Processus d'usinage des engrenages, paramètres de coupe et exigences en matière d'outillage si l'engrenage est trop dur à usiner et que l'efficacité d'usinage doit être améliorée

L'engrenage est l'élément de transmission de base principal dans l'industrie automobile. Chaque automobile possède généralement entre 18 et 30 dents. La qualité de l'engrenage influe directement sur le bruit, la stabilité et la durée de vie du véhicule. La machine-outil d'usinage d'engrenages est un système complexe et un équipement essentiel de l'industrie automobile. Les grandes puissances mondiales de la construction automobile, telles que les États-Unis, l'Allemagne et le Japon, sont également des acteurs majeurs dans la fabrication de ces machines-outils. Selon les statistiques, plus de 80 % des engrenages automobiles produits en Chine sont fabriqués avec des équipements nationaux. Parallèlement, l'industrie automobile consomme plus de 60 % des machines-outils d'usinage d'engrenages et restera toujours le principal consommateur de ces machines.

technologie de traitement des engrenages

1. Fonderie et fabrication d'ébauches

Le forgeage à chaud reste un procédé de fonderie d'ébauches largement utilisé pour les pièces d'engrenages automobiles. Ces dernières années, la technologie de laminage à chaud en coin a connu un essor considérable dans l'usinage d'arbres. Cette technologie est particulièrement adaptée à la fabrication d'ébauches pour les axes de portes complexes. Elle offre non seulement une haute précision et de faibles surépaisseurs d'usinage ultérieures, mais aussi une productivité élevée.

2. normalisation

Ce procédé vise à obtenir la dureté requise pour l'usinage ultérieur des engrenages et à préparer la microstructure en vue du traitement thermique final, afin de réduire efficacement les déformations dues à ce traitement. L'acier utilisé pour les engrenages est généralement du 20CrMnTi. En raison de l'influence importante du personnel, des équipements et de l'environnement, la vitesse et l'uniformité du refroidissement de la pièce sont difficiles à contrôler, ce qui entraîne une forte dispersion de la dureté et une structure métallographique hétérogène. Ces facteurs affectent directement l'usinage et le traitement thermique final, provoquant des déformations thermiques importantes et irrégulières ainsi qu'une qualité de pièce incontrôlable. C'est pourquoi un procédé de normalisation isotherme est adopté. L'expérience a démontré que la normalisation isotherme permet de pallier efficacement les inconvénients de la normalisation classique et garantit une qualité de produit stable et fiable.

3. tourner

Afin de répondre aux exigences de positionnement pour l'usinage de haute précision des engrenages, les ébauches sont toutes usinées sur des tours à commande numérique (CNC), avec un bridage mécanique sans réaffûtage de l'outil. L'usinage du diamètre intérieur, de la face d'extrémité et du diamètre extérieur est réalisé simultanément en une seule opération de bridage, ce qui garantit non seulement la verticalité du diamètre intérieur et de la face d'extrémité, mais aussi la faible dispersion dimensionnelle des ébauches. Ainsi, la précision des ébauches est améliorée et la qualité d'usinage des engrenages est assurée. De plus, la haute efficacité de l'usinage sur tours à commande numérique permet de réduire considérablement le nombre de machines nécessaires et de réaliser des économies substantielles.

4. Taillage par fraise-mère et façonnage d'engrenages

Les machines à tailler les engrenages classiques et les machines à tailler les engrenages sont encore largement utilisées pour l'usinage des engrenages. Bien que faciles à régler et à entretenir, leur productivité reste faible. Pour les grandes séries, plusieurs machines doivent être utilisées simultanément. Grâce aux progrès de la technologie de revêtement, le resurfaçage des fraises et des plongeurs après rectification est grandement facilité. La durée de vie des outils revêtus s'en trouve considérablement améliorée, généralement de plus de 90 %, ce qui réduit efficacement la fréquence des changements d'outils et le temps de rectification, offrant ainsi des avantages significatifs.

5. rasage

La technologie de taillage radial est largement utilisée dans la production en série d'engrenages automobiles en raison de son rendement élevé et de sa capacité à s'adapter facilement aux exigences de modification du profil et de l'orientation des dents. Depuis l'acquisition, en 1995, d'une machine spéciale de taillage radial auprès d'une entreprise italienne pour moderniser ses techniques, l'entreprise maîtrise parfaitement cette technologie et la qualité d'usinage est stable et fiable.

6. Traitement thermique

Les engrenages automobiles nécessitent une cémentation et une trempe pour garantir leurs bonnes propriétés mécaniques. Un équipement de traitement thermique stable et fiable est essentiel pour les produits qui ne sont plus soumis à la rectification après traitement thermique. L'entreprise a mis en place la ligne de production continue de cémentation et de trempe de German Lloyd's, qui a permis d'obtenir des résultats de traitement thermique satisfaisants.

7. broyage

Il est principalement utilisé pour la finition de l'alésage intérieur, de la face d'extrémité, du diamètre extérieur de l'arbre et d'autres pièces d'engrenages traitées thermiquement afin d'améliorer la précision dimensionnelle et de réduire la tolérance géométrique.

L'usinage des engrenages utilise un dispositif de positionnement et de serrage à cercle primitif, ce qui permet de garantir efficacement la précision d'usinage de la dent et la référence d'installation, et d'obtenir une qualité de produit satisfaisante.

8. finition

Il s'agit de contrôler et d'éliminer les aspérités et les bavures des engrenages de la transmission et du pont moteur avant l'assemblage, afin de prévenir les bruits parasites et les anomalies qu'ils pourraient engendrer après montage. Le bruit est contrôlé lors de l'engagement d'une seule paire d'engrenages ou l'écart d'engagement est observé sur un banc d'essai complet. Les carters de transmission produits par le fabricant comprennent les carters d'embrayage, de boîte de vitesses et de différentiel. Les carters d'embrayage et de boîte de vitesses sont des pièces porteuses, généralement fabriquées en alliage d'aluminium moulé sous pression par un procédé spécial. Leur forme est irrégulière et complexe. Le processus de fabrication comprend généralement les étapes suivantes : fraisage de la surface de jonction → usinage des trous d'assemblage et de liaison → ébauche des trous de palier → finition des trous de palier et des trous de centrage → nettoyage → contrôle d'étanchéité.

Paramètres et exigences des outils de taillage d'engrenages

Les engrenages subissent d'importantes déformations après cémentation et trempe. En particulier pour les grandes roues dentées, la déformation dimensionnelle de la couronne extérieure et de l'alésage après cémentation et trempe est généralement très importante. Or, jusqu'à présent, aucun outil adapté n'existait pour le tournage de la couronne extérieure d'une roue dentée cémentée et trempée. L'outil BN-H20, développé par « Valin Superhard » pour le tournage intermittent intensif d'acier trempé, a permis de corriger la déformation de la couronne extérieure, de l'alésage et de la face d'extrémité des engrenages cémentés et trempés, et a ainsi permis de trouver un outil de coupe intermittent performant. Il s'agit d'une avancée majeure à l'échelle mondiale dans le domaine de la coupe intermittente avec des outils ultra-durs.

Déformation lors de la cémentation et de la trempe des engrenages : la déformation lors de la cémentation et de la trempe des engrenages est principalement due à l’action combinée des contraintes résiduelles générées lors de l’usinage, des contraintes thermiques et structurelles générées lors du traitement thermique, et de la déformation due au poids propre de la pièce. En particulier pour les grandes couronnes et les engrenages, la déformation est accrue après cémentation et trempe en raison de leur module d’élasticité élevé, de la profondeur de la couche de cémentation, de la durée de cémentation et de leur poids propre. Loi de déformation d’un arbre d’engrenage de grande taille : le diamètre extérieur du cercle de tête présente une tendance marquée à la contraction, mais dans le sens de la largeur de la dent, le centre se rétrécit et les extrémités s’élargissent légèrement. Loi de déformation d’une couronne dentée : après cémentation et trempe, le diamètre extérieur d’une grande couronne dentée augmente. Lorsque la largeur de la dent varie, la déformation dans le sens de la largeur de la dent est conique ou cylindrique.

Usinage d'engrenages après cémentation et trempe : la déformation des couronnes dentées due à la cémentation et à la trempe peut être contrôlée et réduite dans une certaine mesure, mais elle ne peut être complètement évitée. Concernant la correction de la déformation après cémentation et trempe, voici un bref exposé sur la faisabilité de l'usinage des outils de tournage et de coupe après cémentation et trempe.

Tournage de la couronne extérieure, de l'alésage et de la face d'extrémité après cémentation et trempe : le tournage est la méthode la plus simple pour corriger les déformations de la couronne extérieure et de l'alésage d'une couronne dentée cémentée et trempée. Auparavant, aucun outil, même parmi les outils superdurs étrangers, ne permettait de résoudre le problème des fortes discontinuités de coupe sur la couronne extérieure d'une roue dentée trempée. Valin Superhard a été sollicité pour mener des recherches et un développement sur cet outil. « La coupe discontinue de l'acier trempé a toujours été un problème complexe, a fortiori pour l'acier trempé d'une dureté d'environ HRC60, où la tolérance à la déformation est importante. Lors du tournage à grande vitesse d'acier trempé, si la pièce présente des discontinuités de coupe, l'outil subit plus de 100 chocs par minute, ce qui met à rude épreuve sa résistance aux chocs », expliquent les experts de l'Association chinoise de la coutellerie. Après un an d'essais répétés, Valin Superhard a lancé une gamme d'outils de coupe superdurs pour le tournage de l'acier trempé présentant de fortes discontinuités. L'essai de tournage est réalisé sur la couronne extérieure de la roue dentée après cémentation et trempe.

Expérience de tournage d'engrenages cylindriques après cémentation et trempe

La grande roue dentée (couronne dentée) était fortement déformée après cémentation et trempe. La déformation de sa circonférence extérieure atteignait 2 mm et sa dureté après trempe était de 60-65 HRC. À ce moment-là, il était difficile pour le client de trouver une rectifieuse de grand diamètre ; les surépaisseurs d'usinage étaient importantes et le rendement de rectification trop faible. Finalement, la roue dentée cémentée et trempée a été usinée.

Vitesse de coupe linéaire : 50–70 m/min, profondeur de coupe : 1,5–2 mm, distance de coupe : 0,15–0,2 mm/tour (réglable selon les exigences de rugosité)

Lors du surfaçage circulaire d'une roue dentée trempée, l'usinage est réalisé en une seule opération. L'outil en céramique importé d'origine ne peut être usiné que plusieurs fois pour éliminer les déformations. De plus, l'écaillage des arêtes est important et le coût d'utilisation de l'outil est très élevé.

Résultats des tests d'outillage : cet outil présente une résistance aux chocs supérieure à celle de l'outil en céramique de nitrure de silicium importé d'origine, et sa durée de vie est six fois plus longue lorsque la profondeur de coupe est triplée ! L'efficacité de coupe est également triplée (contre trois coupes auparavant, une seule suffit désormais). La rugosité de surface de la pièce est conforme aux exigences de l'utilisateur. Plus important encore, l'outil ne présente pas de rupture prématurée du tranchant, mais une usure normale de la face arrière. Cette expérience de tournage intermittent sur un engrenage trempé a démontré que les outils ultra-durs utilisés dans l'industrie ne peuvent pas être employés pour le tournage intermittent intensif d'aciers trempés ! Ce résultat a suscité un vif intérêt dans le milieu académique des outils de coupe !

État de surface de l'alésage intérieur d'une roue dentée après trempe

Prenons l'exemple de l'usinage intermittent d'un alésage intérieur d'engrenage avec rainure de lubrification : la durée de vie de l'outil de coupe testé dépasse 8 000 mètres, avec une rugosité inférieure à Ra 0,8. Si l'on utilise un outil ultra-dur à arête polie, la rugosité de tournage de l'acier trempé peut atteindre environ Ra 0,4, ce qui permet d'obtenir une bonne durée de vie de l'outil.

Usinage de la face d'extrémité d'une dent d'engrenage après cémentation et trempe

L'utilisation d'une lame en nitrure de bore cubique, illustrant parfaitement le principe du tournage plutôt que de la rectification, est courante pour le tournage dur des faces d'engrenages après traitement thermique. Comparé à la rectification, le tournage dur améliore considérablement la productivité.

Pour les engrenages cémentés et trempés, les exigences relatives aux outils de coupe sont très élevées. Premièrement, la coupe intermittente requiert une dureté, une résistance aux chocs, une ténacité, une résistance à l'usure, une rugosité de surface et d'autres propriétés élevées de l'outil.

aperçu:

Pour le tournage après cémentation et trempe, ainsi que pour le surfaçage, les outils composites soudés en nitrure de bore cubique sont largement répandus. Cependant, l'usinage des grandes couronnes dentées cémentées et trempées, présentant d'importantes déformations de la circonférence extérieure et de l'alésage intérieur, reste un défi majeur. Le tournage intermittent d'acier trempé avec l'outil Valin en nitrure de bore cubique superdur BN-H20 représente une avancée considérable dans l'industrie de l'outillage. Il favorise la généralisation du tournage par rapport à la rectification dans la fabrication d'engrenages et apporte une solution au problème persistant des outils de tournage cylindriques pour engrenages trempés. Il contribue également à raccourcir le cycle de fabrication des couronnes dentées et à réduire les coûts de production. Les outils de la série BN-H20 sont reconnus mondialement comme la référence en matière de tournage intermittent performant d'acier trempé.