Brevet FR2518909A1 — publié le 19830701

- "Procédé et appareil de compensation de la déformation axiale par suite d'un traitement thermique, d'arbres filetés " l'invention concerne un procédé et un appa- reil de compensation de la déformation axiale, par suite d'un traitement thermique, d'arbres filetés. Selon l'invention, l'erreur de pas provoquée sur un arbre fileté par la transformation de phase, la va- rnation de structure, les contraintes intérieures, les forces extérieures, etc -, se trouve corrigée au cours du processus de trempe donnant naissance à cette erreur de pas. Un arbre fileté nécessitant une dureté et une précision de dimensions prédéterminées comme, par exemple, un arbre fileté à bout sphérique servant de vis d'alimen- tation d'appareils de mesure et de machines-outils, forme une paire de pièces de roulement analogue à celle qu'on rencontre dans un roulement à billes à contact angulaire, et l'on affine la précision de sa surface de roulement par les divers types de traitements thermiques nécessaires (carburation, durcissement haute fréquence et autres trai- tements de durcissement et de trempe), après avoir formé au tour un filetage de précision prédéterminée, ces trai- tements étant destinés à augmenter la durée de vie de rou- lement et la résistance aux frottements La finition de l'arbre fileté à bout sphérique est ensuite réalisée par 2.- meulage, de manière à obtenir une erreur de pas de 3 mi- crons ou moins pour chaque pas, et une erreur de pas cumu- lée de 20 microns sur 300 mm. En général, les matériaux métalliques subis- sent une transformation de phase et uné modification de structure pendant le traitement thermique, qui, combinées à la force extérieure et à la contrainte thermique produi- tes dans le matériau par chauffage et refroidissement, pro voquent des variations de taille et de forme Les amplitu- des de ces variations dépendent de la composition du mat 6- riau, de l'historique du traitement thermique et des condi- tions de ce traitement thermique Dans le cas d'un arbre fileté, ces variations se manifestent par une erreur de pas affectant le processus de meulage ultérieur. En effet, pendant le processus de meulage, l'arbre fileté est avancé par rapport à la meule, en syn- chronisme avec l'entra Inement rotatif Cependant, si l'ar- bre fileté se contracte dans la direction axiale sous l'ef- fet du traitement thermique, le pas du filetage, formé avec une précision prédéterminée tenant compte d'une amplitude prévue de déformation axiale par suite du traitement ther- mique, devient incompatible avec le pas de meulage déter- miné par les conditions de meulage Par suite, seul un c 8- té des surfaces de travail de la meule creuse une découpe dans le flanc des filets, ce qui peut conduire, à la fois, à une usure anormale de la meule et à un meulage insuffi- sant de l'autre flanc des filets laissant une partie non découpée Cette usure anormale de la meule ne permet pas d'obtenir la précision de finition voulue, car la forme de la meule se reproduit sur le flanc des filets. L'erreur de pas résultant du traitement ther- mique est plus importante pendant la période de trempe que pendant la période de recuit et les variations observées sont relativement faibles pendant la période de recuit. La dilatation et la contraction axiale désignées ci-après 3.- par amplitude de déformation axiale, sont également rela- tivement stables pendant la période de recuit, alors qu'el- les varient fortement en fonction de faibles variations des conditions de trempe Il a été constaté que la tendance à la déformation axiale ne tendait pas à devenir fixe Pour cette raison, on peut tolérer et tenir compte de l'erreur de pas se produisant pendant la période de recuit Par exemple, il est possible, pour tenir compte de l'erreur de pas produite pendant le recuit, de donner une valeur plus grande ou plus petite au pas des filets d tailler dans l'arbre fileté pendant l'opération préparatoire d'usinage au tour, de manière à être assuré d'obtenir le pas prédé- terminé voulu à la fin de-l'opération de recuit. Cependant, le procédé ci-dessus ne permet pas de tenir compte de façon satisfaisante de l'erreur de pas se produisant pendant la trempe Ceci conduit, dans la pra- tique courante de production d'arbres filetés tels que des vis à bout sphérique nécessitant une dureté e t une préci- sion de dimensions prédéterminées, à régler très soigneuse- ment les conditions de traitement-thermique produisant le minimum de variations de dimensions pendant la trempe, ou à prévoir une plus grande tolérance de meulage, ou encore à effectuer de fréquentes remises en forme (ajustage ou alignement) de la meule, de manière à être assuré d'obtenir la précision prédéterminée voulue du pas de vis Cependantp ces précautions font baisser le rendement de traitement des arbres filetés. Compte tenu des problèmes posés par les dif- férentes étapes de production selon l'art antérieur décri- tes ci-dessus, l'invention a pour but de compenser l'erreur de pas produite pendant la trempe, en appliquant à l'arbre fileté une torsion lui donnant une déformation de torsion permanente correspondant à l'erreur de pas à corriger. Cela consiste à utiliser le fait que la torsion d'un arbre fileté modifie l'hélice du filetage en provoquant ainsi 4.- une -variation du pas des filets Cela est d R à la propriété des matériaux métalliques de se déformer facilement plasti- quement (déformation de torsion permanente, dans le cas présent) pendant le processus de trempe, c'est-4-dire pen- dant le chauffage à température élevée déterminé en fonc- tion du matériau métallique utilisé, et pendant le refroi- dissement de ce matériau. En d'autres termes, en tenant compte du fait, qu'à une certaine température, la limite élastique d'un métal diminue et que ce métal se distend ou se déforme plastiquement relativement facilement, ce phénomène étant appelé superplasticité, l'invention utilise la propriété de l'acier de se déformer plastiquement facilement pendant la trempe. A cet effet, l'invention concerne un procédé de compensation de la déformation axiale par suite d'un traitement thermique, d'arbres filetés, provoquée par le processus de trempe, procédé caractérisé en ce qu'on pro- duit une déformation permanente dans l'arbre fileté en lui appliquant une torsion dont l'angle de torsion corres- pond à l'erreur de pas de cet arbre fileté-par suite de la trempe, de manière à corriger ainsi cette erreur de pas. Selon l'invention, comme l'erreur de pas re- lativement importante de l'arbre fileté, produite pendant la trempe, peut être corrigée facilement avec grande pré- cision, il est possible de réduire les tolérances de meula- ge après traitement thermique, de manière à réduire le temps de meulage Comme cette correction est faite pendant la trempe, il n'ya aucun risque de réduire la cadence de production, et le couple de torsion de l'arbre fileté peut être réglé à une valeur relativement faible. De plus, comme il suffit simplement, pour corriger la déformation axiale, de tordre axialement l'ar- bre fileté sans l'étirer ni le comprimer, il n'existe au- cun risque de gauchissement Enfin, comme il suffit de tor- 5.- dre l'extrémité de l'arbre d'un angle correspondant à l'am- plitude de correction de la déformation axiale, il est pos- sible d'effectuer une correction très uniforme sur toute la longueur de l'arbre fileté. l'invention sera décrite en détail au moyen des dessins ci-joints dans lesquels: les figures t et 3 sont des vues d'arbres filetés à corriger, représentant, des deux c 8 tés de l'axe, les états avant et après déformation axiale, les figures 2 et 4 sont des vues d'extré- mité des arbres filetés des figures 1 et 3, la figure 5 est une vue schématique d'une forme de réalisation d'un appareil permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, la figure 6 est un graphique représentant la relation existant entre l'amplitude de déformation par pas du filet de l'arbre fileté et les conditions d'entral- nement permettant de charger cet arbre fileté, la figure 7 est un schéma par blocs d'un appareil permettant d'effectuer une correction par appli- cation préalable à l'arbre fileté, d'une torsion d'entrai- nement produisant un angle de torsion correspondant à l'amplitude de correction visée, la figure 8 est un graphique représentant l'erreur depas cumulée typique d'une pièce de test trempée non corrigée par le procédé selon l'invention, les quanti- tés entre parenthèses représentant les couples de torsion appliquées, la figure 9 est un graphique représentant l'erreur de pas cumulée typique d'une pièce de test trempée corrigée par le procédé selon l'invention. Les figures 1 et 3 représentent l'état des arbres filetés 4 avant et après traitement thermique Plus précisément, ces figures montrent que la partie effective- ment filetée 3 de l'arbre 4 subit une dilatation ou une 6.- contraction axiales 1 ' 2 dépendant de l'historique 1 ' 2 thermique (refroidissement) de l'opération de trempe, ce qui modifie la longueur de référence L O de la partie ef- feetivement filetée pour la faire passer à L 1, L 2 On ob- tient ainsi, en fait, une erreur de pas cumulée L 1 ' \ 2 appelée ci-après amplitude de déformation. Selon l'invention, lorsque l'arbre fileté 4 est chauffé à une température élevée, pour le tremper en le maintenant à cette température et en le refroidissant en- suite, l'extrémité d'arbre 1 associée à un point de mesure Ai, A 2 est bloquée pour empêcher l'arbre de tourner Une torsion est alors appliquée sur l'autre extrémité d'arbre 2 associée à un point de test de mesure 01, a 2 Par suite, la déformation plastique est ap- pliquée uniformément dans la partie effectivement filetée 3, suivant la circonférence d'un plan perpendiculaire à l'axe de l'arbre fileté 4, de manière à corriger uniformé- ment l'erreur de pas individuelle de la partie effective- ment filetée 3 L'erreur de pas cumulée de la partie effec- tivement filetée 3 peut être corrigée facilement et -avec précision en appliquant à l'extrémité d'arbre un angle de torsion amenant le point C:, C 2 à se déformer plastique- ment pour venir en un point O ':, O '2 suivant la circonfé- renee d'un plan perpendiculaire à l'axe de l'arbre, c'est- à-dire à tourner d'un angle de torsion Q' 02 correspondant à 1 ' 2 comme indiqué aux figures 2 et 4. La figure 5 représente un appareil de trempe haute fréquence auquel l'invention est appliquée L'arbre fileté 4 est supporté à ses extrémités 5 et 6 par un man- drin d'entraînement 7 et un mandrin de freinage 8, le man- drin d'entraînement 7 étant entraîné à vitesse réduite par un moteur à engrenages 9 Un embrayage 10 et un détecteur de torsion 11 sont montés entre l'arbre de sortie du mo- teur à engrenages 9 et le mandrin d'entraînement 7 Un dis- positif de freinage 12 permettant de freiner la rotation du mandrin de freinage 8 comprend un moteur de frein des- 7 I- tiné à faire varier le couple de freinage suivant la va- leur du courant électrique produit, de manière à régler le couple de torsion de l'arbre fileté 4 Les références 13 et 14 désignent des dispositifs de support des mandrins d'entraînement et de freinage 7 et 8. Le moteur à engrenages 9 et le dispositif de support 13 sont fixés sur le socle 15 du dispositif de trempe, tandis que le dispositif de support 14 et le dis- positif de freinage 12 sont montés sur une partie de glis- sière de guidage (non représentée) formée sur le socle 15 et destinée à glisser axialement suivant la dilatation ou la contraction de l'arbre fileté 4 De plus, si le mandrin 8 est du type fixe suivant la circonférence de l'arbre fi- leté 4 et glissant suivant la direction axiale, le disposi- tif de support 14 et le dispositif de frein 12 peuvent être fixés au socle 15. Un appareil de mesure de microdéplacements 16 est fixé en un endroit convenable du socle 15, en con- tact direct avec l'extrémité de l'arbre fileté 4, ou indi- rect par l'intermédiaire du dispositif de freinage 12, de manière à mesurer l'amplitude de dilatation ou de contrac- tion de l'arbre fileté 4 Ce micromètre peut être du type à cadran ou à transformateur différentiel. A la partie inférieure d'un dispositif de chauffage haute fréquence 17 monté en glissement dans la direction de l'axe de l'arbre fileté 4, sont placés une bobine de chauffage haute fréquence 18 entourant la partie filetée 4 a de l'arbre fileté 4 supporté par les mandrins d'entraînement et de freinage 7, 8 et un anneau de gouttié- re d'eau 19 placé au voisinage de la bobine. La référence 20 désigne un élément de glis- sière de guidage du dispositif de chauffage haute fréquence 17 fixé au châssis 21 Une vis d'alimentation 22 est vissée dans le dispositif de chauffage haute fréquence 17 Un moteur 23 entraîne la vis d'alimentation par l'intermédiaire 8.- d'engrenages 24 et 25 Un dispositif de changement de vi- tesse continu 26, monté entre le moteur d'entratnement 23 et l'engrenage 249 permet de régler la vitesse d'alimenta- tion du dispositif de chauffage haute fréquence 17, à une valeur quelconque voulue Un détecteur 28 mesure la tempé- rature de l'arbre fileté 4 juste avant le chauffage et juste après le passage de l'eau de la gouttière annulaire. -Le couple de torsion T nécessaire pour corri- ger l'amplitude de déformation A 1 ' 2 de l'arbre fileté 4 sous l'aetion du dispositif de chauffage haute fréquence, et l'angle de torsion cireulaire par longueur de référence unitaire axiale ( 300 mm par exemple) et par unité de temps, seront maintenant décrits en détail- D'une façon générale, en effectuant une tor- sion sur des arbres filetés de différentes tailles réalisés dans différents aciers, au eours du processus de trempe, il a été constaté que, ,pour des arbres filetés de même acier et de même taille, il existe une relation uniforme entre l'amplitude de déformation L'1 2 et les conditions d'en- trainement en rotation appliquées aux arbres filets, com- me indiqué en figure 6 Il appara t, en effet que, dans les mêmes conditions de trempe, une relation de proportionnai- té constante existe entre l'amplitude de déformation unitai- re de chaque filet du pas de vis, c'est-à-dire du pas de chaque filet de l'arbre fileté après la trempe, et le cou- ple de torsion T appliqué à l'arbre fileté pendant la trem- pe, et que lorsque les conditions de trempe sont modifiées avec le même couple appliqué T, le quotient obtenu en di- visant l'angle de torsion circulaire par longueur de réfé- rence unitaire axiale ( 300 mm par exemple) par le temps né- cessaire pour effectuer la trempe sur cette longueur de ré- férence, c'est-à-dire l'angle Q de torsion circulaire par longueur de référence unitaire axiale ( 300 mm par exemple) sur un temps unitaire rythme de contrainte en torsion - augmente (WA x 2 W 0) du même ordre que les conditions de 9.- chauffage dans les conditions de trempe WA, WB, WC repré- sentées en figure 6 o l'on modifie la puissance de sortie du dispositif de chauffage haute fréquence et la vitesse d'alimentation de la bobine de chauffage, la longueur de la zone de chauffage étant maintenue constante. Par suite, lorsque des conditions de trempe données ont été choisies, si l'on calcule l'amplitude de déformation par pas S à partir de l'amplitude deedéfor- mation A 1 " 2 de l'arbre fileté 4 produite pendant le traitement de trempe, il est possible de déterminer de ma- nière unique les conditions convenables d'entra nement en rotation de l'arbre fileté 4 pour corriger l'amplitude de déformation par pas -dans une condition de traitement thermique donnée parmi les conditions WA, WB, WC de la fi- gure 6, c'est-à-dire le couple de torsion T correspondant à certaines conditions de traitement thermiques Pour corriger l'amplitude de déformation A A 2 à partir du couple de torsion déterminé pour des ar- bres filetés de différentes tailles réalisés dans diffé- rents acierst comme décrit ci-dessus, deux cas se présen- tent: le cas (I), dans lequel l'amplitude de correction visée est déterminée à l'avance par des essais préparatoires effectués dans les mêmes conditions de traitement ther- mique en utilisant des arbres filetés de même type d'a- cier et de même taille, et o est appliqué à l'arbre fi- leté un couple de-torsion T produisant un angle de tor- sion 91, 62 correspondant, et le cas (II) dans lequel, dans lesconditions normales de trempe, sont effectués successivement le chauffage et le refroidissement de la partie filetée en produisant des dilatations et des contractions répétées, c'est-à-dire lorsque la dilatation thermique, la contraction thermique, la dilatation de transformation et la contraction de transformation ont atteint leurs valeurs normales, la 10. dilatation ou la contraction de l'arbre fileté 4 étant alors détectées à tout instant (par exemple, à chaque instant de traitement unitaire ou à chaque pas de trai tement unitaire), et le couple de torsion T étant calculé immédiatement et à chaque instant à partir de ces quanti- tés, sur l'arbre fileté 4, ce qui permet d'effectuer à tout instant la rétroaction nécessaire à la correction. La figure 7 permet de décrire l'opération de correction à effectuer dans le cas (I) dans lequel on appli- que ' l'avance à l'arbre fileté 4 le couple de torsion T produisant l'angle de torsion Q 1, Q 2 correspondant à l'am- plitude de correction visée. Dans ce cas, les extrémités opposées 5, 6 de l'arbre fileté 4 sont fixées par les mandrins de freinage et d'entraînement 7 et 8 L'arbre fileté 4 est trempé en régime continu sur toute sa longueur, depuis son extrémité jusqu'à son extrémité 6, sans lui appliquer le couple de torsion T, c'est-à-dire que la trempe de surface est effec- tuéelorsque le dispositif de chauffage haute fréquence 17 passe dans le sens axial de l'arbre fileté 4, sans applica- tion du couple de torsion T, en effectuant successivement un chauffage de la partie filetée 4 a à une température éle- vée 9 puis en versant un réfrigérant tel que de l'eau cou- lant par l'anneau verseur 19. Pendant ce temps, le mandrin de freinage 8 et le dispositif de freinage 12 sont entraînés axialement par dilatation ou contraction de l'arbre fileté 4 De plus, dans le cas dans lequel le mandrin 8 peut serrer l'arbre fileté 4, tout en lui permettant de se déplacer axialement, l'extrémité 6 de l'arbre se déplace axialement Ensuite, l'amplitude de déformation t 1 ' t 2 est mesurée par rap- port à la longueur de référence L 0 de l'arbre fileté 4, en déterminant le déplacement du dispositif de frein 16 à la fin de la trempe. L'amplitude de déformation par pas & est cal- culée à partir de l'amplitude de déformation mesurée A 2 1 ' Z 2 Les conditions convenables d'entrainement en rotation (c'est-à-dire le couple de torsion T) permettant de corriger l'amplitude de déformation par pas, se dé- terminent par les relations représentées graphiquement en figure 6 et stockées dans une section de commande arithm 6- tique 27 entrainant le moteur à engrenages 9 et le disposi- tif de freinage 12 dans les conditions d'entraînement en - rotation déterminées ci-dessus, et la trempe haute fréquen- ce est effectuée tout en appliquant à l'arbre fileté 4 le couple de torsion T, dans la production en série. De plus, le couple de torsion T appliqué à tout moment à l'arbre fileté 4 pendant la production en sé- rie, est mesuré par le détecteur de couple 11 la section de commande arithmétique 27 effectue une comparaison entre ce couple T et le couple d'entra nement en rotation T dé- terminé par la condition d'entraînement rotatif, puis ren- voie le résultat qalculé au dispositif de freinage 12, de manière à régler la force de freinage pour s'assurer que le couple d'entra Inement en rotation préréglé T est bien appliqué à l'arbre fileté 4 à La figure 9 décrit le résultat de cette cor- rection t L'axe horizontal représente la distance à l'extré- mité fixe de l'arbre fileté, et l'axe vertical représente l'erreur de pas cumulée De plus, la pièce d'essai est constituée par un arbre fileté présentant un diamètre de 34 mm-, un pas de 8 mm, et 36 filets La figure 9 montre qu'un arbre fileté présentant une erreur de pas cumulée d'environ 0,07 mm au moment de l'usinage préparatoire au tour, peut être corrigé pour arriver à une variation d'en- viron 0,01 mm, par le procédé de correction selon I'in- vention. De plus, un arbre fileté présentant une er- reur de pas cumulée atteignant environ 0,39 mm au moment 12.- de l'usinage préparatoire au tour, peut être corrigé par application d'un couple de torsion de 30 kg m suivant le procédé de l'invention. La figure 8, représentant l'erreur de pas dans le cas d'une trempe effectuée dans les mêmes condi- tions, mais sans utilisation du procédé de correction selon l'invention, permet de constater qu'un arbre fileté présen- tant une erreur de pas cumulée d'environ 0,04 mm au mo- ment de l'usinage préparatoire au tour, donne une erreur de pas supplémentaire d'environ 0,025 mm (en considérant ainsi que l'erreur de pas cumulée finale est d'environ 0,065 mm). Il est maintenant décrit l'opération de cor- rection dans le cas (II) correspondant aux conditions nor- males de trempe en régime continu oh le chauffage et le re- froidissement de la partie filetée 4 a sont effectués simul- *tanément. A chaque détection, en temps réel, de l'am- plitude de déformation de l'arbre fileté (par exemple, à chaque instant de traitement unitaire ou à chaque pas de traitement unitaire), le couple de torsion T qui corrige cette déformation est renvoyé immédiatement à l'arbre fi- leté Dans le cas normal, l'arbre fileté 4 se dilate par- tiellement (dilatation en volume due au changement de phase) lorsqu'il est chauffé par la bobine de chauffage haute fréquence 18, et se contracte partiellement lorsqu'il est refroidi par l'eau de refroidissement coulant par l'an- neau verseir 19. En même temps qu'est effectuée, en temps réel, la trempe de la partie filetée 4 a, l'amplitude de déformation de celle-ci par temps de traitement unitaire ou par pas de traitement unitaire, est mesurée par le mi- cromètre 16, et la chaleur latente de l'arbre fileté aussi- t 8 t après le passage de l'anneau verseur d'eau, est mesurée par le détecteur 28 L'amplitude de déformation est ainsi 13.- transformée en une valeur mesurable à la température am- viante Cette valeur transformée est renvoyée en rétroac- tion de manière à effectuer, immédiatement et à tout ins- tant, la correction nécessaire sur la zone de partie file- tée 4 a qui doit être trempée ensuite. Bien que la forme de réalisation ci-dessus ait été décrite dans le but d'annuler l'erreur de pas cumulée pendant la trempe, dans le cas dans lequel on peut connal- tre quantitativement l'erreur de pas cumulée produite pen- dant l'opération de recuit, l'erreur de pas cumulée globale peut être corrigée en tenant compte de ces deux paramètres. Bien que la description ci-dessus concerne la correction des déformations d'une vis à filets triangulai- res soumise à un dispositif de trempe à chauffage haute fréquence, il est évident que l'arbre fileté peut aussi bien être constitué par une vis hydrostatique à filets carrés que par un arbre fileté à bout sphérique De plus, si le dispositif de trempe est conçu pour pouvoir appliquer une torsion à l'arbre fileté pendant le chauffage, ce disposi- tif peut aussi bien être constitué par un four à fournées que par un four continu. 14.- RE VE N D I C A T I O N S 1 Procédé de compensation de la déforma- tion axiale, par suite d'un traitement thermique, d'arbres filetés, provoquée par le processus de trempe, procédé ca- ractérisé en ce qu'on produit une déformation permanente dans l'arbre fileté en lui appliquant une torsion dont l'angle de torsion correspond à l'erreur de pas de cet ar- bre fileté par suite de la trempe, de manière à corriger ainsi cette erreur de pas. 2 Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'angle de torsion de l'arbre fileté cor- respond à une amplitude de correction visée prédéterminée par des essais préliminaires effectués dans les mêmes con- ditons de traitement thermique sur des arbres filetés de même type d'acier et de même taille. 3. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la déformation axiale de l'arbre fileté soumis séquentiellement à un chauffage et à un refroidisse- ment, est détectée à intervalles de temps de traitement unitaires ou à intervalles de pas de traitement unitaires, l'arbre fileté étant tordu à chaque fois d'un angle de tor- sion correspondant 4. Appareil de compensation de la déforma- tion axiale d'arbres filetés par suite d'un traitement thermique, permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, appareil carac- térisé en ce qu'il comprend des mandrins d'entra Inement et de freinage ( 7, 8) supportant entre eux l'arbre fileté ( 4), le mandrin d'entra Inement ( 7) étant fixe et le mandrin de freinage ( 8) permettant la déformation axiale de l'arbre fileté; des dispositifs de coussinets ( 13, 14) supportant en rotation les mandrins d'entraînement ( 7) et de freinage ( 8); un dispositif d'entraînement ( 9) permettant de faire tourner le mandrin d'entraînement; un dispositif de frei- nage ( 17) permettant de freiner la rotation du mandrin de 15.- freinage; un détecteur de torsion ( 11) permettant de mesu- rer le couple de torsion de l'arbre fileté; et une section de commande arithmétique permettant d'effectuer la compa- raison entre un couple de torsion à appliquer à l'arbre fileté pour corriger sa déformation axiale, et le couple de torsion à appliquer à cet arbre fileté pour régler le dispositif de freinage en fonction du résultat de cette comparaison.