Usinage de manchons en acier : types, applications et procédés

Lors de leur utilisation, tout composant d'un produit exposé à l'environnement subit des conditions extrêmes. Ce composant, exposé à ces conditions extrêmes, devient plus vulnérable et son risque de défaillance augmente par rapport aux pièces internes. Ces applications peuvent concerner des moteurs, des systèmes hydrauliques, des machines industrielles, etc. Leur défaillance est d'autant plus cruciale si ces composants sont coûteux ou critiques. Dans ce cas, des manchons en acier sont utilisés comme pièces de protection. Cet article fournit des informations complètes sur les manchons en acier, leur usinage, leurs types, etc.

Qu'est-ce qu'un manchon en acier ?

Il s'agit d'une protection qui s'enroule autour d'une autre pièce pour la protéger des conditions extrêmes. Cette pièce sacrificielle est constituée d'un tube qui, bien que soumis à des contraintes, protège le composant interne.

Comment définir un manchon en acier

En termes d'ingénierie et de pratique, il s'agit d'un insert cylindrique servant à protéger, restaurer ou renforcer un autre composant. Il peut s'apparenter à un couvercle pour un arbre ou une goupille, ou à une garniture remplaçable à l'intérieur d'un logement plus souple.

Géométries courantes des manchons en acier

Ce sont les géométries courantes des manchons en acier, utilisées dans les industries pratiques.

• Manchon droit en acier

Un manchon droit est utilisé pour protéger ou restaurer un arbre ou un alésage. Il présente une épaisseur constante et des parois parallèles sur toute sa longueur. Sa géométrie facilite l'usinage et permet un ajustement précis.

• Manchon en acier à bride

Le tableau suivant donne un aperçu des manchons en acier à brides :

• manchon en acier fendu

Une entaille longitudinale est présente sur toute la longueur d'un manchon en acier. Cette géométrie permet une légère flexion pour faciliter l'installation. Le manchon s'utilise sur des arbres ou dans des alésages sans démontage complet.

Manchon technique vs bague vs doublure

En général, une douille technique sert à la protection ou au renforcement, une bague en acier fait office de palier et une chemise en acier sert de couche de protection interne. Examinons leurs différences en détail :

Différences de fonctionnalités

Le tableau suivant présente les différences entre les caractéristiques géométriques et les autres caractéristiques.

Différences de fonctions

Voici les différences fonctionnelles entre ces types fonctionnels de manchons en acier :

Différences de fabrication

Le tableau ci-dessous explique brièvement et précisément les différences de fabrication entre ces manchons en acier. De nombreux fabricants effectuent un traitement thermique sur les manchons en acier afin de garantir une dureté et une durabilité maximales.

Applications des manchons en acier usinés

Jusqu'à présent, la discussion est restée générale. Cette section présente plusieurs applications concrètes et importantes de manchons en acier usinés.

Manchons de roulement et de guidage

• Manchons de roulement

Un arbre tourne à l'intérieur d'un carter ou d'un alésage, comme dans les moteurs de voiture. Lors de sa rotation, il est important que la surface reste lisse et résistante. Un palier lisse est utilisé à l'intérieur du moteur pour permettre à l'arbre de tourner sans endommager l'alésage ou le carter.

• Manchons de guidage

Les manchons de guidage empêchent le jeu et réduisent l'usure des composants environnants en maintenant l'alignement des axes ou des tiges. Ils servent simplement à guider les tiges ou les axes.

Chemises de bloc-moteur

Les chemises de bloc-moteur servent à former les parois des cylindres des moteurs à combustion interne. Le type de chemises dépend de la conception et du système de refroidissement.

• Si le contact avec le liquide de refroidissement n'est pas nécessaire, on utilise des chemises de bloc-moteur sèches.
• Les chemises de bloc-moteur humides restent en contact direct avec le liquide de refroidissement.

Manchons de réparation et d'usure pour arbres

• Réparation d'arbre

Comme son nom l'indique, ce manchon sert à réparer un arbre endommagé. Il permet ainsi de répondre aux exigences de remplacement d'un arbre endommagé.

• Porter des manches

En cas de glissement ou de rotation dans l'application, ces manchons anti-usure à paroi mince sont utilisés sur les arbres ou les carters.

Revêtements hydrauliques et pneumatiques

Le piston coulisse ou tourne à l'intérieur d'un cylindre hydraulique, assurant ainsi une étanchéité optimale et réduisant les fuites. Des chemises en acier sont utilisées à l'intérieur de ces cylindres hydrauliques afin d'éviter toute usure de la surface.

Il en va de même pour les systèmes à air comprimé (vérins pneumatiques). Les chemises en acier assurent un alésage lisse permettant le déplacement du piston.

Manches personnalisées

Si la conception d'un logement ou d'un alésage diffère de la conception standard, une personnalisation de la chemise est nécessaire. Ces chemises sur mesure peuvent présenter des rainures, des brides ou des diamètres étagés personnalisés.

Matériaux courants pour manchons en acier

Les différents matériaux possèdent des propriétés différentes ; ils sont donc choisis selon des critères appropriés, qui sont abordés dans cette section.

Critères de sélection des matériaux

Choisissez le matériau qui :

1. Offre une résistance à l'usure élevée
2. Excellente résistance à la corrosion
3. Possède une résistance et une dureté élevées
4. Offre une bonne résistance thermique
5. Facile à usiner
6. Il devrait être économique et facilement disponible.

52100 Acier à roulement

• Contient du carbone
• Connu sous le nom d'acier allié au chrome
• Ses propriétés incluent une dureté élevée et une excellente résistance à l'usure et à la fatigue.
• Utilisé dans les manchons de palier, les chemises de moteur et les arbres.

4140/42CrMo4 et 4130

Les aciers 4140/42 CrMo4 et 4130 sont utilisés pour fabriquer des manchons en acier car :

Acier inoxydable 420/440C et 316L

• 420 / 440C

Il est utilisé dans la fabrication de manchons à brides, de manchons anti-usure et de manchons de palier. Si l'accent est mis sur une dureté et une résistance à l'usure élevées, on utilise l'acier de nuance 420/440C après traitement thermique.

• 316L Acier inoxydable

Si l'environnement est agressif pour les manchons en acier, où la résistance à la corrosion doit être plus élevée, cet acier inoxydable est utilisé pour fabriquer les manchons en acier.

Traitement thermique des manchons en acier

Le matériau utilisé pour la fabrication des manchons en acier subit plusieurs traitements thermiques, l'exigence principale étant d'obtenir une dureté et une résistance à l'usure élevées. À cette fin, on procède généralement à une trempe suivie d'un revenu. Par exemple, pour l'acier 420/440C, on effectue d'abord une trempe, puis un revenu, et parfois une nitruration.

Processus de fabrication des manchons en acier et stratégies CNC

Cette section explique les procédés de fabrication des manchons en acier.

Procédé de fabrication principal

Voici les principaux procédés de fabrication :

Préparation à blanc

Tout d'abord, la tôle de matière première est placée dans une presse. La matrice de cette machine comporte la forme du manchon en acier souhaité. Ce procédé permet d'obtenir un manchon en acier à l'état de surface brut.

Dispositifs de fixation à parois minces

Le découpage permet d'obtenir un manchon en acier d'une épaisseur légèrement supérieure à celle requise. Pour obtenir une grande précision, son épaisseur est réduite par différents procédés, tels que le tournage ou la rectification.

Alésage de précision

Cette opération permet d'agrandir les trous existants sur les tours ou les machines CNC.

Défis liés à l'usinage des manchons en acier

Les manchons en acier ne sont pas faciles à usiner pour de nombreuses raisons, telles que :

1. Tolérances dimensionnelles serrées
2. Production de chaleur
3. Flèche d'outil
4. Haute dureté
5. Sections à parois minces
6. Évacuation des copeaux

Conseils d'usinage

Utilisez les conseils suivants pour une expérience d'usinage améliorée des manchons en acier :

1. Utiliser des outils en carbure ou en céramique
2. Faible avance et vitesse de coupe modérée
3. Utilisez une configuration stable
4. Utilisez un liquide de refroidissement ou une lubrification appropriée.
5. Évacuation correcte des puces de contrôle
6. Passages grossiers pour l'enlèvement de matériaux en vrac
7. passes de finition pour un enlèvement de matière minimal

Quelle valeur Ra ​​est recommandée pour un alésage de chemise rodé ?

La rugosité de surface est un facteur important pour les performances des manchons en acier. Les manchons présentant une surface rugueuse subissent un frottement accru et finissent par entraîner des défaillances lors de leur utilisation. La rugosité Ra courante pour la plupart des manchons en acier se situe entre 0.2 et 0.8 micron.

Douilles en acier à rodage CNC

Grâce à un choix précis de la course, de la pression et de l'abrasif, ce procédé affine les manchons en acier. Deux autres étapes sont nécessaires :

• Pour gérer une dureté élevée, les pierres CBN
• Pour éviter le glaçage, liquide de refroidissement

Les manchons produits présentent une surface à faible friction et aux dimensions constantes.

Manchons en acier pour rectification CNC

Dans ce procédé, après le meulage, la surface du manchon en acier est parfaitement propre. La pièce reste immobile tandis que le papier abrasif continue de tourner.

Cibles de finition de surface (Ra, Rz)

Rugosité de surface (Ra)

Ra indique la régularité de la surface. Il s'agit de la hauteur des pics et des creux microscopiques.

Rz (Hauteur moyenne des pics – des vallées)

• Distance entre le plus haut sommet et la vallée la plus profonde
• Donne une idée de la texture de la surface

De manière générale, les objectifs en matière de finition de surface restent :

• Ra : 0.2 microns à 0.8 microns
• Rz : 1.5 – 6.0 microns

Facteurs à prendre en compte lors du choix d'un traitement de surface

Certains facteurs déterminent le traitement de surface, qu'il s'agisse de manchons en acier peint ou galvanisé. Ces traitements concernent uniquement l'aspect de la surface. Ces facteurs incluent :

Mode d'utilisation

On analyse d'abord le mode d'enlèvement de matière d'un manchon en acier. Par exemple, s'il est dû à un glissement, un traitement de surface par nitruration est alors effectué.

Exposition à la corrosion

L'exposition à la corrosion désigne le type d'environnement dans lequel le manchon en acier est utilisé. Par exemple, en milieu marin ou salé, on applique des revêtements barrières robustes, tels que le PVD duplex.

Construction dimensionnelle

L'épaisseur d'une pièce est appelée variation dimensionnelle. Les traitements de surface augmentent souvent cette épaisseur. Par exemple, pour des ajustements précis, on utilise des revêtements PVD car ils sont ultra-minces (1 à 5 microns).

Conception pour la fabrication des manchons en acier

Pour faciliter l'usinage des manchons en acier, une conception axée sur la fabricabilité ( DFM ) est parfois nécessaire. Cette DFM comprend :

Sélection des matériaux

Choisissez judicieusement le matériau, car chaque matériau possède ses propres propriétés, comme une dureté élevée ou une faible résistance à la corrosion. Le choix du matériau dépend de l'environnement dans lequel le manchon en acier sera utilisé.

Conceptions de géométrie

Évitez d'introduire des tolérances inutiles dans la conception des manchons en acier, car elles compliquent l'usinage. Arrondissez les angles, car les angles vifs d'un manchon en acier créent des contraintes et peuvent engendrer des ruptures.

Considérations relatives au processus de fabrication

1. Lors du processus de fabrication des manchons en acier, vous devez disposer des éléments suivants :
2. Un dispositif rigide pour l'usinage
3. Système adéquat d'évacuation des copeaux
4. Disponibilité du liquide de refroidissement et de la lubrification
5. Outils adaptés au matériau du manchon en acier
6. Vitesse d'avance et vitesse de coupe optimales

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Comment garantir la qualité des manchons en acier usinés ?

Pour obtenir un manchon en acier de haute qualité, il est essentiel de procéder d'abord à un contrôle de la matière première. Ensuite, des contrôles qualité effectués pendant et après la production des manchons garantissent leur qualité. Les outils suivants sont utilisés pour ces contrôles :

• Machine à mesurer les coordonnées (CMM)
• Testeur de rugosité de surface
• Test de dureté Rockwell/Vickers
• Micromètres
• jauges d'alésage
• Jauges de hauteur
• Contrôle non destructif

Conclusion

Pour protéger les pièces contre l'usure, les manchons en acier sont essentiels à leur fabrication. Leur choix repose parfois sur leur fonctionnalité, parfois sur leur géométrie. Une dureté élevée et une résistance à l'usure sont les propriétés fondamentales requises pour un matériau destiné à la fabrication d'un manchon. Des traitements de surface, tels que la nitruration, sont parfois appliqués pour obtenir une dureté élevée. La fabrication commence par le découpage, puis se poursuit par un usinage CNC pour garantir des tolérances serrées. Pendant et après la production des manchons en acier, des outils de contrôle sont utilisés pour assurer leur qualité.

FAQ

Quelle est la dureté typique des manchons 52100 ?

• À l'état recuit :

15-20 HRC

• Après trempe :

60-66 HRC

• Après durcissement de la surface :

60-65

Comment éviter la déformation des manchons à parois minces ?

En utilisant :

• Installation stable
• En minimisant les forces de coupe
• Par serrage et fixation
• En utilisant une séquence d'usinage appropriée

Les chemises nécessitent-elles un rodage après traitement thermique ?

Les traitements thermiques, tels que la trempe, déforment toujours les dimensions d'un manchon en acier ; c'est pourquoi un rodage est toujours nécessaire après un traitement thermique.

Puis-je rectifier ou roder après avoir revêtu des manchons en acier ?

Si le revêtement est très fin, le rodage est déconseillé car il risque de l'endommager. Pour les revêtements épais, le meulage ou le rodage sont possibles.