Brevet FR2538470A1 — publié le 19840629

Pour mesurer la contrainte de serrage d'une liaison par vis ou boulon,tant lors du serrage qu'à posteriori, il est connu d'avoir recours à une méthode de mesure mettant en oeuvre un émetteur-capteur ultrasonore placé sur l'une des extrémités du boulon et,en particulier,sur sa tête.L'onde ultrasonore ,traversant sensiblement longitudinalement le corps,se réfléchit sur la face opposée à celle de l'émetteur et est recueillie par ce même émetteur faisant ionction de capteur.Par comparaison entre le tsmps de parcours de l'onde à l'instant de la mesure avec le temps de parcours d'étalonnage réalisé sur la même vis au repos,il est possible de déterminer la valeur des contraintes de traction longitudinale dans le boulon sachant que celles-ci sont directement proportionnelles à cette contrainte,du fait de 11 existence d'un rapport constant liant la déformation à la contrainte dans la zone élastique. Lorsque la méthode de mesure ultrasonore est appliquée à la mesure de la précharge d'une vis au moment du serrage,méthode mettant en oeuvre des douilles de serrage spéciales traversées par l'émetteur-capteur ultrasonore,la précision obtenue dans le serrage est de l'ordre de t 5%, ce qui est bien supérieur à celle de l'ordre de - 15% obtenue avec les meilleures clés dynamométriques. Pour certaines applications,il est souhaitable d'obtenir une précision encore supérieure; or, l'amélioration de celle-ci dépend essentiellement du paramètre concernant la configuration externe et la structure interne de l'organe sur lequel est appliqué l'émetteur-capteur .En effet,les essais réalisés à ce Jour ont montré qu la configuration de la face réfléchissant l'onde ultrasonore, de même que celle de la face sur laquelle est appliqué l'émetteur-capteur,intervenait dans la précision,au m8- me titre d'ailleurs que la structure métallographique du matériau composant la vis.S'il est aisé d'améliorer les qualités du matériau et de munir l'extrémité libre de la vis d'une face plane perpendiculaire favorisant la réflexion,la réalisation du même aménagement sur sa tête n'est pas suffisant,car lors des manipulations de la vis, ou lors de son serrage,cette face peut être déformée géo métriquement.De plus,cette face est située dans une zone qui,en raison du surdimensionnement de la tete,est éloignée de la zone soumise aux contraintes de traction et n'occupe donc pas le meilleur emplacement pour une bonne transmission de l'information. L'un des objets de la présente invention est de fournir une vis comportant un aménagement particulier favorisant le positionnement parfait de l'émetteur ultrasonore et permettant d'augmenter la précision de la mesure de la contrainte de tension interne dans cette vis. À cet effet,la vis selon l'invention comporte dans sa tête une empreinte axiale dont le fond,plan et sans rugosités,est délimité par une face orthogonale à l'axe longitudinal de la vis, Grâce à cette empreinte,qui ne modifie pas la résistance mécanique de la vis,l'émetteur-capteur ultrasonore est parfaitement centré et positionné dans l'axe iongitu- dinal de la vis.En outre,il repose parfaitement sur une face plane qui,étant plus près de la zone sous contraintes que la face sommitale de la t8te,améliore la perception des élongations des contraintes auxquelles est soumise la vis.L'émetteur-capteur fonctionne dans des conditions optimales sans influence négative sur la précision de la mesure. Actuellement,la mesure ultrasonore permet de déterminer la valeur de la tension dans la vis par comparaison avec une mesure d'étalonnage effectuée sur la même vis au repos.Cette façon de procéder,nécessaire pour obtenir la précision recherchée,reste du domaine du laboratoire et n'est pas compatible avec une application industrielle exigeant rapidité et rentabilité. Un autre objet de l'invention est,dans le cadre d'une amélioration-de la précision de cette méthode de mesure, de fournir des moyens permettant également de simplifier la procédure d'étalonnage de la chaine de mesure nécessaire à la détermination de la tension interne dans une vis comportant une empreinte pour mesure ultrasonore. À cet effet,elle concerne également un dispositif pour l'étalonnage de la mesure de la tension dans une vis, dispositif constitué par un bloc métallique représentant les conditions de montage en série de la.vis et comportant un alésage axial et une face d'appui orthogenale à l'axe longitudinal de l'alésage précité, et par une vis qui, prenant appui sur la face précité par sa tête munie d'une empreinte axiale, est serrés et immobilisée dans ce bloc avec un couple de serrage lui communiquant une contrainte te de tension longitudinale, mesurée par écho ultrasonore, égale à la contrainte de tension longitudinale, mesurée de la même façon, d'une vis de même strnoture et dimenalons soumise, par des moyens connus, à un effort de traction longitudinal correspondant â celui dutilisation ulté- riour de la vie. Ce dispositif d'étalonnage permet de régler la chaîne de mesure ultrasonore en indiquant la courbe de réponse de l'émetteur-capteur correspondant pour un effort de traction déterminé et d'effectuez un contrôle de tension pré- cis sur l'une quelconque dez vis faisant partie de la même série de vis que celles disposées dans le dispositif, ce centrale pouvant entre effectué lors du premier serrage de la vis, après serrage des vis juxtaposées, ou beaucoup plus tard,sans que la précision de la mesure en soit affectée0 En d'autres termes, en assurant l'étalonnage de la chaîne de mesure à tout moment pour toute vis dQune même série ou pour toute vis de mimes structure ou dimensions, moyennant des correctifs, ce dispositif simplifie la mesu- re et permet de l'appliquer au contr8le du serrage de toute vis à empreinte. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit en référence au dessin schéma- tique annexé représentent, à titre d'exemples non limitatifs, quelques formes d'exécution de vis et du dispositif d'étalonnage, Figures 1 et 2 sont des vues de côté, avec coupe partielle, montrant deux formes d'exécution de la vis selon l'invention. Figure 3 est une vue partielle de c8té avec coupe partielle montrant la vis dans un montage sur machine de traction a enregistrement de précision, Figures 4 et 5 sont des vues de côté, en coupe, de deux formes d'exécution du dispositif d'étalennage, Figure 6 est une vue partielle de côté avec coupe partielle, montrant, à échelle agrandie, une forme d'exécution de l'émetteur-capteur positionné dans la tête d'une vis, Figure 7 est un graphique montrant la courbe de ré- partition des échos en fonction de l'effort de traction en tonne exerce sur une vis de caractéristiques et di- mensions données. L'invention s'applique aux vis qui sont composées d'une tête cylindrique 2 ou d'une tête haragonale 2, comme montré aux figures 1 et 2, et d'un fût 4 fileté au moins localement en 4a,et dont la face extréme 5 est plane et orthogonale à l'axe longitudinal de la vis. Selon l'invention, la tête 2 ou 3 de la vis comporte, respectivement, une emprainte, 6 à la figure 1 et 7 à la figure 2,disposée axialement et dont le fond 8 est cons- titubé par une face plane orthogonale à l'axe longitudinal de la vis. Ce fond est sans. rugosités, c'est-à-dire présente un état de surface inférieur ou égal à Ra 1960 Dans la forme d'exécution représentée à la figure 1, l'empreinte est polygonale et,plus précisément, hexage- nale ,et est raccordée à son fond 8 par une portée tron- conique 10 dont l'angle au sommet a a une valeur compri- se entre 90 et 1800. Dans la forme d'exécution représentée à la figure 2, l'empreinte ? est tronconique et présente donc une paroi latérale 12 constituant portée de centrage et dont 1'an- gle au sommet a a la même valeur que la portée 10 de la vis de figure 1. Les figures 1 et 2,qui représentent des vis de même diamètres nominaux,c'est-à-dire dont les parties filetées 4a ont des filetages de mamies pas et dimensions,mettent en évidence que la distance d séparant le fond 8 de l'em- preinte, respectivement 6 et 7, de la face d'appui 13 de la tSte correspondante, a dans ces conditions la même valeur. De telles empreintes, 6 et ont destinées à assurer le centrage et le positionnement parfait dans l'axe longi- tudinal de la vis d'un émetteur- capteur ultrasonore 21 dont une forme d'exécution est représentée à la figure 6 dans le cas de son montage sur une vis à teste cylindrique du type représenté à la figure 1.Cet émetteur-capteur 21 est donc composé d'un corps tubulaire 20 de forme extérieu- re hexagonale de mêmes dimensions que celles de l'emprein- te correspondante 60Ce corps comporte a' son extrémité antérieure un alésage 22 dans lequel est monté coulissant l'émetteur-capteur 23 soumis, en permanence, à un effort de plaquage provenant d'un ressort 24 prenant appui, d'une part,sur un bouchon fileté 25 vissé à l'extrémité postérieure du corps 20 et, d'autre part,sur une rondelle 26 en appui sur l'extrémité antérieure de l'émetteur-capteur. Le corps 20 est également solidaire, par exemple par colla ge,d'une rondelle magnétique 27 permettant d'assurer sa liaison avec la tête de vis 2. Enfin, l'extrémité antérieure du capteur est munie d'un chanfrein 28 dont l'angle au som- met a a la même valeur que l'angle a des empreintes 6 et Se La figure 6 met en évidence que, grâce à la forme de l'em- preinte 6 et à la forme complémentaire du corps 20,l'émet- teur-capteur 23 ne peut qu'être parfaitement disposé dans l'axe longitudinal de la vis et est forcé d'être en contact parfait,avec une pression constante, sur le fond 8 de cette empreinte,ce qui garantit la précision de la mesure, Cette empreinte peut être réalisée de manière identique pour toutes les vis d'une même série,ce qui garantit la répétativité des conditions de mesure ultrasonore et de la précision obtenue. Une telle empreinte permet la mesure comparative des contraintes dans une vis sous tension,soit pendant le serrage,soit auprès le serrage 9 soit après serrage de ses volsines,de manière à tenir compte de la transmission hyperstatique des contraintes, soit en cours de travail de l'or-, gane sur lequel elle est disposée,de manière à tenir compte de la variation apportée à la contrainte de serrage initiale par la contrainte variable introduite par les efforts de travail,soit après plusieurs cycles de travail pour te- nir compte des efforts alternés(tels que mise à température et refroidissement alterné, chocs thermiques....), soit enfin,après tout vieillissement naturel ou artificiel combiné à des phénomènes aléatoires,vibratoires,ou autres, susceptibles d'influencer l'évolution des contraintes internes dans la vis. Comme montré aux figures 4 et 5, l'invention vise également un dispositif permettant d'assurer l'étalonnage de la mesure de la tension de cette visOCe dispositif est constitué par un bloc métallique 30 comportant intérieure- ment un alésage axial cylindrique 32 et un filetage 33. Ce bloc est également muni d'une face d'appui 34 pour la tê- te de vise Ce bloc représente très exactement les conditions de montage de la vis dans un assemblage industriel. Dans la forme d'exécution représentée à la figure 4 et correspondant à un bloc pour vis à teste cylindrique autocentreuse,la face d'appui 34 constitue le fond dilua logement épaulé dont la paroi cylindrique 35 coopère au centrage de la tête 2. Dans la forme d'exécution représentée à la figure 5 correspondant à un bloc 30 pour une vis à tête hexagonale 3,la face d'appui 34 est constituée par 'la face supérieure du bloc.Il est à noter quesdans ces conditions, la vis à texte hexagonale est centrée par coopération du collet 15, dont elle est munie sous sa tEte avec la paroi cylindrique de l'alésage 32. Pour les mesures de grande précision ,et de manière à reproduire les conditions d'assemblage de la vis, ce bloc d'étalonnage contient une vis qui, non seulement possède les mêmes dimensions et caractéristiques générales que la vis dont il faut assurer la contrainte, mais est éga- lement choisie dans la même série de fabrication que cette dernière vis afin d'éliminer tout facteur altérant la précision et provenant, par exemple, des caractéristiques dimensionnelles, de la précision d'usinage et de l'homogénéité du matériau constituant la vis. De plus, ce bloc reproduit exactement les conditions de vissage dans l'assemblage. Pour déterminer le serrage de la vis dans le bloc 30, une vis de mêmes type et dimensions est disposée de la même façon dans un montage dont une ferme d'exécution est représentée à la figure 3, Cette vis, désignée de façon générale par 40 prend appui avec interposition d9un coussi- net sphérique 42 sur une platine 43 solidaire de l'un des plateaux d'une machine de traction à enregistrement de précision des forces et allongement en présence et se visse dans un autre coussinet sphérique 45 en appui sur l'autre plateau 46 de la même machine.Lorsque la presse est actionnée et que ses deux plateux sont espacés avec un effort correspondant à celui pour lequel l'étalonnage doit être réalisé et correspondant aux conditions ultérieures de travail de la vis, le dispositif 21 envoie à la chaîne de mesure un état sur les échos ultrasonores détectés. Grâ- oe à cette information ,lorsque la vis disposée dans le bloc 30 est serréc, cette opération est interrompue dès que l'émetteur-capteur, disposé dans son empreinte, transmet à la chaîne de mesure un écho correspondant à l'informa- tion enregistrée précédemment. En d'autres termes,la vis serrée dans le bloc 30 est soumise à une contrainte de traction longitudinale, c'est-à-dire à à une tension inter- ne qui correspond exactement à la tension interne dans la vis 4.0 utilisée pour assurer l'étalonnage de référence. Lorsque la vis ou les vis dont il faut déterminer la tension interne,c'est-à-dire l'élongation et la contrainte interne ,est associée à un écrou venant en appui sur une face de l'assemblatge, l'alésage axial du bloc 30 est lisse sur toute sa hauteur et la distance , séparant sa face d'appui 34 pour la tête de vis, liée au dispositif, est séparée d'une face d'appui 36 pour l'écrou par une dis tance identique à celles séparant les faces correspondantes de l'assemblage lié par les vis dont il faut mesurer et régler la tension interne. Comme montré figure 7, indiquant en ordonnée le temps de parcours en nanoseconde de l'écho ultrasonore en fonction de la force d'élongation exercée sur la vis et exprimée en abscisse en tonne, l'écho 46 capté sur le dispositif d'étalonnage est composé avec toutes les vis de l'assemblage qui, en fonction de leur propre écho, sont chacune soit serrées, ce qui est le cas pour la vis fournissant l'écho 47, soit dessorrées, ce qui est le cas pour la vi@ fournissaut l'écho 48, jusqu'à ce que cet écho zoit en concordance avec celui 46. Le dispositif d'étalonnage, constitué par le bloc et la vis, fixe donc dans le temps les paramètres donnant l'information d'étalonnage et, grâce à son amovibilité, permet à tout instant d'assurer l'étalonnage de la chaine de mesure utilisés pour mezurer la contrainte de tension longitudinale dans toutes les vis ayant les mêmes caractéristiques physiques, géométriques et métallographiques que celle 40 de référence, c'est-à-dire faisant partie de la même série que cette vis 40 et soumise aux mêmes conditions d'assemblage. Ce dispositif d'étalonnage permet donc d'utiliser la méthode de mesure par ultrason pour assurer la détermination des contraintes internes de toutes les vis d'une même série au moment de leur serrage ou dans le temps. Il est à noter que ee dispositif d'étalonnage peut également eAtre utilisé pour l'étalonnage de vis de mêmes dimen- sions et caractéristiques géométriques, mais de série différente de celle du bloc, moyennant l'indication de cor rectif sur l'information finale détectée par la-chaine de mesure. -REVENDICATIONS 1-Vis pour serrage contrôlé par ultrason, du type composé d'une tête (2) et d'un fût (4) au moins localement fileté (4a) dont la face extrêms (5) est plans et orthogonale a son axe longitudinal, caractérisée en ce ce querelle comporte dans sa tête (2) une empreinte axiale (6) dont le fond (8), plan et sans rugosités, est délimité par une face orthogonale à l'axe longitudinal de la vis. 2-Vis selon la revendication 1, caractérisée en ce que le fond (8) est celui d'une empreinte hexagonale apte à positionner un corps hexagonal (20) de serrage contenant l'émetteur-capteur ultrasonere (23). 3-Vis selon la revendication 1, caractérisée en ce que le fond (8) est celui d'une empreinte tronconique (7) apte à positionner l'extrémité de forme correspondante d'un corps de mesure (20) contenant l'émetteur-capteur ultrasonore (23). 4-Vis selon la revendication 1 et l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que la distance d séparant le fond (8) de l'empreinte (6-7) de la face d'appui (13) de la tête (2-3) est identique pour toutes les vis de mêmes dimensions, quelle que soit la forme extérieure de la tête. 5-Dispositif pour l' étalonnage de la mesure de la tension dans une vis selon la revendication 1 et l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il est constitué par un bloc métallique (30) représentant les conditions de montage en série de la vis et comportant un alésage axial (32) et une face d'appui (34) orthogonale à l'axe longitudinal de l'alésage précité, et par une vis qui, prenant appui sur la face (34) précitée par sa tête (2-3) munie d'une empreinte axiale, est serrée et immobilisée dans ce bloc avec un couple de serra- ge lui communiquant une contrainte de tension longitudi- nale, mesurée par écho ultrasonore, égale à la contrainte de tension longitudinale,mesurée de la même façon,d1une vis de même structure et dimensions soumise,par des moyens connus,à un effort de traction longitudinal correspondant à celui d'utilisation ultérieur de la vis 6-Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que,dans le cas de son application à l'étalonnage d'une vis se vissant dans un corps, l'alésage axial (32) du bloc (30) est fileté (en 35) sur une longueur corres pondant au filetage du corps et sa vis, se visse dans cette partie filetée (33) sur une longueur égale à celle vissée dans le corps. 7-Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que, dans le cas de son application à l'étalonnage d'une vis se vissant dans un écrou, le bloc (30) est traversé par un alésage liese (32) et comports, à l'opposé de sa face d'appui (34) pour la tête de la vis du bloc, une face d'appui (36) pour l'écrou, face qui, orthogonale à l'axe longitudinal de l'alésage, est à une distance de la face (34) d'appui pour la tête identique à celle séparant les faces correspondantes de l'assemblage lié par la vis dont la tension interne doit être contrôlée.