Pourquoi l'acier à froid est-il largement utilisé dans la fabrication de machines de construction ?

Précision dimensionnelle et finition de surface : l'avantage de l'acier à froid pour les assemblages à haute fiabilité

Pas besoin d'ajustements d'assemblage pour les vérins hydrauliques et les biellettes de flèche grâce à des tolérances de ±0,05 mm

La caractéristique principale de l'acier à froid est sa précision allant jusqu'à ±0,05 mm. Cela signifie que des composants tels que les biellettes de flèche et les vérins hydrauliques peuvent être assemblés facilement, sans usinage supplémentaire requis. Cette précision élimine également les ajustements d’ajustage habituellement nécessaires, ce qui permet de gagner environ 15 à 20 % du temps consacré à l’assemblage des engins de chantier. Lorsque les tiges des vérins et les axes des biellettes présentent des tolérances dimensionnelles identiques, les joints d’étanchéité s’installent correctement et aucun fluide hydraulique ne peut s’échapper à travers les surfaces de joint sous une pression de 5 000 psi. Les points de pivotement de la flèche sont également plus concentriques et répartissent uniformément la charge sur les roulements, ce qui évite une usure prématurée des roulements due à des charges inégales réduites. Les avantages de l’acier à froid se distinguent nettement de ceux de l’acier laminé à chaud. Les composants laminés à chaud sont généralement si peu précis que les fabricants doivent les rectifier ou les aléser. Le tréfilage à froid est une technique unique, car c’est la seule méthode pouvant être réalisée à température ambiante : les grains métalliques sont simplement déplacés vers la position souhaitée, sans recourir aux déformations caractéristiques des traitements thermiques.

Les surfaces obtenues par étirage à froid offrent une plus grande longévité pour les tiges et les douilles : (la durée de vie des pièces glissantes, par exemple les tiges de guidage et les douilles, est prolongée grâce à la finition lisse des produits étirés à froid (Ra ≤ 0,8 µm) et l’usure superficielle est réduite en raison de cette finition lisse des produits étirés à froid)

En complément de la contribution de la finition de surface à la résistance à l’usure contre les surfaces de contact glissantes, par exemple les joints d’étanchéité, ce qui réduit le frottement (tiges de guidage) et diminue l’usure des douilles, prolongeant ainsi la durée de vie des douilles dans des environnements opérationnels extrêmes (les douilles présentant une finition de surface inférieure à 0,8 µm ont une durée de vie trois fois supérieure à celle des douilles dont la finition de surface dépasse 0,8 µm), dans les composants mécaniques soumis à des sollicitations répétitives des pelles hydrauliques, c’est-à-dire les articulations du bras, où une finition de surface inférieure à 5 microns est absolument indispensable pour assurer un fonctionnement fluide.

Les tubes de flèche à tirage à froid ont accumulé plus de 10 000 heures de fonctionnement sur le terrain, et les tubes télescopiques de flèche à tirage à froid ont duré près de 2,3 fois plus longtemps que les tubes de flèche usinés lors des essais sur le terrain. Pourquoi observe-t-on une telle différence marquée entre les taux d’usure ? La surface écrouie des tubes de flèche à tirage à froid est environ 25 % plus dure que le matériau brut des tubes de flèche.

Avantages du tirage à froid : résistance mécanique, dureté et résistance à la fatigue améliorées

L’écrouissage à froid augmente la limite élastique de 40 % par rapport à l’acier laminé à chaud, ce qui est essentiel pour les arbres et les axes supportant des charges

Le procédé de tréfilage à froid modifie la structure interne de l’acier, au niveau microscopique, en créant une pression contrôlée qui déforme plastiquement l’acier. Ce procédé renforce également l’acier par rapport à l’acier laminé à chaud, permettant une augmentation de 20 % à 40 % de la limite élastique. Ce type de résistance est essentiel dans la fabrication des tiges hydrauliques et des axes de pivotement. Le tréfilage à froid génère également des dislocations internes et, bien qu’il conserve les dimensions du matériau, augmente sa résistance. Les matériaux soumis au tréfilage à froid présentent les propriétés suivantes : résistance à la déformation permanente sous flexion, meilleure résistance à l’usure et au frottement, ainsi que fiabilité dans les systèmes de flèche hydraulique et dans les systèmes de châssis. La résistance supplémentaire conférée par les matériaux trempés à froid permet également aux ingénieurs de concevoir des composants plus légers sans compromettre la sécurité. Cela revêt une importance particulière dans les systèmes où les composants sont conçus pour céder de manière contrôlée.

Équilibrer la ductilité et la résistance : rapports optimaux de réduction à froid pour des applications exigeantes, telles que les arbres de pignon

Atteindre l'équilibre idéal entre ductilité et résistance dépend d'une maîtrise parfaite du procédé de laminage à froid. L'acier de construction convient idéalement à un laminage à froid compris entre 15 % et 30 %. Un taux supérieur risque de rendre l'acier fragile et susceptible de se fissurer sous contrainte, tandis qu'un taux inférieur ne conférerait pas suffisamment de résistance pour supporter des charges élevées. Lors du traitement des arbres de pignon destinés à la transmission de couple dans les excavatrices à entraînement oscillant, un traitement approprié est requis afin d'atteindre une résistance à la fatigue de 500 MPa pour 10 millions de cycles, conformément à l'essai normalisé sur poutre tournante. Nous exigeons également une ténacité au choc comprise entre 40 et 60 joules à -20 °C, afin d'éviter tout problème lié à l'impact à basse température. Nous visons également une dureté uniforme dans toute la masse du matériau : pour un acier résistant, l’écart maximal de dureté entre les deux faces d’une section transversale ne doit pas excéder 5 HRC. L’ensemble de ces critères permet à la pièce de résister aux chocs générés par le creusement des excavatrices et d’éviter l’apparition de fissures. Des essais sur le terrain précis ont prouvé que cette approche constitue un véritable tournant, allongeant les intervalles de maintenance requis de 30 % par rapport aux pièces standard obtenues par formage à chaud. Principales utilisations de l’acier tiré à froid dans les systèmes de machines de construction

Pièces structurelles et rotatives : axes de godet, essieux de galets de chenille, tubes de flèche télescopique et rotules de direction

L'acier tiré à froid est utilisé pour presque tous les composants des machines de construction, car il présente une stabilité dimensionnelle élevée et une meilleure résistance à la fatigue que d'autres matériaux. Par exemple, les axes de godet subissent des cycles de contraintes environnementales très sévères. Ces axes doivent également présenter une dureté superficielle d'au moins 45 HRC. Pour les axes de galets de chenille, les fabricants exigent des sections transversales uniformes et des tolérances de 0,05 mm afin que l'ensemble reste parfaitement aligné sur des terrains accidentés. La microstructure écrouie formée au cours du procédé de tréfilage à froid augmente la résistance des tubes de flèche télescopique, leur permettant de supporter la pression moyenne d'effondrement hydraulique. Les rotules de direction doivent également présenter une limite élastique 20 à 40 % supérieure à celle de l'acier laminé à chaud standard afin de résister aux efforts de torsion exercés sur l'axe de pivotement. Globalement, plus les composants sont fiables, moins la machine risque de tomber en panne. En effet, les douilles durcies utilisées dans plusieurs liaisons présentent une durée de vie environ 30 % supérieure aux intervalles opérationnels moyens, ce qui réduit globalement les coûts de maintenance et les temps d'arrêt.

Avantages en matière de coûts et d’efficacité : comment l’acier tiré à froid permet de réaliser des économies sur l’usinage et les services sur site

L’acier tiré à froid permet de réaliser des économies tant en fabrication qu’en exploitation sur site, lorsque les machines sont en service. Comme le matériau est proche de sa forme finale, il nécessite moins d’opérations ultérieures, et ses surfaces présentent une finition lisse allant jusqu’à Ra 0,8 micromètre, ce qui est meilleur que la valeur couramment indiquée de 1,6. Cette finition réduit le temps d’usinage de 15 % à 30 % par rapport à celui requis pour l’acier laminé à chaud classique. Les fabricants usinant des composants tels que des tiges hydrauliques ou des arbres de pivotement n’auront plus besoin d’effectuer un dégrossissage suivi de plusieurs passes de meulage. Moins de meulage signifie moins d’électricité consommée et une usure moindre des outils.

Les profilés tirés à froid présentent une bonne efficacité de production, attestée par une réduction de 22 % du nombre de pièces rejetées lors de la fabrication de pièces dont les tolérances sont d’environ ±0,05 mm. Les pièces en acier des machines de production qui contiennent une forte proportion d’acier tiré à froid, comme les grands pivots de flèche, connaissent une incidence moindre de défaillances, un rapport indiquant une diminution de 40 % de la fréquence des défaillances prématurées. Quelle en est la raison ? La structure microscopique de l’acier évolue au cours du procédé de tréfilage à froid, ce qui augmente sa résistance à la déformation plastique sous sollicitation cyclique. Ces améliorations se traduisent par une réduction des coûts liés aux pièces de rechange, ce qui accroît l’efficacité économique opérationnelle de la machine.

Questions les plus fréquemment posées

Quels sont les avantages de l’acier tiré à froid ?

L’acier tiré à froid offre une résistance et une dureté élevées, ainsi qu’une usinabilité améliorée grâce à une réduction du temps d’usinage et des déchets, et à une meilleure finition de surface qui diminue les frottements.

En quoi l’acier à froid améliore-t-il les vérins hydrauliques et les biellettes de flèche ?

L’acier à froid améliore la fiabilité et la longévité des vérins hydrauliques et des biellettes de flèche en éliminant le besoin d’ajustements d’assemblage et en assurant un meilleur contact entre les joints hydrauliques et les roulements des biellettes de flèche.

Quelle est l’importance de la finition de surface sur les éléments glissants ?

La finition de surface augmente la durée de service des tiges de guidage, des douilles et autres composants soumis à l’usure en réduisant le frottement de glissement, ce qui diminue également la probabilité de concentrations de contraintes pouvant entraîner une défaillance structurelle.

Quel est l’avantage du durcissement à froid sur l’acier ?

Grâce au durcissement à froid, la limite élastique de l’acier augmente de 20 à 40 %, ce qui permet aux composants en acier de supporter des contraintes plus élevées, une sollicitation plus sévère et une durée de service accrue dans les applications impliquant des déformations statiques ou dynamiques.

Où utilise-t-on l’acier à froid dans les machines de construction ?

En raison de sa construction supérieure et de sa résistance à la fatigue, l’acier tiré à froid est utilisé dans des éléments structurels fixes et mobiles, tels que les goupilles de godet, les goupilles d’essieu, les tubes de segment de flèche et les rotules de direction.