Méthodes de serrage
Les assemblages boulonnés sont les joints les plus importants dans l’industrie. Les programmes de calcul modernes permettent de concevoir des machines et des installations de plus en plus légères et avec des marges de sécurité réduites. Les matériaux sont donc soumis à des charges plus élevées, plus proches de leurs limites physiques. Cela nécessite une charge plus précise et plus stable dans les assemblages boulonnés.
Plus de 99 % des assemblages boulonnés industriels sont précontraints en rotation, au moyen d’un couple. Habituellement, le critère d’un couple final souhaité est utilisé. Cependant, d’autres méthodes, telles que les méthodes de contrôle du couple-angle et de la jauge de contrainte, sont de plus en plus utilisées, ce qui permet de précharger les boulons à un niveau plus élevé et d’exploiter davantage le potentiel de résistance du matériau. Pour continuer à répondre à ces exigences, l’industrie de la boulonnerie développe des outils plus avancés que jamais.
Outre une bonne méthode, la demande de documentation du processus de serrage en tant que preuve pour les donneurs d’ordre et les assureurs est en constante augmentation. Le traitement entièrement automatisé d’un protocole de serrage préalablement saisi minimise le risque d’erreurs de l’opérateur. Afin de réduire les risques liés aux défauts de matériau et de conception, une tendance se dessine, notamment pour les applications critiques : utiliser un second paramètre comme contrôle du premier (VDI 2862-2). Ce paramètre est généralement appelé le paramètre de contrôle.
Nous expliquons ci-dessous les méthodes de boulonnage les plus importantes et les plus couramment utilisées.
Contrôle du couple
Dans le cas de la procédure de serrage à couple contrôlé, la clé dynamométrique s’arrête lorsqu’un couple final défini est atteint. Dans ce processus, il est très important de connaître le coefficient de frottement. Tant le lubrifiant que la qualité des composants d’assemblage et de leurs surfaces influencent ce frottement. Des études montrent qu’environ 90 % du couple est utilisé pour surmonter le frottement, et environ 10 % pour l’allongement du boulon. L’allongement étant directement proportionnel à la charge du boulon* (loi de Hooke), il est important que le coefficient de frottement soit connu et stable pour obtenir des résultats précis en termes de charge du boulon. La directive VDI* indique que dans des conditions conventionnelles, on peut s’attendre à une précision de ±17% à ±23% de la force du boulon. A condition que les surfaces des composants à assembler soient de bonne qualité et que le filetage/la surface d’appui de l’écrou soit d’équerre. Des lubrifiants appropriés doivent être appliqués, conformément au coefficient de frottement supposé dans les calculs du moment. La méthode de serrage à couple contrôlé est encore la plus couramment utilisée. Cependant, des méthodes plus sophistiquées ont été développées au fil des ans pour mieux maîtriser la charge souhaitée sur le boulon.
Optimisation mécanique
Dans les assemblages à couple contrôlé, le couple de serrage est souvent considéré comme la valeur de référence pour la précision. Cependant, ce qui importe pour tous les assemblages, c’est la précision de la charge du boulon. Par conséquent, l’optimisation mécanique permet généralement d’obtenir des gains importants en termes de précision et de stabilité de la charge sur le boulon. Voici quelques exemples d’optimisation mécanique :
- Boulons et écrous de haute finition : rugosité de surface correcte, tolérances correctes, écrous aplatis de manière à ce que le trou et le plan du miroir soient carrés.
- Revêtements pour l’optimisation du frottement
- Rondelles trempées à cœur pour garantir la surface correcte sur laquelle tourne la tête de l’écrou ou du boulon.
Support axial de l’outil dynamométrique afin que les forces de flexion puissent être (dés)assemblées librement.*La proportionnalité droite ne s’applique que dans la zone élastique de la charge, jusqu’à la limite de la limite d’élasticité.
*VDI2230 Facteur de serrage conventionnel : αA 1.4 -1.6 (±17% à ±23%)
VDI2230 Facteur de serrage avec friction optimisée : αA 1.1 -1.2 (±5% à ±9%)
VDI2230 Facteur de serrage avec frottement contrôlé : αA 1.0 -1.1 (±2.5% à ±5%)
Contrôle du couple de rotation + de l’angle de rotation
La méthode de l’angle de moment mesure indirectement l’allongement du boulon. En utilisant le pas du filetage, un angle de rotation peut être lié à l’allongement du boulon, qui à son tour est directement proportionnel à la charge du boulon* (loi de Hooke). Toutefois, cela ne s’applique que lorsqu’un angle de rotation est entièrement converti en un allongement du boulon. Il faut donc s’assurer, avant de commencer la mesure de l’angle, que toutes les pièces serrées sont alignées les unes avec les autres et que l’application peut supporter la tension superficielle requise. Pour ce faire, il faut d’abord appliquer ce que l’on appelle un moment d’articulation. Celui-ci dépend entièrement de l’application et doit être calculé avec précision ou déterminé par des essais pratiques.
Cette méthode est particulièrement adaptée aux assemblages boulonnés avec une courte longueur de serrage et est souvent utilisée dans les assemblages acier-acier tels que ceux utilisés dans l’ingénierie structurelle et la construction de machines. Cette méthode se prête bien aux assemblages boulonnés ISO 4014, ISO 4017 et ISO 4762, car le contre-écrou ne peut pas tourner avec le boulon. Si le contre-écrou devait tourner, l’angle de rotation net serait inférieur et n’entraînerait pas la charge calculée sur le boulon. Il convient également d’utiliser un lubrifiant approprié pour éviter l’usure par frottement des boulons. La précision en termes de charge du boulon et de durabilité d’un assemblage peut être encore améliorée en serrant jusqu’à la limite d’élasticité.
*ne s’appliquent que dans la zone élastique de la charge, jusqu’à la limite d’élasticité.
Facteur de serrage VDI2230 : αA 1,2 -1,4
Reliure extensible
Rekgrens gestuurd aanhalen is een zeer beproefde methode welke reeds enkele decenia wordt toegepast in de automotive industrie. Bij rekgrensgestuurd aanhalen van boutverbindingen worden bouten tijdens het aanhalen vastgezet tot op de rekgrens/elasticiteitsgrens van een unieke verbinding. Daarbij wordt de rekgrens als stuurparameter gebruikt voor het bepalen van de boutkracht. Het doel hierbij is om het sterktepotentieel van elke unieke bout maximaal uit te nutten, daar deze per bout verschillend is. Een materiaal sterkteklasse zegt iets over de minimale treksterkte van het materiaal, echter hanteren fabrikanten een veiligheidsmarge en beschikt de bout over een latente reserves. Indépendamment du coefficient de frottement sous la tête de la vis ou sur le filetage, la vis est serrée jusqu’à sa limite d’élasticité. Pendant le montage, le quotient est calculé en divisant le couple appliqué par l’angle de rotation. Lorsque ce quotient change de manière significative, la limite élastique de l’assemblage est atteinte et le système interrompt automatiquement le processus de serrage.Comme pour la méthode couple-angle, l’assemblage doit d’abord être serré à un couple initial ou de contact avant que l’angle de rotation puisse être mesuré. La valeur de seuil du gradient peut souvent être prédéfinie. Étant donné que la vis ne subit qu’une déformation plastique marginale (< 0,2 Rp), même les vis avec une faible longueur de serrage peuvent être utilisées avec cette méthode de serrage à la limite d’élasticité.
Selon la norme VDI-2230 – novembre 2015, tableau A8, les assemblages vissés ne peuvent pas se rompre lorsqu’ils sont serrés selon cette méthode. De plus, les vis peuvent être réutilisées. La question est souvent posée de savoir s’il y a alors suffisamment de réserve pour la charge dynamique pendant le fonctionnement de l’installation ou de l’application. La réponse est oui. En effet, lors du serrage des assemblages boulonnés, il se produit non seulement une contrainte axiale, mais aussi une contrainte de torsion due au frottement des filets. La référence de la limite d’élasticité est déterminée par la résultante des deux charges. Immédiatement après l’élimination du moment, la composante de torsion se rétablit d’environ 50 %. En conséquence, la force exercée sur le boulon diminue et l’articulation acquiert à nouveau une réserve élastique suffisante pour faire face à toute charge dynamique en cours de fonctionnement. La contrainte de torsion restante se dissipe en grande partie avec le temps et sous l’influence des vibrations. Ce processus dure généralement des jours ou des semaines. Cette méthode est particulièrement adaptée aux assemblages acier-acier dont la longueur de serrage est courte ou normale, comme c’est le cas dans l’ingénierie structurelle. Facteur de serrage VDI2230 : non applicable.
Sur-élasticité
Dans le cas du serrage sur-élastique, on utilise soit la méthode de l’angle de moment, soit la méthode de contrôle de la déformation combinée à un angle de torsion. Dans le cas de la méthode de l’angle de moment, la précharge est d’abord appliquée à un moment de l’articulation, après quoi un angle de rotation fournit la précharge finale. Dans le cas du serrage guidé par la déformation, la précharge est d’abord appliquée à la limite d’élasticité, puis un angle de rotation est créé. Dans les deux cas, le boulon est préchargé dans la zone plastique, ce qui signifie que les boulons et les écrous ne peuvent pas être réutilisés. Cette méthode garantit une utilisation maximale de la capacité du matériau et de la résistance du boulon. La durabilité de l’assemblage augmente considérablement au cours du processus :
- En raison de la dissipation partielle des contraintes de torsion immédiatement après l’élimination du moment, des réserves de contraintes sont libérées pour la charge opérationnelle à un stade ultérieur.
- La déformation plastique des filets des boulons et des écrous pendant le serrage crée une meilleure répartition de la charge du boulon sur les différents filets, qui reste mieux répartie dans le domaine élastique même après la relaxation. Si une déformation plastique ultérieure se produit sous l’influence des forces d’exploitation, les pertes d’affaissement associées ramèneront l’assemblage dans le domaine élastique.
- Si la plastification se poursuit dans le boulon après l’assemblage sous l’effet des forces d’exploitation (FA), les pertes de relaxation et de tassement (FZ) qui en découlent ramèneront les articulations dans la plage d’élasticité.
Convient à la classe de risque A, B, C de la norme VDI 2862-2
Contrôle du couple – contrôle de l’angle de rotation
Le paramètre de contrôle de cette méthode de serrage est le couple souhaité, l’angle de rotation obtenu étant le paramètre de référence/contrôle à la fin du processus. L’angle de rotation sert de deuxième paramètre de contrôle. Cela permet, par exemple, de reconnaître le fretting d’un boulon ou, à l’inverse, l’écoulement involontaire d’un boulon. La méthode s’accorde bien avec la méthode la plus couramment utilisée (contrôle du moment) et ne nécessite donc pas d’adaptation du protocole. Cependant, elle offre des garanties supplémentaires en cas d’écarts, car l’angle de rotation est contrôlé en tant que deuxième paramètre.
Convient à la classe de risque A, B, C de la norme VDI 2862-2.
Contrôle du couple – surveillance de la limite de déformation
Pour les applications présentant de grandes variations de frottement et des forces de précharge élevées (proches de la limite d’élasticité) qui risquent d’entraîner un dépassement. Le paramètre de contrôle de cette méthode de serrage est le couple souhaité, et la limite d’élasticité du boulon est le paramètre de contrôle/surveillance. Là encore, cette méthode ne nécessite pas de modification du protocole standard, car la limite d’élasticité n’est surveillée qu’en tant que paramètre supplémentaire. La limite d’élasticité est reconnue par la modification de la relation entre le couple et l’angle (non-linéarité initiale). Si la limite d’élasticité est atteinte avant le moment souhaité, le processus d’assemblage est interrompu. Ainsi, les boulons ne peuvent plus jamais se casser.
Convient à la classe de risque VDI2862-2 : A, B, C.
Méthode de serrage contrôlée par la limite d’étirement – contrôlée par l’angle
Le paramètre de contrôle de cette méthode de serrage est l’atteinte de la limite d’élasticité, et l’angle de rotation est le paramètre de contrôle à la fin du processus d’assemblage. Si l’angle de rotation est dépassé avant d’atteindre la limite d’élasticité de l’assemblage boulonné, le processus est interrompu.
Convient à la classe de risque A, B, C de la norme VDI2862-2.
Serrage par un signal contrôlé de l’extérieur
Cette méthode de serrage utilise à la fois le couple final cible et une valeur provenant d’un autre équipement de mesure externe, par exemple un capteur de force/un dynamomètre. Dès que l’équipement externe indique la valeur cible, le processus d’assemblage est arrêté. Cette méthode nécessite une mesure continue et se présente généralement sous la forme d’un signal de courant.
Convient à la classe de risque VDI2862-2 A (limitée), B, C.
Analyse de l’angle de braquage
Ce module d’analyse détermine l’angle de déviation d’un boulon à partir d’un couple de départ défini jusqu’à l’atteinte du couple final défini. Dans cette méthode de montage, le couple final est le paramètre de contrôle. L’angle de rotation créé sert d’indication de la précharge avant de resserrer le boulon. Cette méthode est souvent utilisée pour resserrer/contrôler les assemblages boulonnés.
Combinaison de méthodes de serrage
Certains systèmes sur le marché sont capables de combiner plusieurs méthodes d’assemblage dans n’importe quel ordre.
