A shaleine est une pièce mécanique utilisée pour transférer un couple, un mouvement de rotation ou une force linéaire d'une pièce de machine à une autre. On les trouve le plus souvent dans les moteurs, les boîtes de vitesses, les pompes et d'autres machines industrielles. Les arbres supportent non seulement les pièces rotatives, mais ils sont également responsables de la transmission de l'énergie au sein du système.
Bien que la géométrie des arbres paraisse simple, leur précision est d'une grande importance pour leurs performances globales. Même des écarts minimes de faux-rond, de concentricité ou d'état de surface peuvent provoquer des vibrations, conduire à une défaillance précoce du roulement et entraîner le rejet de la pièce en production.
Si vous souhaitez concevoir, approvisionner ou usiner des arbres de précision, il est bon de savoir ce qu'il faut faire pour fabriquer des arbres robustes pour diverses applications. Dans ce guide, vous apprendrez :
- Qu'est-ce que l'usinage CNC des arbres ?
- Types d'arbres CNC sur mesure et leurs exigences en matière d'usinage
- Matériaux, tolérances et normes de finition de surface
- Problèmes d'usinage courants et comment les éviter
Qu'est-ce que l'usinage d'arbres sur mesure ?
L'usinage CNC d'arbres sur mesure est l'utilisation d'une machine à commande numérique. Machine CNC pour fabriquer des composants cylindriques qui transmettent un couple, un mouvement de rotation ou une force linéaire entre les éléments d'une machine.
Ce qui différencie un arbre des autres pièces cylindriques est son le rapport longueur/diamètre (L/D). Par exemple, un cylindre court est une douille ou une entretoise, mais lorsque le rapport L/D dépasse environ 3:1, la pièce se comporte comme un arbre sous charge.
Les arbres sont généralement classés en rigide (L/D inférieur à 15) et sprêteur (L/D supérieur à 25).
- Les arbres rigides s'usinent proprement sur un Tour CNC avec des configurations standard.
- Cependant, les arbres minces se plient sous l'effet des forces de coupe et de leur propre poids, de sorte que la trajectoire de l'outil, le maintien du travail et la stratégie de soutien doivent être bien définis dès le départ.
Types d'arbres usinés de précision sur mesure et exigences en matière d'usinage
Les différents types d'arbres nécessitent des combinaisons de processus différentes. Par exemple, un arbre droit est un travail de tournage CNC, tandis qu'un arbre cannelé nécessite un fraisage ou un brochage. D'autres types d'arbres, tels que les arbres de moteur, l'usinage des arbres longs, nécessitent également leurs propres processus, qui sont répertoriés dans le tableau ci-dessous avec l'exigence clé qui motive la décision d'usinage.
| Type d'arbre | Processus CNC primaire | Exigence clé | Application |
|---|---|---|---|
| Arbre droit | Tournage CNC | Tolérance sur le diamètre ±0,02 mm | Moteurs, réducteurs |
| Arbre étagé | Tournage et rectification CNC | Concentricité sur tous les diamètres | Ensembles de roulements, transmissions |
| Arbre cannelé | Fraisage CNC + brochage | Alignement des cannelures ±0,015mm | Transmissions automobiles, boîtes de vitesses |
| Arbre fileté | Fraisage de filets sur un tour CNC | Précision du pas ±0,025 mm | Vis à tête, actionneurs |
| Arbre de transmission | Tournage + équilibrage dynamique | Rectitude, équilibre vibratoire | Véhicules, systèmes d'entraînement industriels |
| Arbre du moteur | Tournage + rectification cylindrique | Sortie de route <0,01mm, Ra <0,4 micromètre | Moteurs électriques, pompes, servos |
Parmi tous ces types d'arbres, les plus exigeants sont les arbres de moteur et les arbres étagés. En effet, ces deux types d'arbres requièrent une concentricité sur plusieurs diamètres, maintenue à un niveau élevé. tolérances serrées.
Principaux procédés d'usinage pour la fabrication d'arbres
- Tournage CNC : C'est le point de départ de presque tous les arbres. Il produit le diamètre extérieur, les épaulements, les contre-dépouilles et la conicité.
- Fraisage CNC: Les caractéristiques telles que les rainures de clavette, les méplats, les cannelures et les trous transversaux ne peuvent pas être réalisées sur un tour. Elles nécessitent un centre d'usinage ou un tour à outil tournant. Par exemple, le fraisage de cannelures exige une indexation minutieuse pour maintenir les tolérances d'alignement que les applications de boîtes de vitesses et de transmissions exigent, comme le précise la norme AGMA 9003 sur les cannelures.
- Rectification cylindrique : Broyage est la dernière étape qui permet d'obtenir des tolérances serrées et un bon état de surface. Elle corrige également les variations dimensionnelles introduites par le traitement thermique. Par conséquent, si votre arbre comporte un siège de roulement ou une lèvre d'étanchéité, la rectification n'est pas facultative.
- EDM : Pour les alliages trempés ou les caractéristiques internes étroites que les outils conventionnels ne peuvent atteindre, EDM enlève la matière par décharge électrique sans effort de coupe. Cependant, ce procédé est plus lent et plus coûteux. Il est donc réservé aux caractéristiques qu'aucun autre procédé ne peut produire avec la tolérance requise.
Matériaux pour l'usinage CNC des arbres
Le droit matériau pour l'usinage CNC Le choix de l'arbre dépend de la charge qu'il supporte, de l'endroit où il passe et du poids de la pièce. Voici comment se présentent les principales options.
- Acier au carbone 1045: C'est le choix par défaut pour les arbres généraux tels que les boîtes de vitesses et les moteurs. En effet, il s'usine bien, présente une résistance moyenne et coûte moins cher.
- Acier allié 4140 / 4340 : Le meilleur choix pour les arbres de transmission et les arbres de moteur soumis à des cycles de charge ou de fatigue élevés. Ces qualités durcissent bien et supportent des contraintes beaucoup plus élevées sans défaillance. De plus, la limite d'élasticité du 4140 est de 655 MPa, ce qui est idéal pour fabriquer des arbres durables, plus rigides et plus résistants.
- Acier inoxydable 303 / 316: Le 303 s'usine plus facilement, tandis que le 316 offre une meilleure résistance à la corrosion. C'est pourquoi ils sont idéaux pour fabriquer des arbres pour les applications d'usinage CNC dans les secteurs de l'agroalimentaire, de la marine et de la médecine, où la corrosion est le facteur déterminant.
- Aluminium 6061 / 7075 : Utilisé pour fabriquer léger arbres en robotique et usinage CNC pour l'aérospatiale, Les arbres en acier peuvent être utilisés pour la fabrication de machines-outils, lorsque la réduction du poids l'emporte sur l'avantage de la résistance de l'acier. Bien qu'il soit rapide à usiner, il ne peut pas supporter les charges de couple que les arbres en acier supportent.
- Titane: Il permet de fabriquer des arbres pour l'aérospatiale et la médecine, où le poids et la corrosion sont importants. Cependant, il est difficile à usiner, nécessite des coûts d'usinage plus faibles et ne peut être utilisé que dans des conditions d'hygiène et de sécurité optimales. avances et vitesses, et coûte plus cher que l'acier.
Tolérances des arbres CNC et état de surface
- Concentricité : Selon la norme ISO 1101, les tolérances géométriques telles que le faux-rond, la cylindricité et la concentricité sont essentielles pour les composants rotatifs tels que les arbres.
La tolérance de concentricité est plus critique sur un arbre rotatif que le diamètre seul. En d'autres termes, un arbre rond mais non concentrique par rapport à son alésage d'accouplement peut encore produire des vibrations, une répartition inégale de la charge et une fatigue précoce.
- Tolérance sur le diamètre : Assurez-vous que le processus que vous choisissez peut atteindre la tolérance du diamètre de l'arbre dont vous avez besoin. Par exemple, un tournage CNC peut atteindre ±0,01 à 0,02 mm, tandis que la rectification peut atteindre ±0,002 mm ou mieux.
Quoi qu'il en soit, la spécification des tolérances a des répercussions considérables sur les coûts. La principale règle de maîtrise des coûts consiste donc à ne spécifier des tolérances serrées que sur les éléments qui s'accouplent à un autre composant.
- Finition de la surface : Selon les normes DIN, l'état de surface et la dureté de l'arbre ont une incidence directe sur les performances d'étanchéité et la durée de vie. Par exemple, un joint surface a besoin de Ra inférieur à 0,4 μm pour éviter les fuites, tandis qu'un tourillon de roulement a besoin de Ra inférieur à 0,8 μm pour assurer une rotation régulière et une longue durée de vie.
Problèmes courants dans l'usinage des arbres et comment les éviter
Les arbres deviennent plus complexes à mesure que la longueur des pièces augmente et que les tolérances se resserrent. En outre, des problèmes peuvent survenir en raison d'une déviation, d'un maintien instable de la pièce et de changements dimensionnels après le traitement thermique.
Déflexion sur les arbres
Lorsque le rapport L/D est supérieur à 15, les forces de coupe éloignent l'arbre de l'outil à mi-portée. Il en résulte un profil en tonneau, où le diamètre central est plus grand que les extrémités, ou un cône si la déviation n'est pas symétrique.
- Comment résoudre le problème : Vous pouvez l'identifier à l'aide d'un balayage du comparateur après le tournage, avant la finition. Ensuite, vous le corrigez à l'aide de lunettes ou d'appuis pour soutenir l'arbre au point de coupe.
En outre, la réduction du rayon du nez de l'insert de tournage réoriente les forces plus axialement et réduit la composante radiale qui provoque la déflexion.
Erreurs de faux-rond et de concentricité
La plupart des ingénieurs pensent que le faux-rond est dû à l'imprécision de la machine. En pratique, le faux-rond est généralement dû à la tenue du travail, notamment à une pince de serrage encrassée, à un centre usé ou à une mâchoire de mandrin qui serre de manière irrégulière.
- Comment résoudre le problème : Pour les arbres longs ou de grande précision, tournez entre les centres pour contrôler le faux-rond. De plus, il faut toujours vérifier à l'aide d'un comparateur avant d'effectuer la passe de finition.
Distorsion due au traitement thermique
Si vous usinez la pièce à la taille finale avant le traitement thermique, la pièce sera hors tolérance à la sortie du four.
- Comment résoudre le problème : Ce problème peut être résolu en laissant une marge de meulage d'environ 0,1 à 0,3 mm sur le diamètre avant le traitement thermique.
Lignes directrices pour la conception de l'usinage de précision des arbres
Minimiser le rapport longueur/diamètre (L/D)
Concevoir l'arbre avec le rapport L/D le plus faible possible lorsque c'est possible sur le plan fonctionnel. Il est bien connu que les arbres courts et rigides sont moins susceptibles de dévier et de vibrer pendant l'usinage, ce qui a un impact direct sur l'amélioration de la concentricité, de la rectitude et de l'état de surface.
Un rapport L/D qui est très élevé (par exemple >10:1 ou 15:1) La complexité et le coût de l'usinage augmentent considérablement en raison de la nécessité d'effectuer de multiples paliers, des coupes plus légères et de nombreuses passes, en essayant de contrecarrer la pression de l'outil et l'affaissement induit par la gravité.
Incorporer des rayons et des filets généreux
Éviter angles internes aigus (rayon de 0,000″) aux changements de diamètre ou au fond des rainures. Les arêtes vives agissent comme des concentrateurs de contraintes, ce qui entraîne une réduction de la durée de vie de la pièce. Ils posent des difficultés de fabrication, car le processus de production devra dépendre de pièces spéciales, généralement délicates, outils qui non seulement s'usent rapidement mais sont également susceptibles de s'entrechoquer.
Au lieu de cela, spécifiez des rayons généreux ou des filets. Un rayon plus grand permet d'utiliser des plaquettes plus résistantes et plus durables et de créer des trajectoires d'outils plus fluides.
Spécifier judicieusement les tolérances critiques (GD&T)
Utilisation GD&T uniquement de manière sélective pour les pièces critiques pour la fonction (par exemple, les tourillons de roulement, les surfaces d'étanchéité, les caractéristiques d'accouplement) et libérez les tolérances pour le reste des pièces.
Conception du support de la pièce
Intégrer des caractéristiques qui facilitent un serrage et un soutien stables pendant l'usinage. Cela implique d'avoir une longueur suffisante pour le serrage, ainsi que des caractéristiques de perçage central aux deux extrémités pour le support de la contre-pointe ou de la lunette.
Comment choisir un fournisseur de services d'usinage d'arbres de précision ?
Lors de l'évaluation des fournisseurs d'arbres de précision, quatre capacités comptent plus que tout le reste de leur liste d'équipements.
- Capacité de rectification cylindrique : Tout d'abord, confirmez qu'ils disposent d'une capacité de rectification cylindrique. Le tournage CNC ne permet pas à lui seul d'atteindre les objectifs de finition de surface et de concentricité dont ont besoin les arbres de moteurs et les arbres de sièges de roulements.
- Mesures en cours : Vérifiez qu'ils mesurent la concentricité et le faux-rond en cours de fabrication, et pas seulement le diamètre final. Un fournisseur qui ne vérifie que la pièce finie détecte les erreurs après avoir consacré tout le temps nécessaire à l'usinage.
- L'expérience du rapport L/D de votre arbre : Un atelier qui usine régulièrement des arbres élancés disposera des lunettes de maintien, des lunettes de suivi et des connaissances en matière de réglage qui lui permettront d'éviter les problèmes de déflexion. En revanche, un atelier qui ne le fait pas ne produira pas de profils effilés ou cannelés sur les arbres dont le rapport L/D est supérieur.
- Certifications et normes : Confirmez la traçabilité des matériaux et la documentation relative au traitement thermique si votre arbre est destiné à une industrie réglementée. Par exemple, dans l'aérospatiale et les les applications médicales, Les certificats d'usine et les registres de traitement thermique sont des exigences d'audit que vous devez confirmer.
Conclusion
L'usinage CNC des arbres est simple pour les arbres rigides, courts et de géométrie simple. Cependant, il devient complexe lorsque le rapport L/D augmente, que la concentricité sur plusieurs diamètres est importante ou que le traitement thermique entre dans la séquence du processus. Et c'est là qu'un Fournisseurs de services d'usinage CNC qui se spécialisent dans l'usinage CNC des arbres.
Au FSFab, Nous usinons des arbres de précision dans toute une gamme de matériaux, de rapports L/D et de classes de tolérance, avec un contrôle en cours de fabrication et une capacité de rectification cylindrique. Nous veillons à ce que les arbres à commande numérique, tels que les arbres de transmission et les arbres de moteur, respectent une concentricité stricte au niveau des sièges de roulement et évitent les problèmes de faux-rond causés par un mauvais maintien au travail.
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FAQ
Les arbres d'entraînement transmettent le couple sur une certaine distance, tandis que les arbres de moteur transmettent le mouvement de rotation à l'intérieur d'un carter de moteur. En outre, les exigences clés pour les arbres de transmission sont la rectitude et l'équilibre dynamique afin d'éviter les vibrations à vitesse élevée, tandis que celles pour les arbres de moteur sont une concentricité serrée et un faible faux-rond, généralement inférieur à 0,01 mm TIR, au niveau des portées de roulements.
Les méthodes courantes d'usinage des arbres de précision comprennent le tournage CNC, le fraisage pour les rainures de clavette et les cannelures, la rectification cylindrique pour les tolérances serrées et la finition de surface, et l'électroérosion pour les matériaux trempés ou les caractéristiques complexes.
Les causes les plus courantes sont le faux-rond dû à des erreurs de serrage, la déflexion d'arbres longs ou minces qui crée un profil en tonneau ou conique, et les erreurs de concentricité au niveau des portées de roulements. Il s'agit de problèmes de configuration et de processus, et non de défaillances matérielles, de sorte qu'il est moins coûteux de les détecter au cours du processus qu'au moment de l'inspection finale.
Avec des centres de tournage CNC avancés et des techniques appropriées, les tolérances peuvent souvent être maintenues à ±0,0005 pouce (±0,0127 mm), voire plus serrées.
Références
- Organisation internationale de normalisation (ISO).
ISO 1101 : Spécifications géométriques des produits (GPS) - Tolérancement géométrique - Tolérances de forme, d'orientation, d'emplacement et de faux-rond. https://www.iso.org/standard/59718.html - Association américaine des fabricants d'engrenages (AGMA).
AGMA 915 - Inspection des engrenages cylindriques / Normes d'alignement des arbres. https://www.agma.org/standards/
Par Stephen Musau
Par Rafiq
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