Sélection des matériaux et techniques de traitement pour les pièces mécaniques courantes

 

Dans le domaine de la conception et de la fabrication mécaniques, la sélection des matériaux et des techniques de traitement appropriés est cruciale pour garantir les performances, la qualité et la rentabilité des pièces mécaniques. Cet article fournit une analyse approfondie des principes de sélection des matériaux, des types de matériaux et des techniques de traitement des pièces mécaniques courantes, dans le but d'offrir des informations précieuses aux ingénieurs en mécanique et aux professionnels concernés.

 

 

IPrincipes de sélection des matériaux

 

La sélection des matériaux pour les pièces mécaniques nécessite une prise en compte approfondie de plusieurs facteurs, notamment les exigences de performances, la transformabilité et l'efficacité économique. Plus précisément, les grands principes de sélection des matériaux sont les suivants :

 

1. Exigences de performances

Le matériau doit d'abord répondre aux exigences de performances spécifiques aux conditions de fonctionnement de la pièce, telles que la résistance, la dureté, la résistance à l'usure, la résistance à la corrosion et la résistance à la fatigue. Cela nécessite que le concepteur ait une compréhension approfondie des conditions de travail de la pièce, y compris les forces auxquelles elle sera confrontée, l'environnement de travail (comme la température, l'humidité et l'exposition à certaines substances) et toute exigence particulière (telle que la conductivité thermique). , conductivité électrique et propriétés magnétiques).

 

2. Possibilité de traitement

La transformabilité du matériau affecte directement la facilité de fabrication, l'efficacité de la production et le coût. Une bonne aptitude au traitement comprend des facteurs tels que la forgeabilité, la soudabilité et l'usinabilité, qui contribuent à réduire les difficultés et les coûts de fabrication et à améliorer l'efficacité de la production.

 

3. Efficacité économique

Tout en répondant aux exigences de performances et de transformabilité, il est important de sélectionner des matériaux aussi rentables que possible afin de minimiser le coût global du produit. Cela oblige les concepteurs à prendre en compte de manière globale les prix des matériaux, les coûts de traitement et les coûts de maintenance et d'utilisation ultérieurs.

 

 

▲ Étapes de sélection des matériaux dans les pièces mécaniques

 

 

II Types courants de matériaux

 

Les matériaux couramment utilisés pour les pièces mécaniques comprennent principalement les catégories suivantes :

 

1. Acier

L'acier est l'un des matériaux les plus couramment utilisés pour les pièces mécaniques, caractérisé par une résistance élevée, une bonne plasticité et ténacité, ainsi que d'excellentes performances d'usinage. En fonction de l'application et des exigences de performance, l'acier peut être divisé en acier de construction au carbone ordinaire, acier de construction au carbone de haute qualité, acier de construction en alliage et acier moulé, entre autres.

 

2. Fonte

La fonte a une bonne coulabilité, un bon amortissement des vibrations et une bonne résistance à l'usure, mais sa résistance et sa ténacité sont relativement faibles. Par conséquent, la fonte est souvent utilisée pour fabriquer des pièces qui supportent des charges statiques et une usure par friction, telles que des bâtis et des carters de machines-outils.

 

3. Métaux non ferreux

Les métaux non ferreux, tels que le cuivre et les alliages de cuivre, l'aluminium et les alliages d'aluminium, ont une densité plus faible et une bonne conductivité électrique et thermique, ce qui les rend largement utilisés dans les domaines électrique, électronique et aérospatial. Dans les pièces mécaniques, les métaux non ferreux sont souvent utilisés pour fabriquer des composants structurels légers, des paliers lisses, etc.

 

4. Plastiques techniques

Avec le développement de la science des matériaux, l’application des plastiques techniques dans les pièces mécaniques devient de plus en plus répandue. Les plastiques techniques sont légers, résistants à la corrosion et possèdent de bonnes propriétés d'isolation, ce qui les rend adaptés à la fabrication de pièces non porteuses, résistantes à la corrosion ou isolées.

 

 

III Analyse des processus d'usinage

 

Les processus d'usinage des pièces mécaniques sont divers et comprennent généralement le tournage, le fraisage, le perçage, le meulage, le forgeage et le moulage par injection. Différents processus d'usinage conviennent à différents matériaux et formes de pièces, qui seront présentés séparément ci-dessous.

 

1. Tournage

Le tournage est une méthode d'usinage dans laquelle la pièce à usiner est fixée dans un dispositif de maintien rotatif et les outils découpent progressivement le matériau de la pièce pour obtenir la forme et la taille souhaitées. Le tournage convient à la fabrication de pièces cylindriques, telles que des arbres et des manchons. La précision et la rugosité de surface du tournage dépendent du choix de l'outil et du réglage des paramètres de coupe.

 

2. Fraisage

Le fraisage est une méthode d'usinage qui coupe du matériau à la surface d'une pièce à l'aide d'un outil rotatif pour fabriquer des surfaces planes, des surfaces concaves et convexes, des engrenages et d'autres pièces de forme complexe. Le fraisage peut être divisé en types tels que le fraisage de faces, le fraisage vertical, le fraisage en bout, le fraisage d'engrenages et le fraisage de contours, chaque type étant adapté à différents besoins d'usinage.

 

3. Forage

Le perçage est une méthode d'usinage qui coupe le matériau d'une pièce à l'aide d'un foret rotatif pour former des trous du diamètre et de la profondeur requis. Le perçage est couramment utilisé pour fabriquer des pièces de type trou, telles que des trous de boulons et des trous de roulement. La précision et l'efficacité du perçage dépendent du choix des forets, du réglage des paramètres de coupe et de la mise en œuvre de mesures de refroidissement et de lubrification.

 

4. Broyage

Le meulage est une méthode d'usinage qui coupe ou broie progressivement le matériau de la surface d'une pièce à l'aide d'outils abrasifs pour obtenir la forme, la taille et la qualité de surface souhaitées. Le meulage convient à l’usinage de pièces présentant des exigences élevées de précision et de qualité de surface, telles que des moules, des pièces mécaniques de précision et des outils. La précision et la qualité de surface du meulage dépendent du choix des outils abrasifs, du réglage des paramètres de meulage et de la méthode de serrage de la pièce.

 

5. Forgeage

Le forgeage est une méthode de traitement des métaux qui façonne des matériaux métalliques traités à chaud dans les formes souhaitées par pressage. Le forgeage convient à la fabrication de pièces aux formes complexes et aux exigences de performances mécaniques élevées, telles que les engrenages et les arbres. Le forgeage peut améliorer la structure organisationnelle interne des matériaux, améliorant ainsi la résistance et la ténacité des pièces.

 

6. Moulage par injection

Le moulage par injection est un processus dans lequel du plastique fondu est injecté dans un moule et solidifié pour produire les pièces requises. Le moulage par injection convient à la fabrication de grandes quantités de pièces en plastique de forme complexe, telles que des coques de téléphones portables et des composants automobiles. La précision et la qualité de surface du moulage par injection dépendent de la conception du moule, des performances de la machine de moulage par injection et du choix des matières plastiques.

 

 

IV Conception détaillée des itinéraires typiques du processus d'arc et de flèche

 

Pièces d'arbre

 

Les matériaux couramment utilisés pour les pièces d'arbre varient considérablement et sont principalement choisis en fonction de facteurs tels que la résistance, la rigidité, la résistance à l'usure, la fabricabilité et des considérations économiques. Vous trouverez ci-dessous quelques matériaux courants pour les pièces d’arbre et leurs caractéristiques :

 

1. Acier au carbone

• Acier de construction en carbone de haute qualité :Tels que les nuances 35, 45, 50, etc., ces aciers présentent des propriétés mécaniques globales élevées et sont largement utilisés. Parmi eux, l’acier 45 est le plus couramment utilisé en raison de ses bonnes performances. Pour améliorer encore ses propriétés mécaniques, des traitements de normalisation ou de trempe et revenu sont souvent effectués.
• Acier de construction au carbone ordinaire :Tels que le Q235, le Q275, etc., ces aciers conviennent aux arbres supportant des charges relativement faibles ou moins critiques.

 

2. Acier allié

L'acier allié possède des propriétés mécaniques élevées mais est relativement coûteux et est couramment utilisé pour les arbres ayant des exigences particulières. Par exemple, les arbres fonctionnant dans des conditions de vitesse élevée, de charge importante ou de température élevée utilisent souvent de l'acier allié pour répondre à des exigences de performances spécifiques. Les aciers alliés courants comprennent 20Cr, 20CrMnTi, 40CrNi, 38CrMoAlA, etc., qui, après carburation, trempe et autres traitements thermiques, peuvent améliorer considérablement la résistance à l'usure, la ténacité aux chocs et la résistance à la fatigue des arbres.

 

3. Fonte

Fonte ductile :En raison de ses bonnes performances de moulage, il est facile à couler dans des formes complexes et présente un bon amortissement des vibrations et une faible sensibilité à la concentration de contraintes. Il est souvent utilisé pour fabriquer des arbres de forme complexe. En particulier, la fonte ductile de terres rares et de magnésium développée en Chine a été largement utilisée dans la fabrication de pièces d'arbre importantes dans les industries de l'automobile, des tracteurs et des machines-outils en raison de son excellente résistance aux chocs, de sa réduction du frottement et de ses propriétés d'absorption des vibrations.

 

4. Fonte à haute résistance

Possède également de bonnes propriétés de moulage et d'amortissement des vibrations, ce qui le rend adapté à la fabrication d'arbres de forme complexe.

 

 ▲ Exemple 38CrMoAIA

 

 

Pièces d'engrenage

 

La sélection des matériaux des engrenages est un processus complexe qui nécessite la prise en compte de divers facteurs, notamment les exigences de charge, la vitesse, les conditions environnementales, les exigences en matière de bruit et de vibrations et les considérations économiques.

 

1. Acier forgé

L'acier forgé est fabriqué grâce au processus de forgeage et possède des propriétés supérieures à celles de l'acier ordinaire. Les engrenages en acier forgé ont une résistance élevée, une résistance élevée à l'usure et une bonne résistance aux chocs, ce qui en fait l'un des matériaux les plus couramment utilisés pour la fabrication d'engrenages. Les matériaux en acier forgé courants comprennent l'acier 45, dont les propriétés mécaniques peuvent être encore améliorées grâce à un traitement thermique.

 

2. Acier moulé

L'acier moulé est couramment utilisé pour fabriquer des engrenages plus grands, car les engrenages de grand diamètre ne conviennent pas au forgeage. Les engrenages en acier moulé ont une bonne résistance et ténacité, mais leur structure interne peut ne pas être aussi dense que l'acier forgé et peut nécessiter un traitement thermique pour améliorer leurs performances.

 

3. Acier allié

L'acier allié est fabriqué en ajoutant une certaine quantité d'éléments d'alliage à l'acier ordinaire, ce qui lui confère une résistance et une dureté plus élevées. Les engrenages en acier allié sont souvent utilisés dans des applications qui supportent des charges plus importantes et fonctionnent à des vitesses plus élevées.

 

4. Fonte grise

La fonte grise est relativement fragile et présente une faible résistance aux chocs et à l'usure, mais elle possède de bonnes capacités anti-grippage et anti-piqûres. Par conséquent, les engrenages en fonte grise sont couramment utilisés dans les situations où le fonctionnement est fluide, les vitesses sont faibles et la puissance n'est pas élevée.

 

5. Fonte ductile

La fonte ductile est traitée par un processus de traitement thermique spécial, provoquant la distribution du graphite dans sa structure interne sous une forme sphérique, ce qui améliore la résistance et la ténacité de la fonte. Les engrenages en fonte ductile ont de bonnes performances globales et conviennent aux applications nécessitant des performances plus élevées.

 

6. Matériaux non métalliques

Plastiques, métaux en poudre, etc. :Dans certaines circonstances particulières, telles qu'une charge légère, une faible vitesse ou lorsqu'une réduction du bruit et des vibrations est requise, des matériaux non métalliques peuvent être utilisés pour fabriquer des engrenages. Ces matériaux sont légers, produisent peu de bruit et sont faciles à traiter, mais leur capacité portante et leur résistance à l'usure sont inférieures à celles des matériaux métalliques.

 

Par exemple, les engrenages utilisés dans les automobiles ou les tracteurs.

 

▲ Exemple 20CrMnTi

 

Pièces d'outils

 

Le choix des matériaux pour les outils est crucial pour leurs performances et leur durée de vie. Lors du choix des matériaux pour outils, divers facteurs doivent être pris en compte, notamment l'objectif de l'outil, les propriétés des matériaux traités, les conditions de coupe et les considérations économiques. Vous trouverez ci-dessous quelques outils courants :

 

1. Acier rapide

 

Caractéristiques:

• Haute résistance et bonne ténacité, permettant des arêtes de coupe tranchantes.
• Bonne ouvrabilité, facile à forger et à usiner.
• Divisé en acier rapide ordinaire et en acier rapide haute performance. L'acier rapide ordinaire a des vitesses de coupe inférieures, tandis que l'acier rapide haute performance est produit en augmentant la teneur en carbone et en vanadium et en ajoutant des éléments tels que le cobalt et l'aluminium, ce qui entraîne une durabilité plus élevée.

 

Applications :

• Généralement utilisé pour les outils de forme complexe, tels que les forets hélicoïdaux, les tarauds, les alésoirs, les fraises à engrenages et les outils de forme, souvent fabriqués en acier rapide.

 

2. Carbure cémenté

 

Caractéristiques:

• Dureté extrêmement élevée, avec une dureté atteignant 74 à 82 HRC à température ambiante et une résistance à la chaleur jusqu'à 900 à 1 000 degrés, offrant d'excellentes performances de coupe.
• Vitesses de coupe élevées, capables de dépasser 100 m/min lors de la coupe de l'acier au carbone.
• Cependant, il a une faible ténacité, une faible résistance aux chocs et aux vibrations, et les bords ne sont pas facilement affûtés à un tranchant extrême, avec une usinabilité plus faible.

 

Classement et applications :

• Le carbure cémenté est classé selon GB2075-87 en types P, M et K. Le type P est utilisé pour traiter de longs copeaux de métaux noirs ; Le type M est utilisé pour le traitement des métaux noirs et des métaux non ferreux ; Le type K est destiné au traitement de copeaux courts de métaux noirs, de métaux non ferreux et de matériaux non métalliques.

 

3. Acier inoxydable

 

Caractéristiques:

• Facile à entretenir, forte résistance à la corrosion, adapté à une utilisation dans des environnements humides ou corrosifs.
• Cependant, sa dureté et son tranchant peuvent ne pas être aussi élevés que ceux de l'acier à haute teneur en carbone et il est généralement plus cher.

 

Applications :

• Utilisé dans les couteaux de cuisine domestiques, les instruments chirurgicaux médicaux et d'autres situations nécessitant un nettoyage et un entretien d'hygiène fréquents.

 

4. Acier à haute teneur en carbone

 

Caractéristiques:

• Haute dureté et bonne netteté, adapté à l'usinage et à la découpe de précision.
• Cependant, il est sujet à la rouille et nécessite un entretien et des soins réguliers.

 

Applications :

• Utilisé dans les rasoirs, les couteaux d'extérieur et d'autres applications nécessitant une dureté et un tranchant élevés.

 

 

▲ Tables de cuisson

 

 

▲ Description du processus principal des plaques de cuisson à engrenages

 

 

VConclusion

 

La sélection des matériaux et des méthodes de traitement des pièces mécaniques courantes est un processus complexe et systématique qui nécessite la prise en compte de plusieurs facteurs. Lors de la sélection des matériaux, les choix doivent être basés sur les performances, les capacités de traitement et les aspects économiques des pièces ; lors du choix des méthodes de traitement, les décisions doivent être prises en fonction de la forme, de la taille, des exigences de surface des pièces et des caractéristiques des matériaux. Grâce à une sélection rationnelle des matériaux et des techniques de traitement, les performances, la qualité et la rentabilité des pièces mécaniques peuvent être optimisées.