De l’importance de la surface

Les tiges filetées sont un élément largement répandu dans la construction de machines. Celles-ci sont par exemple utilisées et sollicitées dans les vérins et les dispositifs de levage de charges lourdes. On utilise alors généralement des tiges filetées fabriquées selon un procédé de filetage à la volée. En effet, les filetages fabriqués selon un procédé de roulage ont tendance à présenter des surfaces trop lisses, qui favorisent l’effet « stick-slip », ce qui a ensuite des répercussions négatives sur la durée de vie de l’ensemble du système.

Les reliefs créés à la surface de la tige filetée suite au procédé de filetage à la volée peuvent faire office de réservoir de lubrifiant et ainsi contribuer à limiter les frottements entre l’écrou et la tige filetée. À l’Institut IFW Leibniz de l’Université de Hanovre, a été étudiée précisément la formation de ces reliefs à la surface des tiges filetées usinées par tourbillonnage. En partenariat avec l’entreprise Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG (www.bornemann.de), les équipes se sont appuyées sur l’exemple des tiges filetées avec filet trapézoïdal pour analyser la fonctionnalisation du flanc de filet afin d’en optimiser le comportement au frottement.

Le but du projet TopGewinde mené conjointement par l’IFW et Bornemann est de développer un processus de filetage à la volée innovant afin de créer des microstructures minimisant les frottements sur les flancs des tiges filetées (figure 1). Pour pouvoir prédire de façon virtuelle la formation de la microstructure à la surface, un modèle de simulation du tourbillonnage a été élaboré à l’aide du logiciel CutS (Cutting Simulation) développé par l’IFW. La modélisation cinématique présentée sur la figure 1 a été conçue exactement d’après le processus de filetage à la volée de Bornemann.

La courbe du taux de longueur portante et le réservoir de lubrifiant

Au niveau tribologique, ces repères d’usinage doivent être créés de façon à créer un contact optimal entre l’écrou et la tige filetée du filet trapézoïdal. Du lubrifiant peut se déposer dans les creux de la surface, et ainsi éviter tout manque de lubrifiant et les problèmes en découlant, comme l’effet « stick-slip » (figure 2).

Une courbe caractéristique est nécessaire pour quantifier l’espace occupé par le réservoir de lubrifiant dans le flanc du filetage. Pour évaluer les surfaces sollicitées au niveau tribologique, on peut recourir à la courbe du taux de longueur portante. Celle-ci répartit les caractéristiques de rugosité entre 3 valeurs : la hauteur réduite des pics Rpk, la profondeur de rugosité du cœur Rk et la profondeur réduite des creux Rvk. La profondeur de rugosité du cœur Rk porte sur la zone de rugosité restant préservée dans le contact tribologique après la période initiale de rodage dans le cycle de vie d’une tige filetée et l’usure des pics de rugosité (correspondant à la hauteur réduite des pics Rpk). La profondeur réduite des creux Rvk correspond à la zone de la surface initiale étant disponible pour stocker du lubrifiant. Leurs équivalents seraient les paramètres de rugosité surfaciques Spk, Sk et Svk. Ces paramètres surfaciques sont utilisés dans le projet actuel pour développer une nouvelle méthode de tourbillonnage. De plus, les paramètres doivent être utilisés pour évaluer les surfaces dans le cadre d’une future fabrication en série avec la nouvelle procédure de filetage à la volée de Bornemann.

Optimisation expérimentale du relief

Dans le cadre de l’étude de l’influence du mode d’usinage sur les reliefs de la surface, on a d’abord fait varier les valeurs de réglage du processus pour la fabrication d’une tige filetée à filet trapézoïdal. Cette série d’essais se concentre notamment sur la vitesse de rotation de l’outil nwz et la vitesse de rotation de la pièce nws (figure 3). Comme le tourbillonnage fait tourner aussi bien la pièce que l’outil, le rapport de vitesse de rotation r se base sur la rotation de la pièce et la rotation de l’outil et est intégré dans l’évaluation des reliefs de la surface. Les tiges filetées trapézoïdales ayant fait l’objet de l’étude ont été fabriquées selon un procédé de fraisage en avalant avec une machine-outil de tourbillonnage en acier C45 spécialement conçue par Bornemann Gewindetechnik. Puis, des analyses des reliefs générés sur les flancs du filet ont été réalisées à l’IFW avec un microscope confocal du fabricant Confovis GmbH. Les reliefs obtenus et les paramètres de Abbott correspondants sont présentés sur la figure 3. Les deux mesures les plus élevées montrent l’influence de la vitesse de rotation de l’outil sur le relief de la surface. Les mesures les plus basses montrent les reliefs produits en cas de vitesses de rotation différentes. Le but de cette étude était d’obtenir une valeur élevée pour la profondeur réduite des stries Svk afin de créer le plus vaste volume possible pour le réservoir de lubrifiant situé à la surface. La plus haute valeur Svk a été obtenue dans l’essai 1 avec Svk = 0,442 µm. Cette tige filetée présente également le rapport de vitesse de rotation le plus faible. Dans toute la série d’essais, on a constaté que plus le rapport de vitesse de rotation augmentait, plus la valeur Svk avait tendance à baisser. Le fait de réduire le rapport de vitesse de rotation fait augmenter la distance entre les structures et donc également la profondeur réduite des stries Svk.

Prévisions virtuelles des reliefs

Le cadre défini pour l’expérience fait actuellement l’objet d’une simulation à l’IFW. Une simulation d’enlèvement de matière a également été utilisée pour étudier la formation du relief. Le logiciel CutS permet de concevoir un modèle de simulation similaire au tourbillonnage de tiges filetées et de prédire les surfaces en résultant (figure 4). Cela est utilisé, d’une part, pour mieux comprendre la formation de la surface lors du filetage à la volée et, d’autre part, pour réduire les frais liés aux essais. La figure 4 représente l’une à côté de l’autre la surface évaluée et le résultat issu de la simulation. La simulation correspond à la cinématique du processus de filetage à la volée de Bornemann. La rugosité maximale au niveau des flancs du filet trapézoïdal ayant été usiné par tourbillonnage se situe dans une plage entre Rz = 3–7 µm. Afin d’établir un modèle de prévision fiable du relief de la surface pour cette grandeur, d’autres paramètres de processus ont été intégrés. Dans la simulation représentée ici (figure 1), outre les conditions d’engrènement cinématiques, a également été prise en compte l’écaillage des plaques de découpe rotatives. Pour cela, un modèle CAO de la découpe a été intégré dans la simulation d’enlèvement de matière avec les caractéristiques de rugosité générées à la surface. La spécificité du procédé de tourbillonnage réside dans le fait que les différentes arêtes de coupe d’une plaque de découpe rotative génèrent différents espaces dans le profil du filet trapézoïdal. L’écaillage a été mesuré pour un jeu de plaques de découpe rotatives et intégré dans le modèle afin de se rendre compte de l’influence de la micro-géométrie des plaques de découpe rotatives sur la surface faisant l’objet de la simulation :

La structure de la surface d’une tige filetée usinée par tourbillonnage peut généralement être reproduite en simulant l’enlèvement de matière. Les structures des stries caractéristiques du tourbillonnage sont situées à intervalles réguliers et sont faciles à identifier sur la surface générée par la simulation. Les écarts entre la surface simulée et évaluée se voient dans la profondeur des creux. L’écart en pourcentage entre les valeurs caractéristiques de rugosité de l’évaluation et celles de la simulation tourne actuellement autour de 25 %. Ces différences entre les deux surfaces sont par exemple causées par des effets de surface stochastiques et des déformations d’outils ayant un effet sur le processus. Pour améliorer la précision de la simulation, d’autres paramètres doivent être intégrés. Il est donc actuellement prévu de se pencher sur le comportement à l’oscillation de la machine-outil. On prévoit aussi de réaliser des recherches sur les forces du processus ayant un effet sur les arêtes de coupe. On suppose que le mouvement de rotation excentrique et les variations des sections réelles influencent la déformation de l’outil de tourbillonnage. Les connaissances acquises grâce au processus de simulation seront utilisées ultérieurement pour développer un outil permettant de fabriquer par tourbillonnage des tiges filetées spécifiquement optimisées du point de vue tribologique.

Conclusion et perspectives

La suite du projet prévoit de modifier les outils utilisés et les paramètres correspondants dans le processus de façon à obtenir une surface optimisée au niveau des frottements. Pour évaluer l’effet de la réduction des frottements sur ces surfaces, on réalisera d’abord des essais tribomètre. Suite à ces essais, différents types d’outils seront choisis pour être utilisés dans la fabrication de tiges optimisées au niveau tribologique. Une série de différentes de tiges seront ensuite soumises à une analyse de la durée de vie afin de vérifier les connaissances acquises. Le but de Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co KG est de concevoir une microstructure réduisant les frottements pouvant notamment être utilisée dans des dispositifs de levage de charges lourdes, afin d’en prolonger la durée de vie.

Vous trouverez plus d’infos sur l’optimisation des structures de surfaces filetées sur www.bornemann-gewindetechnik.de/fr et www.youtube.com/bornemann-gewindetechnik.