Tournage hors ronde : Une nouvelle ère pour la fabrication de transmissions

L'unité de tournage ovale hyperspeed (HOT) « hors ronde » de Weisser permet l'usinage dur et tendre de pistons alternatifs pour moteurs à combustion en aluminium et acier, d'arbres à cames trempés, de profils ou formes polygonaux, et de pompes à carburant automobiles, entre autres applications.

Les transmissions automobiles continuent d'évoluer. Elles continuent également d'utiliser des connexions à cannelures et par retrait pour les composants d'arbres internes. Cependant, Reiner Jörg, ingénieur en chef du département R&D du constructeur de machines-outils Weisser, dans le sud de l'Allemagne, affirme que les couplages polygonaux ou les connexions arbre-moyeu polygonales constituent une bonne alternative à ces méthodes de connexion traditionnelles pour les composants de transmission.

« Les couplages polygonaux ne sont pas nouveaux », dit-il. « Conçus pour éliminer les problèmes de défaillance courants associés aux cannelures et aux fixations d'arbre à clé, le système polygonum général est une méthode éprouvée et supérieure pour réaliser des connexions mécaniques exigeantes, plus résistantes, plus précises et offrant une durée de vie nettement plus longue, car une répartition efficace de la charge élimine virtuellement le contact ponctuel, minimisant la fatigue et la distorsion. Le polygone a une capacité de couple supérieure à toute autre fixation d'arbre. La transmission de force et les charges nominales sont optimisées, et une connexion d'arbre plus courte peut souvent être utilisée, ce qui permet d'économiser un espace précieux. Une masse accélérée moindre dans un espace plus réduit, comme les boîtes de vitesses, contribue à l'efficacité énergétique mentionnée. »

Néanmoins, il précise que les constructeurs automobiles n'ont pas encore adopté les couplages polygonaux pour leurs transmissions. L'une des raisons est que ces pièces sont difficiles à usiner. Cependant, la technologie de tournage hors ronde de Weisser pourrait changer la donne en permettant aux fabricants de tourner des formes polygonales finies en une seule opération sur une seule machine. Une telle capacité peut rendre le tournage hors ronde plus efficace que les procédés de fraisage de profil et de rectification généralement utilisés pour produire les connexions arbre-moyeu automobiles traditionnelles.

Depuis son introduction en 1993, le tournage hors ronde est utilisé pour l'usinage dur et tendre de pistons alternatifs pour moteurs à combustion en aluminium et acier, d'arbres à cames trempés, de profils ou formes polygonaux, et de pompes à carburant automobiles. Aujourd'hui, Weisser travaille sur plusieurs projets avec des équipementiers d'origine (OEM) pour démontrer comment une adoption plus large de ce processus pourrait rendre faisable le remplacement des connexions arbre-moyeu traditionnelles par des couplages polygonaux.

Les arbres polygonaux sont conçus pour éliminer les problèmes de défaillance courants associés aux cannelures et aux fixations d'arbre à clé. Le polygone a une capacité de couple supérieure à toute autre fixation d'arbre. La transmission de force et les charges nominales sont optimisées et une connexion d'arbre plus courte peut souvent être utilisée pour gagner de la place.

Par exemple, le système d'usinage hors ronde Hyperspeed Oval Turning (HOT) de l'entreprise est une unité distincte qui s'intègre au tour vertical Vertor de l'entreprise. Les formes ovales ou hors ronde sont produites par l'interaction de l'axe de la broche de la pièce avec l'axe d'avance générateur de diamètre de l'outil.

Le bord de coupe de l'outil se déplace dans la même direction que l'axe X et perpendiculairement à l'axe de la broche de la pièce. Le bord de coupe peut être positionné de manière variable dans ce plan notionnel pour produire des contours radiaux et frontaux ou une excentricité hémisphérique. Weisser utilise des entraînements linéaires plutôt que des vis à billes pour accélérer les unités de tournage ovale.

La puissance de l'entraînement dynamique est en partie requise pour l'accélération de la masse et en partie comme force agissant sur le bord de coupe de l'outil pendant l'usinage. L'outil de coupe peut être accéléré dans un mouvement oscillant radial jusqu'à 130 G. Ce niveau d'accélération est si extrême, même pour les derniers CNC Siemens et Bosch Rexroth, que la plupart des applications impliquent des accélérations de seulement 30 à 90 G.

« Pour une excentricité donnée, le régime maximal admissible de la pièce est lié à l'accélération maximale du tranchant, produite par l'entraînement oscillant. Une accélération nominale de 30 G facilite la plus haute précision et la génération d'une finition de surface de premier ordre », explique Jörg.

Le mouvement du bord de coupe de l'outil se fait dans la direction de l'axe X et, par conséquent, perpendiculairement à l'axe de la broche de la pièce. Le bord de coupe peut être positionné de manière variable dans ce plan notionnel de sorte que des contours radiaux et frontaux ou une excentricité hémisphérique puissent être produits.

Malgré l'accélération nominale élevée, des propriétés d'amortissement de chocs spéciales garantiraient la précision en limitant la force exercée sur la structure de base de la machine. « Notre système compense les forces d'accélération en transformant le travail d'accélération en énergie cinétique, de sorte que les vibrations de la machine sont éliminées et des qualités de surface élevées atteintes », explique Jörg. « Grâce à la compensation intégrée de la force de coupe, les forces de coupe nettes (forces passives) peuvent être presque entièrement neutralisées. »

L'un des clients de Weisser fabrique des cames polygonales en moins d'une minute en une seule opération et quatre passes de tournage, y compris les opérations d'usinage de face et de chanfreinage. À 1 500 tr/min, l'unité de tournage hors ronde génère un avance de 0,1 mm par rotation et une profondeur de coupe de 0,8 à 2 mm. Les pièces sont finies avec une précision de ±10 microns.

Un autre client, qui a franchi une étape supplémentaire par rapport à de nombreux concurrents internationaux, a déjà intégré un couplage polygonal dans une boîte de vitesses nouvellement développée, en utilisant la technologie HOT de Weisser. « Le client a remplacé l'arbre cannelé par un arbre polygonal au septième rapport, ce qui a réduit la longueur de l'arbre de 20 à 12 mm, car le polygone a une capacité de couple supérieure à toute autre fixation d'arbre », déclare Jörg. « Ainsi, une connexion d'arbre plus courte peut être utilisée et un espace précieux économisé. » Cette économie d'espace a permis d'optimiser le rapport de transmission du premier rapport, qui rencontrait des problèmes de fatigue avec la conception originale.

En faisant la promotion de sa technologie HOT pour les connexions arbre-moyeu polygonales, Weisser a vendu jusqu'à présent environ 100 machines avec une unité de tournage hors ronde intégrée. Elle propose désormais son tour vertical Vertor C avec un changeur d'outils automatique pour permettre un usinage encore plus flexible. Selon Jörg, la précision atteignable est actuellement limitée par la capacité du CNC. « Si vous faites tourner votre machine à 1 800 tr/min et que vous souhaitez usiner votre pièce avec une résolution d'un degré avec notre unité de tournage hors ronde, le contrôleur doit gérer 9 180 signaux par seconde. Nous parlons d'une résolution dans le domaine des nanosecondes. C'est le facteur limitant. Mais nous travaillons à repousser davantage ces limites système pour usiner au niveau de tolérance micronique. »