10 types de procédés d'usinage de précision des arbres : Tout ce que vous devez savoir

Les arbres sont sans doute l'un des composants les plus fondamentaux de la mécanique, servant d'épine dorsale rotative pour la transmission de puissance, le contrôle du mouvement et le support structurel dans pratiquement toutes les machines, des moteurs électriques miniatures aux turbines industrielles massives. La fonction d'un arbre – qu'il s'agisse d'un arbre de transmission, d'un essieu, d'une broche ou d'un rotor – exige une précision exceptionnelle en termes de concentricité, de rectitude, de finition de surface et de tolérances dimensionnelles serrées. Atteindre ce niveau de précision nécessite des procédés d'usinage spécialisés et souvent complexes.

L'usinage de précision des arbres n'est pas une seule opération, mais une séquence intégrée de techniques d'enlèvement de métal et de finition. Cet article détaille dix procédés critiques impliqués dans la fabrication d'arbres de haute précision, couvrant le cycle de vie, de la préparation des matières premières à l'amélioration finale de la surface.

1. Tournage (Usinage au tour)

Le tournage est le procédé fondamental pour presque tous les arbres. Dans le tournage, la pièce (l'ébauche d'arbre) tourne tandis qu'un outil de coupe à point unique se déplace linéairement le long de son axe. Cette opération est utilisée pour réduire le diamètre, créer des épaulements, des gradins, des cônes et contourner la géométrie de base de l'arbre.

Concentration sur la précision : Les tours et centres de tournage CNC modernes offrent une grande précision, maintenant souvent des tolérances de $pm 0.0005$ pouces ($pm 0.013 text{ mm}$). Le tournage de haute précision utilise des inserts spécialisés et un amortissement des vibrations pour garantir une excellente finition de surface et une précision de diamètre réelle avant les procédés suivants.

2. Fraisage (Rainures de clavettes et plats)

Alors que le tournage définit la symétrie de rotation de l'arbre, le fraisage est utilisé pour créer des caractéristiques non symétriques cruciales pour le transfert de puissance et le montage. Ces caractéristiques comprennent les rainures de clavettes (fentes pour les clavettes afin de bloquer des composants tels que des engrenages ou des poulies), les cannelures (rainures imbriquées pour le transfert de couple élevé) et les surfaces planes pour le montage ou l'application de clés.

Concentration sur la précision : Les centres de fraisage CNC garantissent que la rainure de clavette ou le plat est parfaitement aligné avec l'axe de rotation de l'arbre, maintenant la perpendicularité et contrôlant la profondeur et la largeur avec des tolérances serrées pour un accouplement de composants sûr et sans oscillation.

3. Perçage et taraudage (Trous traversants et filetages)

Les arbres nécessitent souvent des trous traversants pour la lubrification, les goupilles de montage ou des caractéristiques internes pour le refroidissement ou la réduction de poids. Le taraudage est le procédé de coupe de filetages internes dans ces trous.

Concentration sur la précision : Pour les arbres de précision, les trous traversants doivent être percés perpendiculairement à l'axe et positionnés avec précision. Le taraudage doit répondre à des classes de filetage spécifiques (par exemple, $3A$ ou $4H$) pour assurer une fixation fiable ou une étanchéité aux fluides, nécessitant souvent des techniques de taraudage rigide ou de fraisage de filetage.

4. Rectification (Surface et cylindrique)

La rectification est généralement le procédé le plus critique pour obtenir la précision géométrique et la finition de surface finales. Elle utilise une meule abrasive pour enlever de très petites quantités de matière de la surface de l'arbre.

• Rectification cylindrique : L'arbre est mis en rotation tandis qu'une meule à grande vitesse se déplace sur sa surface, utilisée pour la finition du diamètre extérieur (OD) et la création de diamètres, de rectitude et de concentricité exceptionnellement précis.

• Rectification sans centre : L'arbre est supporté par une lame de support de pièce et régulé par une meule de contrôle, éliminant le besoin de centres. Ceci est très efficace pour la production en grand volume d'arbres extrêmement droits et à tolérances serrées.

Concentration sur la précision : La rectification peut atteindre des finitions de surface aussi fines que $0.8 text{ Ra}$ ou mieux et des tolérances dimensionnelles allant jusqu'à $pm 0.0001$ pouces ($pm 0.0025 text{ mm}$), essentielles pour les portées de roulements et les surfaces d'étanchéité.

5. Rodage et honage

Ce sont des procédés de super-finition utilisés après la rectification pour améliorer davantage la texture de surface et la forme géométrique des surfaces de roulement critiques.

• Rodage : Utilise une suspension abrasive en vrac entre l'arbre et un lap rotatif pour obtenir des finitions de surface ultra-fines et éliminer les micro-rayures laissées par la rectification.

• Honnage : Principalement utilisé pour les alésages internes, mais peut être appliqué à certaines caractéristiques cylindriques externes pour assurer un motif de quadrillage spécifique, ce qui est vital pour la rétention d'huile sur les pièces en mouvement.

Concentration sur la précision : Ces méthodes sont utilisées lorsque les exigences de rugosité de surface sont de l'ordre du nanomètre, ce qui est essentiel pour les composants hydrauliques et les roulements à grande vitesse.

6. Équilibrage

Les arbres à grande vitesse, tels que ceux des moteurs à réaction, des rotors ou des broches à grande vitesse, doivent être équilibrés dynamiquement. Tout léger déséquilibre peut provoquer de fortes vibrations, une usure prématurée des roulements et une défaillance structurelle.

Concentration sur la précision : L'équilibrage dynamique implique de faire tourner l'arbre fini à grande vitesse et de mesurer les forces vibratoires. De petites quantités de matière sont ensuite stratégiquement enlevées (ou ajoutées, moins fréquemment) pour aligner le centre de gravité avec l'axe de rotation, assurant un fonctionnement en douceur aux vitesses de fonctionnement.

7. Traitement thermique

Le traitement thermique n'est pas un procédé d'enlèvement, mais une étape essentielle pour modifier les propriétés du matériau en fonction de son environnement de fonctionnement. Les procédés comprennent la trempe (par exemple, la trempe et le revenu) pour augmenter la résistance et la résistance à l'usure, ou le recuit pour améliorer l'usinabilité.

Concentration sur la précision : La trempe provoque souvent de légers changements dimensionnels (déformation). Par conséquent, les arbres de précision sont généralement ébauchés, traités thermiquement, puis finis/rectifiés aux dimensions finales pour compenser la déformation thermique. La cémentation (par exemple, la carburation) est souvent utilisée pour créer une surface dure et résistante à l'usure tout en maintenant un cœur résistant et ductile.

8. Revêtement dur et placage

Pour améliorer la résistance à l'usure, la résistance à la corrosion ou les propriétés de frottement, les arbres peuvent subir des procédés de dépôt de surface.

• Chromage dur : Appliqué pour créer une surface très dure, à faible frottement et résistante à la corrosion, couramment utilisé sur les tiges de vérins hydrauliques.

• Placage au nickel : Offre une excellente protection contre la corrosion.

• Projection thermique (par exemple, revêtements céramiques ou métalliques) : Utilisée pour déposer des matériaux spécialisés pour une usure extrême ou des barrières thermiques.

Concentration sur la précision : Ces procédés doivent être étroitement contrôlés, car l'épaisseur de la couche déposée (qui peut être de l'ordre du micron) affecte le diamètre final de l'arbre. Une rectification ultérieure est souvent nécessaire pour ramener l'arbre plaqué dans la tolérance.

9. Redressage

Les contraintes résiduelles introduites pendant l'usinage, le traitement thermique ou même le processus de forgeage peuvent faire gauchir un arbre ou lui faire perdre sa rectitude (faux-rond).

Concentration sur la précision : Le redressage est une opération manuelle ou à la presse hydraulique utilisée pour corriger les erreurs de faux-rond minimes. Cela nécessite une grande compétence et repose souvent sur des outils de mesure de précision tels que des comparateurs sur des blocs en V pour garantir que le faux-rond sur la longueur de l'arbre est minimisé dans les limites acceptables.

10. Essais non destructifs (END) et inspection

Bien qu'il ne s'agisse pas d'un procédé d'usinage, l'inspection finale est essentielle pour garantir que l'arbre répond à toutes les exigences de précision et ne présente aucun défaut interne. Les techniques comprennent :

• Contrôle par magnétoscopie (MPI) : Pour détecter les fissures de surface et de subsurface, en particulier sur les arbres ferreux.

• Contrôle par ultrasons (UT) : Pour détecter les défauts internes, les vides ou les inclusions dans la structure du matériau.

• Machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) : Utilisée pour vérifier la géométrie complexe, les emplacements des trous et les tolérances dimensionnelles avec une grande précision.

Concentration sur la précision : Le point culminant de la précision est la capacité de mesurer et de prouver avec précision la qualité. Les procédés d'inspection confirment que la forme, l'ajustement et la fonction finales de l'arbre sont conformes aux spécifications techniques définies avec précision.