Fabrication d'engrenages : guide expert des procédés de production

Le concept d'engrenages existe depuis longtemps : ce sont parmi les plus anciens composants mécaniques encore pertinents aujourd'hui. Que ce soit l'industrie automobile, le secteur aérospatial, tout machinisme industriel, ou quelque chose d'aussi simple qu'une horloge. Les engrenages sont indispensables partout, et vous souhaitez peut-être en apprendre davantage sur leur fabrication.

La question est : comment les engrenages sont-ils fabriqués ?

Préambule : Procédé de fabrication d'engrenages

Il n'existe pas de procédé unique de fabrication d'engrenages, car ils requièrent différents processus selon le type et l'application.

Généralement, les engrenages opèrent dans des conditions très sévères car la transmission de puissance (leur but réel) a plusieurs exigences. Premièrement, les engrenages doivent être en parfait état. Ensuite, ils doivent toujours être fiables, avoir des contraintes résiduelles minimales, et peu ou pas de risque de propagation de fissures.

Naturellement, toutes ces exigences sont extrêmement difficiles à satisfaire. Pourtant, nul ne peut nier leur importance. C'est pourquoi la production d'engrenages est un domaine hautement spécialisé avec des tolérances limitées et peu de marge d'erreur.

Cet article vous ramène aux bases de la fabrication d'engrenages : matériaux courants pour engrenages industriels, procédés de préparation, et comment les engrenages supportent toutes ces charges sans faillir.

Types courants d'engrenages et leurs applications

Avant d'entrer dans les détails du taillage et des procédés de fabrication d'engrenages, il est important d'examiner les bases. Il existe différents types d'engrenages, leurs applications et avantages.

Votre application, vos paramètres de performance et de nombreux autres facteurs jouent un rôle important dans le type d'engrenages que vous utilisez. Il y a plusieurs façons de caractériser le type d'engrenage, mais la meilleure et la plus pertinente du point de vue de la fabrication est le profil de leurs dents.

Voici les 5 types d'engrenages que vous rencontrerez.

Engrenages droits (Spur gears)

Imaginez mentalement un engrenage. Il y a de fortes chances que vous pensiez à un engrenage à dents droites. C'est exactement l'aspect d'un engrenage droit.

L'engrenage droit est le type le plus courant et a de multiples applications dans les centrales, composants aérospatiaux, machines industrielles, et bien plus. Les dents droites sont les plus simples à fabriquer et supportent des vitesses et charges élevées. Cependant, ils génèrent beaucoup de bruit et ne conviennent pas aux applications nécessitant un fonctionnement doux.

De plus, les engrenages droits peuvent s'accoupler avec d'autres engrenages du même type et avec des engrenages internes/externes. On les trouve dans de nombreux mécanismes d'engrenage comme un simple système crémaillère/pignon ou un système planétaire.

Leur simplicité facilite la fabrication. Il est donc plus aisé de maintenir la précision pendant la production d'engrenages. Les engrenages droits ont aussi peu ou pas de charge axiale, ce qui les rend assez efficaces pour un train d'engrenages où l'on veut minimiser les pertes mécaniques.

Engrenages hélicoïdaux (Helical gears)

Les engrenages hélicoïdaux sont assez similaires aux engrenages droits mais leurs dents sont torsadées autour d'un corps cylindrique. Cette qualité leur permet de travailler avec des arbres parallèles et non parallèles. Leur accouplement ne fonctionne cependant qu'avec d'autres engrenages hélicoïdaux du même angle d'hélice (angle de torsion par rapport au cylindre d'origine).

La plupart des applications des engrenages hélicoïdaux sont les mêmes que celles des engrenages droits. Mais les dents inclinées jouent un rôle énorme dans la réduction de la charge d'impact et le fonctionnement plus doux. Cela signifie moins de bruit, mais au prix de l'efficacité. Par rapport aux engrenages droits, un train hélicoïdal aura plus de pertes et nécessitera des butées à cause de sa forme.

Du point de vue fabrication, les engrenages hélicoïdaux sont plus difficiles que les droits. Les angles d'hélice sont durs à reproduire avec une tolérance acceptable faible. De plus, les coûts de fabrication et l'ajout d'éléments axiaux les destinent à des opérations limitées.

Engrenages coniques (Bevel gears)

Les engrenages coniques ne sont pas vos engrenages cylindriques standards. Ils sont sur une surface conique permettant de changer la direction de la transmission sur des arbres sécants. Généralement, les engrenages coniques travaillent avec des angles de 90°. Mais on peut les utiliser sur d'autres configurations.

Voici quelques types courants d'engrenages coniques pour diverses applications :

• Engrenages coniques droits
• Engrenages coniques hélicoïdaux (spiral bevel)
• Engrenages mitres (Miter gears)
• Engrenages couronnes (Crown gears)
• Engrenages hypoïdes (Hypoid gears)

Engrenages à vis sans fin (Worm gears)

Le système vis sans fin combine deux composants : une roue de vis et un engrenage en forme de vis. Ils sont prédominants dans l'aérospatial, machines industrielles, ascenseurs, et direction automobile.

Le système vis-roue n'offre pas beaucoup de vitesse ni d'efficacité. Mais il offre une caractéristique unique requise pour les mécanismes d'auto-blocage. Dans de nombreux cas, la vis peut tourner la roue, mais l'inverse est impossible à cause des angles d'engrenage. Autre point important : les engrenages vis-roue ont beaucoup de frottement et peuvent nécessiter une lubrification continue pour fonctionner correctement.

Crémaillère et pignon (Rack and pinion)

Le système crémaillère-pignon transforme principalement le mouvement rotatif en linéaire et vice versa. Les dents peuvent s'accoupler avec des dents droites et hélicoïdales, permettant de travailler sur axes parallèles et en angle. Applications courantes : systèmes automobiles, balances, et systèmes similaires.

Matériaux utilisés pour produire les engrenages

Il n'y a pas de restriction matérielle pour les engrenages. Les plus anciens étaient en bois, et on trouve des engrenages de différents matériaux dans l'industrie. Des gros engrenages industriels en acier ou fonte aux petits engrenages plastiques dans les jouets. Les combinaisons sont infinies.

Néanmoins, les éléments suivants sont les plus couramment utilisés dans la fabrication d'engrenages et les procédés de formage :

• Fonte
• Acier
• Bronze
• Plastiques

Les engrenages ont des critères très spécifiques de sélection des matériaux. Selon l'application, le matériau choisi doit avoir la résistance à la traction et l'endurance appropriées.

De plus, le coefficient de frottement est une autre considération car les engrenages nécessitent un contact constant. Enfin, il faut choisir des matériaux faciles à traiter. Un matériau résistant mais difficile à usiner sera plus compliqué car la fabrication d'engrenages exige une précision et une exactitude extrêmes.

Les matériaux susmentionnés offrent l'équilibre parfait de ces propriétés pour leurs applications. C'est pourquoi on les retrouve couramment dans la plupart des engrenages.

RapidDirect peut fournir tous ces matériaux utilisés dans la fabrication d'engrenages. Téléchargez votre fichier de conception pour obtenir un devis pour votre projet d'engrenage.

Procédés courants de fabrication d'engrenages

La production d'engrenages est assez complexe en raison de la précision qu'elle exige. Aujourd'hui, la fabrication d'engrenages est une industrie à part entière qui repose sur de multiples procédés, traditionnels et modernes, pour assurer le bon équilibre entre coût, qualité et opérations.

Voici une liste des procédés courants de taillage et fabrication d'engrenages avec leurs avantages et inconvénients apparents.

1 – Moulage (Casting)

Le moulage est un procédé plus simple, principalement utilisé pour préparer des ébauches ou cylindres pour engrenages, tandis que les dents sont réalisées par usinage. Cependant, c'est un procédé de fabrication d'engrenages viable pour l'ensemble pour de nombreuses applications grâce à sa capacité de production en série et sa relative facilité.

Il y a toutefois un domaine où le moulage est la méthode de fabrication privilégiée dans l'industrie : la production de très gros engrenages. Les méthodes d'usinage et autres méthodes de formage ne sont pas viables pour les grands diamètres. Généralement, les gros engrenages sont presque toujours de type droit. Leur relative simplicité fait du moulage une excellente option.

Parmi les types de moulage les plus courants, le moulage en coquille, sous pression, en sable et en moule permanent sont les plus utilisés pour la production d'engrenages. D'autres méthodes ont un usage limité dans certaines applications. Mais les précités sont les plus courants dans l'industrie.

2 – Forgeage (Forging)

C'est un autre procédé de formage qui peut donner à la fois des ébauches et des engrenages finis selon vos besoins. Le forgeage est assez viable pour des engrenages relativement simples.

Théoriquement, le forgeage est un excellent procédé de fabrication d'engrenages pour applications lourdes pour une raison simple : il nécessite un traitement thermique, ce qui signifie que l'engrenage résultant aura de meilleures propriétés de fatigue. Cependant, la force tremende requise pour le forgeage limite la taille et la finesse de ce procédé.

Généralement, le forgeage fonctionne bien pour des engrenages de 6 à 10 ft de diamètre. Selon le type de forgeage (ex: forgeage de précision), vous aurez peut-être besoin ou non d'usiner les engrenages à la fin.

3 – Extrusion et étirage à froid

C'est un autre procédé de formage d'engrenages à la fois polyvalent et plus simple. En fait, l'extrusion a un coût d'outillage plus faible, mais cela ne signifie pas qu'elle est le procédé le plus économique.

L'extrusion, comme son nom l'indique, consiste à faire passer un profil métallique chauffé à travers une forme pré-déterminée plus petite. On obtient ainsi une barre de la forme désirée avec une surface externe durcie et lisse.

L'étirage à froid est très similaire à l'extrusion. Deux différences : l'extrusion pousse l'ébauche à travers une filière, l'étirage la tire. L'autre différence est la température : l'étirage à froid ne chauffe pas la billette, augmentant les propriétés mécaniques au prix d'un coût plus élevé.

4 – Métallurgie des poudres

La métallurgie des poudres est un procédé avancé qui a fait des progrès significatifs ces dernières années. Aujourd'hui, elle est utilisée pour de multiples procédés de fabrication, y compris la production d'engrenages.

Comment fonctionne la métallurgie des poudres ? De l'extérieur, c'est assez simple. Mais il y a beaucoup de subtilités.

Tout commence avec de la poudre métallique. La première étape est de donner à toute la poudre la forme finalisée désirée. Une fois fait, l'étape suivante assure que l'ensemble est bien compact, ce qui donnera de meilleures propriétés mécaniques. On chauffe soigneusement l'ensemble et c'est fini.

La métallurgie des poudres est extrêmement efficace, simple et viable pour de grandes quantités. Pas de post-traitement à prévoir, le produit est prêt à l'emploi. Cependant, les engrenages résultants ne supportent pas de trop fortes charges et il y a des limitations de taille.

De plus, le coût initial pour toute installation de métallurgie des poudres est assez élevé, ce qui la rend non viable pour la production de faibles volumes.

5 – Découpage (Blanking)

Le découpage est un procédé très similaire à l'extrusion mais avec des capacités 3D limitées. Ce procédé de formage d'engrenages utilise de la tôle pour créer la forme désirée avec l'aide de plusieurs matrices. On peut produire différents types d'engrenages par découpage. Cependant, les engrenages droits donnent les meilleurs résultats.

Aujourd'hui, le procédé de découpage pour la production d'engrenages est utilisé par de multiples industries pour applications légères. Par exemple : équipement de bureau, hydraulique, petits dispositifs médicaux, et autres applications à faibles exigences de charge.

6 – Usinage d'engrenages (Gear Machining)

L'usinage est parmi les procédés de fabrication d'engrenages les plus courants grâce à sa polyvalence. L'usinage traditionnel était déjà courant pour le taillage et la fabrication d'engrenages, mais les avancées de l'usinage CNC ont propulsé sa popularité.

Les 4 méthodes de taillage d'engrenages suivantes sont les plus courantes dans l'industrie.

Taillage par crémaillère (Hobbing)

Le taillage par crémaillère utilise un dispositif de coupe conique appelé crémaillère (hob). La crémaillère et la pièce tournent toutes deux pendant que la crémaillère tourne autour de l'ébauche d'engrenage. Jusqu'à présent, seuls les engrenages droits et hélicoïdaux externes peuvent être créés par taillage par crémaillère.

Le procédé est assez polyvalent et rapide. On peut aussi augmenter les taux de production en traitant plusieurs empilements ensemble. Mais il demande plus de compétence et de précision.

Taillage par étirage (Shaping)

Le taillage par étirage est un procédé avancé de taillage et fabrication d'engrenages qui développe des engrenages que le taillage par crémaillère ne peut pas gérer. Le cutter peut être de n'importe quelle forme : pignon, forme crémaillère, ou forme à pointe unique. Il ressemble assez à un engrenage et fonctionne en coupant dans l'ébauche selon votre forme requise. On peut créer des engrenages internes ou en grappe avec le taillage par étirage.

Brochage (Broaching)

Le brochage est peut-être la méthode la plus rapide de taillage par forme. Il repose sur un outil multi-dents avec des coupeurs intégrés qui vont plus profond que leurs prédécesseurs. Cela donne des coupes plus petites, incrémentales, plus faciles à réaliser et qui donnent rapidement la forme requise sans compromettre la précision.

Ce procédé de fabrication d'engrenages est typique pour les engrenages internes, mais on peut l'utiliser pour faire des dents externes aussi. Pour cela, il faut un outil spécialisé pour le brochage de pot qui permet de répliquer la même précision et efficacité.

Fraisage (Milling)

C'est une méthode de base de taillage d'engrenages où l'on produit les dents individuelles séquentiellement. Elle est cependant assez polyvalente, surtout avec une fraiseuse CNC. Bien qu'on puisse faire n'importe quel type d'engrenage sur une fraiseuse, la précision de cette méthode laisse à désirer. C'est pourquoi le fraisage n'est plus aussi courant qu'avant.

Cependant, les développements récents dans le domaine CNC et multi-axes ont changé la donne. La fabrication d'engrenages sur fraiseuses devient de plus en plus courante. Les choses ne feront que s'améliorer avec le temps.

Post-traitement de la fabrication d'engrenages

Selon le procédé de fabrication d'engrenages utilisé, vos engrenages auront besoin de post-traitement avant d'être prêts à 100 %. Ce post-traitement peut aller du traitement thermique pour améliorer les caractéristiques de fatigue à la correction dimensionnelle et la finition de surface.

Voici les 5 procédés de finition de surface les plus courants en production d'engrenages.

• Rectification (Grinding) : Comme son nom l'indique, la rectification est un procédé de finition de surface courant qui donne une finition lisse sur toute la surface. On peut l'effectuer de façon intermittente ou continue, sans affecter les résultats.
• Rodage (Lapping) : Ce procédé est pour les engrenages sensibles où une précision extrême est nécessaire. Le rodage utilise de petites particules abrasives pour lisser une surface à basse ou moyenne vitesse.
• Honnage (Honing) : Autre procédé courant qui polit la surface et la rend lisse. De plus, on peut corriger certaines erreurs mineures de géométrie de dent.
• Ébarbage/Écalage (Shaving) : Ce procédé enlève des couches extrêmement fines de la surface pour obtenir un profil lisse. L'ébarbage est généralement coûteux, donc rarement utilisé en production d'engrenages.
• Burnissage (Burnishing) : En son essence, le burnissage utilise la compression pour lisser la surface.

Faites appel à RapidDirect pour les meilleurs services de fabrication d'engrenages

La fabrication d'engrenages est un domaine hautement spécialisé exigeant une précision et une exactitude extrêmes. Les engrenages sont un composant essentiel de tout système mécanique et même le plus petit défaut de fabrication peut avoir des conséquences désastreuses. Il faut donc être attentif au service sélectionné.

RapidDirect est un service certifié ISO avec l'équipe la plus expérimentée qui délivre la meilleure performance au prix le plus compétitif. Nous offrons des services à la pointe de la technologie qui vous donnent le meilleur en matière de fabrication d'engrenages.

Des gros engrenages pour machinerie industrielle aux plus petits composants pour applications de niche, RapidDirect offre la bonne combinaison de compétences, d'expérience et de qualité dont vous avez besoin. Contactez-nous aujourd'hui et obtenez un devis initial sous quelques heures.