Effet « stick-slip »
Depuis plus de 25 ans, la société Bornemann Gewindetechnik fabrique des vis et des écrous filetés destinés à pratiquement toutes les applications existantes dans tous les secteurs industriels. L’un des axes principaux de la production est la fabrication de vis à filetage trapézoïdal prêtes à monter, composées de vis et de jeux d’écrous pour les systèmes de levage à forte charge, tels qu’ils sont utilisés dans le domaine des systèmes de levage pour véhicules ferroviaires, dans la construction de théâtres et de scènes, ainsi que dans la construction de machines spéciales.
Pour garantir le bon fonctionnement des appareils de levage, la qualité de surface des vis filetées ainsi que le choix du lubrifiant approprié revêtent une grande importance. Il s’agit d’éviter le fameux effet « stick-slip ». Hans Gereke-Bornemann (Bornemann-Gewindetechnik, direction) : « Lorsque des problèmes liés aux systèmes de levage à vis sont signalés, on peut généralement supposer que l’un des facteurs suivants en est en partie la cause : la qualité de surface des vis, les impuretés, la position de montage du système ou encore, dans une large mesure, le choix du lubrifiant. Dans de nombreux cas, le problème résulte toutefois d’une combinaison complexe de plusieurs de ces facteurs. Il convient donc de prendre chacun de ces facteurs suffisamment en compte lors de la conception. »
L’effet stick-slip
L’effet stick-slip (de l’anglais « stick » = adhérer et « slip » = glisser), également appelé effet d’adhérence-glissement, décrit le glissement saccadé de corps solides se déplaçant l’un par rapport à l’autre. Cet effet peut se produire dès lors que la force d’adhérence est supérieure à la force de glissement.
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 »). L’effet disparaît généralement dès que les surfaces en frottement sont séparées par un intermédiaire ou un lubrifiant. L’effet stick-slip est souvent indésirable dans les applications techniques. Les effets négatifs de l’effet stick-slip peuvent notamment être observés au niveau des roulements, des guidages en technique linéaire ou des vis filetées en technique de levage.
Ralph Wuertele (Klüber Lubrication, responsable de l’ingénierie d’application) : « Dans les installations de levage de charges lourdes en particulier, des lubrifiants inadaptés peuvent facilement entraîner des conditions de lubrification insuffisante, qui provoquent une usure accrue et conduisent ainsi à une défaillance prématurée de l’installation. » Les bruits de grincement et de crissement mentionnés apparaissent alors généralement comme un effet secondaire directement perceptible de cette lubrification insuffisante.
Dans le pire des cas, ces conditions de lubrification insuffisante peuvent même entraîner des micro-soudures ou des soudures à froid sur des systèmes de levage entiers, ainsi que le « grippage » des écrous, avec des dommages consécutifs graves pouvant aller jusqu’à la mise hors service des installations concernées.
Le choix des matériaux du système vis-écrou joue ici un rôle décisif. Dans le cas d’une combinaison de fonte grise et d’acier, la teneur en fer des matériaux peut favoriser le soudage à froid. Avec une combinaison de bronze et d’acier, le soudage à froid peut généralement être exclu. Que faut-il donc prendre en compte pour éviter ces conditions de lubrification insuffisante redoutées ou ce que l’on appelle l’effet « stick-slip » ?
Compatibilité des matériaux
Il doit être prouvé que le lubrifiant est compatible avec les matériaux du soufflet et des joints. Si ce n’était pas le cas, le lubrifiant pourrait altérer ces matériaux et entraîner, par exemple, une porosité, des fissures ou des déformations. Il en résulterait des fuites entraînant une perte de lubrifiant ou la pénétration de saletés. Dans les deux cas, le soufflet ou le système d’étanchéité ne pourrait plus remplir sa fonction comme prévu. Des tests de compatibilité entre le lubrifiant et les matériaux du soufflet et des joints doivent être effectués à la température maximale d’utilisation admissible pendant au moins 168 heures afin de garantir la sécurité.
Selon le fabricant de soufflets MFB-Technik, le choix approprié du matériau du soufflet ainsi que la prise en compte des influences environnementales externes sont des critères importants qui influencent la durée de vie des soufflets, mais qui sont souvent négligés par les clients.
Surface des vis filetées
Plusieurs facteurs garantissent que le lubrifiant reste là où il est nécessaire. Parmi ceux-ci figure la topographie de surface des vis filetées et des écrous, que la société Bornemann-Gewindetechnik fabrique selon un procédé de tourbillonnage. Ce procédé permet de créer des poches de lubrification microscopiques à la surface du filetage. Ces poches de lubrification garantissent que le lubrifiant n’est pas repoussé en cas de charge superficielle élevée, mais qu’il reste dans les « creux » de la surface, car il n’est pas en contact avec les flancs porteurs des profils filetés.
Sur les vis filetées fabriquées par laminage, l’absence de poches de lubrification sur le flanc porteur du profil fileté empêche souvent le lubrifiant appliqué de rester en place lorsque les profils des écrous glissent sur la vis avec une charge superficielle élevée. Soit le lubrifiant est expulsé du flanc, soit il est repoussé devant l’écrou. Dans tous les cas, il se produit une rupture du film lubrifiant qui provoque dans un premier temps une augmentation de la température et un phénomène de glissement saccadé (stick-slip) accompagné de bruits parfois assourdissants, puis conduit à la destruction de la vis filetée. Moritz von Soden (directeur commercial, Bornemann-Gewindetechnik) : « Bon nombre de nos clients sont issus du secteur de la manutention de charges lourdes. Dans ce domaine, on utilise systématiquement des vis filetées de type « vortex » afin d’éviter les problèmes bien connus liés à un graissage insuffisant. »
De plus, l’adhérence du lubrifiant lui-même joue un rôle important. Elle est déterminée par la composition du lubrifiant, plus précisément par le type et la quantité d’épaississant. Par ailleurs, le nettoyage de la surface avant l’application du lubrifiant est déterminant. Les résidus de fluides d’usinage, par exemple, ne favorisent pas l’adhérence.
Comportement d’écoulement
La géométrie appropriée du filetage de l’écrou garantit que celui-ci ne repousse pas le lubrifiant devant lui, mais l’attire pour ainsi dire dans l’interstice de lubrification. Néanmoins, le lubrifiant peut être rapidement évacué ou projeté hors du point de frottement – il doit toutefois revenir le plus rapidement possible. C’est pourquoi Klüber Lubrication recommande d’utiliser ici des graisses fluides de classe de consistance NLGI 0, voire mieux 00. Les systèmes de broche doivent bien sûr être correctement étanchéifiés. La quantité de graisse doit remplir au moins 30 % du volume entre la broche et le soufflet.
Libération d’huile
En raison des vitesses de glissement relativement faibles et des pressions de contact élevées au niveau du système tribologique écrou-vis dans les systèmes de levage à vis, aucun film lubrifiant hydrodynamique ne peut se former, ce qui pourrait entraîner un manque de lubrification. Dans ces conditions de fonctionnement, les additifs jouent un rôle déterminant dans les performances du lubrifiant. Les additifs étant dissous dans la phase huileuse de la graisse, celle-ci doit libérer suffisamment d’huile sous charge. Grâce à sa bonne fluidité, l’huile, y compris les additifs, atteint facilement le point de frottement proprement dit et assure ainsi une lubrification fiable.
Protection contre la corrosion
Une autre exigence imposée au lubrifiant découle de l’étanchéité du système : comme le soufflet n’est généralement pas hermétique, on ne peut en principe pas exclure la formation de condensation à l’intérieur. C’est pourquoi le lubrifiant doit présenter une grande résistance à l’eau et offrir une très bonne protection contre la corrosion.
Marc Schillig (directeur général de MFB-Technik Schillig GmbH & Co. KG) : « Nous sommes nous aussi régulièrement confrontés au problème de la « condensation ». En principe, « l’étanchéité à l’air ne fonctionne pas ». L’échange d’air doit être assuré lors des mouvements, sinon le soufflet subira certainement des dommages. Pour résoudre ce problème, on utilise des filtres de haute qualité ou des clapets. L’eau de condensation est évacuée vers l’extérieur via un séparateur grâce à la surpression générée lors de la fermeture du soufflet. Nous avons déjà mis en œuvre diverses solutions avec nos clients ».
Depuis 25 ans, la société Bornemann-Gewindetechnik GmbH, située à Delligsen près de Hildesheim, fabrique, avec ses 40 employés répartis sur une surface de 3 800 m², des filetages de toutes formes spéciales ainsi que des pièces tournées et fraisées. Tous les matériaux usinables sont utilisés comme matière première. L’entreprise propose en outre la réparation de broches défectueuses. Les dimensions standard des broches filetées s’étendent de 10 à 180 millimètres de diamètre et peuvent atteindre une longueur de 6 mètres. Dans les centres d’usinage modernes, des tolérances dimensionnelles de h6 peuvent être respectées. Pour un diamètre de broche de 100 millimètres, h6 correspondrait à une tolérance de 99,978 à 100 millimètres, ce qui permettrait de monter correctement des roulements à billes. Le procédé de tourbillonnage permet d’obtenir des surfaces filetées de qualité rectifiée. Le délai de livraison est de 2 à 3 semaines après réception de la commande.