Arbres linéaires : Sélection du bon matériau, durcissement et traitement de surface

Les arbres linéaires effectuent des tâches exigeantes dans les applications industrielles : Ils permettent des mouvements linéaires précis et reproductibles sous des charges mécaniques élevées. Pour répondre à ces exigences, il est essentiel de sélectionner, de durcir et de traiter correctement les surfaces. Tous ces facteurs affectent directement la durée de vie, la précision et les performances d’un arbre linéaire. Cet article présente ces trois aspects et met en évidence leurs dépendances afin que vous puissiez sélectionner le meilleur arbre linéaire pour votre application.

Arbres linéaires en détail

Les arbres linéaires combinés à des roulements linéaires (par ex., bagues à palier lisse et roulements linéaires à billes) servent de guide linéaire pour les mouvements axiaux. Ils sont généralement fabriqués en acier de précision, mais d’autres matériaux sont également concevables. Il existe plusieurs façons d’intégrer des arbres linéaires dans un système. Les supports d’arbre ne sont qu’une des nombreuses options, selon la forme de l’arbre. Pour plus d’informations, consultez notre article sur les arbres linéaires : Extrémités d’arbre et options de montage d’arbre linéaire.

Les arbres creux (forme du tube) représentent une forme spéciale pour les arbres linéaires. Les arbres creux ont un intérieur creux sur toute leur longueur. Cela utilise moins de matériau, réduisant ainsi le poids de l’arbre linéaire. Les arbres linéaires agissent comme des arbres de guidage pour les roulements linéaires. Lorsqu’ils sont utilisés correctement, ils permettent un guidage de mouvement linéaire très précis pour les applications avec des exigences élevées de douceur et de précision. Afin de répondre à cette exigence et d’assurer un guidage fiable du roulement linéaire tout au long de sa durée de vie, l’interaction entre la sélection des matériaux, le durcissement et tout traitement de surface supplémentaire requis est cruciale.

Sélection du matériau par application prévue

La sélection du matériau de l’arbre linéaire est basée sur les exigences spécifiques de l’application prévue. Dans de nombreux cas, l’acier non durci, par exemple EN 1.1191 Equiv., peut être utilisé pour des applications simples, par exemple celles qui utilisent des paliers lisses sans entretien. Le chromage dur supplémentaire améliore le traitement de surface et la résistance de la surface. Les revêtements LTBC peuvent améliorer la résistance à la corrosion. L’arbre doit généralement être beaucoup plus dur que le palier lisse.

Pour les roulements linéaires à billes ou les exigences de précision plus élevées, il faut utiliser de l’acier plus dur ou trempé par induction. L’arbre linéaire et les roulements linéaires à billes doivent alors avoir la même dureté. L’acier de précision CF53 ou EN 1.1213 peut également être utilisé dans ce cas. Cet acier est non allié et convient pour l’induction et le durcissement à la flamme. Grâce à sa teneur moyenne en carbone, il peut être usiné avec précision, ce qui est avantageux, y compris lorsque les exigences de haute précision doivent être satisfaites

Le matériau sélectionné doit combiner les propriétés principales suivantes en fonction de la pondération requise par l’application :

• Haute résistance du matériau pour un poids plus léger
• Trempabilité ou dureté
• Haute ductilité - faible sensibilité aux encoches

Certaines considérations doivent être prises en compte pour combiner des performances, une durée de vie et une efficacité optimales :

• Quelles sont les conditions environnementales ? L’acier inoxydable est-il nécessaire ?
• Quels types de charges se produisent (important pour la dureté du matériau) ?
• Quelle dureté de surface est nécessaire ? L’élément pertinent est-il, par exemple, un roulement linéaire à billes ou un roulement à palier lisse, y compris la charge transportée ?
• La précision requise est-elle disponible ?
• Quel est le coût ?
• Quelle est la méthode d’assemblage utilisée ? Cela peut être pertinent pour la sensibilité aux encoches.

Si la dureté et la résistance à l’usure sont au centre de l’attention, des nuances d’acier trempé telles que l’acier avec le numéro de matériau 1.3505 ou l’acier avec des surfaces nitrées doivent être utilisées. Ces nuances d’acier résistent également à une utilisation intense et à l’usure mécanique.

Bien que la forme de l’extrémité de l’arbre ne soit pas un critère de sélection pour le matériau de l’arbre linéaire, elle affecte la dureté de surface des zones durcies. Les considérations relatives aux options de montage existantes et aux extrémités d’arbre qui en résultent sont logiques, en particulier lorsque des fonctions spécialisées sont requises, par exemple des arbres linéaires avec des goujons filetés.

Arbres linéaires durcis vs non durcis

Les arbres en acier trempé doivent être utilisés pour des exigences de roulement de haute précision ou plus élevées. Ces arbres linéaires, également appelés arbres de précision, sont généralement des arbres en acier trempé traités thermiquement (induction) avec un noyau ductile. Alternativement, un revêtement spécial peut être appliqué pour certaines applications (par ex., le chrome dur), ce qui augmente la qualité et la dureté de la surface.

Les arbres linéaires durcis sont moins sensibles à l’abrasion et à la déformation de surface. Cela leur est bénéfique, en particulier lorsqu’ils sont soumis à des charges élevées. Les marques témoins de roulements linéaires à billes sont plus petites car la surface dure de l’arbre résiste mieux aux contraintes causées par les billes dans le roulement linéaire à billes. Cependant, il est important de noter que la dureté ne doit pas être trop élevée, car l’arbre peut également devenir cassant et tomber en panne.

Les arbres non durcis sont par contraste plus doux et moins sensibles aux encoches, mais plus sensibles à l’usure et à la déformation. Les arbres linéaires non durcis sont généralement moins chers que les arbres durcis.

Effet de la dureté de l’arbre sur la durée de vie nominale

La durée de vie utile nominale d’un système linéaire entier est également influencée par la dureté de l’arbre f_H, entre autres variables d’influence. Un arbre doit être suffisamment dur pour résister aux roulements à billes. La charge nominale est autrement réduite. Les autres variables d’influence comprennent le coefficient de température f_T, le coefficient de contact f_C et le coefficient de charge f_W.

Les températures supérieures à 100 °C entraînent une dureté réduite et donc une réduction de la charge nominale. Le coefficient de contact tient compte du fait que la charge nominale change en fonction du nombre de roulements linéaires par axe (arbre linéaire). En général, deux arbres linéaires parallèles sont installés dans des guides d’arbre linéaires.

Les coefficients de contact f_{C suivants s’appliquent} respectivement en fonction du nombre de roulements :

• Un palier par arbre : 1,0
• Deux paliers par arbre : 0,81
• Trois paliers par arbre : 0,72
• Quatre paliers par arbre : 0,66
• Cinq paliers par arbre : 0,61

Le coefficient de charge f_W nécessite des informations sur le poids du matériau, le couple de charge et d’autres paramètres qui sont généralement difficiles à calculer. Les valeurs suivantes sont utilisées en règle générale pour les applications sans charges de vibrations et de chocs importantes :

• Faible vitesse (maximum 15 m/min) : 1,0 … 1,5
• Vitesse moyenne (maximum 60 m/min) : 1,5 … 2,0
• Vitesse élevée (supérieure à 60 m/min) : 2,0 … 3,5

Avec la capacité de charge dynamique C et la charge utile P, la durée de vie nominale L d’un roulement linéaire à billes peut être calculée comme suit :

Dureté des différents aciers

En fonction de la composition et du traitement thermique, les nuances d’acier peuvent varier de qualités souples et déformables à des variantes extrêmement dures et résistantes à l’usure. Le numéro du matériau indique la dureté de l’acier :

• EN 1.3505 (100Cr6) : Acier pour roulements classique à haute dureté, adapté à une forte usure
• EN 1.4125 (X105CrMo17) : Un acier chromé martensitique avec une très haute résistance à l’usure, y compris l’utilisation comme acier de couteau
• EN 1.1191 (C45) : est un acier de qualité non allié ou un acier au carbone.  Il ne peut être durci que modérément, mais il est facilement usinable. Utilisé pour les arbres ayant des exigences mécaniques moyennes à élevées.
• EN 1.4301 (X5CrNi18-10, AISI 304) : Acier nickel-chrome. Utilisé fréquemment et facile à usiner. Il a une haute résistance à la corrosion. La dureté est inférieure à 215 HB et le durcissement par traitement thermique n’est pas possible.
• EN 1.4037 (X65Cr13) : Acier inoxydable martensitique. Après durcissement, il a une dureté élevée, mais est relativement cassant. Il convient à une utilisation dans des environnements corrosifs.
• EN 1.1213 (Cf53) : Un acier non allié de haute qualité au carbone. Très bonnes propriétés de durcissement, haute résistance et solidité, mais résistance réduite à la corrosion.

Voir le tableau suivant, Dureté et traitement de surface disponible par matériau d’arbre, pour les tolérances ISO associées :

Traitement des arbres linéaires et de leurs effets

Les arbres linéaires sont d’abord durcis thermiquement par induction. Cette étape de durcissement est réalisée sur la matière première sur la couche de bord avant tous les autres processus d’usinage. La profondeur de durcissement résultante dépend du matériau et du diamètre de l’arbre linéaire. L’arbre est ensuite usiné par meulage, perçage, etc. Dans ces zones, la couche de bord durcie est également retirée. Le matériau environnant devient souvent très chaud à la suite de l’usinage, ce qui entraîne un changement de dureté dans ces zones.

Le tableau suivant donne un aperçu de la profondeur de durcissement des arbres linéaires pour diverses nuances d’acier :

Restrictions de dureté dans le traitement de surface

Avant l’usinage, l’acier est souvent chauffé pour le rendre plus facile à usiner. Même par usinage, l’acier dans la région du bord peut être chauffé à tel point que la dureté de la couche de bord initialement durcie uniformément dans cette région est réduite. Cette zone est également appelée zone de dissipation thermique et a une dureté inférieure à celle du reste du matériau. Le processus de chauffage doit être contrôlé pour minimiser le risque d’incidence dans cette zone. La couche de bord durcie de l’arbre d’origine est retirée sur les clés à méplats, les embouts, etc. Les surfaces traitées ou exposées présentent donc une dureté différente.

Par exemple, le recuit peut réduire la dureté dans les options de configuration et les conceptions d’arbre suivantes :

• Arbres filetés
• Arbres échelonnés
• Rainures du circlips, alésages coniques et hexagonaux, clés à méplats, trous pilotes avec filetages internes, rainures pour vis de montage
• Rainures de clavette, rainures en V
• Surfaces planes
• Conceptions d’extrémité d’arbre configurables (forme G, H)
• Arbres creux (trou latéral d’un seul côté)

Autres formes de traitement de surface

Outre le durcissement de l’arbre linéaire lui-même, des revêtements peuvent également être appliqués pour améliorer la dureté. Ils sont également utilisés pour la protection contre la corrosion. Il existe plusieurs types de revêtements :

• Chromé dur : Le placage chromé dur offre une dureté de surface et une résistance à l’usure élevées. Cependant, le chrome peut s’écailler.
• Revêtement (LTBC) : Ce revêtement est une couche de fluoroèpolymère de 5 μm d’épaisseur déposée sous forme de couche noire. Il est faiblement réfléchissant et résistant à la pression d’éclatement en pliant l’arbre linéaire. Les revêtements LTBC présentent un bon équilibre entre dureté et élasticité.
• Nickelé (chimique) : Couche uniforme sans pores avec une protection élevée contre la corrosion. Ce revêtement crée une surface lisse avec une faible friction, mais n’augmente que modérément la dureté de surface, c’est pourquoi il est principalement utilisé pour la protection contre la corrosion et les propriétés de glissement.
• Nitruré : Le nitrurage augmente considérablement la dureté de surface. Ce processus diffuse l’azote dans la surface en acier. Comme le revêtement (LTBC), la couche de nitruration ne peut plus s’écailler.

Sélections d’arbres linéaires MISUMI

MISUMI offre une variété d’options de configuration d’arbre linéaire :

• Matériau de l’arbre : Acier / acier inoxydable
• Revêtement : non plaqué, plaqué chrome dur, plaqué LTBC, nickelé chimiquement
• Traitement thermique : non traité, trempe par induction
• Tolérances ISO : h5, k5, g6, h6, h7, f8
• Classes de précision : perpendicularité 0,03, concentricité (avec filetage extérieur et incréments) Ø 0,02, perpendicularité 0,20, concentricité (filetage extérieur et pas à pas) Ø 0,10
• Droite / rondeur : en fonction du diamètre. Reportez-vous aux normes de précision de l’arbre pour plus d’informations

Lisez également notre article Arbres linéaires : Normes de précision des arbres linéaires MISUMI.

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Avec le configurateur MISUMI, vous pouvez configurer librement des roulements, des arbres et d’autres composants.

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