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Introduction aux techniques de serrage des boulons dans l'industrie
Cet article a pour objectif de fournir un état de l’art dans le domaine du serrage et des assemblages vissés industriels. Après une revue exhaustive des méthodes de serrage des boulons actuellement utilisées, nous examinerons en quoi les produits et services TRAXX représentent une solution innovante pour la mesure de la tension de serrage des assemblages vissés complexes.
Qu'est-ce qu'une vis ?
Les vis sont omniprésentes : dans une agrafeuse, la structure d’un sommier, le moteur d’une voiture, ou encore les fusées Ariane 6. Un sommier qui se dévisse est une chose, mais un lanceur de fusée Ariane 6 qui se détache en vol en est une autre. Le problème est évident : il ne suffit pas de serrer, il faut savoir comment serrer correctement. Avant tout, nous allons tenter de comprendre la fonction d’une vis et son mécanisme de fonctionnement.
Pour unir deux pièces, nous les comprimons ensemble à l’aide de boulons, introduisant ainsi une force de pression entre elles. En tournant l’écrou, grâce au filet hélicoïdal de la vis, l’écrou se rapproche de la tête de la vis, comprimant ainsi les deux pièces. La vis, quant à elle, s’allonge sous l’effet du serrage. Oui, une vis change d’état, s’allongeant comme un élastique lorsqu’elle est soumise à une force de traction via l’écrou.
Prenons un élastique tendu entre deux doigts. La force de compression qui rapproche vos doigts résulte de la force de traction dans l’élastique, qui tend à retrouver sa forme normale. De même, dans un assemblage vissé, la vis cherche à revenir à son état initial, détendu. La force de traction dans la vis est équivalente à la force de compression appliquée entre les pièces assemblées.
Pour quantifier cette force, nous utilisons l’unité Newton. La force de serrage d’un sommier diffère considérablement de celle d’une Ariane 5 : dans cette dernière, les forces en jeu sont colossales. Par exemple, une vis dans une culasse de moteur automobile peut supporter une charge de 5 tonnes, soit une force de 50 kN. Si la vis subit une force de 5 tonnes, les pièces sont compressées par une force équivalente. Nous comprenons donc que le serrage d’une vis correspond à l’application d’une force mesurable.
En termes industriels, nous parlons de « tension de serrage ».
En résumé, la vis est en tension tandis que l’assemblage vissé est en compression. Mais comment serrer une vis correctement ? Il existe diverses méthodes et techniques de serrage des boulons dont l’efficacité peut varier.
Technique de serrage des boulons
Alors comment serrer une vis ? La première réponse qui vient à l’esprit est souvent : « Il suffit de tourner ! ». Cette approche, ancrée dans nos habitudes depuis des siècles, repose sur le mouvement circulaire de rotation lorsque l’on pense à une vis. Cependant, ce n’est pas la seule méthode efficace. Dans le contexte industriel, nous parlons de l’application d’un couple.
Le couple : la technique de serrage des boulons la plus courante
Le serrage au couple implique l’application de deux forces opposées, constituant ce que l’on appelle un couple de forces. Mais qu’est-ce qu’un couple ? Il s’agit d’une force appliquée à une certaine distance d’un point de rotation. Lorsqu’on serre, jusqu’où doit-on aller ? Jusqu’à ce que la résistance soit notable? Avant que le matériel ne casse? Cette approche est imprécise.
Les outils utilisés pour cette méthode varient : une visseuse pour les applications courantes et une clé dynamométrique dans l’industrie, cette dernière mesurant le couple appliqué. La méthode repose sur l’idée que si l’on applique une force de 200 N à une distance de 0,5 m, cela équivaut à un couple de 100 N.m (200 x 0,5). Cette méthode est la plus couramment utilisée dans l’industrie.
Pour information, la première clé dynamométrique a été inventée en 1916, ce qui en fait une pratique centenaire.
Bien que cette méthode soit largement acceptée et utilisée, elle comporte une marge d’incertitude significative. Pourquoi ? Que se passe-t-il ? Faisons une expérience : prenons plusieurs vis et serrons-les toutes au même couple à l’aide d’une clé dynamométrique. Ensuite, mesurons la tension obtenue dans chacune de ces vis (nous verrons plus tard comment procéder). Le bon sens nous incite à penser que la tension sera la même pour toutes les vis, mais ce n’est pas le cas. En réalité, pour un couple donné, nous observons une incertitude de ±50 % sur la tension obtenue.
La plupart des bureaux d’études établissent des tableaux de correspondance entre le couple appliqué et la tension théoriquement obtenue, en s’appuyant sur divers calculs, y compris ceux basés sur la résistance des matériaux (méthode des éléments finis). Ces tableaux sont nommés tableau de couple de serrage.Cette pratique est une erreur, car elle ne prend pas en compte les incertitudes inhérentes à la méthode de serrage par couple.
Voici un tableau couple de serrage pdf :
Par exemple, prenons une vis M10 (diamètre 10 mm). Si vous appliquez un couple de 46 N·m, vous obtiendrez une valeur de tension de 24,275 kN, en supposant un coefficient de frottement moyen de 0,15. C’est ainsi que ces tableaux fonctionnent.
Cependant, pour produire ces tableaux, les bureaux d’études font l’hypothèse que le coefficient de frottement est connu. Le coefficient de frottement, un nombre sans dimension compris entre 0 et 1, représente l’interaction qui s’oppose au mouvement relatif entre deux systèmes en contact. Dans notre cas, les systèmes en contact sont la vis, l’écrou et les pièces à serrer. Supposer que ce frottement peut être mesuré et réduit à un seul chiffre est irréaliste.
En effet, il y a du frottement sous la tête de la vis, avec la pièce à serrer, au niveau des filets de la vis, de l’écrou, et du taraudage. Toutes ces pièces, issues d’une production industrielle, contiennent des imperfections qui influent de manière aléatoire sur les frottements. En réalité, lors du serrage d’une vis, une infinité de frottements se produisent, rendant leur mesure ou calcul précis impraticables. Les coefficients de frottement sont donc variables et non mesurables de manière précise.
Ainsi, ces tableaux reposent sur de nombreuses approximations, bien que les valeurs y soient présentées avec une précision de cinq décimales, ce qui est trompeur. Ils ne devraient plus être utilisés.
Sinon, il ne faut pas s’étonner d’observer des vis trois fois plus serrées que d’autres sur une culasse où le serrage devrait être homogène.
La méthode de serrage des boulons "couple/angle"
Cette méthode de serrage des boulons, bien que similaire à la méthode du couple, est plus efficace. Elle repose sur le principe que tourner l’écrou d’un tour complet (360 degrés) équivaut à franchir un pas de vis. Si le pas de la vis (exprimé en millimètres) est connu, nous pouvons déterminer de combien la vis s’allonge.
La méthode consiste d’abord à appliquer un couple initial. Ensuite, une fois que la résistance est perceptible, nous appliquons une rotation angulaire supplémentaire. L’avantage de cette méthode est qu’elle permet de s’affranchir en grande partie du coefficient de frottement, en utilisant la rotation par l’angle pour contrôler l’allongement de la vis.
Bien que cette technique de serrage des boulons représente un progrès significatif par rapport à la méthode du couple seul, elle n’est pas sans défauts. En pratique, on observe encore des dispersions de tension de ±30 % entre des vis censées être serrées de manière égale. Cette variation, bien que réduite par rapport à la méthode du couple seul, reste un défi pour assurer un serrage parfaitement homogène.
La technique de serrage des boulons par extension hydraulique
Une troisième méthode de serrage des boulons, particulièrement utilisée pour les installations de grande taille, est l’extension hydraulique. Cette technique de serrage emploie un vérin hydraulique pour tirer sur la vis, l’allongeant ainsi. Ensuite, l’écrou est resserré et la tige est relâchée, transférant la force appliquée par le vérin à la vis via l’écrou. Connaissant la force fournie par le vérin, nous pouvons en déduire la force appliquée sur l’assemblage.
La précision du vérin varie entre 1 % et 5 % selon les modèles et divers facteurs. Cependant, nous mesurons une incertitude finale de ±15 % dans les montages, principalement en raison des incertitudes liées au serrage de l’écrou. Bien que cette méthode soit plus précise que les précédentes, elle présente plusieurs inconvénients. Toutes les vis d’un assemblage ne sont pas accessibles pour être accrochées au vérin. Pour tirer sur la vis, il faut avoir accès aux extrémités de la vis, ce qui n’est pas toujours possible dans des assemblages complexes.
Le serrage par induction
Le serrage par induction est une méthode de serrage qui utilise la chaleur générée par un champ magnétique alternatif pour dilater temporairement une pièce, facilitant ainsi son assemblage. En chauffant localement la zone de serrage, le matériau devient plus malléable, permettant un ajustement précis. Cette technique est souvent utilisée dans l’industrie automobile pour assembler des composants tels que les roulements sur les arbres. Le contrôle précis de la température et du temps de chauffe est essentiel pour garantir un serrage efficace sans altérer les propriétés du matériau.
Cette méthode est toutefois complexe, et l’utilisation du serrage par induction peut entraîner des effets thermiques indésirables sur les pièces environnantes, ainsi que d’autres problèmes. En raison de ces complications, cette méthode n’est pas très répandue dans l’industrie.
Cette liste des méthodes de serrage des boulons les plus courantes dans l’industrie n’est pas exhaustive. Elle a toutefois l’avantage de nous faire réaliser que la solution ne réside pas dans l’outil de serrage utilisé, qui a une précision limitée mais plutôt dans la mesure du serrage lui-même. Passons maintenant à la question centrale : comment mesurer la tension de serrage ? Plusieurs méthodes existent également dans ce domaine, et elles ne se valent pas toutes.
Les méthodes de mesure de serrage
Les jauges de déformation ou « jauges de contrainte »
En anglais, « strain gauges ». Le principe de cette méthode consiste à coller un petit capteur sur la vis, relié à un appareil de mesure. Ce capteur, composé de résistances, subit théoriquement la même déformation que la vis en cours de serrage, ce qui modifie la valeur de la résistance du capteur. C’est cette variation de résistance qui permet de déduire l’allongement de la vis, puis la tension de serrage appliquée.
Cependant, cette méthode présente plusieurs inconvénients. Il est essentiel de positionner le capteur à un endroit représentatif des déformations à mesurer, ce qui peut être complexe. De plus, il est souvent nécessaire de percer la vis pour faire passer les fils reliant le capteur à l’appareil de mesure. En raison de ces modifications, cette méthode est principalement utilisée en laboratoire, où les conditions de mesure peuvent être contrôlées avec précision.
Cette méthode est qualifiée d’intrusive, car elle nécessite de modifier la vis spécifiquement pour la mesure. La pose des jauges de contrainte est délicate, et leur installation est à la fois difficile et coûteuse. Par conséquent, bien que précise, cette méthode n’est pas pratique pour une utilisation industrielle à grande échelle, mais elle reste une option précieuse pour des applications de recherche et développement où des mesures extrêmement précises sont nécessaires.
La méthode de serrage par l’élongation mécanique
La technique de serrage des boulons par l’élongation mécanique est l’approche la plus directe pour mesurer la tension dans une vis. Elle consiste à évaluer l’allongement mécanique de la vis en utilisant des goujons pigés, c’est-à-dire des tiges de mesure insérées dans les trous de la vis pour détecter toute modification de longueur. Cette méthode permet de déterminer avec précision l’augmentation de la longueur de la vis sous tension.
Cependant, cette méthode présente des limitations importantes. Elle n’est applicable que dans des situations où les deux extrémités de la vis sont accessibles pour les mesures, ce qui est rarement le cas dans des applications pratiques. Souvent, les vis sont installées dans des configurations où les extrémités sont enfouies ou obstruées, rendant impossible l’utilisation de cette technique. Par conséquent, bien que précise, la méthode de l’élongation mécanique est limitée par les contraintes d’accessibilité dans de nombreuses applications industrielles.
La méthode de serrage avec rondelle de charge
La technique de serrage des boulons avec rondelle de charge est une technique de serrage des boulons connue sous le nom de « load cell » en anglais. Elle utilise une rondelle spéciale placée sous la tête de la vis ou sous l’écrou, lorsque cela est possible. Cette rondelle permet de mesurer la conductivité électrique, qui varie en fonction des contraintes mécaniques appliquées. En d’autres termes, la rondelle de charge détecte les variations de pression et de tension en modifiant sa conductivité, fournissant ainsi une mesure indirecte mais précise de la force de serrage.
Cependant, l’utilisation de ces rondelles nécessite souvent des modifications de la géométrie de l’assemblage, ce qui peut poser problème. L’ajout de la rondelle introduit une épaisseur supplémentaire, ce qui peut affecter l’intégrité structurelle et les dimensions globales de l’assemblage. Pour surmonter cette contrainte, il est possible d’intégrer ces rondelles directement dans les pièces à assembler dès la phase de conception. Cette approche anticipée permet d’optimiser l’assemblage pour inclure les rondelles de charge sans nécessiter de modifications ultérieures.
Dans tous les cas, l’utilisation des rondelles de charge implique un travail préparatoire important avant la mesure. Malgré ces contraintes, les résultats obtenus avec cette méthode sont très satisfaisants, avec une marge d’incertitude de seulement 1 à 2%. Cela en fait une technique fiable pour les applications où une mesure précise de la force de serrage est essentielle.
La vis instrumentée avec fibre optique
Le recours à des capteurs à fibre optique pour le contrôle du serrage des boulons représente une solution technique avancée, exploitant les propriétés uniques de la transmission optique pour garantir une mesure précise des contraintes exercées sur les vis au sein d’un assemblage. Cette méthode consiste à insérer une fibre optique dans le corps du boulon, formant ainsi un réseau de Bragg.
L’intégration de la fibre optique nécessite la perforation de la vis, ce qui entraîne une légère diminution de son intégrité structurelle et, par conséquent, de sa résistance globale. En raison de cette altération, il est crucial de bien évaluer l’impact potentiel sur les performances mécaniques de l’assemblage. De plus, certains retours d’expérience indiquent que l’installation de ce type de système peut être plus complexe comparée aux méthodes de serrage conventionnelles.
Sans entrer davantage dans les détails, il est important de noter que cette technique de serrage des boulons est à la fois intrusive et coûteuse. La complexité de mise en œuvre et le coût associé à l’utilisation de la fibre optique pour mesurer les contraintes de serrage rendent cette approche moins adaptée aux applications industrielles. Cependant, les avantages en termes de précision et de fiabilité peuvent justifier son utilisation dans des contextes de tests en laboratoire.
Nous remarquons que la plupart du temps, les méthodes traditionnelles de contrôle de serrage des vis sont intrusives ou présentent divers problèmes qui empêchent leur utilisation directe sur site industriel. Ces techniques de serrage des boulons, souvent adaptées aux environnements de laboratoire et d’expérimentation, sont peu reproductibles dans des situations réelles et inadaptées au rythme de production industrielle. Cependant, la méthode par ultrasons utilisée par les systèmes TRAXX présente une solution innovante et efficace pour surmonter ces défis.
La mesure du serrage par ultrasons
Le principe de base
Nous arrivons à la méthode de mesure par ultrasons, utilisée notamment par les systèmes TRAXX. Cette technique de serrage des boulons repose sur un concept assez simple : envoyer une onde ultrasonore dans la vis. L’onde se propage à travers la vis jusqu’à son extrémité, où elle effectue un demi-tour.
Les ultrasons, étant des ondes mécaniques, nécessitent un milieu matériel pour se propager et ne peuvent pas voyager dans l’air. Les systèmes TRAXX utilisent des ultrasons de très haute fréquence, généralement de 10 à 15 mégahertz, pour cette application.
Le principe clé est de mesurer le temps de vol des ultrasons, c’est-à-dire le temps nécessaire pour que l’onde aille et revienne à travers la vis. Voici comment cela fonctionne :
Mesure initiale : Dans un premier temps, on mesure le temps de vol des ultrasons dans une vis non serrée.
Mesure après serrage : Ensuite, on mesure le temps de vol dans cette même vis après serrage. Comme la vis s’allonge légèrement lorsqu’elle est serrée, les ultrasons mettent plus de temps à effectuer l’aller-retour.
La différence entre le temps de vol initial ti et le temps de vol final tf est notée Δt. Cette variation Δt est proportionnelle à la tension présente dans la vis.
Bien que le concept soit simple, la précision est essentielle. La vis ne s’allonge que de quelques microns, nécessitant des mesures de temps de vol avec une résolution de l’ordre de la nanoseconde.
Pour déterminer la tension dans la vis, nous utilisons la relation suivante :
T (tension en N) = K (N/ns) x ∆t (ns)
Le coefficient K est spécifique à chaque lot de vis et doit être déterminé expérimentalement. Plutôt que de calculer ce coefficient théoriquement, les systèmes TRAXX procèdent par une phase de caractérisation pratique.
On effectue une série de mesures sur un échantillon représentatif de vis pour établir la valeur de K.
La phase de caractérisation
La phase de caractérisation est cruciale et se réalise une seule fois pour chaque lot de vis. Voici la procédure en détail :
Préparation : Prenez une vis représentative du lot.
Application des forces : Soumettez la vis à des forces croissantes à l’aide d’une machine de traction (par exemple, 5 kN, 10 kN, 25 kN, 50 kN).
Mesure ultrasonore : Placez l’émetteur/récepteur ultrasonore sur la tête de la vis. À chaque niveau de force appliqué, mesurez l’allongement du temps de vol des ultrasons.
Création du tableau de correspondance : Enregistrez les tensions appliquées et les temps de vol correspondants, créant ainsi un tableau de correspondance.
Détermination du coefficient K : Tracez une droite sur un graphique avec les allongements mesurés en nanosecondes sur l’axe des abscisses et les tensions en kilonewtons sur l’axe des ordonnées. Le coefficient directeur (la pente) de cette droite est le coefficient K.
Une fois le coefficient K déterminé, vous pouvez mesurer rapidement et précisément la tension d’une vis serrée dans un assemblage. Il suffit de poser l’émetteur/récepteur ultrasonore sur la tête de la vis, avec un peu de couplant, et la mesure s’affiche instantanément sur l’appareil TRAXX.
Cette méthode de serrage des boulons est compatible avec tous les types de vis, qu’elles mesurent de 2 cm à 14 m de longueur, aient un diamètre de 3mm à 300mm, et soient fabriquées dans divers matériaux. L’un des principaux avantages du système TRAXX est qu’il fonctionne sur des vis non préparées et non modifiées : des vis brutes. Il suffit de placer le capteur sur la tête des vis, et l’appareil s’occupe du reste.
Sources d'incertitude de cette méthode de serrage
Les principales causes d’incertitude sont externes au système TRAXX et comprennent :
Variabilité du coefficient K : Cette variabilité provient des disparités de fabrication au sein d’un même lot de vis. En caractérisant plusieurs vis d’un lot, on peut déduire un coefficient K représentatif de l’ensemble.
Précision de la machine de traction : L’incertitude de la machine de traction utilisée lors de la phase de caractérisation peut affecter les résultats, avec une marge d’erreur de ±1 à 2 %.
État de la vis : Dans des cas très particuliers, l’état de la vis peut influencer la mesure.
Placement du capteur : Une pose négligente du capteur sur la vis par l’opérateur peut légèrement affecter la mesure.
Nous sommes conscients de ces facteurs externes et savons les quantifier. En prenant en compte toutes les incertitudes, cette méthode permet d’atteindre une précision de meilleure que 5 % sur la tension réelle, et jusqu’à 1 à 2 % dans des conditions optimales.
Dans quels cas utiliser un système TRAXX ?
Les systèmes TRAXX sont extrêmement polyvalents et trouvent leur utilité dans de nombreux scénarios.
Mesure pendant le serrage : Les appareils TRAXX permettent de mesurer la tension d’une vis en temps réel pendant le serrage. Cela signifie que, tout en utilisant la méthode traditionnelle de serrage au couple, vous pouvez vous fier aux résultats affichés par le système TRAXX plutôt qu’à ceux indiqués par la clé de serrage. Cela garantit une précision accrue dans le contrôle de la tension appliquée.
Suivi d’assemblage dans le temps : Les systèmes TRAXX peuvent conserver en mémoire l’état des vis lors du montage initial. Cela permet de vérifier ultérieurement si un assemblage s’est desserré avec le temps ou suite à un événement particulier. De plus, l’utilisation en temps réel, pendant que l’assemblage est en service, permet d’observer directement les variations de tension sous diverses conditions de fonctionnement.
Expertise et diagnostics : Les systèmes TRAXX sont également utiles pour des inspections et des diagnostics. Par exemple, si un joint dans un assemblage a lâché, suspectant un problème de serrage, vous pouvez mesurer la tension actuelle des vis concernées. Ensuite, en desserrant la vis, vous pouvez mesurer son état initial et ainsi déterminer la tension précédente et identifier le problème. Cette capacité de diagnostic est particulièrement précieuse et fréquente.
Comparaison avec d'autres méthodes ultrasoniques
Il existe deux autres méthodes de mesure par ultrasons, mais elles présentent des inconvénients notables par rapport au système TRAXX :
Vis instrumentées avec capteur piézoélectrique : Cette méthode fonctionne sur un principe similaire au système TRAXX, mais elle nécessite l’installation d’un capteur en trois couches sur la tête de la vis. Cela implique un nettoyage minutieux, une installation définitive sous vide et des coûts élevés pour chaque vis modifiée.
Vis instrumentées avec capteur permanent : Cette méthode intègre un capteur directement dans le corps de la vis lors de sa fabrication. Bien que précis, ce procédé est très coûteux car il nécessite la production de vis spéciales. Chaque capteur doit ensuite être mis en contact avec une sonde de mesure pour obtenir les résultats.
En conclusion, les systèmes TRAXX offrent des résultats précis sans nécessiter de modifications des vis sur un assemblage. Cette capacité à fournir des mesures fiables avec des vis standard en fait une solution de choix dans de nombreux contextes industriels et techniques.
