Récemment, on m’a offert une Volkswagen Golf 1997 pour le prix bas et bas de la gratuité – en supposant que je puisse la transporter, car elle souffrait d’une transmission automatique complètement bloquée. Étant incapable de dire non à une telle opportunité, je me suis mis à remorquer la pauvre maison décapotable et j’ai immédiatement déchiré la mécanique pour voir ce qui n’allait pas.

Hélas, je n’ai jusqu’à présent pas réussi à ressusciter la bête de Wolfsburg, mais alors que j’étais au poignet dans le liquide de transmission, j’ai repéré quelque chose qui a attiré mon attention. Venez découvrir l’essentiel de la fabrication de transmissions!

Bosses et bosses

Des bosses et des bosses à l’intérieur du carter de transmission 01M. Le plus gros morceau mesure environ 3 mm de large sur 2 mm de haut.

Avec le bac de transmission tombé et le filtre retiré, j’avais une vue claire de l’intérieur du boîtier de transmission. En tant qu’ancien ingénieur de fonderie, certains éléments de la pièce finie m’ont marqué. Diverses parties du boîtier présentaient de petites bosses et des saillies – des boutons épais sur ce qui était autrement des surfaces planes ou des bords arrondis lisses. Celles-ci correspondaient à ce qui semblait être une série de motifs fins en forme de fissure sur la surface. Ces défauts sont la preuve d’imperfections dans la surface de la matrice, suggérant que l’outillage est piqué et fissuré là où il devrait plutôt être lisse.

La zone touchée n’était pas une section usinée, agissant simplement comme un réservoir de fluide. Ainsi, les anomalies n’ont aucun effet réel sur les performances de transmission. Cependant, leur présence nous en dit un peu sur l’état de l’outillage utilisé par Volkswagen pour produire les pièces moulées. Une toute nouvelle matrice fraîchement produite par le fabricant d’outils ne produit généralement pas de pièces présentant des fissures, des piqûres et des grumeaux visibles à la surface. La nature rugueuse du boîtier de transmission 01M de ma Golf 1997 est la preuve que Volkswagen faisait tourner son casting bien dans les dizaines de milliers de coups, peut-être même dans les six chiffres. Compte tenu de la nature des caractéristiques, qui sont dues à la condition physique inhérente au dé, elles ne sont pas un défaut ponctuel sur un casting unique. Au lieu de cela, les ingénieurs de ligne et les opérateurs seraient conscients que la matrice vieillit et s’use. Étant donné que les défauts se sont produits dans un endroit non crucial, une décision consciente a probablement été prise d’ignorer les défauts et d’expédier les pièces, étant donné qu’elles étaient peu susceptibles d’être remarquées par le conducteur moyen qui ne démonte pas sa transmission pour tuer un peu de temps sur le weekend. Des défauts similaires dans une zone visible ou fonctionnelle pourraient à la place être «corrigés», les protubérances incriminées étant rectifiées par un opérateur humain ou une machine.

Etant donné que les défauts n’entraînent aucun obstacle fonctionnel à la transmission, on peut comprendre la décision de passer les pièces dans l’intérêt de maintenir les coûts bas. Cependant, pour comprendre comment les défauts se sont produits, prenons un petit cours intensif sur le moulage sous pression d’aluminium à haute pression.

Un apprêt sur le moulage sous haute pression

Un schéma des pièces de base d’une machine de moulage sous pression à haute pression.

Les boîtiers de transmission modernes sont souvent fabriqués en utilisant le processus de moulage sous pression en aluminium à haute pression. Ce processus implique d’énormes moules métalliques, appelés matrices, qui se divisent en deux moitiés et sont pressés ensemble, créant une cavité entre les deux. Habituellement, un vide est ensuite appliqué pour aspirer l’air hors de la cavité de la filière afin de réduire le piégeage de gaz. Ensuite, de l’aluminium fondu est versé dans un cylindre et un piston est utilisé pour injecter l’aluminium dans la cavité de la filière à très haute pression. Chaque fois que le piston tire de l’aluminium fondu dans la matrice, on appelle cela un coup.

Démonstration du procédé de moulage sous pression de l’aluminium sur la chaîne de montage (vidéo). Notez les grandes quantités de flash à la ligne de séparation lors de la coulée finale.

En injectant du métal fondu sous haute pression, il réduit les problèmes causés par le rétrécissement de l’aluminium en refroidissant. Ce rétrécissement peut provoquer des vides dans le produit final, appelés porosité de retrait. Le maintien de la pression élevée garantit que les matrices sont entièrement remplies avec autant d’aluminium que possible et réduit la quantité de retrait de la pièce finale. Pour résister à la haute pression du tir, les deux moitiés de la matrice sont maintenues ensemble avec un mécanisme de verrouillage spécial qui est censé maintenir la matrice fermée et empêcher le métal de s’échapper autour des coutures où les deux se rencontrent. Bien sûr, si les matrices ne sont pas parfaitement plates ou correctement alignées, du métal s’échappe parfois autour des coutures, appelé éclat, où vous pouvez voir une petite ligne de séparation sur une pièce finie. Dans les cas extrêmes, un flash s’échappe complètement du dé, et c’est très effrayant la première fois qu’il se produit pendant votre quart de travail. En règle générale, les opérateurs de ligne ricaneront de bon cœur lorsque vous serez surpris par le métal piquant.

Tirs, clichés, clichés, clichés, clichés!

De la même manière que nous suivons les kilomètres parcourus comme une estimation de l’usure d’une automobile, les machines de moulage sous pression suivent le nombre de tirs effectués. Chaque cycle de remplissage du piston, d’injection d’aluminium dans la matrice et de retrait de la pièce usure la machine et les matrices elles-mêmes. Les matrices pèsent plusieurs tonnes et sont construites en aciers à outils à haute résistance. Une filière peut coûter plusieurs centaines de milliers de dollars à produire et doit donc se payer d’elle-même en produisant des dizaines de milliers de pièces. Les ingénieurs travaillent d’arrache-pied pour que les matrices durent le plus longtemps possible afin d’exécuter une opération de coulée rentable.

Un dé typique peut durer plus de 100 000 coups avec un entretien et une réparation réguliers. Mais avec le temps, l’usure peut devenir trop importante et la matrice doit être remplacée. Il existe de nombreuses façons pour une matrice de ne pas produire des pièces de qualité; une descente complète remplirait un manuel volumineux et dépasse le cadre de cet article. Au lieu de cela, regardons les causes des fissures, des lignes et des bosses que nous avons trouvées sur notre casting de Volkswagen 01M.

Notez les fines lignes sur la pièce moulée qui révèlent des fissures dans la surface de la matrice, typiques du contrôle thermique.

La fissuration de la surface de la matrice et le défaut qui en résulte sur les surfaces de la pièce sont généralement appelés contrôle thermique. Lorsque le métal liquide chaud est injecté dans la matrice, il frappe certaines surfaces de la matrice avant d’autres. Ces zones de la filière chauffent plus que leur environnement, et subissent une dilatation et une contraction thermiques plus importantes à chaque tir d’aluminium fondu. Ces cycles provoquent des fissures et des dommages au fil du temps. La cause est thermique, d’où le nom. La réparation est possible en polissant les surfaces fissurées de la matrice, ou en soudant du métal frais sur la matrice et en meulant de nouveau au profil d’origine. Cependant, une telle réparation ne traite pas la cause fondamentale et le contrôle thermique se reproduira au fur et à mesure qu’il accumule d’autres coups.

Contrôle thermique tel qu’il apparaît sur une matrice de coulée. La matrice est faite d’acier à outils spécial pour résister aux températures et pressions immenses du processus de coulée.

Les piqûres de la filière ont tendance à être causées par la cavitation. Lorsque le métal chaud pénètre dans la filière à grande vitesse, de minuscules bulles ou poches de vide peuvent se former puis s’effondrer. Cela se produit dans des zones spécifiques en raison de la nature de l’écoulement de fluide à travers la cavité de la filière. Généralement, c’est dans une région où la direction d’écoulement change ou rencontre une obstruction, et une zone à basse pression est entourée de métal liquide à haute pression. Lorsque la pression augmente autour de la bulle basse pression, elle finit par s’effondrer. La bulle qui s’effondre peut générer une onde de choc intense et des températures élevées localisées, endommageant la surface de la matrice. Cela commence au niveau microscopique, mais avec le temps, les dégâts augmentent et les fosses se creusent plus profondément à mesure que le nombre de tirs effectués sur le dé augmente. Semblable au contrôle thermique, les dommages peuvent être réparés en soudant du métal frais pour remplir la zone piquée. Mais sans une nouvelle conception de la géométrie de la matrice pour réduire le problème de cavitation, ce n’est pas une solution permanente et les dommages se reproduiront.

Les dommages aux matrices évidents sur notre boîtier de transmission fini sont compréhensibles dans le contexte. La transmission 01M a été utilisée dans une multitude de véhicules Volkswagen dans les années 1990 et au début des années 2000, aboutissant à des centaines de milliers, voire des millions de voitures. Volkswagen avait probablement plusieurs machines de coulée fonctionnant 24 heures sur 24 avec de nombreuses matrices à portée de main pour pomper les pièces nécessaires au fil des ans. Une certaine usure est à prévoir à ces niveaux de production élevés. Étant donné que les anomalies repérées se trouvaient dans un emplacement non fonctionnel, les ingénieurs auraient autorisé les pièces à s’écouler le long de la ligne tout en surveillant l’état de la matrice pour d’autres problèmes.

Espérons que cet article vous a appris un petit quelque chose sur la fabrication des pièces moulées sous pression à haute pression et vous permettra de montrer intelligemment à vos amis la prochaine fois que vous serez à la casse. Pour ceux qui s’intéressent au contrôle des processus, à la mécanique des fluides et à l’efficacité de la fabrication, le moulage sous pression peut être un domaine intéressant dans lequel travailler. Le monde aime les pièces en aluminium, donc les compétences que vous apprenez devraient vous servir dans le futur!

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