Comment ça marche – Roulage de filetage de précision

Chez Horst Engineering & Manufacturing Co., les centres de tournage multi-axes Citizen Swiss et les tours multi-axes Eurotech, vieux d'un an, produisent des composants usinés complets de haute précision. Ils tournent, percent, fraisent et même filetent. Pourtant, dans la même petite usine d'East Hartford, dans le Connecticut, la société sœur de Horst Engineering, Thread Rolling Inc., utilise des enfileuses à rouleaux Waterbury, Hartford et Reed vieilles de cinquante ans pour former des filetages externes avec un processus secondaire spécialisé, mais d'une simplicité élégante..Toutes leurs machines ne sont pas des antiquités. Une grande partie de l'équipement a été rénovée et les machines les plus récentes ont été ajoutées aux anciennes. Il est donc tout à fait approprié qu'ils s'installent dans la partie la plus historique de l'ancienne usine, où un parquet en bois vieux de cinquante-cinq ans symbolise les soixante ans d'activité familiale.

Le roulage de fil est un processus qui existe depuis plus de cent ans et il existe des machines en service qui donnent à celles qui ont cinquante ans un aspect jeune en comparaison. Les rouleaux à filetage sont disponibles dans une variété de types et de tailles, mais ils utilisent tous un mécanisme dans lequel des matrices en acier trempé sont appariées et réglées pour pénétrer avec force afin de remodeler la surface du matériau d'un diamètre rond en une forme filetée. Une pièce ou une ébauche cylindrique est introduite dans la machine (manuellement ou automatiquement) et les matrices tournent (matrices cylindriques) ou effectuent un mouvement alternatif (matrices plates) afin de produire des filetages dans un processus de formage « sans copeaux ». Chaque forme, forme et taille de filetage possède un ensemble unique de matrices qui sont généralement meulées à partir d'acier à outils traité thermiquement (généralement Rockwell C 58-62) et achetées plutôt que fabriquées en interne.

Le laminage de filets est avant tout un processus de formage à froid effectué à température ambiante, mais il existe une niche pour le laminage à chaud lorsque les matériaux sont supérieurs au Rockwell C 45, car la durée de vie de la matrice serait sérieusement compromise. Comme la rectification sans centre, son processus frère, le processus de roulage de filets peut être en avance ou en avance. Le roulage de filetage est la méthode de choix pour les applications de filetage en production à grand volume. Les filières planétaires à rouleaux sont capables de former des filetages sur des dizaines de milliers de pièces par heure. Les machines alternatives à matrice plate verticale ou inclinée à grande vitesse peuvent également générer des taux de production élevés, et les machines cylindriques horizontales à deux matrices peuvent produire rapidement des milliers de pieds de tige filetée.

Une grande partie des produits que vous achetez à la quincaillerie locale, comme les vis à bois, les tire-fonds et les vis à métaux, ont été produits en série à l'aide de machines à rouler les filets. Les filetages acmés, contreforts, vis sans fin, carrés et tuyaux ne sont que quelques formes uniques qui peuvent être produites par roulage de filetage ; cependant, les filetages de type vis à métaux sont les plus familiers aux personnes travaillant dans l'industrie de l'usinage de précision.

À une extrémité du spectre, le roulage de filets automatisé en grand volume est intéressant en raison de la vitesse et de la stabilité dimensionnelle du processus, mais la production de fixations et de pièces de qualité commerciale est une pratique relativement ordinaire. À l’autre extrémité du spectre se trouve le créneau très spécialisé du filetage par laminage de haute précision, principalement sur de petites séries de pièces. Certaines industries de haute technologie, notamment l'aérospatiale et le sport automobile, nécessitent des filetages à tolérance extrêmement serrée avec des finitions de surface exceptionnelles et la résistance supplémentaire inhérente aux pièces fabriquées avec le processus de formage. Thread Rolling Inc. utilise une combinaison de machines cylindriques verticales à trois matrices, de machines alternatives à matrice plate horizontale et de machines cylindriques horizontales à deux matrices pour produire des filetages de précision.

L'accent est mis sur la production d'une variété de filetages de vis mécaniques de haute précision, en se concentrant sur les formes de filetage standard unifiées et métriques à 60° les plus courantes dans l'industrie aérospatiale. Les threads les plus courants utilisés ici sont les classes 2A et 3A dans les formulaires UNF, UNC, UNJF et UNJC. Les filetages en forme de « J » ont un rayon de racine contrôlé plus grand pour une résistance accrue dans la zone à forte contrainte d'un filetage et sont courants dans l'industrie aérospatiale. L’inspection dimensionnelle des fils de haute qualité est différente de celle des fils commerciaux. Les spécifications varient, mais les normes aérospatiales et militaires exigent qu'un calibre de filetage de type indicateur soit utilisé pour inspecter le diamètre primitif et les dimensions associées.

L'inspection des diamètres primitifs est effectuée à la fois avec des jauges de type indicateur de forme complète et à élément unique qui sont réglées avec des maîtres-fils. Les jauges à anneau fileté go/no go sont utilisées à titre de référence uniquement. Des micromètres de diamètre extérieur standard sont utilisés pour inspecter les grands diamètres, et des comparateurs optiques sont utilisés pour vérifier les petits diamètres et les rayons de racine. Avec toutes ces jauges disponibles dans l'atelier, un opérateur de filetage peut surveiller le processus et effectuer des ajustements rapidement. L'usure des matrices et d'autres variables peuvent affecter le processus de laminage, mais une fois la machine réglée, le processus est cohérent et reproductible.

Les filetages formés sont préférés pour les applications critiques et à haute résistance comme celles que l'on trouve dans l'industrie aérospatiale. Les fils roulés, en particulier sur les pièces traitées thermiquement, ont une résistance à la tension, au cisaillement et à la fatigue plus élevée. Aucun matériau n'est retiré pendant le processus de laminage, éliminant ainsi l'une des faiblesses inhérentes aux fils coupés ou meulés. Les propriétés du formage à froid incluent une densité plus élevée de grains de matériau, ou molécules, en particulier là où ils ont été compactés le long du flanc inférieur de chaque pas de filetage et à la racine du filetage.

Les métaux aérospatiaux peuvent être difficiles à usiner et à former, de sorte que les accessoires de filetage courants utilisés sur les machines à vis et les tours pour les travaux à volume plus élevé ont du mal à répondre aux exigences de qualité des filetages de précision. La force requise pour former des filetages sur des aciers alliés traités thermiquement ou sur des pièces en alliages exotiques en Inconel® ou en Titane ne peut être obtenue efficacement sans utiliser un équipement dédié. Thread Rolling Inc. se concentre sur les filetages de moins de 1,500 pouces de diamètre, mais les filetages roulés sont produits sur des attaches jusqu'à 5,00 pouces et même plus. Il faut une force importante, jusqu'à trente ou quarante tonnes de pression de roulement générée par de très grosses machines, pour déplacer autant de matériaux. Certains filetages sont jugés si critiques qu'un processus d'échantillonnage de tests destructifs est nécessaire pour examiner au microscope chaque pas d'un filetage à 500X.

Des filetages correctement formés nécessitent que les matrices soient exactement alignées ou « assorties ». Que le processus utilise deux ou trois matrices, elles doivent être correctement tracées afin d'éviter les défauts internes, tels que les chevauchements, les fissures, les plis, les coutures et les cratères. La méthode d’inspection destructive des filetages est utilisée pour identifier les défauts internes et pour vérifier que le flux de grain approprié a été atteint. Des échantillons représentatifs sont testés au début de chaque nouvelle installation et périodiquement au cours d'un cycle de production.

Le processus de test nécessite que les filetages soient coupés du reste de la pièce, coupés en deux longitudinalement, montés dans une résine époxy, meulés et rodés jusqu'à une finition de trois microns, gravés pour révéler la microstructure et inspectés au microscope. L'ensemble du processus prend un peu plus d'une heure, mais nécessite un équipement spécialisé de préparation et d'inspection métallographique. Étant donné que la production s'arrête pour les tests, une gamme de machines est nécessaire, de sorte que les machinistes travaillent sur plusieurs tâches en même temps, en alternant les processus de meulage, de filetage et de test.

Souvent, les pièces sont reçues pour réparation dans un emballage en vrac, mais lorsqu'elles sont renvoyées avec des filetages de précision brillants, elles sont emballées individuellement avec des protections pour éviter tout dommage pendant le transport. Un jour récent, un employé emballait un seul conteneur bleu doublé de mousse rembourrée.

L'insert en mousse a été découpé pour un seul arbre prototype. Cette pièce de dix-huit pouces était filée aux deux extrémités. La pièce avait été conçue et fabriquée pour s'adapter aux filetages roulés. Cela signifiait que les diamètres des filetages pré-roulés étaient correctement chanfreinés et meulés au diamètre primitif correct, un diamètre hypothétique situé entre les diamètres majeur et mineur, qui est utilisé pour déterminer la taille du filetage. Ce travail particulier n'a pas nécessité de tests destructifs, mais des pièces de montage ont été produites à partir de matériaux similaires afin de préparer les machines. Avec un lot d’une seule pièce, il n’y a aucune place à l’erreur, et les machinistes hautement qualifiés le savaient.

Les fils roulés de la plus haute qualité sont produits à partir des ébauches de la meilleure qualité. Pour cette raison, la plupart des pièces envoyées à Thread Rolling Inc. sont surdimensionnées afin que le processus de dimensionnement final puisse être contrôlé par une rectification sans centre. Une fois que la taille correcte a été meulée, généralement par un associé au filetage et un associé au meulage travaillant ensemble, les pièces sont meulées à leur taille finale à moins de 0,0004 pouce tout en conservant une rondeur à moins de 0,000050. Avant le roulage du filetage, la finition de surface sur le diamètre est toujours meilleure que 32 micropouces. Grâce à l'action de brunissage des matrices, la finition après laminage, notamment sur les flancs, peut atteindre 4 micropouces, selon le matériau et la dureté. La finition est une autre raison de choisir le roulement par rapport à d'autres processus de filetage.

L'absence de commandes CNC sur la plupart des équipements signifie que le processus n'est pas aussi convivial que l'usinage de vis, le tournage ou le fraisage. Il est difficile d’expliquer aux clients que le diamètre principal augmente en réalité lorsqu’il est roulé. Certains ne veulent pas croire qu'ils peuvent tourner leurs ébauches en dessous du grand diamètre et que leurs pièces ne seront pas mises au rebut. Par exemple, un filetage.250-28 UNF-3A a un diamètre primitif de.2268-.2243 et un diamètre principal de.2500-.2435. La taille de l'ébauche avant le filetage au rouleau sera proche du diamètre primitif maximum et le matériau déplacé par les matrices se formera pour tomber dans la tolérance du diamètre principal.

Les gens de Thread Rolling Inc. entendent fréquemment dire que les clients ont évité les tâches nécessitant un roulage de threads parce que le processus semble difficile, mystérieux ou hors de leur contrôle. Le processus est unique, mais au sein de l’industrie du formage de précision, il existe de nombreux spécialistes dans ce métier. Le processus ne peut tout simplement pas être réalisé aussi facilement qu'on pourrait l'espérer dans l'environnement actuel où les machines multi-axes « à tout faire » effectuent automatiquement leur travail. Beaucoup de « sensation » est nécessaire pour être un opérateur de filage performant. Le roulage de filets de haute précision est un processus de niche pratique qui est là pour rester.