Transmission par engrenages : principes et applications des méthodes de taillage par forme et par génération en usinage des engrenages

01 Principes fondamentaux de la méthode de génération

1.1 Fondements mathématiques

• Principe d'enveloppement : La trajectoire du tranchant de l'outil (tel que les fraises-mères ou les crémaillères génératrices) forme une série de courbes continues, et l'enveloppe de ces courbes constitue le profil théorique de la dent d'engrenage (par exemple, développante, cycloïde).
• Équation d'engrènement : Satisfait la relation de mouvement relatif entre l'outil et la pièce afin d'assurer la précision du profil de la dent.

1.2 Caractéristiques principales

• Haute Précision : Permet l'usinage de profils de dents complexes (par exemple, engrenages à profil en développante, à arc de cercle).
• Haute efficacité : La coupe continue permet la production de masse.
• Polyvalence accrue : Un outil unique peut usiner des engrenages avec différents nombres de dents (à condition qu'ils aient le même module).

1.3 Procédés typiques par génération

1.3.1 Fraisage en hélice (hobbing)

• Le principe : Exploite le mouvement d'engrènement entre un fraise-mère (de forme similaire à une vis sans fin) et la pièce brute, réalisant l'usinage par avance axiale.
• Relation cinématique : Rotation de la fraise-mère (mouvement principal de coupe) + Rotation de la pièce (mouvement de génération) + Avance axiale.
• Avantages : Haute efficacité, adapté à la production de masse (par exemple, engrenages automobiles) ; permet d'usiner des engrenages droits, hélicoïdaux, des roues de vis sans fin, etc.
• Exemples d'application : Usinage des planétaires et du pignon central dans les boîtes d'engrenages pour éoliennes.

1.3.2 Brochage d'engrenage (gear shaping)

• Le principe : Utilise une fraise crémaillère (de forme similaire à un engrenage) effectuant un mouvement de coupe alternatif sur la pièce tout en tournant selon un rapport d'engrènement.
• Relation cinématique : Découpe verticale réciproque du taillage de denture + rotation générative de la pièce et de l'outil.
• Avantages : Permet d'usiner des structures complexes telles que les engrenages intérieurs et les doubles engrenages ; rugosité supérieure de la surface dentaire par rapport au fraISage (Ra 0,8–1,6 μm).
• Limitations : Efficacité inférieure au fraISage ; coût d'outil plus élevé.
• Exemples d'application : Usinage d'anneaux d'engrenages internes dans les boîtes de vitesses et d'engrenages de précision de petite taille.

1.3.3 Taillage finisseur d'engrenages

• Le principe : Le couteau de taillage et la pièce tournent en prise sous une légère pression, améliorant la précision du profil de dent par l'action de raclage des arêtes du couteau. Il s'agit d'un procédé de finition utilisé pour le dressage après fraISage ou taillage.
• Avantages : Permet de corriger les erreurs de profil de dent et d'améliorer la douceur de transmission de l'engrenage ; la précision d'usinage atteint la qualité DIN 6–7.
• Exemples d'application : Usinage final des engrenages de boîte de vitesses automobiles.

1.3.4 Rectification d'engrenages

• Le principe : Utilise une meule profilée ou une meule en forme de vis sans fin pour rectifier la surface des dents par mouvement générateur, principalement destiné à la finition des engrenages trempés.
• Avantages : Précision extrêmement élevée (jusqu'au niveau DIN 3–4) ; peut usiner des engrenages à surface dure (HRC 58–62).
• Limitations : Coût élevé et faible efficacité, généralement utilisé dans les domaines exigeant une haute précision.
• Exemples d'application : Engrenages de moteurs aéronautiques et engrenages de l'étage à haute vitesse dans les boîtes de vitesses éoliennes.

02 Principes de base du fraisage par forme

• Dépendance élevée vis-à-vis de l'outil : La précision du profil de la dent dépend directement de la précision du contour de l'outil.
• Absence de mouvement de génération : Le processus d'usinage ne simule pas l'engrènement des engrenages, il repose uniquement sur le mouvement relatif entre l'outil et la pièce.
• Haute flexibilité : Permet d'usiner des profils de dents non standard (par exemple, dents en arc de cercle, dents rectangulaires).

2.1 Fondements mathématiques

• Principe de profilage : La forme géométrique du tranchant de l'outil correspond parfaitement à l'espace entre les dents du pignon.
• Mouvement d'indexation : Utilise des dispositifs d'indexation (par exemple, des têtes de division) pour usiner dent par dent afin d'assurer un pas uniforme des dents.

2.2 Avantages et inconvénients

Avantages

• Équipement simple : Réalisable avec des machines à fraiser ordinaires.
• Adapté à la production unitaire, en petite série ou à la réparation : Idéal pour les scénarios de personnalisation et de maintenance.
• Capable d'usiner des engrenages à module extra-large : Par exemple, engrenages utilisés dans les machines de chantier minier.

Inconvénients

• Basse Précision : Généralement de qualité DIN 9–10.
• Faible efficacité : Nécessite un usinage dent par dent.
• Faible Polyvalence des Outils : Des outils spécialisés sont nécessaires pour chaque module.

2.3 Procédés Typiques de Coupe par Forme

2.3.1 Fraisage d'Engrenages

• Le principe : Utilise une fraise disque ou une fraise bout ; la fraise tourne pour couper, et la pièce est indexée dent par dent à l'aide d'une tête diviseuse.
• Relation cinématique : Rotation de la fraise (coupe principale) + Avance axiale de la pièce + Rotation d'indexation.
• Scénarios d'application : Production unitaire et en petites séries d'engrenages droits et hélicoïdaux ; engrenages à module élevé (module ≥20 mm) ou engrenages de réparation.
• Étude de cas : Engrenages du train lent des réducteurs marins (module 30, matériau : 42CrMo) usinés par fraise de bout + indexation CNC, obtenant une rugosité de surface dentaire de Ra 3,2 μm.

2.3.3 Brochage d'engrenages

• Le principe : Utilise un outil appelé broche (outil à dents multiples en gradins) pour brocher l'intervalle dentaire complet en une seule passe.
• Relation cinématique : Mouvement linéaire de la broche (usinage) + pièce fixe.
• Avantages : Efficacité extrêmement élevée (un intervalle dentaire réalisé par course) ; précision relativement élevée (jusqu'à qualité DIN 7).
• Limitations : Uniquement adapté à la production de série d'engrenages intérieurs ou extérieurs ; coût élevé de fabrication des broches, idéal pour les commandes importantes d'une seule spécification.
• Exemples d'application : Production de masse des bagues synchronisatrices automobiles (temps de cycle <10 secondes/pièce).

2.3.3 Rectification par forme

• Le principe : Utilise une meule profilée (dont le contour correspond à l'intervalle dentaire) pour rectifier des engrenages trempés.
• Relation cinématique : Rotation de la meule + indexation de la pièce.
• Avantages : Peut usiner des engrenages de haute dureté (HRC >60) ; précision jusqu'au grade DIN 4 (erreur de profil de dent <5 μm).
• Domaines d'application : Finition des engrenages de moteurs aéronautiques et des engrenages de réducteurs de précision.

03 Comparaison et applications industrielles des deux méthodes

Comparaison entre la méthode générative et le façonnage par forme

Applications industrielles de la méthode de génération

3.1 Boîtes de vitesses pour éoliennes

• Exigences : Couple élevé, durée de vie longue (≥20 ans).
• Combinaison de procédés : Fraisage en chaîne (ébauche) → Traitement thermique → Rectification des engrenages (finition).