Précision vs Estampage : Étude de cas sur la conception de joint d'injection de carburant en ingénierie automobile

Quand un entretoise estampée n'est tout simplement pas assez bonne

Il était une fois — il y a plus de 20 ans — une grande entreprise de fabrication automobile a eu une excellente idée pour leur système d'injection de carburant : Ils ont inventé un clapet qui s'ouvrait et se fermait comme une valve cardiaque, pour doser alternativement le carburant vers l'extérieur et sceller pour garder le carburant à l'intérieur. Pour aller avec ce nouveau clapet à valve, l'entreprise avait besoin d'un anneau d'étanchéité avec des dimensions d'épaisseur, de planéité et de parallélisme contrôlées aux tolérances microns.

Plus spécifiquement, le constructeur automobile voulait un petit anneau parfaitement plat qui formerait une surface qui s'accouple précisément à la surface du clapet et scelle hermétiquement pour qu'aucun carburant ne s'échappe quand le clapet était en position fermée. La surface de l'entretoise aurait besoin de résister à la saleté pour maintenir un joint étanche et empêcher le carburant de fuir dans le système d'injection. Il aurait aussi besoin de résister à des milliards de cycles, avec l'ouverture et la fermeture répétées du clapet.

L'entreprise automobile recherchait un anneau métallique très fin, de type rondelle, qui était moins de 0,050" d'épaisseur et avait des tolérances de planéité, de perpendicularité et de parallélisme dans les microns afin de prévenir toute distorsion de surface. L'entretoise devait aussi performer sans faille peu importe les températures auxquelles elle était soumise — du froid glacial à la chaleur torride du moteur. En plus, l'entreprise avait besoin de millions de ces entretoises et les voulait à bas coût !

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Les options d'estampage de précision

Il s'avère qu'atteindre un anneau d'entretoise parfaitement plat était un vrai défi, et l'automobile a lutté pour trouver une pièce dont ils étaient confiants qu'elle ne se déformerait pas sous les conditions du moteur.

D'abord, l'automobile s'est adressée à une entreprise d'estampage de précision pour la fabrication de l'entretoise. Estamper l'anneau à partir d'une tôle semblait initialement être la méthode parfaite, produisant une pièce plate avec un grain horizontal. Cependant, dans les tests, la pièce ne pouvait pas maintenir sa planéité, avec une certaine courbure se produisant toujours le long du corps ; en plus, le bord estampé de la pièce aurait une déformation.

Ensuite, l'automobile a essayé un fournisseur qui ferait les anneaux d'entretoise par fineblanking (emboutissage de précision), un procédé de formage de métal de précision qui est un hybride des méthodes d'estampage et d'extrusion à froid. Le fineblanking utilise une presse hydraulique à triple mouvement et un outillage spécialement conçu pour produire des pièces avec des bords cisaillement complets, droits.

Pour l'application d'entretoise de l'automobile, la méthode de fineblanking a produit un périmètre cisaillement plus propre que l'estampage de précision conventionnel. Cependant, en plus d'avoir un coût quelque peu plus élevé que l'estampage de précision conventionnel, le fineblanking n'a pas produit une planéité qui pourrait être maintenue dans le temps. L'automobile a aussi découvert que la direction du grain de ces processus leur causait des problèmes de tests de durée de vie.

La troisième option est la bonne

Finalement, l'automobile est venue à Metal Cutting pour explorer d'autres options pour atteindre la bonne planéité sans distorsion, le bord net et le diamètre extérieur pour leur anneau d'entretoise. Nous avons pris une approche différente des fournisseurs précédents, suggérant l'utilisation de tubes — soit extrudés ou en utilisant une tige pleine ou un tube plus grand tiré à travers une filière pour atteindre le DI correct — pour produire un anneau qui était ensuite coupé de précision à l'épaisseur propre requise pour l'entretoise.

Contrairement à l'estampage et au fineblanking, la coupe de précision a produit une structure de grain dans la direction de tirage du tube qui a réduit la chance de gauchissement dans le temps par rapport à un grain plat. Là où l'estampage et le fineblanking pouvaient causer du tirage et des bavures où le matériau était cisaillement, la coupe de précision a produit des rayons de coin nets. Capable de fournir une coupe sans bavure de matériaux très fins sans déformation ou distorsion d'extrémité, la coupe de précision a aussi maintenu des tolérances serrées tout en livrant les dimensions dont l'automobile avait besoin pour son entretoise très fine.

À la fin, la coupe de précision s'est avérée être l'option « ils vécurent heureux » pour cette application. Bien qu'en amont le processus ne serait pas aussi peu coûteux que l'estampage ou le fineblanking, le coût en valait bien la peine quand on le compare à la dépense de remplacement si le clapet révolutionnaire de l'automobile avait été installé avec une entretoise destinée à échouer — pas une fois, mais des millions de fois.