« C'est la compétition, disait l'homme d'affaires américain John Mackey, qui oblige les entreprises à sortir de leur immobilisme. » C'est ce que nous constatons sur les marchés mondiaux des véhicules électriques. Les constructeurs doivent produire des transmissions plus légères et plus compactes à partir de matériaux tenaces comme les aciers faiblement alliés, et ceux qui s'appuient sur des procédés de fabrication traditionnels risquent de perdre du terrain. Mats Wennmo, Global Automotive Transmission Manager chez le spécialiste de la coupe du métal Sandvik Coromant, nous explique ici pourquoi le power skiving est déterminant pour la compétitivité.

Les ventes de véhicules électriques se sont envolées ces dernières années. Selon EV-Volumes, 541 780 nouveaux véhicules électriques rechargeables ont été immatriculés dans le monde en février 2022, soit deux fois plus qu'au même mois de l'année précédente. Parallèlement, la société Virta rapporte que 1,06 million de nouveaux véhicules électriques ont été immatriculés au cours des six premiers mois de l'année 2021, contre seulement 413 dans tout le premier semestre 2020. Cela représente une hausse de plus de 157 %, tandis que les immatriculations en Chine – l'autre grand marché des véhicules électriques – et aux États-Unis ont augmenté de plus de 197 % et 166 %, respectivement.

Ces chiffres montrent clairement que les marchés nationaux des véhicules électriques connaissent une croissance rapide partout dans le monde. Voyons maintenant ce qui motive ces ventes. L'un des facteurs est l'objectif ambitieux de zéro émission promis par l'Union européenne, l'Asie et les États-Unis. L'UE s'est engagée à réduire ses émissions de gaz à effet de serre d'au moins 40 % par rapport aux niveaux de 1990, et la Chine de 60 à 65 % par rapport à ceux de 2005, d'ici à 2030. Les États-Unis, quant à eux, ont promis une réduction de 26 à 28 % d'ici 2025 par rapport aux niveaux de 2005.

Les véhicules électriques produisent beaucoup moins d'émissions au cours de leur durée de vie que les véhicules à moteur à combustion

Quel rôle les véhicules électriques jouent-ils dans ces objectifs ? La comparaison des avantages environnementaux des véhicules électriques par rapport aux véhicules à moteur à combustion n'est pas simple. Le site d'analyse britannique Carbon Brief indique que tout dépend de la taille des véhicules, du degré de précision des estimations de la consommation de carburant utilisées, de la façon dont les émissions liées à la production d'électricité sont calculées, des habitudes de conduite supposées, et même du climat dans les régions où les véhicules sont utilisés. Il est impossible de faire une estimation globale, applicable à tous les cas. Néanmoins, le rapport de Carbon Brief conclut que, dans l'ensemble, les véhicules électriques produisent beaucoup moins d'émissions au cours de leur durée de vie que les véhicules à moteur à combustion.

Les technologies d'e-mobilité peuvent également soutenir les deux autres facteurs déterminants qui stimuleront les ventes de véhicules électriques. Le premier facteur est la tendance mondiale à adopter des sources d'énergie plus efficaces et renouvelables, comme l'a récemment souligné la présidente de la Commission européenne, Ursula von der Leyen. Le second facteur est l'évolution des mentalités des consommateurs : la moitié des personnes interrogées dans l'enquête du cabinet PwC Global Consumer Insights Pulse Survey de décembre 2021 ont déclaré qu'elles portaient un regard plus éco-responsable sur leurs habitudes.

Engrenages planétaires

Pour les constructeurs automobiles et les équipementiers, les facteurs susmentionnés soulignent toute la nécessité de s'éloigner des moteurs à combustion traditionnels. Et la Chine et l'Europe prendront la tête de cette évolution. Ces marchés nationaux des véhicules électriques seront également le terrain de jeu concurrentiel d'acteurs divers, des grandes entreprises établies comme Porsche aux plus petits constructeurs en cours de développement comme Polestar.

Dans le même temps, la fabrication des véhicules électriques s'accompagne de défis supplémentaires (que nous allons explorer) avec le risque, pour les constructeurs qui feraient le choix de s'appuyer sur des procédés de production traditionnels, d'être distancés. Pour examiner de plus près ces défis, concentrons-nous sur la fabrication de composants d'engrenages.

Le contrôle du nombre de tours par minute (tr/min) à l'aide des rapports est essentiel pour tous les types de véhicules, y compris les véhicules électriques. Toutes les transmissions des véhicules électriques sont à réducteur. Elles permettent de limiter la vitesse du véhicule pour le contrôler et moins consommer. Du fait qu'un moteur électrique est silencieux, tout bruit provenant de la transmission se remarque. Le premier objectif est donc d'éviter les bruits. C'est là que la qualité de l'usinage joue un rôle décisif : la transmission doit être aussi compacte, légère et silencieuse que possible.

Les transmissions des véhicules électriques sont essentiellement de type planétaire, les pignons satellites et le planétaire formant un ensemble compact et léger à l'intérieur de la couronne. La couronne dentée est le composant le plus difficile à produire, avec ses parois fines et sa parfaite circularité. Malheureusement, les procédés de fabrication traditionnels ne permettent pas d'atteindre ces objectifs et présentent même plusieurs inconvénients en termes de temps et de coûts.

Le power skiving comme méthode d'usinage des engrenages rencontre une popularité croissante

Les procédés de fabrication traditionnels

Les procédés de fabrication traditionnels reposent généralement sur des machines à un seul usage : chaque machine réalise un usinage particulier, la pièce à usiner passant de machine en machine. Il est impossible d'adapter rapidement les lignes de production aux changements de conception des composants.

Le déplacement de la pièce d'une machine à l'autre peut également détériorer la qualité de la pièce en créant des écarts d'excentricité et de centrage. Le post-traitement thermique est plus difficile à contrôler et les méthodes traditionnelles d'usinage doux, suivies de processus de rectification, sont très coûteuses. Ces procédés nécessitent également un usinage supplémentaire à base d'huile pour faciliter l'usinage même et l'évacuation des copeaux.

Si l'on considère les grandes tendances qui s'annoncent en fabrication de véhicules électriques, tous ces inconvénients ne feront que s'accentuer au cours des prochaines années. Nous pouvons aussi nous attendre à des pressions accrues en matière de délais de développement de nouvelles transmissions, de productivité et de flexibilité, et de délais de retour sur investissement (ROI). De par leur nature, les « machines monotâches » vont de plus en plus miner les possibilités de flexibilité, de productivité et de rentabilité que la fabrication des pièces des véhicules électriques exige.

C'est la raison pour laquelle les constructeurs doivent moderniser leurs procédés de fabrication. Mais comment s'y prendre ? Investir dans des machines multitâches est l'une des possibilités. Comme nous l'avons mentionné, les équipements de rectification couramment utilisés dans la fabrication traditionnelle peuvent s'avérer coûteux. Une bonne façon de contourner ce problème est de diviser l'usinage des composants d'engrenages en deux processus : l'usinage doux et l'usinage dur. Ces méthodes peuvent être appliquées par une seule et même machine... multitâche.

Avec les machines multitâches, certains procédés d'usinage deviennent inutiles, ainsi que le temps et les coûts qui y sont associés, et la qualité des pièces peut être meilleure. Ces machines présentent également des avantages pour le client, car outre l'amélioration de la qualité des produits, les durées de cycle sont plus courtes (ou au moins identiques à celles des solutions de production existantes). De fait, Sandvik Coromant a constaté des réductions de coûts d'au moins 30 % pour l'utilisateur final.

Enfin, les constructeurs peuvent atteindre une plus grande flexibilité dans la production des futurs composants pour l'e-mobilité par un procédé qui permet de réduire la taille et le poids des composants de la transmission. Le power skiving convient à l'usinage de dentures et cannelures intérieures ou extérieures et est particulièrement productif en usinage intérieur. Cette méthode est adaptée aux productions en grandes séries qui nécessitent des temps de coupe courts.

Un procédé unique et continu

Comme nous l'avons mentionné, la couronne est le composant le plus difficile à produire dans un engrenage planétaire. Le concept de « power skiving » (qui existe en fait depuis plus d'un siècle) apparaît comme le moyen le plus efficace d'y parvenir. Cette technique combine le brochage et le taillage à la fraise-mère de manière à fabriquer des engrenages en un seul process continu.

Ce procédé présente plusieurs avantages non négligeables par rapport aux méthodes d'usinage traditionnelles. Au lieu de s'en remettre à une machine à usage unique, le power skiving permet d'usiner un composant complet sur une seule machine polyvalente, pour une productivité et une flexibilité accrues. Il n'est plus nécessaire de posséder des machines spécialisées et les problèmes de qualité liés aux transferts entre machines sont totalement éliminés. Le temps de fabrication total est considérablement réduit (par rapport aux procédés de brochage, façonnage et taillage fraise-mère) et l'usinage est plus facile à gérer et plus prévisible.

Le power skiving gagne en popularité : depuis 2014, plus de 700 machines-outils de power skiving ont été livrées – la majorité d'entre elles (> 60 %) étant des machines multitâches. En d'autres termes, les principaux procédés d'usinage se déroulent au sein d'une seule et même installation, ce qui améliore la qualité du composant final et permet d'être plus efficace.

Sandvik Coromant a développé ses propres outils de qualité pour le power skiving et les a optimisés pour aider ses clients à usiner avec précision les transmissions de véhicules électriques. La fraise monobloc de power skiving CoroMill®178, par exemple, peut être commandée en HSS-PM ou en carbure monobloc. La fraise à plaquette indexable CoroMill® 180, avec ses logements de plaquettes à rail, est un autre exemple de précision et de répétabilité. Les outils peuvent être optimisés : rigidité, porte-à-faux, liquide de coupe, optimisation de la durée de vie utile, etc. Combinés, tous ces facteurs garantissent une productivité fiable, 24h/24.

Réduction du temps d'usinage

Pour remplacer son procédé de façonnage qui prenait beaucoup de temps, un fabricant de trains d'engrenages en acier faiblement allié s'est adressé à Sandvik Coromant. Il a opté pour le power skiving et ainsi pu remplacer les quatre machines dédiées par deux machines multitâches.

Le temps de coupe a finalement été réduit de 90 % et la durée de vie de l'outil s'est avérée considérablement plus longue. Dans d'autres cas, le power skiving s'est avéré deux à trois fois plus rapide que les procédés traditionnels.

Dans chaque centre Sandvik Coromant, les constructeurs ou sous-traitants de transmissions pour véhicules électriques sont en mesure d'usiner leurs propres composants par power skiving dans des machines multitâches modernes. Des techniciens qualifiés et expérimentés accompagnent les clients dans leurs investissements pour les aider à obtenir un usinage d'engrenages productif, efficace et flexible pour les véhicules électriques – le tout au sein d'une seule et unique configuration.

Ce sont là quelques-unes des raisons qui expliquent la popularité croissante du power skiving comme méthode d'usinage des engrenages. C'est un procédé qui permet de gagner du temps et de faire des économies, accessible aux petits fabricants afin qu'ils soient plus compétitifs comme aux plus grands constructeurs pour les aider, selon les mots de John Mackey, à « sortir de leur immobilisme ».

Les transmissions des véhicules électriques sont essentiellement de type planétaire