Maîtrise des charges lourdes – Vis trapézoïdales à forte charge pour installations de levage
La conception de vis trapézoïdales à forte charge est la base d’un fonctionnement sûr et sans heurts des systèmes de levage, et impose des exigences élevées aux concepteurs.
La société Bornemann Gewindetechnik, bien connue dans les milieux spécialisés, fabrique depuis plus de 25 ans des vis et écrous filetés pour de nombreux secteurs industriels. L’un des axes principaux de la production est la fabrication d’entraînements à vis trapézoïdales prêts à monter, composés de vis et d’écrous, pour les systèmes de levage lourds. Pour citer quelques exemples : systèmes de levage pour véhicules ferroviaires, installations dans les théâtres ou la construction de scènes et dans la construction de machines spéciales. La conception et la construction de ces entraînements sont indispensables au fonctionnement sûr et sans faille des installations et imposent des exigences élevées aux constructeurs.
Mais à quoi faut-il faire attention avec les vis filetées pour charges lourdes ? Pour les vérins à vis qui atteignent une pression superficielle > 20 N/mm2 sous charge et qui fonctionnent en outre à des vitesses périphériques très faibles, une lubrification constante des flancs porteurs des profils filetés est absolument nécessaire. En effet, une lubrification insuffisante peut entraîner une usure accrue, un dégagement de chaleur excessif et également le fameux effet stick-slip.
Tout dépend du lubrifiant
L’effet stick-slip, également appelé effet d’adhérence-glissement, décrit le glissement saccadé de corps solides en mouvement les uns par rapport aux autres. Cet effet peut se produire lorsque le frottement statique est supérieur au frottement dynamique. Selon le système tribologique, cela entraîne l’excitation de vibrations qui sont émises sous forme de bruit par une surface capable de résonner (broches grinçantes et crissant).
Cet effet disparaît généralement dès que les éléments en frottement sont séparés par un intercalaire ou un lubrifiant. L’effet stick-slip est souvent indésirable dans les applications techniques. Les influences négatives dues à l’effet stick-slip peuvent être observées, entre autres, sur les roulements, les guidages dans la technique linéaire ou les vis filetées dans la technique de levage. Les bruits tels que le grincement d’une porte, le crissement des trains dans les virages ou le cliquetis des essuie-glaces sur les vitres des voitures sont les conséquences bien connues de cet effet.
Si cet effet se produit, cela peut être dû au choix du lubrifiant (graisse). Ralph Wuertele, responsable Application Engineering chez Klüber Lubrication, explique : « Dans les installations de levage de charges lourdes notamment, des lubrifiants inadaptés peuvent facilement entraîner des états de lubrification insuffisante, qui provoquent une usure accrue et donc une défaillance prématurée de l’installation. »
Ce phénomène est souvent dû à la conception des vis. L’absence de poches de lubrification sur le flanc porteur du profil fileté empêche le lubrifiant appliqué de rester en place lorsque les profils des écrous glissent sur la vis avec une charge superficielle élevée. Le lubrifiant est soit pressé hors du flanc, soit repoussé devant l’écrou. Dans tous les cas, il en résulte une rupture du film lubrifiant, qui provoque dans un premier temps une augmentation de la température et un glissement saccadé accompagné de bruits parfois assourdissants, puis conduit à la destruction du mécanisme fileté.
À des vitesses périphériques de quelques cm/s, la présence de lubrifiant ou de poches de lubrification sur les vis filetées est absolument nécessaire pour éviter cet effet de glissement saccadé. Les poches de lubrification empêchent le lubrifiant d’être simplement repoussé par une pression trop élevée sur les bords et une pression spécifique généralement élevée sur la surface. Le lubrifiant doit idéalement être une graisse de consistance 0 ou 00 et doit être pratiquement aspiré dans la fente de lubrification.
Comment remédier à ce problème ? Les exigences des concepteurs en matière de fabrication des filetages constituent la base pour éviter les problèmes de lubrification et les problèmes qui en découlent. Les vis filetées peuvent être fabriquées selon différents procédés : le filetage et le fraisage sont des procédés qui, pour des raisons économiques, ne sont pratiquement plus utilisés pour les vis filetées susmentionnées. Lors du filetage par roulage (ou laminage), les vis filetées sont fabriquées par formage à froid sans enlèvement de copeaux. Ce procédé de fabrication est tout à fait économique, mais en raison des coûts très élevés des outils et des équipements, il n’est généralement applicable qu’à la production en grande série.
Coupe douce avec surface lisse
De plus, les vis filetées roulées favorisent la rupture du film lubrifiant en raison de la surface absolument lisse des flancs du filetage. Le filetage trapézoïdal roulé présente, en raison du processus de déformation lors du polissage par estampage/polissage par pression, une qualité de surface des flancs trop élevée, dans laquelle les poches de lubrification font défaut. Il peut en résulter le redoutable effet stick-slip ou une rupture du film lubrifiant entre la vis et l’écrou. Le lubrifiant est expulsé des filets en raison d’une pression trop élevée sur les arêtes et d’une pression spécifique généralement élevée sur les surfaces.
Cette expulsion est possible lorsque les matériaux du couple de paliers lisses ne disposent pas de poches de lubrification dans lesquelles le lubrifiant peut être stocké. Il en résulte des dommages consécutifs importants dans les installations concernées, sous forme de broches grinçantes et d’écrous grippés, pouvant aller jusqu’au soudage thermique complet de systèmes de levage entiers.
L’argument souvent avancé selon lequel les vis filetées laminées ont une durée de vie plus longue ne peut être confirmé sans exception. L’entreprise Wirths-Werres a pu le prouver lors d’un test d’endurance. « Même après de nombreuses heures de fonctionnement, les vis filetées laminées ne présentaient que des traces d’usure minimes », souligne Christian Zahn, constructeur. Selon M. Zahn, les tensions dans le matériau résultant du processus de laminage entraînent souvent des retouches coûteuses. Après une comparaison directe, Wirths-Werres a opté pour des vis de haute qualité en version tourbillonnée, car la différence de prix entre les vis laminées et tourbillonnnées est désormais négligeable pour de nombreux diamètres.
Bornemann Gewindetechnik fabrique des vis filetées selon le procédé de tourbillonnage. L’outil de tourbillonnage utilisé pour la fabrication de filetages de vis se compose d’une bague de tourbillonnage entraînée avec un jeu d’outils profilés et fonctionne selon le principe dit de la coupe enveloppante, car la pièce à usiner tourne à l’intérieur de cette bague d’outil pendant l’usinage. Comme la coupe enveloppante commence au diamètre extérieur avec une épaisseur de copeaux (et une profondeur de copeaux) de 0 et augmente continuellement jusqu’à l’épaisseur de copeaux calculée (et la profondeur de copeaux ou la profondeur de filetage), pour ensuite ressortir de la pièce à usiner avec une épaisseur de 0, on obtient une coupe très douce avec une surface très lisse.
Comme un jeu d’outils se compose de plusieurs lames individuelles qui travaillent successivement en coupe interrompue, des interruptions microscopiques apparaissent entre les différentes coupes à la surface de la pièce à usiner, créant des facettes concaves de type polygonal de l’ordre du μ (poches de lubrification). Ces poches de lubrification sont le secret des bonnes propriétés du film lubrifiant des vis filetées tourbillées.
La comparaison des différents procédés de fabrication de filetages permet de tirer la conclusion suivante : le roulage et la rectification des profils de filetage sont des procédés de fabrication modernes et recommandés pour de nombreuses applications, mais pour l’utilisation de vis trapézoïdales dans les systèmes à vis de levage, il convient de privilégier le procédé de tourbillonnage pratiqué par Bornemann Gewindetechnik.