La tolérance de la taille des engrenages par commande numérique (CNC) est de 5 à 10 micromètres en production standard. Les dents de vos engrenages sont façonnées avec une extrême précision.
Les machines manuelles ne peuvent pas réaliser cela. Il vous faut une commande numérique, des montages précis et un processus de découpe adapté à votre engrenage. Choisir la mauvaise méthode ne se traduira pas seulement par un engrenage de moindre qualité ; il sera plus cher, le délai de livraison plus long et vous générerez plus de rebuts.
Vous trouverez les informations suivantes dans cet article :
- Comment fonctionne la découpe d'engrenages CNC ?
- Quelle méthode choisir et pourquoi ?
- matériaux d'usinage d'engrenages
- Le processus de fabrication complet, de l'ébauche à l'engrenage fini
- Tolérances et comment choisir un fournisseur
Qu'est-ce que la découpe d'engrenages CNC ?
fonctionnement
Le taillage d'engrenages par commande numérique (CNC) consiste à usiner les profils des dents d'une ébauche d'engrenage à l'aide de machines à commande numérique. L'ébauche, un cylindre brut, est montée sur un arbre de précision. L'outil de coupe enlève ensuite de la matière selon une trajectoire programmée jusqu'à ce que chaque dent prenne sa forme finale.
L'élément essentiel est la synchronisation. Sur un centre d'usinage CNC moderne, la rotation de la fraise et celle de l'ébauche sont couplées électroniquement par un réducteur électronique. La machine calcule la géométrie des dents de manière mathématique, de sorte que chaque dent d'un lot de 5 000 est identique à la première.
Taraudage d'engrenages CNC vs. manuel
La taille manuelle d'engrenages repose sur l'opérateur pour régler les avances, vérifier l'alignement et détecter les problèmes. Elle convient aux pièces uniques. Cependant, elle ne permet pas d'obtenir des tolérances serrées en série et elle est lente.
CNC Cela modifie les deux : des tolérances plus strictes et des temps de cycle plus courts. Une qualité constante de la première à la dixième millième pièce. Par exemple, les machines manuelles offrent une tolérance de ±0.05 à 0.10 mm. Le taillage par fraise-mère CNC garantit une tolérance standard de ±0.020 mm. La rectification d’engrenages permet de réduire cette tolérance à ±0.005 mm.
Niveaux ISO atteignables par processus :
| Processus | Niveau ISO atteignable | Utilisez le |
| Directement du fraisage | 6e et 8e année | Engrenages industriels généraux |
| Directement de la parage | 6e et 7e année | Couronne dentée interne, EV |
| Après le meulage des engrenages | 3e et 5e année | Engrenages de haute précision à grande vitesse |
| Après rodage | 3e et 4e année | Engrenages ultra-silencieux et à longue durée de vie |
Méthodes de taillage d'engrenages CNC
Il existe six principales méthodes de taillage d'engrenages par commande numérique. Chaque méthode est expliquée dans le tableau ci-dessous.
| Méthode | Meilleur type d'équipement | Plage de volume | Grade ISO | Speed |
| Taillage d'engrenage | Éperon, hélicoïdal | 1,000 - 100,000+ | 6e et 8e année | Haute |
| Fraisage hélicoïdal | Hélice haute >30°, chanfrein | 200 – 2,000 | 6e et 7e année | Moyenne |
| Mise en forme des engrenages | Interne, cluster | 500 – 50,000 | 7e et 9e année | Lent |
| Dégrossissage des engrenages | Couronnes dentées internes | 1,000 - 100,000+ | 6e et 7e année | Très rapide |
| Rectification d'engrenages | Toutes | Opération supplémentaire | 3e et 5e année | Lent |
| Brochage d'engrenages | Cannelures internes uniquement | 10,000 | 7e et 8e année | Résultats des tests |
Comparaison de vitesse relative entre les méthodes ; le temps de cycle réel dépend du module, du nombre de dents et du matériau.
Taillage d'engrenage
Le taillage par fraise-mère est la méthode de taillage CNC la plus répandue pour les engrenages cylindriques et hélicoïdaux. Une fraise-mère à plusieurs dents tourne en synchronisation avec l'ébauche et taille toutes les dents en un mouvement continu. Ce procédé est rapide, précis et économique pour les grandes séries. Un engrenage hélicoïdal de module 3 et de 50 dents est usiné en 18 à 22 secondes sur une machine moderne.
Une ébauche peut être certifiée conforme aux normes des matériaux tout en présentant une variation de dureté de 5 à 8 HRC sur sa section transversale. À partir de la 80e pièce d'une série, cette variation engendre une usure imprévisible de la fraise et des défauts de profil qui ne sont détectables qu'à l'inspection finale.
Fraisage d'engrenages hélicoïdaux
Fraisage CNC 5 axes On utilise une fraise de forme ou une fraise en carbure monobloc pour usiner les engrenages hélicoïdaux. La plupart des guides indiquent que le fraisage est réservé aux prototypes. Cette règle ne s'applique plus aux productions en moyenne série, de 200 à 2 000 pièces. Dans ce cas, l'angle d'hélice est supérieur à 30° ou le matériau est un alliage dur comme le 4340 ou le 9310.
Pour ces opérations, le réglage d'un centre d'usinage par taillage nécessite de nombreux essais pour optimiser l'hélice et le pas. Un centre d'usinage 5 axes s'affranchit de ces variables. Résultat : un coût total inférieur de 25 à 40 % pour les séries moyennes d'usinage hélicoïdal dans des matériaux difficiles, en tenant compte du réglage, des rebuts d'essai et de l'outillage.
Mise en forme des engrenages
Le taillage d'engrenages utilise un outil de coupe alternatif ressemblant à une petite roue dentée. Bien que lent, il permet d'atteindre des zones inaccessibles au taillage par fraise-mère, comme les engrenages internes, les engrenages à épaulement et les engrenages groupés. Si votre engrenage est interne et que son volume ne justifie pas le taillage par chanfreinage, le taillage est la solution idéale.
Dégrossissage des engrenages
Le taillage par grugeage est un procédé de coupe continue où l'outil de coupe se déplace selon un angle perpendiculaire à l'ébauche de la roue dentée. Il permet de produire des couronnes dentées internes environ huit fois plus rapidement que le taillage par formage. Cependant, votre machine nécessite une broche rigide avec synchronisation EGB. Tous les ateliers ne sont pas équipés de cet équipement.
Rectification d'engrenages
La rectification d'engrenages est une étape de finition, et non une méthode de coupe principale. On l'utilise après le taillage par fraise-mère ou le façonnage, généralement après traitement thermiqueLe rectification permet de corriger les distorsions et d'atteindre une plus grande précision. Cette opération est indispensable lorsque la vitesse de rotation dépasse 5 000 tr/min. Le rectification permet de réduire le faux-rond à ±0.005 mm et d'obtenir un état de surface Ra de 0.4 à 0.8 µm.
Brochage d'engrenages
Le brochage consiste à faire passer une broche à plusieurs dents dans l'alésage en une seule passe. Les cannelures internes sont usinées en quelques secondes. C'est la méthode la plus rapide pour les grandes séries. Cependant, le coût de l'outillage est élevé ; elle n'est rentable qu'au-delà de 10 000 pièces par série environ.
Types d'engrenages produits par usinage CNC
| Type de vitesse | Méthode CNC | Usage commun | Module typique |
| Réducteurs à engrenages cylindriques | fraisage par grugeage | Réducteurs, convoyeurs | 1-8 |
| Engrenage hélicoïdal | Fraisage par génération / Fraisage 5 axes | Transmissions automobiles | 1-6 |
| Réducteurs à couple conique | 5 axes / Gleason | Différentiels, transmissions à angle droit | 1-10 |
| Vis sans fin | Façonnage, formation | Réducteurs à rapport élevé | 1-5 |
Engrenages droits personnalisés
Les engrenages cylindriques à denture droite possèdent des dents parallèles à l'axe de l'arbre. Ils ne génèrent aucune poussée axiale. Leur géométrie simple et leur faible coût en font un choix judicieux pour les arbres parallèles et les charges modérées.
Engrenages hélicoïdaux
Les dents d'un engrenage hélicoïdal sont inclinées par rapport à l'arbre, généralement de 15 à 30°. L'engrènement simultané de plusieurs dents répartit la charge, ce qui réduit le bruit et augmente la capacité de charge par rapport aux engrenages droits de même dimension.
Engrenages coniques sur mesure
Les engrenages coniques transmettent la puissance entre des arbres qui se rejoignent à angle droit, le plus souvent de 90°. Les engrenages coniques droits sont plus simples et moins coûteux à usiner. De même, les engrenages coniques hélicoïdaux supportent des charges plus élevées avec plus de fluidité. Ces deux types d'engrenages sont utilisés dans les différentiels, les réducteurs à angle droit et les outils électriques.
Engrenages à vis sans fin
Un ensemble d'engrenages à vis sans fin offre un rapport de réduction élevé dans un espace réduit. Cet ensemble comprend :
- Le ver
- Un arbre en forme de vis
- Se visse avec une roue en bronze.
La vis sans fin est taillée par fraisage sur une machine CNC. La roue est en bronze et tourne contre de l'acier sans se gripper.
Outils de coupe d'engrenages
Types d'outils
Les principaux outils de taillage d'engrenages sont :
Plaques de cuisson
Utilisée pour le taillage d'engrenages cylindriques à denture droite, hélicoïdale et à vis sans fin. Filetage simple pour la précision, filetage multiple pour la rapidité.
fraises à tailler les engrenages
Fraises en forme de disque, de tige ou de coupelle pour le taillage d'engrenages, notamment d'engrenages internes.
fraises à parer
Ces pièces sont destinées au surfaçage interne des couronnes dentées sur les machines EGB-sync.
fraises en bout et disques de coupe
Ces outils sont destinés au fraisage 5 axes d'engrenages hélicoïdaux et coniques, ainsi qu'à la fabrication de pièces métalliques. fraisage de filets.
Meules en CBN et en oxyde d'aluminium
Les fabricants utilisent ces outils pour le meulage et la finition des engrenages.
Matériaux et revêtements
L'acier HSS-E convient à la plupart des opérations de taillage par arrosage sur les aciers alliés standard. Le carbure cémenté fonctionne à une vitesse de coupe trois fois supérieure (180 à 250 m/min à sec) et génère moins de chaleur dans la pièce.
Le choix du revêtement est plus important que la plupart des ingénieurs ne le pensent :
- TiN (à usage général)
- TiAlN (pour le taillage à sec)
- AlCrN (pour les alliages haute température)
Matériaux pour l'usinage d'engrenages
| Source | Utilisation typique | Traitement thermique |
| AISI 4140 | Boîtes de vitesses, machines | Q&T ou nitruration |
| AISI 8620 | Automobile, aéronautique | Carburer à 58–62 HRC |
| 17-4PH acier inoxydable | Secteurs maritime, médical et alimentaire | H900 |
| BronzeC93200 | Roues à vis sans fin | Aucun |
| Acétal / Delrin | Usage léger, consommateur | Aucun |
Engrenages en acier
L'acier AISI 8620 est un excellent choix pour les engrenages cémentés dans les secteurs automobile et aérospatial. La cémentation à une dureté de 58–62 HRC confère une surface dure et résistante à l'usure à un noyau robuste capable de supporter les chocs. L'acier AISI 4140 convient aux engrenages nitrurés. Pour les applications à haute résistance, alliages de titane sont également une option.
Remarque : Pour les ébauches forgées, la barre d’essai de certification ne reflète pas toujours la dureté sur toute la surface de l’ébauche..
Métaux non ferreux et polymères
Le bronze est le matériau de référence pour les roues à vis sans fin car il frotte contre les vis sans fin en acier sans se gripper. Le laiton convient aux petites pièces. Par ailleurs, les plastiques techniques offrent un faible niveau sonore et ne nécessitent aucune lubrification.
Processus de fabrication d'engrenages sur mesure
Préparation de l'ébauche d'engrenage
La première étape consiste à partir d'une ébauche forgée, car les ébauches forgées sont plus adaptées aux engrenages soumis à de fortes contraintes. Ensuite, on usine l'ébauche jusqu'à son diamètre de référence, on effectue l'alésage et on dresse la face. Cette étape est plus importante qu'on ne le pense.
Par exemple, un faux-rond involontaire de l'ébauche à ce stade se répercute directement sur le faux-rond primitif de la roue dentée finie. Il faut donc maintenir l'ébauche à 0.005 mm TIR sur l'arbre de tournage, et non à 0.015 mm.
Découpe d'engrenages CNC
Le choix de la méthode de coupe dépend du type d'engrenage et du volume de production. Un contrôle de réglage presque jamais consigné dans une fiche de processus : vérifier l'alignement axial de la fraise-mère à 0.002–0.003 mm TIR sur l'arbre de coupe en cours d'usinage, et non seulement au début.
La dilatation thermique durant deux heures d'usinage peut entraîner un décalage de la fraise de 0.005 mm. Ce décalage engendre une charge plus importante sur le flanc d'une dent ; l'engrenage passera le contrôle dimensionnel, mais sera défectueux sur le terrain. Les machinistes expérimentés effectuent ce contrôle systématiquement. Cela prend 30 secondes.
Traitement thermique
Pour les engrenages cémentés en acier 8620, le procédé est le suivant : cémentation gazeuse à 900–950 °C, trempe, revenu à 58–62 HRC. Un paramètre important à prendre en compte : le traitement thermique déforme généralement l’engrenage suffisamment pour modifier le faux-rond primitif de 0.02 à 0.05 mm.
Rectification et finition d'engrenages
Rectification de profil Le rodage corrige les déformations dues au traitement thermique et confère à l'engrenage sa précision finale. Après la rectification, le honage élimine les dernières aspérités, par exemple une rugosité Ra inférieure à 0.4 µm, et assure un contact optimal entre les dents.
Inspection et contrôle qualité
Le contrôle complet est effectué à l'aide d'un centre de mesure d'engrenages à commande numérique (CNC) — Klingelnberg, Mahr ou Wenzel. Il mesure :
- Écart de profil
- Déviation du plomb
- Erreur de hauteur
- Erreur composite radiale totale
Une machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) ne remplace pas un appareil de mesure tridimensionnelle. Du moins, pas dans ce cas précis.
Sur les engrenages de production cémentés 8620, avec contrôle du décalage de la fraise et de la température du liquide de refroidissement, l'erreur radiale composite totale est généralement inférieure à 0.015 mm. La plupart des fiches techniques des fournisseurs indiquent une limite pratique de 0.025 à 0.035 mm. Cela démontre que la différence réside dans la rigueur du processus, et non dans les capacités de la machine.
Tolérances et normes de qualité
L'AGMA et l'ISO définissent toutes deux des niveaux de qualité pour les équipements, mais leurs approches sont opposées. AGMA passe du 3e au 15e trimestrePlus le chiffre est élevé, meilleure est la qualité.
La norme ISO/DIN va de la classe 3 à la classe 12. Plus le chiffre est bas, meilleure est la qualité.
Paramètres de précision
Pour réaliser un dessin d'engrenage complet, vous devez comprendre trois paramètres :
- Écart de profil
- Déviation du plomb
- Erreur composite radiale totale
Le tableau des tolérances ci-dessous présente les statistiques complètes :
| Processus | Grade ISO | Équivalent AGMA | Faux-rond (mm) | Surface Ra (µm) |
| Taillage CNC | DIN 6-8 | Q8–Q10 | ± 0.020 | 1.6-3.2 |
| Fraisage 5 axes | DIN 6-7 | Q9–Q10 | ± 0.015 | 1.6-3.2 |
| Façonnage des engrenages | DIN 7-9 | Q7–Q9 | ± 0.025 | 1.6-3.2 |
| Découpe d'engrenage | DIN 6-7 | Q9–Q10 | ± 0.012 | 0.8-1.6 |
| Meulage d'engrenages | DIN 3-5 | Q11–Q13 | ± 0.005 | 0.4-0.8 |
| Rodage | DIN 3-4 | Q12–Q13 | ± 0.003 | 0.2-0.4 |
Étude de cas : Engrenage cylindrique composé pour transmission à usage intensif
Il s'agissait d'un engrenage à denture droite composé destiné à une boîte de vitesses à usage intensif. Cet engrenage comprenait deux pignons de modules différents, taillés sur le même arbre et fonctionnant dans un seul carter. Il était fabriqué en acier allié 20CrMnTi, une nuance standard chinoise comparable à l'AISI 8620, qui se cément et se trempe efficacement sous fortes charges et dans des conditions d'usure importantes.
L'ordre d'usinage était le suivant : tournage sur référence, fraisage des pièces d'engrenage individuelles, découpe de la cannelure intérieure et traitement thermique.
Premier: Les deux sections d'engrenage partagent le même arbre et doivent donc rester concentriques. Tout jeu entre les deux sections provoque un bruit d'engrènement simultané sur les deux engrenages.
Seconde: Le traitement thermique a déformé la pièce. Après cémentation et trempe, le profil des dents et le faux-rond global sont devenus hors tolérance.
SolutionLa solution a donc permis de résoudre les deux problèmes simultanément. FastPreci Nous avons laissé une surépaisseur sur les faces d'alésage et de référence avant le traitement thermique, puis nous avons usiné ces surfaces après trempe pour rétablir la référence. Le décalage de taillage de chaque section a été ajusté pour compenser la direction de distorsion prévue. Après le traitement thermique, nous avons légèrement rectifié les surfaces critiques sur lesquelles repose l'instrument de mesure.
En résultatLe faux-rond total est resté inférieur à 0.015 mm sur les deux sections d'engrenage. Les deux engrenages s'engrènent sans problème et sans réglage. Le niveau sonore lors des essais d'assemblage était inférieur à la limite fixée par le client.
Comment choisir un fabricant d'équipement sur mesure
Liste de contrôle de l'équipement
Avant d'envoyer un dessin, vérifiez que le fournisseur dispose des machines adaptées à votre projet :
- Centres d'usinage CNC avec synchronisation EGB
- centres d'usinage 5 axes
- rectifieuses d'engrenages CNC
- centre de mesure d'engrenages CNC
Certifications
La norme ISO 9001:2015 constitue le référentiel minimal des systèmes de qualité.
- Pour la chaîne d'approvisionnement automobile, vous avez besoin de la norme IATF 16949.
- Pour l'aérospatiale, AS9100 Rév. D.
Vous vérifierez que les procédures d'inspection du fournisseur font référence à la norme ISO 1328-1:2013. Demandez également à consulter un rapport d'inspection complet d'une production comparable récente, avec des valeurs de mesure réelles.
Capacité : Prototypage vs Production
Un bon fabricant d'engrenages sur mesure peut gérer aussi bien les prototypes initiaux que les séries de production complètes avec le même équipement. Demandez-lui s'il propose une analyse de fabricabilité (DFM) avant la finalisation des plans.
Conclusion
La fabrication d'engrenages par commande numérique (CNC) ne se résume pas à un seul procédé. Elle comprend le taillage par fraise-mère pour la plupart des engrenages externes produits en grande série, le fraisage 5 axes pour les engrenages hélicoïdaux en moyenne série dans des matériaux durs, le façonnage et le taillage pour les engrenages internes, et la rectification.
Pour les ingénieurs concepteurs : indiquez les écarts de plomb sur votre dessin et demandez à votre fabricant quelles modifications de profil il recommande avant de finaliser la conception.
Pour les responsables des achats : le prix d’achat ne reflète pas le coût réel. Évaluez les fournisseurs en fonction de leur documentation relative au contrôle des processus, de leurs équipements de mesure et de leur capacité à gérer les problèmes en cours de production.
Les deux décisions se résument à la même chose : travailler avec un fabricant qui possède l’équipement, la rigueur des processus et l’expérience nécessaires pour vous dire ce que le dessin ne dit pas.
Envoyez vos données de dessin et de vitesse Nous l'examinerons, signalerons toute recommandation de modification de processus ou de profil et vous enverrons un devis accompagné d'un plan de contrôle de processus complet.
Questions fréquemment posées
Que sont les engrenages à denture droite ?
Les engrenages à denture droite sont des engrenages cylindriques. Leurs dents sont parallèles à l'axe de l'arbre. Absence de poussée axiale, géométrie simple, coût de production minimal.
Quelle est la méthode de taillage d'engrenages CNC la plus courante ?
Le taillage par génération. Il permet de fabriquer des engrenages cylindriques et hélicoïdaux externes en moyennes et grandes séries, plus rapidement et à moindre coût que toute autre méthode.
Peut-on tailler des engrenages internes par taillage ?
Non. La fraise a besoin d'un dégagement suffisant pour dépasser la pièce à usiner à la fin de chaque passe de coupe. La géométrie interne des engrenages ne permet pas ce dégagement.
Quelle tolérance peut atteindre la découpe d'engrenages par CNC ?
Une erreur radiale composite totale inférieure à 0.015 mm est atteignable grâce à un décalage de la fraise-mère et un contrôle précis de la température du liquide de refroidissement. Les fiches techniques industrielles indiquent souvent une limite pratique de 0.025 à 0.035 mm. La rectification des engrenages permet d'atteindre un faux-rond de ±0.005 mm. Le rodage permet d'atteindre ±0.003 mm et une rugosité Ra inférieure à 0.4 µm.
Quand faut-il rectifier les engrenages ?
Deux cas principaux se présentent. Premièrement : l’engrenage a subi un traitement de cémentation et les déformations dues au traitement thermique doivent être corrigées. Deuxièmement : l’application fonctionne à plus de 5 000 tr/min environ. À cette vitesse, le bruit, les vibrations et la durée de vie en fatigue exigent une classe ISO 5 ou supérieure.
