Influence de la méthode de forgeage des fusées de direction automobiles sur les technologies de traitement

Le porte-fusée est un élément essentiel de l'essieu directeur d'une voiture. Il assure la stabilité du véhicule et une transmission précise de la direction. Sa fonction première est de transmettre efficacement l'angle de braquage du volant aux roues avant, contrôlant ainsi la trajectoire et garantissant la sécurité. Il supporte également le poids de l'avant du véhicule, assure la rotation des roues avant autour de l'axe de pivot et absorbe les chocs variables liés à la conduite. Par conséquent, le porte-fusée doit non seulement présenter une grande robustesse, mais aussi une précision d'usinage élevée. Sa géométrie complexe exige une grande précision de positionnement entre chaque surface. Cette précision d'usinage influe directement sur la précision de la direction. Cet article analyse les pièces forgées produites par deux procédés de forgeage différents, explore l'influence de la forme de séparation, de la distribution des tolérances et de l'erreur de forgeage de la pièce forgée du pivot de direction sur sa technologie de traitement, et propose des références pour la conception du dispositif de fixation et la sélection des surfaces de positionnement dans le processus de traitement.

Caractéristiques structurelles de la fusée de direction

La forme du porte-fusée est relativement complexe et concentre les caractéristiques structurelles de quatre types de pièces : l’arbre, l’alésage, la bague de disque et le cadre de fourche. Il est principalement composé de trois parties : l’arbre de support, la bride et le cadre de fourche. L’arbre de support est un arbre étagé, dont les caractéristiques structurelles sont les suivantes : un corps rotatif composé d’une surface cylindrique extérieure coaxiale, d’une surface conique, d’une surface filetée, d’un épaulement, d’un congé de raccordement et d’une surface d’extrémité perpendiculaire à l’axe ; la bride comprend une surface de bride, un trou traversant pour le boulon de fixation et un trou fileté pour la butée de direction ; le cadre de fourche est une structure composée des pattes supérieure et inférieure et de la surface de bride du porte-fusée.
Du point de vue de la technologie de forgeage, les caractéristiques de la pièce forgée pour la fusée de direction sont les suivantes : l’arbre de support est mince, la bride est large et présente parfois une surface de forme particulière, le cadre de la fourche est dévié d’un angle α par rapport à l’axe de l’arbre de support et possède une forme complexe. Conformément à la norme « GB12362-2003 Tolérances et surépaisseurs d’usinage pour les pièces forgées en acier », la pièce forgée correspond à une pièce typique en forme de fourche complexe.

processus de traitement des articulations de direction

Le processus principal d'usinage des fusées de direction est le suivant : fraisage de la face d'extrémité du tourillon, perçage des trous centraux aux deux extrémités → ébauche de la face d'extrémité de la bride et du tourillon de l'arbre de support → semi-finition et finition du tourillon de support, congé, finition de la bride, filetage de l'extrémité arrière → perçage et taraudage du filetage de surface de la bride → fraisage d'ébauche et de finition des faces d'extrémité intérieure et extérieure des bagues supérieure et inférieure → perçage d'ébauche et alésage de finition du trou de pivot → trempe superficielle (si nécessaire) → rectification de finition des grands et petits tourillons et congés → marquage → inspection et stockage.

L'impact des méthodes de forgeage sur les technologies de transformation

1. Méthodes de forgeage

Il existe deux procédés de forgeage pour la production de pièces forgées de fusée de direction : le forgeage horizontal et le forgeage vertical. Le forgeage horizontal utilise le plan médian de la pièce comme surface de séparation. La section transversale de l'arbre de support étant très différente de celle de la bride et du bâti de la fourche, le processus de forgeage est complexe et nécessite une répartition optimale de l'ébauche. Malgré cela, un important excédent de matière subsiste à la jonction entre l'arbre de support et la bride, qui diminue progressivement axialement jusqu'à atteindre la largeur normale à l'extrémité. Le taux d'utilisation de la matière de ce procédé est faible. Le forgeage vertical, quant à lui, utilise le plan médian de la bride et prend en compte les cavités de la fourche de chaque côté. Ce procédé peut recourir à une technique de forgeage fermé lors du pré-forgeage : l'arbre est extrudé dans le sens positif et les fourches dans le sens inverse, puis une opération de forgeage final permet de former la pièce et d'éliminer l'excédent de métal.
En raison des différentes méthodes de forgeage, la configuration de la surface de séparation, la répartition des surépaisseurs d'usinage, ainsi que les erreurs de forgeage et les tolérances d'épaisseur lors de la conception de la pièce forgée ont des effets différents sur l'usinage du porte-fusée. Cet impact est particulièrement marqué lors du perçage du trou central sur la face d'extrémité du tourillon de fraisage, du tournage et de la rectification du tourillon de support (voir l'usinage des pièces A et B sur la figure 1) et de la face d'extrémité de la bride, de l'usinage des trous taraudés sur la bride reliant le bras de direction et le frein, et de l'usinage de la face d'extrémité de la fourche et du trou de pivot du cadre de fourche (voir l'usinage des pièces C et D sur la figure 1). Par conséquent, lors de la conception du procédé d'usinage et du choix de la surface de positionnement du montage, des mesures correctives appropriées doivent être prises en fonction des différentes méthodes de production des pièces forgées.
Schéma des pièces de traitement de la fusée de direction
Figure 1 Schéma des pièces de traitement de la fusée de direction

2. Dispositif de tolérance de forgeage et de surépaisseur d'usinage
Lorsqu'on utilise une matrice de séparation horizontale pour forger le pivot de direction, la surface de séparation est généralement choisie au niveau de la section la plus large. Comme illustré sur la figure 2, AA représente la surface de séparation de la pièce forgée, et la direction de forgeage est perpendiculaire au plan où se situe cette surface, c'est-à-dire selon la direction BB. Ainsi, la pièce est forgée par les matrices supérieure et inférieure. La surépaisseur d'usinage des pièces forgées est uniformément répartie sur l'arbre de support, la face d'extrémité de la bride et les faces d'extrémité des fourches supérieure et inférieure. L'angle de dépouille de la pièce forgée est parallèle à la direction de forgeage, c'est-à-dire à la direction BB, et est généralement de 5° à 7°. Durant le processus de forgeage, en raison des fluctuations de facteurs tels que la température et la force de forgeage, les matrices supérieure et inférieure ne sont pas parfaitement plaquées l'une contre l'autre. Il en résulte une variation d'épaisseur dans la direction de forgeage, généralement de l'ordre de ±1 mm. et l'erreur causée par le défaut d'alignement des matrices supérieure et inférieure est généralement de ±1,5 mm.
La surface de séparation de la pièce forgée par séparation verticale est perpendiculaire à l'axe de support et passe par le centre de la bride. Cependant, la forme de la pièce forgée impose une surface de séparation courbe. Comme illustré sur la figure 2, la surface courbe CC constitue la surface de séparation, et la direction de forgeage est perpendiculaire à cette surface, c'est-à-dire selon la direction DD. Les pièces forgées ainsi produites diffèrent de celles obtenues par forgeage horizontal en termes de répartition des surépaisseurs d'usinage. La nécessité d'un dépouillement de la pièce forgée dans la matrice supérieure empêche la formation d'un dépouillement inverse ; un dépouillement positif doit donc être ajouté sur la face interne des fourches supérieure et inférieure. Les pièces principales sont représentées par E et F sur la figure 2. Outre le dépouillement normal pour l'arbre de support, un angle de dépouille supplémentaire de 1° à 1,5° est ajouté dans le sens axial afin de faciliter son démoulage. En supposant que l'arbre de support mesure 200 mm de long, l'ajout de l'angle de dépouille augmente la surépaisseur entre l'extrémité de l'arbre et le col extérieur de l'arbre de support, au niveau de la base de la bride, de 0 à 0,35-0,5 mm. Cette surépaisseur est donnée par d = 200 tan(1°-1,5°). La tolérance d'épaisseur de la pièce forgée est généralement de ±1,5 mm dans la direction DD, et l'erreur est également de ±1,5 mm perpendiculairement à cette direction.
Figure 2 Schéma de principe des pièces forgées à matrice fendue horizontale et verticale

3. Facteurs d'influence du traitement
Lors de la conception du procédé de forgeage, il est essentiel de prendre en compte l'influence de facteurs tels que la tolérance et le surépaisseur dans les deux méthodes de production de pièces forgées mentionnées ci-dessus, sous peine d'affecter la qualité de fabrication du porte-fusée. Les facteurs d'usinage à considérer sont les suivants :

(1) Usinage de l'arbre de support de fusée de direction. Les principales étapes d'usinage de l'arbre de support de fusée de direction consistent en le fraisage de la face d'extrémité, le perçage du trou central, ainsi que le tournage et la rectification des tourillons des différentes pièces (voir pièces A et B sur la figure 1). Ces deux opérations sont interdépendantes, notamment le perçage du trou central. Ce dernier sert non seulement de repère de positionnement pour l'usinage ultérieur du tourillon, mais aussi de référence de mesure pour les tolérances dimensionnelles et de position sur l'arbre de support. Si la ligne reliant les deux trous centraux ne coïncide pas avec l'axe de la pièce forgée de l'arbre de support lors de l'usinage, cela entraînera une répartition irrégulière du bord de forgeage et l'apparition de calamine (résidus de forgeage en surface). En comparant les tourillons des pièces forgées par les deux méthodes, on constate que pour la fusée de direction forgée par matrice verticale fendue, la pièce finale de l'arbre de support étant formée dans une cavité cylindrique, sa circularité est optimale et le bord uniforme, ce qui facilite le positionnement lors du perçage du trou central. Cependant, en raison de facteurs tels que le défaut d'alignement, les tolérances d'épaisseur et les résidus d'usinage, la pièce forgée horizontale prendra une forme circulaire irrégulière. La répartition du surépaisseur à différents endroits du tourillon variera considérablement sous l'effet de ces multiples facteurs. Compte tenu de cette variation de forme du tourillon forgé, lors du choix de l'emplacement de l'alésage central pour l'usinage, il convient de prévoir un gabarit en V incliné à 45° par rapport à la surface de séparation. Ceci permet d'éviter l'influence des bavures et du défaut d'alignement, et de rapprocher la ligne de raccordement de l'alésage central de l'axe théorique du tourillon forgé, assurant ainsi une répartition uniforme du surépaisseur d'usinage ultérieure.

(2) Dimensions axiales de l'arbre de support. La chaîne dimensionnelle axiale du porte-fusée, illustrée à la figure 1, est interdépendante. L'épaisseur de paroi de 11 mm du trou de pivot du porte-fusée est particulièrement importante. Elle influe sur la résistance du trou et doit donc être garantie. L'analyse de cette chaîne dimensionnelle révèle que les variations d'épaisseur de paroi, liées aux différentes méthodes de forgeage, doivent être prises en compte lors du perçage du trou central, première étape d'usinage de la face d'extrémité. En cas de forgeage horizontal, les dimensions axiales sont générées par les matrices supérieure et inférieure, et leurs variations sont principalement dues aux erreurs de forgeage. En cas de forgeage vertical, les dimensions axiales sont également générées par les matrices supérieure et inférieure, et leurs variations sont principalement dues à la tolérance d'épaisseur de la pièce forgée. Par conséquent, dans cet état, il est recommandé de sélectionner la matrice supérieure produite dans la même matrice que l'épaisseur de paroi du trou de pivot lors du choix de la dimension de positionnement axial initial, c'est-à-dire de sélectionner la surface de la bride près de la fourche.

(3) Usinage de la bride : La bride des pièces forgées verticalement est formée dans une cavité continue, ce qui réduit considérablement les variations de forme. Lors de l'usinage des trous de raccordement autour de la bride, un positionnement précis du trou central de l'arbre de support garantit une épaisseur de paroi très uniforme. Pour les pièces forgées horizontalement, la bride est formée dans les matrices supérieure et inférieure. En raison des erreurs de forgeage, des tolérances d'épaisseur et du problème de centrage du trou central évoqué précédemment, l'usinage des trous de raccordement autour de la bride présente un risque d'épaisseur de paroi irrégulière, voire insuffisante. Il convient d'être vigilant et, si nécessaire, d'ajouter une surépaisseur appropriée autour de chaque trou pour éviter ce risque. Par ailleurs, l'épaisseur de la bride des pièces forgées verticalement est affectée par les tolérances d'épaisseur du forgeage. La surépaisseur d'usinage de la face d'extrémité de la bride varie d'un lot à l'autre. Il est donc important d'en tenir compte lors de l'usinage.

(4) Usinage de la fourche de la fusée de direction : En raison de l'angle α entre l'arbre de support et la fourche de la fusée de direction, lors de la fabrication de cette dernière par forgeage vertical, il est nécessaire d'augmenter le surépaisseur afin d'éviter le contre-dépouille et de permettre l'évacuation de la partie supérieure de la matrice de la cavité. Aux positions E et F illustrées sur la figure 2, le surépaisseur est particulièrement important en position F. En supposant α = 7°, une profondeur de fourche de 70 mm et un angle de dépouille normal de 3°, l'augmentation du surépaisseur à la base de la fourche est de : δ = 70 tan 7° + 70 tan 3° = 12,2 mm. Par conséquent, l'usinage important de cette pièce doit être pris en compte lors de la fabrication de la fourche, notamment lors de l'ébauche. En revanche, le surépaisseur des pièces forgées horizontalement peut être calculé de manière conventionnelle, réduisant ainsi l'usinage. Toutefois, la présence d'un contre-dépouille au milieu des deux fourches impose généralement un surfaçage afin de garantir la précision de l'alésage central. De plus, lors de l'usinage de la fourche, le tourillon sert généralement au positionnement. Pour les pièces forgées verticales, en raison des erreurs d'usinage, la surépaisseur de la fourche varie et, dans les cas les plus graves, elle devient insuffisante, entraînant la formation de calamine.

Conclusion
Le forgeage horizontal et vertical est couramment utilisé pour la fabrication des fusées de direction automobiles. Pour les fusées produites selon différentes méthodes, compte tenu des variations de formage, de la répartition des surépaisseurs d'usinage et de la structure des pièces forgées, une analyse ciblée doit être menée lors de l'usinage. Des mesures doivent être prises en fonction des situations, afin d'adapter les techniques de positionnement et de coupe lors du perçage de l'alésage central de l'arbre de support, de l'usinage de la bride et de l'usinage de la fourche, et ainsi optimiser le processus de fabrication.