Usinage Flexspline pour engrenages à cannelures
Les Flexsplines, également appelées roues à arbre flexible, manchons flexibles ou manchons à collerette, constituent le cœur des réducteurs à arbre flexible. Ces composants de haute précision permettent d'obtenir des rapports de réduction très élevés en un seul étage de réduction – un avantage décisif par rapport aux réducteurs planétaires conventionnels qui, pour des rapports de réduction comparables, nécessitent plusieurs étages et donc un encombrement nettement plus important.
Usinage par fraisage à rouleaux de haute précision de Flexsplines pour engrenages à arbre dans la robotique
Défis techniques liés à la fabrication des Flexsplines
La fabrication de Flexsplines impose des exigences très élevées aux machines-outils, au contrôle des processus et à l'assurance qualité. La combinaison d'une géométrie à parois minces, de matériaux à haute résistance et d'exigences de précision extrêmes fait des Flexsplines l'une des tâches d'engrenage les plus exigeantes de la technologie de fabrication moderne.
Les flexsplines présentent généralement des épaisseurs de paroi inférieures à un millimètre. Cette finesse est nécessaire d'un point de vue fonctionnel, mais pose des défis considérables en matière de serrage des pièces. Même de faibles forces de serrage peuvent entraîner des déformations élastiques qui se traduisent directement par des défauts de denture. Les tailles de module typiques se situent entre 0,15 et 1,5 mm, avec un nombre de dents compris entre 100 et 400. Les matériaux utilisés sont des aciers à haute résistance tels que le SNCM 439 (40CrNiMo), qui atteignent des duretés de 38 à 42 HRC après traitement thermique.
Exigences de précision
La qualité de l'engrenage des Flexsplines doit répondre aux exigences de la norme DIN 3960/62 ou ISO 1328 classe 4. Cette classe de précision implique des tolérances pour les pas de l'ordre de quelques micromètres. La concentricité de la Flexspline doit être comprise entre 5 micromètres. Le respect scrupuleux de ces tolérances est déterminant pour la précision de positionnement et le comportement en service de l'ensemble de la transmission.
Chaîne de processus pour la fabrication de Flexspline
La fabrication des Flexsplines s'effectue selon une chaîne de processus en plusieurs étapes, qui comprend à la fois un usinage à froid et un usinage à chaud. Chaque étape du processus doit être coordonnée avec précision afin d'atteindre les qualités finales requises.
1. Tournage à froid : pré-usinage de la géométrie de la pièce brute, finition des contours avant le traitement thermique
2. Traitement thermique : trempe et revenu à haute température, traitement cryogénique à l'azote liquide suivi d'un revenu à basse température
3. Tournage à froid : usinage de précision après traitement thermique, finition des surfaces fonctionnelles
4. Recuit en bain d'huile : stabilisation thermique et détente
Procédé de taillage par fraisage pour les Flexsplines
Le processus de taillage par génération constitue l'étape centrale de la fabrication des Flexsplines. EMAG a développé pour cette application des stratégies de processus et des équipements spéciaux qui permettent une fabrication reproductible de la plus haute qualité.
Exigences relatives aux composants avant le taillage
La qualité du processus de fabrication tout au long de la chaîne de production est déterminante pour le résultat final. À cette fin, l'alésage intérieur est généralement poli afin de garantir l'état de surface et la circularité requis pour le serrage à l'aide d'un mandrin d'expansion. L'épaisseur de paroi doit être constante sur toute la circonférence – les variations entraînent inévitablement des défauts de denture, car elles influencent le comportement à l'expansion de la pièce brute. La pièce doit être entièrement nettoyée avant l'usinage ; les copeaux ou les impuretés présents dans l'alésage intérieur nuisent à la précision du serrage et peuvent causer des dommages.
La géométrie à parois minces des Flexsplines nécessite des concepts de serrage particuliers. Des pinces de serrage mécaniques avec application ponctuelle de la force entraîneraient des déformations inadmissibles. EMAG utilise donc des mandrins de serrage à expansion hydraulique qui garantissent une répartition uniforme de la force sur toute la surface interne. Ces mandrins de serrage hydrauliques doivent présenter une précision maximale – la concentricité ne doit pas dépasser 3 à 5 micromètres. Un positionnement axial précis des pièces dans la position de serrage est impératif pour que les modifications des lignes de flancs puissent être correctement réalisées.
Les fraises-mères utilisées pour l'usinage Flexspline sont soumises à des exigences de qualité très élevées. On utilise des fraises-mères en carbure. Pour certains modules, des fabrications spéciales avec des tolérances de pas spécifiées sont nécessaires – une coordination étroite avec le fabricant d'outils est alors indispensable. De plus, les fraises-mères pour Flexsplines présentent des profils spéciaux.
Concept de machine et technique de commande
La fabrication de Flexsplines impose des exigences très élevées en matière de cinématique des machines, de stabilité thermique et de régulation des entraînements directs des axes de machine pertinents pour le processus. EMAG a développé pour cette application un ensemble complet de haute précision qui prend en compte tous les facteurs d’influence pertinents.
Les machines de taillage de la série K d’EMAG sont équipées d’un banc en fonte minérale (béton polymère). Ce matériau se caractérise par d’excellentes propriétés d’amortissement et une très faible dilatation thermique. La stabilité thermique est déterminante pour la fiabilité du processus et la qualité de l’engrenage.
La broche porte-outil (axe B) et la broche porte-pièce (axe C) sont toutes deux conçues comme des entraînements directs refroidis par eau. Cette conception élimine les éléments de transmission mécaniques tels que les courroies ou les engrenages, qui pourraient entraîner des erreurs de positionnement. Le refroidissement par eau garantit une température constante des unités d'entraînement et empêche les écarts de position dus à la chaleur.
Stratégies de commande visant à minimiser les erreurs de synchronisation
Lors de l'usinage par taillage, la broche porte-pièce (axe C) doit tourner en synchronisation avec la broche porte-outil (axe B). Cependant, même les servomoteurs haut de gamme présentent des irrégularités inhérentes au système – appelées moments de crantage ou effets de cogging –, qui résultent de l'interaction entre les aimants permanents et les enroulements du stator. EMAG a développé une stratégie de compensation spécifique pour l'usinage Flexspline.
La commande EMAG offre de nombreuses possibilités de modification de la denture. Outre les modifications standard telles que les bombés de largeur et les conicités dans la ligne de flanc, des modifications spécifiques au Flexspline de la ligne de flanc peuvent également être programmées directement via des paramètres de dialogue. Les modifications de profil sont généralement apportées via le profil de la fraise-mère. Ces modifications optimisent la répartition des charges et la durée de vie de la denture en service.
Gamme de machines EMAG pour l'usinage Flexspline
Avec la série K, EMAG propose deux plateformes de machines spécialement optimisées pour l'usinage de composants de réducteurs à arbre cannelé. Les deux machines sont équipées du pack haute précision décrit ci-dessus et se distinguent principalement par leur zone de travail.
K 300 – Solution ultra-rigide pour les pièces de plus grande taille
La K 300 dispose d'un châssis fermé qui garantit une rigidité maximale, même en cas d’efforts d'usinage importants. Cette conception est particulièrement adaptée aux Flexsplines de plus grand format, jusqu'à 140 mm de diamètre extérieur. La structure fermée du châssis, dans laquelle une traverse relie le côté de la broche principale et le côté de la contre-poupée, empêche la déformation de la machine, même en cas d’efforts de serrage importants.
Qualité de denture atteignable
Grâce au concept de fabrication décrit, EMAG atteint de manière avérée des qualités de denture conformes à la norme DIN 3960/62 ou ISO 1328 classe 4 ou supérieure. Cette précision a été validée et documentée dans le cadre de projets de série chez des fabricants leaders d’engrenages à arbre cannelé.
Les mesures englobent tous les paramètres de denture pertinents : écart de ligne de flanc, écart de profil, pas, concentricité et épaisseur de dent. Les paramètres relatifs à l'écart de pas sont notamment déterminants pour l'uniformité de la transmission.
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