L'influence de la méthode de forgeage des fusées de direction automobiles sur la technologie de traitement

La fusée d'essieu est l'un des principaux éléments de l'essieu directeur d'une voiture. Elle assure la stabilité du véhicule et transmet la direction avec précision. Elle a pour fonction de transmettre efficacement l'angle de rotation du volant à la roue avant, de contrôler la trajectoire du véhicule en mouvement et d'assurer ainsi sa sécurité. Elle a également pour fonction de supporter la charge à l'avant, de soutenir et d'entraîner la roue avant en rotation autour du pivot d'attelage, et de supporter les charges d'impact variables pendant la conduite. Par conséquent, la fusée d'essieu exige non seulement une résistance fiable, mais aussi une grande précision d'usinage. Sa forme géométrique est relativement complexe et nécessite un usinage de nombreuses formes géométriques. La précision de positionnement entre chaque surface géométrique est essentielle. La précision d'usinage influence la précision de la direction du véhicule en fonctionnement. Cet article analyse les pièces forgées produites par deux procédés de forgeage différents, explore l'influence de la forme de séparation, de la répartition des tolérances et de l'erreur de forgeage du forgeage de la fusée de direction sur sa technologie de traitement, et propose des références pour la conception du montage et la sélection des surfaces de positionnement dans le processus de traitement.

Caractéristiques structurelles de la fusée d'essieu

La forme de la fusée d'essieu est relativement complexe et regroupe les caractéristiques structurelles de quatre types de pièces : l'arbre, le trou, la couronne et le cadre de fourche. Elle est principalement composée de trois parties : l'arbre de support, la bride et le cadre de fourche. L'arbre de support est un arbre étagé, caractérisé par un corps rotatif composé d'une surface cylindrique extérieure coaxiale, d'une surface conique, d'une surface filetée, d'un épaulement d'arbre, 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 boulon de connexion et un trou fileté pour la butée de direction ; le cadre de fourche est une structure de cadre de fourche composée des oreilles supérieure et inférieure et de la surface de bride de la fusée d'essieu.
Du point de vue de la technologie de forgeage, les caractéristiques du forgeage de la fusée d'essieu sont les suivantes : l'arbre de support est fin, la bride est large et présente parfois une surface de forme spéciale ; le cadre de fourche est dévié d'un angle α par rapport à l'axe de l'arbre de support et présente une forme complexe. Conformément à la norme GB12362-2003 « Tolérances et surépaisseurs d'usinage pour les pièces forgées en acier », ce forgeage est une pièce complexe typique en forme de fourche.

Processus de traitement des fusées de direction

Le flux de processus principal du traitement de la fusée de direction est le suivant : fraisage de la face d'extrémité du tourillon, perçage des trous centraux aux deux extrémités → tournage grossier 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, tournage du filetage d'extrémité arrière → perçage et taraudage du filetage de la surface de la bride → fraisage grossier et fin des faces d'extrémité intérieure et extérieure des boucles d'oreilles supérieures et inférieures → perçage grossier et finition de l'alésage du trou du pivot d'attelage → trempe de surface (si nécessaire) → meulage de finition des tourillons et congés de roulement grands et petits → marques de gravure → inspection et stockage.

L'impact des méthodes de forgeage sur la technologie de traitement

1. Méthodes de forgeage

Il existe deux procédés de forgeage pour la production de pièces forgées de fusées d'essieu : le tronçonnage horizontal (tronçonnage plan) et le tronçonnage vertical (tronçonnage vertical). Le tronçonnage horizontal est une méthode de forgeage dont le plan central sert de surface de tronçonnage. La section transversale de l'arbre de support étant très différente de celle de la bride et du cadre de fourche, le forgeage est très complexe pour répartir correctement l'ébauche. Malgré cela, une bavure importante persiste à la jonction entre l'arbre de support et la bride, et elle diminue progressivement le long de l'axe jusqu'à atteindre sa largeur normale au niveau de l'extrémité. Le taux d'utilisation de la matière de cette méthode de forgeage est faible. Le tronçonnage vertical est basé sur le plan central de la bride et prend en compte les cavités de la fourche des deux côtés. Cette méthode de forgeage utilise la technologie de forgeage fermé lors du préforgeage, l'extrusion positive de l'arbre et l'extrusion inverse des fourches des deux côtés, puis le forgeage final pour former et évacuer le surplus de métal.
En raison des différentes méthodes de forgeage, la disposition des surfaces de séparation, la répartition des surépaisseurs, les erreurs de forgeage et les tolérances d'épaisseur lors de la conception ont des effets différents sur l'usinage de la fusée d'essieu. L'impact est particulièrement évident 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 filetés sur la bride reliant le bras de fusée d'essieu au frein, et de l'usinage de la face d'extrémité de la fourche et du trou du pivot d'attelage du cadre de fourche (voir l'usinage des pièces C et D sur la figure 1). Par conséquent, lors de la conception de la technologie d'usinage et du choix de la surface de positionnement du dispositif de fixation, des mesures correctives adaptées aux différentes méthodes de production des pièces forgées doivent être prises.
Schéma des pièces de traitement des fusées de direction
Figure 1 Schéma des pièces de traitement des fusées de direction

2. Tolérance de forgeage et disposition des surépaisseurs d'usinage
Lors du forgeage de la fusée d'essieu à l'aide d'un outil de coupe horizontal, la surface de coupe est généralement choisie au niveau de la plus grande section. Comme illustré à la figure 2, AA représente la surface de coupe de la pièce forgée, et la direction de forgeage est perpendiculaire au plan où elle se situe, c'est-à-dire selon la direction BB. De cette façon, la pièce est forgée par les outils supérieur et inférieur. 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 supérieure et inférieure de la fourche. L'angle de dépouille de la pièce forgée est le long de la direction BB, généralement comprise entre 5° et 7°. Pendant le forgeage, en raison des fluctuations de facteurs tels que la température et la force de forgeage, les outils supérieur et inférieur ne peuvent pas être complètement pressés l'un contre l'autre. Par conséquent, les variations d'épaisseur le long de la direction de forgeage se forment sur la pièce forgée, généralement avec une tolérance de ± 1 mm. et l'erreur causée par le mauvais alignement des matrices supérieure et inférieure est généralement de ± 1,5 mm.
La surface de coupe du forgeage vertical est choisie perpendiculaire à l'axe du support et passe par le centre de la bride. Cependant, la forme du forgeage détermine une surface courbe. Comme le montre la figure 2, la surface courbe représentée en CC constitue sa surface de coupe, et la direction de forgeage est perpendiculaire à celle-ci, c'est-à-dire selon la direction indiquée en DD. Les pièces forgées ainsi obtenues diffèrent de celles obtenues par forgeage horizontal en termes de répartition des surépaisseurs d'usinage. L'emboutissage de la pièce supérieure ne nécessitant pas de dépouille inverse, une surépaisseur doit être ajoutée à l'intérieur des fourches supérieure et inférieure pour former une dépouille positive. Les pièces principales sont représentées en E et F sur la figure 2. Outre la surépaisseur habituelle pour l'arbre de support, un angle de dépouille supplémentaire de 1° à 1,5° est ajouté le long de l'axe afin de faciliter son démoulage. En supposant que l'arbre de support mesure 200 mm de long, l'ajout de l'angle de dépouille entraînera une augmentation de la surépaisseur entre l'extrémité de l'arbre et le col extérieur de l'arbre de support, à la base de la bride, de 0 à 0,35 à 0,5 mm, et une surépaisseur d = 200 tan (1° à 1,5°). La tolérance d'épaisseur de la pièce forgée est généralement de ± 1,5 mm, générée selon la direction DD, et l'erreur est généralement de ± 1,5 mm, générée perpendiculairement à cette direction.
Schéma de principe des pièces forgées horizontalement et verticalement Figure 2 Schéma de principe des pièces forgées horizontalement et verticalement

3. Traitement des facteurs d'influence
Les différentes influences de facteurs tels que les surépaisseurs et les tolérances dans les deux méthodes de production de pièces forgées mentionnées ci-dessus doivent être prises en compte lors de la conception de la technologie d'usinage, sous peine d'affecter la qualité d'usinage de la fusée d'essieu. Les influences d'usinage à prendre en compte sont les suivantes :

(1) Usinage de l'arbre de support de fusée de direction. Les principales opérations d'usinage de l'arbre de support de fusée de direction sont le fraisage de la face d'extrémité de l'arbre, le perçage du trou central, ainsi que le tournage et la rectification des tourillons de différentes pièces (voir parties A et B de la figure 1). Ces deux opérations sont interdépendantes, en particulier le perçage du trou central. Le trou central sert non seulement de référence de positionnement pour l'usinage ultérieur du tourillon, mais aussi de référence de mesure pour les différentes tolérances de taille et de position de l'arbre. Si la ligne de raccordement des deux trous centraux ne coïncide pas avec l'axe du forgeage de l'arbre de support pendant l'usinage, cela entraînera une répartition inégale de la marge de forgeage et l'apparition de calamine sur le tourillon (surface de forgeage résiduelle). En comparant les pièces de tourillon des pièces forgées selon les deux méthodes, on constate que pour la fusée de direction produite par forgeage vertical, le forgeage final de la partie de l'arbre de support étant réalisé dans la cavité cylindrique, la rondeur de cette pièce est bonne et la marge est uniforme, ce qui facilite le choix de la position de positionnement lors de l'usinage du trou central. Cependant, en raison de facteurs tels que le désalignement, la tolérance d'épaisseur et les résidus de coupe, le forgeage horizontal formera un cercle irrégulier. La répartition des surépaisseurs aux différents emplacements du tourillon fluctuera considérablement sous l'influence de multiples facteurs. Compte tenu de ces variations de forme du tourillon, lors du choix de l'emplacement du trou central à usiner, il convient d'envisager de le concevoir avec un dispositif de fixation en V à 45° par rapport à la surface de coupe. Cela permet d'éviter l'influence des résidus de bavures et du désalignement, et de rapprocher la ligne de raccordement du trou central de l'axe théorique du tourillon, afin d'assurer une répartition uniforme des surépaisseurs d'usinage ultérieures.

(2) Dimensions axiales de l'arbre de support. La chaîne des dimensions axiales de la fusée d'essieu illustrée à la figure 1 est interdépendante. L'épaisseur de paroi du trou du pivot d'attelage de la fusée d'essieu, soit 11 mm, est particulièrement importante. Elle est liée à la résistance de l'épaisseur de paroi du trou du pivot d'attelage et doit donc être garantie. L'analyse de la relation entre la chaîne des dimensions axiales permet de prendre en compte les variations d'épaisseur de paroi selon les différentes méthodes de forgeage lors du perçage du trou central lors de la première étape de fraisage de la face d'extrémité. S'il s'agit d'un forgeage horizontal, la dimension axiale est générée dans les matrices supérieure et inférieure, et sa variation est principalement affectée par l'erreur de forgeage. S'il s'agit d'un forgeage vertical, la dimension axiale est générée dans les matrices supérieure et inférieure, et sa variation est principalement affectée par la tolérance d'épaisseur du forgeage. 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 du pivot d'attelage lors de la sélection de la dimension de positionnement axial initial, c'est-à-dire de sélectionner la surface de la bride près de la fourche.

(3) Usinage des brides. La bride d'une pièce forgée verticale est formée dans une cavité complète, ce qui réduit les variations d'erreur de forme. Lors de l'usinage des trous de raccordement autour de la bride, l'épaisseur de paroi autour du trou de raccordement sera très uniforme si le positionnement du trou central de l'arbre de support est précis. Pour les pièces forgées horizontalement, la bride est formée dans les matrices supérieure et inférieure. En raison de l'influence des erreurs de forgeage et des tolérances d'épaisseur, et compte tenu du problème de centrage du trou central analysé précédemment, lors de l'usinage des trous de raccordement autour de la bride, il existe un risque d'épaisseur de paroi inégale, voire trop faible. Il convient d'y prêter attention. Si nécessaire, il peut être nécessaire d'ajouter une surépaisseur appropriée autour de chaque trou pour éviter ce risque. De plus, l'épaisseur de la bride des pièces forgées verticalement est affectée par la tolérance d'épaisseur de la pièce forgée. La surépaisseur d'usinage de la face d'extrémité de la bride des pièces forgées de différents lots fluctue. Il convient également d'en tenir compte lors de l'usinage.

(4) Usinage de la fourche de fusée d'essieu En raison de l'angle α entre la partie de l'arbre de support de la fusée d'essieu et sa partie fourche, lors de l'utilisation du forgeage vertical pour produire la fusée d'essieu, afin d'éviter la dépouille inverse et de permettre à la partie supérieure de la matrice de la pièce forgée d'être retirée de la cavité, la surépaisseur doit être augmentée. Dans les positions E et F illustrées à la figure 2, en particulier la position F, la surépaisseur est importante. En supposant α = 7°, la profondeur de la fourche est de 70 mm et l'angle de dépouille normal est de 3°, l'augmentation de la surépaisseur de pied de fourche est : δ = 70tan7° + 70tan3° = 12,2 mm. De cette façon, la grande surépaisseur de coupe de cette pièce doit être prise en compte lors de l'usinage de la fourche, en particulier de l'ébauche ; Bien que la surépaisseur des pièces forgées horizontales puisse être réalisée selon la méthode conventionnelle, la quantité de coupe est réduite. Cependant, en raison de la présence d'une surépaisseur au milieu des deux fourches, afin de garantir la précision du trou central, cette pièce est généralement fraisée en bout. De plus, lors de l'usinage de la fourche, le tourillon est généralement utilisé pour le positionnement. Pour les pièces forgées verticales, en raison de l'influence de l'erreur, la surépaisseur d'usinage de la fourche peut varier et, dans les cas les plus graves, elle peut être insuffisante et entraîner la formation de calamine.

Conclusion
Les pièces forgées horizontalement et verticalement sont actuellement largement utilisées dans la production de fusées de direction automobiles. En raison des différences de méthodes de formage, de répartition des surépaisseurs d'usinage et de structure de séparation des fusées de direction, une analyse ciblée doit être réalisée lors de l'usinage mécanique et des mesures adaptées aux différentes situations doivent être prises afin d'utiliser différentes méthodes de positionnement et de coupe pour l'usinage du trou central de l'arbre de support, l'usinage des brides et l'usinage de la fourche, et ainsi obtenir une technologie d'usinage optimale.