Un arbre personnalisé bien usiné est la manifestation d’un travail de fabrication CNC (Computer Numerical Control) précis. Malgré leur forme cylindrique apparemment simple, les arbres font partie des principaux composants d'un mécanisme aussi complexe que le groupe motopropulseur automobile, qui comprend un moteur, une transmission, un arbre de transmission, des essieux et un différentiel ; tous nécessitent des arbres correctement conçus pour transférer la puissance et le couple aux roues. Dans presque tous les véhicules à combustion interne, l'arbre de transmission doit également supporter le poids de l'ensemble du véhicule tout en servant de pont entre le moteur et les essieux. Quant au différentiel, ses arbres doivent gérer la délivrance de puissance pour permettre à certaines roues de tourner à des vitesses différentes dans les virages.
Compte tenu de leurs fonctions complexes, une planification méticuleuse et une programmation précise sont de la plus haute importance dans le processus de fabrication d'arbres CNC. Chaque étape du flux de travail, depuis la conception initiale jusqu'à la finition de la surface, nécessite une attention presque obsessionnelle aux détails.
Tournage CNC est probablement la méthode la plus courante pour produire des arbres personnalisés, mais il est également possible d'utiliser des processus alternatifs tels que la rectification CNC ou l'EDM (usinage par décharge électrique) plus avancé. Quelle que soit la méthode utilisée, l'objectif reste le même : fabriquer des arbres sur mesure sur mesure, conformément aux spécifications prédéterminées, de la manière la plus efficace possible. Chaque méthode suit également plus ou moins le même flux de travail de base.
Le processus de fabrication d'arbres CNC commence par la compréhension des spécifications, des applications prévues des produits, des conditions de fonctionnement et des exigences d'approbation par une équipe d'examen interne ou par une organisation tierce indépendante (si nécessaire). Une fois qu'un accord est mis en place par toutes les parties impliquées, la première étape du flux de travail tourne autour de la conception et de la programmation.
Le machiniste doit déterminer la dimension, notamment la longueur et le diamètre, ainsi que le matériau de choix. Dans le cadre de l’étape de conception, une équipe d’ingénierie enregistre et vérifie les spécifications. Dans le cas où le client ne fournit aucun dessin technique, le fabricant doit produire un fichier CAO (Conception Assistée par Ordinateur) des arbres sur mesure à réaliser. En fonction des exigences du projet, les concepteurs et les ingénieurs devront peut-être travailler ensemble pour effectuer des tests de résistance simulés et une analyse des défaillances sur un ordinateur.
Si tout est vérifié et approuvé, l'étape suivante consiste à générer des parcours d'outils pour la machine CNC à l'aide du logiciel CAM (Fabrication Assistée par Ordinateur). Les chemins sont essentiellement des instructions lisibles par machine qui régissent le fonctionnement de la CNC. Ces instructions sont composées de codes géométriques pour indiquer à la machine comment se déplacer dans un système de coordonnées cartésiennes (axes X, Y et Z) et peuvent inclure la vitesse de rotation, l'ordre des mouvements, le point de départ, l'avance, le point d'arrêt, l'angle, l'attente. temps, etc. Un machiniste chargera ensuite les codes dans le contrôleur CNC.
En plus de générer des parcours d'outils, le fabricant doit également configurer correctement la machine lui-même. Peu de choses sont plus importantes que de préparer le bon type de machine, par exemple un tour ou une fraiseuse, et des outils de coupe. La pièce à travailler (le matériau à transformer en arbre) doit être solidement fixée aux fixations appropriées. À moins que le fabricant n'utilise de nouveaux outils de coupe, un machiniste doit s'assurer qu'ils sont tous aussi tranchants que possible ou au moins suffisamment tranchants pour façonner la pièce.
Le tournage CNC est l'option standard pour la fabrication d'arbres personnalisés. Soit un machiniste, soit un processus automatisé s'assure que la pièce est fixée à la machine. Lorsque la pièce tourne à grande vitesse, les outils de coupe en soustraient/enlèvent une partie définie du matériau jusqu'à ce que la forme souhaitée soit obtenue. Une variété d'outils de coupe spécialisés peuvent être utilisés successivement et établiront des contacts avec la pièce sous de nombreux points et angles différents.
Le plus grand avantage du tournage CNC dans la fabrication d’arbres est une efficacité et une précision élevées lors du travail sur des composants cylindriques. Et presque tous les arbres personnalisés sont fabriqués à partir d’une barre métallique déjà cylindrique. Les coupes de précision successives sont naturellement faciles avec le tournage CNC car la machine est en fait conçue pour traiter n'importe quelle pièce de forme cylindrique. Avec des trajectoires d'outils précises et des outils de coupe corrects, la machine peut produire au moins un arbre personnalisé presque complet en une seule session. Une surveillance constante tout au long du processus de découpe est nécessaire pour garantir la qualité.
Plusieurs méthodes de finition (pour les arbres personnalisés) sont disponibles telles que l'anodisation, la passivation et le sablage. L'objectif principal de la finition de surface est d'améliorer l'apparence physique, mais elle améliore en même temps la fonctionnalité en lissant les bords rugueux et en éliminant tout matériau restant du processus de découpe. En dehors de cela, la finition implique également un contrôle final pour garantir que l'arbre fabriqué est précis aux dimensions requises, jusqu'au plus petit millimètre.
La méthode privilégiée est généralement le tournage CNC, mais ce n’est pas la seule option à la disposition du fabricant. En fait, un arbre personnalisé avec une conception complexe est probablement produit en utilisant quelques processus différents pour obtenir une finition de surface de qualité et une tolérance serrée. Certaines des méthodes de fabrication d'arbres les plus courantes comprennent :
Tant que la pièce est de forme cylindrique, Tournage CNC est la technique de fabrication soustractive idéale. Au cours du processus, une barre de pièce solide est fixée aux mandrins et tourne à grande vitesse tandis que des outils de coupe spécialisés en retirent avec précision les matériaux inutiles. La rotation à grande vitesse garantit que chaque coupe est effectuée uniformément sur toute la circonférence de la pièce cylindrique. Le tournage CNC est une machine efficace pour obtenir le diamètre spécifié et une finition lisse en une seule fois. C’est également l’option préférable pour la production en grand volume.
Si le tournage CNC coupe un volume important de matériau de la pièce, le meulage CNC élimine les matériaux à l'aide d'une meule abrasive. En dehors de cela, les processus de base des deux méthodes sont essentiellement les mêmes. Ils sont également tout aussi fiables en termes de qualité, même si le broyage est un peu en retard en termes de vitesse de production. Dans la plupart des cas, la rectification CNC est utilisée pour la tâche de finition de surface d'un arbre déjà usiné.
Certains arbres sont plus qu'une simple barre cylindrique de métal, mais sont équipés de trous et de rainures pour pouvoir être montés sur des engrenages et autres composants rotatifs. Forage crée des rainures de différentes profondeurs et largeurs pour accueillir également des engrenages de différentes dimensions. L'arbre usiné ou les outils de forage peuvent tourner et se déplacer en fonction des angles, des formes et de la position des rainures.
Lorsqu'un arbre usiné doit avoir des rainures de clavette, des cannelures ou des méplats dans certaines positions, Fraisage CNC est l'option incontournable pour fabriquer les fonctionnalités. Les outils de coupe/fraisage tournent à grande vitesse et retirent des matériaux de l'arbre pour produire la forme souhaitée. Pendant le processus, l'arbre peut rester stationnaire ou bouger et s'incliner légèrement pour ajuster sa position.
Il n'y a pas d'outil de coupe, de perçage et de fraisage dans EDM. À l’intérieur du système, la pièce est sécurisée et fixée à une borne positive (anode), tandis que l’outil de « mise en forme » est câblé à une cathode. Lorsqu’ils sont placés à proximité les uns des autres, le courant électrique produit crée des étincelles. La chaleur extrême générée par les étincelles peut faire fondre et évaporer les matériaux de la pièce. L'EDM est le plus souvent utilisé lorsque l'arbre usiné nécessite de petites coupes complexes.
Selon les types et l'utilisation prévue, un arbre personnalisé peut être fabriqué à l'aide de deux méthodes d'usinage ou plus. L'analyse métallurgique peut déterminer quelles méthodes fonctionnent le mieux pour certains matériaux.
L’idée principale derrière la fabrication sur mesure est de produire tous les différents types d’arbres pour une gamme d’usages spécifiques. Parmi les types les plus courants et leurs applications sont les suivants.
Comme leur nom l'indique, les arbres creux sont essentiellement des tubes cylindriques qui permettent le passage de l'air, de l'eau, de l'huile, des fils et d'autres composants/objets. Grâce au vide au centre, ils sont plus légers par rapport à leurs homologues solides de même diamètre et longueur. Les applications typiques incluent les dispositifs médicaux, les systèmes de convoyeurs, les systèmes de plomberie et les pompes. S’ils sont fabriqués à partir de matériaux à haute résistance, les arbres creux peuvent être utilisés pour construire des composants pour des voitures et des avions performants afin de contribuer à réduire le poids.
Une caractéristique distinctive des arbres cannelés est qu’ils comportent des rainures longitudinales ou sont coupés sur toute leur longueur. Les rainures s'adaptent à l'engrenage, à la poulie ou à tout autre composant correspondant pour former une connexion solide et assurer un transfert fluide des mouvements de rotation. Un tel assemblage est observé dans les applications qui nécessitent un positionnement précis comme les accouplements à engrenages et les transmissions automobiles.
Certains arbres nécessitent des filetages externes ou internes pour former une connexion solide avec d'autres composants mécaniques tels que des boulons ou des vis. Les arbres filetés sont utilisés dans des applications qui nécessitent une fixation et un détachement faciles mais sûrs de plusieurs pièces.
Le plus souvent observés dans les systèmes de poulies automobiles, les moyeux de roue et les engrenages, les arbres coniques présentent une réduction progressive de leur diamètre sur toute leur longueur. La différence de diamètre entre une extrémité et l’autre garantit un montage sûr lorsque les points connectés d’un mécanisme – pontés par l’arbre – sont de tailles différentes.
La rainure d'un arbre claveté correspond à une clavette (ou dent) d'autres composants, empêchant l'arbre de glisser hors de sa position ou de tourner indépendamment. On le trouve généralement dans les mécanismes comportant des pignons, des engrenages et des poulies. Les arbres clavetés sont souvent utilisés pour les applications dans lesquelles le maintien d'une connexion ferme entre les composants d'un mécanisme à couple élevé est requis, par exemple les pompes et les moteurs.
L'aluminium et l'acier inoxydable sont probablement les matériaux les plus courants pour la fabrication d'arbres CNC, mais d'autres métaux, voire alliages, conviennent également à certaines fins.
C'est un excellent matériau de choix pour les arbres de précision destinés aux applications intensives. Grâce à leur superbe propriété de résistance à la corrosion et à leur rapport résistance/poids exceptionnel, les arbres en titane sont le plus fréquemment utilisés pour les voitures de performance et dans l'industrie aérospatiale.
Sans doute le matériau le plus largement utilisé pour la fabrication d’arbres CNC, l’acier inoxydable est un métal fiable à tous points de vue avec une bonne résistance à la corrosion, une bonne durabilité et une bonne résistance. Le matériau est disponible dans une variété de qualités et de qualités conçues pour un large éventail d'applications allant du traitement chimique et des dispositifs médicaux au secteur automobile et aux environnements marins.
L'acier au carbone de qualité 1045 est un matériau exemplaire ; suffisamment souple pour un usinage efficace, mais il peut résister à un traitement thermique pour augmenter la dureté. L'acier au carbone n'est peut-être pas aussi résistant à la corrosion que l'acier inoxydable, mais il constitue néanmoins un matériau exceptionnel pour les arbres de moteur ou les arbres de pompe.
Métal léger et résistant à la corrosion, l’aluminium est un métal relativement mou et donc hautement usinable. C'est le matériau de tige idéal lorsque la réduction du poids est cruciale pour les applications prévues.
Tout d’abord, l’acier allié et l’alliage d’acier sont deux choses différentes. La composition de l'acier allié contient environ 5 % d'éléments d'alliage qui peuvent inclure du chrome, du nickel, du tungstène, du vanadium et du manganèse. Si la résistance à la corrosion et l'usinabilité sont indispensables, peu de matériaux sont meilleurs que l'acier allié 4340 ou 4140.
Avec une résistance exceptionnelle à la corrosion et une résistance remarquable, l'alliage de nickel est le matériau approprié pour les arbres de précision destinés aux applications à haute température et aux turbines à usage intensif.
Matériel | Durabilité | Force | Poids | Résistance à la corrosion |
Titane | Exceptionnel | Très haut | Modéré | Haut |
Acier inoxydable | Excellent | Haut | Lourd | Très haut |
Acier Carbone | Très bien | Haut | Lourd | Modéré |
Aluminium | Bien | Modéré | Lumière | Haut |
Acier allié | Exceptionnel | Très haut | Lourd | Haut |
Alliages de nickel | Excellent | Très haut | Lourd | Haut |
Les performances finales de l’arbre sont grandement affectées par au moins trois facteurs différents, notamment le poids, la résistance à la corrosion et la résistance à la traction. La dureté joue également un rôle, mais la plupart des métaux sont généralement suffisamment durs pour chaque application, même si certains sont plus malléables/usinables que d'autres. Bien que le titane et l'acier au carbone soient supérieurs à l'aluminium et à l'acier inoxydable en termes de réduction de poids et de résistance/durabilité, ils sont également plus chers.
La fabrication d'arbres CNC implique une série de processus axés sur les détails, depuis la conception initiale jusqu'à la finition de surface et le contrôle qualité. Par conséquent, il est préférable de bien comprendre les exigences du projet, les conditions de travail et les applications prévues de l'arbre fini, car elles affecteront en fin de compte le choix du matériau, la méthode d'usinage et la qualité globale du produit fini. Gardez à l’esprit que chaque matériau a ses propres points forts et faibles, tout comme chaque méthode d’usinage. La règle générale est donc d’obtenir un bon équilibre entre qualité et budget.
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