Qu’est-ce qu’un arbre usiné ?
Un arbre usiné est une pièce cylindrique ou ronde qui facilite le transfert de mouvement de rotation et de puissance. Ces pièces sont très utiles dans plusieurs applications, notamment dans les automobiles et les avions. Les arbres sur mesure sont fabriqués dans des tiges qui subissent des mouvements linéaires nécessaires à la précision des machines. Les deux types d’arbres doivent être fabriqués dans des limites étroites. Ils doivent pouvoir supporter des charges spéciales et fonctionner efficacement dans des conditions difficiles.
La production d’arbres a une longue histoire. Les premiers témoignages proviennent de Persépolis, en Iran, où des machines façonnaient des barres de métal pour en faire des arbres. Ce processus a évolué au fil des siècles. Il répond aux besoins d’industries telles que l’automobile, l’aérospatiale et l’ingénierie. Divers arbres destinés à différentes applications sont produits aujourd’hui à l’aide des techniques et des matériaux actuels.
Les arbres usinés utilisent la force de rotation, transmettant un couple qui permet un fonctionnement régulier et efficace des machines. Les arbres fabriqués sur mesure peuvent fournir le meilleur mouvement linéaire. Cela permet d’éviter des problèmes tels que les sorties de route. Les deux types d’arbres sont essentiels. Ils améliorent les performances et la fonctionnalité des machines. Ils sont donc essentiels dans de nombreux domaines.
Traitement des arbres usinés sur mesure
La fabrication d’arbres sur mesure présente trois avantages principaux. Ils présentent des dimensions précises, une grande exactitude et une finition de surface supérieure. Le processus commence par la définition de l’utilisation de l’arbre. Cela inclut les conditions auxquelles il sera soumis et les exigences du projet. Cela permet de s’assurer que chaque arbre est précis et fonctionne comme il se doit.
Sélection des matériaux
Le choix du matériau est essentiel. L’aluminium, la fibre de carbone, l’acier et le plastique sont des matériaux utilisés à d’autres fins. Par exemple, dans l’industrie, on utilise l’acier parce qu’il est difficile à travailler. L’aluminium est utilisé dans les véhicules de loisirs principalement pour sa légèreté.
Conception et programmation
Au stade de la conception, il convient de déterminer le matériau utilisé pour fabriquer l’arbre ainsi que son diamètre et sa longueur. Un plan détaillé est ensuite réalisé à l’aide d’un logiciel de CAO. Après ce processus d’usinage, le logiciel de FAO est programmé pour générer des trajectoires d’outils et un programme CNC (code G).
Découpage et façonnage
Ce matériau est découpé à l’aide de scies ou de lasers avant d’être usiné à la taille voulue à l’aide de fraiseuses à commande numérique. L’ébauche consiste à découper le matériau en morceaux plus petits et à les tourner à l’aide d’une fraiseuse pour les façonner avec précision.
Configuration de la machine
Pour configurer une machine CNC, il faut choisir le type de machine approprié – un broyeur ou un tour -, préparer la pièce à usiner et sélectionner les outils de coupe, entre autres. Il s’agit de fixer les pièces à l’aide de montages et d’utiliser des outils de coupe tranchants afin d’assurer la précision.
Processus d’usinage des arbres
Le tournage CNC traite bien les pièces cylindriques. Il est idéal pour fabriquer des arbres sur mesure. Il doit également faire l’objet d’un suivi et d’inspections minutieuses tout au long du processus. Ils permettent de s’assurer de la qualité.
Traitement thermique
Il existe différents types de traitements thermiques. Le martelage garantit que l’arbre peut supporter les changements de température et d’environnement au cours de son utilisation.
Finition de surface
La surface des arbres peut être améliorée par des techniques de microbillage, d’anodisation ou de passivation. Ils rempliront mieux leur fonction tout en gardant un bel aspect si cette opération est réalisée. Cette opération peut également être réalisée par galvanoplastie. Ces méthodes répondent aux spécifications requises pour différentes applications.
Inspection et contrôle de la qualité
Pour mesurer tous les arbres sur mesure, des micromètres, des jauges, des pieds à coulisse, etc. sont utilisés pour s’assurer qu’ils sont conformes aux tolérances souhaitées.
Emballage
Enfin, les arbres sont emballés avec soin. L’objectif est d’éviter tout dommage pendant le transport. Ils doivent arriver intacts à destination pour être utilisés dans diverses applications.
Variétés et applications des arbres usinés
Arbres creux
Les arbres creux ont un trou ou un espace en leur centre, permettant au fluide, au fil et à d’autres éléments de passer rapidement, ce qui les rend plus accessibles pour les applications sensibles au poids comme les voitures de course et les avions. Ils sont plus légers que les arbres pleins de même taille. Ils jouent également un rôle important dans les systèmes de convoyage, les pompes et les appareils médicaux. Leur poids réduit est utile aux industries automobile et aérospatiale. Il améliore les performances et le rendement énergétique.
Arbres filetés
Les arbres filetés ont des filets intérieurs ou extérieurs qui correspondent à leurs homologues tels que les écrous. Par exemple, les arbres filetés conviennent mieux lorsque l’assemblage est souvent nécessaire ou que le démontage est courant dans les travaux d’électricité ou de plomberie. Les broches filetées, les vis à tête et les dispositifs de fixation utilisent également des arbres filetés de manière appropriée. Cependant, les ajustements doivent être précis pour les assemblages mécaniques. Et les raccords doivent être sûrs.
Arbres clavetés
Les arbres clavetés possèdent une coupe unique appelée rainure de clavette qui maintient les pignons, les poulies ou les engrenages en place. Une fois installée sur les arbres clavetés, la rainure de clavette empêche les pièces de tourner ou de glisser. De telles situations exigent des équipements à couple élevé tels que des moteurs et des pompes. Par exemple, les moteurs industriels peuvent avoir des arbres clavetés qui conservent les engrenages intacts. Cela facilite la transmission de l’énergie en douceur et en toute fiabilité.
Arbres cannelés
Les arbres cannelés possèdent des rainures appelées cannelures qui s’adaptent précisément aux cannelures correspondantes que l’on trouve sur des pièces telles que les poulies ou les engrenages. Un ajustement ferme permet à la puissance de circuler en douceur à travers ces pièces. Il est utile pour le positionnement et le couple. Par exemple, dans les transmissions automobiles, toutes les pièces doivent bouger ensemble. C’est le cas des arbres cannelés. Cela garantit une transmission efficace de la puissance. Ces arbres sont utilisés dans l’industrie automobile, entre autres, et dans les applications industrielles et aérospatiales.
Arbres coniques
Les arbres coniques s’amincissent sur toute leur longueur. Cette forme permet de serrer fermement des pièces telles que les poulies, les engrenages et les moyeux de roue de voiture. Ces arbres sont souvent dotés d’une rainure de clavette ou conçus pour s’adapter de manière conique afin que les composants restent solidement fixés. En outre, la conception conique facilite le démontage et l’assemblage des différentes pièces. Cela permet de simplifier les remplacements ou les travaux d’entretien. Par exemple, dans un moyeu de roue automobile, un arbre conique assure un ajustement serré, ce qui maintient la roue en sécurité et stable.
Arbres pleins
Les arbres pleins ressemblent à de petites barres d’acier ou d’aluminium qui ont été étirées en longues tiges. Ils sont simples mais solides. Ils peuvent donc être utilisés dans des applications à faible puissance ou à faible vitesse. Il s’agit notamment d’outils à main, d’appareils électroménagers et de petites machines. Leur structure robuste leur confère une grande durabilité lorsqu’ils sont utilisés dans différents systèmes mécaniques.
Arbres étagés
Les arbres étagés ont plusieurs diamètres sur leur longueur, ce qui leur permet de recevoir des roulements, des engrenages et des poulies, entre autres pièces. Cette caractéristique permet aux pièces de passer facilement d’une gamme de tailles à une autre. Ils sont donc largement utilisés dans les systèmes de transmission de puissance. La configuration étagée accroît la polyvalence, ce qui permet de réaliser des assemblages mécaniques complexes.
Arbres à pistons
Ces pistons entraînés par des pistons se déplacent d’avant en arrière à travers les parois du cylindre pour générer un mouvement. Le mouvement résultant du glissement de gros objets lourds vers le haut ou vers le bas de la tige est typique de ce cas. La conception de l’arbre du piston est robuste. Il peut supporter des forces importantes liées à ces utilisations. Il offre donc des performances fiables.
Shafts de vers
L’arbre à vis sans fin contient des disques en forme de vis sans fin. Ils peuvent tourner sur une ligne axiale parallèle à leur mouvement dans l’espace de la vis sans fin. Les entreprises de transformation des aliments doivent être efficaces et durables. Les vis sans fin sont également des mécanismes d’entraînement adaptés à la plupart des ventilateurs. Leur forme unique permet un transfert de mouvement en douceur. Cela permet de réduire les frottements inutiles dans les systèmes mécaniques.
Arbres de transmission
Ces transmissions de puissance sont essentielles dans les voitures et autres appareils où les engrenages ont un rôle vital à jouer. On peut choisir des arbres de transmission manuels ou automatiques. Cela lui permet de parcourir de longues distances à des vitesses élevées sans s’user.
Techniques de fabrication d’arbres de précision
Machine de tournage CNC
Le tour CNC est très rapide pour l’usinage de pièces tournées cylindriques. La machine tourne autour de la broche de la contre-pointe et perce le matériau à l’aide d’un outil de coupe fixe maintenu par un chariot de tourelle. Elle est importante parce qu’elle permet d’obtenir n’importe quel diamètre et n’importe quel état de surface. Elle est privilégiée dans la production de gros volumes, car ses outils spécialisés coupent la matière de l’arbre en rotation.
Fraiseuse CNC
Ce procédé utilise une fraise rotative pour créer des caractéristiques telles que des cannelures, des méplats et des rainures de clavette. Il donne à l’arbre fixe la forme et la taille requises. L’outil peut être un dispositif rotatif multipoint ou une fraise en bout. Il s’insère dans un support d’adaptateur sur la tête de fraisage ou le chariot de la tourelle d’une machine CNC. Les coupes de fraisage sont toujours précises et droites sur l’arbre fixe.
Machines à rectifier CNC
Pour s’assurer que les arbres usinés sont lisses, la rectification CNC les frotte contre des roues ou des disques abrasifs en rotation. Cela garantit que les produits finis respectent les tolérances dimensionnelles et les tailles spécifiées. Les arbres de transmission sur mesure construits de cette manière doivent avoir des tolérances et des dimensions définies pour fonctionner correctement. Cela permet d’obtenir une finition de qualité.
Machine à percer CNC
Les séquences sont produites dans différentes dimensions diamétrales à travers les arbres à l’aide de machines de perçage CNC ; ces rainures peuvent être plus profondes en fonction de l’utilisation prévue. Grâce à son faible coût et à sa simplicité, cette méthode permet de former des trous et des canaux dans des arbres personnalisés.
Usinage par décharge électrique (EDM)
L’électricité est utilisée pour enlever une partie ou la totalité d’une pièce de métal. Cela permet de créer de petites caractéristiques appelées composants dans des métaux tels que l’acier, le cuivre ou l’aluminium. Ce processus est appelé EDM. Il rend inutile l’expertise en matière de fabrication de caractéristiques complexes. En effet, il est possible de le faire sans connaissance particulière des règles de conception de la fabrication. Il suffit d’avoir des connaissances de base en mathématiques, notamment en trigonométrie. Ce procédé est utilisé pour réaliser de minuscules caractéristiques sur des arbres solides.
Matériaux pour l’usinage des pièces d’arbres
Différents matériaux aux propriétés uniques permettent de fabriquer des arbres de précision qui répondent aux besoins d’applications spécifiques. Ces arbres doivent pouvoir répondre aux exigences opérationnelles, car ils doivent être solides et durables.
Aluminium
Léger et résistant à la corrosion, l’aluminium est facilement usinable. Il est par exemple idéal pour les applications à faible poids, telles que les secteurs de la haute performance et de l’aérospatiale. Les voitures de course, par exemple, sont souvent équipées d’arbres de transmission en aluminium afin de réduire le poids et d’améliorer l’accélération.
Acier inoxydable
Idéal pour les conditions exposées à l’eau ou à des éléments corrosifs, l’acier inoxydable est très résistant à la corrosion. Les qualités 304 et 316 sont courantes dans les usines chimiques et les milieux marins, et elles ne rouillent pas facilement lorsqu’elles sont soumises à des environnements difficiles.
Acier au carbone
L’acier au carbone peut également être traité thermiquement pour obtenir une dureté supplémentaire, car il présente une excellente résistance à la traction et une bonne usinabilité. Les arbres de pompe et de moteur utilisent principalement des types d’acier à faible teneur en carbone, la nuance 1045 étant réputée pour ces deux applications. Les aciers à faible teneur en carbone offrent une bonne résistance. Ils sont donc rentables. Les aciers à haute teneur en carbone offrent une résistance encore plus grande.
Titane
Il est connu pour son rapport poids/résistance élevé et sa résistance à la corrosion. Le titane est également utilisé dans l’aérospatiale. Il a besoin d’une résistance extrême parce qu’il s’agit d’un matériau de haute performance. Le titane permet de fabriquer des arbres sur mesure, ce qui signifie qu’ils peuvent résister au stress avant de se briser.
Acier allié
Ce matériau est solide, comme les alliages 4140 ou 4340, et est utilisé dans des conditions sévères avec des températures élevées. En général, les constructeurs les fixent sur de grands moteurs industriels et des structures de machines. Ces aciers peuvent contenir du molybdène, du chrome et du nickel. Ces éléments renforcent la résistance à l’usure.
Alliages de nickel
À haute température et avec une excellente résistance à la corrosion, les alliages de nickel comme l’Inconel 600 et 800 sont fiables. Ils sont utilisés pour les arbres de turbine et d’autres applications exigeantes. Ils peuvent être utilisés même dans des conditions sévères et conserver leurs propriétés.
Matériaux composites
Les matériaux composites avancés tels que la fibre de carbone ont popularisé les courses de performance. Ils combinent parfaitement les qualités de résistance et de légèreté. Certains d’entre eux sont idéaux dans les cas où il est nécessaire de réduire le poids de manière significative. Ils remplacent avantageusement les métaux et s’avèrent utiles lorsque les matériaux traditionnels sont défaillants.
Finition de surface pour les arbres sur mesure
Passivation
La passivation est utilisée pour améliorer l’arbre en acier inoxydable. Le nettoyage de ce type d’arbre à l’acide élimine le fer libre et d’autres contaminants. Cela forme une couche d’oxyde passive qui améliore la résistance à la corrosion.
Anodisation
L’anodisation est la meilleure solution pour les arbres en aluminium, car elle leur confère une surface dure qui résiste à la corrosion. L’anodisation améliore également l’aspect esthétique, en particulier lors de l’introduction de colorants décoratifs.
Placage électrolytique
L’électrodéposition ajoute une fine pellicule de zinc, de nickel ou d’or à la surface. Cela lui confère une grande résistance à l’usure et à la corrosion.
Sablage de perles
Le microbillage utilise des billes d’acier à haute pression ou de fines particules de verre pour nettoyer la surface. Il donne à cette dernière un aspect propre, mat ou satiné.
Polissage
Cette méthode permet d’éliminer toutes les entailles et les rayures par abrasion. Elle empêche la contamination et l’oxydation. Elle améliore également la résistance à la corrosion et la réflectivité.
Chromage
Ce type d’arbre est recouvert d’une fine couche de chrome, ce qui lui confère une dureté accrue et une résistance à la rouille. Il s’agit d’un revêtement brillant mais résistant, qui peut supporter des environnements difficiles, y compris des scénarios d’utilisation continue.
Conseils pour la fabrication de pièces d’arbres
Pour résister aux charges et aux couples prévus, vous devez vous assurer que les pièces de l’arbre sont fiables et précises. Ce processus permet de sélectionner le matériau et le diamètre appropriés de l’arbre afin d’éviter toute défaillance en cours de fonctionnement.
Matériau de l’arbre
Le matériau approprié doit être choisi en fonction de la solidité, de la température et de la résistance à la corrosion, entre autres facteurs. Les matériaux courants sont l’acier inoxydable, le carbone, les alliages et l’aluminium. Le choix du matériau doit correspondre aux exigences du projet et à l’allocation budgétaire.
Déterminer la longueur et le diamètre de l’arbre
L’usinage de la longueur et du diamètre d’un arbre pour répondre aux exigences de l’application permet d’éviter les déviations et les vibrations. Choisir une forme de section qui puisse résister à la charge.
Finition de surface
Une finition de surface appropriée améliore la durabilité de l’arbre. L’anodisation ou le revêtement par poudre sont des exemples de ces finitions. Ils améliorent la résistance à la corrosion, à l’usure et au frottement.
Contrôle de la qualité dans l’usinage des arbres
Lorsqu’il s’agit d’arbres fonctionnels, le contrôle de la qualité est essentiel. Des inspections et des essais réguliers permettent de vérifier les dimensions, les propriétés des matériaux et les finitions de surface. Parmi les méthodes utilisées, citons la mesure des coordonnées et les essais de rugosité et de dureté des surfaces. Ils garantissent également la traçabilité et la conformité aux règles grâce à une documentation complète.
Analyse des contraintes
L’analyse des contraintes révèle les zones sujettes à des contraintes élevées et les points de défaillance en termes généraux. Les logiciels d’ingénierie modélisent ces éléments à l’aide de techniques d’optimisation.
Alignement de l’arbre
Des outils de précision et des techniques appropriées peuvent être utilisés pour obtenir un alignement adéquat. Tenez compte de l’environnement afin de réduire les vibrations et, partant, l’usure.
Conclusion
Les arbres usinés jouent un rôle essentiel dans les machines modernes, garantissant un fonctionnement sans heurts et des performances élevées. Grâce à une fabrication précise et à un contrôle de qualité rigoureux, ces composants répondent aux normes rigoureuses de l’industrie.
En partenariat avec nous, vous pouvez tirer parti des technologies d’usinage de pointe pour obtenir des arbres de qualité supérieure adaptés à vos besoins spécifiques. Ensemble, faisons avancer l’innovation.
