Cet article présente principalement les définitions et les impacts du contre-dépouille et des marches dans la fabrication des engrenages de transmission, discute des problèmes de marche causés par une conception et une fabrication incorrectes de la quantité d'angle convexe des outils d'ébauche avant et après le traitement thermique, et fournit des conditions et des méthodes de jugement pour corriger la quantité d'angle convexe. Il analyse le principe selon lequel la non-concordance entre le calcul du dépassement des outils de finition (avant et après le traitement thermique) et les outils d'ébauche conduit à des marches dans la zone de transition de la racine de la dent, et présente des cas d'échec courants et des solutions. En fonction de l'état des pièces avant et après la finition, il examine l'impact des erreurs de profil de dent, d'hélice, de pas et de faux-rond radial sur les marches de la racine de l'engrenage, et propose des solutions pertinentes du point de vue de la modification de l'outil, de la sélection du processus et de la déformation thermique dans la fabrication des engrenages.

Avec le resserrement continu des réglementations sur les carburants et les émissions et la mise en œuvre de la politique du double crédit, le processus de nouvelle énergie, d'allègement et d'électrification des automobiles s'accélère. Les engrenages de transmission sont de plus en plus tenus de résister à des charges de couple élevées et d'atteindre une précision à grande vitesse. Tout en répondant aux exigences NVH, éviter les marches de la racine de l'engrenage est devenu un problème clé. Cet article analyse les caractéristiques de forme des différentes marches, discute de leurs causes et fournit des solutions.

Contre-dépouille et marches des engrenages

Comme le montre la figure 1, le contre-dépouille d'un engrenage est la zone coupée par le bord convexe de l'outil d'ébauche, qui réserve un espace de retrait pour la finition ultérieure de la surface de la dent afin d'éviter les marches de joint d'outil. Si la forme et la taille du contre-dépouille avant la finition sont problématiques, des problèmes de marches ou de contre-dépouille peuvent survenir lors du traitement ultérieur.

Les marches réduisent la résistance à la flexion de la racine de l'engrenage. Sans marches, seule la forme et la taille de la section dangereuse à la position de contre-dépouille maximale doivent être prises en compte ; avec des marches, la forme et la taille des marches doivent également être prises en compte (voir figure 2). Pour plus de détails, reportez-vous aux chapitres pertinents de la norme internationale ISO-6336.

Formule d'estimation de la réduction de résistance :

tg : Quantité maximale de marche le long de la direction normale au niveau de la marche de la racine de l'engrenage sur la face d'extrémité (mm) ;

ρg : Rayon de courbure à la position de la marche maximale (mm) ;

Ys : Coefficient de résistance à la flexion de l'engrenage sans marches ;

Ysg : Coefficient de résistance à la flexion de l'engrenage estimé avec des marches.

De plus, si la marche est située dans la zone d'engrènement normale de l'engrenage, elle provoquera un bruit de transmission anormal, ce qui affecte non seulement l'expérience utilisateur de la transmission, mais peut également poser des risques fonctionnels.

Problèmes de quantité d'angle convexe des outils d'ébauche

1. Définition de la quantité d'angle convexe des outils d'ébauche

La quantité d'angle convexe d'un outil d'ébauche fait référence à la zone surélevée de la pointe de l'outil le long du bord de coupe principal, qui s'étend du bord de coupe secondaire à l'extrémité de l'arc de la pointe. Ceci est le plus courant dans les fraises-mères et les fraises-mères à façonner, comme le montrent les figures 3 et 4.

Notez que la quantité d'angle convexe ne peut pas être directement assimilée à la quantité de contre-dépouille traitée. La quantité d'angle convexe est la taille normale marquée sur le profil de la dent de l'outil, tandis que la quantité de contre-dépouille mesurée par un instrument de mesure d'engrenage est la taille de la face d'extrémité de la pièce. La quantité d'angle convexe ne peut être convertie en quantité de contre-dépouille que par l'angle d'intersection axial entre l'outil et la pièce.

2. Problèmes et solutions pour la quantité d'angle convexe des outils d'ébauche

Les processus de finition des engrenages sont généralement divisés en deux types : avant et après le traitement thermique. Les processus avant le traitement thermique impliquent généralement des combinaisons de taillage/fraisage avec rasage ; les processus après le traitement thermique impliquent des combinaisons de taillage/fraisage avec rodage et rectification. En termes de problèmes de quantité d'angle convexe des outils d'ébauche, leurs manifestations sont fondamentalement les mêmes. Cependant, la finition avant le traitement thermique n'est pas affectée par la déformation thermique, ce qui facilite le contrôle du contre-dépouille et des marches. Si des problèmes de marche surviennent, la première étape consiste à vérifier si la conception et la fabrication de la quantité d'angle convexe de l'outil d'ébauche sont correctes. L'analyse suivante prend l'exemple du processus de fraisage-rasage.

(1) La marche est située près de la position de contre-dépouille maximale. Ce type de marche est difficile à identifier dans les rapports et nécessite généralement de marquer la position de contre-dépouille maximale avant le rasage pour l'identification, comme le montre la figure 5.

(2) La marche est située au-dessus de la position de contre-dépouille maximale. Ce type de marche est facile à identifier, avec la caractéristique d'une forme surélevée entre l'arc de contre-dépouille coupé par la fraise-mère et celui coupé par la fraise à raser, comme le montre la figure 6.

Pour les deux types de problèmes ci-dessus, tenter d'augmenter la hauteur de la tête de l'outil de finition pour supprimer la marche entraînera la coupe de la marche et du contre-dépouille par la pointe de l'outil de finition, laissant une nouvelle marche. Par conséquent, la quantité d'angle convexe de l'outil d'ébauche doit être vérifiée et corrigée.

​Méthode 1: Vérifiez les erreurs de fabrication dans la quantité d'angle convexe de la fraise-mère. Le rapport mesuré des pièces traitées par la fraise-mère montre que la quantité de contre-dépouille varie de 0,043 à 0,048 mm. La figure 7 est un schéma de simulation de la zone de contre-dépouille sur la face d'extrémité de la pièce obtenu par génération de fraisage simulée, la quantité de contre-dépouille étant de 0,056±0,006 mm. On constate que la limite supérieure de la quantité de contre-dépouille mesurée (0,048 mm) est inférieure à la limite inférieure du résultat de la simulation (0,050 mm), ce qui indique que le traitement de la quantité d'angle convexe de l'outil ne correspond pas à la conception. Le profil de la dent de l'outil doit être rectifié jusqu'à ce qu'un contre-dépouille qualifié puisse être traité.

​Méthode 2: Ajustez la valeur nominale du paramètre M dans le processus pour adapter la tolérance à la quantité d'angle convexe de l'outil. Cependant, cette méthode a des limites. Si l'ajustement du paramètre M ne parvient toujours pas à éliminer la marche, le profil de la dent de l'outil doit être rectifié.

Méthode 3: Si les méthodes ci-dessus échouent, collectez les rapports de traitement des pièces avant le traitement thermique, après le traitement thermique et des produits finis après une déformation thermique stable. Analysez statistiquement la variation de contre-dépouille causée par la déformation thermique pour obtenir la valeur de compensation d'angle convexe, corrigeant ainsi la conception de la fraise-mère.

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Problèmes de dépassement des outils de finition

1. Définition du dépassement des outils de finition

Il existe de nombreux types d'outils de finition, notamment les fraises à raser, les outils de rodage et les outils de rectification. Pour éviter les marches, ces outils doivent être conçus avec un dépassement positif. Le dépassement est défini comme la différence entre la longueur de l'extension de l'involute jusqu'au point le plus bas que l'outil de finition peut traiter et la longueur de l'extension jusqu'au point de départ de l'involute réel. Reportez-vous à la figure 8 pour un schéma du profil de la dent.

On peut voir que lorsque le point de départ du raclage est en dessous du point de départ de l'involute réel, le dépassement est positif, indiquant que le point de départ de l'involute réel peut être traité sans marches. Lorsque le point de départ du raclage est au-dessus du point de départ de l'involute réel, le dépassement est négatif, indiquant que le point de départ de l'involute réel ne peut pas être traité, ce qui entraîne des marches.

2. Problèmes de dépassement et solutions

(1) Avant le traitement thermique: Le traitement avant le traitement thermique est principalement représenté par le processus de rasage. Les problèmes de dépassement des fraises à raser sont illustrés à la figure 9.

Les principales causes sont les suivantes :

• Premièrement, des problèmes avec la rectification de la fraise à raser, où le diamètre extérieur et l'épaisseur de la dent ne correspondent pas. Un diamètre extérieur trop petit entraîne un dépassement insuffisant et des marches ; un diamètre extérieur trop grand provoque une interférence entre la pointe de l'outil et l'arc de transition de la racine de la dent de la pièce. Ceci peut être contrôlé grâce au tableau des paramètres de rectification de la fraise à raser pour assurer une correspondance correcte du diamètre extérieur et de l'épaisseur de la dent, évitant ainsi de tels problèmes.
• Deuxièmement, des problèmes de conception avec la fraise à raser, où le dépassement ne couvre pas la position du point de départ de l'involute réel (appelé point TIF) sous la limite de tolérance maximale. Cette position est beaucoup plus basse (environ 0,2 à 0,5 mm) que le point TIF sous la tolérance moyenne. Si la fraise à raser est conçue en ne considérant que le dépassement pour la tolérance moyenne, elle peut ne pas répondre aux exigences lorsque la tolérance est proche du maximum, ce qui conduit à des marches.

(2) Après le traitement thermique: Le traitement après le traitement thermique implique principalement le rodage et la rectification, avec des outils comprenant des meules diamantées et des meules. Les problèmes de dépassement sont principalement liés au point de départ de l'involute de la meule diamantée ; une position trop élevée de ce point entraîne un faible dépassement lors de la coupe des pièces par l'outil.

Les problèmes de dépassement des outils de rodage sont fondamentalement les mêmes que ceux des fraises à raser, et le mode de diagnostic des problèmes et les solutions pour le rasage peuvent être entièrement référencés. Les problèmes de dépassement des outils de rectification sont quelque peu différents, mais la manifestation de la marche est similaire, comme le montre la figure 10.

Les méthodes de rectification sont divisées en rectification par génération et rectification par forme, avec des principes différents. Le calcul du point de départ de l'involute de raclage en rectification par génération est similaire à celui du fraisage, et la trajectoire du raclage de la pointe de l'outil est également une cycloïde, mais plus petite et plus dense que celle du fraisage. Le point de départ de l'involute de raclage en rectification par forme n'est pas une cycloïde, mais est rectifié par des outils diamantés selon des coordonnées.

Les principales causes des problèmes de dépassement sont :

• Premièrement, des problèmes avec la rectification de la meule. En rectification par génération, une correspondance incorrecte de la hauteur de la tête et de l'épaisseur de la dent de la meule dressée par la meule diamantée entraîne des problèmes de dépassement. Par exemple, dresser la meule avec un diamètre extérieur trop petit, ou un décalage dans le joint entre l'arc de la tête de la meule et le bord de coupe principal ; en rectification par forme, l'usure de la meule diamantée ou du stylet diamanté entraîne un dressage incomplet du profil de la dent de la meule, provoquant des marches à la racine de la pièce.
• Deuxièmement, des problèmes avec la conception de la meule diamantée ou les programmes de dressage. En rectification par génération, le point de départ de l'involute de la meule diamantée est conçu trop haut (voir figure 10) ; en rectification par forme, le paramètre de point de départ de raclage dans le programme de dressage de la meule diamantée pour la meule est trop grand. Les deux provoquent le point de départ de l'involute de raclage de la meule à être plus haut que le point de départ de l'involute réel de la pièce, ce qui entraîne un dépassement insuffisant et des marches.

(3) Solutions: Dans la phase initiale de la conception de la meule diamantée de rectification par génération ou de la configuration du programme de dressage de rectification par forme, il est nécessaire de simuler et de vérifier la position du point de départ de raclage du profil de la dent de l'outil pour assurer un dépassement suffisant sous la limite de tolérance maximale. De plus, lors de la fabrication des meules diamantées et du dressage des meules, les tolérances dimensionnelles de la hauteur de la tête et de l'épaisseur de la dent doivent être strictement contrôlées. Les outils de dressage doivent être remplacés obligatoirement en fonction de leur durée de vie, et l'inspection doit être renforcée (une inspection à 100 % des dimensions clés du profil de la dent est recommandée).

Problèmes de profil de dent, d'hélice, de pas et de faux-rond radial des pièces

En plus de l'impact des outils d'ébauche et de finition, la précision des pièces avant et après la finition est également étroitement liée à la génération de marches (pour les significations de chaque paramètre de précision, reportez-vous aux normes telles que GB, ISO ou VDI).

1. Problèmes de marche causés par le profil de dent et solutions

(1) Analyse du problème: Du point de vue du profil de la dent de la pièce, si l'erreur d'angle de profil de dent fHa et le bombage du profil de dent Ca ont des valeurs ou des directions incohérentes avant et après la finition, des marches peuvent se produire à la racine. La tolérance de coupe à la racine dans la section médiane de l'engrenage sous fHa et Ca est illustrée à la figure 11.

La figure 11a montre que fHa incohérent avant et après le traitement conduit à une tolérance de coupe excessive à la racine ; la figure 11b montre que Ca incohérent avant et après le traitement conduit à une tolérance de coupe excessive à la racine ; la figure 11c considère l'effet combiné de fHa et Ca incohérents avant et après le traitement, où la tolérance accrue à la racine 叠加，augmentant le risque de marches.

Bien sûr, les figures ci-dessus ne décrivent que le scénario où "fHa = 0 avant le traitement et fHa > 0 après le traitement". En production réelle, il existe également le scénario où "fHa 0 après le traitement", ce qui augmente encore la tolérance de la racine, rendant les marches presque inévitables.

Un autre scénario courant dans les processus de rectification est que lorsque le bombage hélicoïdal de la dent rectifiée est important, le profil de la dent présente une distorsion naturelle en trois sections, comme le montrent les figures 12 et 13.

Sur les sections transversales aux deux extrémités de la largeur de la dent de la pièce, l'angle de profil de dent fHa change avant et après la rectification. L'angle de profil de dent initialement vertical (fHa = 0) devient incliné dans des directions opposées (fHa > 0 sur la face d'extrémité supérieure et fHa < 0 sur la face d'extrémité inférieure). À ce moment, la tolérance de la racine sur la face d'extrémité supérieure augmente, causant facilement des marches.

(2) Solutions: La condition idéale pour résoudre le premier problème est que le profil de dent fHa et Ca avant et après le traitement soient très proches. Après avoir obtenu des données stables sur la déformation thermique du profil de dent de la pièce, ajustez les exigences du profil de dent du processus précédent. Cela permet des modifications correspondantes du profil de dent dans la conception de l'outil pour s'aligner sur les exigences du produit fini après le traitement.

Solutions pour les problèmes de marche dans les processus de rectification :

• Premièrement, la distorsion naturelle peut être compensée dans le processus précédent, mais cela est difficile en raison de la difficulté à contrôler les différences entre les outils d'ébauche et de finition et les tendances de déformation thermique.
• Deuxièmement, une fonction de programme anti-torsion peut être ajoutée à la rectifieuse, ce qui est relativement plus facile et particulièrement utile pour réduire le cycle de développement et le coût de la production d'essai du processus.

2. Problèmes de marche causés par l'hélice et solutions

(1) Analyse du problème: L'erreur d'angle d'hélice fHb et le bombage hélicoïdal Cb affectent également la génération de marches de la racine de l'engrenage, comme le montre la figure 14.

On peut voir que si l'écart d'angle d'hélice avant et après la finition est cohérent, la tolérance de traitement de l'épaisseur de la dent le long de l'hélice est uniforme ; si la différence est importante et que la tolérance varie considérablement d'une extrémité à l'autre, l'extrémité avec plus de tolérance risque de générer des marches.

(2) Solutions: Similaire aux méthodes de correction du profil de dent, obtenez des données stables sur la déformation thermique de l'hélice grâce à des expériences et compensez-la dans le processus précédent. Notez qu'une fois que des exigences de modification d'hélice sont ajoutées, la modification du profil de dent sera également affectée. Par conséquent, la conception de l'outil doit tenir compte à la fois des modifications du profil de dent et de l'hélice pour obtenir une compensation et un ajustement corrects, assurant des états de modification cohérents avant et après le traitement.

3. Problèmes de marche causés par le pas et le faux-rond radial et solutions

(1) Problèmes de marche causés par une erreur de pas individuel excessive Fp et une erreur de pas adjacent fu:

Analyse : De tels problèmes surviennent généralement dans les processus d'ébauche, le plus souvent dans le fraisage. Lorsque le nombre de dents de la pièce est faible et que la fraise-mère a plusieurs départs, en particulier lorsque le nombre de dents de la pièce est divisible par le nombre de départs de la fraise-mère (par exemple, 14 dents pour la pièce et 2 départs pour la fraise-mère), la probabilité de problèmes est très élevée. Comme le montre la figure 15, dans l'étude de cas, le centre de chaque dent de la pièce s'écarte du centre de son profil de dent théorique. Lors de la finition ultérieure, la tolérance de traitement de l'épaisseur de la dent sur le côté éloigné de l'axe augmente, ce qui conduit à des marches de la racine de l'engrenage.

Solutions : Commencez par la conception de la fraise-mère. Si le cycle de traitement le permet, utilisez le moins de départs possible ; si des exigences de cycle élevées nécessitent plusieurs départs, améliorez la précision de fabrication de la fraise-mère ou adoptez le processus de profil de dent entièrement rectifié, plus coûteux.

(2) Problèmes de marche causés par une erreur cumulative excessive et un faux-rond radial:

Analyse : De tels problèmes surviennent généralement dans les processus de finition après le traitement thermique (rectification, rodage), avec des rapports montrant à la fois un contre-dépouille et des marches sur le même flanc de dent, comme le montre la figure 16.

La cause principale est des changements importants de l'erreur de pas cumulatif Fp et de l'erreur de faux-rond radial de la pièce après le traitement thermique, comme le montre la figure 17. La manifestation des erreurs cumulatives dans les problèmes de marche est similaire à celle des erreurs de pas individuelles. Après un tour complet d'accumulation de pas, combiné à l'impact du faux-rond radial, l'axe de certains dents s'écarte considérablement de l'axe de leur profil de dent théorique, comme le montre la figure 18.

Les pièces finies après la finition (rectification) présentent également des erreurs cumulatives complètes et des erreurs de faux-rond radial. Si les tendances des courbes de ces erreurs sont opposées à celles d'avant le traitement, la possibilité de marches dans certaines dents sera considérablement augmentée.

Solutions : Optimisez les paramètres de coupe des engrenages dans le processus en fonction de la forme de la déformation du traitement thermique des pièces ; optimisez les méthodes de positionnement et de serrage liées au trou de référence de traitement et à la face d'extrémité ; ou optimisez les paramètres du processus de traitement thermique et les méthodes de positionnement des fixations ; si nécessaire, optimisez même le type de matériau de l'engrenage et la conception structurelle.

En résumé, ce n'est qu'en identifiant les causes de la déformation thermique irrégulière que nous pouvons contrôler de manière ciblée la forme de la déformation thermique, minimiser la quantité de déformation thermique et réduire, voire éliminer, les problèmes de marche de la racine de la dent à mesure que la déformation thermique diminue.