Le grenaillage intensif est un procédé d'écrouissage à froid qui bombarde la surface métallique avec un flux de projectiles à grande vitesse pour introduire une contrainte de compression résiduelle dans la couche superficielle des composants. Grâce à ce processus de renforcement, la résistance à la fatigue des engrenages peut être considérablement améliorée, les rendant « durs à l'extérieur et résistants à l'intérieur ».

1. Concept et principes de base du grenaillage intensif

Le grenaillage intensif est un procédé d'écrouissage à froid qui utilise un flux de projectiles à grande vitesse pour impacter la surface des pièces métalliques, provoquant une déformation plastique, introduisant ainsi une contrainte de compression résiduelle et un écrouissage dans la couche superficielle.
On peut l'imaginer comme un « léger » « martelage à haute fréquence » sur la surface métallique. D'innombrables minuscules projectiles (appelés médias de grenaillage) impactent la surface de la pièce comme des gouttes de pluie denses. Chaque projectile équivaut à un marteau de forgeage miniature, laissant une minuscule cavité sur la surface. Pour qu'une cavité se forme, le matériau sous la cavité doit subir un étirement latéral et un écoulement plastique, tandis que le matériau environnant non impacté tente d'empêcher cette déformation et de la repousser. Cette contrainte mutuelle macroscopique forme finalement une couche de contrainte de compression résiduelle stable et forte à la surface de la pièce.

Différences avec le grenaillage/sablage ordinaire

Aspect Grenaillage/Sablage Ordinaire Grenaillage Intensif
Objectif Principalement pour le nettoyage de surface (par exemple, élimination de la rouille, de la calamine), en mettant l'accent sur l'enlèvement de matière. Vise à modifier les propriétés mécaniques des matériaux, en mettant l'accent sur le renforcement de surface.
Contrôle des paramètres Contrôle relativement lâche des paramètres. Contrôle extrêmement strict et quantitatif des paramètres tels que la vitesse des projectiles, le débit, la couverture et l'intensité ; il s'agit d'un processus de précision.

Effet de renforcement de la contrainte de compression résiduelle

Les fissures de fatigue proviennent généralement des zones de la surface de la pièce qui supportent la contrainte de traction maximale. Lorsqu'un engrenage est en fonctionnement, la contrainte de flexion à la racine de la dent est la plus importante et est une contrainte alternée. Le grenaillage intensif introduit une contrainte de compression résiduelle, provoquant une déformation plastique du matériau de surface jusqu'à une profondeur de 0,1 à 0,3 mm et formant une couche de contrainte de compression résiduelle allant jusqu'à 800 à 1000 MPa, ce qui compense la contrainte de traction externe.
Cette contribution peut être comprise à l'aide d'une formule simple :
texte brut
σ_total = σ_appliqué + σ_résiduel
Où :

σ_total est la contrainte totale réelle supportée par le matériau ;
σ_appliqué est la contrainte générée par la charge externe pendant le fonctionnement de l'engrenage (y compris la contrainte de traction et la contrainte de compression) ;
σ_résiduel est la contrainte de compression résiduelle introduite par le grenaillage (toujours négative).

Lorsque la charge externe génère une contrainte de traction (valeur positive), elle se superpose à la contrainte de compression résiduelle (valeur négative), de sorte que la contrainte totale σ_total est considérablement réduite, et peut même passer d'une contrainte de traction à une contrainte de compression. Cela rend difficile l'amorçage et la propagation des fissures de fatigue, améliorant ainsi considérablement la résistance à la fatigue en flexion de l'engrenage.

Renforcement par affinement du grain et transformation de phase

L'impact du grenaillage intensif augmente la densité de dislocations de plus de 1000 fois, et la reconstruction des joints de sous-grains réduit la taille des grains au niveau du micromètre. En même temps, sous l'action du grenaillage intensif, l'austénite résiduelle en surface est transformée en martensite, et la dureté est augmentée de 0,5 à 2 HRC. Cela produit un effet d'écrouissage, améliorant encore la dureté de surface et la résistance à l'usure.

2. Paramètres clés du processus de grenaillage intensif

Le grenaillage intensif n'est en aucun cas une simple « pulvérisation » ; son effet dépend d'une série de paramètres contrôlés avec précision.

1) Intensité du grenaillage

Définition : Mesurée à l'aide de bandes d'essai Almen standard (les bandes d'essai de type A sont couramment utilisées pour le grenaillage des engrenages, avec une dureté de HRC 44-50). Après le grenaillage, la bande d'essai se pliera vers la surface grenaillée. La valeur d'intensité est définie comme la valeur de hauteur d'arc spécifique (généralement en mmA ou inchA) que la bande d'essai atteint. Par exemple, 0,40 mmA signifie que la hauteur de l'arc est de 0,40 millimètre.
Importance : C'est une mesure de l'énergie du processus et détermine directement la profondeur et l'amplitude de la contrainte de compression résiduelle. Plus la résistance du matériau de l'engrenage est élevée, plus l'intensité de grenaillage requise est élevée. La plage d'intensité de grenaillage typique pour les engrenages se situe entre 0,35 et 0,60 mmA.

2) Couverture

Définition : Le pourcentage de la surface totale couverte par les cavités formées par l'impact des projectiles. Une couverture de 100 % signifie que toute la surface est couverte de cavités. Pour assurer un renforcement suffisant, la couverture est généralement requise pour être d'au moins 100 % (c'est-à-dire 200 % ou même plus). Dans les domaines professionnels, des loupes sont souvent utilisées pour observer et comparer avec des diagrammes standard pour le jugement.

3) Projectiles

Matériau :

Grenaille d'acier moulé : Le plus couramment utilisé, à faible coût, divisé en dureté normale (45-52 HRC) et dureté totale (55-62 HRC) ; c'est le principal choix pour le grenaillage des engrenages avec une dureté > 50 HRC.
Grenaille coupée au fil : De forme plus arrondie et uniforme, pas facile à casser et de bonne qualité de surface ; coût plus élevé.
Grenaille de verre : Dureté élevée, légèreté, peut obtenir une contrainte de compression de surface plus élevée (mais couche peu profonde) et une faible rugosité de surface.
Grenaille céramique : Dureté élevée, longue durée de vie, taille stable, utilisée dans les domaines de haute performance.

Forme : Doit être sphérique pour assurer une contrainte de compression uniforme, plutôt que l'effet de coupe des projectiles à angles vifs.
Taille : Le diamètre est généralement compris entre 0,1 mm et 1,0 mm. Les projectiles plus petits produisent une couche renforcée moins profonde mais plus lisse ; les projectiles plus gros peuvent produire une couche de contrainte de compression résiduelle plus profonde. Il est souvent sélectionné en fonction du module de l'engrenage et du rayon du congé de pied de dent, généralement sans dépasser la moitié du rayon de courbure du congé de pied de dent.

4) Processus de grenaillage

Le processus de grenaillage intensif comprend généralement les étapes suivantes :

Nettoyage préliminaire : Enlever les taches d'huile et les impuretés de la surface de l'engrenage.
Grenaillage : Dans une machine de grenaillage dédiée, contrôler strictement le temps de grenaillage, la distance, l'angle et le débit des projectiles.
Nettoyage post-grenaillage : Utiliser des méthodes telles que le soufflage d'air ou les vibrations pour éliminer les débris de projectiles résiduels.
Inspection : Utiliser des bandes d'essai Almen pour détecter l'intensité et vérifier la couverture au microscope.

3. Effets du grenaillage intensif

La recherche et la pratique ont prouvé que le grenaillage intensif a les effets suivants :

Amélioration de la résistance à la fatigue en flexion : Pour les engrenages cémentés et trempés, le grenaillage intensif peut augmenter leur limite de fatigue en flexion de plus de 30 %, et même jusqu'à 50 %-100 %. Cela signifie que l'engrenage peut supporter des charges plus élevées ou avoir une durée de vie plus longue.
Inhibition du micro-piqûrage : Dans la zone de contact de la surface de la dent, l'écrouissage et la contrainte de compression résiduelle générés par le grenaillage peuvent inhiber efficacement la génération et l'expansion du micro-piqûrage.
Résistance accrue à la fissuration par corrosion sous contrainte : La couche de contrainte de compression résiduelle peut bloquer efficacement l'intrusion de milieux corrosifs et l'expansion des fissures.