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Les roulements à billes sont fabriqués selon un processus précis en plusieurs étapes : le fil ou la tige d'acier est formé à froid en boules brutes, puis meulé et rodé jusqu'à une sphéricité presque parfaite, traité thermiquement pour la dureté et enfin assemblé avec des bagues intérieures, des bagues extérieures, une cage et parfois un bouclier ou un joint. L'ensemble de la séquence, depuis l'acier brut jusqu'au roulement fini, peut prendre de plusieurs heures à plusieurs jours, en fonction de la qualité de précision et de la taille du roulement.
Roulements rigides à billes (DGBB), le type de roulement le plus utilisé au monde, suit ce même processus de base mais nécessite des tolérances particulièrement strictes sur la géométrie des rainures du chemin de roulement. Comprendre les étapes de fabrication en détail révèle pourquoi les roulements de haute qualité sont si chers et pourquoi même des écarts mineurs à n'importe quelle étape peuvent provoquer une défaillance prématurée.
Le matériau de départ de la plupart des roulements à billes est Acier chromé AISI 52100 (également connu sous le nom de 100Cr6 ou GCr15), un acier pour roulements à haute teneur en carbone et allié au chrome. Sa composition typique comprend environ 0,95 à 1,10 % de carbone et 1,30 à 1,60 % de chrome, offrant la combinaison de dureté élevée (généralement 58 à 65 HRC après traitement thermique), de résistance à l'usure et de durée de vie à la fatigue qu'exigent les roulements.
Pour les environnements exigeants, des matériaux alternatifs sont utilisés :
La propreté de l'acier fondu est essentielle. Les inclusions – de minuscules particules non métalliques piégées dans l’acier – agissent comme des sites d’initiation de fissures de fatigue. Les aciers à roulements de qualité supérieure sont produits par dégazage sous vide ou par refusion sous laitier électrolytique (ESR) pour réduire la teneur en inclusions en dessous de 1 particule par 100 mm² en contrôle ultrasonique .
Le processus de fabrication des billes est l’un des plus exigeants du point de vue géométrique dans le travail des métaux. La bille finie d'un roulement à billes à gorge profonde standard doit généralement être comprise entre 0,25 µm (0,00001 pouce) de rondeur parfaite pour une balle de grade 10 (équivalent ABEC-5).
Un fil d'acier du diamètre approprié est introduit dans une machine de frappe à froid. Une matrice perce et presse chaque morceau de fil en forme de boule rugueuse, formant un « flash » ou un anneau équatorial caractéristique autour du milieu, appelé ligne de séparation ou « flash annulaire ». Ce flash devra ensuite être retiré. La frappe à froid est extrêmement rapide : les machines modernes peuvent produire 300 à 600 billes brutes par minute .
Les billes brutes sont placées entre deux plaques rainurées en fonte. Au fur et à mesure que les plaques tournent les unes par rapport aux autres, les billes roulent selon une trajectoire en huit qui supprime progressivement l'anneau flash. Cette étape amène la balle vers l'intérieur d'environ 100 à 200 µm de taille finale .
Les billes sont austénitisées à environ 845°C (1550°F) , puis trempé dans l'huile en martensite et revenu à environ 150-175°C pour atteindre une dureté cible de 60-66 HRC. Un traitement thermique approprié stabilise la microstructure et soulage les contraintes de trempe.
Désormais durcies, les billes sont meulées entre des plaques de fonte chargées d'abrasif (oxyde d'aluminium ou carbure de silicium). Plusieurs passes réduisent les billes à quelques micromètres du diamètre cible avec une rondeur considérablement améliorée.
Le rodage est l'opération de dimensionnement finale, utilisant des composés abrasifs de plus en plus fins (parfois jusqu'à 0,25 µm de pâte diamantée). Il permet d'obtenir à la fois la taille finale et la finition de surface semblable à un miroir (Ra < 0,025 µm pour les qualités de précision). La rugosité de la surface influence directement la durée de vie en fatigue du contact de roulement — une surface de bille plus rugueuse peut réduire la durée de vie du roulement L10 de 30 à 50 %.
Les bagues (baguettes) d'un roulement à billes à gorge profonde sont les composants qui définissent la capacité de charge et la précision du roulement. Pour les roulements à billes à gorge profonde, les deux bagues ont une rainure continue et ininterrompue (il n'y a pas d'encoches de remplissage), ce qui leur permet de supporter des charges radiales et axiales.
Les anneaux sont généralement produits à partir de tubes d’acier ou de barres. Pour les roulements plus petits, des ébauches de bagues formées à froid sont découpées selon un processus « slug and tube ». Pour les roulements plus grands, les bagues sont forgées à chaud. Les ébauches sont ensuite tournées sur des tours CNC aux dimensions approximatives, laissant 0,1 à 0,5 mm de matière abrasive sur toutes les surfaces critiques.
Comme les billes, les anneaux sont trempés à coeur (acier 52100) ou cémentés (pour les plus grandes tailles), suivis d'une trempe. La stabilité dimensionnelle lors du meulage ultérieur est essentielle. l'austénite retenue au-dessus de ~ 15 % peut entraîner des changements de taille pendant le service , c'est pourquoi un traitement cryogénique (trempe sous zéro entre -70 et -196 ° C) est parfois utilisé pour minimiser cela.
La rectification des chemins de roulement est l’étape d’usinage la plus critique. Le rayon de rainure sur un chemin de roulement DGBB est généralement 51,5 à 53 % du diamètre de la boule (un taux de conformité de 0,515 à 0,530). Une conformité trop stricte augmente la friction et la chaleur ; trop lâche réduit la capacité de charge. Les rectifieuses CNC avec jaugeage en cours de processus maintiennent les tolérances de rayon des chemins de roulement à ± 2 µm sur les roulements de précision.
Après meulage, les chemins de roulement sont superfinis à l'aide de pierres abrasives oscillantes pour atteindre les valeurs Ra ci-dessous. 0,05 µm . Ce processus corrige également les ondulations microscopiques laissées par le meulage. Un chemin de roulement bien fini peut prolonger la durée de vie des roulements en fatigue d'un facteur 2 à 4 fois par rapport à une surface uniquement rectifiée.
La cage (également appelée dispositif de retenue) maintient un espacement uniforme entre les billes, empêche le contact bille à bille et guide les billes à travers la zone de charge. La conception de la cage a un impact significatif sur les performances à grande vitesse et à haute température.
| Matériau de la cage | Facteur de vitesse maximum (n×dm) | Plage de température | Utilisation typique |
|---|---|---|---|
| Acier embouti (embouti) | Jusqu'à 300 000 mm·tr/min | −30 à 150°C | Usage industriel général |
| Polyamide (PA66-GF25) | Jusqu'à 500 000 mm·tr/min | −40 à 120°C | Moteurs électriques à grande vitesse |
| Laiton (usiné) | Jusqu'à 400 000 mm·tr/min | −60 à 200°C | Applications haute température ou précision |
| COUP D'OEIL | Jusqu'à 600 000 mm·tr/min | −60 à 250°C | Aéronautique, vide, chimie |
Les cages en acier embouti sont réalisées par emboutissage progressif à partir de tôle d'acier, puis rivetées ensemble. Les cages en polymère moulées par injection (PA66 ou PEEK) sont produites sur des équipements de moulage par injection conventionnels avec un renfort en fibre de verre pour plus de rigidité.
L’assemblage d’un roulement rigide à billes est une opération précise. Les DGBB n'ayant pas de fente de remplissage, les billes doivent être chargées à l'aide d'une méthode d'insertion excentrique spécifique.
La précision des roulements est classée par niveaux de tolérance. Plus la tolérance est stricte, plus les étapes de fabrication sont nombreuses et plus le coût est élevé.
| Catégorie ABEC | Classe ISO | Classe JIS | Tolérance d'alésage (alésage de 25 mm) | Application typique |
|---|---|---|---|---|
| ABEC1 | P0 | 0 | 0 / −12 µm | Machines générales, convoyeurs |
| ABEC3 | P6 | 6 | 0 / −8 µm | Moteurs électriques, pompes |
| ABEC5 | P5 | 5 | 0 / −6 µm | Broches de machines-outils, soufflantes |
| ABEC7 | P4 | 4 | 0 / −5 µm | Broches à grande vitesse, gyroscopes |
| ABEC9 | P2 | 2 | 0 / −2,5 µm | Instruments de précision, aérospatiale |
Pour la plupart des roulements rigides à billes industriels (par exemple, les séries omniprésentes 6200 ou 6300), La note ABEC 1/P0 est standard . Le passage d'ABEC 1 à ABEC 5 ajoute généralement 20 à 50 % au coût de roulement ; passer à ABEC 7 peut le doubler ou le tripler.
Les lignes de production de roulements modernes effectuent des contrôles de qualité en cours de processus et en fin de ligne. Les principales méthodes d'inspection comprennent :
Les roulements à billes à gorge profonde représentent environ 30 à 35 % de tous les roulements à billes et à rouleaux produits dans le monde , ce qui en fait de loin le type de roulement le plus courant. Le marché mondial des roulements a dépassé 45 milliards de dollars en 2023, les DGBB représentant une part substantielle.
Leur domination vient de trois avantages de fabrication et de conception :
Un seul roulement à billes à gorge profonde 6205 (alésage de 25 mm), par exemple, peut supporter une charge radiale statique de 6,55 kN et une charge radiale dynamique de 14,8 kN , fonctionnent à des vitesses allant jusqu'à 13 000 tr/min avec lubrification à la graisse et atteignent une durée de vie L10 supérieure à 1 000 heures sous des charges modérées, le tout pour un coût unitaire inférieur à 3 USD pour les volumes de produits de base.
Comprendre ce qui peut mal se passer lors de la fabrication des roulements aide les ingénieurs à évaluer la qualité des fournisseurs et à diagnostiquer les défaillances sur le terrain.
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