Choisir un mandrin 3 mors à serrage concentrique pour les barres rondes ou hexagonales lorsque la concentricité typique de 0.05-0.10 mm est acceptable et qu'un réglage en 30-60 secondes compte — un seul tour de clé entraîne les trois mors via un scroll. Passer à un mandrin 4 mors indépendant pour les barres carrées ou rectangulaires, le travail excentré ou toute concentricité inférieure à 0.01 mm : les quatre vis indépendantes des mors permettent d'aligner la pièce au comparateur sous 0.005 mm de TIR, au prix de 5-30 minutes de réglage par pièce.
Pour la vue d'ensemble plus large de la catégorie étau / mandrin / pointe tournante, voir le guide de sélection du serrage de pièces. Cet article descend d'un cran sur la décision côté tour — 3 mors par scroll contre 4 mors indépendants — et complète l'analyse côté fraisage du guide de sélection des mors d'étau.
Mécanisme : scroll vs vis indépendantes
La différence de mécanisme est à la source de tous les arbitrages en aval. Un mandrin 3 mors à serrage concentrique déplace ses trois mors de façon synchrone par rotation d'une plaque-scroll spirale unique (selon ISO 3089 pour les mors monoblocs), tandis qu'un mandrin 4 mors indépendant entraîne chacun de ses quatre mors par une vis radiale séparée, sans liaison mécanique entre elles. L'ISO 3089 est la norme pertinente pour les mandrins à serrage concentrique avec mors monoblocs, définissant les dimensions des mors et les interfaces du corps de mandrin ; elle est citée parce qu'elle standardise la géométrie que les mandrins 3 mors par scroll doivent satisfaire.
Dans un mandrin par scroll, un tour de clé engage un pignon conique qui fait tourner le scroll. La rainure spirale du scroll engrène avec les dents de la face arrière de chaque mors, avançant ou retirant les trois mors d'une même quantité par tour de clé. C'est cette synchronisation qui donne au 3 mors sa propriété de « serrage concentrique » — une pièce parfaitement ronde se positionne automatiquement sur l'axe du mandrin.
Dans un mandrin 4 mors indépendant, chaque mors a sa propre vis radiale dédiée, et la clé engage une vis à la fois. Les mors ne se déplacent pas ensemble. Chaque mors doit être avancé ou retiré indépendamment, ce qui permet au mandrin de tenir des pièces non rondes et de l'ajuster à n'importe quel décalage souhaité. La JIS B 6151 couvre les spécifications générales des mandrins de tour et constitue la norme la plus fréquemment référencée pour les deux familles de mandrins dans l'outillage de production asiatique — elle est citée ici parce qu'elle standardise les tailles nominales, les interfaces de montage et les classes de précision que les acheteurs comparent entre fournisseurs.
Concentricité : ce que chaque mandrin tient réellement
La concentricité est l'axe où les deux familles de mandrins divergent le plus nettement. Un mandrin 3 mors par scroll neuf tient typiquement 0.05-0.10 mm de TIR (total indicator runout) sur barre ronde sortie de fournisseur, tandis qu'un mandrin 4 mors indépendant peut être aligné au comparateur sous 0.005 mm de TIR sur une pièce unique — un écart de précision atteignable de 10-20×. La DIN 55029 définit le court cône utilisé sur les deux mandrins pour les fixer au nez de broche ; cette norme est citée parce que l'interface de montage est une source d'erreur partagée par les deux familles, et qu'un cône DIN 55029 usé dégrade la précision de tout mandrin, indépendamment du nombre de mors.
Trois facteurs fixent le seuil de précision du 3 mors :
- Usure du scroll. Chaque cycle de serrage frotte la rainure spirale du scroll contre les dents des mors. Après environ 2 000-5 000 cycles en usage production, l'usure du scroll élargit typiquement le faux-rond de 0.05 mm à 0.10-0.15 mm.
- Assise des mors. Les mors monoblocs durs portent contre les dents du scroll ; le matage des assises de mors sous serrage lourd décale cumulativement la position d'arrêt effective de chaque mors.
- Géométrie de la pièce. Un mandrin par scroll ne centre automatiquement qu'une pièce parfaitement ronde et parfaitement cylindrique — une barre brute hors-rond ou une coupe sciée bavurée transmettent directement leur erreur géométrique dans la position serrée.
Le mandrin 4 mors indépendant échappe à ces limites parce que chaque mors est avancé individuellement jusqu'à ce qu'un comparateur appliqué sur la pièce affiche zéro TIR — le faux-rond chute à ce que le comparateur peut résoudre, typiquement 0.001-0.005 mm avec un comparateur à 0.001 mm. C'est aussi pourquoi les mandrins 4 mors sont l'outil standard pour reprendre une pièce partiellement usinée avec une concentricité de seconde opération sous 0.005 mm.
| Facteur de concentricité | 3 mors à serrage concentrique (K11) | 4 mors indépendant |
|---|---|---|
| TIR typique à neuf (barre ronde) | 0.05-0.10 mm | 0.05-0.15 mm avant alignement |
| TIR atteignable avec alignement | Non ajustable (scroll fixe) | <0.005 mm (limité par le comparateur) |
| TIR après 2 000-5 000 cycles d'usure | 0.10-0.15 mm typique | Inchangé (mors indépendants) |
| Adapté pour faux-rond < 0.01 mm | Non | Oui |
Temps de réglage : 30 secondes contre 30 minutes
L'écart de temps de réglage est la principale raison pour laquelle la plupart des ateliers de production conservent les deux types de mandrins. Un mandrin 3 mors à serrage concentrique serre typiquement une pièce ronde en 30-60 secondes — insertion de la barre, un tour de clé, serrage — tandis qu'un mandrin 4 mors indépendant requiert typiquement 5-30 minutes d'alignement au comparateur par pièce, selon l'opérateur et le TIR exigé.
Le flux d'alignement 4 mors :
- Monter la pièce, serrer légèrement les quatre mors pour la maintenir
- Placer un comparateur à base magnétique contre l'OD de la pièce
- Faire tourner lentement le mandrin à la main et lire le TIR
- Desserrer le mors côté point haut, serrer le mors opposé pour pousser le point haut vers le centre
- Répéter sur les deux paires de mors (typiquement 4-8 itérations) jusqu'à ce que le TIR soit dans la cible
- Serrer en croix les quatre mors à la force de bridage finale
L'alignement au comparateur sous 0.005 mm de TIR demande typiquement 5-10 minutes pour un opérateur expérimenté sur une pièce cylindrique régulière, 15-30 minutes sur des pièces moulées irrégulières ou des montages excentrés, contre les 30-60 secondes du serrage à un seul tour de clé sur un 3 mors. Ce multiplicateur de temps de réglage est décisif sur les séries : un travail de 200 pièces se termine 50-100 minutes plus tôt sur un 3 mors que sur un 4 mors à tolérance de concentricité égale, à condition que la pièce soit suffisamment ronde pour que le 3 mors livre un TIR acceptable.
Pratique du temps de réglage
Pour la production en lot où chaque pièce a le même diamètre, monter une fois des mors doux alésés sur l'un ou l'autre mandrin. Les mors doux usinés en machine héritent de la précision propre de la broche — la concentricité typique tombe sous 0.025 mm sans aucun alignement par pièce. Les mors doux alésés sur un mandrin 3 mors livrent typiquement 0.01-0.025 mm de TIR répétable sur toute une série, captant l'essentiel du bénéfice de précision du 4 mors aux vitesses de réglage du 3 mors.
Force de serrage et géométrie de la pièce
La force de serrage est comparable lorsque les mandrins sont correctement dimensionnés, mais l'enveloppe géométrique diffère fortement. Un mandrin 3 mors et un mandrin 4 mors de même OD livrent typiquement un couple de serrage maximal similaire (par exemple, environ 250 Nm à 200 mm), mais le 4 mors répartit cette force sur quatre points de contact au lieu de trois, ce qui peut stabiliser des pièces asymétriques ou lourdes sous charges de coupe inégales. Au-delà de la force, c'est la géométrie de ce que chaque mandrin peut serrer qui devient le facteur décisif.
| Géométrie de pièce | 3 mors à serrage concentrique | 4 mors indépendant |
|---|---|---|
| Barre ronde / arbre | Excellent (auto-centrage) | Excellent (avec alignement) |
| Barre hexagonale (3 ou 6 plats) | Excellent en hexagonal (3 plats portent sur 3 mors) | Médiocre sauf avec mors en V |
| Barre carrée | Non praticable (basculement) | Application standard |
| Plaque rectangulaire | Non praticable | Application standard |
| Tournage excentré / décalé | Non praticable | Application standard — décalage par glissement de la pièce |
| Pièce moulée / forgée (irrégulière) | Marginal — TIR élevé | Application standard — alignement sur surface fonctionnelle |
Un mandrin 3 mors par scroll ne peut physiquement pas serrer une pièce carrée parce que deux des trois mors porteront sur un plat tandis que le troisième portera sur un coin, laissant un appui à trois points instable qui bascule sous charge. Le mandrin 4 mors indépendant est le seul mandrin de tour de production standard qui tient les barres carrées ou rectangulaires, et le seul qui supporte le tournage excentré, où l'axe de la pièce est délibérément décalé par rapport à l'axe de la broche.
Erreur fréquente
Tenter de serrer une barre non ronde dans un 3 mors avec un excédent de force endommage le mandrin plus que la pièce. Forcer un mandrin 3 mors sur du carré ou de la barre bavurée peut mater les assises de mors et déformer la plaque-scroll en quelques cycles, dommage typiquement irréversible qui décale durablement le faux-rond du mandrin au-dessus de 0.15 mm. Lorsque la pièce n'est pas ronde, le choix du mandrin est déjà fait — passer au 4 mors plutôt que de surserrer le 3 mors.
Mors doux et mors durs sur les deux types de mandrins
Les mandrins 3 mors comme 4 mors acceptent des mors doux et des mors durs, et le choix de matériau reflète la décision côté étau de fraisage (traitée séparément dans le guide de sélection des mors d'étau). L'AISI 1018 (HB 116-149, typiquement HRC 15-25 à l'état doux) est le substrat standard pour les mors doux parce qu'il est suffisamment tendre pour être alésé ou fraisé in situ sur le tour même, transférant la concentricité propre de la broche directement dans la cavité alésée du mors. L'AISI 1018 est explicitement nommé parce que cette combinaison de coût bas, d'usinabilité prévisible et de stabilité dimensionnelle après usinage en fait le choix par défaut sur les gammes catalogue de mors doux.
Les mors durs sont l'option par défaut en production. L'acier chrome-molybdène AISI 4140 est privilégié pour les mors durs parce que, traité thermiquement à HRC 58-62, il combine résistance à l'usure face au contact répété de la pièce avec assez de ténacité pour survivre aux cycles de serrage interrompus, et le 20CrMnTi est l'alliage typique pour corps de mandrins cémentés et mors de base. Le 20CrMnTi est cité parce que la cémentation de cet alliage de spécification chinoise produit une surface de travail à HRC 58-62 sur un cœur tenace à HRC 30-35 — même profil de dureté que les corps d'étaux cémentés — assurant longue vie aux mors et au corps sous serrage de production.
Les mors doux alésés in situ sont aussi la réponse pratique à la concentricité de précision unitaire, même sur un mandrin 3 mors par scroll :
- Monter des mors doux 1018 vierges sur le mandrin
- Serrer une bague de calibre sacrifice ou un parallèle de précision dimensionné au diamètre de serrage planifié
- Aléser ou fraiser les faces de mors sur le tour même qui exécutera la pièce
- Libérer le calibre ; la cavité alésée correspond désormais à la pièce dans la limite du faux-rond de la broche
Les mors doux alésés sur un mandrin 3 mors par scroll atteignent typiquement 0.01-0.025 mm de TIR, captant l'essentiel du bénéfice de précision du 4 mors sans alignement par pièce — mais uniquement sur le diamètre auquel les mors ont été alésés. Un second diamètre exige un second jeu de mors doux ou un ré-alésage.
Tailles courantes et serrage manuel vs motorisé
Les mandrins 3 mors comme 4 mors couvrent une plage similaire de 80-630 mm OD, la taille étant choisie selon l'alésage de broche du tour et l'OD de la pièce. Les tailles de production courantes sont 6"/8"/10"/12" (160/200/250/315 mm) pour les mandrins 3 mors sur tours CNC petits à moyens, et 8"/10"/12" (200/250/315 mm) pour les mandrins 4 mors sur centres de tournage moyens à grands et tours manuels. Le 3 mors est proposé en tailles légèrement plus petites (jusqu'à 80 mm) que le 4 mors parce que la géométrie à quatre vis exige davantage de diamètre de corps pour loger les vis entre mors adjacents.
| OD du mandrin | Alésage typique | Vitesse max (3 mors) | Vitesse max (4 mors) | Application courante |
|---|---|---|---|---|
| 160 mm (6") | 40-50 mm | ~4 000 RPM | (peu courant à cette taille) | Petit tour CNC, barre jusqu'à 50 mm |
| 200 mm (8") | 52-66 mm | ~3 000 RPM | ~2 000 RPM | Tour CNC moyen, production générale |
| 250 mm (10") | 76-85 mm | ~2 500 RPM | ~1 800 RPM | Tour CNC plus grand, travail d'arbres |
| 315 mm (12") | 100-115 mm | ~2 000 RPM | ~1 500 RPM | Grand centre de tournage, pièces lourdes |
Le 4 mors tourne typiquement 30-35 % moins vite à OD égal parce que la masse supplémentaire des mors et vis élève l'inertie de rotation et la force centrifuge sur les mors, ce qui explique que les 3 mors dominent la finition à plus haute RPM tandis que les 4 mors dominent l'ébauche plus grande et plus lente.
Au-delà de la taille et du nombre de mors, le mode d'actionnement scinde la sélection mandrin entre prototypage et production :
- Mandrin manuel : la clé fait tourner le scroll (3 mors) ou les vis individuelles (4 mors). Coût le plus bas, aucune contrainte d'alésage de broche. Standard pour tours manuels, prototypage, petits volumes.
- Mandrin motorisé pneumatique / hydraulique : un tirant traverse l'alésage de broche et actionne les mors via un mécanisme à coin. Le temps de cycle chute de 30-60 secondes (manuel) à 1-3 secondes (pneumatique). Standard pour tours CNC de production exécutant >50 pièces par réglage.
Les mandrins motorisés pneumatiques et hydrauliques sont typiquement à 3 mors parce que leur actionneur à coin entraîne tous les mors de manière synchrone par conception — l'équivalent 4 mors existe mais reste rare, le travail de production exigeant la géométrie 4 mors n'ayant généralement pas besoin d'un actionnement en 1-3 secondes. Pour la production de barre ronde à >50 pièces par réglage, un 3 mors hydraulique est le standard. Pour la précision unitaire ou la barre non ronde, un 4 mors manuel est le standard.
Cadre de décision pratique
La séquence de sélection est : pièce d'abord, puis volume, puis précision :
- La pièce est-elle ronde ou hexagonale ? Si oui, le 3 mors est le point de départ par défaut. Si non (carrée, rectangulaire, excentrée, pièce moulée irrégulière), le 4 mors est requis.
- Quelle concentricité l'opération exige-t-elle ? ≥0.05 mm : 3 mors avec mors durs. 0.025-0.05 mm : 3 mors avec mors doux alésés. <0.01 mm : 4 mors avec alignement au comparateur, indépendamment de la forme de la pièce.
- Quel est le volume de production ? ≥50 pièces par réglage : préférer un 3 mors motorisé pour amortir le temps de cycle de 1-3 secondes. <10 pièces ou unités : mandrin manuel de l'un ou l'autre type, choisi selon la forme de la pièce.
- S'agit-il d'une reprise pour seconde opération ? Un 4 mors avec alignement au comparateur est standard, parce qu'il peut se référer à une surface déjà usinée sans hériter de l'erreur de concentricité de la première opération.
✦ 3 mors à serrage concentrique — adapté pour
- Barre ronde et hexagonale (auto-centrage en 30-60 secondes)
- Production en lot à concentricité typique 0.05-0.10 mm
- Tournage CNC motorisé à temps de cycle 1-3 secondes
- Pièces où le temps de réglage domine l'équation de coût
✦ 4 mors indépendant — adapté pour
- Pièces carrées, rectangulaires ou excentrées
- Pièces de précision unitaires exigeant un TIR sous 0.01 mm
- Reprise pour concentricité de seconde opération sur surface finie
- Pièces moulées et forgées exigeant un alignement sur référence fonctionnelle
Tableau de sélection rapide
| Scénario | Type de mandrin | Choix de mors | TIR typique | Pourquoi |
|---|---|---|---|---|
| Production barre ronde, ≥50 pièces, tour CNC 8" | 3 mors motorisé (K11) | Mors monoblocs durs (4140 HRC 58-62) | 0.05-0.10 mm | Cycle 1-3 s amortit le réglage ; auto-centrage selon ISO 3089 |
| Production barre hexagonale, tour manuel | 3 mors manuel | Mors hexagonaux durs (4140) | 0.05-0.10 mm | Trois mors portent proprement sur trois des six plats hexagonaux |
| Barre ronde, concentricité de seconde opération sous 0.025 mm | 3 mors avec mors doux alésés | AISI 1018 alésés en machine | 0.01-0.025 mm | La cavité hérite de la précision broche ; pas d'alignement par pièce |
| Barre carrée / rectangulaire | 4 mors indépendant | Mors monoblocs durs (4140) | 0.05-0.10 mm post-serrage | Seule géométrie de mandrin qui tient stablement le carré |
| Arbre de précision unitaire, faux-rond sous 0.005 mm | 4 mors indépendant | Mors durs réversibles | <0.005 mm avec alignement | Vis indépendantes permettent un alignement au plancher du comparateur |
| Tournage excentré / décalé | 4 mors indépendant | Mors monoblocs durs (4140) | Fixé par le décalage visé | Seul mandrin praticable pour un décalage volontaire pièce-broche |
| Pièce moulée / forgée irrégulière | 4 mors indépendant | Mors doux ou mors durs universels | <0.025 mm sur référence fonctionnelle | L'alignement se réfère à une surface usinée, pas à l'OD brut |
| Reprise aérospatiale, sous 0.01 mm sur alésage | 4 mors avec mors doux alésés | AISI 1018 alésés à la référence d'alésage | <0.01 mm | Cavité de mors doux usinée à la cote de la pièce ; comparateur confirme après serrage |
Rond + vitesse = 3 mors ; non rond ou sous 0.01 mm = 4 mors.
Un mandrin 3 mors à serrage concentrique livre typiquement 0.05-0.10 mm de TIR sur barre ronde ou hexagonale avec un serrage à un tour de clé en 30-60 secondes (ou 1-3 secondes sur mandrin motorisé), ce qui en fait le choix par défaut pour la production en barre ronde. Un mandrin 4 mors indépendant permet typiquement un alignement sous 0.005 mm de TIR mais à 5-30 minutes de réglage par pièce, ce qui en fait le choix par défaut pour la barre non ronde, le travail excentré, la précision unitaire et les reprises de seconde opération. Les mors doux alésés (AISI 1018, HRC 15-25) sur l'un ou l'autre mandrin captent typiquement 0.01-0.025 mm de TIR répétable sur une série en héritant de la précision propre de la broche. Les mors durs (AISI 4140 à HRC 58-62 ou 20CrMnTi cémenté) sont standards pour la longévité en production. Selon ISO 3089 et JIS B 6151 pour les spécifications de mandrins et DIN 55029 pour le cône de montage, l'interface mandrin-broche reste une source d'erreur partagée par les deux familles, indépendamment du nombre de mors.
Quand faut-il aligner une pièce avec un mandrin 4 mors plutôt que se contenter d'un 3 mors ?
Aligner avec un 4 mors dès lors que la concentricité requise est sous 0.01 mm, que la pièce n'est pas ronde (carrée, rectangulaire, excentrée), ou qu'on reprend une pièce partiellement usinée sur une surface précédemment finie. Le faux-rond typique de 0.05-0.10 mm d'un 3 mors est acceptable pour le tournage général mais le disqualifie pour le travail sous 0.01 mm.
Cela vaut-il la peine d'aléser des mors doux pour des pièces de précision unitaires ?
Les mors doux valent typiquement la peine d'être alésés dès qu'on exécute plus de 5-10 pièces au même diamètre, parce que les 10-20 minutes de réglage d'alésage s'amortissent sur la série. Pour une seule pièce unitaire, l'alignement au comparateur sur 4 mors est plus rapide que d'aléser et remonter des mors doux. Pour les séries de 5-50 pièces sous 0.025 mm de TIR, les mors doux alésés sur un mandrin 3 mors sont typiquement l'option la plus efficace.
Pourquoi le faux-rond de mon mandrin 3 mors empire-t-il avec le temps ?
L'usure du scroll est la cause dominante — chaque cycle de serrage frotte la rainure spirale contre les dents des mors, et après typiquement 2 000-5 000 cycles de production le faux-rond dérive d'une valeur nominale de 0.05 mm vers 0.10-0.15 mm. Un serrage trop fort, l'infiltration d'arrosage abrasif et le matage des assises de mors accélèrent l'usure ; remplacer la plaque-scroll ou rénover le mandrin restitue typiquement la précision d'origine.
Un mandrin 4 mors peut-il s'auto-centrer comme un 3 mors si on serre légèrement ?
Non — un mandrin 4 mors indépendant n'a aucun mécanisme de synchronisation entre ses quatre vis, donc un serrage léger n'auto-centre pas la pièce ; il maintient simplement le décalage où la pièce s'est positionnée. Pour l'auto-centrage de barre ronde, il faut soit un mandrin 3 mors par scroll soit un mandrin 4 mors à serrage concentrique (un produit séparé, par ex. série K12), qui utilise un scroll comme le 3 mors mais avec quatre mors.
Quelle taille de mandrin de tour correspond à un tour CNC 8 pouces ?
Un mandrin 8 pouces (200 mm) est la correspondance typique, dimensionné pour que l'OD du mandrin n'excède pas le diamètre admissible au-dessus du chariot transversal et que l'alésage (52-66 mm typique à 200 mm) accepte la barre à introduire. Pour les tours CNC moyens en production générale, un 3 mors 200 mm à ~3 000 RPM max ou un 4 mors 200 mm à ~2 000 RPM max est standard.
Pour la décision côté outil correspondante — comment serrer le coupant une fois la pièce maintenue — voir le guide débutant pour le réglage d'outillage CNC, qui couvre la sélection du porte-outil depuis le standard de cône jusqu'au système de pinces.
