Quels sont les processus de fabrication des ébauches d’engrenages ? Fonderie, forgeage ou usinage

La limite supérieure de la qualité des produits d'engrenage dépend du matériau de base. Même si vous disposez de la meilleure conception de profil de dent ou de la solution de traitement thermique la plus avancée, s'il y a des défauts dans le processus de fabrication de l'ébauche d'engrenage de base, vos engrenages sont destinés à ne pas fonctionner pendant une longue période.

Les ébauches d'engrenages sont des facteurs déterminants pour l'intégrité structurelle, la résistance à la fatigue et le coût de fabrication des composants finaux. Choisir le mauvais processus de fabrication peut entraîner une casse catastrophique des engrenages lors de l'exploitation sur site-ou augmenter les coûts de maintenance dans le processus de production.

Alors comment choisir le procédé de fabrication ? Devriez-vous choisir le moulage, le forgeage ou l’usinage direct à partir de barres ?

Le moulage est l'une des techniques de traitement des métaux les plus anciennes maîtrisées par l'homme et, pour des scénarios d'application spécifiques, elle reste une solution très compétitive.processus de fabrication d'ébauches d'engrenages. Le principe est d'injecter du métal en fusion dans la cavité du moule, définissant ainsi la forme de l'ébauche.

Artisanat et matériaux
Dans le domaine des engrenages, nous faisons généralement référence au moulage en sable ou au moulage de précision, et les matériaux couramment utilisés comprennent la fonte grise, la fonte ductile ou l'acier moulé. Une fois le métal fondu refroidi et solidifié, il prend une forme conforme à celle du moule.

avantages et inconvénients
Le plus grand avantage du moulage est le degré de liberté de la forme géométrique. Si vous concevez des engrenages géants pour des broyeurs à boulets miniers ou des systèmes de propulsion de navires - ceux d'un diamètre de plusieurs mètres -, le moulage est souvent la seule solution réalisable. Il vous permet de couler directement des structures complexes telles que des rayons et des trous réduisant le poids dans le flan, réduisant ainsi considérablement la quantité de matière retirée à l'avenir.

Mais le casting a ses faiblesses inhérentes. Le processus de solidification peut facilement conduire à des défauts internes tels queporosité et cavités de retrait. De plus, la structure des grains des pièces moulées est généralement aléatoire et grossière. Cela signifie que par rapport aux pièces forgées, la résistance à la traction et la résistance aux chocs des engrenages coulés sont généralement inférieures.

Les scénarios applicables sont généralement des engrenages-de grande taille, des structures géométriques extrêmement complexes, des applications à contraintes faibles à moyennes et des situations qui nécessitent les excellentes performances d'absorption des chocs de la fonte.

Attention:Méfiez-vous des vices cachés internes qui ne seront révélés qu’après le début du traitement de taille des engrenages.

Lorsque la capacité portante-de charge élevée, la résistance aux chocs et la longue durée de vie en fatigue deviennent des exigences sans compromis,forgerest sans aucun doute un processus de fabrication d'ébauches d'engrenages de qualité supérieure. Le forgeage consiste à chauffer une billette de métal et à appliquer une pression immense à l'aide d'un marteau géant ou d'une presse pour lui faire subir une déformation plastique.

Arme secrète :Flux de grains
Pourquoi les engrenages forgés sont-ils plus résistants que les engrenages coulés ou taillés ? La réponse réside dansflux de grains métalliques.
Imaginez le bois. Fendre le bois selon sa texture est beaucoup plus facile que de le couper horizontalement. Les métaux ont également des « textures » ou structures fibreuses similaires.

En casting: il n'y a pas de lignes de courant, la structure est isotrope mais relativement lâche.
Coupe:Vous avez coupé le profilé et les extrémités des fibres exposées peuvent devenir le point de départ de fissures.
En forge, la déformation plastique force les lignes d'écoulement du métal à suivre le contour de l'ébauche.

Cette ligne continue de métal forme un « squelette » à l'intérieur de la pièce qui correspond à la direction de la force exercée sur l'engrenage, améliorant considérablement la résistance à la fatigue et aux chocs.

Deux formes principales

Forgeage à matrice ouverte :Utilisé pour les flans plus grands et plus simples. Il peut compacter efficacement le centre du lingot d'acier et fermer les pores internes.
Forgeage à matrice fermée :Il s’agit du procédé de fabrication d’ébauches d’engrenages le plus courant pour les engrenages automobiles et industriels. Le métal est pressé dans des moules de précision pour produire des ébauches « presque nettes » avec un traitement ultérieur minimal.

Considérations économiques
Le forgeage nécessite des moules coûteux et des équipements lourds. S'il s'agit d'un prototype unique, il n'est pas-rentable. Mais pour des lots de plus de 1 000 pièces, le forgeage est souvent l’option la moins coûteuse en raison du gaspillage minimal de matières premières et du temps de traitement considérablement réduit. Convient aux boîtes de vitesses automobiles, aux engrenages d'aviation, aux boîtes de vitesses industrielles-pour charges lourdes et à la production à grande échelle-.

Le troisième processus de fabrication d'ébauches d'engrenages courant consiste à couper directement à partir de la barre. Ici, vous sélectionnez un acier rond solide (tel que l'acier 45 #, 42CrMo, 20CrMnTi, etc.) et utilisez un tour CNC ou une machine à scier pour le couper à la taille d'une ébauche d'engrenage.

Le chemin avec le moins de résistance
Il s'agit d'un processus de « réduction matérielle ». Vous tenez un morceau de matériau plus gros et coupez toutes les parties qui ne ressemblent pas à des engrenages.

Le plus grand avantage ici est l’agilité. Vous n'avez pas besoin d'attendre 8 semaines pour la production de moules de fonderie ou de forgeage. Vous pouvez commander une tige d'acier aujourd'hui et recevoir l'ébauche d'engrenage traitée demain. Pour le prototypage, le remplacement de pièces de rechange ou la production de petits lots (de 10 à 50 pièces par exemple), il s'agit généralement de la méthode préférée par défaut.

Compromis en ingénierie
L’inconvénient réside dans les performances structurelles. Comme mentionné précédemment, lorsque vous faites tourner des engrenages à partir d'un matériau en barre, vous perturbez les lignes d'écoulement des fibres du matériau. En coupant la texture longitudinale du matériau des barres laminées, vous avez exposé les extrémités des grains sur la surface des dents d'engrenage.

Bien que la qualité de l'acier moderne soit suffisamment élevée pour rendre cette méthode acceptable pour de nombreuses applications générales, la durée de vie en fatigue des engrenages taillés est généralement inférieure à celle des engrenages forgés pour le même matériau et la même taille.

De plus, le taux d'utilisation des matériaux de ce processus de fabrication d'ébauches d'engrenages est le plus bas. Si vous souhaitez traiter un gros engrenage avec un moyeu de roue, vous transformerez la plupart de l'acier allié coûteux en copeaux (déchets), ce qui augmentera directement le coût du matériau par pièce.

Son avantage est qu’il n’y a pas besoin de frais de moule (NRE) et que le cycle de livraison est très rapide. Convient aux prototypes de machines, aux essais en petits lots, aux pièces de réparation d'urgence et aux engrenages soumis à des charges légères à moyennes.

Pour vous aider à comprendre intuitivement les différences, Hansheng a comparé ces trois processus de fabrication d'ébauches d'engrenages.

 

 

 

 

 

Seuil de rentabilité du « coût par rapport à la production »
L'un des facteurs les plus critiques lors du choix d'un procédé de fabrication d'ébauches d'engrenages est la « courbe de rendement ».

Si vous avez besoin de 10 vitesses, la coupe en barre est un choix approprié. Bien que le gaspillage de matériaux soit important, le coût total reste inférieur au coût d'ouverture d'un ensemble de moules de forgeage (qui peut atteindre des dizaines de milliers de yuans).

Si vous avez besoin de 5 000 engrenages, le forgeage est le gagnant incontesté. Le coût initial du moule est réparti sur des milliers de pièces et l’augmentation du coût d’une seule pièce est minime. Dans le même temps, les économies de matières premières et la réduction du temps d’usinage (car l’ébauche est presque nette) généreront d’énormes marges bénéficiaires.

Hansheng vous fournit une liste de contrôle pour le processus de fabrication des ébauches d'engrenages.

Évaluer la charge et le facteur de sécurité
Pour quel scénario cet équipement est-il utilisé ? Si l'application implique des charges de choc, des contraintes cycliques ou des fonctions critiques pour la sécurité, le moulage peut alors faire l'objet d'une attention particulière.

Analyser des formes géométriques
Les engrenages ont-ils de grandes plaques ventrales, des trous complexes de réduction de poids ou des coques intégrées ? Si la forme est trop complexe à forger ou si le tournage nécessite trop de matériaux, le moulage peut être votre seule solution géométrique.

Calculer le coût total de possession (TCO)
Ne vous contentez pas de regarder le prix de la matière première, regardez le coût du produit fini.
Les ébauches de moulage peuvent être bon marché à l'achat, mais s'il y a des points durs (zones froides), cela n'est pas convivial pour les accessoires CNC et augmentera les coûts de traitement.
Bien que le forgeage des ébauches nécessite un investissement initial élevé, leur douceur de surface constante et leurs caractéristiques sans défauts peuvent accélérer la vitesse de taillage et de meulage des engrenages, raccourcissant ainsi le temps de cycle de l'ensemble du processus de fabrication des ébauches d'engrenages.

Considérez l’impact du traitement thermique
Les matériaux forgés ont généralement une structure plus dense et plus uniforme, ce qui rend leurs réactions aux traitements thermiques tels que la cémentation et la nitruration plus prévisibles. Les pièces moulées subissent parfois une déformation imprévisible lors de la trempe en raison d'incohérences internes.

Sur la base de la vaste expérience de Hansheng, notre suggestion est qu'il n'existe pas de « meilleur » processus de fabrication d'ébauches d'engrenages absolus, mais seulement le processus qui répond le mieux aux normes de production, de budget et de performance de votre projet.

Fonderie:pour les structures géométriques complexes et à très grande échelle.
Forge :Pour des performances critiques, une durabilité et une production de masse.
Coupe de barre :pour la rapidité, la flexibilité et les commandes en petits lots.

Hansheng est un fabricant d'engrenages professionnel qui propose des-solutions de transmission de précision uniques. Si vous avez des besoins liés aux équipements, veuillez contacter immédiatement notre équipe d'ingénierie ou visitez notre page sur les capacités de fabrication d'engrenages pour parcourir. Nous pouvons vous fournir une analyse complète de la conception pour la fabricabilité (DFM) et des comparaisons détaillées des coûts pour vous aider à optimiser la conception de vos engrenages. Construisons ensemble des produits durables.

Tous les engrenages peuvent-ils être forgés ?
Non. Le forgeage a des limites en termes de forme. Si les engrenages ont des cavités internes très complexes, des contre-dépouilles ou des diamètres extrêmement grands (comme les engrenages marins dépassant 2 à 3 mètres), le forgeage peut s'avérer techniquement peu pratique ou coûteux. Dans ce cas, le moulage est généralement le meilleur choix pour le processus de fabrication des ébauches d’engrenages.

Quel est l'impact spécifique du « metal streamline » sur la durée de vie des engrenages ?
L’impact est important. Selon les données industrielles que nous avons apprises, dans les mêmes conditions de matériaux et de traitement thermique, les engrenages forgés avec des lignes d'écoulement continu du métal ont généralement une résistance à la fatigue de 20 à 30 % supérieure à celle des engrenages usinés par découpage. Pour les engrenages de transmission qui résistent à des charges d'impact élevées, cela détermine souvent la durée de vie des engrenages.

Quelle est la procédure la plus rapide si j'ai un besoin urgent d'un équipement de remplacement ?
Usinage à partir de barres. Vous n'avez pas besoin d'attendre la fabrication du moule (qui prend généralement 4 à 8 semaines). Grâce à leur stock d'acier rond, des ateliers d'usinage qualifiés peuvent produire des pièces de rechange d'urgence pour vous dans les 24 à 48 heures. Bien que légèrement plus faible que les pièces forgées, c'est la solution la plus rapide pour résoudre le problème d'arrêt.

Quel procédé est le plus adapté aux grands engrenages à vis sans fin en bronze ?
Pour les engrenages à vis sans fin en bronze, la coulée centrifuge est généralement le procédé préféré.
Bien que le bronze puisse également être forgé, la coulée centrifuge offre une excellente densité de matériau et une excellente résistance à l'usure, et est très rentable-, ce qui en fait le processus standard de fabrication d'ébauches d'engrenages pour les grands engrenages en métaux non ferreux-.

ANSI/AGMA 2001-D04 (réaffirmé en 2016)

Facteurs de notation fondamentaux et méthodes de calcul pour les dents à développante droite et à engrenages hélicoïdaux.

ISO 6336-5:2016

Calcul de la capacité de charge des engrenages droits et hélicoïdaux - Partie 5 : Résistance et qualité des matériaux.

AGMA 923-B05

Spécifications métallurgiques pour les engrenages en acier.

Manuel de Dudley sur la conception et la fabrication d'équipements pratiques (4e édition)

Stephen P. Radzevich, CRC Press.