Comment construire une meilleure broche de machine

Oct 29, 2023

Par Conception Nouvelles Personnel | 13 juil. 2022

Les broches supportent les éléments rotatifs dans une large gamme de machines. Dans les machines-outils à métaux, par exemple, les roulements de broche assurent la stabilité du système pour garantir la qualité de surface et la précision des pièces à usiner. Ces roulements doivent être très rigides et durables pour pouvoir supporter des charges mécaniques, et ils doivent également présenter de faibles niveaux de frottement et une tolérance thermique élevée pour permettre des vitesses élevées.

L'équipementier automobile et industriel mondial Schaeffler a récemment aidé un grand fabricant de machines-outils à doubler la durée de la garantie de ses motobroches, notamment en offrant un nombre illimité d'heures de broche pendant la période de garantie, en utilisant des roulements de broche à grande vitesse en Vacrodur, un nouveau acier à roulement développé par Schaeffler. Le fabricant mondial de machines-outils a pu concevoir des électrobroches qui font preuve d'une extrême fiabilité et d'une durée de vie considérablement plus longue par rapport aux broches conventionnelles, en particulier dans des conditions de fonctionnement difficiles.

Schaeffler a fourni à Design News des informations sur ce cas d'utilisation, et nous avons posé à ER Muntz, ingénieur d'application senior pour l'automatisation industrielle chez Schaeffler, quelques questions sur le Vacrodur et les possibilités futures.

Muntz : Historiquement, la plupart des applications ont utilisé de l'acier à roulement 100Cr6. Les efforts visant à améliorer la capacité de vitesse et la robustesse du roulement de broche ont impliqué l'utilisation de roulements hybrides avec des éléments roulants en céramique.

Cependant, l'utilisation d'éléments roulants en céramique n'a permis que d'améliorer les performances du roulement de broche. Lorsque les fabricants de machines-outils effectuaient des révisions et des réparations sur leurs broches, ils constataient à plusieurs reprises que les billes en céramique n'étaient pas endommagées. Pendant ce temps, les bagues de roulement présentaient déjà des signes de rupture par fatigue tels que des piqûres et des fissures.

L'étape suivante dans l'évolution du matériau des chemins de roulement a été le développement d'aciers à haute teneur en azote tels que le matériau Cronidur de Schaeffler. Pendant de nombreuses années, il s'agissait de l'offre haut de gamme pour les fabricants de broches repoussant les limites des capacités de charge et de vitesse. Mais maintenant, de nouvelles avancées dans les outils, ainsi que des exigences accrues en matière de débit et de disponibilité, ont entraîné le besoin de roulements de broche encore plus robustes.

Pour aider à résoudre cet écart de durée de vie entre les billes en céramique et les bagues de roulement pour cette partie émergente du marché, Schaeffler a développé un nouvel acier pour roulement connu sous le nom de Vacrodur.

Muntz : Le Vacrodur est un acier haute performance produit par métallurgie des poudres qui est soumis à un processus spécial de traitement thermique en plusieurs étapes qui donne une structure à grain fin d'une homogénéité inégalée. Ce processus de traitement thermique en plusieurs étapes génère des valeurs de dureté extrêmement élevées de 65 HRC, ce qui rend le roulement moins sensible aux collisions et aux chocs que les roulements en 100Cr6. Si le lubrifiant est contaminé, la grande dureté du matériau entraîne une réduction des dommages initiaux causés par le débordement de particules étrangères.

Ce procédé de traitement thermique spécial confère également au Vacrodur sa stabilité thermique. Contrairement aux aciers à roulements conventionnels, tels que le 100Cr6, la dureté du Vacrodur n'est pas réduite, même à des températures supérieures à 150°C. Les propriétés du matériau restent stables à des températures d'application extrêmement élevées allant jusqu'à 400°C. La robustesse qui en résulte des roulements de broche fabriqués à partir de Vacrodur est particulièrement évidente lorsque l'alimentation en lubrifiant est insuffisante. De tels états de fonctionnement indésirables sont généralement associés à des températures en forte augmentation lors du contact de laminage et conduisent à une perte de dureté considérable. En revanche, la stabilité thermique apportée par le Vacrodur assure une réserve de sécurité conséquente.

Selon une procédure de test certifiée par la société de classification internationale respectée Germanischer Lloyd, une augmentation de la durée de vie de plus de 13 fois la valeur de l'acier à roulement standard était réalisable avec Vacrodur dans de bonnes conditions de lubrification. Lors d'essais impliquant des frottements mixtes, cette différence de durée de vie est encore multipliée par 25. Dans des conditions de contamination contrôlées, c'est-à-dire une contamination définie du lubrifiant par des particules minérales, une augmentation de la durée de vie de 24 fois la référence précédente en acier pour roulements , le propre Cronidur de Schaeffler, était vérifiable.

Muntz : La série de roulements de broche haute vitesse X-life de Schaeffler est disponible dans les variantes de performance M, HCM et VCM, cette dernière avec des éléments roulants en céramique et des bagues de roulement en Vacrodur. Les variantes sont basées sur les séries de dimensions 70 et 719 et les angles de contact nominaux de 17 et 25 degrés. L'un des principaux objectifs de développement de la nouvelle conception était de réduire au minimum la variation de la précharge des roulements sur une large gamme de paramètres de fonctionnement. En effet, le montage de roulement doit compenser les divers degrés de dilatation thermique se produisant entre l'arbre et le logement, et même la dilatation des bagues intérieures de roulement due aux forces centrifuges, dans une direction axiale et radiale. La coordination spécifique de la taille des billes, du profil du chemin de roulement (osculation) et de l'angle de contact en combinaison avec le jeu radial interne a permis d'obtenir une solution optimisée.

Les conditions de lubrification, la pénétration de contaminants, les défauts géométriques et, bien sûr, le spectre de charge peuvent tous influencer de manière significative la durée de vie d'un roulement de broche. C'est ce mélange de différents facteurs d'influence qui soumet le roulement à des contraintes. Le Vacrodur peut fonctionner dans ces conditions de fonctionnement avec plus de résilience que les autres aciers pour roulements.

En utilisant des roulements Vacrodur, le client mentionné précédemment a pu doubler la protection de la garantie sur les broches principales de sa machine-outil sans limiter le nombre d'heures de fonctionnement pendant la période de garantie. Cela a été possible parce que la plupart des défaillances de broche peuvent généralement être attribuées à l'usure, à une lubrification insuffisante et à la contamination des roulements, précisément les conditions pour lesquelles les roulements de broche Vacrodur de Schaeffler représentent une avancée technologique significative.

Muntz : L'état de l'art des machines-outils est en constante évolution. Les outils et les processus nécessitent des vitesses de broche plus élevées que jamais. Les demandes de débit supérieur nécessitent des charges et des vitesses d'alimentation plus élevées qui se répercutent sur la broche. Historiquement, les performances nominales d'une machine sont dictées par les limites de la broche, ce qui signifie qu'une broche plus robuste peut produire une machine-outil plus performante.

Une broche correctement conçue et utilisée devrait fournir de nombreuses années de service sans problème. Malheureusement, l'environnement de fonctionnement de la machine-outil est souvent difficile avec du liquide de refroidissement, des copeaux, des contaminants et des pannes occasionnelles. Les roulements Vacrodur peuvent maintenir les machines en marche plus longtemps, même après l'apparition de dommages dus aux conditions de fonctionnement ci-dessus. Cela permet aux équipes de maintenance de planifier les temps d'arrêt au moment qui leur convient le mieux.

Muntz : Les broches n'existent pas uniquement dans le monde des machines-outils. Les broches à grande vitesse, en particulier, sont utilisées dans le travail du bois, la fabrication de composites, l'aérospatiale, les dispositifs médicaux, les pompes, les ventilateurs, les compresseurs, les turbocompresseurs, les gyroscopes, les stabilisateurs et des dizaines de systèmes rotatifs similaires. Certaines de ces applications poussent les roulements conventionnels à leurs limites. Bon nombre de ces applications sont essentielles à la production et ne peuvent tolérer un arrêt imprévu suite à une panne soudaine et catastrophique. Les roulements Vacrodur doivent non seulement prolonger la durée de vie nominale de la machine, mais également fournir une marge de sécurité à la fin de cette durée de vie.

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