Illustration technique d'un engrenage de transmission doté d'une cannelure interne traversante, actuellement en cours d'examen. Il ne s'agit ni d'une pièce destinée à un client, ni d'une machine livrée, ni d'un plan coté.
Une cannelure interne permet de relier un pignon de transmission à un arbre tout en garantissant l'alignement rotatif et la transmission du couple. Le brochage est une technique de fabrication envisageable lorsque la cannelure traverse l'alésage du pignon, que la pièce et l'outil peuvent être guidés selon des repères contrôlés, et que le matériau, l'épaisseur de matière et la charge de la machine restent stables.
L’étape de fabrication modifie l’ensemble de la solution. Une brocheuse à traction progressive peut réaliser la cannelure lorsque l’engrenage se trouve dans un état permettant l’usinage, avant le traitement thermique. Si le traitement thermique modifie ensuite un profil critique, une opération spécialisée de brochage à froid peut corriger un léger surépaisseur contrôlé. Ces méthodes ne sont pas interchangeables.
Cet article traite d'une pièce spécifique : une ébauche de pignon de transmission ou un pignon de transmission semi-fini comportant une cannelure interne traversante à flancs droits ou à développante. Elle ne couvre pas le moyeu du synchroniseur, le pignon différentiel, l'élément du joint homocinétique, les dents de l'engrenage externe ni la cannelure hélicoïdale.
Définir le type exact d'engrenage, le profil cannelé et l'étape de fabrication
Ne commencez pas par un modèle de machine. Figez l'application :
| Saisie | Question contrôlée | Pourquoi est-ce important ? |
|---|---|---|
| Identité de l'équipement | Quelle boîte de vitesses et quelle version ? | Empêche le mélange de moyeux, d'alésages et de caractéristiques externes différents |
| État de production | Pièce brute non usinée, pièce pré-usinée ou engrenage traité thermiquement ? | Dissocie la production des opérations de finition |
| Spline | À flancs droits ou à denture involutive, accès traversant, dessin/révision de la norme | Définit la forme de l'outil et le contrôle |
| Alésage et faces | Dimensions avant le brochage, finition et repères | Contrôle des instructions, de l'inventaire et de l'emplacement des équipements |
| État du matériel | Alliage, état à la livraison, dureté et procédé de traitement thermique | Variations de force, usure et déformation |
| Éléments adjacents | Dents extérieures, filetages, trous de graissage, arêtes et revêtements | Créer des zones protégées |
| Objectif de production | Exigences en matière de volume, de lots, de changement de production et de capacité | Influence l'architecture des outils et des machines |
L'alésage préalable au brochage doit garantir une matière à enlever suffisante et contrôlée sur toute la longueur effective de coupe. Un faux-rond excessif, un conique ou une matière à enlever inégale peuvent exercer une charge sur un côté de la broche et fausser le résultat apparent du cannelage.
Pour une vue d'ensemble du processus, consultez le guide de brochage de cannelures. Cet article se concentre sur les choix relatifs à la trajectoire de la boîte de vitesses, au plan de référence, au dispositif de fixation et à la vérification.
Figer l'itinéraire de brochage en douceur
Le brochage à froid permet de réaliser la cannelure avant le traitement thermique final, tout en conservant au matériau de l'engrenage un état d'usinabilité optimal.
Une séquence candidate est :
- Préparez l'ébauche d'engrenage et l'alésage pilote contrôlé.
- Positionnez et caler l'engrenage sur le repère d'alésage/de face homologué.
- Faites passer une broche à cannelures internes progressives à travers toute l'épaisseur de la pièce.
- Nettoyez et inspectez la cannelure souple, l’alésage et les surfaces protégées.
- Effectuer le traitement thermique complet et les opérations de finition restantes.
- Vérifiez que l'engrenage final est dans l'état requis.
Le mot clé est “ définitif ”. Une pièce usinée par brochage léger conforme aux cotes peut subir des modifications après le traitement thermique. Les déformations peuvent affecter le profil, le pas, l’épaisseur des dents ou la largeur de l’espace entre les dents, le faux-rond ou l’ajustement. Ne validez pas un parcours de fraisage sur la seule base des mesures effectuées avant les opérations thermiques et de finition restantes.
Le brochage doux présente souvent un intérêt, car les dents d'ébauche, de semi-finition et de finition se partagent la tâche de création du profil en une seule course contrôlée. Cette technique nécessite toutefois une conception d'outil adaptée, un espace de copeaux suffisant, un alignement stable et une machine capable de couvrir l'ensemble de l'enveloppe force/course.
Déterminer si le brochage dur est une option envisageable pour la finition
Carte des décisions techniques. Le brochage à froid classique permet d'obtenir la cannelure avant le traitement thermique ; le brochage à chaud n'est envisagé que pour les surépaisseurs de correction mesurables, accessibles et maîtrisées après le traitement thermique.
Le brochage à froid ne doit pas être considéré comme un procédé permettant de réaliser automatiquement une cannelure complète à partir d'un bloc monobloc trempé. Dans le cadre d'un processus contrôlé de fabrication d'engrenages de transmission, il s'agit généralement d'une opération de finition ou de recalibrage effectuée après le traitement thermique.
Avant de le choisir :
- mesurer des engrenages représentatifs ayant subi un traitement thermique ;
- représenter graphiquement l'amplitude et le sens de la déformation de la spline ;
- vérifier la dureté globale, l'état de la boîte et les variations locales ;
- vérifier qu’il existe une marge de finition positive et limitée ;
- vérifier que la cannelure reste accessible par l'alésage ;
- protéger les dents et les faces des engrenages extérieurs finis ;
- vérifier le substrat de l'outil, les arêtes et le revêtement, la rigidité de la machine et le contrôle de la vitesse ;
- définir les signaux d'inspection finale et d'usure des outils.
Si la déformation est excessive, irrégulière ou entraîne un excédent de matière, une simple brocheuse à durcissement fixe ne suffit pas à remettre chaque pièce en état. La solution peut nécessiter un meilleur contrôle du processus de travail à froid, une modification du traitement thermique, un autre procédé de finition ou une révision de la conception.
Le Guide comparatif : brochage dur ou souple permet une comparaison plus globale des délais.
Définir la spline, le point de référence et la carte des zones protégées
“La ” précision de la cannelure interne » ne correspond pas à une seule mesure. Le dessin contrôlé peut distinguer :
- diamètres majeur et mineur, le cas échéant ;
- épaisseur de la dent ou largeur de l'espace ;
- profil ;
- plomb ;
- index ;
- faux-rond ou concentricité par rapport au repère de l'engrenage ;
- coupe fonctionnelle ;
- état de la surface et bavures ;
- par rapport à la face de dent approuvée.
La stratégie de référence doit être maintenue tout au long des opérations de brochage, de traitement thermique et de contrôle final. Si l’engrenage est positionné par rapport à une face lors de l’usinage et par rapport à un autre repère lors du contrôle, le plan de mesure doit prévoir une corrélation.
Les dents adjacentes des engrenages, les filets, les alésages de lubrification, les faces usinées et les revêtements constituent des zones protégées. Par défaut, ils ne doivent pas être serrés ni utilisés comme surfaces de réaction. Les opérations de chargement et de déchargement doivent permettre d'éviter tout dommage par contact qu'une mesure des cannelures ne permettrait pas de détecter.
Sélectionner la broche à cannelures internes de manière conditionnelle
Une broche à traction progressive est une solution envisageable pour la cannelure interne traversante. C'est l'application qui détermine :
- norme et forme de la spline ;
- nombre de dents et dimensions du profil ;
- alésage préalable et répartition de la matière ;
- longueur de coupe ;
- matériau et état de la pièce ;
- séquence d'usinage : ébauche, semi-finition et finition ;
- hauteur par dent et par espace entre les dents ;
- conception avec guide et extrémité de traction ;
- matériau de l'outil, traitement thermique et revêtement ;
- limite de rebroyage et d'inspection.
Ne transférez pas la charge d'une dent, le revêtement ou la nuance d'un outil d'un engrenage à un autre au seul motif que les deux pièces sont décrites comme étant en acier allié. Le résultat dépend de l'ensemble des facteurs suivants : matériau, ébauche, profil, machine et système de lubrification.
BroachingMach’s Gamme de broches à cannelures constitue un point de départ commercial. La géométrie définitive et les exigences en matière de performance nécessitent la réalisation de dessins précis et de coupes d'échantillons représentatives.
Le Guide de conception des broches explique les paramètres géométriques généraux, mais ne remplace pas le schéma de la boîte de vitesses ni le calcul des outils.
Sélectionnez la machine en fonction de la force, de la course et du contrôle du processus
La machine à brocher interne doit présenter les caractéristiques suivantes :
- capacité de force de coupe calculée avec une marge de sécurité homologuée ;
- course utile pour la broche et la pièce à usiner ;
- une hauteur libre suffisante et un dégagement suffisant pour le chargement ;
- tête de traction et raccord d'outil compatibles ;
- guidage et rigidité structurelle ;
- plage de vitesses et commande pour le parcours réel du matériau/de l'outil ;
- un acheminement fiable des fluides, une filtration et une gestion des copeaux ;
- récupération des outils et manipulation des pièces en toute sécurité ;
- les commandes relatives aux recettes, aux outils et aux familles de pièces, le cas échéant.
L'orientation et le système d'entraînement répondent à des questions différentes. Les termes « vertical » ou « horizontal » décrivent le mouvement et le chargement de la machine ou de la pièce. Les termes « hydraulique » ou « servo » décrivent le système d'entraînement. Le terme « CNC » décrit l'architecture de commande. Le fait qu'une pièce soit difficile à usiner ne signifie pas, en soi, qu'une machine servo soit nécessaire.
Le Guide sur les brocheuses internes explique l'architecture générale. Le choix final dépend du diamètre extérieur de l'engrenage, de sa masse, de la longueur de la cannelure, de la longueur de brochage, de la force, de la méthode de chargement et de l'objectif de production.
Utilisez le Guide de calcul de la capacité des machines à brocher pour structurer les forces appliquées ; la valeur validée doit tout de même résulter de la conception réelle de l'engrenage, du matériau et de la broche.
Photo du produit « BroachingMach » représentant une machine à brocher interne à servocommande. Il s'agit d'une catégorie d'équipement potentielle, et non d'une preuve de l'existence d'un projet de transmission à engrenages ou d'un résultat obtenu en matière de cannelures.
Pour une application contrôlée après traitement thermique, le Machine de brochage à grande vitesse à commande numérique (CNC) est une autre catégorie possible. L'adéquation dépend toujours du dessin, de la répartition de la dureté et des tolérances, de la force, de la course, de l'outillage et des résultats des essais sur échantillons.
Fabrication du dispositif de fixation de l'engrenage et alignement de la broche de traction
Schéma technique adimensionnel présentant un repère de référence potentiel pour la face et l'alésage, l'alignement par brochage en traction, le support, les dents externes protégées et la sortie des copeaux. Les contacts définitifs nécessitent le dessin contrôlé de l'engrenage.
La trajectoire de la force de coupe doit passer par l'outil, la pièce à usiner, la zone d'appui de l'engrenage, le dispositif de serrage et la structure de la machine. Le dispositif de serrage ne doit pas se contenter de maintenir la pièce ; il doit empêcher tout basculement et tout déplacement sans endommager les dents extérieures ni les faces usinées.
Critique :
- référence principale de la face et de l'alésage ;
- propreté des sièges et contrôle des bavures ;
- appui situé sous une zone rigide homologuée ;
- dispositif anti-rotation uniquement là où cela est nécessaire et autorisé ;
- zones sans serrage autour des dents externes, des filets, des arêtes fines et des éléments d'étanchéité ;
- brochage complet et sortie des copeaux en dessous ou au-delà de la pièce ;
- charger l'accès sans heurter l'outil ;
- contrôle par l'État libre après le déchargement.
La broche, l'alésage pilote et la trajectoire de traction doivent être alignés sur l'axe prévu. Une augmentation de la puissance de la machine ne peut pas compenser un engrenage incliné, une tête de traction usée ou un guide mal aligné.
Contrôle de l'état des copeaux, du fluide et des outils
Les dents successives génèrent et évacuent un volume important de copeaux. La conception de la gorge, la longueur de coupe et le circuit d'évacuation du fluide et des copeaux doivent empêcher l'accumulation de copeaux et le ré-usinage.
Écran :
- évolution de la charge/force pour l'engrenage et le lot de matériau correspondants ;
- forme des copeaux et évacuation ;
- adhérence, traces ou rayures ;
- modifications de la surface et des bavures ;
- dérive dimensionnelle/de profil ;
- bruit, vibration ou mouvement anormal d'une pièce ;
- usure des broches, ébréchures et dommages aux guides ;
- le débit du fluide, la propreté, l'état et la température.
Une simple augmentation de la force ou une marque à la surface ne suffit pas à prouver l'existence d'une cause unique. Comparez les indices relatifs à la pièce, au processus et à l'outil avant de modifier la vitesse, le fluide, l'alignement ou l'outillage.
Ne fixez pas de nombre universel de passages entre deux inspections ou deux réaffûtages. Établissez l'historique de l'outil et les critères de retrait en fonction de l'application contrôlée.
Le Guide sur les fluides de coupe pour le brochage propose un cadre de sélection pour le pouvoir lubrifiant, le refroidissement, la filtration et l'évacuation des copeaux.
Inspecter la cannelure interne finie
Le contrôle doit être effectué conformément au plan et à la norme relative aux cannelures. Parmi les méthodes envisageables, on peut citer :
- jauges composites ou sectorielles pour vérifier l'ajustement fonctionnel ;
- mesure sur les broches/billes ou sur la distance entre celles-ci, le cas échéant ;
- profil analytique, mesure des valeurs principales et des indices ;
- vérifications du diamètre majeur et mineur ;
- CMM ou contrôle métrologique des engrenages ;
- faux-rond/concentricité par rapport à la référence approuvée ;
- inspection de la surface, des bavures et de la zone protégée.
La méthode de référence, l'étalonnage des jauges et la corrélation fournisseur/client doivent être convenus avant la validation des échantillons. Une capture d'écran de la machine, un tracé de la force de traction ou une mesure effectuée dans la pince constituent des preuves du processus, mais ne remplacent pas l'inspection finale des engrenages à l'état libre.
Pour le brochage à froid, comparez les mesures avant et après le traitement thermique, ainsi qu’après l’opération de correction. Ces données permettent de déterminer s’il reste de la matière à enlever à un endroit où l’outil peut y parvenir et si le parcours final est reproductible.
Plan d'échantillonnage, de test et de mise en production
Utilisez des composants représentatifs, tant dans des conditions normales que dans les conditions les plus défavorables :
- Verrouiller le plan de l'engrenage ainsi que les fiches techniques relatives aux matériaux et aux traitements thermiques.
- Réalisez un tracé de l'alésage et de la pièce brute avant le brochage.
- Vérifier la conformité de la broche, de l'extrémité de traction, du guide, du dispositif de fixation et de la machine.
- Vérifier la force, la course, le jeu, la vitesse et le parcours des copeaux et du fluide.
- Découpez et inspectez les engrenages souples.
- Traitement thermique complet et cartographie des déformations.
- N'appliquez la finition dure que sur la marge autorisée, le cas échéant.
- Vérifier le profil, le pas, l'index, l'ajustement, la relation de référence et la surface.
- Vérifiez les dents externes, les faces et les autres zones protégées.
- Enregistrer l'état de l'outil ainsi que le comportement de la charge et des copeaux.
- Répéter les essais sur un échantillon convenu.
- Approbation distincte des échantillons, essais FAT/SAT sur machine et preuves d'une production stable.
Une opération menée à bien prouve l'accessibilité, mais pas la capacité de production. La mise en production nécessite de démontrer la reproductibilité des pièces, des procédés et des outillages.
Informations nécessaires pour une proposition concernant les cannelures d'une boîte de vitesses
Fournir :
- schéma d'engrenage contrôlé, norme relative aux cannelures et modèle CAO ;
- l'identification exacte des engrenages et leurs variantes ;
- matériau, état de livraison et séquence de traitement thermique ;
- données relatives à la dureté et à la trempe superficielle, ainsi que déformation mesurée due au traitement thermique ;
- alésage de pré-brochage, longueur de coupe et carte des surépaisseurs ;
- profil requis, pas, indice, adaptation et relation de référence ;
- les dents externes, les faces, les filetages, les alésages et les surfaces protégées ;
- volume annuel, taille des lots, cadence de chargement et objectif de cadence ;
- informations existantes concernant les broches, les machines, les dispositifs de fixation et les fluides ;
- calibres de référence et méthode d'inspection ;
- des rapports de transmission représentatifs, tant dans des conditions normales que dans le pire des cas.
Ces données permettent à BroachingMach d’évaluer le brocheur potentiel, l’architecture de la machine, le dispositif de fixation, le contrôle des copeaux et le plan d’inspection. La force finale, la course, la géométrie de l’outil, la durée du cycle, la capacité et les prévisions de durée de vie de l’outil sont déterminées à l’issue de l’examen des plans, des calculs et d’un essai de brochage.
Foire aux questions
Faut-il brocher les cannelures d'un pignon de boîte de vitesses avant le traitement thermique ?
Souvent, la cannelure est usinée avant le traitement thermique, mais sa qualité finale dépend de la déformation ultérieure et des résultats du contrôle. L’ensemble du processus doit être validé.
Le brochage dur permet-il de réaliser la cannelure dans son intégralité ?
Il ne faut pas en tirer cette conclusion. Le brochage dur est généralement envisagé pour obtenir une marge de finition réduite, contrôlée et accessible après le traitement thermique. Une marge excessive, inégale ou négative peut nécessiter une autre approche.
Un engrenage rigide nécessite-t-il automatiquement une machine à brocher à servocommande ?
Non. L'état du matériau n'est qu'un facteur parmi d'autres. La force, la course, le contrôle de la vitesse, la rigidité, la conception de l'outil, la tolérance et les exigences de production déterminent l'architecture de la machine.
Une même broche peut-elle fonctionner avec toutes les variantes d'engrenages ?
À condition que le profil, l’alésage, le matériau/l’état, la longueur de coupe, la pièce à usiner, l’interface et les exigences de contrôle restent dans les limites de l’enveloppe d’outillage validée. Des noms de produits similaires ne suffisent pas.
Comment procède-t-on à l'inspection d'une cannelure interne ?
La méthode est définie par la norme relative aux plans et aux splines. Les jauges fonctionnelles, la mesure analytique des engrenages, la méthode des goupilles/portées et la machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) peuvent être utilisées pour différents contrôles ; elles doivent être mises en corrélation avec la référence du client.
Recommandation finale
Choisissez le parcours de la cannelure de l'engrenage de transmission en partant de la pièce inspectée en dernier et en remontant vers l'amont. Définissez l'engrenage, en passant par la cannelure, le matériau, l'étape de traitement thermique, la pièce brute, le point de référence et les zones protégées ; sélectionnez ensuite la broche, la machine, le dispositif de serrage et le plan d'inspection.
Veuillez envoyer à BroachingMach le plan de contrôle, les données relatives au matériau et au traitement thermique, la carte de déformation, le volume, la jauge de référence et des échantillons représentatifs via le page de contact. La proposition devrait définir une méthode vérifiable, qu'il s'agisse d'un traitement de surface souple, d'un traitement de surface dur ou d'une autre approche — et non pas promettre un outil ou une machine universelle valable pour tous les engrenages de transmission.
