Réparation d'un arbre usé sans soudure : reconstruire à froid portées, logements de roulement et rainures de clavette

Ce que signifie vraiment une portée de roulement usée

Un arbre usé ou un logement de roulement ovalisé se reconstruit à froid : la portée est préparée jusqu'au métal propre et rugueux, rechargée à la pâte époxy chargée métal, puis usinée à la cote ou moulée directement contre un roulement ou un mandrin enduit d'agent de démoulage. Sans soudure, donc sans déformation thermique de l'arbre ni modification de sa métallurgie.

Un roulement tient par ses ajustements : la bague intérieure sur la portée de l'arbre, la bague extérieure dans l'alésage du logement, chacune avec un serrage que le fabricant de roulements prescrit selon la charge, la vitesse et la bague qui tourne. Quand un ajustement est perdu, la bague se met à bouger sur sa portée — micro-déplacements et corrosion de contact d'abord, puis bague qui tourne sur l'arbre ou dans le logement, et enfin une portée sous-dimensionnée, ovalisée ou rayée. Un roulement neuf n'y tiendra pas.

C'est la même chose pour une rainure de clavette martelée par une clavette lâche, une portée de joint statique qui ne retient plus un joint torique ou le diamètre extérieur d'un joint à lèvre, ou l'alésage d'un moyeu d'accouplement : il s'agit de rétablir la géométrie d'un ajustement sans affaiblir la pièce.

Diagnostic : mesurer d'abord, trouver la cause ensuite

Mesurer le dommage

L'arbre se mesure au micromètre d'extérieur à plusieurs positions le long de la portée et, à chaque position, dans au moins deux directions à angle droit. L'écart entre directions donne l'ovalisation ; l'écart le long de la portée révèle une conicité ou un épaulement creusé par le roulement. Le faux-rond se vérifie au comparateur, arbre entre pointes ou sur des vés, pour distinguer une portée usée d'un arbre faussé. L'alésage du logement se mesure de même à l'alésomètre, dans deux directions et aux deux extrémités.

Les lectures sont comparées à l'ajustement prescrit par le fabricant de roulements. Les catalogues donnent les tolérances d'arbre et de logement en classes ISO 286 (par exemple k5 ou m6 pour une portée d'arbre, H7 ou J7 pour un alésage), choisies selon la charge et le type de roulement. Les limites chiffrées pour un diamètre donné viennent des tableaux de l'ISO 286 ou du fabricant, et servent de critère d'acceptation de la réparation.

Avant toute reconstruction, un arbre qui a chauffé, grippé ou vibré est contrôlé pour les fissures par magnétoscopie ou ressuage, surtout aux épaulements, aux congés et aux extrémités de rainure de clavette.

Lire le faciès d'usure

L'aspect de la portée indique généralement le mécanisme :

• Corrosion de contact (fretting) — oxyde brun-rouge ou noir sur la portée, dû à des micro-glissements dans un ajustement un peu lâche ou une pièce qui vibre. L'oxyde, abrasif, accélère l'usure.
• Bague qui tourne — portée polie, rayée ou striée, parfois bleuie.
• Usure asymétrique — portée plus usée d'un côté ou à une extrémité, ou alésage ovalisé : signe de désalignement, d'arbre faussé, de logement déformé par une assise inégale ou un pied boiteux, ou de charges excessives de courroie ou d'accouplement.
• Corrosion — piqûres ou perte de métal dues à un milieu humide ou à un joint défaillant.

Traiter la cause

Une reconstruction qui rétablit l'ajustement d'origine lâchera de la même façon si la cause est toujours là. Le désalignement se corrige par l'alignement, le pied boiteux à l'assise, une mauvaise classe d'ajustement selon la recommandation du fabricant de roulements, et une défaillance de joint par le joint. Savoir si l'équipement vaut la peine d'être réparé est traité dans réparer ou remplacer un équipement industriel.

Les options de réparation comparées

Le choix dépend du dommage, du service et de la possibilité de sortir la pièce de l'usine.

Le collage à froid et le rechargement par soudure sont comparés en détail dans collage à froid ou soudure. Pour un arbre, le point décisif est la déformation : souder une pièce longue et élancée chauffe un côté, et le retrait au refroidissement peut la fausser. Les aciers d'arbre mi-durs et alliés risquent aussi de fissurer en zone affectée thermiquement sans mode opératoire qualifié. La reconstruction à froid évite les deux, au prix d'une surface polymère plutôt que métallurgique.

Si la pièce n'a pas de plan et qu'on la remplace, l'arbre usé et le logement donnent encore les cotes d'interface : voir la rétro-conception d'une pièce sans plans.

Deux façons de rétablir l'ajustement à l'époxy

Méthode 1 : recharger en surépaisseur, puis usiner

La portée usée est rechargée légèrement au-dessus de la cote avec un époxy chargé métal usinable puis, après cure, tournée au tour (arbre) ou alésée (logement) à la classe de tolérance prescrite. C'est la méthode à privilégier quand l'ajustement doit être tenu serré ou que plusieurs portées d'un même arbre doivent rester concentriques. Elle demande un tour ou un montage d'alésage.

Méthode 2 : mouler contre le roulement ou un mandrin

Pour les logements de roulement, et pour bien des réparations en place, l'ajustement est moulé plutôt qu'usiné. Le roulement neuf — ou un mandrin tourné au bon diamètre — est enduit d'agent de démoulage et sert d'outil de formage. La pâte est appliquée dans l'alésage préparé, le roulement ou le mandrin est positionné sur son axe, et la pâte durcit autour. L'arbre et le second roulement servent souvent à centrer la pièce de formage, pour que l'alésage reconstruit s'aligne sur l'entraînement et non sur la géométrie usée. Après cure, le mandrin est retiré, ou le roulement est démonté, nettoyé et remonté.

Le même principe s'applique aux rainures de clavette : la rainure est remplie, une clavette enduite d'agent de démoulage est mise en place pour former les flancs, et la pâte durcit autour. Une rainure très endommagée peut aussi être remplie et une nouvelle taillée à une autre position angulaire, si la conception le permet.

Le moulage ne demande aucune machine-outil, mais il n'est pas plus précis que le mandrin et le centrage — l'équivalent en place du formage à la plaque utilisé pour les faces de bride réparées sans usinage.

Préparation de surface, épaisseur, mûrissement et contrôle dimensionnel

Nettoyage. Arbres et logements en fonte sont imprégnés d'huile. La portée est dégraissée avec un solvant sans résidu ; sur la fonte, réchauffer doucement la pièce pour faire ressortir l'huile des pores, puis nettoyer de nouveau, est courant. Toute huile restée dans le métal est un futur décollement.

Profil et accrochage. La portée est sablée ou abrasée mécaniquement jusqu'au métal brillant avec un profil d'ancrage grossier et anguleux. Sur un arbre, la zone usée est souvent légèrement chambrée à profondeur uniforme avec un fini fileté rugueux, ce qui donne une épaisseur de pâte régulière et un accrochage mécanique, et enlève le métal marqué par le fretting. On évite les arêtes vives aux extrémités.

Épaisseur. Les épaisseurs minimale et maximale, et l'application en une passe, figurent sur la fiche technique. Une couche trop mince peut ne pas résister à l'usinage.

Application. La pâte est malaxée par unités complètes et appliquée pendant sa vie en pot, pressée fermement dans le profil pour chasser l'air, puis montée à la surépaisseur voulue ou sur la pièce de formage.

Mûrissement. La pâte doit atteindre l'état de cure indiqué sur la fiche technique avant l'usinage et la remise en charge. La cure est plus lente au froid ; un apport de chaleur contrôlé est possible si la fiche le permet. Redémarrer la machine sur une réparation partiellement durcie est un échec évitable.

Contrôle dimensionnel. La portée finie est mesurée comme la portée usée — plusieurs positions, deux directions — et consignée contre la classe de tolérance, avec une nouvelle vérification du faux-rond sur un arbre usiné.

Les limites : quand l'époxy n'est pas la bonne réponse

Une reconstruction à froid rétablit la géométrie d'un ajustement, pas la résistance. Elle est à exclure, ou à soumettre à une décision d'ingénierie, dans ces cas :

• Arbre fissuré. Une fissure détectée à l'inspection exclut une reconstruction de surface. L'arbre est remplacé ou réparé selon une procédure d'ingénierie.
• Perte de section significative. Si l'usure, la corrosion ou un chambrage antérieur ont réduit le diamètre au point de toucher la résistance en torsion ou en flexion, remplir la portée cache le problème. La section restante est évaluée par un ingénieur.
• Vitesse, charge, chocs ou température élevés. Ajustements serrés fortement chargés, couple à-coups dans une rainure de clavette, vitesses périphériques élevées et températures de service proches de la limite du produit se vérifient sur la fiche technique et se décident cas par cas.
• Surfaces de glissement. L'époxy reconstruit des surfaces ajustées et statiques. Une portée de palier lisse ou la piste d'un joint à lèvre est un contact glissant, que le guide de réparation de pompe centrifuge exclut aussi du domaine de l'époxy ; on utilise normalement un manchon d'usure, la métallisation ou l'usinage, sauf si la fiche technique d'un produit couvre précisément ce service.

Questions fréquentes

Peut-on réparer un logement de roulement ovalisé sans réalésage en ligne ? Oui, quand l'usure est modérée et que le logement n'est pas fissuré. L'alésage est reconstruit à l'époxy chargé métal moulé autour du roulement ou d'un mandrin enduit d'agent de démoulage, centré sur l'axe de l'arbre. Le réalésage en ligne reste la méthode de référence quand plusieurs alésages doivent tenir une concentricité serrée.

Une réparation d'arbre à l'époxy est-elle aussi résistante qu'une soudure ? Ce n'est pas une réparation structurale : elle rétablit les cotes d'une portée sans la déformation ni la zone affectée thermiquement du soudage. Quand la résistance de l'arbre est en cause, un ingénieur décide.

Comment répare-t-on une rainure de clavette usée ? Les flancs sont reconstruits à l'époxy chargé métal formé autour d'une clavette enduite d'agent de démoulage, ou la rainure est remplie et une nouvelle taillée à une autre position. Une rainure qui transmet un couple à-coups ou alterné demande d'abord une vérification d'ingénierie.

Quelle tolérance doit avoir la portée reconstruite ? Celle que le fabricant de roulements prescrit pour l'application, exprimée en classe de tolérance ISO 286. La réparation s'accepte sur mesure contre cette classe, pas à l'œil.

Pourquoi le roulement a-t-il tourné sur l'arbre au départ ? Le plus souvent : ajustement trop lâche pour la charge, fretting progressif, désalignement ou dilatation thermique. Corriger la cause fait partie de la réparation.

En pratique

Induscoat reconstruit à froid les portées d'arbres usées, les logements de roulement ovalisés, les rainures de clavette et les portées de joints pour les usines du Québec et de l'Ontario dans le cadre de son service de maintenance et réhabilitation, avec les époxys chargés métal de sa gamme de collage à froid et réparation métal — préparation, rechargement ou moulage, cure et contrôle dimensionnel — et dit clairement quand une fissure, une perte de section ou le service imposent l'usinage, le chemisage ou le remplacement. Les mesures de la portée usée, la référence du roulement et les conditions de service suffisent pour évaluer une pièce : demander une soumission. Les fiches techniques de la gamme Induscoat sont publiées sur le site de la marque, induscoat.com.