Types de vis à billes de haute précision

1. Écrous à billes : formes et caractéristiques

Les vis à billes se composent d'une vis et d'un écrou à billes. Selon la conception de l'écrou, il est possible de privilégier différents critères, tels qu'une construction compacte, une grande rigidité, un montage simplifié, des vitesses de rotation élevées ou un fonctionnement particulièrement silencieux. La géométrie de l'écrou influence notamment son mode de montage et de fixation, sa capacité à reprendre les charges ainsi que son intégration dans différents concepts de machines.

Les trois principales géométries d'écrous, ou types d'écrous, sont présentées plus en détail ci-dessous.

1.1 Écrou à bride simple

Une vis à billes à écrou à bride simple est équipée d'un écrou à billes comportant une seule bride. On peut l'imaginer comme un cylindre épais muni d'une bride à l'une de ses extrémités :

1. Corps cylindrique : il contient le filetage de la vis ainsi que les billes.
2. Bride : elle permet de fixer l'écrou à une plaque de base, un chariot ou un élément de machine.

La bride comporte généralement plusieurs trous de passage ou trous taraudés destinés à la fixation par vis. C'est par l'intermédiaire de cette bride que l'écrou est solidement fixé à la machine. La vis tourne ou effectue un mouvement de translation, tandis que l'écrou transmet ce mouvement au chariot sous la forme d'un déplacement linéaire. À l'intérieur de l'écrou, les billes roulent entre le filet de la vis et les chemins de roulement de l'écrou. Lorsqu'elles atteignent l'extrémité de leur parcours, elles sont renvoyées vers le début par un système de recirculation, dont la conception varie selon le type d'écrou, afin de circuler en continu.

1.2 Écrou à double bride

Un écrou à double bride est un écrou à billes plus long, doté d'une bride commune. On peut l'imaginer comme un cylindre muni d'une bride, à l'image de l'écrou à bride simple, mais avec un corps d'écrou allongé. Cette plus grande longueur permet à un plus grand nombre de billes d'être en contact avec la vis, ce qui augmente la capacité de charge et la rigidité.

1. Corps cylindrique allongé : il contient le filetage de la vis ainsi que les billes.
2. Bride : elle assure la fixation et le support de l'écrou.

L'écrou peut être fixé, supporté ou préchargé des deux côtés grâce à sa bride et à sa surface cylindrique d'appui. Cette conception lui confère une très grande rigidité et le rend particulièrement adapté aux applications exigeantes.

Son fonctionnement interne est identique à celui d'un écrou à bride simple. La différence réside dans son intégration mécanique : grâce à son corps allongé et à sa bride, il peut transmettre des efforts plus importants et les répartir avec une plus grande rigidité vers le bâti de la machine ou les supports de palier. L'écrou peut, par exemple, être serré entre deux surfaces d'appui ou monté avec une précharge par vissage. Il en résulte un montage très rigide, pratiquement exempt de jeu.

1.3 Écrou cylindrique

Un écrou cylindrique est un écrou à billes sans bride, de forme cylindrique. Il est directement guidé dans un alésage, une douille ou un logement. Grâce à sa conception particulièrement compacte, il convient parfaitement aux espaces d'installation restreints. Son fonctionnement interne est identique à celui d'un écrou à bride. En revanche, il est généralement maintenu par un ajustement dans son logement plutôt que par une fixation à l'aide de vis sur une bride.

2. Systèmes de recirculation des billes

Les systèmes de recirculation des billes permettent aux billes de circuler en continu dans un système à vis à billes, au lieu de sortir simplement de l'écrou à l'extrémité de la course. Les billes transmettent les efforts entre la vis et l'écrou. Après avoir parcouru les filets de la vis, elles doivent être ramenées au point de départ, fonction assurée par le système de recirculation.

Selon la conception, deux aspects diffèrent :

1. le mode de recirculation des billes (à l'intérieur de l'écrou, par des embouts de recirculation ou par des tubes de recirculation externes, par exemple) ;
2. la conception du circuit de roulement (pour une construction compacte, des vitesses de déplacement élevées, des charges importantes, de longues courses, etc.).

C'est pourquoi il existe différents systèmes de recirculation des billes. Certains sont particulièrement compacts et conviennent aux espaces d'installation restreints. D'autres sont optimisés pour des vitesses de déplacement élevées et un fonctionnement silencieux. D'autres encore sont conçus pour supporter des charges très importantes et répondre aux applications lourdes.

Points à prendre en compte lors de la conception

À l'extrémité de la vis à billes, au moins un filet complet doit être présent. Le diamètre de l'arbre à cette extrémité doit être inférieur au diamètre au fond du filet afin de permettre le montage de l'écrou à billes sans difficulté. Si l'application l'exige, un manchon d'arbre peut également être monté à l'extrémité de la vis après l'assemblage de la vis et de l'écrou.

2.1 Recirculation interne

Avec la recirculation interne (désignations : FEIG, FDIG, DEIG, DDIG), les billes circulent en boucle à l'intérieur de l'écrou. Les éléments de recirculation sont intégrés au contour de l'écrou et n'augmentent généralement que très peu son encombrement extérieur. À l'intérieur de l'écrou se trouve une plaque de déviation. Celle-ci guide les billes hors du filet, les dévie, puis les réintroduit dans un autre filet afin d'assurer leur circulation continue.

2.2 Recirculation par embouts

Avec la recirculation par embouts (désignations : FEEG, FDEG, DEEG, FEEH), les billes sont redirigées en fin de parcours par des embouts de recirculation. Elles roulent dans les filets entre la vis et l'écrou. À l'extrémité de l'écrou, elles atteignent un embout muni de canaux spécialement conçus à cet effet. Un canal de recirculation aux courbes optimisées guide alors les billes autour du filet, avant de les réintroduire au début du filet suivant. Il en résulte un circuit fermé permettant une circulation continue des billes, sans qu'elles ne puissent sortir de l'écrou.

On peut comparer ce principe à une rame de métro qui, arrivée au terminus, emprunte un tunnel pour revenir sur la voie de départ de l'autre côté.

2.3 Écrou à bride simple à grand pas

Ce système de recirculation (désignation : FEEU) utilise des filets à une ou plusieurs entrées avec un pas de vis très important. Ainsi, à chaque tour de la vis à billes, l'écrou parcourt une distance axiale particulièrement élevée. Ce type de recirculation se caractérise généralement par un pas correspondant à environ une à deux fois le diamètre de la vis. Il en résulte un système spécialement conçu pour atteindre des vitesses de déplacement élevées.

Les billes sont recirculées de la même manière que dans un écrou à bride simple classique, au moyen d'un système de recirculation interne. La différence ne réside donc pas dans le principe de recirculation, mais dans la géométrie de la piste de roulement et dans le pas de la vis.

2.4 Recirculation par tube

Avec la recirculation par tube (désignations : FEZG, FDZG, FEVG, FDVG), les billes sont recirculées à l'extérieur de l'écrou au moyen d'un tube de recirculation cintré. Elles roulent dans les filets entre la vis et l'écrou. À l'extrémité de la piste de roulement, elles quittent la gorge et pénètrent dans un tube de recirculation. Ce tube guide les billes à l'extérieur du corps de l'écrou. À son autre extrémité, elles sont réintroduites dans le filet afin de poursuivre leur circulation. Le tube de recirculation est généralement monté sur le côté ou sur la partie supérieure de l'écrou et se distingue facilement par sa forme caractéristique en boucle. La valeur limite DN est de 100 000.

2.5 Version pour charges lourdes

Dans la version pour charges lourdes (désignation : FEKS), un élément de recirculation guide les billes hors du filet lorsqu'elles atteignent l'extrémité d'un filet. Contrairement à un système classique de recirculation par tube externe, le tube de recirculation n'est pas monté à l'extérieur de l'écrou, mais est intégré à celui-ci. Les canaux de recirculation sont usinés directement dans l'écrou et ne sont pas rapportés sur sa surface extérieure.

Bien qu'il s'agisse d'un système conçu pour les applications à fortes charges, la géométrie optimisée de la recirculation permet d'atteindre des vitesses de rotation élevées, avec des valeurs DN pouvant atteindre 150 000.

2.6 Écrou à bride entraîné

Avec l'écrou à bride entraîné (désignations : FEIR, FDIR), la vis ne se déplace pas en rotation ; seul l'écrou est entraîné. L'écrou est directement relié à un système d'entraînement, tel qu'un moteur électrique ou un réducteur. La vis reste maintenue en position axiale et ne peut tourner que lorsqu'elle est entraînée par l'écrou.

L'entraînement de l'écrou plutôt que de la vis permet de transmettre le mouvement des billes sans que la vis ait à tourner à grande vitesse. Cette conception permet ainsi d'atteindre des vitesses de déplacement élevées, même avec des vis de très grande longueur.

2.7 Vis à billes miniatures

Les vis à billes miniatures sont des vis à billes particulièrement compactes, conçues pour les applications disposant d’un espace d’installation limité et nécessitant des charges faibles à moyennes. Malgré leurs dimensions réduites, elles permettent un positionnement précis et sans jeu. Selon leur conception, elles sont disponibles avec des écrous à bride simple à recirculation interne ou avec une recirculation par embouts.

3. Vue d'ensemble

En conclusion, le choix du système de recirculation approprié est déterminant pour les performances, la précision et la durée de vie d'un écrou à billes. Selon les exigences de l'application, différentes solutions sont disponibles. Voici un aperçu des principales variantes :

1. Recirculation interne : solution standard, peu encombrante, adaptée aux charges et vitesses moyennes.
2. Recirculation par embouts : conception simple, idéale pour des charges modérées et des espaces d'installation compacts.
3. Écrou à bride simple à grand pas : vitesses d'avance élevées pour des charges réduites.
4. Recirculation par tube externe : haute précision et fonctionnement fluide, idéale pour les applications exigeantes.
5. Version pour charges lourdes : capacité de charge maximale et fiabilité, même sous des charges très élevées.
6. Écrou à bride entraîné : combine une grande précision de positionnement avec une transmission directe des efforts, par exemple dans les installations automatisées.
7. Vis à billes miniatures : Solution compacte pour des mouvements précis dans des espaces d’installation particulièrement restreints.