Brevet FR2193161A1 — publié le 19740215

L'invention concerne un procédé d'assemblage de tôles au moyen d'un organe d'assemblage, du type rivet ou boulon ; elle concerne également, I'assemblage réalisé et une nouvelle pièce en forme de fourreau permettant cette réalisation. Enfin, elle s'étend à un procédé de fabrication de cette nouvelle pièce. La présente invention peut s'appliquer à tous les domaines où des assemblages de tôles sont à réaliser ; toutefois, elle est susceptible d'une application particulièrement intéressante dans le domaine aéronautique où les assemblages sont soumis à des efforts importants les organes d'assemblage sont, dans ce cas, constitués par des rivets ou boulons en métal ou alliage, à caractéristiques mécaniques élevées, du type titane ou alliage de titane, cependant que les tôles sont généralement en alliage léger, en particulier en alliage d'alumi sium. Les constructeurs aéronautiques se sont aperçus que pour obtenir des tenues en fatigue satisfaisantes, il convenait d'engendrer entre tôles et tige de rivet ou boulon, des contraintes de compression réparties sur toute- la longueur de la tige : ainsi, lorsqu'elle est soumise à des cycles répétés de contraintes, une éprouvette rivetée par des rivets en titane cylindrique introduits dans des trous cylindriques (qui donnent un assemblage pour lequel les contraintes de compression sous la tête préformée sont pratiquement inéxiståntes) présente une tenue en fatigue bien inférieure (de l'ordre de deux à dix fois) de celle de la même éprouvette rivetée avec des rivets coniques introduits dans des trous coniques dimensionnés pour créer des contraintes de compression entre tôles et tige sur toute la longueur. En conséquence, les constructeurs se sont attachés à engendrer lors de l'assemblage, de telles contraintes de compression, soit en utilisant comme ci-dessus indiqué, des rivets ou boulons coniques disposés dans des trous coniques, soit en utilisant des rivets ou boulons cannelés qui permettent en dimensionnant le trou de façon très précise, de donner naissance à ces contraintes, soit encore dans le cas des rivets, au moyen de dispositifs accessoires relativement compiexes destinés à entraîner par fluage un gonflement de la tige du rivet sur toute sa longueur pendant la formation de la seconde tête. Toutefois, tous ces procédés conduisent à un accroissement très sensible des difficultés de pose. Par exemple, dans le cas d'un rivet conique logé dans un trou conique, il est nécessaire de confectionner dans les tales des trous coniques parfaitement dimensionnés, ce qui exige un outillage spécial et onéreux ainsi que des précautions particulières telles, notamment, qu'un contrôle très précis de la profondeur de pénétration de l'outil. Lorsqu'on connait les conditions la plupart du temps peu pratiques dans lesquelles s'effectue la pose des rivets, on comprend-que ces procédés onéreux ne jouissent pas de la faveur des constructeurs malgré les avantages essentiels de résistance à la fatigue qu'ils procurent. La présente invention se propose d'indiquer un procédé d'assemblage palliant les inconvénients précités et introduisant dans l'assemblage des contraintes de compression de valeurs suffisantes pour dispenser une tenue en fatigue satisfaisante. Ce procédé peut être mis en oeuvre au moyen de rivets, rivets aveugles, boulons ou tous autres organes analogues comprenant une tige, pourvue à une extrémité d'une tête préformée et susceptible d'être dotée, à l'autre extrémité, d'une deuxième tête :on dénommera un tel organe sous le vocable général d'organe d'assemblage.La tige de l'organe d'assemblage utilisé dans le procédé selon l'invention est conformée pour être introduite dans un trou de forme et de dimensions déterminés et, une fois mise en place, engendrer sur toute la longueur insérée dans ledit trou, des contraintes de compression de valeurs prédéterminées: par exemple, de façon classique, cet organe appelé à s'associer à un trou conique, pourra être de forme conique conjuguée.Le procédé conforme à l'invention consiste - à réaliser un trou cylindrique dans les tôles à assembler, - à mettre en place dans ce trou un fourreau de longueur sensiblement égale, dont la surface externe est dimensionnée pour permettre son introduction avec frottements doux dans ledit trou et dont la surface interne (surface de l'amie creuse) est conformée en corrélation avec la tige de l'organe d'assemblage pour permettre l'obtention des contraintes de compression précitées entre tige et fourreau, - à introduire dans l'âme creuse dudit fourreau ainsi mis en place, la tige de l'organe d'assemblage, cette introduction engendrant les contraintes précitées et déterminant le gonflement du fourreau sur toute sa longueur, de sorte que des contraintes de compression prennent naissance sur toute la longueur entre tôles et fourreau, - enfin, à mettre en oeuvre la seconde tête de l'organe d'assemblage. Le fourreau sus-evoqué est fabriqué en usine ou' il est facile de con férer à son âme interne la conformation voulue adaptée au type d'organe d'assemblage avec lequel il sera associé. Lors de la pose, il suffit ainsi de réaliser, de façon classique et sans précaution particulière quant aux tolérances, un trou cylindrique et d'y introduire le fourreau, ce qui permet, alors, de disposer d'un trou (constitué par l'amie creuse du fourreau) parfaitement adapté à la génération des contraintes de compression nécessaires ; en supprimant de la sorte l'exécution de ce trou au niveau de la pose pour la reporter au niveau de la fabrication en usine, on écarte toutes les difficultés qui ont été précédemment évoquées pour les procédés classiques.Il est à remarquer que la présence du fourreau n affaiblit la tenue en fatigue de l'assemblage en raison du gonflement que subit ledit fourreau lors de la mise en place de l'organe d'assemblage, gonflement affectant toute la longueur de celui-ci et qui détermine la création de contraintes de compression entre fourreau et tôles et, en conséquence, conditionne une bonne résistance à la fatigue au niveau de la jonction de ces éléments. Pour faciliter la compréhension du procédé selon l'invention et de ses avantages, on a schématisé - aux figures la, lb, Ic, Id, différentes phases du procédé dans le cas où l'organe d'assemblage est appelé à s'associer à un trou conique et est constitué par un boulon de forme conique ; à la figure Id, sont schématisés les diagrammes de contraintes de compression, respectivement, entre fourreau et tôles et entre boulon et fourreau ; - aux figures 2a, 2b, des phases du procédé dans le cas d'un rivet conique appelé à être associé à un trou conique, avec les diagrammes de contraintes correspondants ; - aux figures 3a et 3b, des phases du procédé dans le cas d'un rivet cannelé appelé à être associé à un trou cylindrique. La première phase du procédé, représentée à titre d'exemple aux figures 1, consiste à introduire un fourreau I dans un trou cylindrique, ménagé dans des tôles 2 et 3 et dimensionné avec des tolérances habituelles pour que ce fourreau I de surface externe cylindrique vienne se loger dans celui-ci avec frottements doux. Le fourreau présente une âme creuse 4 dont la surface est tronconique ; cette conicité a été exagérée sur les figures et dans la réalité, la pente de cette surface est comprise entre 1% et 1!;% environ. Dans l'application aéronautique du procédé, les tôles 2 et 3 sont généralement en alliage d'aluminium et le fourreau est, avantageusement, soit choisi en la même matière, soit en une matière de dureté intermédiaire entre celle des tôles et celle de l'organe d'assemblage. La figure lb représente le fourreau 1 mis en place dans les tôles. A cette phase de l'assemblage, les contraintes de compression entre fourreau et tôles sont faibles. La phase suivante (figure I c) consiste à mettre en place, en force, un boulon conique 5, par exemple en alliage de titane; la conicité de ce boulon est conjuguée de celle du fourreau et la tige dudit boulon est dimensionnée pour introduire, une fois mis en place, un champ de contraintes de compression prédéterminée. Notons que pendant cette mise en place, le fourreau I peut être maintenu, par butée, du côté opposé à la tête du boulon. La figure Id présente l'assemblage terminé après vissage et serrage d'un écrou 6 sur l'extrémité filetée de la tige de boulon. Le boulon a engendré le gonflement du fourreau I et déterminé l'établissement d'un champ de contraintes de compression entre fourreau et tôles dont le diagramme est schématisé à cette figure Id. Il y a dans ce cas, une répartition à peu près uniforme des contraintes de compression sur toute l'épaisseur, d'une part, entre fourreau et tôles, d'autre part, entre boulon et fourreau ; ces contraintes peuvent d'ailleurs être ajustées au niveau optimum par un dimensionnement approprié (l'une par rapport à l'autre) de la tige du boulon et de l'amie du fourreau. Les figures 2a et 2b représentent un cas analogue, mais dans lequel le boulon est remplacé par un rivet 7. Dans ce cas, une fois l'assemblage terminé, les contraintes sont sensiblement uniformes dans les régions les plus éloignées de la tête martelée 8 du rivet et présentent des valeurs plus importantes près de la deuxième tête, en raison du gonflement supplémentaire introduit lors de la formation de cette deuxième tête. Les figures 3a et 3b présentent le cas d'un rivet cannelé 9 introduit dans un fourreau dont l'amie creuse est très précisément dimensionnée par rapport à celui-ci pour créer un champ de contraintes de compression approprié. Cette disposition (tige cannelée introduite dans un trou cylindrique adapté pour l'obtention de contraintes de compression) étant connue en elle-même, on ne donnera pas plus de précision à son su jet. Les champs de contraintes de compression engendrés dans l'assemblage terminé sont du type de ceux schématisés à la figure 2b. Notons qu'il est possible de choisir un fourreau fendu longitudinalement d'un côté à l'autre, de façon à présenter une élasticité radiale accrue ; ce choix est particulièrement intéressant lorsqu'on est amené à utiliser un fourreau fabriqué en une matière de résistance mécanique élevée. Les figures 4a, 4b et 4c schématisent trois phases d'un procédé de fabrication des fourreaux ; ce procédé n'est donné qu'à titre d'exemple et il est bien entendu que l'on pourrait concevoir des processus de fabrication différents. Toutefois, ce procédé est avantageux en raison des faibles tolérances possibles associées à un coût de fabrication réduit. Ce procédé consiste à tronçonner un tube creux cylindrique pour obtenir des éléments tubulaires tels que 10 de longueur voulue, à engendrer l'introduction d'un élément 10 dans une matrice Il (figure 4a) et à marteler celui-ci au moyen d'une bouterolle 12, pourvue d'un poinçon 13 de forme appropriée (en l'exemple tronconique), venant s'introduire à l'intérieur de l'élément 10 qui se trouve ainsi conformé. Bien entendu, un éjecteur 14 (figure 4c) permet, après retrait de la bouterolle, d'éjecter le fourreau fabriqué ; de plus, lors de la phase d'introduction (figure 4a), l'élément 10 est, avantageusement, guidé par le poinçon 13 qui comporte à cet effet une extrémité cylindrique. Notons que les fourreaux ainsi fabriqués et les organes d'assemblage conjugués (rivets, boulons, etc...) peuvent, après fabrication, être appariés en fonction de leurs dimensions individuelles réelles, comprises dans la plage des tolérances admises. Cet appariement permet d'engendrer de façon très précise le champ de contraintes désiré lors de la pose, sans réduire la plage des tolérances de fabrication et, donc, sans accroître le coût de fabrication. L'invention ayant été exposée et son intérêt justifié sur des exemples détaillés, la demanderesse s'en réserve l'exclusivité pendantlaute la durée du brevet sans limitation autre que celle des termes des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1-Assemblage de tôles réalisé au moyen, d'une part, d'un fourreau cylindrique à âme creuse de longueur sensiblement égale à l'épaisseur des tôles et, d'autre part, d'un organe d'assemblage comprenant une tête préformée en contact avec une face dudit assemblage, une deuxième tête située du côté opposé et une tige insérée dans le fourreau précité, ladite tige de conformation appropriée développant dans l'amie du fourreau des contraintes de compression sur toute la surface en contact, cependant que le fourreau disposé dans un trou cylindrique pratiqué dans les tôles développe, en raison du gonflement subi, des contraintes de compression entre sa surface externe et lesdites tôles, ledit assemblage étant caractérisé en ce que la deuxième tête de l'organe d'assemblage est une tête frappée, cet organe étant du type rivet, de sorte que les contraintes de compression entre tige et fourreau de même que les contraintes de compression entre fourreau et tôles présentent des-valeurs accrues à proximité de ladite deuxième tête, en raison du gonflement supplémentaire introduit lors de la formation de cette deuxième tête. 2- Assemblage de tôles selon la revendication I caractérisé en ce que l'amie creuse du fourreau présente une forme cylindrique,dimensionnée pour que, par l'action de la tige logée dans celle-ci, ledit fourreau subisse un gonflement et soit le siège de contraintes de compression. 3- Assemblage de tôles selon l'une des revendications I ou 2, caractérisé en ce que le champ des contraintes de compression précitées est ajusté à un niveau précis prédéterminé, grâce à un appariement préalable de l'organe d'assemblage et du fourreau en fonction de leurs dimensions individuelles réelles, comprises dans la plage des tolérances de fabrication admises.