Contrôler la tolérance d'un couple de serrage
Il arrive parfois que l’on pose encore la question de savoir quelle tolérance doit être appliquée à une valeur de couple.
La tolérance, un point essentiel à toute valeur physique.
De nombreuses organisations, probablement la plupart, spécifient une valeur de couple unique sans tolérance. D’autres entreprises, ayant de la documentation pour l’inspection de la qualité, spécifient une tolérance sur cette valeur à des fins de vérification. Mettre une tolérance sur le dessin comporte le risque que l’opérateur règle l’outil de couple sur la valeur haute ou sur la valeur basse. La valeur de couple appliquée pourrait alors être supérieure ou inférieure à la plage spécifiée en raison de l’erreur supplémentaire due à la précision de l’outil. Sans une plage de couple acceptable ou une tolérance, des problèmes surviennent.
Rien dans le monde physique n’est exact, tout est soumis à un certain degré de changement et d’erreur de mesure. En production de faible volume avec un fabricant familier de l’application, vous pouvez spécifier une dimension pour une pièce sans spécifier de tolérance. Cela peut fonctionner sans problème. En production de plus grand volume, spécifier une tolérance peut prévenir un problème d’assemblage. On peut dire la même chose pour une valeur de couple.
Imaginons qu’une tolérance de +/- 5% est une valeur raisonnable. Donc, si la valeur nominale du couple est par exemple de 100 Nm, une plage de 95 Nm à 105 Nm est correcte à priori. L’expérience montre qu’en fait cela sous-estime la dispersion probable de la valeur de couple qui surviendrait dans des conditions de production normales.
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Tolérance d'un couple de serrage d'une clé dynamométrique
Pour l’étalonnage des outils de serrage manuels, une norme applicable est ISO 6789-1:2017 qui spécifie les exigences d’essai de conformité et de marquage relatives aux outils dynamométriques à commande manuelle utilisés pour le serrage contrôlé de vis et écrous. Elle spécifie également les exigences minimales relatives à la déclaration de conformité des outils dynamométriques à commande manuelle. Elle s’applique aux outils dynamométriques à commande manuelle classés en tant qu’outils dynamométriques à lecture directe (Type I) et outils dynamométriques à déclenchement (Type II).
Les outils de serrage manuels
Cette norme définit divers types d’outils de couple. Les outils de couple indicateurs, de type 1 dans la norme, mesurent le couple au moyen d’une échelle mécanique, d’un cadran ou d’un affichage électronique. Un outil de réglage de couple, de type 2 dans la norme, est préréglé à une certaine valeur de couple et lorsqu’il est atteint, un signal audible, visible ou autre est donné. Une clé dynamométrique à cliquet est un outil qui est normalement utilisé dans les opérations d’assemblage.
Les facteurs qui augmentent la dispersion du couple
La déviation admissible par rapport à la valeur définie dépend du type d’outil spécifique, mais est soit de +/- 4%, soit de +/- 6%, selon le type d’outil utilisé. Lorsqu’on le teste selon la norme, la force doit être appliquée à l’outil de couple dans un angle de +/- 10 degrés par rapport à l’axe longitudinal de l’outil. De plus, de 80 % à la valeur de couple cible finale, la charge doit être appliquée lentement et uniformément. Ce n’est pas toujours le cas dans un environnement de production. De même, ce n’est pas systématique que l’opérateur tire la clé à angle droit par rapport à l’axe de la clé. Ces facteurs augmentent la dispersion du couple appliqué.
Test de performance ISO 5393
Avec les outils de serrage électriques, le test de performance fréquemment utilisé est l’ISO 5393.
ISO 5393:2017 spécifie une méthode d’essai de performance des machines d’assemblage à moteur (désignées dans tout le document par le terme «outils») utilisées pour assembler des éléments de fixation filetés.
ISO 5393:2017 fournit une méthode de mesure de la répétabilité du couple (dispersion):
– sur une plage de taux de couple comme spécifié dans le présent document;
– sur une plage de réglage du couple définie par le fabricant; et
– sur un nombre de cycles de fonctionnement défini par le fabricant.
ISO 5393:2017 fournit une méthode de mesure de la précision du système intégré de mesure du couple utilisé pour les outils qui en sont équipés. Voir Annexe E.
ISO 5393:2017 donne des instructions relatives aux paramètres des équipements, aux éléments à soumettre à l’essai et à la manière d’évaluer et de présenter les résultats des essais.
ISO 5393:2017 est applicable aux outils:
– quelle que soit leur source d’énergie (pneumatique, hydraulique et électrique, etc., y compris les outils alimentés par batterie);
– qui exercent un couple en continu, de manière générale;
– dont la plage de couple est comprise entre 0,5 N·m et 2 000 N·m. En dehors de cette plage, il est admis de modifier la méthode d’essai à condition que la modification soit documentée dans le rapport d’essai.
ISO 5393:2017 n’est pas applicable:
– aux clés à choc ou à impulsion;
– aux clés à rochet ou à embrayage à rochet;
– aux autres outils qui serrent les éléments de fixation par paliers discontinus en surmontant le frottement statique à chaque palier.
Le couple délivré par un outil électrique est sensible à la rigidité de l’assemblage qui influence la vitesse de couple, la vitesse de couple étant le taux d’augmentation du couple à mesure que la fixation est serrée. Un assemblage souple a une faible rigidité et une faible vitesse de couple ; un assemblage dur a une rigidité élevée et une vitesse de couple élevée. Un assemblage souple absorbera plus d’énergie de l’outil par rapport à un assemblage dur et délivrera une valeur de couple différente, la différence étant appelée décalage moyen et est une indication de la performance de l’outil.
La tolérance englobe la dispersion de l'outil ainsi que celle de l’opérateur
La valeur de couple spécifiée, par exemple 100 Nm, est la valeur à laquelle l’outil de serrage doit être réglé. De même, si une plage de couple est spécifiée, par exemple 90 Nm à 110 Nm, la valeur moyenne, c’est-à-dire 100 Nm, doit être la valeur de l’outil. La tolérance est en grande partie destinée aux audits de couple après assemblage. La tolérance doit permettre la dispersion probable de l’outil lui-même ainsi qu’une marge pour la personne qui l’utilise. L’expérience de l’industrie automobile indique que la meilleure tolérance de couple pouvant être maintenue dans un environnement de production en série est de l’ordre de +/- 7%. Un point clé est que la tolérance ne dépend pas seulement de la déviation admissible définie dans la spécification de calibration, mais est également influencée par la façon dont l’opérateur applique le couple.
Une tolérance sur le couple de +/- 10%
En pratique, une tolérance sur la valeur de couple de +/- 10% est couramment utilisée. Cela permet de prendre en compte l’imprécision de l’outil de serrage et également une certaine marge pour la dispersion intrinsèque associée à l’opérateur effectuant le serrage. Des codes de conception tels que le VDI 2230 incorporent une marge de 10 % dans leurs lignes directrices. Cela est fait en ayant une utilisation par défaut de la contrainte à 90 %, par rapport au minimum de la limite d’élasticité du boulon, de sorte que dans des conditions extrêmes, le boulon ne devrait pas atteindre sa limite d’élasticité. Certaines entreprises automobiles utilisent une tolérance de +/- 15% sur la valeur de couple leur permettant potentiellement d’accommoder des outils moins coûteux. Une conséquence d’une telle dispersion importante est qu’elle doit être prise en compte dans la conception en augmentant les marges de sécurité lors du design des assemblages.
La relaxation représente entre 5 % et 10 % de perte
Entre le moment de l’assemblage et de la réalisation d’un audit de couple, une perte de couple peut survenir en raison d’un processus appelé relaxation. Le type de relaxation sur les assemblages métal sur métal est l’emboutissage. C’est lorsque les aspérités de surface s’effondrent partiellement après l’assemblage, entraînant une perte de charge du boulon et, par conséquent, une réduction de la valeur de couple résiduel. La quantité de relaxation dépend de l’assemblage, de la taille du boulon, de l’épaisseur serrée, du nombre de surfaces de l’assemblage, de la rugosité de surface, etc. Elle se situe généralement entre 5 % et 10 % de perte, mais peut, sur certains joints, être plus élevée. Ces pertes sont prises en compte dans la conception moderne des joints, comme celles basées sur le VDI 2230. En règle générale, c’est à partir de 10 % de perte que l’on admet qu’il y a un problème avec le serrage.
L'audit de couple de serrage
L’audit de couple consiste à vérifier le couple résiduel d’une fixation après installation. Le terme couple résiduel est généralement utilisé pour décrire le couple nécessaire pour faire tourner, une fixation précédemment installée et serrée, dans le sens du serrage. Ainsi, un audit de contrôle du couple implique de comparer le couple résiduel mesuré avec le couple spécifié. Donc, si la spécification de couple était par exemple de 100 Nm +/- 10%, alors le couple minimum serait de 90 Nm. Une telle vérification ne permet aucune marge pour la perte d’emboutissage. Ainsi, un boulon pourrait être serré selon les spécifications, mais la valeur de couple résiduel pourrait tomber en dessous de la valeur minimale en raison de la perte d’emboutissage.
En conséquence, la valeur minimale acceptable pour l’audit de couple est prise comme la valeur minimale spécifiée moins une marge pour l’emboutissage. Une marge typique pour l’emboutissage étant de 10 %, de sorte que :
Valeur minimale acceptable pour l’audit de couple = 0,9 x Valeur de couple minimale spécifiée
Ainsi, dans le cas de l’exemple de 100 Nm, la valeur minimale acceptable pour l’audit de couple serait de 0,9 x (100 – 10) = 81 Nm.
Si la valeur de couple résiduel mesurée est inférieure au couple requis, une enquête devrait être menée pour établir la cause.
L’expérience montre que la dispersion du couple est beaucoup plus grande en réalité
Le serrage par couple est une méthode imprécise et obsolète. Lorsqu’une clé dynamométrique est utilisée, seule une petite fraction du couple appliqué se traduit effectivement en précontrainte ou en force.
Jusqu’à 50 % du couple de serrage peut être dissipé par le frottement dans les filetages et sous la tête de la vis, ce qui rend le serrage au couple notoirement imprécis. Pour une maîtrise rigoureuse du serrage, il est nécessaire d’explorer d’autres méthodes de fixation.
Le serrage par couple présente des limites et des désavantages qui peuvent rendre d’autres méthodes de serrage plus appropriées selon les situations. Voici quelques raisons pour lesquelles le serrage au couple peut être considéré comme moins avancé au serrage en tension :
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Sensibilité aux variations de frottement : Les niveaux de frottement entre les surfaces en contact peuvent varier en fonction de divers facteurs tels que la propreté des filetages et la lubrification, rendant difficile la prédiction précise du serrage final.
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Difficulté à atteindre des tolérances très serrées : Pour des applications nécessitant une précision extrême, d’autres méthodes comme le serrage hydraulique ou la mesure de tension par ultrasons offrent une précision supérieure.
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Influence de la lubrification : L’application de lubrifiants sur les filetages peut altérer les niveaux de frottement, affectant ainsi la précision du serrage. Des variations dans l’application de lubrifiants peuvent compromettre la constance du serrage.
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Détection limitée des surtensions : Le serrage par couple est moins efficace pour détecter les surtensions, ce qui peut rendre difficile la détermination si le boulon est trop serré dans certaines situations.
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Dépendance aux spécifications du fabricant : Le serrage par couple nécessite des spécifications de serrage fournies par le fabricant, lesquelles peuvent varier d’un fabricant à l’autre, entraînant des résultats de serrage variables selon les spécifications utilisées.
Bien que largement utilisé, il est essentiel de reconnaître les limites du serrage par couple et de choisir la méthode de serrage la plus adaptée en fonction des exigences spécifiques de l’application. Les alternatives comme le serrage à extension hydraulique couplée à la mesure de tension par ultrasons peuvent être préférables dans des situations où une précision et une fiabilité extrêmes sont cruciales.
