Fabriquer des engrenages avec la précision et la qualité requises est un défi complexe. Sans les processus appropriés, vos engrenages peuvent tomber en panne prématurément ou ne pas fonctionner comme prévu.
Choisir le mauvais processus de fabrication d’engrenages peut entraîner une augmentation des coûts, des retards et des clients mécontents.
Dans cet article, nous allons détailler les principaux processus de fabrication d'engrenages, notamment le formage, l'usinage, la finition et le traitement thermique. Vous découvrirez les avantages et les inconvénients de techniques telles que le taillage par fraisage par rapport au façonnage, la cémentation par rapport au revenu, et bien plus encore.
Formation d'engrenages
Casting
Lors de la coulée, le métal en fusion est versé dans une cavité de moule qui définit la forme de l'engrenage. Diverses techniques de coulée telles que la coulée au sable, la coulée à la cire perdue et la coulée sous pression peuvent produire des engrenages de forme quasi nette. La coulée permet de former des formes complexes, mais la précision dimensionnelle et la finition de surface sont généralement inférieures à celles des procédés d'usinage.
Forger
Le forgeage consiste à déformer plastiquement des ébauches métalliques chauffées à l'aide d'une pression élevée dans des matrices. Le processus de forgeage peut être effectué dans des matrices ouvertes ou fermées, ces dernières offrant un meilleur contrôle dimensionnel. Les engrenages forgés ont une microstructure à grains fins avec une résistance et une ténacité supérieures à celles des engrenages moulés. Un usinage supplémentaire est souvent nécessaire après le forgeage pour obtenir la géométrie et les tolérances finales de l'engrenage.
Extrusion
Lors du formage par extrusion, le métal est forcé à travers une ouverture de matrice pour créer un profil d'engrenage continu. Ce profil extrudé est ensuite découpé à la dimension requise. Largeur frontaleL'extrusion permet de produire efficacement des engrenages longs et fins, tels que des arbres cannelés. Elle permet d'obtenir un écoulement des grains favorable et d'éliminer les soudures transversales, ce qui confère au matériau une résistance élevée et des propriétés uniformes.
La métallurgie des poudres
La métallurgie des poudres (MP) consiste à compacter de la poudre métallique dans une matrice sous haute pression pour former un compact « vert », qui est ensuite fritté à des températures élevées pour lier les particules. La MP peut produire des engrenages de forme nette ou presque nette avec peu ou pas d'usinage. Elle permet d'utiliser des compositions d'alliage uniques et peut former des engrenages avec des moyeux ou des arbres intégrés. Les engrenages MP ont une bonne précision dimensionnelle et une bonne finition de surface, mais peuvent avoir une résistance inférieure à celle des engrenages forgés.
Usinage d'engrenages
Les procédés d'usinage d'engrenages découpent le profil des dents d'un engrenage brut afin d'obtenir la géométrie, les dimensions et la qualité de surface requises. L'usinage peut produire des engrenages externes ou engrenages internes, cannelures, crémaillères et autres types d'engrenages en matériaux métalliques ou non métalliques.
Génération d'engrenages vs. coupe de forme
Génération d'engrenages
Dans les processus de génération, le profil des dents de l'engrenage est progressivement généré par un mouvement relatif entre l'outil et la pièce à usiner qui simule l'action d'engrènement d'une paire d'engrenages. L'outil a un profil spécialement conçu qui correspond à l'espace entre les dents de l'engrenage. Lorsque l'outil tourne et se déplace par rapport à la pièce à usiner, il coupe progressivement toute la profondeur de l'espace entre les dents. Le taillage et le façonnage sont des exemples de processus de génération. La génération peut produire des engrenages externes et internes, généralement avec des profils en développante.
Coupe de forme d'engrenage
Les procédés de découpe de forme utilisent un outil dont le profil correspond à la géométrie complète de l'espace entre les dents. L'outil est introduit de manière linéaire dans la pièce pour couper toute la profondeur de dent en un seul passage, sans aucune rotation entre l'outil et la pièce. Le brochage et certaines opérations de fraisage sont des exemples de découpe de forme. La découpe de forme convient aux profils d'engrenages à développante et non développante, et peut produire des engrenages externes ou internes.
Procédés courants d'usinage d'engrenages
Taillage
Le taillage par fraisage est l'un des procédés de fabrication d'engrenages les plus utilisés, en particulier pour les engrenages cylindriques. Lors du taillage par fraisage, une fraise-mère (outil de coupe) est introduite sur toute la largeur de la face d'une ébauche d'engrenage tandis que la fraise-mère et l'ébauche tournent dans un mouvement synchronisé. La fraise-mère est dotée de dents de coupe hélicoïdales qui génèrent progressivement le profil des dents de l'engrenage et s'enfoncent sur la pièce à chaque passage. Le taillage par fraisage permet de produire des engrenages externes et internes avec une grande précision et une grande efficacité.
Façonner
Le taillage des engrenages utilise une fraise à pignon alternatif pour générer les dents. La fraise, une crémaillère montée sur un coulisseau, usine l'ébauche de l'engrenage grâce à un mouvement de va-et-vient linéaire du coulisseau. Simultanément, la pièce tourne pour permettre à la fraise de créer le profil complet des dents de l'engrenage. Le taillage est adapté aux applications extérieures comme intérieures. engrenages droits et hélicoïdaux, en particulier pour les grands diamètres et les pas grossiers difficiles à tailler.
brocher
Le brochage est un procédé d'usinage qui utilise un outil de coupe long et à plusieurs dents appelé broche pour enlever de la matière en un seul passage. Pour les engrenages, le brochage est principalement utilisé pour couper des cannelures internes ou des dents d'engrenage. La broche est tirée ou poussée à travers le trou pré-usiné dans l'ébauche d'engrenage, chaque dent de la broche coupant progressivement le profil de l'engrenage. Le brochage offre une productivité et une régularité élevées, mais est limité aux géométries d'engrenages plus simples.
Fraisage
Le fraisage d'engrenages consiste à utiliser une fraise à dents multiples pour usiner les dents de l'engrenage. La fraise, dont le profil correspond à l'espace entre les dents de l'engrenage, tourne lorsqu'elle est introduite sur la face de l'ébauche d'engrenage. L'indexation est utilisée pour faire tourner l'ébauche jusqu'à la position correcte pour chaque espace entre les dents. Le fraisage est polyvalent et peut traiter des engrenages plus grands et des géométries de dents plus complexes que le taillage ou le façonnage. Cependant, il est généralement plus lent et moins économique pour la production en grande série.
Procédés de finition des engrenages
Meulage
La rectification des engrenages est un procédé d'usinage abrasif utilisé pour améliorer la précision des engrenages, la finition de surface et réduire le bruit. La rectification corrige les déformations dues au traitement thermique et élimine les entailles ou les bavures. Les deux principales méthodes sont la rectification de forme, qui utilise une meule profilée pour rectifier la forme de la dent en une seule fois, et la rectification par génération, où la meule traverse l'ébauche d'engrenage en rotation pour générer le profil de la dent. La rectification est essentielle pour les engrenages de précision utilisés dans les applications exigeantes.
Rodage
Le rodage est un procédé d'abrasion à basse vitesse et basse pression qui améliore la finition de surface et élimine les imperfections mineures des dents d'engrenage. L'engrenage est entraîné en prise avec un engrenage principal ou un composé de rodage à basse vitesse pour polir les surfaces des dents. Le rodage peut corriger de petites erreurs dans le profil, l'espacement et le pas des dents. Il est souvent utilisé après le traitement thermique pour obtenir la qualité de surface requise et réduire le bruit des engrenages.
Honing
Le rodage des engrenages est un procédé de finition de précision qui utilise des pierres ou des anneaux abrasifs pour améliorer la finition de surface, éliminer les entailles ou les bavures et corriger les irrégularités mineures du profil des dents. L'outil de rodage est utilisé en prise avec l'engrenage rotatif à basse vitesse et sous une légère pression. Le rodage est similaire au rodage mais utilise des abrasifs fixes au lieu de composés libres. Il est couramment utilisé pour obtenir des surfaces très lisses et des tolérances serrées.
Rasage
Le rasage est une opération de finition d'engrenage par décolletage qui consiste à enlever une petite quantité de matière pour améliorer la précision des dents et la finition de surface. Une fraise à raser trempée et rectifiée, semblable à une crémaillère, est entraînée en prise avec l'ébauche d'engrenage en rotation sous une légère pression. La fraise est dotée de dents dentelées qui cisaillent une fine couche de métal, corrigeant ainsi les erreurs d'espacement des dents, d'avance et de profil. Le rasage est souvent effectué après le traitement thermique mais avant le meulage.
Brûlant
Le brunissage est un procédé de finition de surface par travail à froid qui utilise des rouleaux ou des engrenages trempés pour comprimer et lisser les surfaces des dents d'un engrenage plus tendre. Comme l'outil de brunissage et l'engrenage fonctionnent en prise, la pression de contact élevée déforme plastiquement les irrégularités de surface, améliorant ainsi la finition de surface et la durabilité. Le brunissage confère également des contraintes de compression résiduelles qui améliorent la résistance à la fatigue. Il est couramment utilisé sur les engrenages non ferreux ou cémentés.
Processus de traitement thermique
Carburation
La cémentation est un traitement thermique de durcissement par cémentation qui diffuse le carbone dans les couches superficielles des engrenages en acier à faible teneur en carbone. Les engrenages sont chauffés dans un environnement riche en carbone, ce qui permet au carbone d'être absorbé par la surface. Après la trempe, la couche superficielle à haute teneur en carbone se transforme en martensite dure et résistante à l'usure, tandis que le noyau à faible teneur en carbone reste résistant et ductile. La cémentation améliore la résistance, la durabilité et la résistance à la fatigue des engrenages.
Durcissement
Le durcissement est un procédé de traitement thermique qui augmente la dureté et la résistance des engrenages en acier. Les engrenages sont chauffés à une température spécifique (température d'austénitisation) puis refroidis rapidement, généralement dans de l'huile ou de l'eau. Cela transforme la microstructure en martensite dure. Le durcissement est essentiel pour que les engrenages résistent aux contraintes élevées et à l'usure. Cependant, il peut également provoquer des déformations qui peuvent nécessiter des processus de finition après durcissement.
Trempe
La trempe est un traitement thermique appliqué après la trempe pour soulager les contraintes internes, augmenter la ténacité et réduire la fragilité. Les engrenages trempés sont réchauffés à une température spécifique inférieure au point critique, maintenus pendant un certain temps, puis refroidis. La trempe permet à une quantité contrôlée de martensite de se transformer en martensite revenue, qui présente un meilleur équilibre entre dureté et ténacité.
