Solutions constructives NF T 001/011 LE COLLAGE dans l industrie mécanique
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- Victorien Papineau
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1 S si Lycée Val de Durance 84 Pertuis 1. Introduction Solutions constructives NF T 001/011 LE COLLAGE dans l industrie mécanique DESCOMBES Pierre Mars2008 Grâce au développement constant de la chimie organique, celle-là même qui a produit les matières plastiques modernes, l assemblage par adhésion est maintenant une technique fiable largement utilisée dans l industrie mécanique. On trouve des applications dans tous les domaines tel que : ASSEMBLAGE Plan Cylindrique Des composants électroniques ETANCHEITE STATIQUE Plane Cylindrique Des filetages FREINAGE DES PIECES FILETEES OBTURATION DES POROSITES (imprégnation des pièces moulées) Les adhésifs sont utilisés dans des assemblages à très hautes performances : aviation (structures nid d abeille), armée (blindages multicouches), automobile (pare-brise, raidisseurs tôle, boîte de vitesses), le matériel médical (aiguilles, rein artificiel). 2. Avantages, inconvénients Avantages Inconvénients Assemblage de substrats divers Résistance à la chaleur limitée Assemblage de matériaux d épaisseurs très différentes Durée de vie du joint collé Liaison sans altération des pièces Précautions de mise en œuvre Simplification de la conception Résistance qu à certaines sollicitations Allégement de la structure Atténuation des vibrations Rigidité des assemblages Automatisation aisée 3. Principe du collage La plupart des adhésifs industriels sont des polymères réactifs. Le passage de l état liquide à l état solide est le résultat de différentes réactions chimiques de polymérisation. La polymérisation est une réaction qui à partir de molécules de faible masse (monomères) forme par liaisons de celles-ci des composés de masse élevée. En fonction de leurs caractéristiques de polymérisation, les adhésifs peuvent être classés dans les catégories suivantes : Réaction anaérobie (absence d oxygène) Réaction par exposition à la lumière ultraviolette (U.V.) Réaction anionique (surfaces alcalines et humidité) Polymérisation par l humidité Réaction par la chaleur Réaction avec système d activation : Exemple ; colles cyanoacrylates : Exemple ; colles silicones et uréthannes : Exemple ; colles époxies : Exemple ; colles acryliques modifiés 1 / 10
2 Un collage est la résultante de deux ensembles de forces : les forces d adhésion entre colle et substrats et les forces de cohésion de l adhésif polymérisé. Les forces d adhésion sont l objet de différentes théories chimiques ou thermodynamiques (forces de Van Der Waals). Les forces de cohésion sont liées à la nature de l adhésif et à sa polymérisation qui lui permet de passer de l état liquide à l état solide. L assemblage par adhésion repose, comme toute autre technique sur des règles que l on ne peut transgresser sans conséquences sur les résultats. Il est donc nécessaire de considérer les paramètres suivants : Les matériaux et les surfaces (substrats) La polymérisation de l adhésif (adhésif) L environnement physico-chimique de l assemblage en fonctionnement (ambiance) 4. Calculs mécaniques Types de contraintes 2 / 10
3 Une meilleure répartition des contraintes étant l un des avantages du collage, il est intéressant de chercher à profiter d une surface de collage orientée dans la direction la plus favorable pour résister aux efforts. Il faut notamment éviter les sollicitations de clivage ou de pelage et privilégier les directions correspondant à des efforts de cisaillement et de compression. Le collage peut également être renforcé par un emmanchement, un sertissage ou un auxiliaire mécanique dans les cas les plus défavorables. Influence du recouvrement et des matériaux (approche de Volkersen 1938) Avec : E : module de Young ou module d élasticité longitudinale en MPa G : module de Coulomb ou module d élasticité transversale en Mpa ( Gc = 2900 Mpa ) Transmissions d efforts dans un emmanchement L emmanchement entre deux pièces 1 et 2 peut transmettre deux sortes de sollicitations : Un effort axial F d arrachement Un couple de torsion C Selon l ajustement réalisé avant collage, on distingue : Ajustement avec jeu : emmanchement collé Ajustement avec faible serrage assemblé à froid : emmanchement pressé collé Ajustement avec serrage important assemblé à chaud : emmanchement fretté collé 3 / 10
4 Dans tout les cas le joint de colle subit une contrainte τ qui diffère de la résistance au cisaillement à la rupture τb2 indiqué dans les fiches techniques du produit de collage utilisé. Cette contrainte d utilisation se trouve donc affectée d un facteur correcteur fc tenant compte des conditions réelles de l assemblage. Collé : τ = τb2. fc Pressé collé τ = 0,5 (τb2. fc) + 0,2 p Fretté collé τ = 1,2 (τb2. fc) + 0,2 p avec p : pression de contact en MPa Et fc = f1.f2.f3.f4.f5 4 / 10
5 Freinage d un assemblage fileté Le freinage des filetages par une résine anaérobie (qui ne polymérise qu en l absence d oxygène) offre une alternative intéressante aux dispositifs mécaniques agissant par obstacles (plaquettes arrêtoirs, rondelles freins, etc.). La solution par collage présente en plus du coût intéressant des avantages supplémentaires : lubrification de l assemblage au montage par le produit encore liquide. Etanchéité du filetage par le produit polymérisé. Risque de desserrage quasi impossible même sur un assemblage non serré. Relation entre le couple de dévissage C DV et la contrainte τ de l adhésif. La connaissance du couple de rupture de la résine permet de prévoir : La possibilité de démontage de l assemblage par une valeur maximale de ce couple (ou de la valeur du couple résiduel C R lorsqu il est supérieur). La sécurité de l assemblage par la valeur minimale de ce couple. Le couple de rupture C DV est lié à la résistance à la ruptureτ de la résine par la relation : C DV = τ. S. d / 2 ou S représente la surface collée et d le diamètre nominal Avec pour un profil I.S.O. S = 13 / 8. d. L. π et L : longueur d engagement L= 13 / 8 L On obtient donc : C DV = 13 / 16. τ. d². π. L soit τ = (16. C DV ) / ( 13. d². π. L ) Pour un boulon normalisé M10 avec un écrou de hauteur L = 0,8 d, la relation devient C DV = 2,04. τ soit τ = 0,49. C DV avec C DV en Nm et τ en Mpa Lors du démontage, le couple à exercer correspond à la somme du couple de rupture de la résine et du couple de friction sous tête. µ : facteur de frottement sous tête ( 0,15 à 0,2 pour les aciers) F : tension dans la vis De et Di diamètres de la couronne (contact) 5 / 10
6 5. Conception des assemblages La conception d assemblages doit être compatible avec les possibilités de contraintes mécaniques supportables par le joint de colle. Les règles à suivre sont les suivantes : L étendue de la surface collée est fonction des efforts supportés par la liaison et des caractéristiques de la colle. La résistance maximale d un assemblage est obtenue si toute la surface collée est également sollicitée (de préférence compression ou cisaillement). Eviter les charges localisées et les efforts de traction tendant à séparer les pièces par pelage. Si la liaison est soumise à des variations de température importantes, les matériaux assemblés et la colle doivent avoir des coefficients de dilatation très voisins. 6 / 10
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8 6. Choix des colles (utilisations courantes) Applications typiques type Autres produits Ref Loctite Activateur Freinage des pièces filetées 7471 ou 7649 pour accélérer la Etanchéité filetée polymérisation Dégraissant 7061 Etanchéité plane (sur bride) Fixation (assemblage cylindrique) Collage en général Collage en général et plastique difficile Collage en général, pour aspect visuel Collage de matériaux différents Etanchéité aux t élevée anaérobie Cyanoacrylates silicone Activateur 7113, 712 ou 7452 Solvant Heptane, acétone, isopropanol 222,243, , 270, 272,290 Aptitudes Faible jusqu à M Normal jusqu à M Fort jusqu à M , 577 6Nm<Couple rupture<15nm T < , <τ <15, T <200, , 620, τ élevée, tolérance à l huile, T <150, jeu< 0,1mm 603 τ élevée, T <200, jeu< 0,25mm 620 τ élevée T <150, jeu< 0,1mm <τ<26 Mpa -50<T < τ = σ =20 Mpa -60<T < <τ = σ<20-60<t < T < 280 Excellent remplissage des jeux collage Etanchéité polyuréthanne Primaire : , 7253 nettoyant : Excellente résilience. Excellent remplissage des jeux Possibilité de peindre le joint. Bonne résistance aux agents chimiques. 7. Coûts comparatifs 8 / 10
9 8. Exemples 1: copeaux 92g prix unitaire 1,30 F 2: copeaux 2,2g prix unitaire 0,70 F 9 / 10
10 9. Contrôle de la qualité Le suivi de la qualité d un assemblage par collage, en fabrication, passe par le contrôle des différentes étapes de celui-ci et des éléments intervenant dans cet assemblage : 1. L adhésif, son stockage, sa préparation et sa mise en œuvre. 2. Les matériaux utilisés, aussi bien ceux qui constituent les pièces que les agents de démoulage, les emballages, les solvants, dégraissants, etc. 3. Les opérations effectuées sur les pièces à coller ; moulage, usinage, préparation de surface. 4. Le dosage et la dépose de l adhésif. 5. L assemblage et le maintien des pièces pendant la polymérisation de l adhésif. 6. Les conditions de polymérisation, selon l adhésif utilisé. 7. Le contrôle des assemblages collés, par destruction d échantillons, par essai non destructif sous l effort limité, ou tout autre moyen compatible ; radiographie, U.V., thermographie, etc. 10. Mise en œuvre 10 / 10
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