Roulements pour outils à main

Jul 17, 2023

Par Mike Santora | 21 juin 2017

Par John Wallace, vice-président des opérations, AST BearingsÉdité par Mike Santora

Dans le domaine industriel, les outils électriques comme cette ponceuse de Top Cat Air Tools sont des produits de haute technicité qui réduisent la fatigue des travailleurs et améliorent la productivité et la qualité. Ils sont également couramment utilisés dans d'autres types d'opérations telles que la conduite (attaches), le perçage, la coupe, la mise en forme, le meulage, le routage, le polissage et plus encore.

Les outils électriques portatifs sont monnaie courante dans de nombreuses industries, de l'automobile à l'aérospatiale. Les roulements à billes jouent un rôle essentiel dans les performances et la fiabilité de ces outils et sont responsables de la gestion des conditions de charge combinées (radiales et axiales), d'un fonctionnement à grande vitesse, d'un faible frottement, d'un faible bruit et de vibrations et d'une grande fiabilité. Les outils électriques ont un marché mondial de près de 26 milliards de dollars (environ 11 milliards de dollars aux États-Unis). Les outils électriques sans fil sont le segment qui connaît la croissance la plus rapide, le marché industriel et professionnel dépassant la demande des consommateurs. Les produits fabriqués pour le marché de consommation ont généralement des prix inférieurs, une qualité inférieure et intègrent des composants qui sont « prêts à l'emploi » ou qui entrent dans la catégorie « marchandise ».

Dans le domaine industriel, les outils électriques sont des produits de haute technicité qui réduisent la fatigue des travailleurs et améliorent la productivité et la qualité. Ils sont couramment utilisés dans tous les types d'opérations telles que le vissage (attaches), le perçage, la coupe, le façonnage, le ponçage, le meulage, le routage, le polissage et plus encore.

Dans le domaine industriel, les outils électriques sont des produits de haute technicité qui réduisent la fatigue des travailleurs et améliorent la productivité et la qualité. Ils sont couramment utilisés dans tous les types d'opérations telles que le vissage (attaches), le perçage, la coupe, le façonnage, le ponçage, le meulage, le routage, le polissage et plus encore.

Les outils rotatifs industriels typiques comprennent les perceuses, les tournevis, les boulonneuses, les clés à chocs et les tournevis, les meuleuses, les ponceuses et les polisseuses. Les moteurs électriques et l'air comprimé sont les types de sources d'énergie les plus courants utilisés dans un environnement d'usine. Voici quelques-unes des considérations à prendre en compte lorsque l'on pense aux roulements dans la conception d'une application.

Charges des roulements : les roulements à billes peuvent supporter simultanément des charges radiales et axiales, ce qui en fait le choix idéal pour les exigences des outils électriques. Cependant, en raison de leur construction interne avec des chemins de roulement relativement peu profonds, la composante de charge prédominante doit être radiale. Dans le cas où les charges axiales sont excessives, des paliers de butée peuvent être utilisés en combinaison avec des roulements à billes radiaux pour supporter efficacement ces charges.

Bruit et vibrations : Un outil bruyant et vibrant causera rapidement de l'inconfort à son opérateur, en particulier dans les environnements d'usine ou de production où les mouvements et les opérations sont répétitifs. Dans le cas des roulements à billes, le bruit et les vibrations sont directement liés à la qualité des matériaux utilisés pour les bagues et les billes, aux spécifications de fabrication internes et aux contrôles stricts des processus.

Les roulements utilisés dans ces applications doivent être produits selon les niveaux de bruit de la qualité des moteurs électriques (EMQ). Les normes EMQ ne sont pas uniformes (sauf en Chine où il existe une norme nationale) et varient d'un fabricant à l'autre, mais la cote EMQ indique qu'elles conviennent à une utilisation dans les moteurs électriques.

Historiquement, les moteurs électriques doivent fonctionner silencieusement avec peu ou pas de vibrations, et cette terminologie est née en conséquence. Les fabricants produisent des composants de roulement selon des spécifications strictes et utilisent diverses techniques pour produire des roulements EMQ.

Un grand soin est pris pour produire des anneaux avec une géométrie presque parfaite. Les tolérances géométriques contrôlent des caractéristiques telles que l'arrondi, la concentricité, le faux-rond et le parallélisme. Les roulements avec des bagues à géométrie médiocre ont tendance à produire des bruits et des vibrations à basse fréquence.

Les pistes de course (les pistes où roulent les balles) sont super finies pour produire des surfaces semblables à des miroirs. Des balles de haute qualité sont également utilisées, ce qui signifie qu'elles ont une bonne géométrie, comme être parfaitement sphériques. Les billes ou les chemins de roulement avec des finitions de surface médiocres ont tendance à produire des bruits et des vibrations à haute fréquence. Certains lubrifiants peuvent également contribuer aux niveaux de bruit. Les roulements plus petits utilisés dans ces outils à main nécessitent une graisse "propre".

Les fabricants qui produisent des roulements EMQ effectuent généralement des tests de bruit à 100 % des roulements à l'aide d'un équipement spécialement conçu avant la lubrification finale et l'emballage.

Les fabricants d'outils électriques doivent correctement spécifier et appliquer une précharge aux roulements utilisés dans un outil électrique afin de réduire le bruit et les vibrations. L'une des dernières étapes du processus de fabrication des roulements est l'assemblage des composants individuels du roulement : la bague extérieure, la bague intérieure, les billes et la bague de retenue (ou séparateur de billes). Lorsque les roulements sont assemblés, il est nécessaire d'avoir une quantité contrôlée de jeu interne ou de jeu entre les bagues et les billes. Ceci est appelé jeu radial dans la plupart des catalogues de roulements.

Dans les applications d'outils à main électriques, ce jeu interne doit être supprimé pour qu'une paire de roulements fonctionne correctement. L'application d'une charge axiale sur la paire de roulements - dans le but de supprimer les jeux internes libres - est appelée précharge.

L'application d'une précharge axiale force les billes en contact avec les chemins de roulement, établissant un angle de contact qui fait tourner le jeu de billes dans un plan circonférentiel uniforme. La précharge est essentielle dans les applications d'outils électriques de haute précision et à grande vitesse où les vitesses peuvent atteindre 60 000 tr/min.

Température de fonctionnement : Les outils électriques à main doivent être conçus et fabriqués de manière à pouvoir être tenus par un opérateur pendant de longues périodes. Les roulements doivent être montés correctement, avoir la précharge appropriée et avoir le type et la quantité de lubrification appropriés afin de minimiser la température de fonctionnement.

Matériaux de roulement : Tous les roulements doivent être fabriqués à partir de composants fabriqués à partir de matériaux de haute pureté.

Les joints sont la meilleure option pour garder les débris étrangers hors de l'intérieur du roulement et garder le lubrifiant à l'intérieur. Le matériau de joint de roulement le plus courant est un caoutchouc nitrile. Ce type de joint est généralement en Buna-N lié à un insert en acier, qui est fixé dans une rainure de la bague extérieure. La température de fonctionnement maximale est de 240 °F.

Les bagues et les billes de roulement sont le plus souvent fabriquées en acier chromé SAE 52100. Cet alliage à durcissement direct présente une excellente résistance à la fatigue et à l'usure, et constitue le choix le plus rentable dans un environnement non corrosif. Dans les outils à main, les roulements sont généralement bien protégés dans un boîtier ou une enceinte. Cependant, s'il existe un risque d'exposition à l'humidité ou à une attaque corrosive, l'acier inoxydable martensitique, similaire à AISI 440C, est recommandé. Cet acier inoxydable de la série 400 offre la meilleure combinaison de résistance à la corrosion et de durée de vie. Il offre une bonne résistance à la corrosion et contient des carbures fins et uniformément dispersés, ce qui entraîne des niveaux de bruit et de vibration inférieurs à ceux du 440C. Ce matériau peut être spécifié différemment par les fabricants.

Dans certains cas, les billes fabriquées à partir de matériaux céramiques, tels que le nitrure de silicium, sont très intéressantes. Les billes en céramique sont très légères, hautement polies, non magnétiques, présentent une dureté élevée et résistent aux attaques de la plupart des liquides et produits chimiques. Les billes en céramique améliorent considérablement la capacité à haute vitesse du roulement. Les roulements constitués de bagues en acier et de billes en céramique sont communément appelés roulements hybrides. Bien que les billes en céramique aient une liste impressionnante de caractéristiques bénéfiques, elles ne sont généralement pas utilisées dans les outils électriques portatifs.

Lubrification : La sélection des lubrifiants pourrait être la spécification la plus négligée par les concepteurs et les ingénieurs. La durée de vie des roulements dépend d'une bonne lubrification en termes de type et de quantité.

Dans la plupart des cas, les roulements plus petits utilisés dans les outils à main électriques sont lubrifiés une fois pour toute la durée de vie de l'appareil. Des milliers de graisses et d'huiles sont disponibles et conçues pour fonctionner dans une variété de conditions et d'environnements.

La température de fonctionnement est la principale considération lors de la sélection d'un lubrifiant. La température a un impact direct sur la viscosité de l'huile de base qui, à son tour, a un impact sur la capacité à supporter des charges. En raison de la large gamme de produits ainsi que du prix et de la disponibilité, un spécialiste en lubrification et le fabricant de roulements doivent être consultés avant de faire une sélection finale de lubrifiant.

Environnements difficiles : Dans de nombreux environnements industriels, les outils électriques (et éventuellement les roulements) sont continuellement exposés à des liquides et à divers types de débris particulaires. Des roulements étanches ou blindés doivent être utilisés dans ces situations. Les joints sont la meilleure option pour garder les débris étrangers hors de l'intérieur du roulement et garder le lubrifiant à l'intérieur.

Le matériau de joint de roulement le plus courant est un caoutchouc nitrile. Ce type de joint est généralement en Buna-N lié à un insert en acier, qui est fixé dans une rainure de la bague extérieure. La température de fonctionnement maximale est de 240 °F. Ce type de joint entre en contact avec la bague intérieure, offrant une meilleure protection dans les environnements contaminés qu'un blindage métallique. Cependant, cela entraîne une augmentation du couple et réduit la capacité de vitesse maximale du roulement, mais dans presque tous les cas, il s'agit d'un compromis de conception qui est fait pour améliorer la durée de vie.

Certains lubrifiants et produits chimiques réagissent avec le caoutchouc. Outre le matériau en caoutchouc Buna-n et nitrile, d'autres matériaux sont disponibles pour des températures plus élevées et une résistance chimique. Ceux-ci incluent le tissu F Teflon et le Viton qui ont une bonne résistance chimique et une température de fonctionnement maximale de 400° F.

Comme on le voit, il existe une large gamme d'options de roulements à prendre en compte pour une performance optimale des outils à main. Les ingénieurs et les concepteurs sont encouragés à consulter un spécialiste des applications de roulements pour obtenir de l'aide pour calculer la capacité de charge, la durée de vie des roulements, les ajustements et les tolérances des composants, ainsi que pour évaluer les facteurs environnementaux afin de spécifier correctement les attributs des roulements.

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