Le tournage étagé est l'une des étapes les plus élémentaires mais les plus importantes de la fabrication moderne. Ce processus d'usinage spécialisé permet de fabriquer des pièces cylindriques de différents diamètres le long d'un seul axe, ce qui donne son nom à la technique en raison du profil "en escalier" qu'elle produit.

Les ingénieurs, les machinistes et les fabricants du monde entier ont besoin d'en savoir plus sur le tournage par étapes : Objectif, processus, avantages et inconvénients, et pourquoi il est nécessaire pour plus de 70% des opérations de fabrication de précision qui nécessitent des arbres de plusieurs diamètres.

Le décolletage a changé la façon dont les fabricants fabriquent des pièces de plusieurs diamètres en leur permettant de réaliser des formes complexes en une seule opération. Cela va des arbres de transmission automobile aux pièces aérospatiales qui nécessitent des sièges de roulements précis.

Que signifie l'expression "step turning" ?

Le tournage étagé est un type de travail de tour qui permet d'obtenir deux ou plusieurs diamètres différents sur une seule pièce cylindrique en effectuant des coupes axiales contrôlées. Le changement brusque de 90 degrés entre les sections de diamètre est ce qui rend ce processus unique et lui donne son profil en escalier.

Les opérations de tournage étagé apportent des changements soudains avec des épaulements et des étapes précis, tandis que le tournage conique apporte des changements progressifs. Cette méthode est utilisée sur des tours ordinaires ou des machines de tournage étagé CNC, où la pièce tourne tandis qu'un outil de coupe qui ne bouge pas enlève de la matière pour obtenir la forme étagée souhaitée.

Ce procédé permet de fabriquer des pièces comportant plusieurs zones fonctionnelles, chacune d'entre elles ayant une fonction différente, comme les sièges de roulement, les surfaces de montage des engrenages ou les épaulements pour le positionnement des composants. Selon les données de l'industrie, environ 60% de composants de machines tournantes nécessitent des profils étagés pour un assemblage et un fonctionnement corrects.

Objectif du tournage par étapes dans la fabrication

Applications primaires

Le décolletage est un élément important de la fabrication moderne pour plusieurs raisons :

Intégration des composants : Permet de s'assurer que les roulements, les engrenages, les poulies et les joints s'adaptent parfaitement à leurs surfaces de montage. Chaque étape donne un diamètre spécifique pour l'ajustement des pièces, ce qui garantit le bon fonctionnement des interfaces mécaniques.

Répartition de la charge : Les arbres étagés répartissent les charges mécaniques sur plusieurs diamètres, ce qui empêche les contraintes de s'accumuler et prolonge la durée de vie des pièces. Des études montrent que les arbres étagés correctement conçus peuvent supporter jusqu'à 40% de poids en plus que les arbres de même diamètre.

Efficacité de l'assemblage : Réduit le nombre de pièces séparées nécessaires, ce qui accélère le montage et diminue le risque de défaillance. Dans la plupart des cas, un arbre épaulé peut remplacer trois à cinq pièces distinctes.

Utilisations dans des industries spécifiques

• Automobile : Pour le montage des engrenages et le support des roulements, les arbres d'entrée de transmission, les pignons de différentiel et les vilebrequins ont besoin de profils étagés très précis.
• Aérospatiale : Le décolletage est nécessaire pour obtenir une précision dimensionnelle critique dans des pièces telles que les trains d'atterrissage, les arbres d'actionneurs et les assemblages de turbines.
• Machines industrielles : Les arbres de pompe, les rotors de moteur et les pièces de boîte de vitesses utilisent tous des conceptions étagées pour fonctionner au mieux et être les plus fiables.

Processus de retournement - Méthodologie détaillée

Mise en place et préparation

Le processus de tournage par étapes commence par une préparation minutieuse de la pièce et un réglage de la machine :

Sélection des matériaux : Le diamètre de la matière première doit correspondre au plus grand pas nécessaire, en ajoutant généralement 2 à 3 mm pour la marge d'usinage. Les barres sont couramment utilisées, avec des diamètres allant de 10 mm à 500 mm, en fonction des exigences de l'application.

Travail Ahold : La pièce est serrée dans le mandrin du tour de manière à être correctement centrée et à ne pas vibrer. Le soutien de la contre-pointe est nécessaire pour les pièces plus longues, dont le rapport longueur/diamètre est supérieur à 4:1, afin d'assurer une bonne précision.

Sélection d'outils : Outils de tournage en escalier comprennent les outils de tournage droit, les outils de tronçonnage et les outils de finition. Les plaquettes en carbure sont préférées pour les séries de production, car elles offrent une résistance à l'usure et une qualité de finition de surface supérieures.

Séquence d'usinage

• Opération de façade : L'extrémité de la pièce est dressée afin de créer une surface de référence à l'extrémité, et toutes les mesures ultérieures seront effectuées avec cette surface.
• Des coupes brutales : L'enlèvement de matière se fait en commençant par le plus grand diamètre et en descendant par étapes jusqu'au plus petit. En fonction des propriétés des matériaux utilisés, les vitesses d'avance sont normalement de 0,1 à 0,5 mm par tour.
• Découpage des étapes : La transition entre les diamètres est assurée par des processus de tournage avec certaines procédures de tournage spécifiques pour obtenir des épaulements à 90 degrés avec une rugosité des surfaces atteignant normalement Ra 1,6-3,2 microns.

Les passes et les coupes finales de la lumière permettent également d'obtenir la précision dimensionnelle et la qualité de la finition de la surface, y compris une tolérance standard de ±0,05 mm.

Contrôle de la qualité

• Vérification des dimensions : Les pieds à coulisse ou les micromètres mesurent chaque étape du diamètre, et la vérification a lieu à la fois au milieu du processus d'usinage et après chaque procédure d'usinage pour s'assurer que les spécifications ont été respectées.
• Évaluation de la finition des surfaces : Il mesure la rugosité de la surface à l'aide de profilomètres et répond aux exigences de conception des surfaces d'accouplement des composants.

Avantages du retournement par paliers

Avantages opérationnels

• Efficacité de l'installation unique : Le tournage par étapes CNC facilite la fabrication en une seule opération non seulement de la pièce, mais aussi du produit fini, où les imprécisions de positionnement et donc les temps de cycle sont réduits de 30 à 50 % par rapport aux capacités d'opérations multiples.
• Amélioration de la précision : Assure la concentricité de tous les diamètres à 0,02 mm près, ce qui est vital dans les assemblages rotatifs où les performances sont influencées par le faux-rond.
• Rapport coût-efficacité : Moins de pertes, en termes de matériaux, que les méthodes d'assemblage, la littérature révélant des économies de 25 à 40 % de matériaux dans la plupart des applications.

Avantages de la production

• Tournage par étapes CNC Fabrication rapide : Aujourd'hui, les pièces étagées complexes peuvent être réalisées sur des centres de tournage étagés CNC modernes en quelques minutes, alors que les techniques d'assemblage traditionnelles nécessiteraient des heures.
• Cohérence : Le contrôle automatisé élimine les variations humaines, garantissant des pièces identiques d'un cycle de production à l'autre grâce à des capacités de contrôle statistique des processus.
• Optimisation de la durée de vie des outils : Des paramètres de coupe appropriés prolongeront la durée de vie de l'outil, les plaquettes en carbure pouvant atteindre 200 à 500 pièces étant utilisées dans les composants en acier.

Flexibilité de la conception

• Géométries complexes : Permet de produire des profils complexes qui ne peuvent pas être obtenus par l'assemblage traditionnel, par exemple des angles composés et des attributs de transition.
• Optimisation des matériaux : Cela permet un positionnement stratégique du matériau, dans lequel un matériau plus résistant n'est utilisé que lorsque c'est nécessaire, sans compromettre le coût.

Inconvénients du retournement par paliers

Limites matérielles

• Taux de déperdition élevé : Les différences de diamètre entraînent un gaspillage pouvant atteindre 50 à 70 % des matériaux, en particulier lorsqu'il s'agit d'un alliage coûteux ou d'un matériau exotique.
• Limitations de la taille du stock : L'efficacité des matières premières est limitée aux diamètres suffisants pour accueillir la plus grande étape lorsqu'un petit diamètre final est souhaité, ou au stock qui n'est disponible que dans de grands diamètres.

Limites du processus

• Limites géométriques : Les processus de tournage par étapes ne sont pas capables de générer des courbes, des caractéristiques inclinées et des profils complexes, ce qui nécessite l'intervention d'autres opérations pour finir les pièces.
• Sensibilité de l'installation : Le réglage est très sensible ; une légère erreur de réglage de 0,05 mm entraînerait une modification dimensionnelle supérieure à la tolérance.
• Défis liés à l'accès aux outils : Des marches profondes ou des caractéristiques très rapprochées peuvent créer des problèmes de dégagement de l'outil, limitant ainsi les géométries réalisables.

Considérations économiques

• Coûts de démarrage : Les tours automatiques à commande numérique impliquent des investissements élevés, les centres de tournage actuels pouvant atteindre 150 000 à 500 000 euros.
• Complexité de la fabrication : Une programmation sophistiquée est nécessaire pour les pièces étagées complexes, ce qui augmente le temps de préparation et les compétences.
• Coûts des matériaux : La production de déchets influe sur l'efficacité de l'utilisation des matériaux, en particulier dans le cas de matériaux coûteux tels que le titane ou l'Inconel.

Outils et équipement pour le tournage des marches

Équipement essentiel

• Centres de tournage CNC : Les machines modernes en Usinage CNC sont dotées d'une capacité multi-axes, d'un outillage en direct et de sous-broches pour le traitement complet des pièces. Les vitesses de broche varient entre 50 et 4000 tours/minute, et la puissance entre 15 et 100 CV.
• Outils de coupe : Dans les logiciels de production, les outils à plaquettes en carbure jouent un rôle dominant avec une durée de vie rentable parce qu'ils ont une durée de vie prévisible et des surfaces reproductibles. Les porte-outils doivent offrir une rigidité qui réduit les vibrations, ainsi qu'une précision.
• Systèmes de mesure : L'inspection se concentre sur les erreurs dimensionnelles du produit fini grâce à l'utilisation de pieds à coulisse numériques, de micromètres et d'une machine à mesurer les coordonnées (CMM).

Technologies avancées

• Intégration de l'outillage en direct : Permet de réaliser des processus complets de perçage, de fraisage et de filetage sans repositionnement de la pièce, avec une capacité de tournage par paliers considérablement accrue.
• Changeurs d'outils automatiques : Permettre une fabrication sans lumière et réduire les temps de cycle à moins de 5 secondes est la norme dans les systèmes actuels.

Utilisation dans les industries

Fabrication automobile

Les composants de transmission représentent le segment d'application le plus important, les arbres étagés permettant un engrènement correct des engrenages et le support des roulements. Les arbres d'entrée présentent généralement 3 à 5 diamètres distincts avec des exigences de concentricité de 0,01 mm.

Composants aérospatiaux

Le matériel de vol critique exige une précision exceptionnelle, avec des arbres d'actionneurs étagés nécessitant des valeurs de finition de surface supérieures à Ra 0,8 micron et des tolérances dimensionnelles de ±0,025 mm.

Équipement industriel

Les arbres de pompe, les rotors de moteur et les composants de boîte de vitesses utilisent le tournage en escalier pour des performances optimales, avec des volumes de production typiques allant de 100 à 10 000 pièces par an.

Meilleures pratiques pour des résultats optimaux

Configuration de la machine

• Support de la pièce : Pour les rapports longueur/diamètre supérieurs à 4:1, utilisez des lunettes ou un support de contre-pointe appropriés afin d'éviter les déformations et le broutage.
• Sélection d'outils : Adapter la géométrie de l'outil aux propriétés du matériau, en utilisant des angles de coupe positifs pour l'aluminium et des angles de coupe neutres/négatifs pour les aciers trempés.

Optimisation des processus

• Paramètres de coupe : Maintenir des vitesses de surface constantes lors des changements de diamètre, en ajustant la vitesse de rotation en conséquence pour optimiser la durée de vie de l'outil et l'état de surface.
• Application du liquide de refroidissement : Des systèmes de refroidissement par inondation ou à haute pression appropriés améliorent l'état de surface et prolongent la durée de vie des outils de 200-300% dans les applications de production.

Tendances futures de la technologie du tournage par étapes

• Intégration de l'automatisation : Les technologies de l'industrie 4.0 permettent une maintenance prédictive et un contrôle adaptatif, réduisant les temps d'arrêt et améliorant la constance de la qualité.
• Matériaux avancés : Le développement de nouveaux matériaux pour les outils de coupe permet d'étendre les capacités aux matériaux difficiles à usiner, tels que les aluminiures de titane et les composites à matrice céramique.
• Logiciel de simulation : Systèmes de FAO avancés avec simulation intégrée réduisent le temps de programmation et éliminent les collisions potentielles avant le début de la production.

Conclusion

Comprendre le tournage par étapes : objectif, processus, avantages et inconvénients est essentiel pour la réussite de la fabrication moderne. Ce procédé d'usinage polyvalent offre une précision et une efficacité inégalées pour les pièces de plusieurs diamètres, malgré les limites de l'utilisation des matériaux et de la flexibilité géométrique.

Lorsque la technologie du décolletage CNC est bien mise en œuvre, les fabricants obtiennent des gains considérables en termes de productivité sans avoir à faire de compromis sur le maintien des tolérances serrées exigées par les applications exigeantes actuelles. Avec les progrès de l'automatisation et des outils de coupe, le décolletage constituera un processus irremplaçable dans l'application de la fabrication de précision.

L'automatisation intelligente, la maintenance prédictive et les matériaux avancés sont la voie de l'avenir pour les opérations de décolletage et offrent une efficacité et un potentiel accrus aux fabricants du monde entier.

FAQ sur le retournement d'étape : Objectif, processus, avantages et inconvénients

Q1 : Quelle est la différence entre le tournage étagé et le tournage conique ?

Tournage des étapes crée des changements de diamètre brusques avec des épaulements à 90 degrés, tandis que le tournage conique produit des transitions de diamètre graduelles. Le tournage par étapes est utilisé pour les surfaces de montage des composants, tandis que le tournage conique crée des surfaces angulaires à des fins d'étanchéité ou d'assemblage.

Q2 : Quels sont les matériaux les mieux adaptés aux opérations de tournage par étapes ?

Les ressources largement utilisées sont les aciers au carbone, les aciers inoxydables, les alliages d'aluminium et le laiton. Les matériaux plus durs, comme les aciers à outils et l'Inconel, nécessitent des outils de coupe spécialisés et des vitesses de coupe réduites, mais peuvent être traités avec succès avec des paramètres appropriés.

Q3 : Comment la précision du décolletage CNC augmente-t-elle par rapport aux décolletages manuels ?

Tournage par étapes CNC élimine l'erreur humaine, maintient des paramètres de coupe cohérents et atteint une répétabilité de ±0,01 mm. Les systèmes automatisés permettent également de réaliser des géométries complexes impossibles à réaliser manuellement tout en réduisant le temps de cycle de 40-60%.

Q4 : Quelles sont les tolérances typiques que l'on peut obtenir avec le tournage par étapes ? 

Standard opérations de tournage par étapes permettent d'obtenir des tolérances dimensionnelles de ±0,05 mm avec des finitions de surface Ra 1,6-3,2 microns. Les applications de précision peuvent atteindre des tolérances de ±0,01 mm avec un équipement et un contrôle de processus appropriés.

Q5 : Comment puis-je minimiser les déchets de matériaux dans les applications de tournage par étapes ? 

Sélectionnez les diamètres de matière première les plus proches du plus grand pas nécessaire, optimisez l'orientation de la pièce pour maximiser l'utilisation du matériau et envisagez d'autres méthodes de fabrication pour les pièces dont les rapports de diamètres extrêmes dépassent 4:1.