Le Cetim a profité d’une journée technique organisée en novembre 2022, notamment sur les assemblages vissés, pour présenter les avancées du projet Fova (fiabilisez et optimisez vos assemblages). Ce dernier porte sur la mise en œuvre du serrage, la fiabilité en service des assemblages et la conception du dimensionnement.
À l’instar des assemblages soudés, la qualité des assemblages vissés, destinés aux équipements et structures industrielles requérant des assemblages démontables, revêt une importance tout aussi importante, du fait notamment de leur fonction de sécurité . S’il existe un large éventail de normes et de méthodes d’essais garantissant la qualité des serrages, et donc celle des assemblages, ce n’est pas forcément le cas dans certains secteurs industriels ou pour certaines techniques de serrage.
« Par exemple, le serrage au précouple à angle fait partie des techniques connues et même couramment utilisées dans certains domaines tels que l’automobile. Mais nous ne trouvons pas de normes sur ce sujet et nous ne disposons ni de guides ni de référentiels, contrairement au serrage au couple », constate Christophe Delcher, expert en vissage au Centre technique des industries mécaniques (Cetim), lors de la journée technique intitulée “Les assemblages, de la R&D à l’industrialisation” (voir STC n°456), qui s’est tenue le 9 novembre 2022 au Cetim de Saint-Étienne (Loire) .
Au cours de cette journée, les intervenants du centre technique ont levé un coin du voile sur Fova, le projet stratégique sectoriel de R&D. Après une phase bibliographique et d’évaluation de l’existant, qui s’est déroulée en 2021, il se concentre depuis 2022 sur le cœur du sujet, à savoir les études et les caractérisations expérimentales, la définition de méthodes d’essais et le développement de modèles, d’approches analytiques, pour les calculs, et d’outils . « L’objectif à terme, c’est-à-dire en 2023, est de réaliser des guides reprenant les résultats des différentes campagnes de mesures et les règles de l’art, de définir des méthodes d’essais et de permettre de rédiger des projets de normes françaises », résume Christophe Delcher.
Rédiger des guides de l’état et des règles de l’art
Le projet Fova s’articule autour de trois axes : la mise en œuvre du serrage, la fiabilité en service des assemblages et la conception du dimensionnement . Les objectifs de l’axe 1 (la mise en œuvre du serrage) sont donc de rédiger un guide de l’état et des règles de l’art, ainsi que de réaliser un comparatif des méthodes et des solutions pour le serrage au précouple à angle, le serrage à la tension et le contrôle du serrage.
« Pour le serrage au précouple à angle, cela passe par la définition de méthodes d’essais, l’étude et la validation de modèles de calcul, ainsi que la prise en compte d’une approche de serrage “plastique”. Au-delà des guides, il s’agira, par la suite, de définir des normes afin de pouvoir mettre en œuvre un serrage au précouple à angle de manière fiable industriellement », insiste Christophe Delcher. Le Cetim finalise d’ailleurs une campagne d’essais, qui va permettre de valider les configurations retenues pour les études expérimentales en ce qui concerne la mise en œuvre du serrage au précouple à angle. Les résultats obtenus devraient également permettre d’alimenter des modèles de calcul mathématique simplifiés, précis et prédictifs, ce qui éviterait de nombreux essais pour mettre en œuvre une gamme de serrage à angle.
Pour le serrage à la tension, le Cetim porte son attention surtout sur l’évaluation de solutions apparues sur le marché ces dernières années . C’est un chose de pouvoir mettre en œuvre de nouvelles méthodes de serrage, mais c’en est une autre de pouvoir les contrôler, et ce d’une manière industrielle. Pour la mesure de tension, par exemple, tout le monde connaît depuis des décennies la mesure dimensionnelle, la technique par ultrasons ou les jauges de contraintes (ou jauges extensométriques).
Mais on voit arriver sur le marché, ces dernières années, de nouvelles solutions innovantes (voir notre article page 21), bien souvent connectées, qui viennent en complément des méthodes traditionnelles. L’étude menée dans le cadre du projet Fova permet d’identifier et de tester les méthodologies simplifiées – c’est essentiel pour un déploiement industriel – pour un serrage au couple et les méthodes adaptées au serrage au précouple à angle (comportements élastique et élastoplastique).
Des travaux issus d’un partenariat avec Stellantis
L’axe 2 du projet Fova, la fiabilité en service des assemblages, a pour objectifs de rédiger un guide pour la caractérisation du coefficient d’adhérence aux interfaces, ainsi que de méthodes d’essais, là encore en vue d’une normalisation. « Aujourd’hui, on s’intéresse beaucoup au coefficient de frottement dans les assemblages vissés pour le serrage de couple, un sujet très bien renseigné dans les normes et les méthodes d’essais. Mais les choses sont beaucoup moins bien connues lorsque l’on explore les frottements entre pièces », constate Christophe Delcher.
Certes, il existe des essais de tribologie classiques, mais la spécificité des assemblages vissés fait que ces essais ne répondent pas exactement à ce que les acteurs du projet recherchent . Dans la construction métallique, il existe également des essais normalisés selon la norme NF EN 1090–2 pour la maîtrise des frottements aux interfaces. « Mais dès que l’on s’écarte des géométries d’assemblage classiques de la construction, les résultats sont plus délicats à interpréter, parce que les zones de frottement peuvent intervenir à différents endroits, et ils ne sont forcément plus cohérents. Et ce sont des essais relativement coûteux », souligne Christophe Delcher.
Pour la caractérisation des frottements aux interfaces, notamment en présence de sollicitations transversales, le Cetim peut s’appuyer sur des travaux qu’il avait déjà menés, en partenariat avec le groupe Stellantis (PSA à l’époque), sur un moyen d’essais ressemblant à un étau instrumenté . On vient exercer une pression, représentative d’un effort de serrage, sur des plaquettes percées dans des dimensions proches de ce que l’on peut trouver en utilisation et elles aussi, représentatives des interfaces des assemblages . On provoque ensuite un glissement et on mesure l’effort de glissement pour déterminer le coefficient de frottement entre les pièces .
« Nous voulons ainsi proposer une méthode d’essais normalisée, plus simple et moins coûteuse que ce qui existe aujourd’hui pour déterminer, d’une manière fiable, le coefficient de frottement entre pièces, et qui s’adapterait plus facilement à des cas d’application particuliers de par la simplicité des éprouvettes. Nous envisageons également de créer une base de données sur des configurations de matériaux classiques que l’on retrouve dans les assemblages vissés », ajoute Christophe Delcher .
Dans le cas de l’axe 2, le Cetim s’intéresse également à la tenue au dévissage. Il s’agit, là, d’enrichir les guides déjà disponibles en apportant des éléments supplémentaires pour aider au choix d’une solution de sécurisation contre le dévissage en fonction des modes de sollicitations qui peuvent influencer le dévissage (déplacements transversaux alternés, chocs transversaux, flexion alternée). « Certains tests sont plus souvent utilisés dans l’aéronautique, d’autres dans le ferroviaire, mais personne ne peut dire quel test est le mieux adapté à un cas d’application donné. Un bilan comparatif des différents modes de sollicitation vis-à-vis du dévissage permettrait d’orienter le choix », précise Christophe Delcher.
Approches analytiques pour assemblages à multifixations
Avec le troisième et dernier axe, le projet Fova vise à développer une ou des approches analytiques simples à mettre en œuvre permettant d’estimer une distribution fiable des sollicitations externes sur les fixations en prenant en compte leur nombre et leur répartition, le niveau de serrage, les types de chargement et la rigidité des pièces assemblées. « Lors de la conception et du dimensionnement d’un assemblage doté d’une trentaine de fixations, par exemple, il est important de connaître la répartition des charges et le niveau de sollicitation sur chacune des fixations. Des modèles à éléments finis existent dans la littérature, mais ils sont lourds et souvent peu précis. Ces approches ne sont donc pas suffisamment fiables : soit elles sous-estiment les efforts pour certains points, soit elles les surestiment pour d’autres points », explique Christophe Delcher .
La démarche menée par le Cetim est, d’une part, de développer des modèles analytiques, des méthodologies simplifiées plus précises et des outils et, d’autre part, de valider ces modèles et méthodologies par une étude numérique, via des méthodes des éléments finis, et une étude expérimentale. « Le projet stratégique de R&D Fova est ouvert à toutes les entreprises mécaniciennes françaises, qui souhaitent suivre les travaux relatifs aux assemblages vissés », encourage Christophe Delcher .
