Vis et écrous avec Freecad

J'ai écrit cet article en 2022, je n'avais pas refait de pièces filetées depuis assez longtemps et il me semble que avec les dernières versions du programme (0.21.2 au jour ou j'écris) ça ne fonctionne plus.

Par contre, de nouvelles fonctionnalités ont été développées dans Freecad, permettant de faire très rapidement des filetages sans passer par la conception de l'esquisse. Il s'agit en particulier des ateliers complémentaires threadprofile et fasteners.

Ceci étant je laisse en ligne le présent article qui garde un intérêt "culturel".

On sort un peu de l'aéromodélisme, quoique ... j'ai eu besoin d'apprendre à concevoir des vis et des écrous pour réaliser des pièces 3D à destination de certains de mes modèles.

Ce document s’applique aux filetages en pas métrique. Cela ne veut pas dire que ce qui suit ne s’applique pas aux filetages en pas US ou UK mais … je n'ai pas vérifié.

Et la version de Freecad utilisée est la 0.19

I/ norme pour les filetages métriques de vis et écrous :

La conception des filetages métriques de vis et écrous est normalisée.

On pourrait croire qu’il y a beaucoup de variables, mais en fait beaucoup sont liées. Et finalement la connaissance du diamètre et du pas permet de complètement définir le filetage.

Nota : la « pointe" du filet est tronquée d'un coté, et arrondie de l'autre. L'arrondi est coté matière, c'est à dire à l'extérieur pour l'écrou et à l’intérieur coté vis.

II/ Conception du filetage de la vis (exemple sur une vis de diamètre 8, pas 100 - c'est un pas fin, en pas standard avec un diamètre 8 on a un pas de 125 – et longueur 20 mm) :

1/ dessiner le filet

a/ tracer le triangle en mode conception. Je le fais dans l’atelier parc design, esquisse, puis choisir l’outil polygone triangle. Cela donne un triangle équilatéral, donc avec des angles de 60° entre les arrêtes. On positionne le centre sur l’axe horizontal, ainsi que le sommet coté origine des axes. Puis on fixe la distance entre deux sommets égale au pas :

b/ repasser en mode création, tracer le filet lui même : trois segments de droite et un arc de cercle formant un périmètre fermé. Deux des segments s’appuient sur les lignes de construction, le 3^ème est vertical « coté extérieur ». L’arc de cercle est tangent aux segments de droite au point de contact. Il y a seulement 3 cotes à indiquer (en plus du pas) pour contraindre totalement l’esquisse :

détail des calculs :

•          diamètre / 2 : 0.5 x 8 = 4
•          ½ d1 : 0.5 x (8 - 1.0825 x 1 ) = 3.45875
•          ½ d1 - H / 4 : 3.45875 – 0.25 x (1.732 / 2 x 1) = 3.24225

2 : définir une hélice sur laquelle va « s’enrouler » l’esquisse pour former le filetage

a / Aller dans l’atelier « part » et sélectionner l’outil « création de primitives paramétrées »

b/ sur la gauche de l’écran apparaît la fenêtre suivante (ici le haut seulement) :

c/ cliquer sur la flèche de liste (à droite de « plan » dans l’image précédente). Une liste apparaît :

d/ sélectionner « hélice ». Un écran apparaît ou on peut définir les paramètres de l’hélice. Choisir :

•  
• Axe de tangage : c’est le pas, valeur = 1
• Hauteur : c’est la hauteur du filet. Pour que tout se passe bien il faut qu’elle soit supérieure à la longueur de la vis, je l’augmente de la valeur du pas et donc la valeur entrée est 21
• Rayon : celui de la vis, donc 4mm.

Le résultat est le suivant :

4/ « enrouler » l’esquisse sur l’hélice pour créer le pas 

a/ aller dans l’atelier « part design » et sélectionner l’outil « sweep a selected sketch along a helix »

b/ documenter les valeurs de « pitch »  égal au pas (1 ici) et « height » égale à la hauteur de l’hélice donc 21mm. Ca donne cela :

4/ créer la vis :

 Dans l’atelier part, créer un cylindre ayant la longueur de la vis et un rayon très légèrement inférieur à celui de la vis. Si on applique exactement le diamètre de la vis l’étape suivante (soustraction du filet) se passe mal. Il suffit par exemple de choisir un rayon de 3.99 mm (au lieu de 4 correspondant au rayon de la vis)

Puis soustraire le filet du cylindre, en utilisant l’outil d’opérations booléennes, et non pas directement l’outil soustraction (je ne sais pas pourquoi, mais sinon j’ai un message d’erreur). On obtient la vis filetée.

 II/ Conception du filetage de l'écrou (exemple sur une écrou avec un filetage de diamètre 8 et pas 100) :

Le principe est exactement le même que pour la vis. Seules différences, l’esquisse qui va former le filet  et la forme de laquelle le filetage va être soustrait.

1 /  le dessin du filet : tout est dans l'image ci-dessous :

détail des calculs :

• ½ d1 : 0.5 x (8 - 1.0825 x 1 ) = 3.45875
• ½  diamètre : 0.5 x 8 = 4
• ½ D + H / 8 : 4 + 0.125 x (1.732 / 2 x 1) / 8  = 4.10825

2 / le corps de l’écrou :

Tout dépend du projet. Pour l’exemple je prends un cylindre de longueur 20 mm. Le diamètre intérieur est égal au diamètre intérieur du filet (D1) auquel j’ajoute 0.02 mm pour que tout se passe bien lors de la soustraction du filet. Le diamètre extérieur est .. ce qu’on veut. Ici j'ai pris 6 mm

Il est difficile de visualiser le résultat après avoir soustrait le filetage du corps de l’écrou, puisque ce filetage est à l’intérieur de l'écrou. On peut couper en deux l'écrou, sur toute ou partie de sa longueur, en soustrayant un cube de dimensions adaptées. Dans le cas de mon exemple ça donne ceci :

III / « automatisation » de la mise à jour des cotes : 

Si on veut dessiner plusieurs vis ou écrous de diamètre et pas différent, il faut mettre à jour toutes les cotes ce qui est fastidieux. On peut simplifier cela en utilisant une feuille de données contenant les différents paramètres (diamètre, pas, et par calcul D1 et H).

Pour cela aller dans l’atelier spreadsheet, et choisir l’outil « créer une nouvelle feuille de calcul ».  On peut y faire figurer des valeurs (saisies ou calculées), et leur donner un nom pour les introduire dans les valeurs des différentes cotes. 

L'impression 3D n'a pas une précision parfaite. Avec mon imprimante sur cet exemple quand j'imprime une vis elle se visse dans un écrou métallique, et l'écrou se visse sur une visse métallique. Dans les 2 cas en forçant un tout petit peu lors du premier vissage.

Mais si j'essaie de visser la vis imprimée sur l'écrou imprimé ... ça coince. si on a une filière et un taraud on peut s'en servir pour supprimer la matière en trop. Si on n'a pas ... il faut tricher un peu sur les dimensions, en diminuant un peu (tout petit peu ...) la distance entre plats de filets pour la vis, et en l'augmentant pour l'écrou (on peut jouer sur le diamètre). Il faut parfois plusieurs essais pour trouver la bonne valeur qui donne du jeu mais pas trop, on pourra faire des tests avec des longeurs de vis ou écrous réduites (quelques pas).