Types de filetages dans l'usinage CNC : guide pour les ingénieurs

Les filetages sont un élément fondamental de l'usinage CNC, permettant l'assemblage de pièces mécaniques avec précision et robustesse. Que vous conceviez des composants nécessitant des boulons, des vis ou des raccords de tuyauterie, le choix du bon type de filetage, et sa désignation précise, peuvent influencer la réussite ou l'échec de votre produit final.

Ce guide offre un aperçu complet des différents types de filetage, comment les spécifier dans vos dessins techniques et des conseils de fabrication pratiques pour éviter les retards et garantir des résultats de haute qualité.

Qu'est-ce qu'un fil de discussion ?

Un filetage est une rainure en spirale qui s'enroule autour d'un arbre rond ou à l'intérieur d'un trou rond. Le filetage d'un boulon ou d'une vis se forme en taillant ou en roulant une série de stries qui s'enroulent autour de la pièce. Un filetage correspondant dans un trou (par exemple, dans un écrou ou un composant de machine) se bloque autour de ces stries.

Les fils sont utilisés depuis des millénaires, même si la plupart d'entre nous ne les remarquent pas quotidiennement. Nous les utilisons pour fermer un couvercle de bocal, fixer une roue sur un essieu de voiture ou ajuster la mise au point de lunettes de lecture. Dans tous les cas, le fil offre un moyen fiable de fixer, de sceller ou de déplacer des pièces.

Paramètres clés dans la conception des threads

Avant d'aborder les types de filetages spécifiques, il est important de comprendre les principales caractéristiques géométriques qui définissent un filetage. Ces caractéristiques influencent l'ajustement et le fonctionnement des filetages dans différents systèmes mécaniques.

1. Diamètre principal (diamètre extérieur)

Le diamètre principal est la partie la plus large du filetage, mesurée de crête à crête. Il détermine la taille générale du filetage et est couramment utilisé pour la spécification des fixations. Pour les filetages extérieurs (comme les boulons), il peut être mesuré à l'aide d'un pied à coulisse.

2. Diamètre mineur (diamètre intérieur)

Le diamètre mineur est le plus petit diamètre, mesuré de racine à racine. Il est essentiel pour évaluer la résistance d'un filetage, notamment dans les applications soumises à des contraintes de traction.

3. Diamètre primitif (diamètre effectif)

Le diamètre primitif est un diamètre imaginaire où l'épaisseur du filetage est égale à l'espace entre les filets. Il est essentiel pour déterminer le serrage de deux composants filetés. Cette valeur n'est pas mesurable directement sans jauges spécialisées.

4. Emplacement

Le pas désigne la distance entre deux points correspondants sur des filetages adjacents, mesurée le long de l'axe de la vis. Les filetages à pas fin sont souvent utilisés pour les applications de précision, tandis que les filetages à pas grossier sont plus adaptés aux applications générales.

5. Diriger

Le pas est la distance parcourue par un filetage en un tour complet. Dans les filetages à un seul filet, le pas et le pas sont identiques. Dans les filetages à plusieurs filets, le pas est un multiple du pas, ce qui permet un mouvement plus rapide par tour.

6. Angle de filetage

Il s'agit de l'angle formé entre les flancs du filetage. Différents profils de filetage utilisent des angles différents, par exemple 60° pour les filetages métriques ou 55° pour les filetages britanniques.

7. Forme des dents

La forme des dents définit la forme du filetage, généralement triangulaire, carrée ou trapézoïdale. Cette forme influence directement la résistance et l'efficacité du filetage.

Filetages externes et internes

Avant d'aborder les types de filetages, il est important de distinguer les filetages externes (par exemple, les boulons, les goujons) des filetages internes (par exemple, les trous taraudés dans les écrous ou les pièces). Les filetages externes sont formés à l'extérieur d'un arbre ou d'une tige, tandis que les filetages internes sont taillés dans un trou. Il est essentiel de bien les intégrer dans vos dessins CAO ; une confusion entre les deux peut entraîner des problèmes de production majeurs.

Types courants de filetages utilisés dans l'usinage CNC

Les ingénieurs utilisent une variété de formes de filetage en fonction de la région, de l'industrie et des exigences de conception.

Filetages métriques (ISO)

Les filetages métriques sont conformes au système de l'Organisation internationale de normalisation (ISO). Ils utilisent la lettre « M » suivie du diamètre nominal en millimètres (par exemple, M8, M10, M12). Le pas du filetage est indiqué en millimètres après le signe « × » s'il ne s'agit pas du pas standard.

• Exemples de hauteur standard :
  • M6 × 1.0 (diamètre nominal de 6 mm, pas de 1.0 mm)
  • M10 × 1.5 (diamètre nominal de 10 mm, pas de 1.5 mm)
• Exemples de hauteur fine :
  • M8 × 1.25 (diamètre 8 mm, pas de 1.25 mm)
  • M12 × 1.0 (diamètre 12 mm, pas de 1.0 mm)

Les filetages métriques sont les plus courants dans le monde. Un boulon ou un écrou marqué « M10 × 1.5 – 6g » correspond à un filetage métrique standard avec une classe de tolérance de 6g (externe) et un pas de 1.5 mm. Les concepteurs s'appuient généralement sur la norme ISO 965-1 pour les classes de tolérance, où 6H est la valeur par défaut pour les filetages internes et 6g pour les filetages externes.

Fils unifiés (UNC, UNF, UNEF, UNS)

Les filetages unifiés suivent un système en pouces reconnu en Amérique du Nord et dans de nombreuses industries internationales. Ce système utilise les séries de base UNC (grossier), UNF (fin), UNEF (extra-fin) et UNS (spécial).

• UNC (Grossier) : Filetages rapides à usage général, plus résistants aux dommages mineurs. Exemple : 1/4″-20 UNC (diamètre nominal de ¼ pouce, 20 filets par pouce).
• UNF (Bien) : Filetages à tolérance plus serrée avec un diamètre mineur plus profond pour une meilleure résistance à la fatigue et une meilleure rétention aux vibrations. Exemple : 1/4″-28 UNF.
• UNEF (Extra-Fin) : Espacement de filetage encore plus fin pour les petits assemblages précis ou lorsque des matériaux fins nécessitent de petits diamètres. Exemple : 10-32 UNEF.
• UNS (Spécial) : Utilisé pour des applications spéciales qui nécessitent un pas, une profondeur ou des tolérances non standard.

Les filetages unifiés utilisent un angle de flanc de 60°, tout comme les filetages métriques ISO. Les classes de tolérance standard sont 2A/2B (moyen), 3A/3B (serré) et 1A/1B (serré). La lettre « A » indique un filetage extérieur et « B » un filetage intérieur. Si aucune classe n'est indiquée, la classe 2A ou 2B est généralement retenue.

Filetages de tuyaux (NPT, NPTF, BSP, BSPP)

Les systèmes de tuyauterie et de transport de fluides nécessitent des filetages assurant l'étanchéité. Les fixations standard fuient sous pression, mais les filetages des tuyaux utilisent des formes coniques ou parallèles qui se compriment et assurent l'étanchéité lors du serrage.

1. NPT (tuyau national conique)Les filetages NPT sont coniques selon un rapport de 1:16. Un filetage droit ne peut à lui seul assurer l'étanchéité. Lors du serrage, les surfaces coniques se pressent l'une contre l'autre et assurent l'étanchéité grâce à un produit d'étanchéité pour filetage ou du ruban adhésif.
2. NPTF (National Pipe Tapered Fuel)Le NPTF est une variante à joint sec du NPT. Il utilise des tolérances serrées pour assurer l'étanchéité sans ruban adhésif ni produit d'étanchéité supplémentaire.
3. BSP (tuyau parallèle standard britannique): Les filetages BSPP sont parallèles. Le raccord nécessite un joint torique ou machine à laver à sceller.
4. BSPP (British Standard Pipe Parallèle)Les filetages sont parallèles et non coniques. Une rondelle d'étanchéité souple ou un joint torique est généralement utilisé sur la face du raccord ou de la bride pour assurer une étanchéité parfaite.

Les filetages de tuyauterie sont présents sur les raccords de plomberie, les raccords hydrauliques et les systèmes pneumatiques. Lorsqu'un dessin exige des filetages de tuyauterie, le concepteur doit indiquer la norme (NPT, NPTF, BSP, BSPT) et le diamètre (par exemple, « 1/2 NPTF »). Si le dessin omet certains détails, le fournisseur risque de choisir une norme erronée, ce qui entraînera des fuites ou des inadéquations.

Sujets ACME

Les filetages ACME présentent une forme trapézoïdale avec un angle de flanc inclus de 29°. Ils offrent une résistance supérieure et un frottement inférieur aux filetages en V sous fortes charges. Parmi les utilisations courantes, on peut citer :

• Vis mères dans les fraiseuses, les tours et les machines CNC.
• Actionneurs lourds et vérins à vis.

La plupart des vis ACME ont un ou plusieurs filets. Une vis ACME à double filet avance deux fois plus loin par tour qu'une vis ACME à simple filet de même pas. Les séries de filetages ACME typiques comprennent :

• **2G ou 2V (usage général, grossier)
• 3G ou 3V (tolérance étroite, plus fine)
• 4G (Précision)
• 8G ou 8V (alternative à coût réduit)**

Les concepteurs doivent spécifier la série ACME, le pas, la classe de tolérance et le revêtement si nécessaire.

Fils carrés

Les filetages carrés ont des flancs verticaux et un angle de flanc inclus de 0°. Ils offrent le frottement le plus faible et le rendement le plus élevé parmi les filetages courants. Les concepteurs utilisent des filetages carrés lorsque la précision de la transmission de puissance et le rendement élevé sont essentiels, par exemple :

• Presses mécaniques
• Actionneurs de haute précision
• Grandes alternatives aux vis à billes dans les premières machines

Les filetages carrés sont plus difficiles à couper et à inspecter que les filetages ACME, leur utilisation est donc plus limitée aux cas de charge très élevée ou de rendement élevé.

Filetages standard britanniques (BSW, BSF)

Les filetages standard britanniques sont antérieurs au système unifié. Ils utilisent un angle de profil de 55°. Les types courants incluent :

• BSW (norme britannique Whitworth): filetages grossiers adaptés à l'assemblage général.
• BSF (British Standard Fine): des filetages plus fins pour les pièces nécessitant plus de filetages par pouce.

Bien qu'il s'agisse de normes plus anciennes, on trouve encore des raccords BSW et BSF sur les véhicules anciens et certains équipements industriels. À moins qu'une pièce ne doive être compatible avec des systèmes plus anciens, la plupart des développeurs utilisent des filetages métriques ou unifiés, car les anciennes normes britanniques sont plus difficiles à trouver.

Filetages de contrefort

Les filetages à contrefort ressemblent à des filetages carrés sur un flanc et à des filetages coudés sur l'autre. Le flanc coudé présente généralement un angle inclus de 45°. Les concepteurs utilisent des filetages à contrefort pour les charges unidirectionnelles, notamment :

• Vérins hydrauliques à forte charge
• Grandes presses industrielles
• Colliers de serrage à vis avec charges axiales lourdes dans une direction

En combinant un côté vertical et un côté incliné, les filetages à contrefort résistent efficacement aux forces axiales tout en étant plus faciles à usiner que les filetages carrés.

Fils d'articulation

Les filetages à rotule présentent des sommets et des creux arrondis, ainsi que des angles relativement faibles. Ils sont utilisés pour :

• Applications nécessitant un engagement et un désengagement rapides.
• Connexions électriques ou raccords délicats où un filetage en V pourrait facilement se déformer.

Les filetages à rotule sont également appelés « filetages à boule » ou « filetages ronds » dans certains secteurs. Ils offrent une bonne évacuation de la saleté dans les environnements difficiles, car les débris ne peuvent pas bloquer la base arrondie aussi facilement qu'un filetage en V.

Discussions à démarrage multiple

Les filetages multi-départs comportent deux ou plusieurs hélices distinctes disposées en parallèle. Les concepteurs les choisissent pour les applications nécessitant un engagement ou un mouvement axial rapide. Parmi les utilisations courantes, on peut citer :

• Trépieds d'appareil photo à verrouillage rapide, où les utilisateurs ouvrent les pieds en quelques tours de bouton.
• Grands tendeurs ou vis mères dans des supports réglables.

Dans un filetage à deux filets, chaque arête du filetage est décalée de 180° autour du cylindre. Cette disposition double le pas à chaque tour de l'écrou par rapport à un filetage à un seul filet de même pas.

Fils de vers

Les filetages à vis sans fin sont utilisés sur les engrenages à vis sans fin plutôt que sur de simples vis. Associés aux roues hélicoïdales, ils produisent des démultiplications élevées. Ils ne constituent pas un filetage de fixation, mais font partie intégrante d'un ensemble d'engrenages.

Fils de discussion du vendeur (SAT)

Les filetages Seller, également appelés filetages Sellers, présentent un profil à 60° avec des racines plates. Ils étaient autrefois courants aux États-Unis avant d'être remplacés par les filetages UNC/UNF. Si vous héritez d'un équipement plus ancien, vous pourriez encore rencontrer des filetages Sellers.

Filetage en « V »

La forme en « V » est le profil de filetage classique à 60° utilisé pour les filetages métriques ISO et unifiés. Elle offre un équilibre parfait entre résistance, facilité de coupe et compatibilité avec la production en série.

Comment choisir le bon type de fil

Le choix du type de filetage approprié dépend du matériau, des conditions de charge et des exigences de performance. Voici quelques conseils :

• Faire correspondre le type de fil au matériau:Certains fils fonctionnent mieux dans les métaux, tandis que d'autres sont idéaux pour le plastique ou les matériaux souples.
• Vérifier le pas du filetage:Les filetages fins offrent une précision, tandis que les filetages grossiers offrent une meilleure adhérence et une meilleure résistance au dénudage.
• Comprendre vos besoins en matière d'étanchéité:Utilisez des filetages coniques pour des joints étanches à l'air ou à l'eau, et des filetages droits lorsqu'un ajustement mécanique est suffisant.
• Tenir compte de la méthode de fabrication:Certains filetages, comme les filetages carrés ou à contrefort, nécessitent un outillage ou des procédés spéciaux comme le laminage ou le moulage.

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Conseils pour concevoir des filetages pour la fabricabilité

• Respecter les normes de l'industriePrivilégiez les filetages UN (UNC/UNF) et métriques (M), sauf si votre application nécessite un filetage spécifique. Les filetages standard améliorent les possibilités d'approvisionnement et réduisent les coûts de fabrication.
• Spécifier la profondeur du filetage pour les trous borgnes: Incluez toujours la profondeur exacte ; sinon, des retards de fabrication se produisent.
• Utiliser des tailles de forets standard:Les forets personnalisés augmentent les coûts et les délais.
• Distinguer clairement les filetages externes/internes sur les dessins:Utilisez des lettres majuscules pour l'interne (6H), des minuscules pour l'externe (6g).
• Choisissez la classe appropriée: Les ajustements de classe moyenne (métrique interne 6H/métrique externe 6g, unifié 2A/2B) équilibrent la fabricabilité et les performances.
• Évitez la sur-ingénierie : Sauf nécessité, évitez les filetages complexes comme UNEF, ACME ou multi-départs, sauf si la fonction de votre pièce l'exige. Les filetages plus simples sont plus rapides, moins coûteux et plus faciles à vérifier.
• Soyez prudent avec la taille des trous:Les appels de taille de trou et de filetage non concordants entraînent de la confusion et des retards.
• Tenir compte de la longueur d'engagement du filetage:Un engagement plus long améliore la force mais ajoute du coût/du temps.

Notes pratiques de fabrication

• Préférences régionales:Les filetages métriques dominent à l'échelle mondiale, sauf aux États-Unis où les filetages unifiés prévalent.
• Les filetages des tuyaux nécessitent une attention particulière:Ils scellent souvent les fluides par conicité, sans ajustement, et suivent donc des normes spécifiques.

Trous borgnes ou trous traversants

Lorsque vous taraudez des filets dans une pièce, assurez-vous d'identifier si le trou est borgne (ne traverse pas la pièce) ou traversant (s'étend complètement à travers).

• Trous borgnes nécessitent une profondeur de filetage clairement définie.
• Des trous traversants sont filetés à travers toute la paroi de la pièce, ce qui simplifie généralement le processus.

Les spécifications de filetage incomplètes, en particulier les valeurs de profondeur manquantes dans les trous borgnes, sont une source courante de retards de fabrication.

Comment noter les filetages sur les dessins techniques

Les ingénieurs doivent fournir des informations claires et sans ambiguïté lorsqu'ils placent des filetages sur les plans. Chaque détail aide l'opérateur à choisir l'outil approprié, à éviter les erreurs et à maintenir la qualité. Les erreurs les plus graves surviennent lorsqu'un plan omet ou identifie de manière erronée un paramètre clé. Les directives suivantes aident à créer des plans complets.

1. Étiquetez la vue qui montre clairement le fil

Choisissez une vue de dessin illustrant la forme complète du trou ou de la tige. Pour les filetages internes dans un trou borgne, placez les cotes sur la vue en coupe ou en coupe afin que l'opérateur puisse visualiser la profondeur du trou. Pour les filetages externes sur un arbre ou un boulon, affichez la longueur totale du filetage dans la vue principale ou dans une vue détaillée agrandie.

2. Spécifiez la série, la taille et le pas

Chaque note de fil doit inclure :

• Série (par exemple, M, UNC, UNF, NPT)
• Diamètre nominal (par exemple, 10 mm, 1/4 pouce)
• Pas ou TPI (par exemple, 1.5 mm, 20 TPI)

Par exemple, un filetage métrique interne :

• M10 × 1.5

Cette note indique au machiniste de réaliser un filetage métrique de 10 mm de diamètre extérieur et de pas de 1.5 mm. Si le dessin indique simplement « M10 », le machiniste utilise le pas standard pour un filetage M10 (1.5 mm), sauf indication contraire.

Pour un thread externe unifié :

• 1 / 4-20 UNC

Le machiniste lit cela comme un diamètre principal de 0.250 pouce, 20 filets par pouce, série de filetage grossier.

3. Montrer l'adéquation ou la tolérance à la classe

Les concepteurs utilisent les ajustements de classe pour contrôler le serrage ou le desserrage d'un ajustement fileté. Si l'application exige un ajustement standard, les dessins omettent souvent l'ajustement de classe. Les fabricants supposent un ajustement moyen par défaut :

• Filetages métriques : 6H pour l'intérieur, 6g pour l'extérieur
• Filetages unifiés : 2B pour interne, 2A pour externe

Lorsqu'un ajustement plus serré ou une tolérance particulière est nécessaire, le dessin doit l'indiquer explicitement. Exemple :

• M10 × 1.5 – 6H × 6g

Cette remarque signifie que le filetage du trou intérieur (tolérance 6H) et le boulon correspondant (tolérance 6g) doivent respecter l'ajustement moyen. L'opérateur choisira des tarauds et des filières étiquetés 6H/6g.

Pour un filetage unifié avec ajustement spécifié :

• 1 / 4-20 UNC-2B

Ici, 2B désigne un ajustement interne de classe moyenne compatible avec un boulon externe 2A. Les assemblages soumis à de fortes contraintes ou vibrations peuvent nécessiter un ajustement 3A/3B pour réduire le jeu et résister au desserrage.

4. Marquer la profondeur du filetage (trous borgnes)

Les trous borgnes nécessitent une indication claire de la profondeur. Si vous écrivez « M8 × 1.25 THRU », les opérateurs savent qu'il faut percer le trou entièrement à travers la pièce. Si vous écrivez « M8 × 1.25 × 12H », ils savent qu'il faut arrêter de percer des filets à 12 mm de profondeur. Utilisez la lettre « H » après le numéro pour indiquer que la profondeur se réfère aux filets et non à la profondeur totale du trou.

Exemple pour un ennemi aveugle :

• M8 × 1.25 × 15 DP RH

Cette note indique au machiniste de percer un trou borgne de 15 mm de profondeur avec un diamètre extérieur de 8 mm, un pas de 1.25 mm et un filetage à droite. Si vous oubliez « × 15 DP », le machiniste risque de percer un trou borgne standard qui ne peut pas accueillir complètement le boulon, ou d'aller trop loin et de casser le taraud.

5. Indiquez le sens du fil (si non standard)

Si le sens du filetage diffère du pas à droite standard, il est impératif de le signaler directement. Utilisez « LH » pour indiquer un filetage à gauche. De nombreux accouplements, contre-écrous ou arbres rotatifs peuvent utiliser un filetage à gauche pour éviter tout desserrage involontaire. Par exemple :

• M12 × 1.75 LH

Ce filetage se visse dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Si vous omettez « LH », les machinistes réaliseront un filetage à droite.

Tableaux des tailles de fils téléchargeables

Utilisez les tableaux de filetage standard suivants pour identifier rapidement les tailles de forets compatibles :

Conclusion

Comprendre les types de filetage et savoir les concevoir correctement peut améliorer considérablement la fabricabilité et l'assemblage de vos pièces usinées CNC. Respectez les normes, soyez clair dans vos références et vérifiez systématiquement la taille des trous par rapport aux spécifications du filetage.

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