Développement d’une nouvelle méthode de serrage intelligente pour le contrôle des assemblages boulonnés

Essais sur les fixations de diamètre 5,56 mm

 Les premiers essais sont réalisés sur des fixations de diamètre 5,56 mm (Figure 3.2-1avec deux épaisseurs de plaques à serrer. Les plaques en aluminium sont des carrés dont la longueur de côté est égale à cinq fois le diamètre de la fixation. Cette longueur correspondant au pas maximal entre deux fixations, utilisé en production. Elles auront donc pour dimension : 27,8 mm x 27,8 mm x 2 et 4,5 mm. Ces deux cas seront appelés par la suite : vis courte pour l’épaisseur de 4 mm et longue pour celle de 9 mm. Figure 3.2-1 Une vis courte à gauche et une longue à droite Le matériel utilisé pour serrer les plus petits diamètres est une visseuse portable sans fil Atlas Copco ETP-STB32-12-10 (Figure 3.2-2) équipée d’un renvoi d’angle. Ce dispositif a été mis en place par le bureau des méthodes afin d’avoir accès à la vis pour la maintenir durant le serrage en utilisant une clé Allen. Cela permet d’éviter la casse de l’immobilisateur en cas de serrage non conforme, ce qui peut être souvent le cas lors de la phase de validation des gammes d’assemblages. Figure 3.2-2 Visseuse sans fil utilisée lors des essais Or dans notre cas, l’utilisation de cette clé peut causer une perte de précision, le bras de l’opérateur n’étant pas rigide le maintien n’est pas parfait, entraînant des défauts dans les mesures. Une nouvelle douille équipée d’un immobilisateur a été réalisée par la société Pneumat. L’immobilisateur également réalisé par cette société est un assemblage comprenant deux pièces : une pièce supérieure massive qui va transmettre le couple de réaction à l’outil via un hexagone et une pièce plus fine qui transmet le couple de réaction de la vis à l’immobilisateur. La pièce la plus fine faisant office de fusible en cas de dépassement du couple ou d’un serrage incorrect, un système de changement rapide au moyen d’une bague coulissante est intégré dans la pièce supérieure (Figure 3.2-3). Figure 3.2-3 Douille et immobilisateur Chapitre 3 Première campagne d’essais Page 81 Pour empêcher la rotation des plaques sous l’effet des frottements sans pour autant limiter les déplacements dans les autres directions, un support a été réalisé via impression 3D. Ce moyen permet d’obtenir rapidement la pièce à moindre coût et sans usinage complémentaire. La partie basse de ce support est prise dans un étau. Des trous sont prévus pour pouvoir fixer le support sur une cellule de mesure de couple afin de mesurer le couple passant par les plaques lors du serrage. Figure 3.2-4 Echantillon placé dans son support La vitesse de rotation (72,5 rpm) de l’outil a été réglée de façon à avoir le maximum de points sur la courbe afin de détecter les changements de pentes. L’échantillonnage étant fixé par le constructeur, il s’agit du seul moyen d’avoir une précision suffisante.

Essais de référence sans défaut

 Trois essais de références (sans jeu) ont été réalisés sur une épaisseur à serrer de 9 mm. Les résultats sont présentés sur la Figure 3.2-5. Les résultats sont très proches les uns des autres, cela vient vraisemblablement du fait que les éléments de fixations proviennent d’un même lot et ont des caractéristiques proches en termes de frottements dues au revêtement, il n’y a donc pas de dispersion. Figure 3.2-5 Essais de référence, épaisseur totale 9 mm Les pertes de couples momentanés sont dues au fait que l’immobilisateur était situé trop en retrait à l’intérieur de la douille et que sous l’effet du couple de réaction celui-ci se désengageait, entraînant la rotation de la vis. Ce problème a été corrigé en ponçant légèrement la douille afin de réduire sa profondeur. De la même façon, les résultats pour les vis courtes sont présentés sur la Figure 3.2-6. Figure 3.2-6 Essais de référence, épaisseur totale 4 mm Le comportement est le même dans les deux cas, avec une raideur lors du serrage légèrement plus faible pour les longues vis que pour les courtes : coefficients directeurs sur la partie linéaire correspondant au serrage de 0,076 Nm/° et 0,085 Nm/° respectivement. Bien sûr ces résultats dépendent des conditions de frottements mais les valeurs données par le modèle analytique, dans le chapitre sur la modélisation, à iso coefficients, confirment cette tendance. Bien que ces essais soient réalisés sur des éprouvettes sans défaut, il existe déjà des changements de pentes sur le graphique. Ceux-ci représentent la transition entre le freinage de l’écrou et le serrage. La valeur de ce freinage déjà présenté dans le chapitre sur la modélisation peut être évaluée soit en regardant la valeur du plateau soit en regardant la valeur de couple correspondant entre le plateau et la partie linéaire illustrant le serrage. La valeur du freinage pour les vis longues (1,5 N.m environ) est inférieure à celle des courtes (supérieur à 2 N.m), alors que les écrous proviennent d’un même lot (Figure 3.2-7). Les vis courtes doivent donc être légèrement hors tolérance, la valeur maximale théorique du freinage pour ce type d’association vis-écrou étant de 1,7 N.m. Figure 3.2-7 Comparaison des cas de référence vis courte et longue, écrous acier Ce plateau se termine donc lorsque l’écrou entre en contact avec la plaque entraînant un changement de pente. La partie linéaire suivante correspond au serrage effectif du joint et constitue donc la zone principale d’intérêt pour cette étude, les résultats d’essais vont donc être maintenant comparés aux différents modèles utilisés pour prédire la valeur de cette nouvelle pente. Le coefficient directeur de chacune des pentes est utilisé pour calculer le coefficient de frottements global pour chacun des cas.  Vis courte Vis longue Chapitre 3 Première campagne d’essais Page 83 Puis, la valeur moyenne des coefficients de frottement global est injectée dans le modèle analytique et le modèle éléments finis (sans freinage de l’écrou). La valeur des pentes données par ces modèles est ensuite comparée à la valeur moyenne des essais. Figure 3.2-8 Epaisseur totale 4 mm L’ensemble des résultats est présenté dans le tableau suivant (Tableau 3.2-1). Tableau 3.2-1 Comparaison des coefficients directeurs pour des cas de références vis courtes Coefficient directeur Nm/° Coefficient global frottement Ecart analytique Ecart simulation Essai 1 0,093 0,027 – – Essai 2 0,108 0,035 – – Essai 3 0,101 0,030 – – Moyenne 0,100 0,031 4 % (0,1043) 5 % (0,0958) Les coefficients de frottements calculés sont nettement inférieurs aux coefficients déterminés en introduction de ce chapitre. Cela provient de la trop grande rigidité donnée par le modèle analytique, le solveur va donc trouver des coefficients de frottements relativement plus faibles lorsqu’il fait l’égalité sur le coefficient directeur. Cette idée déjà introduite dans le chapitre précédent semble donc être validée ici. La même démarche est ensuite appliquée aux vis longues. Figure 3.2-9 Epaisseur totale 9 mm Et les coefficients directeurs correspondants sont présentés dans le tableau suivant. 0 1 2 3 4 5 6 7 900 920 940 960 980 1000 1020 Couple (N.m) Angle (°) Essai 1 Essai 2 Essai 3 Analytique Simulation 0 2 4 6 8 900 920 940 960 980 1000 1020 Couple (N.m) Angle (°) Essai 1 Essai 2 Essai 3 Analytique Simulation Chapitre 3 Première campagne d’essais Page 84 Tableau 3.2-2 Comparaison des coefficients directeurs pour des cas de références vis longues Coefficient directeur Nm/° Coefficient global frottement Ecart analytique Ecart simulation Essai 1 0,0850 0,033 – – Essai 2 0,0800 0,030 – – Essai 3 0,0870 0,035 – – Moyenne 0,0840 0,033 1 % (0,0844) 6 % (0,0794) La corrélation entre les résultats est satisfaisante. La modélisation sous Abaqus nous permettra de mieux appréhender le comportement des échantillons lors des serrages avec défauts. 

Essais avec jeux 

Essais avec jeux sur les vis longues 

Les résultats des serrages des essais avec jeux sont présentés sur le graphique suivant (Figure 3.2-10). Pour chaque configuration, une série de trois essais est réalisée mais seule une courbe par configuration est présentée, par souci de clarté, très peu de variations existant sur ces essais relativement simples. Figure 3.2-10 Essais avec jeux, longues vis Les mesures sont fortement bruitées du fait de l’échantillonnage nécessaire pour avoir suffisamment de points de mesures. Après application d’un filtre, les résultats sont plus lisibles (Figure 3.2-11). Figure 3.2-11 Essais avec jeux, longues vis filtrées. Deux comportements distincts sont visibles sur le graphique (Figure 3.2-11) : – Les cas où le jeu est comblé au cours du serrage (0,05 à 0,3 mm) ; – Les cas où le jeu n’est pas comblé (0,5 et 1 mm). Les deux cas ont une pente commune qui correspond au cas où le jeu ne se ferme pas. Une fois le contact entre les plaques établi, la pente correspond alors à celle obtenue lors des essais de référence (Figure 3.2-12). En isolant un cas où le jeu reste ouvert (0,5 mm) et un cas où le jeu est comblé (0,15 mm) avec la courbe de référence sans jeu, ce phénomène est encore plus visible. Figure 3.2-12 Comparaison entre essais avec jeu et essai de référence (épaisseur 9 mm) Afin de valider définitivement la détection de la fermeture des jeux, un essai arrêté est réalisé pour un jeu de 0,15 mm. Issue de la courbe précédente, la valeur de fermeture est d’environ 3 Nm, l’essai est donc stoppé pour une valeur de 2,5 Nm et l’échantillon découpé afin de voir si le contact est établi ou non. Figure 3.2-13 Résultat du serrage et coupe micrographique sur essai arrêté Les coupes micrographiques valident les observations réalisées plus haut : le segment situé entre le plateau et le segment final correspondant au serrage, traduit la fermeture d’un jeu. Il est alors possible, connaissant le pas de la fixation, de calculer la dimension du jeu présent initialement entre les pièces. La question se pose maintenant sur la valeur de cette pente, à savoir si elle est affectée ou non par la fermeture du jeu. Malheureusement, il n’est pas facile de s’affranchir des effets des frottements et de conclure à l’influence du jeu dans la valeur de la pente finale, mais la dimension de la zone de contact doit être affectée par ces jeux et donc affecter la raideur globale de l’assemblage.