One tool, one set-up
When the previous supplier pulled out, the customer had only one option: to find a partner who would not simply copy what already existed, but would rethink the application. For EMCO Gears, a family-run company with deep roots in precision, motorsport and high technology, this was precisely the incentive. Together with tool partner HORN USA, a modern manufacturing approach was developed for a demanding bevel gear set with an unusual geometry. Design, tooling, five-axis machining and metrology are seamlessly integrated – and show how gears can be manufactured efficiently, reproducibly and with future-proof technology.
EMCO Gears est un fabricant familial exploitant deux sites : un site d’ingénierie et de production à Elk Grove Village, dans l’Illinois, et un second site à Indianapolis, dans l’Illinois, dédié aux services liés à la course et à la vente. EMCO intervient dans les secteurs du sport automobile, de la défense, de l’aéronautique et de l’industrie, avec un objectif commun : fournir des composants hautement techniques, pour lesquels le choix des matériaux, les traitements thermiques et la stratégie de fabrication sont aussi essentiels que les spécifications de conception. Dans le cadre de cette application, EMCO a été sollicité pour fabriquer un jeu d’engrenages coniques pour un client dont le fournisseur précédent avait cessé la production des pièces. EMCO a accepté à une condition : que ce jeu d’engrenages soit réalisé selon une approche de fabrication moderne.
Un jeu d’engrenages coniques à 60 degrés
Le jeu d’engrenages est utilisé dans un ensemble PTO (prise de force). En général, les applications d’engrenages coniques assurent une transmission de puissance à 90 degrés, mais ce projet nécessitait une conception à 60 degrés. Cette différence influence la géométrie des engrenages, le taux de recouvrement (contact ratio) ainsi que le procédé de fabrication nécessaire pour atteindre ces objectifs.
Les modifications du profil, de la position ou de la stabilité des éléments du jeu d’engrenages se traduisent rapidement par du bruit, de la chaleur, de l’usure ou une défaillance prématurée. Avec une marge d’erreur très faible, la répétabilité est essentielle.
L’engrenage est fabriqué en SAE 9310 / 14NiCrMo 13-4 (1.6657), un acier allié à forte teneur en nickel et en chrome offrant une bonne résistance mécanique et une excellente trempabilité. Après cémentation, l’engrenage présente une surface durcie tandis que le cœur reste tenace. Cela permet d’obtenir une combinaison de dureté en surface et de résistance interne adaptée à des cycles de service exigeants.
Au-delà des limites des procédés traditionnels d’engrenages coniques
Une fois le diamètre de l’outil de coupe sélectionné, le développement est souvent limité par cet outil spécifique. EMCO avait un objectif différent. L’équipe souhaitait la liberté de concevoir la forme de dent requise, puis de la produire sur une machine cinq axes avec un outil capable d’usiner les deux flancs du profil de dent en une seule passe. La solution obtenue repose sur un outil de fraisage pour engrenages coniques spécialement développé pour la stratégie cinq axes d’EMCO. « Par le passé », explique Wolfe, « il fallait utiliser quatre outils spéciaux. Aujourd’hui, nous pouvons obtenir le profil de dent avec un seul outil spécifique. » La mise en œuvre a été rapide, car HORN connaissait déjà l’interface de broche d’EMCO sur la machine cinq axes DMG. Pour les plaquettes indexables, HORN est parti d’une géométrie de profil éprouvée, puis a adapté le profil afin d’obtenir l’arête de coupe requise.
Le flux de travail chez EMCO combine la conception, la production et la métrologie. L’équipe fraise les engrenages, vérifie la topographie sur une MMT Zeiss (machine à mesurer tridimensionnelle) et met à jour le programme si nécessaire. L’avantage de cette approche est qu’il est possible d’effectuer des ajustements dimensionnels des dents sans changer d’outil.
De 8 heures à 15 minutes
Avant l’introduction de la fraise HORN, les engrenages hélicoïdaux étaient réalisés avec de petites fraises en bout et des paramètres de coupe conservateurs, ce qui entraînait un temps d’usinage d’environ 8 heures par pièce.
Avec le nouveau procédé, l’usinage des dents ne prend désormais plus qu’environ 15 minutes, suivi de la métrologie et, si nécessaire, de la mise à jour du programme. Wolfe souligne que la mise en œuvre repose sur des paramètres de départ réalistes. Il décrit les conditions de coupe recommandées par HORN comme pratiques et précises, ce qui contribue à une production stable.
Système de brochage de rainures en fonctionnement
En plus de la taille des engrenages coniques, EMCO s’est également concentré sur le brochage de rainures. Afin d’assurer un flux de production continu, EMCO a intégré l’opération de brochage directement sur le tour à l’aide du système HORN N117. Wolfe décrit le nouveau procédé : « Au lieu d’attendre la fin d’un lot, les pièces passent du tournage aux opérations suivantes dans un flux beaucoup plus régulier. Une plaquette spéciale est utilisée. Nous voulions des rayons d’angle spécifiques pour augmenter la résistance, et HORN a adapté en conséquence la géométrie de l’arête de coupe. »
Wolfe et Bruce Williams, responsable du développement produit chez EMCO, décrivent tous deux la collaboration avec HORN comme orientée solutions et très réactive. Wolfe souligne la rapidité des échanges entre le contact commercial et le support technique, ce qui a permis de clarifier rapidement les détails liés à la conception des outils. Williams explique qu’EMCO peut définir la manière dont une pièce doit être usinée, mais que l’avantage réside dans le fait de disposer d’un partenaire outillage capable de traduire une exigence spécifique en une solution concrète et rapidement exploitable. Le résultat constitue un avantage concurrentiel clair, permettant à EMCO de mettre le produit fini sur le marché plus rapidement.
Résultat positif
En combinant l’usinage cinq axes, la mesure topographique basée sur les systèmes Zeiss, la métrologie des surfaces et le portefeuille de produits HORN, EMCO dispose désormais d’un procédé de fabrication d’engrenages coniques plus rapide à développer, plus simple à exploiter et mieux adapté aux exigences réelles de production. Pour EMCO, cela se traduit par un meilleur engrènement des engrenages, un fonctionnement plus silencieux, une durée de vie plus longue et une fabrication simplifiée, tout en respectant les objectifs de coûts dans un marché en évolution.