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HAL Id: pastel-00910324 https://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00910324 Submitted on 27 Nov 2013 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Étude et mise en œuvre d’un moyen flexible pour le rodage de carter cylindre de moteur à combustion interne Benoit Goeldel To cite this version: Benoit Goeldel. Étude et mise en œuvre d’un moyen flexible pour le rodage de carter cylindre de moteur à combustion interne. Autre. Ecole nationale supérieure d’arts et métiers - ENSAM, 2013. Français. NNT : 2013ENAM0016. pastel-00910324 2013-ENAM-0016 École doctorale n° 432 : Sciences des Métiers de l’Ingénieur Doctorat ParisTech T H È S E pour obtenir le grade de docteur délivré par l’École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers Spécialité Génie Mécanique – “Procédés de fabrication” présentée et soutenue publiquement par Benoit GOELDEL le 7 juin 2013 Etude et mise en œuvre d’un moyen flexible pour le rodage de carter cylindre de moteur à combustion interne Directeur de thèse : Mohamed EL MANSORI Co-directeur de thèse : Didier DUMUR Jury M. Pierre MONTMITONNET, Directeur de Recherche CNRS, CEMEF - UMR7635, Mines ParisTech Président M. Bengt-Göran ROSEN, Professeur, Université d’Halmstad (Suède) Rapporteur M. Hassan ZAHOUANI, Professeur, LTDS – UMR 5513, Ecole Centrale de Lyon Rapporteur M. Patrice DUHAUT, Deputy General Manager, Renault Nissan Technology & Business Centre India Examinateur M. Didier DUMUR, Professeur, Responsable de l'équipe d'automatique – EA4454, Supélec Examinateur M. Mohamed EL MANSORI, Professeur, MSMP, Arts&Métiers ParisTech Examinateur M. Marc FRABOLOT, Ingénieur Synthèse Technique, Stratégie Industrielle, Renault SAS Invité T H È S E Arts et Métiers ParisTech - Centre de Châlons-en-Champagne Mechanical, Surfaces & Materials Processing Lab. Etude et mise en œuvre d’un moyen de rodage flexible - 2/216 - Etude et mise en œuvre d’un moyen de rodage flexible - 3/216 - Remerciements Remerciements Je remercie tout d’abord mes parents et ma famille qui m’ont soutenu moralement pendant ces trois ans et demi de thèse qui furent à la fois très épanouissants et parfois difficiles. Leur soutien permanent et leur bon sens m’ont permis de franchir sereinement les dures moments de la vie de doctorant. Mes remerciements sincères vont aux équipes de l’UET système d’industrialisation des pièces prismatiques et l’UET innovation et expertises transverses du service métier amont process de la direction de l’ingénierie process de Renault, à Rueil Malmaison. J’ai particulièrement apprécié l’ambiance de travail au sein de ces équipes, leur disponibilité pour m’aider et pour m’enseigner le maximum de leur savoir-faire. En particulier Eric Isambard m’a bien accompagné dans l’apprentissage du procédé et m’a très bien guidé pour mener des expériences pertinentes. Marc Frabolot et Jean-Vincent Lelan qui m’ont accueilli dans ce grand groupe au début de ma thèse ont très bien encadré le développement de la machine prototype en expliquant en interne de les enjeux majeurs de ce développement. M. Dumur, mon co-directeur de thèse, m’a soutenu et aidé inconditionnellement pour mener à bien l’écriture de ce manuscrit. Pour m’avoir aidé à publier plusieurs articles scientifiques dans des revues adaptés à ce développement, je le remercie vivement. J’ai ainsi pu rencontrer d’autres industriels de l’automobile et des équipes renommées internationalement dans le domaine des procédés d’abrasion. Je remercie l’équipe du laboratoire MSMP de Châlons-en-Champagne, anciennement LMPF, pour leur accueil chaleureux et leur disponibilité pour m’aider à utiliser les équipements expérimentaux. Je remercie particulièrement Catherine Epis-Revel pour son aide pour toutes les démarches administratives. L’assistance de Julien Voisin tout au long du développement du démonstrateur fut un soutien essentiel pour mener à bien les échanges avec tous les fournisseurs et prestataires assurant la fourniture des composants, l’assemblage et la programmation du prototype. Je remercie les partenaires industriels du développement du démonstrateur, Patrice Carras et le service achat Renault qui ont dû changer leurs habitudes pour réussir à développer et finaliser le démonstrateur flexible de rodage. Enfin je remercie Mohamed El Mansori pour m’avoir permis de travailler sur ce sujet passionnant et pour m’avoir sélectionné un excellent jury pour la soutenance de thèse. Et bien sûr je remercie ce jury constitué de membres d’une grande qualité qui a su appréhender mes travaux et proposer des remarques pertinentes. Leur présence à ma soutenance fut d’autant plus gratifiant que leurs appréciations furent très positives. Etude et mise en œuvre d’un moyen de rodage flexible - 4/216 - Sommaire Sommaire Notations ....................................................................................................................... 8 Introduction ................................................................................................................ 11 1. Rodage des fûts de carter cylindre ................................................................... 15 1.1. Introduction .................................................................................................................. 15 1.2. Les surfaces rodées ...................................................................................................... 16 1.2.1. Fonctionnalités des surfaces rodées ..................................................................... 16 1.2.2. Moyen d’obtention : l’abrasion ............................................................................ 19 1.2.3. Le besoin industriel .............................................................................................. 21 1.2.3.1. Les abrasifs conventionnels ............................................................................. 21 1.2.3.2. Les super abrasifs Agglomérés : Diamant et CBN .......................................... 23 1.2.3.3. Comparatif abrasif conventionnel / super abrasif ............................................ 25 1.3. Le procédé de rodage ................................................................................................... 25 1.3.1. L’outil rodoir ........................................................................................................ 27 1.3.2. La machine de rodage industrielle ....................................................................... 29 1.3.2.1. Description générale des moyens de rodage .................................................... 29 1.3.2.2. Attachement de l’outil...................................................................................... 30 1.3.2.3. Les principaux mouvements (translation rotation) .......................................... 31 1.3.2.4. L’axe d’expansion ............................................................................................ 31 1.3.2.5. Le système de mesure in-process ..................................................................... 33 1.3.2.6. Commande numérique ..................................................................................... 33 1.3.3. L’opération de rodage .......................................................................................... 34 1.3.3.1. Le cycle d’ébauche .......................................................................................... 35 1.3.3.2. Le cycle de finition et plateau .......................................................................... 36 1.4. Contrôle qualité des surfaces rodées ............................................................................ 38 1.4.1. Echelle macroscopique : forme du cylindre ......................................................... 39 1.4.2. Echelle microscopique : Topographie ................................................................. 40 1.4.3. Echelle mésoscopique : texture de surface .......................................................... 41 1.5. Technologies des moyens industriels de rodage .......................................................... 43 1.5.1. Performances des axes ......................................................................................... 43 1.5.2. Comparaison de l’architecture des moyens industriels ........................................ 44 1.5.3. Intégration en ligne de production et flexibilité ................................................... 45 1.6. Conclusion ................................................................................................................... 46 2. Simulation du procédé de rodage ..................................................................... 47 2.1. Introduction .................................................................................................................. 47 2.2. Modélisation du rodage................................................................................................ 48 2.2.1. Représentation des géométries ............................................................................. 48 2.2.1.1. Choix du type de maillage : discrétisation spatiale .......................................... 48 2.2.1.2. Représentation de la surface à roder ................................................................ 49 2.2.1.3. Représentation de l’outil de rodage ................................................................. 50 2.2.2. Modèle cinématique ............................................................................................. 51 2.2.2.1. Discrétisation temporelle ................................................................................. 51 2.2.2.2. Superposition fût rodoir et mesures in process ................................................ 52 2.2.2.3. Cinématique du rodage .................................................................................... 53 2.2.2.4. Expansion du rodoir ......................................................................................... 54 2.2.3. Modélisation de l’abrasion ................................................................................... 55 2.2.3.1. Modélisation de la rugosité locale maximale ................................................... 55 Etude et mise en œuvre d’un moyen de rodage flexible - 5/216 - 2.2.3.2. Modification de la rugosité par l’abrasion ....................................................... 56 2.2.3.3. Force de contact ................................................................................................ 58 2.2.3.4. Validation du modèle de rugosité ..................................................................... 59 2.2.4. Simulation du rodage avec expansion .................................................................. 61 2.2.4.1. Expansion électromécanique ............................................................................ 61 2.2.4.2. Expansion hydraulique ..................................................................................... 62 2.2.4.3. Prise en compte de la déformation du fût. ........................................................ 62 2.2.5. Représentation de la texture de la surface rodée .................................................. 62 2.2.6. Organigramme général de la simulation .............................................................. 63 2.3. Mise en œuvre de la simulation .................................................................................... 65 2.3.1. Définition du fût à roder ....................................................................................... 65 2.3.2. Définition du rodoir .............................................................................................. 66 2.3.3. Génération des trajectoires ................................................................................... 66 2.3.3.1. Trajectoire sans battements .............................................................................. 66 2.3.3.2. Trajectoire avec battements classiques ............................................................. 67 2.3.3.3. Trajectoire avec battements spéciaux ............................................................... 68 2.3.4. Cycles de rodage .................................................................................................. 69 2.3.4.1. Cycles préprogrammés ..................................................................................... 69 2.3.4.2. Cycles avec « stop-cote » ................................................................................. 70 2.3.4.3. Cycle avec « Macro-forme » ............................................................................ 70 2.3.5. Génération de l’expansion .................................................................................... 71 2.3.5.1. Expansion électromécanique ............................................................................ 71 2.3.5.2. Expansion hydraulique ..................................................................................... 73 2.3.6. Calibration et étalonnage du logiciel .................................................................... 73 2.4. Résultats de simulation ................................................................................................. 74 2.4.1. Exploitation du modèle cinématique .................................................................... 74 2.4.1.1. Nombre de passages et pouvoir de recouvrement ............................................ 74 2.4.1.2. Optimisation d’une phase Plateau HSH ........................................................... 75 2.4.2. Forme des surfaces rodées .................................................................................... 76 2.4.2.1. Représentation des défauts de formes .............................................................. 76 2.4.2.2. Influence de l’amplitude des battements .......................................................... 76 2.4.2.3. Influence de la raideur du fût............................................................................ 77 2.4.3. Rugosité des surfaces rodées ................................................................................ 78 2.4.3.1. Représentation de la rugosité ........................................................................... 78 2.4.3.2. Évolution de la rugosité en rodage électromécanique ...................................... 78 2.4.3.3. Évolution de la rugosité en rodage hydraulique ............................................... 79 2.4.4. Aspect de surface texturé des surfaces rodées ...................................................... 80 2.4.4.1. Aspect de surface en rodage classique ............................................................. 80 2.4.4.2. Aspect de surface en rodage HSH version dégradée ........................................ 81 2.4.4.3. Aspect de surface en rodage HSH sur machine grande vitesse ........................ 82 2.5. Conclusion .................................................................................................................... 83 3. Caractérisation physique du rodage industriel .............................................. 85 3.1. Introduction .................................................................................................................. 85 3.2. Caractérisation de la dynamique du rodage.................................................................. 85 3.2.1. Mécanisme d’expansion du rodoir ....................................................................... 86 3.2.1.1. Caractérisation des raideurs du rodoir .............................................................. 86 3.2.1.2. Effets inertiels ................................................................................................... 87 3.2.2. Mécanisme de battement axial ............................................................................. 89 3.2.2.1. Dans le cas de la machine Nagel (Pôle Process ECO² - ENSAM)................... 89 3.2.2.2. Dans le cas de la machine Gehring (DF3P – Renault, usine de Cléon) ........... 90 3.2.2.3. uploads/Industriel/goeldel.pdf