Le guide technique du serrage

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1 Le gui technique du serrage

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3 Introduction A Les assemblages boulonnés sont sans doute les systèmes liaison les plus utilisés en mécanique. Pour les mtre en œuvre, on utilise : d une part, s éléments visserie : vis plus écrou goujon implanté plus écrou goujon plus ux écrous, un à chaque extrémité du goujon. Ces éléments peuvent comporter s ronlles divers types ( fig. 1). D autre part, s moyens serrage dont l étu fait justement l obj du présent gui. Dans la suite du texte, nous utiliserons le terme générique «boulon» qui recouvre les trois types visserie mentionnés ci ssus. Malgré leur simplicité apparente, les assemblages boulonnés posent nombreux problèmes au concepteur, au monteur au chargé maintenance. Ils font encore trop souvent l obj méthos calcul rudimentaires. Cela conduit à leur surdimensionnement sans garantir pour autant la sécurité nécessaire. Bien au contraire La conception la mise en œuvre d un assemblage boulonné nécessitent une méthodologie rigoureuse car s erreurs peuvent provoquer s défaillances aux conséquences extrêmement lours, souvent très coûteuses parfois dramatiques. De nombreuses étus montrent que les incints rencontrés sur les assemblages boulonnés sont, dans la majorité s cas, dus aux mauvaises conditions dans lesquelles les assemblages ont été définis (analyse, conception, calculs, choix s composants) ou mis en œuvre (métho serrage, outillage, contrôle). Vis plus écrou Goujon implanté plus écrou Goujon plus ux écrous On sait que parmi les différentes causes défaillances (surcharge, défaut conception, défaut fabrication ), la plus fréquente est un défaut montage. Le serrage, insuffisant, excessif ou hétérogène, représente à lui seul 30% s défaillances. Plus particulièrement, en ce qui concerne les incints fatigue, 45% d entre eux sont dus à un défaut montage ( diagramme 1). Principales causes défaillances s assemblages boulonnés en fatigue Défaut montage (45%) Défaut fabrication Défaut conception Défaut traitement thermique Mauvaise utilisation Fig. 1 Bien serrer un boulon consiste à utiliser au mieux ses propriétés élastiques. Un boulon qui travaille dans bonnes conditions se comporte comme un véritable ressort. Le serrage introduit en eff une précharge axiale tension. Cte tension est bien évimment égale opposée à la compression qui s exerce sur la structure serrée, nous l appellerons : «effort serrage». Diagramme 1 Mauvais choix s matériaux Défaut traitement surface 3

4 Introduction Fig. 2 Traction Compression Étanchéité Cisaillement Desserrage spontané Sollicitations dynamiques L effort serrage est stiné principalement, selon les applications, à : assurer la rigidité du montage lui permtre supporter les sollicitations extérieures traction, compression, flexion cisaillement garantir maintenir une étanchéité éviter le travail au cisaillement s boulons résister aux effs sserrage spontané réduire l influence s sollicitations dynamiques externes sur la fatigue la boulonnerie ( fig. 2). Tout cela évimment, en s assurant que les pièces concernées boulonnerie pièces assemblées travaillent en çà leur limite élastique. Le serrage est optimum quand le boulon n est ni trop ni trop peu serré. C est une évince qu il n est pas inutile rappeler! Une défaillance du boulon peut se produire aussi bien même plus souvent quand celui ci n est pas assez serré que lorsqu il est trop serré. La maîtrise s assemblages boulonnées Il est fondamental maîtriser parfaitement le niveaux l effort serrage la précision avec laquelle il est atteint afin d assurer les performances requises pour l assemblage boulonné. Cte maîtrise du serrage perm, dès la conception l assemblage, d utiliser au mieux les caractéristiques mécaniques la boulonnerie ( fig. 3). Voir le paragraphe «Caractéristiques mécaniques la boulonnerie». Dans ce «Gui technique du serrage» ainsi que dans le catalogue «Tenurs boulons HYDROCAM Systèmes serrage industriels», les bureaux d étus trouveront les informations théoriques pratiques pour optimiser la conception s assemblages boulonnés les opérationnels les indications pour maîtriser le serrage. M12 M10 Serrage non maîtrisé : assemblage surdimensionné Fig. 3 Serrage maîtrisé : optimisation l assemblage 4

5 Caractéristiques mécaniques la boulonnerie Les boulons sont le plus souvent en acier. L acier, comme tous les métaux, se comporte comme un ressort (au moins dans le domaine élastique), il obéit à la loi Hooke. Quand on applique un effort traction au boulon comme pour une éprouvte traction, on peut observer le graphique ci contre ( diagramme 2). Tout mo serrage doit s assurer que la contrainte dans la vis ou le goujon ne dépasse jamais le point A (limite élastique), même après serrage quand on applique en service les forces extérieures sur l assemblage ( fig. 4). Quand on parle matériaux, il faut considérer les caractéristiques suivantes : Contrainte, s A 0 d A L + D L L Limite élastique Zone plasticité Domaine élastique Point rupture Allongement, A% Diagramme 2 Fig. 4 A E = module d élasticité longitudinale ou module d Young : F d - D d d F L F L s L E = = = S L S L L où : F = effort S = section L = longueur L = élongation q L s F w = = < L E S E z pour l acier E = / MPa n = coefficient Poisson ou taux contraction latérale : K = coefficient compression uniforme (pour comparaison avec les liquis) : d V 3 (1 2n) K = = L d P pour les liquis : K º 0 G = module d élasticité transversale ou module cisaillement : E G = 2 (1 + n) d L n = d L pour l acier : 0,27/0,30 pour l aluminium : 0,33/0,36 pour le caoutchouc : 0,49 (le moins compressible tous les solis) pour les liquis : 0,5 (presque incompressible) pour le liège : 0,0 (très compressible) pour l acier G = / MPa R m = limite rupture R e = limite élastique A = % allongement au moment la rupture. 5

6 Les méthos traditionnelles serrage Il existe plusieurs méthos serrage qui sont toutes autant différentes dans leur principe que dans la qualité du serrage qu elles procurent. Examinons les plus connues les plus utilisées. Le serrage au couple C est incontestablement la métho serrage la plus répandue. Quand le diamètre s boulons ne dépasse pas 30 mm, elle présente l avantage d une simplicité mise en œuvre. Mais, malgré les développements théoriques les expérimentations dont elle a fait l obj, cte métho présente intrinsèquement nombreux inconvénients. Caractéristiques du serrage au couple Une gran imprécision l effort serrage Le résultat du serrage final dépend en eff s coefficients frottement au niveau s fils écrou/vis au niveau du contact écrou/ surface. Or, dans la pratique, il est impossible bien maîtriser ces paramètres. Ainsi, pour un même couple nominal visé, la dispersion dans la tension finale serrage du boulon pourra se situer entre ±20% dans les meilleurs cas ±60% dans les cas extrêmes ( tableau 1). Cte gran dispersion est due à la combinaison trois phénomènes : Précision l effort serrage en fonction du moyen utilisé pour appliquer le couple L introduction contraintes parasites torsion La métho serrage au couple provoque dans le boulon, en plus la contrainte axiale traction recherchée, l apparition d une contrainte torsion «parasite» dont le niveau peut atteindre plus 30% la contrainte traction. La contrainte résultante équivalente dans le boulon (critère Von Mises ou critère Tresca) est ainsi fortement augmentée peut dépasser la limite élastique du matériau Tableau 1 Moyen serrage Précision sur la précharge g Clé dynamométrique ±20% 1,5 Visseuse rotative avec étalonnage périodique sur le montage (mesure d allongement la vis ou mesure à la clé dynamométrique du couple serrage) Clé à chocs avec adaptation rigidité étalonnage calibration périodique sur le montage (au moins aux mesures à la clé dynamométrique du couple serrage par lot) ±20% 1,5 ±40% 2,5 Clé à main ±60% 4 Clé à chocs sans étalonnage ±60% 4 F 0 maxi g = = coefficient d incertitu serrage. F 0 mini (Source : extrait la norme NF E reproduit avec l autorisation l AFNOR.) alors que la valeur la contrainte traction à elle seule reste située dans s limites acceptables ( fig. 5). De plus, cte contrainte résiduelle torsion présente un autre inconvénient : elle peut faciliter le sserrage intempestif en fonctionnement. D autre part, le couple étant le plus souvent appliqué manière asymétrique, il y a même la flexion. Son faible niveau perm souvent la négliger, mais, dans les cas limites, il convient d en tenir compte. l imprécision sur le couple serrage appliqué qui peut varier ±5% à ±50% selon l outil utilisé ( tableau 2) les défauts géométriques les états surface s pièces assemblées la boulonnerie la lubrification s surfaces en contact. 6

7 Classe précision du couple serrage Matériel Manuel portatif Motorisé portatif Motorisé fixe Utilisation Tableau 2 D ±20% à ±50% Clés à chocs simples 50 Nm Visseuses à crabots 50 Nm B C ±10% à ±20% Visseuses simples à calage pneumatique Visseuses simples à calage électrique Clés à chocs à énergie emmagasinée (barre torsion ou autre procédé) Clés à renvoi d angle à calage 10 Nm 10 Nm 10 Nm 20 Nm Clés dynamométriques à déclenchement simple (voir E ) 400 Nm Moteurs pneumatiques simples Sans limitation B ±5% à ±10% Visseuses hydrauliques Clés dynamométriques à déclenchement à réarmement automatique Clés dynamométriques à lecture directe à cadran 800 Nm Nm Clés à renvoi d angle à déclenchement 80 Nm Moteurs pneumatiques à contrôle couple Moteurs à pulsations Sans limitation Sans limitation A < ±5% Visseuses électriques Sans limitation Clés dynamométriques électroniques 400 Nm Moteurs à ux vitesses Moteurs asservis électroniquement Sans limitation Sans limitation (Source : extrait la norme NF E reproduit avec l autorisation l AFNOR.) Dispersion du couple serrage en usage industriel 7

8 Les méthos traditionnelles serrage Fig. 5 M t T th N F 0 A Contrainte torsion t = 16 T th pd 3 eq A B x Contrainte traction s = F 0 A S B x r s s f s s c s eq A B x Contrainte équivalente s eq = P JJJ s 2 + 3t 2 Le serrage «au couple» soum le boulon à une contrainte torsion «parasite» avec : d eq = d 2 + d 3 2 A S = pd2 eq 4 T th = couple résistant au niveau s fils F 0 = tension serrage dans le boulon Une détérioration s états surface Le frottement s pièces sous s efforts importants provoque s détériorations s surfaces en contact : fils vis/écrou faces écrou/structure serrée. Lors d un prochain serrage, cte détérioration s surfaces, entraînera une augmentation s forces frottement, ce fait, une plus gran imprécision sur la tension, finale serrage ( fig. 6). Des difficultés sserrage Il est souvent beaucoup plus difficile sserrer un boulon serré au couple que le serrer. La dégradation s surfaces déjà évoquée les problèmes corrosion imposent souvent la mise en œuvre d un couple sserrage très élevé qui peut parfois provoquer s détériorations l assemblage. Les boulons grans dimensions posent d autres problèmes Quand le couple serrage dépasse Nm, il est nécessaire d avoir recours à s clés à chocs, s multiplicateurs couple mécaniques ou s clés hydrauliques ( figs. 7 8). Ces moyens serrage permtent d exercer le couple serrage requis. Mais le premier, en particulier, altère notablement la précision. Seul le troisième peut apporter une certaine amélioration la précision. Cela, à condition procér avec précaution d utiliser un outil qualité. De plus, quand il n est pas possible disposer d une surlongueur du boulon au ssus l écrou ou bien quand le rapport longueur boulon sur diamètre est très réduit ( 1,5), une clé hydraulique qualité présente un certain intérêt. Fig. 6 Détérioration s états surface Le serrage au couple entraîne une détérioration s surfaces s éléments l assemblage. Les montages démontages successifs accentuent ce phénomène. 8

9 Multiplicateur couple Clé hydraulique Fig. 7 Fig. 8 Le serrage simultané est rarement possible Avec la métho du serrage au couple, il n est en général pas possible procér au serrage simultané plusieurs, encore moins la totalité, s boulons d un assemblage. Quand on utilise s clés hydrauliques, on peut théoriquement procér au serrage plusieurs boulons en même temps, mais le nombre reste limité pour s raisons d encombrement complexité mise en œuvre. Les problèmes d imprécision déjà évoqués ne sont pas pour autant éliminés. Les dispositifs contrôle du serrage au couple Il est toujours possible réduire la dispersion sur l effort tension serrage. Le niveau précision dépendra la métho contrôle utilisée s précautions mise en œuvre. Mais, quel que soit le moyen contrôle utilisé, il faut garr en mémoire qu avec le serrage au couple la contrainte équivalente restera toujours élevée à cause la contrainte torsion «parasite». Le contrôle du couple C est le contrôle le plus simple. Mais nous avons vu que, même quand la précision mesure du couple est bonne, il meure une gran incertitu sur la tension finale serrage du boulon. Le serrage à l angle Cte métho comprend ux temps : on applique d abord à l écrou du boulon un couple légèrement inférieur au couple nominal théorique on lui impose ensuite un angle rotation précis. La dispersion sur l effort tension est ainsi un peu diminuée, mais l incertitu reste importante on risque même d augmenter sensiblement la contrainte torsion «parasite». Le contrôle d élongation L amélioration au niveau la précision est plus sensible si on procè à s contrôles l élongation du goujon. Plusieurs techniques peuvent ainsi être utilisées : Métho la pige à molte Une pige vissée dans le milieu du goujon est pourvue dans sa partie supérieure d une molte contrôle du serrage. Dès que l élongation du boulon correspondant au jeu initial entre la tête pige la molte est atteinte, la molte est bloquée en rotation donne à l opérateur l indication que le serrage est réalisé. Cte métho présente quelques inconvénients : il y a un surcoût à cause s pièces complémentaires du perçage du boulon en son milieu le boulon est affaibli un étalonnage préalable est nécessaire la précision reste aléatoire, en particulier à cause la très gran sensibilité aux tolérances réalisation. Mesure par comparateur ou capteur d élongation inductif LVDT Le boulon est percé en son milieu sur toute sa longueur pour recevoir une pige mesure. C est la variation distance entre le somm la pige celui du boulon qui est mesurée. Cte métho est plus précise que la précénte, mais elle présente le même type d inconvénients : il y a un surcoût à cause s pièces complémentaires du perçage du boulon en son milieu le boulon est affaibli un étalonnage préalable est nécessaire. Métho s ultrasons (US) Elle consiste à mesurer le temps traj aller/rour d une on ultrasonore le long l axe longitudinal du boulon. Le boulon n est pas percé mais il doit être gran qualité un étalonnage préalable très précis est nécessaire. La mise en œuvre nécessite un personnel qualifié. Des progrès constants rennt cte métho plus en plus intéressante, en particulier pour la visserie pite dimension (diamètre inférieur à 20 mm). Métho s jauges contrainte Les jauges contrainte sont généralement collées sur le corps du boulon connectées à un «pont Weston». La variation du signal mesuré correspond à la variation d élongation du boulon préalablement étalonné. Il s agit là d une métho laboratoire qu il est exclu d utiliser dans le cas d un serrage industriel. En conclusion, on peut dire que les dispositifs contrôle commentés ci-ssus sont d autant plus coûteux qu ils donnent une meilleure précision, leur mise en œuvre peut être longue nécessiter du personnel spécialisé. De plus, c est en général la variation d élongation du goujon qui est mesurée non pas directement l effort serrage l assemblage. B 9

10 Les méthos traditionnelles serrage La ronlle mesure Elle présente un avantage différentiel majeur par rapport aux autres dispositifs contrôle puisqu elle mesure directement l effort serrage. La ronlle mesure ( fig. 9) est une ronlle instrumentée qui se place sous l écrou serrage. Il est vivement recommandé d interposer entre celle-ci l écrou une ronlle «classique» pour éviter sa détérioration par les frottements importants au serrage au sserage. Elle agit comme un capteur force. La précision est bonne la mise en œuvre est aisée. Pour le serrage au couple, étant donné que les forces frottement varient dans s proportions importantes, si on recherche une bonne précision dans le serrage final, il est indispensable munir chaque boulon l assemblage cte ronlle mesure. De plus, cte métho perm facilement mesurer d enregistrer, périodiquement ou en permanence, l effort tension dans le boulon, que l assemblage soit au repos ou en service. Ronlle mesure Fig. 9 Comment passer du serrage au couple au serrage par tenur hydraulique La pratique du serrage au tenur hydraulique nécessite la connaissance l effort résiduel (F 0 ) nécessaire dans le boulon. Or, lors d un serrage au couple, seul le couple est préconisé, il est généralement donné en newton-mètre (Nm). La formule théorique suivante perm connaître, en première approximation, la force tension résiduelle (F 0 ) dans le boulon lorsqu un couple serrage est appliqué. Cte formule est établie en considérant les frottements s fils ceux la face d appui l écrou. T F 0 = 0,16 p + µ 1 0,582 d 2 + µ 2 r m où: F 0 = effort résiduel (précharge) T = couple serrage p = pas du filage m 1 = coefficient frottement s fils boulon/écrou m 2 = coefficient frottement face écrou/face d appui d 2 = diamètre moyen du boulon r m = rayon moyen la face d appui l écrou. Le Chapitre E «Comparaison entre un serrage au couple un serrage au tenur hydraulique» donne une illustration pratique l application cte formule. Le serrage par élongation thermique Cte métho consiste à chauffer le boulon à l ai d une canne chauffante à provoquer ainsi son allongement par dilatation thermique. Il suffit ensuite d accoster l écrou serrage sans effort couple particulier. Bien que cte métho autorise théoriquement le serrage simultané, elle présente elle aussi nombreux inconvénients : d abord, les boulons doivent être percés au centre sur toute la longueur pour permtre la mise en place la canne chauffante. Ensuite, la mise en œuvre nécessite s moyens chauffage, contrôle température manipulation qui peuvent être importants, surtout pour le serrage simultané. Enfin, l opération est longue puisque ce n est qu après refroidissement que l on peut connaître la valeur la tension résiduelle dans le boulon (à condition d avoir prévu les moyens pour la mesurer). Le cycle consiste donc à : chauffer, accoster l écrou, attendre le refroidissement uniforme l assemblage mesurer. Il est systématiquement nécessaire d ajuster le niveau serrage en reproduisant ce cycle plusieurs fois. Bien souvent la température à atteindre pour obtenir l élongation voulue est trop élevée risquerait d entraîner une modification s caractéristiques mécaniques la matière. Par conséquent, l élongation thermique n étant pas suffisante, il faut lui superposer un serrage au couple, contrôlé par mesure l angle imposé à l écrou. Le serrage par élongation thermique est en fait assez peu utilisé. Les quelques applications connues concernent les boulons gran dimension (diamètre supérieur à 100 mm). 10

11 Comment passer du serrage par élongation thermique au serrage par tenur hydraulique Fig. 10 La pratique du serrage au tenur hydraulique nécessite, nous l avons vu, la connaissance l effort résiduel nécessaire dans le boulon. Or les données techniques connues pour réaliser le serrage par «canne chauffante» sont généralement : l élévation température (Dt) l angle rotation q à effectuer sur l écrou lorsque la température est atteinte. L élongation thermique dépend du coefficient dilatation (a) du matériau, l élongation provenant du serrage au couple est une fonction directe la rotation l écrou du pas. La formule théorique suivante perm connaître, en première approximation, la force tension résiduelle (F 0 ) dans le boulon lorsque cte technique est employée. qps E F 0 = a S E t + l où: q = angle rotation l écrou Dt = élévation température a = coefficient dilatation thermique du matériau du boulon p = pas filage S = section du boulon l = longueur serrée du boulon E = module d élasticité (module d Young) du matériau du boulon. Le serrage par traction mécanique Le serrage par traction mécanique C est une métho qui perm d exercer directement sur le boulon un effort tension ( fig. 10). En général, le corps l écrou est muni d une série vis poussée implantée autour du filage intérieur. Ces vis qui s appuient soit directement sur la face l organe à serrer, soit sur une ronlle intermédiaire sont vissées au fur à mesure par nombreuses passes avec un couple vissage réduit. Elles assurent ainsi la mise en tension du boulon. La mesure la tension est le plus souvent réalisée par un s moyens contrôle d élongation déjà cités. Bien que cte métho présente l avantage d éliminer la contrainte torsion dans le boulon, elle a aussi nombreux inconvénients : le serrage simultané n est pas raisonnablement possible, seul un serrage progressif laborieux d un boulon à l autre est envisageable. Il s agit d un serrage pseudo-simultané. Il est indispensable prévoir un moyen mesure complémentaire tel que la mesure d élongation ou la mise en place d une ronlle mesure d effort. Ensuite, le prix s écrous est plus élevé puisqu ils sont en général dimensions importantes doivent être munis l ensemble s vis pression. Enfin, l opération est longue étant donné que le serrage chaque vis est en général effectué à la main en plusieurs passes. Le serrage par traction mécanique est donc assez peu utilisé. B 11

12 Le serrage par traction hydraulique Présentation Fig. 11 C est la métho serrage mise en œuvre à l ai s tenurs hydrauliques SKF HYDROCAM ( fig. 11). Le boulon à serrer, qui doit être pourvu d une surlongueur au niveau l écrou, est mis sous tension à froid à l ai d un vérin hydraulique annulaire qui exerce sur celui ci uniquement un effort traction. L écrou serrage libéré toute contrainte est accosté pratiquement sans effort serrage, en conséquence, il ne transm aucun couple au boulon. Lorsque la pression dans le vérin est relâchée, l effort hydraulique du vérin est en gran partie transféré sur l écrou accosté ; le serrage est effectué ( fig. 12). Afin d augmenter la précision du serrage, il est recommandé procér à un double accostage. En eff, la première opération d accostage perm compenser les jeux, les aspérités d établir un équilibre s efforts au sein l assemblage. La uxième opération d accostage perm essentiellement d obtenir la précision souhaitée sur la force résiduelle tension du boulon. Ce double accostage consiste simplement à répéter les phases 3, 4 5 schématisées ( fig. 12). C est cte métho, utilisée dans les règles l art, qui perm le mieux d atteindre les critères qualité d un bon serrage listés dans l introduction. Tenur hydraulique SKF HYDROCAM 12

13 Fig. 12 C Comment fonctionne un tenur hydraulique Hydrocam 1 La clé d accostage est placée autour l écrou, le tenur hydraulique vient coiffer le boulon. 2 Le tirant est vissé sur l extrémité dépassante du boulon. 3 Après raccorment hydraulique, le tenur hydraulique, grâce à la mise en pression, développe sur le boulon l effort traction requis. 4 Pendant que la pression est maintenue, l écrou est accosté sans effort à l ai la clé la broche. 5 Puis la pression est relâchée le piston est repoussé. L effort serrage est alors exercé par la tension du boulon. 6 Le tenur la clé peuvent être rirés. 13

14 Le serrage par traction hydraulique Les avantages du serrage par traction hydraulique Fig. 13 Pas contrainte torsion Le serrage par traction hydraulique n introduit aucune contrainte torsion ou flexion «parasite» dans la boulonnerie ( fig. 13). Gran précision Il est précis puisque le paramètre le plus important qui est la force traction est rigoureusement contrôlé par l intermédiaire la pression hydraulique d alimentation du vérin. La force n est pas tributaire s différents coefficients frottement au niveau l assemblage. Seul le couple mis en œuvre pour l accostage peut introduire une incertitu mais, d une part, son influence est du second ordre par le principe même, d autre part, grâce à s précautions élémentaires liées aux règles l art, il est possible d obtenir une certaine homogénéité dans l opération d accostage. Enfin, il faut tenir compte du rapport F h /F 0 (effort hydraulique/effort résiduel après relâchement la pression) qui sera explicité par la suite ( page 21). La connaissance ce rapport est importante, s moyens existent pour l obtenir avec précision pour chaque assemblage. Mise en œuvre facile Sa mise en œuvre est aisée rapi aucun effort musculaire n est nécessaire même pour les boulons très gros diamètre. Les risques liés à l opération la pénibilité du travail sont aussi très fortement réduits. Large gamme diamètres Il s applique à une très large gamme diamètres vis ou goujons : 5 à 500 mm! Diversité s matériaux Des boulons en INOX, titane, matériaux composites peuvent être très facilement serrés au tenur hydraulique. N F H N F 0 A B x A B x Après le serrage F 0 = tension finale serrage dans le boulon s 0 = contrainte traction finale après accostage relâchement la pression Aucune détérioration s pièces Pendant le serrage F H = effort hydraulique tension s H = contrainte traction due à l effort hydraulique F H Il préserve l intégrité tous les éléments l assemblage, puisque les contraintes internes sont maîtrisées qu il n y a pas frottement surface sous forte pression contact ( fig. 14). Opération sserrage aisée Le sserrage est extrêmement facile à effectuer, l effort hydraulique nécessaire est en général à peine plus 1% supérieur à l effort hydraulique initial serrage. Serrage simultané possible La métho serrage par tenur HYDROCAM perm un serrage simultané plusieurs ou la totalité s boulons l assemblage. Aucune détérioration s pièces Avec le serrage par tenur hydraulique, l intégrité tous les éléments l assemblage est préservée. Cte intégrité est maintenue, quel que soit le nombre montages démontages. Fig

15 Cela apporte : une homogénéité serrage l ensemble s boulons l assemblage une mise en œuvre simple une durée d intervention réduite (voir chapitre F «Le serrage simultané par traction hydraulique»). Automatisation possible Les opérations serrage sserrage peuvent être totalement automatisées pour permtre : une optimisation la simultanéité s opérations une plus gran précision serrage une plus gran homogénéité du serrage une durée d opération encore plus réduite un allégement s conditions travail s opérateurs dans le cas d accessibilité difficile un pilotage à distance : le personnel peut piloter toutes les séquences serrage ou sserrage puis une zone sécurisée. Pour la plus gran partie s opérations, le personnel est ainsi éloigné s risques liés à l environnement tels que rayonnements ionisants, fortes pressions, fortes températures, bruit important, risques rupture pièces avoisinantes Les dispositifs contrôle du serrage par traction hydraulique Le serrage hydraulique se prête à l utilisation différentes méthos contrôle, selon le niveau précision requis par l assemblage. Contrôle la pression hydraulique Un contrôle précis la pression mise en œuvre pour assurer l effort tension perm, à condition d avoir déterminé le rapport F h /F 0, d obtenir un niveau précision du serrage final l ordre 8 à 10% bien souvent acceptable. Métho la «remontée en pression» Après avoir réalisé un premier serrage par montée en pression, accostage l écrou relâchement la pression, on procè à une nouvelle mise en pression du vérin traction tout en relevant l évolution la pression en fonction du déplacement du somm du boulon. Grâce au changement pente la courbe, il est ainsi possible trouver la valeur du serrage résiduel ( fig. 15). Cte métho perm d améliorer la connaissance l effort résiduel. Le niveau précision du serrage final peut être l ordre 5 à 8%. Mesure d élongation Cte mesure peut être réalisée à l ai d une s méthos déjà décrites : comparateur, capteur d élongation inductif LVDT ( fig. 16) ou ultrasons ( fig. 17). Dans le cas l utilisation capteurs précis avec une goujonnerie précision convenablement étalonnée, le niveau précision peut être très bon : 1 à 5%. Bien entendu, le coût est d autant plus élevé que la précision, visée est gran. C Mesure du déplacement la tête du boulon à l ai d un comparateur Mesure l élongation du boulon à l ai d un capteur inductif LVDT Mesure l élongation du boulon à l ai d un capteur à ultrasons Fig. 15 Fig. 16 Fig

16 Le serrage par traction hydraulique La ronlle mesure La métho, déjà décrite précémment pour le cas du serrage au couple, s adapte parfaitement à l utilisation du tenur perm un contrôle direct très précis l effort tension résiduel du boulon. Cte ronlle est particulièrement utile quand on veut faire du contrôle périodique ou continu. Contrairement au serrage au couple, même quand une gran précision serrage est requise, compte tenu la reproductibilité du serrage par traction hydraulique, il n est pas nécessaire d équiper tous les boulons d un même montage ronlle mesure. Une sur 2, sur 3, sur 4, sur 8 selon le montage les exigences, peut suffire. La précision sur l effort résiduel est en général l ordre ±5%. Elle peut être réduite à ±2%, pour s pièces gran qualité s assemblages précision. De plus, il est inutile d interposer entre la ronlle mesure l écrou une ronlle «classique» puisqu il n y a pas frottement surface. La métho serrage par traction hydraulique perm donc situer avec précision le niveau la contrainte serrage par rapport à la limite élastique du matériau. Et si le boulon est assez long, on peut ainsi s approcher cte limite en toute sécurité sans risquer la dépasser. Cela est très important pour la qualité l assemblage puisque, contrairement aux idées reçues, les étus montrent que plus la contrainte serrage d un boulon est proche la limite élastique : meilleure est la tenue l assemblage plus gran est la durée vie du boulon sous efforts cycliques ( diagramme 3). Influence du taux serrage d un boulon sur sa tenue en dynamique Diagramme 3 F La maîtrise s contraintes dans le boulon perm dès la conception d optimiser le choix s matériaux le dimensionnement. Par rapport aux méthos traditionnelles utilisant un couple serrage, avec le tenur hydraulique il est possible réduire les dimensions l assemblage /ou le nombre s vis ou goujons. Il en découle trois avantages majeurs : F maxi F m F a une réduction s encombrements une réduction du poids une réduction s coûts. F a F mini 0 1 cycle Temps F Fa (10 3 dan) 3,1 3,0 2,9 2,8 2,7 2,6 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2, Nombre cycles, N précharge égale à 0,6 limite élastique (R e ) 0,7 R e 0,8 R e (Source : document CETIM «Assemblages vissés conception montage». Reproduit avec l autorisation du CETIM.) 16

17 Analyse technique du serrage Quand nous effectuons un serrage avec toute métho, par exemple sur l assemblage la fig. 18, nous réalisons en fait une traction dans le boulon «relativement très élastique» une compression s pièces structure «relativement très rigis». On voit ainsi ( diagramme 4) que la pente la droite D 1 correspondant au boulon est faible ( diagramme 5) que la pente la droite D 2 correspondant à la structure est forte. Les droites D 1 D 2 peuvent être tracées sur un même graphique ( diagramme 6) sur lequel la précharge serrage F 0 correspond à l intersection s ux droites. L effort tension dans le boulon est bien sûr égal en valeur absolue opposé en signe à l effort compression sur la structure ( fig. 19). L allongement du boulon, ou tension du boulon, est d B la compression la structure est d S. L effort extérieur F E sur l assemblage peut être un effort traction ou compression. Dès que l on applique un effort extérieur F E traction sur l assemblage, on vient augmenter la tension du boulon non pas F E mais seulement F 1 puisque la force compression la structure diminue F 2, on a ( fig. 20) : F E = F 1 + F 2 On voit sur les graphiques que ce n est pas la totalité l effort extérieur qui s exerce sur le boulon, mais une partie, seulement ( diagrammes 7 8). D Exemple d assemblage boulonné Courbe d allongement du boulon Fig. 18 Diagramme 4 Boulon M20 2,5 F Boulon très élastique F Boulon très rai 200 a 0 Effort, F (traction sur boulon) d 0 a d F 0 A D 1 a Fonction la raiur du boulon L angle a dépend la nature du matériau du boulon du rapport L/d (diagramme 14) F 0 = précharge serrage d B = allongement du boulon sous F 0 0 d B Déformation, d 17

18 Analyse technique du serrage Diagramme 5 Diagramme 6 Effort, F (compression sur la structure) Effort, F D 2 A F 0 D 2 D 1 F 0 A Fonction la raiur la structure b a b d S 0 Déformation, d F 0 = précharge serrage d S = compression la structure sous F 0 0 d B F 0 = précharge serrage d B = tension du boulon d S = compression la structure d S Déformation, d Courbe compression la structure Graphique serrage d un assemblage boulonné Assemblage serré à la précharge F 0 Assemblage serré à la précharge F 0 subissant un effort traction extérieur F E Fig. 19 Fig. 20 F 0 F E F E F 0 + F 1 F 1 = augmentation la tension du boulon F 2 = diminution la force compression sur la structure F E = F 1 + F 2 = effort extérieur traction appliqué sur l assemblage F 0 + F 1 = effort traction sur le boulon F 0 F 2 = effort compression entre les pièces assemblées F 0 F 0 + F 1 F 0 F 1 F 0 + F 1 Précharge (Tension) Précharge (Compression) F E F 0 F 2 F 0 - F 2 Boulon Structure Boulon Structure 18

19 L application d un effort extérieur compression F E sur l assemblage provoque une réduction la tension du boulon une augmentation la déformation en compression la structure; dans ce cas, le diagramme 7 est remplacé par le diagramme 9. La valeur l effort F 1 peut être calculée en fonction la raiur du boulon R B la raiur la structure R S, on a ainsi : Effort, F F 0 + F 1 F 0 D 2 A C F 1 F 2 D 1 F E Diagramme 7 F 1 = F E R B 7(R B + R S ) F 0 - F 2 B Si l effort serrage est insuffisant par rapport à l effort extérieur, il y a perte serrage entre les pièces ( diagrammes 10 11). D autre part, en cas d un effort extérieur cyclique, on remarque sur les diagrammes que l effort alterné réellement supporté par le boulon est très réduit, or on sait qu en matière fatigue la valeur la composante alternée l effort subi par une pièce a une très gran importance ( diagramme 3). 0 a d B F 0 = précharge serrage F E = effort extérieur traction appliqué à l assemblage F 0 + F 1 = effort traction sur le boulon F 0 F 2 = effort compression entre les pièces assemblées b d S F 3 Déformation, d Graphique montrant l influence d un effort extérieur traction F E sur un assemblage boulonné avec une précharge F 0 D Relation entre l effort total exercé sur le boulon l effort extérieur appliqué à l assemblage Effort sur le boulon, F Diagramme 8 Graphique montrant l influence d un effort extérieur compression F E sur un assemblage boulonné avec une précharge F 0 Effort, F Diagramme 9 F E maxi F 0 + F 1 D 1 F 0 F E = R B R B + R S F E = F 1 F 1 F 0 + F 2 D 2 B F 2 FE Contact entre pièces Jeu entre pièces, perte serrage F 0 F 0 - F 1 F 1 C A 0 F E F E maxi F ext F 0 = précharge serrage F 0 + F 1 = effort traction sur le boulon F E = effort extérieur traction appliqué à l assemblage F E maxi = effort extérieur maximal admissible avant décollement s pièces assemblées DF E = part l effort extérieur s exerçant sur le boulon R S = raiur la structure R B = raiur du boulon 0 a d B F 0 = précharge serrage F E = effort extérieur compression appliqué à l assemblage F 0 F 1 = effort traction sur le boulon F 0 + F 2 = effort compression sur la structure d S b Déformation, d 19

20 Analyse technique du serrage Diagramme 10 Diagramme 11 Effort, F D 2 D 1 Effort sur le boulon, F F E F E F 1 F 0 A F 0 F E F 2 Contact entre pièces h a b 0 d B F 0 = précharge serrage F E = effort traction sur le boulon h = jeu entre pièces, perte serrage h Déformation, d 0 F 0 = précharge serrage F E = effort traction sur le boulon h = jeu entre pièces, perte serrage F E F ext Effort serrage insuffisant par rapport à l effort extérieur Il y a perte serrage entre les pièces. Effort appliqué sur le boulon quand l effort extérieur traction est trop important par rapport au serrage Diagramme l effort sur le boulon dans le cas d un effort extérieur cyclique Cas l effort cyclique Relation entre l effort total exercé sur le boulon l effort traction extérieur appliqué à l assemblage. Diagramme 12 Diagramme 13 Effort, F Effort sur le boulon, F D 2 D 1 F E = R B R B + R S F E = F 1 C F 0 + F 1 A F 1 F 0 F 0 + F 1 F 1 F 0 F E F 2 B F 3 a b 0 d B F 0 = précharge serrage F 0 + F 1 = effort traction sur le boulon d S Déformation, d 0 F E F 0 = précharge serrage F 0 + F 1 = effort traction sur le boulon F E maxi F ext 20

21 Rapport L/d, rapport F 1 /F 0 pour le serrage hydraulique On peut ainsi remarquer que plus la raiur du boulon est faible par rapport à celle la structure plus la part d effort extérieur prise par le boulon est faible. Il y a donc toujours intérêt à utiliser s boulons dont le rapport longueur sur diamètre (L/d) est grand, puisque la raiur dans ce cas est plus faible. Ce rapport (L/d) est d ailleurs aussi le paramètre principal dont dépend le rapport entre l effort résiduel final serrage F 0 l effort hydraulique F h à mtre en œuvre pour l obtenir ( diagramme 14). On voit que plus le rapport L/d est grand plus le rapport F h /F 0 est réduit, l intérêt d avoir un rapport L/d grand est donc double. Dans le cas où le rapport L/d est très réduit (< 1,5), l effort hydraulique à mtre en jeu pour obtenir le serrage final peut atteindre une valeur très élevée par rapport à la limite élastique du matériau. L utilisation d une clé à couple très bonne qualité peut éventuellement constituer une solution acceptable. Cependant, dans ce cas, le choix entre les ux mos serrage dépendra aussi s autres paramètres liés à l application en particulier la précision l homogénéité serrage requises, l accessibilité, la nécessité d opérer un serrage simultané, D Diagramme 14 F h /F 0 Ød 1,8 1,7 1,6 L 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1, F 0 = effort résiduel serrage F h = effort hydraulique limite supérieure = filage à pas gros limite inférieure = filage à pas fins L/d Évolution du rapport F h /F 0 en fonction du rapport L/d pour les aciers couramment utilisés en boulonnerie 21

22 Notes 22

23 Comparaison entre un serrage au couple un serrage au tenur hydraulique La comparaison sera faite dans ux cas : serrage d un assemblage existant conception d un nouvel assemblage, compte tenu du mo serrage prévu. Le serrage d un assemblage existant Prenons pour cte comparaison l exemple du serrage ux bris diamètre extérieur 600 mm, assemblées par 16 boulons M20 2,5 répartis sur un diamètre 500 mm ( fig. 18). Pour chaque boulon, la longueur serrée est d environ 200 mm, soit un rapport longueur sur diamètre L/d = 10, très courant en mécanique. Le filage pas 2,5 s boulons est conforme au standard ISO le matériau est classe L avantage du choix d une telle dimension boulon pour la comparaison est que le serrage au couple par une clé dynamométrique manuelle peut être mis en œuvre sans trop difficulté (couple < 700 Nm). Bien entendu, le serrage au tenur hydraulique est réalisé encore plus facilement. La fig. 21 donne les dimensions du filage M20 2,5 ISO : d = 20 mm d 2 = 18,376 mm d 3 = 16,933 mm d eg = 17,655 mm A S = 244,5 mm 2. Pour les calculs, la vis est assimilée à une tige pleine diamètre équivalent d eg section A S. On sait également que le matériau d un boulon classe 10-9 présente les caractéristiques principales suivantes : résistance à la traction : R m MPa limite d élasticité à 0,2% : R e (0,2%) 900 MPa. On se fixe pour impératif ne pas avoir contrainte dans le boulon qui soit supérieure à 90% la limite élastique à 0,2% du matériau soit : s maxi = 0,9 R e = 810 MPa L effort maximal admissible sur notre boulon sera ainsi : F maxi = 0,9 R e A S soit : F maxi = N E Dimensions du filage M20 2,5 ISO Fig. 21 d (M P) d 2 d eq d 3 d = diamètre extérieur la vis d 2 = diamètre moyen = d 0,6495 p d 3 = diamètre à fond fils = d 1,2268 p Ecrou Vis p d eq = diamètre équivalent = d 2 + d 3 2 = = d 0,9382 p p = pas A S = section équivalente = pd2 eq 4 23

24 Comparaison entre un serrage au couple un serrage au tenur hydraulique HTA Désignation Dimensions s boulons Diamètre Pas Pression maxi. X D 40 maxi mm mm MPa HTA 20 M20 2,5 M20 2,5 150 HTA 20 M22 2,5 M22 2,5 150 HTA 20 M24 3 M HTA 20 M27 3 M U H A H 1 HTA 35 M27 3 M HTA 35 M30 3,5 M30 3,5 150 HTA 35 M33 3,5 M33 3,5 150 HTA 35 M36 4 M HTA 50 M36 4 M HTA 50 M39 4 M HTA 50 M42 4,5 M42 4,5 150 HTA 50 M45 4,5 M45 4,5 150 HTA 60 M42 4,5 M42 4,5 150 HTA 60 M45 4,5 M45 4,5 150 HTA 60 M48 5 M HTA 60 M52 5 M D 1 D 2 Z Y HTA 90 M45 4,5 M45 4,5 150 HTA 90 M48 5 M HTA 90 M52 5 M HTA 90 M56 5,5 M56 5,5 150 HTA 90 M60 5,5 M60 5,5 150 Le polyvalent Les dimensions d encombrement ce tenur, ainsi que l effort développé, favorisent son utilisation dans nombreuses applications. Exemple désignation : Tenur compl pour un boulon M48 : HTA 90 M48 5 Tirant M48 5 du tenur HTA 90 : HTA 90T M48 5 HTA.. T.. HTA.. C HTA.. J en option HTA 130 M60 5,5 M HTA 130 M64 6 M HTA 130 M68 6 M HTA 130 M72 6 M HTA 130 M76 6 M HTA 160 M72 6 M HTA 160 M76 6 M HTA 160 M80 6 M HTA 200 M80 6 M HTA 200 M85 6 M HTA 200 M90 6 M HTA 200 M95 6 M HTA 200 M100 6 M HTA 250 M100 6 M HTA 250 M110 6 M HTA 250 M120 6 M HTA 250 M125 6 M HTA 310 M125 6 M HTA 310 M130 6 M HTA 310 M140 6 M HTA 310 M150 6 M Cte page est extraite du catalogue SKF «Tenurs boulons Hydrocam Systèmes serrage industriels» qui présente la gamme complète s tenurs Hydrocam leurs applications industrielles. 24

25 Section hydraulique Effort hydraulique maxi. Course piston Dimensions D H H 1 D 1 D 2 A U X Y Z Masse tenur compl cm 2 kn mm mm kg , , , , ,5 56 4, ,5 56 4, , , ,5 7, ,5 7, ,5 7, ,5 7, , , , ,5 9 E ,5 15, ,5 15, ,5 84,5 15, ,5 84,5 15, ,5 84, , , , , , , , , ,5 164, , , ,

26 Comparaison entre un serrage au couple un serrage au tenur hydraulique Le serrage par tenur hydraulique Examinons d abord le serrage par tenur hydraulique. Au sein la gamme standard s tenurs (voir le catalogue général SKF HYDROCAM), nous choisissons le tenur HTA 20 qui est adapté au boulon concerné ( tableau 3). Facteurs dispersion dans le serrage hydraulique Analysons d abord les différents facteurs dispersion leur niveau que l on peut rencontrer avec le tenur hydraulique. Dispersion liée aux dimensions tolérances la boulonnerie l assemblage Le diagramme 14 perm trouver quel sera l effort hydraulique à mtre en œuvre. Nous voyons que pour un rapport L/d = 10, le rapport F h /F 0 entre l effort hydraulique nécessaire F h l effort résiduel final serrage F 0 se situe d une façon générale entre les valeurs 1,10 1,20, soit : 1,15 ±4,5%. Mais, en fait, le graphique indique une variation générale (pour L/d = 10 : ±4,5%) prenant en compte les différents types montages, formes caractéristiques pièces, en particulier s filages, que l on peut rencontrer le plus souvent en mécanique. Nous savons par expérience que sur un même assemblage le rapport F h /F 0 variera moins ±2% pour un serrage unitaire, car seuls les tolérances dimensionnelles, les défauts géométriques les écarts dans les caractéristiques s matériaux sur une même pièce ou sur un même lot pièces sont à prendre en compte. Nous renons donc 1,15 comme valeur moyenne, 1,18 comme valeur maximale 1,12 comme valeur minimale. Dispersion sur l effort hydraulique La dispersion sur l effort hydraulique dépend d une part du tenur lui-même d autre part la précision sur la pression hydraulique. Les tenurs SKF HYDROCAM ont un excellent renment (98% à ±1%). Donc la dispersion sur le tenur choisi n est que ±1%. La dispersion sur la pression est en général ±2%, elle dépend la justesse du moyen mesure (manomètre ou capteur) la précision lecture par l opérateur. Au total, la précision sur l effort hydraulique sera ±3%. Nous avons choisi ne pas dépasser dans tous les cas un effort maximal sur le boulon F maxi = N (pour ne pas excér une contrainte s maxi = 810 MPa). Nous limitons donc l effort hydraulique maximal à la même valeur : F h maxi = N Compte tenu la dispersion «hydraulique», l effort hydraulique minimal sera : F h mini = /1,06 soit : F h mini = N Et ainsi, nous obtenons l effort hydraulique moyen à viser : F h m = (F h maxi + F h mini )72 = N Le tenur SKF HYDROCAM HTA 20 ayant une surface sous pression 20 cm 2, la pression à mtre en œuvre sera, en tenant compte du renment (º98%), 98 MPa. Dispersion sur l accostage l écrou à serrer L accostage l écrou, s il est fait manuellement, peut entraîner une dispersion sur le serrage final ±3%. Les différentes précautions, simples, à prendre pour limiter la dispersion sur l accostage, sont expliquées dans le catalogue général SKF HYDROCAM. Pour l exemple traité, nous prenons une dispersion ±3% sur l accostage. Conséquence s dispersions sur l effort final serrage Nous pouvons maintenant voir la conséquence s dispersions sur l effort serrage résiduel final. L effort serrage est maximal quand l effort hydraulique est maximal, l accostage est en haut la plage le rapport F h /F 0 est minimal. L effort maximal serrage sera donc : F 0 maxi = N ( ,03/1,12) L effort serrage est au minimum quand l effort hydraulique est minimal, l accostage est en bas fourchte le rapport F h /F 0 est maximal. L effort minimal serrage sera donc : F 0 mini = N ( ,97/1,18) La valeur moyenne l effort serrage sera ( diagramme 15) : F 0 m = (F 0 maxi + F 0 mini )72 = N F 0 = N ±8,5% Nous voyons que nous sommes bien dans la plage tolérance précémment indiquée pour une utilisation «classique» tenur, sans moyen mesure complémentaire particulier. Avec l habitu, il est parfaitement possible réaliser beaucoup mieux sur un même assemblage : ±6% même moins. Effort extérieur maximal sur l assemblage Maintenant que notre assemblage a été convenablement serré avec le tenur hydraulique, voyons quel effort traction extérieur maximal il peut supporter sans que l effort total sur un boulon dépasse la valeur limite que l on s est fixée : F maxi = N Pour cela, il nous faut d abord connaître les raiurs du boulon la structure. Avec les dimensions déjà définies, on peut calculer la raiur du boulon : R B = A S E/L = 244, /200 = N/mm 26