Bonnes pratiques pour la presse

Dans cette application, un ensemble de piston est chargé dans la fixation avant l'insertion de la goupille. Les blocs d'espacement à droite permettent différentes hauteurs et tailles de piston. Photo publiée avec l'aimable autorisation de BalTec Corp.

L'emmanchement est utilisé pour les petites et grandes pièces. Ici, des goujons sont insérés dans un moyeu de roue de chariot élévateur. Photo publiée avec l'aimable autorisation de FEC Automation Systems

Les constructeurs automobiles utilisent fréquemment l'assemblage par emmanchement. Cette unité emboîte par pression un composant dans un disque de frein. Photo publiée avec l'aimable autorisation de Kistler Instrument Corp.

Dans le secteur manufacturier, les formules à toute épreuve pour réussir sont difficiles à trouver. Ceci est particulièrement pertinent pour l'assemblage par ajustement serré, un processus par lequel une pièce est insérée fermement dans un trou d'une autre pièce en un seul coup rapide (1 à 2 secondes). Les ingénieurs de conception utilisent de nombreuses formules pour estimer la force requise et les pressions et contraintes associées pour chaque application d'ajustement serré. Cependant, ces calculs ne peuvent jamais remplacer les tests de laboratoire dans le monde réel ou les essais et erreurs sur la chaîne de production.

"Les formules peuvent fournir un point de départ dans le processus de conception de pièces pour l'ajustement serré, mais elles ne tiennent pas compte des nombreuses variables qui entrent en jeu lors de l'assemblage", explique Chuck Rupprecht, directeur général de BalTec Corp. "Des facteurs tels qu'une qualité de matériau incohérente, des finitions de surface différentes et l'humidité ambiante peuvent entraîner des calculs très erronés. La vérité est que vous devez installer des pièces réelles pour déterminer les exigences de matériau et de force appropriées pour une application."

BalTec propose plusieurs presses manuelles, pneumatiques et hydropneumatiques pour l'emmanchement à la presse. Les clients comprennent des fabricants automobiles, médicaux et industriels tels que des fabricants de composants HVAC. Une dernière société a récemment demandé à BalTec de personnaliser deux presses pneumatiques DA-850 afin qu'elles puissent insérer des goupilles dans 40 pistons de hauteurs différentes pour la remise à neuf des compresseurs HVAC.

Chaque presse à action directe comporte un vérin qui produit jusqu'à 8,5 kilonewtons de force et une course jusqu'à 80 millimètres. L'outillage supérieur de la presse est capable d'insérer des goupilles dans des pistons de toutes hauteurs, tandis que son montage est doté de blocs d'espacement à changement rapide qui s'adaptent aux variations de hauteur. Un dispositif de serrage pneumatique maintient le piston en place pendant l'insertion de la goupille. La surveillance de la force et de la distance déclenche un message sonore et visuel pour indiquer si le processus spécifique est OK ou non.

Les pistons sont de bons candidats pour l'assemblage par ajustement serré, ainsi que de nombreux autres types de pièces : roulements, rotors, engrenages, bagues d'arbre et bagues. Les principales raisons pour lesquelles les fabricants préfèrent ce processus sont qu'il est simple et relativement peu coûteux. L'attrait supplémentaire du press-fit est qu'il peut être réalisé avec plusieurs types de presses, sur des pièces de formes, de tailles et de matériaux différents.

"Lors de la conception d'une pièce pour un ajustement serré, les ingénieurs doivent se concentrer sur une question : quelle est la fonction de la pièce dans l'assemblage ?" déclare Hiroyuki Natsume, responsable de l'équipe systèmes de la division IPC chez Kistler Instrument Corp. "Cette question doit être soulignée dans tous les aspects de la conception de pièces, que l'assemblage soit simple ou complexe."

Le premier facteur de conception est la taille. L'assemblage par ajustement serré implique l'insertion d'une pièce légèrement plus grande que le trou correspondant. L'ensemble reste en place grâce au frottement et à la force des deux pièces qui se poussent l'une contre l'autre. La taille de la pièce insérée par rapport au trou variera, bien qu'elle soit généralement comprise entre 0,0005 et 0,002 pouce.

Mike Brieschke, vice-président des ventes chez Aries Engineering, explique qu'une cheville métallique de 0,25 pouce de diamètre qui est ajustée par pression dans un trou en acier doux a généralement une interférence de ± 0,0015 pouce. Les pièces des assemblages non critiques ont tendance à avoir des tolérances plus lâches.

"En règle générale, plus le diamètre d'un roulement, d'une douille ou d'une goupille est grand, plus la plage de tolérance est grande", souligne Brieschke. "L'inverse est vrai pour les pièces de plus petit diamètre."

Brieschke dit qu'un roulement de 2 pouces de diamètre qui est pressé sur un arbre métallique, par exemple, pourrait avoir une plage de tolérance de 0,001 à 0,01 pouce en raison du diamètre relatif plus grand des deux pièces. En revanche, les roulements plus petits utilisés pour les pièces automobiles, comme les carters de transmission et les composants de moteur, ont souvent une plage de tolérance de quelques microns seulement.

Concernant la forme, la plupart des pièces à emboîter sont rondes, mais elles peuvent aussi être ovales, carrées, rectangulaires ou triangulaires. Les pièces insérées peuvent être pleines ou creuses. Keith Lowery, spécialiste des produits de servopresse chez FEC Automation Systems, note que les pièces non rondes peuvent nécessiter une étape supplémentaire pour assurer une orientation correcte, ce qui entraîne des temps de cycle plus longs. Les grandes pièces nécessitent une presse qui fournit une force plus élevée et plus constante et un accès suffisant aux pièces.

L'alignement des pièces est tout aussi important pour un bon assemblage par ajustement serré, selon Natsume. Il dit que la meilleure façon d'éviter le désalignement est d'utiliser le bon outillage et le bon montage.

Pour améliorer la résistance des joints, les bords des pièces peuvent être conçus avec des indentations ou des saillies. Lowery dit que les moletages permettent à la pièce insérée de mordre dans la pièce d'accouplement et aident à empêcher le joint de bouger lorsqu'il est exposé à des forces de couple élevées. Dans les assemblages plastiques et électroniques, des rainures ou des barbes sur la pièce d'accouplement aident à empêcher le joint de se séparer.

Les pièces à ajustement serré sont en métal, en plastique ou en caoutchouc, et des pièces de matériaux similaires ou différents peuvent être assemblées. Lorsqu'ils sont différents, les ingénieurs doivent choisir des matériaux ayant des coefficients de dilatation thermique similaires, mais des degrés de dureté différents.

"Le meilleur scénario est lorsque les deux pièces sont faites du même matériau et de la même dureté", explique John Lytle, responsable de l'ingénierie chez Promess Inc. "Le pire, c'est lorsqu'un matériau est beaucoup plus dur que l'autre."

À titre d'exemple, Lytle cite le pressage d'une bague en caoutchouc recouverte d'acier dans des composants de direction de bras de commande en aluminium pour véhicules. Des forces d'emmanchement très élevées sont nécessaires lorsqu'une pièce est en acier et une en aluminium.

Lowery dit que, lorsque les ajustements serrés sont soumis à de grands changements de température, il est important de choisir des matériaux avec des coefficients de dilatation thermique similaires. Ne pas le faire lors du montage serré d'un roulement en acier dans un boîtier en aluminium, par exemple, pourrait entraîner la dilatation de ce dernier plus que l'acier et la chute du roulement.

Selon Rupprecht, les métaux moulés sous pression et les plastiques renforcés de fibres de verre sont des matériaux fragiles et doivent être ajustés avec la force exacte. Presser une pièce dure dans une pièce en aluminium ou en plastique à paroi mince avec trop de force peut facilement défigurer la pièce d'accouplement. Des bavures ou des particules sur la pièce insérée peuvent également causer des dommages.

D'autres types de plastiques ont également des limites. Le polycarbonate quelque peu flexible n'est pas recommandé pour les moyeux d'arbre car il ne tolère pas les contraintes circonférentielles excessives. Les plastiques plus flexibles, tels que le nylon, l'ABS et le polyuréthane thermoplastique, peuvent mieux gérer cette contrainte, mais peuvent présenter une relaxation plus importante au fil du temps.

"L'industrie automobile utilise de plus en plus des pièces faites de matériaux plus légers pour réduire le poids des véhicules, et ce changement a conduit à une augmentation des applications d'ajustement serré pour éliminer les fixations", explique Natsume. "Parfois, cela nécessite l'insertion de pièces en plastique ou en métal dans celles en plastique renforcé de fibres de carbone, telles que les ailes de spoiler arrière et d'autres composants extérieurs et intérieurs."

Les pièces à ajustement serré ne vont pas toujours bien ensemble. Lorsque cela se produit, les fabricants ont plusieurs options pour résoudre le problème. L'une consiste à placer un cône sur la pièce insérée et un chanfrein sur la pièce d'accouplement. Une autre consiste à appliquer une lubrification, qui empêche les marques et le grippage (usure entre les surfaces de glissement) sur les pièces dures et le mouvement de glissement (secousses) de l'une ou l'autre des pièces. Il réduit également la force d'insertion requise pour empêcher la déviation de la pièce. Lytle dit que les bagues en caoutchouc qui sont pressées dans le métal sont un bon candidat pour une petite quantité de lubrification, tout comme les guides de soupape en acier ou en titane qui sont pressés dans une culasse en aluminium.

Selon Lowery, la lubrification est fréquemment utilisée dans l'ajustement serré des broches de conformité dans les circuits imprimés pour réduire les contraintes sur la carte dues à une force de pression excessive. Il dit qu'une légère pulvérisation de lubrification est utilisée dans ces applications.

Alors que les goupilles peuvent ou non nécessiter une petite quantité de lubrification, d'autres pièces ont besoin d'une quantité plus importante pour permettre un bon ajustement serré, affirme Brieschke. Les bagues larges et longues, par exemple, doivent être lubrifiées tout autour pour les aider à s'insérer en douceur dans les manchons respectifs. Aries propose un plateau de lubrification en option avec ses servo-actionneurs qui applique automatiquement le lubrifiant sur les bagues et les roulements avant le pressage.

Bien que la grande majorité des ajustements serrés soient suffisamment solides pour se tenir seuls, certains joints nécessitent un collage. L'adhésif scelle complètement le joint, empêche la corrosion et répartit les contraintes de manière plus uniforme. Cela permet également aux ingénieurs d'assouplir les exigences de tolérance pour les pièces et de réduire leur encombrement, ce qui est nécessaire pour générer la pression qui maintient les pièces ensemble.

L'utilisation d'un adhésif présente cependant un inconvénient : il augmente considérablement la force nécessaire pour assembler les pièces. En conséquence, les assembleurs peuvent avoir besoin d'augmenter la force de la presse ou la vitesse du vérin.

"Je ne vois pas souvent d'adhésifs utilisés dans l'assemblage par ajustement serré", déclare Dave Zabrosky, directeur des ventes de Schmidt Technology. "Mais quand je l'ai, c'est pour mieux maintenir ensemble deux matériaux dissemblables qui ont des coefficients de dilatation thermique différents."

Des servo-presses manuelles, pneumatiques, hydropneumatiques et électriques peuvent être utilisées pour assembler des emmanchements. Zabrosky dit que les presses manuelles sont relativement peu coûteuses, permettent un montage simple des pièces et peuvent être équipées d'une surveillance force-distance. Leurs points négatifs sont une faible production et une mauvaise ergonomie pour l'assembleur.

Les presses pneumatiques offrent plus de cohérence dans la force appliquée et la vitesse du vérin qu'un modèle manuel, mais n'ont pas le contrôle et la programmabilité d'un servo. De plus, note Zabrosky, la production d'air coûte cher. Une presse hydropneumatique génère sa force maximale sur une petite distance, ce qui en fait un bon choix pour les applications à force élevée nécessitant des courses de puissance courtes.

"Sans aucun doute, les servos offrent le contrôle le plus précis de la position et de la vitesse du vérin pour la précision et la répétabilité", déclare Zabrosky. "Cependant, si un haut niveau de précision n'est pas nécessaire, je recommanderais à l'entreprise d'utiliser une presse manuelle ou pneumatique à la place, car elles sont moins chères et nécessitent moins d'entretien."

Un assemblage à grand volume est nécessaire pour justifier le coût initial plus élevé du servo, confirme Lowery. Les autres avantages de la servo-presse incluent la flexibilité pour les opérations à mixité élevée, l'efficacité énergétique, le fonctionnement silencieux et un encombrement relativement réduit.

Plusieurs facteurs déterminent la force nécessaire pour presser les pièces ensemble. La taille, l'épaisseur et la géométrie des pièces sont importantes, ainsi que la dureté, la glissance et la finition de surface du matériau du composant. De plus, les concepteurs doivent connaître la quantité exacte d'interférence entre les pièces (c'est-à-dire la différence de taille entre la pièce insérée et le trou) et la longueur de l'ajustement serré.

Parmi les plus grands utilisateurs d'ajustements serrés figurent les fabricants qui assemblent des produits automobiles, médicaux, électroménagers, solaires et de consommation. Des exemples de produits automobiles qui nécessitent une force de pression élevée, moyenne et faible, selon Lytle, sont une insertion de tube d'essieu (250 kilonewtons), un guide de soupape dans une culasse (20 kilonewtons) et un stator de moteur sur un arbre (300 newtons).

"Les fabricants disent souvent qu'ils ont besoin d'un facteur de sécurité de 20 % pour les presses utilisées dans l'assemblage par ajustement serré", explique Zabrosky. "Mais, nos tests de pièces indiquent que 50% est plus approprié."

Un autre outil qui améliore considérablement l'assemblage par ajustement serré est la surveillance de la force et de la distance (déplacement), explique Zabrosky. Le capteur de force est installé entre le cylindre et le vérin et mesure la force produite pendant tout le cycle d'assemblage.

Le capteur de distance (ou transducteur) est positionné à proximité du capteur de force afin que le contrôleur de la presse puisse afficher des courbes de force sur la distance ou de force sur le temps. Grâce au contrôleur, les ingénieurs peuvent également définir des limites supérieures et inférieures pour la force de pression. S'il tombe au-dessus ou au-dessous du chiffre réglé, une alarme est signalée.

« La surveillance de la force et de la distance est un excellent moyen d'obtenir des informations précieuses sur la qualité des pièces et de l'assemblage, à condition que le châssis de la presse soit correctement conçu », conclut Brieschke. "Si le cadre dévie trop, la courbe force-distance résultante sera faussée par rapport aux résultats réels. La meilleure façon d'empêcher la déviation est de concevoir suffisamment de résistance dans la conception du cadre ou d'utiliser des renforts."

Jim est rédacteur en chef de ASSEMBLY et possède plus de 30 ans d'expérience éditoriale. Avant de rejoindre ASSEMBLY, Camillo était rédacteur en chef de PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal et Milling Journal. Jim a un diplôme d'anglais de l'Université DePaul.