Usinage de haute précision de filetages intérieurs dans les écrous et les arbres des vis à rouleaux satellites
Les vis à rouleaux – également appelées vis à rouleaux satellites (Planetary Roller Screws) – transforment les mouvements rotatifs en mouvements linéaires et comptent parmi les éléments d'entraînement les plus performants de la technologie de fabrication moderne. Leurs écrous nécessitent des filetages intérieurs avec des tolérances de l'ordre du micromètre pour des rapports longueur/diamètre de 7:1 à 8:1. Cette combinaison d’une précision extrême et d’une géométrie de pièce défavorable pose des défis considérables aux procédés de fabrication conventionnels. EMAG propose des solutions de fabrication complètes pour la production en série de ces composants – du tournage à froid au tournage à chaud et à la rectification des contours extérieurs, jusqu’à l’usinage final des filetages intérieurs.
Une vis à rouleaux satellites se compose de trois éléments principaux : la vis (broche filetée), les rouleaux (rouleaux filetés) et l'écrou (écrou fileté). Les rouleaux filetés sont disposés entre la broche et l'écrou et transmettent la force d'entraînement simultanément via plusieurs lignes de contact. Par rapport aux vis à billes, les vis à rouleaux satellites offrent une capacité de charge nettement supérieure pour des dimensions plus compactes, car la géométrie des rouleaux génère une surface de contact plus grande que les contacts à billes.
Les vis à rouleaux satellites sont particulièrement adaptées aux applications qui exigent des forces élevées tout en conservant une conception compacte. En robotique – notamment pour les robots humanoïdes – elles servent par exemple d'éléments d'entraînement centraux dans les articulations. Dans l'industrie automobile, elles sont utilisées dans les directions assistées électriques et, de plus en plus, dans les systèmes de freinage électromécaniques. D'autres domaines d'application sont les machines-outils à commande numérique, les actionneurs pour l’aérospatial ainsi que les appareils médicaux.
Pourquoi l'écrou est-il le composant le plus exigeant dans une vis à rouleaux satellites?
L'écrou d'une vis à rouleaux satellites porte le filetage intérieur dans lequel se déplacent les rouleaux filetés. Ce filetage intérieur doit être usiné avec la plus grande précision afin de garantir un fonctionnement régulier, une capacité de charge élevée ainsi qu'une longue durée de vie de l'ensemble du système. Dans le cas d'une vis à rouleaux satellites inversée, ces exigences sont encore plus strictes : le rapport longueur/diamètre de l'écrou est souvent compris entre 5:1 et 8:1, avec une dureté du composant pouvant atteindre 60 HRC après traitement thermique.
Une pièce typique – par exemple un écrou destiné à des applications robotiques – présente une longueur totale d'environ 150 mm et un diamètre intérieur d'environ 20 mm. La rugosité de surface doit atteindre Ra 0,4. Avant le traitement thermique, la dureté du matériau est comprise entre 26 et 32 HRC ; après le durcissement, elle passe à 60 HRC, voire jusqu'à 65 HRC dans certains cas. Cette combinaison entre la profondeur de l'alésage, la dureté élevée de la pièce et les tolérances très serrées (circularité ≤ 0,025 mm, concentricité ≤ 0,025 mm) définit l'ensemble du processus de fabrication.
À quoi ressemble la chaîne de fabrication complète des écrous d’une vis à rouleaux satellites?
| Opération | Désignation | Machine | Description |
|---|---|---|---|
| OP 05 | Pièce brute / Réception des matériaux | - | Ébauche forgée ou demi-produit scié comme matière première |
| OP 10 | Tournage à chaud Page 1 | VL 2 | Tournage de précision de la première face de la pièce : surface plane, diamètre extérieur, pré-usinage de l'alésage intérieur |
| OP 20 | Tournage à chaud Page 2 | VL 2 | Changement de serrage et usinage de la face opposée avec une technologie de machine identique |
| OP 30 | Traitement thermique | - | Trempe à 60 HRC pour atteindre la résistance à l'usure requise |
| OP 40 | Tournage dur + rectification du diamètre extérieur | VTC 100 GT | Combinaison de tournage dur et de rectification CBN de tous les contours extérieurs en un seul serrage |
| OP 50 | Alésage de précision de l'alésage intérieur + pré-tournage du filetage intérieur | VTC 200 CD | Alésage de précision de l'alésage intérieur et pré-tournage du filetage intérieur avec un outil guidé des deux côtés |
| OP 60 | Rectification du filetage intérieur | SU (EMAG SU) | Rectification de finition du filetage intérieur aux cotes finales et à l'état de surface requis |
Comment fonctionne le tournage à froid de l'écrou d’une vis à rouleaux satellites ?
Au cours des deux premières étapes d'usinage (OP 10 et OP 20), la pièce brute est usinée sur deux tours verticaux EMAG VL 2. Les pièces sont serrées par leur diamètre extérieur et sont automatiquement prélevées du convoyeur de pièces intégré, usinées puis replacées grâce au système Pick-up.
La conception verticale offre un avantage décisif pour les alésages profonds : les copeaux tombent par gravité hors de l'alésage. Lors d'usinages intérieurs avec un rapport longueur/diamètre de 7:1, cela garantit une évacuation fiable des copeaux et une grande sécurité du processus ; les tours horizontaux rencontrent souvent des problèmes avec de telles géométries. L'alimentation en lubrifiant de refroidissement par la broche principale permet de renforcer encore l'effet positif de la conception verticale.
Pourquoi le diamètre extérieur est-il usiné sur une machine combinée de tournage et de rectification ?
Après le traitement thermique (OP 30) à 60 HRC, l'écrou doit être retouché avec précision au niveau du diamètre extérieur afin de corriger la déformation due au traitement thermique. Parallèlement, ces surfaces constituent également la base pour les usinages suivants. L'opération 40 fait appel à l'EMAG VTC 100 GT, un tour vertical avec broche de rectification intégrée qui combine le tournage dur et la rectification CBN en un seul serrage.
La machine dispose, à gauche, d’une tourelle à 8 positions (BMT 55) qui, outre les outils de tournage, accueille également un préhenseur intégré pour le chargement et le déchargement automatique ainsi qu’un dispositif de mesure. À droite se trouve une broche de rectification CBN d'une puissance d'entraînement pouvant atteindre 30 kW. Dans la pratique, ce concept remplace trois à quatre machines conventionnelles : la tourelle se charge du tournage dur des surfaces planes, du filetage et du fraisage des caractéristiques hexagonales, tandis que les surfaces cylindriques extérieures sont rectifiées en une seule passe.
La pièce est serrée dans l'alésage intérieur à l'aide d'un mandrin de serrage et est en outre soutenue par une pointe de contre-poupée. Cela permet d'obtenir une circularité optimale, même pour les pièces longues.
Comment les filetages intérieurs sont-ils réalisés dans les écrous d’une vis à rouleaux satellites?
L'usinage des filetages intérieurs est l'étape la plus exigeante sur le plan technologique de toute la chaîne de processus. À l'opération 50, l'écrou trempé est usiné sur l'EMAG VTC 200 CD – un tour vertical à entraînement central basé sur la plateforme éprouvée d’un VT 4.
Qu'est-ce que le concept d'entraînement central et pourquoi est-il déterminant pour les filetages intérieurs longs ?
Sur les tours conventionnels, la pièce est serrée d’un seul côté et l’outil de perçage ou de filetage dépasse librement dans l’alésage. Avec un rapport longueur/diamètre de 7:1 ou plus, le long porte-à-faux de l’outil entraîne des conditions d’usinage instables, pouvant notamment provoquer un déport de l’outil. Il en résulte des vibrations, des marques de vibration et des écarts géométriques. La vitesse d'usinage doit être considérablement réduite pour obtenir un résultat acceptable, ce qui entraîne des pertes correspondantes en termes de durée de vie de l'outil et de productivité.
La VTC 200 CD résout ce problème grâce à un entraînement central : au lieu d’une broche de travail et d’une poupée mobile, une broche creuse positionnée au centre avec dispositif de serrage intégré saisit la pièce au milieu. La tige de perçage est introduite dans l’alésage de la pièce à l’aide de la tourelle gauche, puis soutenue à l’extrémité opposée par la tourelle droite. L'outil est ainsi serré des deux côtés – à l'instar du principe d'une brocheuse, dans laquelle l'outil de brochage est guidé en haut et en bas.
Ce serrage de l'outil des deux côtés empêche celui-ci de se déplacer. Les vibrations sont ainsi efficacement réduites, ce qui permet d'utiliser des outils de filetage profilés. Il en résulte un filetage semi-fini précis, avec une surépaisseur d'usinage régulière, prêt pour la rectification de finition ultérieure.
Quel rôle joue l'évacuation des copeaux dans l'usinage intérieur des engrenages planétaires ?
L'évacuation des copeaux constitue l'un des principaux défis lors de l'usinage de trous longs et profonds. Les longs copeaux issus du processus de tournage de filetages intérieurs peuvent s'enrouler autour de l'outil, bloquer l'espace d'usinage et, dans le pire des cas, endommager la pièce ou l'outil. Dans la fabrication à l'unité, ce problème peut être résolu manuellement, mais cela n'est pas envisageable dans la production en grande série.
La conception verticale des machines EMAG utilise la gravité pour faciliter l'évacuation des copeaux. De plus, un lubrifiant de refroidissement est injecté à haute pression dans l'alésage. Ce jet de liquide de refroidissement évacue efficacement les copeaux vers le bas hors de l'alésage. En production en série, on constate que la tourelle reste exempte de nids de copeaux et que le processus se déroule sans interruption en fonctionnement continu.
Comment le filetage intérieur est-il rectifié aux cotes finales ?
Lors de la dernière étape d'usinage (OP 60), le filetage intérieur pré-tourné est fini sur une rectifieuse EMAG. La rectification élimine la surépaisseur restante et produit la géométrie finale du filetage avec la rugosité de surface et la précision de forme requises.
La rectification du filetage intérieur garantit la stabilité du processus dans la production en série. Alors que le pré-tournage fournit déjà une bonne approximation du contour final, la rectification compense les irrégularités restantes et garantit que tous les pas de filetage se situent dans les tolérances requises. Dans la pratique, on obtient des erreurs de pas inférieures à 2 µm entre les différents filets.
Une solution complète proposée par un seul et même prestataire
EMAG fournit l'ensemble de la chaîne de processus pour l'usinage d'écrous de vis à rouleaux satellites d'un seul tenant – du tournage à froid au tournage à chaud et à la rectification du diamètre extérieur, jusqu'à la finition du filetage intérieur.
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