Jeter un coup d'œil à l'intérieur d'une boîte de vitesses VW révèle des vérités sur le moulage sous pression

Récemment, on m'a offert une Volkswagen Golf 1997 pour le prix bas de la gratuité - en supposant que je puisse la transporter, car elle souffrait d'une transmission automatique complètement ennuyée. 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 dans le liquide de transmission jusqu'aux poignets, j'ai repéré quelque chose qui a attiré mon attention. Venez jeter un coup d'œil sur les détails de la fabrication de transmissions !

Avec le plateau de transmission tombé et le filtre retiré, j'avais une vue claire de l'intérieur du boîtier de transmission. En tant qu'ancien ingénieur fondeur, certains éléments de la pièce finie m'ont marqué. Diverses parties du boîtier comportaient de petites bosses et des protubérances – de gros boutons sur des surfaces autrement plates ou des bords arrondis lisses. Celles-ci étaient assorties de ce qui semblait être une série de fins motifs ressemblant à des fissures à la surface. Ces défauts sont la preuve d'imperfections à la surface de la matrice, suggérant que l'outillage est piqué et fissuré là où il devrait plutôt être lisse.

La zone affectée n'était pas une section usinée, agissant simplement comme un réservoir de fluide. Ainsi, les anomalies n'ont pas d'effet réel sur les performances de transmission. Cependant, leur présence nous renseigne un peu sur l'état de l'outillage utilisé par Volkswagen pour produire les pièces moulées. Une toute nouvelle matrice fraîchement sortie de l'outilleur ne produit généralement pas de pièces avec des fissures, des piqûres et des grumeaux évidents à la surface. La nature rugueuse du boîtier de transmission 01M de ma Golf de 1997 est la preuve que Volkswagen exécutait ses matrices de coulée jusqu'à des dizaines de milliers de tirs, peut-être même jusqu'à six chiffres. Compte tenu de la nature des caractéristiques, qui sont dues à la condition physique inhérente du dé, il ne s'agit pas d'un défaut ponctuel sur un moulage singulier. 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'il était peu probable qu'elles soient remarquées par le conducteur moyen qui ne démonte pas sa transmission pour perdre du temps le week-end. Des défauts similaires dans une zone visible ou fonctionnelle pourraient à la place être "corrigés", où les saillies incriminées sont meulées par un opérateur humain ou une machine.

Étant donné que les défauts ne causent 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, suivons un petit cours intensif sur le moulage sous pression d'aluminium à haute pression.

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

En injectant du métal en fusion sous haute pression, il réduit les problèmes causés par le retrait de l'aluminium lors de son refroidissement. Ce retrait peut provoquer des vides dans le produit final, appelés porosité de retrait. Maintenir la pression élevée garantit que les matrices sont entièrement remplies d'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 par un mécanisme de verrouillage spécial censé maintenir la matrice fermée et empêcher les fuites de métal autour des coutures où les deux se rencontrent. Bien sûr, si les matrices ne sont pas parfaitement plates ou alignées correctement, il arrive parfois que du métal s'échappe autour des coutures, ce que l'on appelle le flash, c'est-à-dire l'endroit où vous pouvez voir une petite ligne de séparation sur une pièce finie. Dans les cas extrêmes, un flash échappe entièrement au dé, et c'est très effrayant la première fois que cela se produit pendant votre quart de travail. En règle générale, les opérateurs de ligne rirent de bon cœur lorsque vous êtes surpris par le métal piquant.

De la même manière que nous suivons les kilomètres parcourus comme estimation de l'usure d'une automobile, les machines de moulage sous pression suivent le nombre de coups effectués. Chaque cycle de remplissage du piston, d'injection d'aluminium dans la matrice et de retrait de la pièce entraîne une usure de la machine et des matrices elles-mêmes. Les matrices pèsent plusieurs tonnes et sont fabriquées en acier à outils à haute résistance. Une matrice peut coûter plusieurs centaines de milliers de dollars à produire et doit donc s'amortir en produisant des dizaines de milliers de pièces. Les ingénieurs travaillent dur pour s'assurer 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 tirs avec un entretien et des réparations réguliers. Mais avec le temps, l'usure peut devenir trop importante et la matrice doit être remplacée. Il existe de nombreuses façons dont une matrice peut échouer à produire des pièces de qualité ; une analyse complète remplirait un manuel volumineux et dépasse le cadre de cet article. Examinons plutôt les causes des fissures, des lignes et des bosses que nous avons trouvées sur notre moulage Volkswagen 01M.

La fissuration de la surface de la matrice et le défaut résultant 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 matrice chauffent plus que leur environnement et subissent une plus grande dilatation et contraction thermiques 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 jusqu'au profil d'origine. Cependant, une telle réparation ne traite pas la cause profonde et le contrôle thermique se reproduira à mesure qu'il accumulera d'autres tirs.

La piqûre de la matrice a tendance à être causée par la cavitation. Lorsque le métal chaud s'écoule dans la matrice 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 matrice. En règle générale, c'est dans une région où la direction de l'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 à 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 s'approfondissent 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 leur contexte. La transmission 01M a été utilisée dans une multitude de véhicules Volkswagen dans les années 1990 et au début des années 2000, se retrouvant dans 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 couler le long de la ligne tout en surveillant l'état de la matrice pour d'autres problèmes.

J'espère 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 vous 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 acquérez devraient vous être utiles dans le futur !