Engrenages et sièges de roulements : la distorsion due au traitement thermique est le véritable ennemi de la précision

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15 juin 2009

Les tolérances sur un dessin d'engrenage sont des tolérances à l'état fini : profil, pas, cylindricité de l'alésage, faux-rond. Ce qui décide si ces objectifs peuvent être atteints, c'est la quantité de matériau qui reste à broyer après le traitement thermique – et la distorsion est invisible devant le four.

La précision des engrenages est la précision après traitement thermique

Les tolérances sur les engrenages et les portées de roulements sont précisées à l'état fini : tolérance de profil, tolérance de pas, cylindricité d'alésage, faux-rond. Ce qui décide réellement si ces valeurs peuvent être conservées, c'est la quantité de tolérance qui survit au traitement thermique pour le broyage. Lors de la cémentation et de la trempe, une pièce subit à la fois une transformation structurelle et des contraintes thermiques : des parois fines grossissent, des sections épaisses se contractent, des pièces asymétriques se plient. Rien de tout cela n’est visible devant le four.

Un alésage à haute tolérance n’est pas produit par une meilleure meuleuse ; il est produit par un processus qui savait jusqu'où l'alésage se déplacerait avant d'être meulé. La conception du processus pour les engrenages consiste donc à prévoir la distorsion et à attribuer des allocations. Les ateliers expérimentés créent une base de données de déformation par matériau, rapport d'épaisseur de paroi et modèle de chargement, puis compensent les dimensions de prétraitement thermique à l'envers. Les magasins sans ces données ne peuvent que laisser plus de marge et accepter des passes de meulage supplémentaires. Le coût augmente et une trop grande quantité de tolérance broie le boîtier carburé et diminue la dureté.

Trois sources de distorsion : matériau, géométrie et chargement

Le premier est matériel. Deux températures de la même qualité 20CrMnTi peuvent différer suffisamment en termes de largeur de bande de trempabilité pour modifier la distorsion de trente pour cent. Une bonne pratique consiste à exiger un rapport de bande de trempabilité de la part de l'usine et à sélectionner vers le milieu inférieur de la bande.

Le deuxième est la géométrie : une épaisseur de paroi inégale, une rainure de clavette décalée, des trous asymétriques dans l'âme produisent tous un refroidissement inégal pendant la trempe. Ceux-ci doivent être soulevés au stade du dessin : la conception pour la révision de la fabrication peut souvent convertir une caractéristique asymétrique en une caractéristique symétrique ou ajouter une nervure de processus. Le troisième est le chargement : le dispositif détermine le champ d'écoulement de trempe, la vitesse de refroidissement diffère entre le centre et le bord du panier, et les pièces soumises à la même charge peuvent se déformer dans des directions opposées.

L'allocation de broyage est calculée, pas devinée

Trop peu de tolérance et la distorsion ne peuvent pas être nettoyées, laissant une peau noire après le meulage. Trop de temps de broyage et de coûts grimpent alors que le carter carburé risque d'être coupé. Une tolérance correcte est égale à la distorsion attendue plus l'enlèvement de matière plus un facteur de sécurité, et la distorsion attendue doit provenir d'une mesure et non d'un manuel.

La solution pratique consiste à effectuer une validation du processus : charger dix pièces en un seul cycle, mesurer la distribution granulométrique avant et après, en déduire le décalage moyen et l'écart type, puis définir la tolérance. En production, échantillonner par lot et tracer la répartition sur une carte de contrôle ; un changement dans la moyenne signifie que le four ou le matériau a changé. Rien de tout cela n’est nouveau, mais peu d’ateliers le font correctement – ​​c’est exactement la partie d’un service d’usinage personnalisé la plus difficile à remplacer.

Cohérence des lots : une bonne pièce ne prouve rien

La défaillance caractéristique des engrenages n'est pas due à une seule pièce hors tolérance mais à une dispersion de lots. Une pièce mesure à une tolérance moyenne, mais dans un lot, une extrémité dérive - généralement la somme de la croissance thermique, de l'usure de l'outil et de l'usure des fixations. Après quatre heures d'usinage continu, la croissance thermique de la broche peut atteindre des dizaines de microns, suffisamment pour consommer toute la bande de tolérance.

Le contrôle comporte trois niveaux : confirmation du premier article, échantillonnage en cours de fabrication, vérification du dernier article ; plus un échauffement thermique avant la production et une gestion de la durée de vie des outils par longueur de coupe plutôt que par casse. Pour les sièges de roulement classés IT6, l'incertitude de mesure elle-même doit être prise en compte : une différence de deux degrés entre le calibre et la pièce à usiner suffit pour lire une erreur d'un micron sur un alésage de cinquante millimètres.

Ajustement des engrenages et des roulements : deux pièces, un problème

L'ajustement entre un arbre de transmission et son roulement est décidé conjointement : tolérance de l'arbre, tolérance de la bague intérieure du roulement et rondeur des deux. L'erreur courante consiste à surveiller uniquement les dimensions de l'arbre et à ignorer la rondeur et la rugosité de la surface. Lors de la même interférence, un arbre avec une mauvaise rondeur déforme la bague intérieure en une ellipse, le jeu des roulements change, et le bruit et l'augmentation de la température s'ensuivent.

Il est donc préférable que des pièces comme celles-ci soient usinées par un seul fournisseur, ou au moins dans un seul système de référence. Réparti entre deux ateliers, il est très courant que chacun réussisse l'inspection et que l'assemblage échoue. Une question directe fonctionne bien dans l'évaluation des fournisseurs : l'engrenage et le siège de roulement sont-ils usinés avec le même serrage sur la même machine ?

Inspection : une MMT ne peut pas mesurer la forme des dents

La précision des engrenages ne peut pas être assurée par une MMT seule. Une MMT mesure la taille de l'alésage, le faux-rond et la position de la rainure de clavette, mais les tolérances de profil et de pas nécessitent un sondage continu le long de la développante, ce qui nécessite un centre de mesure des engrenages ou un testeur de développante dédié. De nombreuses citations promettent une inspection complète de la MMT alors que la forme de la dent n’a jamais été réellement vérifiée.

C'est une source courante de litiges d'acceptation : la pièce transmet les données du CMM et continue de gémir lorsqu'elle entre dans le boîtier. La cause peut être un bombage du profil, une déviation de l’angle d’hélice ou une erreur de pas accumulée, et aucun de ces éléments ne figure dans une routine MMT standard.

Un plan d’acceptation réalisable est constitué de plusieurs niveaux. Le premier article contient un rapport complet du centre de mesure des engrenages couvrant le profil, l'avance, le pas et le faux-rond. Les cycles de production utilisent une inspection composite à double flanc comme écran rapide, avec un échantillonnage périodique au centre de mesure. Les machines à double flanc sont bon marché et suffisamment rapides pour une inspection à cent pour cent, mais elles ne montrent qu'une erreur composite et ne peuvent pas dire quel élément est absent, les deux méthodes doivent donc fonctionner ensemble.

Une mise en garde concernant la mesure elle-même : un centre de mesure d'engrenages est plus sensible à l'étalonnage et à la température qu'une MMT, et vingt degrés plus ou moins un constituent la ligne de base. L'examen du journal de température de la salle de métrologie lors d'un audit vous en dit plus que la plaque signalétique de la machine.

Quatre questions pour un acheteur

Premièrement, la cémentation et la trempe sont-elles effectuées en interne ou sous-traitées, et si elles sont sous-traitées, le traitement thermique détient-il le CQI-9 ? Deuxièmement, les données de distorsion mesurées peuvent-elles être fournies, avec une moyenne et un écart type regroupés par matériau et épaisseur de paroi ? Troisièmement, comment la tolérance de broyage est-elle définie et un cycle de validation a-t-il été effectué ? Quatrièmement, comment la cohérence des lots est-elle assurée ? Existe-t-il une gestion du SPC et de la durée de vie des outils ?

Peu de fournisseurs répondent clairement à ces quatre questions, mais ceux qui le font proposent généralement des offres réalistes, car ils savent qu'ils ne perdront pas d'argent en ferraille. Lors de la présélection d'une usine d'usinage de précision en Chine ou d'un fabricant chinois de pièces CNC, utilisez la capacité de traitement thermique comme premier filtre ; cela vous en dit bien plus qu’une liste d’équipement.