, chimique).

- Finition de l’alésage et du cône après traitement.

- Superfinition du cône.

La plupart des opérations à réaliser nécessitent des machines spécifiques (taillage de dentures, soudage…). Cependant, les progrès technologiques réalisés sur les outils coupants ainsi que sur la précision et la rigidité des MOCN permettent d’envisager l’utilisation du tournage dur pour réaliser les opérations de finition.

Le tournage dur est l’opportunité de remplacer les rodeuses et rectifieuses classiquement utilisées pour la finition par l’outil flexible par excellence : le TOUR. C’est pourquoi en 2001 le lancement de la production s’est effectué sur des lignes flexibles utilisant le tournage dur.

Mais 4 ans plus tard, le processus ne donnant pas entière satisfaction (taux de rebut proche de 10%, essentiellement à cause de l’alésage), la décision a été prise de supprimer le tournage dur pour la finition de l’alésage. Depuis mai 2006, toutes les lignes ont été modifiées.

Je m’intéresserai donc à la résolution des non-conformités de la finition de l’alésage après traitement thermique (entre 60 et 67 HRc).

Cette problématique actuelle baignée dans un milieu industriel de grande série avec en toile de fond le tournage dur qui va probablement connaître un essor dans les années à venir me semble particulièrement intéressante.

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II. L’évolution de la gamme avec tournage dur

Gamme de fabrication initiale :

Phase 10 : Réception des bruts de forge

Phase 20 : Ebauche 1

Phase 30 : Ebauche 2

Phase 40 : Taillage / rasage denture

Phase 50 : Lavage

Phase 60 : Assemblage des crabots

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Phase 70 : Soudage

Phase 80 : Cémentation basse pression / trempe à l’azote

Phase 90 : Grenaillage denture

Phase 100 : Lavage

Phase 110 : Phosphatation

Phase 120 : Tournage dur : Finition alésage et cône

Phase 130 : Toilage cône (super finition)

Phase 140 : Contrôle ultrason

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Le tournage dur :

La finition des pièces trempées en tournage n’avait jamais réellement été envisagée à cause du manque de résistance à l’usure des outils de coupe et pour des raisons de précision des tours. Les progrès des MOCN et l’apparition du CBN (Nitrure de Bore Cubique) dans les outils permettent désormais de l’envisager.

La formation du copeau en tournage dur : C’est un mode formation de copeau « type UGV » qui est obtenu dans des aciers

trempés d’une dureté supérieure à 55 HRc. La majeure partie de la chaleur est évacuée dans le copeau. Ceci dit, la température

de la pièce atteint localement plus de 1000°C, ce q ui donne lieu à une « re-trempe » à la surface de la pièce.

En plus de la trempe de la pièce, le tournage dur peut provoquer l’apparition de contraintes résiduelles (écrouissage) qui va beaucoup dépendre de l’arête de coupe. Pour accroître la résistance aux chocs des plaquettes, les fabricants « préparent » les arrêtes en les chanfreinant (il existe différents types de préparation : honing (arrondi), un ou plusieurs chanfreins avec différents angles).

Les outils utilisés en tournage dur sont exclusivement des outils à angle de coupe

négatif en Nitrure de Bore Cubique (les cermets et céramiques ont été abandonnés car fragiles et de résistance à l’usure inférieure au CBN. Quant aux carbures, ils ne supportent pas les températures élevées mises en jeu dans le tournage dur).

Type d’outil CBN Céramique Carbure

Temps de coupe 60 min 15 min 3 min

a. chute par glissement de la lamelle. b. refoulement de la matière c. formation de la zone de cisaillement. d. décohésion de la zone de cisaillement. e. début de la chute par glissement f. chute par glissement

Données Sumitomo. 100C6 Trempé 62HRc ; Vc = 120m/min; ap = 0,5; f=0,15

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N’ayant pas d’expérience du tournage dur, l’entreprise a confié la conception et la mise en route du poste « tournage dur » à la société WEISSER, une des références mondiales du tournage dur.

Le cahier des charges fourni à WEISSER comporte essentiellement :

- Une capabilité pour le respect des spécifications : Spécification Cam Cpk visé Cap visé

Ø ± 0,008 2 >1,33

Rectitude 0,005 2 >1,33

Circularité 0,007 2 >1,33

Coaxialité 0,04 2 >1,33

Perpendicularité 0,03 2 >1,33

R 1,6 2 >1,33

- Une surépaisseur maxi de 0,2 mm (respect >55HRc) - Une capacité de production de 50 000 pièces hebdomadaire (144H)

Les points forts associés à la finition en tournage dur :

- Eviter les variations de température - Limiter l’influence des variations de température - Faire attention aux vibrations - Avoir une prise de pièce « précise » qui ne déforme pas la pièce - Avoir une machine précise - Avoir une surépaisseur constante - Avoir une bonne homogénéité de la matière

La solution de WEISSER :

- 9 tours verticaux CN conçus pour le tournage dur.

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Les tours verticaux permettent d’évacuer facilement et rapidement les copeaux chauds. Ce sont des tours de précision avec des guidages rigides et « thermo-symétriques » (pour réduire l’influence des dilatations thermiques sur la position de l’outil) équipés de règles de mesure incrémentales de précision (< 1µm/m). Ils possèdent également une électrobroche refroidie par une circulation d’eau.

- Des porte-plaquettes doubles pour réaliser l’alésage et le cône sans changement d’outil avec un attachement CAPTO C4 (sandvik) pour assurer une bonne rigidité.

- Conditions de coupe pour l’alésage : Plaquette Sandvik CNGA120408T01020A nuance CB7020, angle de coupe γ= -11°, Kr=93° Vc=160m/min, ap=0,15 f=0,08mm/tr sans lubrification

- Conditions de coupe pour le cône : Plaquette Sandvik DNGA110408S01020A nuance CB7020, angle de coupe γ= -11°, 93°<Kr<95° suivant le cône, Vc=160m/min, ap=0,15 f=0,12mm/tr sans lubrification

- Mandrin à membrane à 3 mors avec prise sur le diamètre primitif, procédure de chargement automatique : pour pouvoir charger un pignon dans le mandrin, il faut que les « dents » des mors tombent en face des creux du pignon, si ce n’est pas le cas, la broche effectue une rotation d’1/3 de dent. La procédure peut avoir lieu 3 fois avant de déclarer un défaut de chargement.

2. collision dents/mors 1. approche 3. redescente + rot broche 4. nouvelle approche

7. dégagement du support de chargement 6. « insertion hélicoïdale » 5. pas de collision

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Les lignes de finition PKflex : Ce sont 3 lignes identiques et indépendantes installées cote à cote dans le bâtiment F.

1,05 min

0,35 min

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1er problème :

Défaut de coaxialité entre la denture et l’alésage

Défaut de perpendicularité entre la face arrière et l’alésage

Origine :

La finition de l’alésage est faite avec une mise en position sur la denture par un mandrin « auto-plaqueur » à membrane équipé de 3 mors à 1 fausse dent :

Les principales contraintes liées au porte-pièce sont :

- la coaxialité / denture

- la perpendicularité / face arrière

- la diversité des pièces

Une fois les mors réglés, le fabricant de mandrin garanti une coaxialité inférieure à 15µm.

Ces mandrins à membrane, qui permettent d’obtenir une excellente coaxialité, ont une course de serrage de l’ordre de 0,6mm, ce qui ne permet pas d’accepter différents types de pignons. Pour remédier à ce problème, on peut monter autant de triplets de mors qu’il y a de types de pignons sur le même mandrin (temps de changement<15min).

Le réglage des mors ayant lieu périodiquement, le problème se situe donc au niveau de la pièce :

- Usinage « irrégulier » de la denture

- Epaisseur de la phosphatation non homogène

Le dépôt de phosphate (0,05mm<e<0,10mm) n’étant qu’un revêtement « provisoire », il n’adhère que faiblement à la surface du pignon ce qui rend la surépaisseur sensible à tous les frottements y compris ceux lors du chargement dans le mandrin.

Direction de serrage

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Solution1 :

Pour limiter l’influence de la variation d’épaisseur de la phosphatation, la décision a été prise de remplacer les mors à 1 fausse dent par des mors à 4 rangées de galets (montés sur de la corde à piano).

Résultat :

Pour ce qui est de la coaxialité, le taux de rebut est passé de 5 à 0,7 %. Par contre, de nombreux incidents arrivent lors du chargement, obligeant l’arrêt la production pour procéder à un nettoyage des mors dans le meilleur des cas, ou pour changer les mors dans le pire des cas (les « mauvais » chargements de pièce cassent souvent les axes des galets).

Solution abandonnée.

Solution2 :

Le problème venant de la phosphatation, cette solution consiste à la déplacer après la finition.

Coût de la solution : 1 lavage ainsi que la protection du cône et de l’alésage avant la phosphatation. Un système de contrôle pneumatique du plaquage de la face arrière a également été ajouté pour garantir une MIP correcte avant usinage.

Le taux de rebut est descendu à 0,2%, les incidents de chargement sont moins fréquents et n’ont plus de conséquence matérielle (il suffit de libérer le pignon et de relancer la procédure).

Phase 110 : Phosphatation Phase 110 : Tournage dur

Phase 120 : Tournage dur Phase 120 : Lavage

Phase 130 : Toilage cône Phase 130 : Protection

Phase 140 : Phosphatation

Phase 150 : Toilage cône

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2ème problème :

Obtention de la dimension de l’alésage (±0,008mm)

Origine :

Tous les alésages contrôlés présentent la même « pseudo cônicité »

Par exemple, pour un pignon de marche arrière on a une variation de diamètre d’environ 10µm qui augmente la difficulté de rester dans l’intervalle de tolérance.

La cônicité apparaît à la suite du traitement thermique (environ 20µm), elle n’est pas effacée lors de la finition car la variation de surépaisseur entraîne une augmentation des efforts de coupe qui accroît entre autre la flexion de l’outil. De plus, la réduction de l’épaisseur de la pièce dans la « zone du cône » laisse penser qu’elle se déforme sous les efforts de coupe.

Solution :

Anticiper les déformations et réduire les surépaisseurs dans les zones sensibles par usinage d’un « contre cône » sur la pièce avant TTH.

Pour le pignon de marche arrière :

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Résultat :

L’application de cette « méthode » à tous les types de pignons a permis de ramener « le défaut global de cônicité » en dessous de 3µm et de réduire le taux de non-conformité dû à la dimension de l’alésage.

Conséquences de défaillances client :

Au 1er janvier 2004 il a été recensé 12 cas de boîtes PK cassées pour cause de grippage ou détérioration des roulements à aiguilles des pignons fous. Pour limiter l’apparition de nouvelles défaillances, un contrôle à 100% des pignons a été mis en place et les critères de contrôle visuel à l’assemblage ont été durcis. L’outillage de contrôle à 100% permet de mesurer sur 2 niveaux et sur 360° le diam ètre de l’alésage, il permet également de contrôler la coaxialité alésage/denture mais aussi de détecter des « chocs denture » :

Parallèlement a été lancé un « QC Story ». C’est une méthode permettant de formaliser la recherche des causes de défaillance, les moyens d’y remédier ainsi que les résultats obtenus. Elle s’articule autour de 8 points :

- Choisir le sujet (défaillance).

- Expliquer les raisons du choix.

- Comprendre la situation (analyse d’incidentologie, analyse technologique…).

- Choisir les cibles (objectifs à atteindre).

- Analyser (arbre de défaillance, planifier les analyses à réaliser pour cibler les causes possibles, synthétiser les résultats d’analyse).

- Mettre en place les actions correctives.

- Confirmer les effets.

- Standardiser (retour d’expérience).

- Synthétiser et planifier les actions futures.

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Le contrôle à 100% a mis en évidence que la production n’était pas suffisamment stable pour que les cartes de contrôle soient efficaces, un taux de rebut de l’ordre de 8% a été constaté.

D’un autre coté, les analyses effectuées en collaboration avec le fournisseur de roulement ont montré que l’état de surface n’était pas satisfaisant pour assurer un bon fonctionnement des aiguilles : la pression de contact entre les aiguilles et le pignon est trop importante et engendre des déformations plastiques. La spécification R1,6 qui fonctionne sur d’autres boîtes dont les pignons sont rodés ne suffit pas pour garantir un bon fonctionnement pour une surface obtenue par tournage. Il découle de ces conséquences une nouvelle spécification d’état de surface incluant la notion de taux de portance.

Ces spécifications sont issues de l’ ISO 12085

Rmr(0,1)≥10% signifie qu’à une profondeur de 0,1xR la longueur portante doit être supérieure ou égale à la longueur totale

Deux nouveaux problèmes sont apparus :

- Réaliser les nouvelles spécifications d’état de surface

- Réduire le taux de rebut

R : Hauteur moyenne des motifs

W : Hauteur moyenne d’ondulation On construit les motifs d’ondulation sur la ligne enveloppe des sommets des motifs R

c

Rmr(c) : Taux de longueur portante à une profondeur c x R. On prend comme référence la ligne // à la ligne moyenne qui passe par la plus haute crête.

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3ème problème :

Obtention du taux de portance.

Solution1 :

Des essais ont été menés sur les conditions de coupe pour améliorer l’état de surface, les 10% de taux de portance ont pu être atteint en réduisant l’avance et en augmentant la vitesse de coupe :

Paramètre initial nouveau

f (mm/tr) 0,08 0,04 Vc (m/min) 160 200

Résultat :

Le taux de portance est atteint, par contre la productivité a chuté (augmentation du temps de cycle de 12s) tout comme la durée de vie des outils qui est passée de d’environ 200 pièces/arrêtes à moins de 150.

Cette solution n’est pas viable, elle ne peut être que provisoire.

Solution2 :

La géométrie de la plaquette (rayon de bec) a une grande influence sur l’état de surface. En tournage on utilise couramment le modèle suivant :

Ce modèle est moins pertinent en tournage dur qu’en tournage « classique » mais il permet de voir l’influence primordiale qu’a le rayon de bec sur la rugosité.

Sandvik propose des plaquettes de finition « haute productivité » qui permettraient d’obtenir une rugosité équivalente à une plaquette classique mais avec une avance 2 fois plus importante (durée d’usinage divisée par 2). Ce sont les plaquettes dites WIPER qui possèdent un « rayon » de bec particulier.

f

Rt

Rε

f ² Rt ≈

8.Rε

- 27 -

La géométrie WIPER

Il faut respecter certaines règles pour que la plaquette fonctionne bien :

- Garantir un Kr proche de 93° pour que la zone de « planage » de l’arrête soit parallèle au profil généré.

- Utiliser une avance inférieure ou égale à bs.

Résultat :

L’état de surface désiré est obtenu pour des avances inférieures à 0,13mm/tr quelle que soit la vitesse de coupe (entre 140 et 200 m/min). Les conditions retenues : Vc=160, f=0,1. En revanche, le taux de rebut pour le diamètre de l’alésage est monté au dessus de 13% et un certain nombre de pièces présentent des marques de vibrations.

0,8 mm

Rε eq = 0,8

Rε2 = 0,28 Rε1 = 0,33

Kr = 93° εr = 80°

bs = 0,41

Pièce

Vf

- 28 -

4ème problème :

Cpk sur le diamètre ±0,008 trop faible : ≈0,55 alors qu’on recherche 1,4.

Des vibrations pendant l’usinage dégradent l’état de surface.

Origine :

Afin de comprendre les causes des problèmes rencontrés, un état de l’art sur le tournage pour la finition des pignons fous a été réalisé et a abouti à ce comparatif :

Paramètre Renault Meilleur processus

Matière 27MnCr5 20MnCr5

IT sur le diamètre 8µm 10µm

Coaxialité 40µm 70µm

Circularité 7µm 4µm

Etat de surface R2, W, Rmr R2,5

Conditions de coupe

Vc ≈ 160 m/min

0,08 < f <0,13 mm/tr

ap ≈ 0,15 mm

Vc ≈ 110 m/min

f ≈ 0,08 mm/tr

ap ≈ 0,06 mm

Plaquette CBN CNGA Wiper Ronde Ø8 – 7,5 – 7 – 6,5 – 6

Outil Attachement Capto C4 Outil en DENAL

Attachement équivalent Capto C5

Gestion des outils « aucune » Plaquettes marquées (6 secteurs)

Réafutées 4 fois

Contrôle in-process « aucun » Contrôle de diamètre avec correction automatique toutes les 30 pièces.

Durée de vie outil 200 pièces/arrête

soit ~45min

500 pièces/arrête

soit ~160min

Cpk ~0,6 ~1,5

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Comparatif des géométries des plaquettes :

Mesure des efforts avec les conditions de coupe « réelles » :

Pignons fous de 3ème Vc = 160 m/min ap = 0,15 mm

Compte tenu des vibrations qui ont eu lieu durant les mesures, on ne peut leur accorder qu’une crédibilité limitée, cependant elles permettent de constater que l’influence de la lubrification est infime et que l’effort radial engendré par les plaquettes Wiper est nettement supérieur à ceux d’une plaquette classique (ce qui expliquerait l’augmentation de nombre de pièces « vibrées »).

Conditions Fc (N) Fr (N)

Wiper f = 0,09 mm/tr 300 200

Classique f = 0,09 mm/tr 280 120

Wiper f = 0,15 mm/tr (lubrifié) 360 (345) 280 (280)

Classique f = 0,15 mm/tr (lubrifié) 320 (315) 150 (140)

Avance (mm/tr)

Rug

osité

Ra

(µm

)

Avance (mm/tr)

Effo

rt r

adia

l (N

)

20MnCr5 trempé 55HRc Vc=120 ap=0,5

Porte-outil dynamométrique

Montage en mors doux

Centrale d’acquisition

Fc

Fr

- 30 -

Les vibrations sont probablement dues à une variation cyclique des efforts de coupe. J’ai recensé 3 causes possibles d’un tel phénomène :

- Un défaut de coaxialité entre l’axe de broche et l’alésage du pignon avant finition qui provoque une variation sinusoïdale de la profondeur de passe donc des efforts de coupe :

- La déformation des dents au niveau de la prise de pièce : le contact entre les mors et les dents du pignon est linéique. Si l’effort de serrage (précontrainte) n’est pas suffisant, les efforts de coupe peuvent entraîner une déformation locale du pignon qui se trouvera « désaxé ». La fréquence d’excitation due à ce phénomène est le triple de la fréquence de broche (3 mors) soit environ 500Hz.

- Le croisement des sillions issus de l’ébauche avec une avance de 0,3 mm/tr. Les 2 usinages étant réalisés dans le même sens, avec une avance moyenne de 0,1 mm/tr en finition on aura une fréquence d’excitation d’environ 110Hz (à 1000 tr/min).

Solutions :

- Changement d’outil pour augmenter la rigidité :

Mandrin

Pignon

e ap(t) = ap0 + e . sin(ω.t) avec ω = 2.π.N/60 (N≈1000tr/min) -> Fréquence d’excitation d’environ 166Hz

2.π.R

0,3 0,1

Capto C4 double plaquette en acier (E = 210 GPa)

Capto C5 simple plaquette en denal (E = 350 GPa)

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- Mise en place d’un contrôle spécifique pour corriger les réglages (le budget pour la mise en œuvre d’un contrôle « in-process » n’ayant pas été débloqué) :

Toutes les 30 pièces on en prélève une pour lui faire un contrôle du diamètre et de l’état de surface. La correction de diamètre effectuée correspond à la moitié de l’écart entre la mesure et la côte cible. Pour la correction d’avance en fonction de l’état de surface, l’avance est augmentée de 15% si le taux de portance est supérieur à 20%, elle reste inchangée si le taux de portance est compris entre 14% et 20%. Elle est réduite de 15% si le taux de portance est inférieur à 14%.

Résultat :

Hormis sur 1 des 9 tours, on ne constate plus de pièces vibrées.

Le taux de rebut a quasiment été divisé par 2 mais il reste de l’ordre de 7%.

Weisser qui a été sollicité pour la mise au point du procédé et pour la résolution du problème de vibrations sur 1 des tours a préféré ne pas percevoir son dernier paiement plutôt que de s’investir dans la résolution de ces problèmes…

III. Changement de procédé :

Le 11/07/2005 la direction a fixé une date butoir pour la résolution des problèmes de finition sur les lignes PKflex. La direction considère que la « période d’essai » du tournage a assez duré et qu’il est temps de changer de procédé.

Comparaison des différents procédés de finition des pignons fous :

Cam Ø ±0,008

Temps de changement de série (min)

Coût de production (euros/1000pièces)

Investissement (Keuros/1000 pièces hebdo)

1,5

51

170

15 10

2,3

75

50

120

80

8

3

Rodage + rectification et toilage du cône (JB à Cléon)

Tournage dur + toilage du cône (PKflex à Cléon)

Rectification simultanée cône et alésage +toilage du cône (PK à Séville)

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Deux procédés sont en concurrence : le « rodage, rectification, toilage » et la « rectification simultanée, toilage »

La rectification simultanée est un procédé mis en œuvre très récemment à l’usine MT1 de Séville. Ce procédé ne bénéficie pas du recul et de l’expérience qu’il y a à Cléon pour le rodage. Si on ajoute à ça l’obligation de résultat et le « besoin » de recycler les tours, le choix s’oriente naturellement vers le rodage.

Le rodage : C’est un procédé d’enlèvement de matière par abrasion. Les paramètres associés au rodage sont :

- la vitesse de « coupe » - la fréquence de battement - l’amplitude du battement - la constitution des pierres - le grain des pierres

Le grain des pierres conditionne l’état de surface mais plus les grains sont fins moins la quantité de matière enlevée est grande. Pour remédier a ce problème, on enchaîne des opérations de rodage avec différents grains : ébauche, semi-finition, finition. La mise en position des pièces en rodage est particulière. La pièce doit pouvoir s’auto-centrer sur le rodoir. La fonction principale du porte-pièce est de bloquer la rotation de la pièce.

Pierres abrasives

Tige de commande expansion

Pièce

Corps du rodoir

Le rodoir tourne sur lui-même et oscille suivant son axe.

La descente de la tige de

commande dans le corps provoque la sortie des pierres abrasives (expansion) qui viennent frotter sur la surface de la pièce.

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La solution de rodage choisie: Il s’agit de rodeuses NAGEL à 3 broches (ébauche, semi-finition, finition permettant de respecter le R1,6 qui a été remis à la place du taux de portance), elles sont équipées de systèmes pneumatiques de contrôle du diamètre avant et après chaque opération. Les contrôles s’effectuent sur 2 niveaux et dans 2 directions perpendiculaires. La broche de finition est équipée d’un stop-cote : un système permettant de faire de la mesure en continu pendant l’usinage afin de l’arrêter une fois la cote atteinte.

Système de mesure

Ebauche

Semi-finition Finition

Pierres

Buses de mesure

Rodoir de finition

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Les contraintes liées au porte-pièce sont différentes de celles qu’on a pu voir en tournage, la coaxialité entre la denture et l’alésage doit être obtenue avant le rodage (qui ne peut pas modifier la position de l’alésage (auto-centrage). Par contre il reste possible d’imposer la direction de l’alésage pour respecter la perpendicularité. Le porte-pièce est consitué d’un appui plan et d’un blocage en rotation. Concrètement, le pignon est solidarisé sur une pièce liée à la rodeuse par 2 glissières croisées.

La nouvelle gamme avec rodage : Malgré les problèmes rencontrés pour la finition de l’alésage, le tournage reste capable de réaliser diverses opérations de finition (moins sévères) comme l’usinage du cône. Il devient donc intéressant de remplacer la rectification du cône couramment employée par le tournage dur d’autant plus que le temps de cycle pour cette opération est un peu plus faible en tournage dur.

Gamme tournage dur Gamme rodage

Phase 110 : Tournage dur Phase 110 : Phosphatation

Phase 120 : Lavage Phase 120 : Rodage

Phase 130 : Protection Phase 130 : Lavage

Phase 140 : Phosphatation Phase 140 : Tournage dur du cône

Phase 150 : Toilage cône

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Pour l’usinage du cône, la prise de pièce n’étant plus nécessairement faite dans la

denture, elle a été remplacée par un mandrin expansible dans l’alésage beaucoup plus fiable rapide et rigide.

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Les lignes de finition PKflex rodage :

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Bilan du changement de procédé : Après 2 mois de production sur les nouvelles lignes, on ne peut que constater le succès de l’opération :

Coût de l’opération : environ 6 000 000 euros. (Amortissement prévu sur 2ans)

Les tours Weisser qui ont été retiré des lignes sont réintroduits dans d’autres lignes pour une modernisation du parc machine.

IV. CONCLUSION

L’élaboration de ce dossier a été pour moi l’opportunité de découvrir 2 procédés que je ne connaissais pas : Le rodage et le tournage dur.

J’ai pu me rendre compte de l’importance et de l’influence des contraintes de délais qui existe dans l’industrie automobile.

Mais avant tout, j’ai établi un contact avec des personnes de l’industrie et noué des liens avec certains qui je pense me faciliteront la recherche de supports industriels.

Spécification Cap visé Cap Cpk visé Cpk

Ø ± 0,008 >1,33 1,89

Rectitude 0,005 >1,4 2,78

Circularité 0,007 >1,4 4,57

Coaxialité 0,04 >1,4 1,59

Perpendicularité 0,03 >1,4 1,75

R 1,6 >1,4 2,85

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V. Application pédagogique

Ce support peut faire l’objet de multiples applications pédagogiques allant de la construction (si on prend la boîte entière) à la fabrication en passant par l’automatisme (gestion des portiques de manutention) et la gestion de production (planification ordonnancement). Par exemple, pour une Section de Technicien Supérieur en Productique Mécanique on peut construire une séquence autour d’un centre d’intérêt Traitement de Surface. Objectif de la séquence : A l’issue de la séquence, l’étudiant devra être capable de réaliser un avant projet d’industrialisation incluant des traitements de surface. Position de la séquence : En début de 2ème année pour que les étudiants aient les pré-requis nécessaires (réalisation d’avant projet « classiques »). L’autre intérêt de la placer en 2ème année est qu’ainsi on peut réutiliser ce support qu’ils auront déjà vu pour une leçon sur les machines d’usinage par abrasion, réutiliser éventuellement toujours le même support pour la « leçon » sur les machines à tailler les engrenages. Séquence : - 2 x 4h de TP découverte des traitements de surface - 1 x 4h de TP réalisation d’avant projet incluant des traitements de surface

- 1 x 2h de leçon de synthèse : les différents traitements de surfaces et leurs règles d’implantation dans une gamme de fabrication. - Évaluation

Ce support peut être utilisé sur différents TP puis réutilisé en leçon sans pour autant refaire exactement les mêmes choses car il subit 3 traitements de surface différents :

- une cémentation (+trempe) ~traitement thermique - un grenaillage traitement mécanique - une phosphatation traitement chimique.