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Peu de composants sont aussi importants et répandus dans le domaine de la transmission de puissance et du contrôle de mouvement que l'arbre cannelé. Il n'est pas étonnant que ces arbres, fabriqués avec un grand soin, soient des ouvriers quasi méconnus dans les machines d'innombrables applications, de la transmission automobile aux actionneurs des centrales électriques des avions. Falcon CNC Swiss se spécialise dans la fabrication de précision de ces pièces essentielles. Dans cet article exhaustif, nous aborderons en détail le sujet de ce qu'est un arbre cannelé, à quoi il sert, quels sont ses types, et quels procédés de fabrication sont utilisés pour les fabriquer afin d'obtenir des résultats optimaux.
Un arbre cannelé, dans sa définition la plus simple, est un élément mécanique conçu pour transmettre un couple et maintenir un rapport de vitesse entre deux éléments. Il comporte un certain nombre de nervures ou de dents, que nous appelons cannelures, usinées parallèlement à l'axe de l'arbre. Il s'engrène dans l'élément femelle correspondant, engrenage ou moyeu, et fournit une liaison assurant la transmission du couple tout en permettant un léger déplacement axial.
On constate qu'un point de contact unique est fourni dans l'assemblage par clavette et rainure. L'arbre cannelé, en revanche, présente de nombreux points de contact sur sa circonférence. Cela répartit uniformément la charge, ce qui donne une liaison plus résistante, plus fiable et offrant une capacité de couple plus élevée. En bref, l'arbre cannelé est une solution moderne et très élaborée aux problèmes rencontrés dans les applications de puissance lourde nécessitant un mouvement rotatif à hautes performances.
L'arbre cannelé remplit plusieurs fonctions essentielles dans les assemblages mécaniques.
(1) Transmission du couple : C'est son domaine d'activité principal. Il est destiné à transmettre le mouvement rotatif de l'élément moteur à l'élément récepteur, par exemple d'un moteur à une transmission.
(2) Compensation des désalignements axiaux : Les arbres cannelés peuvent compenser de légers désalignements entre les pièces qu'ils relient, réduisant ainsi l'usure et les contraintes auxquelles ces pièces seraient autrement soumises.
(3) Mouvement linéaire : Tout en transmettant le couple, les arbres cannelés permettent à la pièce qui s'engrène avec eux d'effectuer un mouvement linéaire, c'est-à-dire de coulisser le long de l'arbre. Ceci est d'une importance capitale dans des applications telles que les colonnes de direction rétractables et les dispositifs de changement de vitesse des transmissions.
(4) Phasage et indexation : La disposition précise des cannelures garantit que les pièces s'accouplent dans une position définie, assurant ainsi le phasage correct nécessaire dans des applications telles que les dispositifs de synchronisation.
(5) Capacité de charge accrue : En répartissant la charge sur plusieurs cannelures, il est possible de transmettre un couple nettement plus élevé qu'avec un arbre claveté de même diamètre.
Les arbres cannelés sont classés selon la forme de la nervure ou des dents et le diamètre extérieur de l'arbre cannelé. Les types les plus couramment utilisés et fabriqués sur mesure par Falcon sont :
(1) Cannelures à développante : C'est le type prédominant. Les dents ont une courbe en développante, la même que celle utilisée pour les dents d'engrenage. Elles sont solides, autocentrantes dans leur montage et capables de tolérer de légers désalignements. Elles sont disponibles dans des tailles et formes normalisées pour assurer l'interchangeabilité. Les normes ANSI B92.1 et DIN 5480 sont des spécifications selon lesquelles les arbres cannelés à développante peuvent être produits.
(2) Cannelures à côtés droits : Comme leur nom l'indique, celles-ci ont des dents latérales droites et parallèles entre elles. Elles sont plus faciles à fabriquer dans certains cas, mais sont inférieures aux cannelures à développante page 2 en termes de capacité à gérer les désalignements et de résistance par rapport à la taille de leurs dents.
(3) Cannelures dentelées : Ces cannelures ont des dents de forme triangulaire et sont utilisées dans les applications légères et lorsque l'on a recours à un assemblage par emmanchement à force permanent.
(4) Cannelures à billes : Il s'agit d'une innovation qui consiste en un système de cannelures utilisant des billes de recirculation dans des rainures, offrant un mouvement linéaire pratiquement sans frottement en conditions de travail, avec transmission du couple. Cet arbre peut être utilisé dans des applications de haute précision, comme dans l'automatisation et la robotique.
La fabrication d'arbres cannelés de bonne qualité nécessite un grand soin dans leur usinage. Chez Falcon CNC Swiss, nous disposons de différentes méthodes modernes de traitement :
Fraisage CNC : Avec nos centres de fraisage CNC multi-axes, nous pouvons usiner avec précision des profils de cannelures complexes, particulièrement adaptés aux prototypes et à la fabrication en petites ou moyennes séries.
Tournage CNC et taillage par fraise-mère : Pour la production en grande série, on utilise le tournage de précision combiné au taillage par fraise-mère, un procédé de génération d'engrenages où une fraise-mère coupe progressivement les dents de cannelure dans l'ébauche en rotation. C'est très économique pour les cannelures à développante.
Brochage : Dans ce cas, un outil denté (la broche) est poussé ou tiré linéairement sur l'arbre pour réaliser la cannelure en une seule opération. C'est rapide, extrêmement précis et très courant pour les cannelures intérieures ou certaines cannelures extérieures.
Rectification : La plus grande précision et le meilleur état de surface sont facilement obtenus sur certains aciers durs, de préférence par rectification de profil. Ce procédé permet d'atteindre les tolérances très serrées nécessaires sur les arbres cannelés utilisés dans les secteurs aérospatial et médical.
Usinage CNC suisse : C'est notre spécialité, avec des tours de type suisse offrant une grande stabilité et précision pour la fabrication d'arbres longs et minces. Le guide-bague maintient la matière juste en arrière de l'outil, évitant toute déflexion, et permet la production simultanée de cannelures, filetages, etc., en un seul montage.
Étant donné que les performances et la durabilité des arbres cannelés dépendent en grande partie du matériau dans lequel ils sont fabriqués, voici les matériaux habituellement utilisés :
Aciers alliés (alliages 4140, 4340) : C'est le matériau standard utilisé dans l'industrie pour les applications à haute résistance, combinant bonne résistance, ténacité et résistance à l'usure, réagissant bien au traitement thermique.
Aciers au carbone (alliages 1045, 1215) : C'est souvent la méthode la moins coûteuse pour les applications ne nécessitant pas une sollicitation importante du matériau. La résistance et une bonne usinabilité sont à la base de leur utilisation.
Aciers inoxydables (303, 304, 316, 17-4PH) : En général, les produits les plus courants de cette catégorie sont utilisés pour les arbres cannelés, leur principal atout étant la résistance à la corrosion. Le 17-4PH est un acier à durcissement par précipitation qui développe une très grande résistance après traitement thermique.
Alliages d'aluminium (alliages 6061, 7075) : Un choix naturel pour la réduction de poids, important dans l'aérospatiale et la robotique. Ces produits se caractérisent par de bons rapports résistance/poids.
Alliages exotiques (titane, Inconel) : Sont appréciés dans les environnements extrêmes soumis à de fortes pressions, par exemple (dans les réacteurs d'avion et le traitement chimique), où le rapport poids/résistance, la résistance à la chaleur et à la corrosion sont d'une importance capitale.
Le traitement thermique est souvent un élément très nécessaire pour obtenir des propriétés spécifiques dans les arbres cannelés en service.
Trempe et revenu (durcissement à cœur) : Améliore la résistance et la dureté de l'ensemble de l'arbre, idéal pour les applications nécessitant une grande résistance à l'usure et une capacité de charge élevée.
Cémentation, nitruration (durcissement superficiel) : Produit une couche extérieure dure et résistante à l'usure, tandis que le cœur reste résistant et ductile. Ceci est très important dans le cas des cannelures, où une surface extérieure dure est nécessaire pour résister à l'usure, mais où le cœur doit avoir une ténacité suffisante pour pouvoir supporter des charges de choc soudaines.
Durcissement par induction : Cette méthode n'affecte que la partie cannelée de l'arbre, le reste étant laissé dans son état d'origine. Ce procédé présente un grand avantage de proximité, car il élimine les étapes des traitements thermiques plus longs.
Effet : Un traitement thermique approprié des arbres cannelés augmente considérablement leur dureté superficielle, ainsi que leur résistance à la fatigue et à l'usure, ce qui se traduit directement par une augmentation de la durée de vie du composant en service sous des conditions de charge lourde.
Les arbres cannelés sont nécessaires dans tous les domaines de l'ingénierie :
Automobile : Boîtes de vitesses, arbres de transmission, différentiels, direction assistée, boîtes de transfert.
Aérospatiale : Actionneurs pour surfaces de commande de vol, systèmes de train d'atterrissage et composants moteur.
Machines industrielles : Pompes, compresseurs, broches de machines-outils et convoyeurs.
Robotique, Automatisation : Articulations de bras robotiques, actionneurs linéaires, étages de positionnement de précision.
Médical :
