Comment la loi de mouvement, le matériau et le traitement thermique d’une came déterminent le temps de cycle, la durée de vie outil et la qualité de la pièce sur un tour multibroche mécanique.
Le multiplicateur caché du temps de cycle
Sur un tour multibroche à cames — Gildemeister, Schütte, Mori-Say, Wickman, Index — le temps de cycle est dicté par le poste le plus lent. Si ce poste prend 0,3 seconde de plus que nécessaire en raison d’un raccord came mal conçu, sur un lot de 500 000 pièces on perd plus de 40 heures de production. Ce n’est pas la broche qui ralentit : c’est le profil.
Pourtant la came est souvent le dernier composant auquel on accorde une attention en conception. On la commande “comme la précédente”, on reproduit un profil vieux de vingt ans, et les problèmes — vibrations, usure, hors tolérance — sont attribués à d’autres causes. Cet article remet les choses en ordre : lois de mouvement, matériaux, traitements thermiques et critères pour décider quand reconcevoir.
Lois de mouvement : ce qui change vraiment sur le profil
La loi de mouvement définit comment se déplace le suiveur (le chariot porte-outil) pendant la rotation de l’arbre à cames. Toutes les lois ne sont pas équivalentes : chacune présente un compromis différent entre vitesse de pointe, accélération maximale et jerk (la dérivée de l’accélération). Le jerk est le paramètre critique : un jerk infini génère une impulsion de force instantanée qui excite les vibrations dans la chaîne cinématique [1].
La loi fondamentale de la conception des cames stipule que la position, la vitesse et l’accélération du suiveur doivent être continues, et que le jerk doit être fini. Si cette condition n’est pas respectée, le mécanisme produit des chocs, des vibrations, du bruit et une usure accélérée [1][2].
Le tableau suivant compare les lois de mouvement les plus utilisées. Les coefficients Cv, Ca et Cj sont adimensionnels et permettent la comparaison directe à course et angle de travail égaux [2][3].
| Loi de mouvement | Cv (vit. max) | Ca (acc. max) | Cj (jerk) | Caractéristique |
| Cycloïdale | 2,00 | 6,28 | 39,5 | Jerk continu |
| Trap. modifiée | 2,00 | 4,89 | 61,4 | Acc. la plus faible |
| Sinusoïdale modifiée | 1,76 | 5,53 | 69,5 | Vit. la plus faible |
| Harmonique simple | 1,57 | 4,93 | ∞ | Jerk infini aux extrémités |
| Polynomiale 3-4-5 | 1,88 | 5,77 | 60,0 | Bon compromis |
Tab. 1 — Valeurs caractéristiques des principales lois de mouvement pour cames (dwell-to-dwell). Cv, Ca, Cj sont des coefficients adimensionnels normalisés [2][3].
En pratique : la cycloïdale est le choix le plus sûr pour les tours à haute vitesse, car le jerk est continu et les vibrations résiduelles en phase de repos sont minimales. La trapézoïdale modifiée présente l’accélération de pointe la plus faible — utile lorsque la masse du train suiveur est élevée — mais le jerk discontinu peut générer des vibrations [2]. La sinusoïdale modifiée (Neklutin) offre la vitesse de pointe la plus faible mais le jerk le plus élevé : elle est courante dans les diviseurs mais risquée à haute vitesse [3].
Angle de pression : la limite géométrique à ne pas dépasser
L’angle de pression φ est l’angle entre la direction du mouvement du suiveur et la normale au profil de la came au point de contact. Il représente l’efficacité avec laquelle la came transmet le mouvement : lorsque φ = 0°, toute la force est utile au mouvement ; lorsque φ = 90°, le suiveur ne se déplace pas [1][4].
Pour les suiveurs translatifs (chariots), la limite pratique est φ ≤ 30°. Pour les suiveurs oscillants sur bras, on accepte jusqu’à 35°. Au-delà de ces valeurs, le frottement augmente au point de risquer le grippage du guidage [4]. Si l’angle de pression calculé dépasse la limite, les options sont au nombre de deux : augmenter le rayon du cercle de base (came plus grande) ou répartir la course sur un arc de rotation plus grand [4].
C’est un point clé pour ceux qui reproduisent des cames “comme la précédente” : si le profil d’origine était en limite et que les guidages se sont usurés entre-temps, l’angle de pression effectif peut déjà dépasser le seuil critique.
Matériaux et traitements thermiques : choisir en fonction de la charge
La came travaille en conditions de contact cyclique sous charge : le mécanisme de défaillance est la fatigue de contact (pitting), déclenchée par des microfissures superficielles lorsque la contrainte hertzienne dépasse la limite du matériau [5][6]. Le choix du matériau et du traitement thermique détermine la durée de vie de la came.
| Matériau | Dureté sup. (HRC) | Traitement | Cas d’utilisation | Limite |
| C45 (1.0503) | 50–55 | Trempe par induction | Cames standard, séries moyennes | Profondeur de couche limitée |
| 16MnCr5 (1.7131) | 58–62 | Cémentation | Grandes séries, charges élevées | Distorsion après trait. |
| 42CrMo4 (1.7225) | 50–56 | Nitruration | Camme ad alta velocità | Couche mince (0,3–0,5 mm) |
| 100Cr6 (1.3505) | 60–64 | Trempe intégrale | Petites cames, forte usure | Ténacité limitée |
| Fonte à graphite sphéroïdal | 45–55* | Trempe superficielle | Cames coulées en grande série | * Avec traitement local |
Tab. 2 — Matériaux et traitements thermiques pour cames de tours multibroches. Valeurs de dureté d’après les spécifications de traitement standard [6][7][8].
Le 16MnCr5 cémenté (EN 10084, W.Nr. 1.7131) est la référence pour les cames à haute charge et grandes séries. La cémentation à 880–930 °C suivie d’une trempe dans l’huile produit une couche superficielle martensitique à 58–62 HRC, avec un noyau tenace à 30–35 HRC qui absorbe les chocs [7]. L’épaisseur de la couche cémentée est typiquement de 0,5–1,2 mm [7].
Le 42CrMo4 nitruré est l’alternative lorsque la distorsion après traitement est inacceptable : la nitruration s’effectue à des températures plus basses (500–580 °C) et produit moins de déformation, mais la couche dure est plus mince (0,3–0,5 mm) [8].
Un aspect souvent négligé : le suiveur (galet ou plateau) doit être au moins 2 HRC plus dur que la came. Si la dureté relative est correcte, le galet tend à polir la surface de la came, en prolongeant sa durée de vie [5][6].
Diagnostic : quand la came est le problème
Les problèmes liés aux cames se manifestent souvent comme des défauts sur la pièce ou comme une usure anormale de l’outil, et sont attribués à d’autres causes. Le tableau de diagnostic suivant aide à remonter jusqu’à la came comme origine du problème.
| Symptôme | Cause probable | Action corrective |
| Vibrations en cours de course | Jerk infini aux raccords (loi harmonique simple) ou angle de pression > 30° | Passer à la loi cycloïdale ou trapézoïdale modifiée ; vérifier le rayon de base |
| Usure accélérée sur le flanc de la came | Dureté superficielle insuffisante ou lubrification inadéquate | Vérifier HRC (min. 55 sur acier) ; contrôler le débit d’huile et le type de lubrifiant |
| Alésage ovalisé ou cote hors tolérance | Jeu suiveur-came excessif ; profil usé qui altère la course | Mesurer le profil au comparateur ; remplacer la came si écart > 0,02 mm |
| Bruit métallique cyclique | Perte de contact suiveur-came (décollement) | Vérifier le préchargement du ressort de rappel ; réduire la vitesse ou l’accélération de pointe |
| Pitting sur la surface de la came | Fatigue de contact (contrainte hertzienne au-delà de la limite du matériau) | Reconcevoir les raccords pour réduire le rayon de courbure minimal ; envisager un matériau plus dur |
Tab. 3 — Tableau de diagnostic symptôme → cause → action pour les problèmes liés aux cames sur tours multibroches [1][5][6].
Critères pour décider quand reconcevoir
Remplacer une came usée par une copie identique est le choix le plus rapide. Mais ce n’est pas toujours le plus efficace. La reconception a du sens dans des situations spécifiques.
| Situation | Action recommandée |
| Le temps de cycle du poste critique est le goulot d’étranglement et ne peut pas être réduit par le seul outil | Reconcevoir la came avec une loi de mouvement à faible accélération (trap. modifiée) pour réduire la phase inactive |
| Les changements de produit fréquents nécessitent des courses différentes | Évaluer un jeu de cames dédiées par familles de pièces ; comparer le coût du jeu vs. le temps de changement |
| Vibrations persistantes malgré une maintenance correcte | Analyse du profil par relevé au comparateur ; comparaison avec le profil théorique ; reconception éventuelle avec loi cycloïdale |
| Usure came < 50 000 pièces | Le matériau ou le traitement n’est pas adapté à la charge ; envisager le passage au 16MnCr5 cémenté ou 42CrMo4 nitruré |
| Passage du tour à cames à CNC avec maintien de certains postes mécaniques | Reconcevoir les cames restantes en intégrant les nouveaux paramètres de coupe optimisés pour les outils mis à jour |
Tab. 4 — Critères de décision pour la reconception des cames sur tours multibroches.
La reconception part toujours d’un relevé du profil existant (comparateur ou machine de mesure) et d’une analyse du diagramme course-angle. Comparer le profil réel avec le profil théorique permet de quantifier l’usure et de décider si le simple remplacement est suffisant ou s’il faut intervenir sur la loi de mouvement, le matériau ou les deux.
Conclusions
Trois choses à emporter à l’atelier lundi matin. Premièrement : si vous avez des vibrations récurrentes sur un poste, vérifiez la loi de mouvement de la came avant de remplacer l’outil — un profil à jerk infini (harmonique simple) est souvent le coupable caché. Deuxièmement : une came en C45 trempée par induction avec une dureté inférieure à 55 HRC sur un cycle de centaines de milliers de pièces est sous-dimensionnée — envisagez le passage au 16MnCr5 cémenté. Troisièmement : quand le temps de cycle du poste critique ne baisse plus, la came est le premier endroit où chercher de la marge, pas le dernier.
MadTools conçoit et fabrique des cames standard et sur plan pour tours multibroches Gildemeister, Schütte, Mori-Say, Wickman et Index. Le bureau de 5 concepteurs analyse le cycle de travail, définit la loi de mouvement optimale et sélectionne le matériau et le traitement en fonction de la charge et de la durée de vie requise.
Sources et références
[1] R.L. Norton, Cam Design and Manufacturing Handbook, Industrial Press, 2009. Chap. 8–10 : lois de mouvement, dynamique et vibrations.
[2] Nolte NC-Kurventechnik, “Motion Laws for Cam Gears and Servo Drives” — tableau des valeurs caractéristiques Cv, Ca, Cj pour les lois de mouvement normalisées. nolte-nc-kurventechnik.de
[3] H. Qiu et al., “Design and analysis of high-speed cam mechanism using Fourier series”, Mechanism and Machine Theory, Vol. 104, 2016, pp. 118–129. ScienceDirect.
[4] R.L. Norton, Design of Machinery, McGraw-Hill, 2020. Chap. 7 : angle de pression et dimensionnement du cercle de base.
[5] P. Folęga et al., “Impact of the cam and follower cooperation and of lubrication on wear”, Archives of Materials Science and Engineering, Vol. 58(2), 2012, pp. 211–218.
[6] ISO 6336 Part 5 — Limite de résistance au contact pour aciers avec différents traitements thermiques. Tableau des contraintes de contact admissibles pour cémentation, nitruration et trempe.
[7] EN 10084:2008 — Aciers de cémentation : 16MnCr5 (1.7131). Dureté superficielle après cémentation et trempe : 58–62 HRC ; profondeur de couche : 0,5–1,2 mm.
[8] M. Yang, H. You, R.D. Sisson, “Nitriding and Ferritic Nitrocarburizing of Quenched and Tempered Steels”, Proc. HT2021, ASM International, 2021.
