Usinage d'arbres : matériau, traitement thermique, solution

L'arbre est un composant essentiel des machines. Il est relié au bâti par des paliers, et les composants qui y sont montés effectuent un mouvement de rotation autour de son axe. L'ensemble de ces éléments forme un ensemble d'arbre.

Aperçu des arbres de transmission

Un arbre est un composant rotatif de toute machine, caractérisé par une section circulaire, utilisé pour transmettre la puissance d'une pièce à une autre ou d'une source d'énergie à un consommateur. Pour faciliter cette transmission, une extrémité de l'arbre est reliée au moteur tandis que l'autre est connectée à la machine. Les arbres peuvent être pleins ou creux selon l'application ; les arbres creux présentent l'avantage d'alléger la structure. Élément mécanique essentiel, les arbres supportent des composants rotatifs tels que les poulies et les engrenages. Ils sont généralement supportés par des paliers à l'intérieur d'un carter rigide, permettant ainsi aux engrenages et aux poulies de transmettre efficacement le mouvement.

De nombreux autres éléments rotatifs sont montés sur l'arbre au moyen de clavettes. Par conséquent, les arbres sont soumis à la fois à des moments de flexion et à un couple dû aux forces de réaction des composants supportés et au couple généré lors de la transmission de puissance.

En fonction du type de chargement, les puits sont classés en trois catégories :

• Arbre de broche : arbre soumis uniquement à des moments de flexion, sans couple. On distingue deux types d’arbres de broche : les arbres de broche rotatifs et les arbres de broche fixes.
• Arbre de transmission : Arbre qui transmet uniquement un couple sans subir de moments de flexion importants, ou dont les moments de flexion sont négligeables. Par exemple, l’arbre reliant la boîte de vitesses et l’essieu arrière d’une automobile.
• Arbre de transmission : Arbre conçu pour supporter à la fois des moments de flexion et un couple, comme les arbres des réducteurs. L’arbre de transmission reliant la boîte de vitesses d’une automobile à l’essieu arrière en est un exemple.

Selon leur forme, les arbres de transmission peuvent être classés en plusieurs types. Le tableau ci-dessous présente les différents types d'arbres de transmission en fonction de leur forme et de leur conception.

Précision d'usinage des arbres

Les surfaces des composants d'arbre sont généralement divisées en tourillons de support et tourillons d'accouplement.

• Tourillons de support : Ces tourillons s’emboîtent dans la bague intérieure d’un roulement pour positionner et supporter l’arbre. Ils exigent une tolérance dimensionnelle élevée, généralement IT5–IT7.
• Tours de liaison : Ces tours assurent l’interface avec divers composants de transmission. Leurs exigences de tolérance sont généralement plus faibles, typiquement IT6–IT9.

Précision géométriqueCela concerne principalement la circularité et la cylindricité des surfaces critiques telles que les surfaces de tourillon, les cônes externes et les alésages coniques. Les erreurs doivent généralement rester dans la zone de tolérance dimensionnelle. Pour les arbres de précision, les tolérances géométriques doivent être définies précisément sur les dessins techniques.

Précision de positionnement : Inclut la coaxialité des surfaces internes et externes, le faux-rond radial, la perpendicularité des faces d’extrémité critiques par rapport à l’axe et le parallélisme entre les faces d’extrémité.

Rugosité de surfaceChaque surface usinée doit répondre à des exigences de rugosité spécifiques, déterminées par la faisabilité du procédé et sa rentabilité. Les tourillons de support requièrent généralement une rugosité Ra de 0.2 à 1.6 μm, tandis que les tourillons d'accouplement des composants de transmission requièrent une rugosité Ra de 0.4 à 3.2 μm.

Matériaux pour arbres

Les arbres sont principalement fabriqués en acier au carbone et en acier allié. L'acier au carbone 1045 est le plus courant et nécessite généralement une normalisation ou une trempe et un revenu (T&R) pour améliorer ses propriétés mécaniques. Les aciers alliés offrent des propriétés mécaniques et une tenue au traitement thermique supérieures à celles de l'acier au carbone, mais ils sont plus sensibles aux concentrations de contraintes et plus coûteux. Ils sont donc réservés aux applications à grande vitesse, aux charges lourdes ou aux conditions particulières (par exemple, résistance à l'usure, environnements à haute ou basse température). Il est à noter que, le module d'élasticité de l'acier allié et de l'acier au carbone étant quasiment identique à température ambiante, le remplacement de l'acier au carbone par de l'acier allié n'augmentera pas significativement la rigidité de l'arbre.

Pour les arbres supportant des charges importantes ou nécessitant une résistance élevée, une conception compacte ou une meilleure résistance à l'usure, on utilise des aciers alliés tels que les aciers 5140, 5120 ou 9255. L'acier allié étant très sensible aux concentrations de contraintes, la conception structurelle doit minimiser ces effets. Un traitement thermique approprié est indispensable pour exploiter pleinement les propriétés du matériau.

Les ébauches d'arbres sont fabriquées à partir de barres rondes laminées à chaud ou de pièces forgées. Pour les formes complexes comme les vilebrequins et les arbres à cames, on peut utiliser de l'acier moulé ou de la fonte ductile, cette dernière offrant un excellent amortissement des vibrations, une faible sensibilité à la concentration des contraintes et un bon rapport coût-efficacité.

Traitement thermique de l'arbre

Les aciers à teneur moyenne en carbone et les aciers alliés à teneur moyenne en carbone (par exemple, 1035, 1040, 1045, 1050, 5140, 3140 ou 1541) sont des choix courants. Ils subissent généralement une normalisation ou un traitement thermique de trempe et revenu. Si une résistance élevée à l'usure est requise au niveau du tourillon, un durcissement superficiel peut être appliqué.

Le choix du matériau dépend du type de charge, des dimensions de la pièce et de sa trempabilité. Pour les arbres soumis à des charges de flexion et de torsion, où la contrainte diminue de la surface vers le centre, une trempabilité élevée n'est pas strictement nécessaire. En revanche, pour les arbres soumis à une traction ou une compression, où la contrainte est uniforme sur toute la section, un acier à haute trempabilité est indispensable.

Pour les applications soumises à des charges d'impact élevées ou à des exigences extrêmes de ténacité et de résistance à l'usure, on utilise des aciers de cémentation alliés tels que le 5120 ou le 4320, suivis d'une cémentation, d'une trempe et d'un revenu à basse température. Les arbres de faible importance soumis à des charges minimales peuvent être réalisés en aciers au carbone d'usage courant tels que le 1015 et le 1025.

Le traitement thermique lors de l'usinage d'un arbre est illustré sur la figure.

1. Normalisation ou recuit: Préparées avant l'usinage pour affiner le grain, éliminer les contraintes de forgeage et améliorer l'usinabilité.
2. Trempe et revenu (T&R) : généralement effectués après l'ébauche mais avant la semi-finition pour obtenir des propriétés mécaniques globales optimales.
3. Durcissement superficiel : effectué avant la finition finale afin de permettre la correction de toute déformation induite par la trempe.
4. Vieillissement à basse température : requis pour les arbres de haute précision après trempe locale ou rectification grossière.

Sélection des systèmes de référence de positionnement

Le repère de positionnement courant pour les pièces d'arbre est constitué par les deux alésages centraux. La coaxialité et la perpendicularité étant les principales exigences de précision, le repère de conception est généralement l'axe de l'arbre.

Toutefois, les trous centraux ne peuvent pas être utilisés si :

• L'usinage grossier requiert une rigidité plus élevée, auquel cas on utilise la surface du diamètre extérieur.
• L'arbre est creux et comporte un trou traversant.

Méthodes pour les arbres creux :

1. Petits trous : Chanfreiner un cône interne de 60° (largeur ≤ 2 mm) à l'ouverture du trou.
2. Trous cylindriques : Utiliser un bouchon conique (conicité 1:500).
3. Trous coniques de grand diamètre : utiliser un mandrin avec un bouchon conique.

Parcours de processus d'usinage

L'usinage porte principalement sur les surfaces cylindriques externes des tourillons. Le processus est conçu autour de l'usinage séquentiel du diamètre extérieur, avec des opérations secondaires telles que le filetage, les cannelures et les rainures de clavette réalisées en parallèle.

(1) Arbres en acier cémenté

Préparation des matériaux → Forgeage → Normalisation → Perçage des trous centraux → Ébauche → Semi-finition/Finition → Cémentation → Trempe et revenu à basse température → Ébauche → Usinage des caractéristiques secondaires → Finition.

(2) Arbres en acier Q&T de précision standard

Préparation des matériaux → Forgeage → Normalisation (recuit) → Perçage des trous centraux → Ébauche → Trempe et revenu → Semi-finition/Finition → Trempe et revenu de surface → Ébauche → Usinage des caractéristiques secondaires → Finition.

(3) Arbres en acier nitruré

Préparation des matériaux → Forgeage → Normalisation (recuit) → Perçage des trous de centrage → Ébauche → Trempe et revenu → Semi-finition/Finition → Vieillissement à basse température → Ébauche → Nitruration → Usinage des caractéristiques secondaires → Rectification de finition → Rodage/Polissage.

Exemple d'usinage : arbre étagé

Ce composant est un arbre étagé composé de surfaces cylindriques, d'épaulements d'arbre, de filetages et d'une section de tête carrée.

(1) Fabrication des matériaux et des ébauches

L'arbre est fabriqué en acier 45 (équivalent AISI 1045). Malgré un faible volume de production, le diamètre des tourillons varie considérablement (de ø50 mm à ø13 mm). Afin d'optimiser l'utilisation de la matière, une pièce forgée sert d'ébauche, suivie d'un traitement de normalisation.

(2) Exigences techniques

Précision dimensionnelle : Le tourillon de ø25 mm doit respecter une tolérance IT7. La rugosité de surface spécifiée est de Ra 0.8 µm. En prenant l’épaulement de ø50 mm comme référence, la tolérance de perpendicularité de l’axe de ø25 mm est de 0.02 mm et la tolérance de parallélisme entre les deux faces d’extrémité de l’épaulement est également de 0.02 mm.

(3) Références de positionnement

Pour garantir la coaxialité des différents paliers, les alésages centraux aux deux extrémités servent de référence de précision. Cette référence de positionnement reste constante tout au long des opérations de tournage, de fraisage et de rectification afin de minimiser les erreurs de réglage.

(4) Méthodes d'usinage

L'arbre étant principalement constitué de surfaces de révolution, le tournage et la rectification sont les principaux procédés de mise en forme. La rectification est effectuée après le tournage, car le tourillon de ø25 mm et les faces d'épaulement de ø50 mm requièrent une grande précision géométrique en plus de la précision dimensionnelle. La séquence d'usinage des surfaces extérieures est la suivante : ébauche → semi-finition → rectification

(5) Parcours d'usinage

Pour les composants exigeant une grande précision, les étapes d'ébauche et de finition doivent être séparées afin de garantir la qualité. L'usinage de cet arbre est divisé en trois étapes : tournage d'ébauche, tournage de semi-finition et rectification.

(6) Traitement thermique

La section de ø25 mm × 35 mm et les surfaces de la tête carrée nécessitent un traitement de trempe. Ce traitement est prévu après la semi-finition et avant la rectification finale. La normalisation est effectuée après le forgeage de l'ébauche afin de réduire les contraintes internes, d'affiner la structure granulaire et d'améliorer l'usinabilité.

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