La technologie de vissage reste une technologie clé dans le domaine de l'assemblage, notamment en raison de sa grande capacité de charge, de sa réutilisation et de la possibilité de desserrer les assemblages de manière non destructive. Les vis sont les éléments de machine les plus fréquemment utilisés et offrent un large choix de modèles normalisés pour les applications les plus diverses.
L'objectif principal du vissage dans la technique de montage est d'obtenir une force de précontrainte définie et constante. Celle-ci doit être réglée de manière à ce que, d'une part, le fonctionnement de l'assemblage vissé soit garanti pour chaque force de fonctionnement possible et que, d'autre part, la charge admissible ne soit pas dépassée. Les phénomènes de tassement de l'assemblage, souvent inconnus, et les variations de la force de précontrainte obtenue, liées au montage, posent problème.
Dans la fabrication en série, la force de précontrainte obtenue ne peut généralement être déterminée qu'à grands frais. Dans la pratique, différents procédés de serrage sont donc utilisés pour contrôler indirectement la force de précontrainte. On a souvent recours au couple de serrage comme grandeur de mesure indirecte. D'autres paramètres tels que l'angle de rotation, le temps de vissage et les coefficients de frottement servent également de grandeurs de commande importantes dans le processus de montage. Des procédés innovants de détection de l'appui de la tête de vis aident en outre à améliorer la constance de la force de précontrainte.
L'un des principaux défis du serrage par couple est la variation des coefficients de frottement qui, avec la dispersion du couple de l'outil de vissage, influencent la force de précontrainte résultante. La distinction entre le frottement de la tête et le frottement du filetage est particulièrement importante. Comme ces effets de friction s'additionnent, des variations de 50 % ou plus de la force de serrage peuvent se produire, même avec une grande répétabilité du couple.
Pour garantir un assemblage sûr, l'assemblage par vis doit donc être conçu de manière à fonctionner de manière fiable malgré ces écarts : il ne doit pas être surchargé avec une force de serrage plus élevée et doit néanmoins fournir la force de maintien requise avec une force de serrage plus faible. Malgré ces faiblesses, le serrage contrôlé par le couple est de loin la méthode de serrage la plus utilisée, principalement en raison de sa simplicité de mise en œuvre technique.
La combinaison avec une détection d'angle de rotation est une possibilité d'amélioration de la précision. Cette méthode est particulièrement utile lorsqu'il s'agit de détecter des variations dans les propriétés des matériaux des composants. Le processus d'assemblage proprement dit reste inchangé, mais l'angle de resserrage qui se produit à partir d'un certain couple de seuil est également surveillé. Celui-ci doit se situer dans des limites définies, appelées "fenêtre verte".
L'évaluation de l'angle de post-tension permet de tirer des conclusions sur d'éventuelles erreurs de montage :
- Des angles de post-tension trop courts indiquent souvent l'absence d'un élément d'étanchéité.
- Des angles de resserrage trop longs indiquent que les composants ne sont pas suffisamment durcis.
Le couple de seuil à partir duquel la détection de l'angle de rotation commence se situe généralement entre 20 % du couple final (pour les cas de vissage dur) et 80 % du couple final (pour les cas de vissage souple).
Le serrage à angle de rotation contrôlé
Dans la méthode de l'angle de rotation, le couple et l'angle de rotation de l'assemblage par vis sont tous deux utilisés pour commander le processus de serrage. Cependant, lors du Serrage final, c'est l'Angle de rotation et non le couple qui sert de variable de contrôle. Cela signifie que la vis est d'abord serrée jusqu'à un couple de démarrage d'angle de rotation, puis continue à être serrée selon un angle de resserrage prédéfini. Le couple peut alors être utilisé comme variable de contrôle supplémentaire.
Avec cette méthode de serrage, la vis peut être serrée soit dans la zone élastique, soit dans la zone plastique. Dans la zone plastique, la poursuite de la rotation de la vis n'entraîne qu'une augmentation minimale du couple, raison pour laquelle le couple ne peut plus être utilisé de manière fiable comme variable de commande. Pour le serrage dans cette zone, certains paramètres doivent être respectés avec précision, car la vis est alors déformée de manière permanente et perd son caractère réutilisable.
Les notions de plastique et d'élastique peuvent être illustrées par le diagramme tension-déformation de Hook. Dans la déformation élastique, la force de précontrainte est proportionnelle au couple appliqué pour des coefficients de frottement constants. Lorsque le couple augmente, l'allongement de la vis augmente également. Lorsque la charge (force de précontrainte / couple) est supprimée, la déformation diminue. Cependant, dès que la limite d'élasticité de la vis est atteinte, l'augmentation du couple s'aplatit et la vis entre dans la zone plastique. Dans cette zone, la déformation persiste même après le retrait de la charge. Si la charge maximale est dépassée, la vis se rétrécit, ce qui conduit finalement à sa destruction.
La zone plastique d'une vis varie en fonction de sa conception : elle peut être courte et abrupte ou longue et plate. Une large plage plastique est toutefois nécessaire pour appliquer avec succès la procédure de serrage à angle de rotation contrôlé. Cette méthode permet d'éliminer en grande partie les éléments perturbateurs liés à l'influence du frottement tout en exploitant la capacité de charge maximale de la vis.
Serrage avec contrôle de valeur limite
Le serrage contrôlé par la limite d'élasticité a été développé pour éviter les limitations de la vis d'expansion tout en évitant d'avoir comme inconvénient la dépendance aux coefficients de frottement fluctuants. Cette méthode utilise à la fois le couple et l'angle de rotation comme variables de contrôle. Le principe est basé sur l'utilisation de la pente décroissante du diagramme tension-déformation , qui sert de critère de coupure lorsque la limite d'élasticité est atteinte.
Le diagramme tension-déformation montre que l'augmentation est linéaire au début et qu'elle s'aplatit progressivement lorsque la limite d'élasticité est atteinte. Au cours de ce processus, la force axiale est proportionnelle au couple et l'allongement est proportionnel à l'angle de rotation. En termes mathématiques, la pente d'une courbe est la dérivée de la fonction. Si, après avoir atteint l'angle de rotation, la dérivée du couple est réduite à environ 50 % de la valeur initiale, la limite d'élasticité est atteinte et le processus de serrage est terminé. Pour plus de sécurité, les angles limites et les couples limites peuvent être introduits en plus comme grandeurs de surveillance.
Le serrage contrôlé par la limite d'élasticité permet d'éviter les inconvénients liés aux variations des coefficients de frottement ou les contraintes liées à la sélection de la vis. Dans de nombreux cas, les vis peuvent être dimensionnées plus petites en raison d'une sécurité accrue lorsque la force de serrage requise est atteinte, ce qui permet de réduire les coûts.
Cette méthode n'est applicable qu'aux assemblages dans lesquels la vis est le composant le plus faible. L'enfoncement de la tête de vis dans la position opposée pourrait être interprété comme une limite d'angle du Système de vissage DEPRAG Plus.
DEPRAG Clamp Force Control (CFC)
La méthode de vissage adaptatif DEPRAG CFC permet d'obtenir une force de précontrainte (force de serrage) améliorée et plus constante, même lorsque le couple d'insertion varie. Le vissage complet se compose de deux éléments principaux : la détection de l'appui de la tête et le vissage basé soit sur un couple différentiel, soit sur un angle de rotation.
Les exemples typiques d'application de ce procédé sont les vissages directs dans le plastique ou le métal. La méthode brevetée pour les visseuses EC-Servo en combinaison avec l'AST12 ou l'AST40 est spécialement utilisée pour les couples d'insertion très variables.
Défis et solutions
Les variations du couple d'insertion peuvent être causées par différents facteurs, tels que les modifications de la géométrie de la vis ou du trou, la structure du matériau de la pièce, les variations de l'état de surface du filetage de la vis ou les éléments élastiques et les phénomènes de tassement. Dans de tels cas, la détection fiable du point d'assise-tête assure un état initial uniforme et permet un serrage final constant, ce qui se traduit par une force de précontrainte uniforme.
Avantages :
- Amélioration de la constance de la force de précontrainte : la force de précontrainte reste constante, même lorsque le couple d'insertion varie.
- Robustesse aux variations aléatoires : La méthode est insensible aux augmentations aléatoires du couple qui ne sont pas causées par le point d'assise-tête.
- Faible effort de paramétrage : l'installation de la procédure est rapide et simple.
Méthode de calcul :
La principale caractéristique de la méthode est la Détection de l'arrivée en butée de la tête de vis. Pour cela, l'évolution du couple est surveillée en permanence et convertie en une fonction d'évaluation mathématique. Le point d'assise-tête est considéré comme détecté lorsque cette fonction dépasse une valeur limite fixe.
Dès que le point d'assise-tête est détecté, le couple et l'angle de rotation sont tous deux calculés rétroactivement à cet horodatage. La limite supérieure de couple sert de critère d'interruption pour l'étape de vissage. En option, la fenêtre OK pour la détection de l'appui-tête peut être surveillée par des limites inférieures et supérieures de couple et d'angle.
Les valeurs finales de l'étape de vissage (couple et angle de rotation) au point d'assise-tête ou à la fin de l'étape de vissage sont utilisées comme valeurs de référence pour la section suivante du programme.
Le vissage sur couple différentiel peut être remplacé par un vissage sur angle de rotation.
DEPRAG Vissage par contrôle de friction
L'objectif principal du vissage des composants est d'obtenir une force de précharge constante. La stratégie de serrage courante, le "vissage au couple prédéterminé", fonctionne bien lorsque les caractéristiques requises pour le processus de vissage à couple contrôlé sont de qualité constante.
Cependant, des défis particuliers apparaissent lors du traitement des vis autotaraudeuses et autotaraudeuses. Dans ce cas, les variations de la qualité des pièces, telles que les modifications de la géométrie des vis ou des trous, la structure des matériaux des composants, les variations de l'état de surface des filets de vis ou du trou de carotte, ainsi que les éléments élastiques et les phénomènes de tassement, peuvent entraîner des couples d'insertion irréguliers pendant le processus de moulage ou de coupe.
Lorsque les assemblages par vis sont serrés à des valeurs de serrage final prédéterminées, ces couples d'insertion variables peuvent entraîner des forces de précontrainte variables, ce qui peut entraîner les problèmes suivants :
- Endommagement de la vis ou des composants (par exemple, rupture)
- Défaillance de l'assemblage par vis (perte de la force de précontrainte)
- Non-atteinte du support de la tête de vis
La solution : un contrôle précis de la force de précontrainte malgré les variations du coefficient de frottement
La méthode du coefficient de frottement DEPRAG offre une solution à ce problème. Pendant le processus de vissage, le couple d'insertion appliqué pour le processus de moulage ou de découpe est enregistré dans une plage angulaire paramétrable. Une valeur moyenne, appelée Coefficient de frottement, est calculée à partir de ces valeurs mesurées. Le Coefficient de frottement détermine, via un couple seuil, la suite du processus de serrage, le couple différentiel étant utilisé pour l'étape suivante. La somme du coefficient de frottement et du couple différentiel donne finalement le couple d'arrêt.
Avantages :
- La force de précontrainte requise est appliquée en toute sécurité, même si les valeurs de couple varient constamment au cours du processus.
Inconvénients :
- Les valeurs de serrage final ne sont pas constantes en raison des variations des coefficients de frottement. Il n'est donc pas possible d'évaluer la qualité des raccords individuels à l'aide des valeurs de serrage final (par exemple à l'aide de l'indice Cmk).
- Les mesures disponibles pour l'évaluation de la qualité sont plutôt la valeur du couple différentiel ou la valeur de l'angle de rotation mesuré à partir du couple de seuil jusqu'à ce que le couple d'arrêt soit atteint.
Mesure de longueur linéaire
L'allongement d'un boulon et la force de précontrainte qui en résulte sont mathématiquement liés de manière plus précise que le couple et la force de précontrainte. C'est pourquoi une mesure directe de l'allongement permet de déterminer très précisément la force de précontrainte. Une façon de mesurer cela est de détecter mécaniquement l'allongement via le trou dans la vis. Ce trou doit être plus profond que la longueur de serrage de la vis utilisée. Cependant, cette méthode ne convient que pour des cas spéciaux avec des vis plus grandes et est rarement utilisée dans la pratique.
Mesure de longueur linéaire par ultrasons
Une méthode plus précise de mesure de la longueur est la mesure par ultrasons de l'allongement des vis. Une impulsion ultrasonique est envoyée dans la tête de la vis. L'impulsion se propage à travers la vis, est réfléchie à l'extrémité de la tige à l'interface acier/air et revient à la tête de la vis. La différence de temps entre les échos de l'impulsion est utilisée pour calculer la longueur de la vis.
Cette mesure peut être effectuée à une fréquence très élevée, ce qui permet d'effectuer plusieurs milliers de mesures par seconde et d'obtenir une haute résolution. Cependant, les états de tension du matériau de la vis et la température de la vis doivent être compensés en tant que variables perturbatrices. Le procédé a maintenant atteint le stade de la production en série et est utilisé avec succès dans l'industrie automobile pour les vissages de sécurité très sensibles. Dans ce cas, on ne renonce toutefois pas à la surveillance supplémentaire du couple et de l'angle de rotation.
Autre inconvénient de cette méthode : elle nécessite des vis avec un capteur déposé par évaporation, ce qui laisse un élément de détection coûteux sur le composant pour chaque vis traitée.
Cas particuliers
La plupart des procédures décrites sont adaptées aux assemblages par vis métriques en acier. Dans la pratique, il existe toutefois de nombreux autres types d'assemblages par vis, tels que les vis à tôle, les vis autoperceuses ou autoformantes, ainsi que les assemblages par vis métalliques dans des matières thermoplastiques ou thermodurcissables. Ces variantes requièrent une attention particulière.
En principe, la relation entre le couple, les coefficients de frottement et la force de précontrainte générée reste valable. Cependant, dans le cas des raccords en plastique, la relation ne peut pas être uniquement basée sur les caractéristiques du matériau de la vis, car les caractéristiques du matériau des composants ont également une influence. De plus, dans le cas des vis autoforantes ou des vis autoformantes , des facteurs perturbateurs supplémentaires apparaissent - ce que l'on appelle les couples d'insertion.
Le défi des raccords directs
Dans les cas où un filetage doit être formé, des couples de taraudage sont nécessaires en plus des pièces de frottement pour atteindre le couple final. En raison des fortes variations de ces couples d'insertion, les imprécisions sur la force de précontrainte obtenue sont nettement plus importantes que dans les cas standard décrits. La vitesse de rotation de la visseuse joue un rôle décisif, en particulier pour les vissages directs dans les thermoplastiques, car elle peut influencer considérablement la qualité du vissage.
Conclusion : des assemblages par vis précis nécessitent des procédures de serrage et des paramètres appropriés.
La détermination précise de la force de précontrainte des assemblages par vis nécessite l'utilisation de méthodes de mesure ou d'outils de calcul appropriés. Chaque assemblage par vis présente ses propres défis, et les exigences de conception et les couples d'insertion doivent être pris en compte, en particulier pour les matériaux et les types de vis spécifiques. Pour obtenir des résultats optimaux, la vis, les composants, la méthode de serrage et l'outil de vissage doivent être conçus pour l'application en question.
