Brevet FR2603077A1 — publié le 19880226

PROCEDE DE FABRTCATION D'ELEMENTS DE FIXATION FILETES OU NON EN MATERIAUX COMPOSITES ET ELEMENTS FABRIQUES SELON LE PROCEDE La présente invention a pour objet des procédés de fabrication d'éléments de fixation filetés ou non en matériaux composites. L'industrie fait de plus en plus appel à des systèmes d'assemblages élaborés, souvent complexes, garantissant la solidité des matériels assemblés. En particulier dans les domaines de l'aéronautique, de l'aérospatiale, des recherches sont poursuivies en permanence pour présenter des produits légers mais également très résistants, ce qui est souvent contradictoire. C'est ainsi que l'on remplace couramment des vis en acier par des vis en titane ou en alliage d'aluminium dans un souci d'allègement en essayant de trouver le meilleur compromis possible entre légèreté et résistance mécanique en particulier aux efforts de traction, de couples de cisaillement et de fatigue. On sait combien sont légères certaines fibres de synthèse telles les fibres de carbone (densité 1,74), les fibres de polyamides aromatiques (Kevlar, densité 1,45) ou d'autres fibres telles que celles désignées sous les marques déposées "Technicron" ou "Spectra" dont les densités sont inférieures à 1. On connaît également les remarquables résistances à la traction, à l'impact, à la fatigue de ces fibres de plus en plus souvent utilisées dans la construction aéronautique. Malgré ces avantages reconnus, ces fibres associées à des résines époxydes en général, ont des caractéristiques qui les rendent trop souvent impropres à la fabrication de visserie, de rivets, de goujons, de tiges filetées pour un certain nombre de raisons dont l'ensemble devient souvent rédhibitoire.On fabrique en effet assez couramment des vis en fibres de synthèse dont tête et filets sont taillés dans la masse fibreuse. De telles vis peuvent manquer de raideur (module de Jung) ou mal résister aux chocs. Egalement, on sait que les filetages ne peuvent être que décolletés sur les barres fibreuses, à l'exclusion de tout roulage des filets, ce qui diminue sensiblement leur résistance à l'arrachement. On sait également qu'il est très difficile sinon impossible industriellement de ménager dans une barre fibreuse une empreinte d'entraînement au vissage d'une vis du type "six pans creux" ou à "six lobes internes" ces empreintes étant généralement obtenues par usinage, de préférence forgeage du métal. Enfin on ne peut pas dans des conditions satisfaisantes, surtout dans le domaine de l'aéronautique où les tolérances de précision sont élevées, déterminer sur des vis en fibres, les contraintes de précharge. Or on sait combien est important le contrôle de cette tension de serrage (ou précharge). Les études de nombreux cas de ruine montrent que les incidents sont en majeure partie dûs à la méconnaissance de la précharge introduite dans les assemblages à l'instant du serrage.Or la précharge est introduite la plupart du temps dans la vis par le couple de serrage exercé sur la tête (clé dynamométrique). Celui-ci dépend largement de l'état de surface du filetage de la vis. Or on sait qu'il est très difficile d'obtenir un bon état de surface des filets d'une vis en fibres: ainsi on mesure difficilement la précharge exercée par une vis en fibres de synthèse. La présente invention a pour objet un procédé permettant de pallier tous ces inconvénients rédhibitoires autorisant ainsi l'utilisation des fibres de synthèse (verre, carbone, aramides, bore, leurs hybrides, etc.) pour fabriquer industriellement dans des conditions de prix compétitives, par exemple à des prix inférieurs aux prix de mêmes vis en titane, des éléments de fixation filetés ou non pouvant porter des empreintes creuses à six pans creux ou à six lobes internes ou du type des empreintes désignées sous les marques "Phillips", "Pozidriv", "Tri-Wing", "Torq-Set", "Bnaé", etc. qui permettent de pratiquer des couples de serrages élevés introduisant des précharges élevées. Selon le procédé de l'invention, la fabrication d'éléments de fixation très légers, filetés ou non, s'effectue en réalisant une barre composite consituée d'un noyau en fibres de synthèse noyées dans des résines et fretté à l'intérieur d'une enveloppe métallique, puis en soumettant la dite barre composite à une opération de décolletage. Avantageusement, avant l'introduction du noyau en fibres à l'intérieur de l'enveloppe métallique, on revêt la surface extérieure longitudinale du noyau fibreux d'une substance adhésive; en particulier ce noyau peut présenter de fines gorges longitudinales dans lesquelles la substance adhésive est introduite. Les fibres de synthèse, noyées dans des résines, constituant le noyau peuvent être des fibres de polyamides aromatiques, des fibres de bore, de carbone, de verre ou leurs hybrides ou autres, et l'enveloppe métallique peut être en acier, en titane, en aluminium ou autres alliages métalliques. Selon une caractéristique importante, le procédé selon l'invention permet la fabrication de vis présentant un système d'entraînement du type à six lobes internes ou à six pans creux. A cet effet, on réalise la barre composite avec un noyau en fibres d'un diamètre au plus égal, suivant le cas, à la distance séparant diamétralement deux circonvolutions internes de lobes ou au surplat du six pans creux, puis on enlève ledit noyau sur une certaine hauteur à l'une des extrémités de la barre par exemple et le plus souvent dans la tête de la vis. Enfin, on enfonce dans la partie centrale ainsi évidée un outil mâle à la forme de l'empreinte désirée. Le procédé selon l'invention permet aussi la fabrication de rivets utilisant un écrou de sertissage et, à cet effet, on procède alors à l'enlèvement de la partie centrale fibreuse de la barre composite à une extrémité de celleci, au remplacement de la partie enlevée par un cylindre du même métal que celui de l'enveloppe de la barre, puis au forgeage à froid de ce cylindre métallique pour réaliser la tête du rivet. Pour bien faire comprendre l'invention on en décrira ci-après des exemples d'exécution sans caractère limiratif en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente un lopin tubulaire vu en élévation écorchée dont l'enveloppe extérieure est métallique et l'âme interne est constituée de fibres de synthèse; la figure 2 est une coupe horizontale de la figure 1; la figure 3 présente une vis tête cylindrique fendue, pour partie écorchée obtenue par décolletage à partir du lopin des figures 1 et 2; la figure 4 est une vue en plan de la tête de la vis de la figure 3; la figure 5 présente un exemple de rivet avec son écrou de sertissage; ; les figures 6 et 7 présentent encore un lopin tubulaire vu respectivement en coupe et en élévation écorchée, dont l'enveloppe extérieure est métallique et l'âme interne est constituée de fibres de synthèse noyées dans la résine durcie; les figures 8 et 9 présentent, respectivement en élévation écorchée et en plan, une vis à métaux, tête cylindrique bombée large à empreinte à six lobes internes; la figure 10 est une vue à la verticale de la dite empreinte à six lobes intemes; et la figure 11 représente une vue à la verticale d'une empreinte dite "six pans creux" pouvant équiper une tête de vis ou au contraire l'extrémité filetée de fixations de types désignés sous les marques déposées "Hi-Lite", "Hi-Lok" ou "Bull Nose" par exemple. Selon l'exemple des figures 1 et 2, on observe un lopin tubulaire obtenu par tronçonnage d'une barre cylindrique. La barre est composée d'une enveloppe métallique 1 qui vient fretter un noyau 2, qui peut être revêtu d'un adhésif avant frettage, composé de fibres de synthèse (carbone, aramides, verre, bore, etc.) ce noyau cylindrique est obtenu selon le procédé connu de pultrusion et se compose presque essentiellement de fibres orientées unidirectionnellement dans le sens de l'axe. Des fibres lors de la pultrusion peuvent être également déposées en hélice en périphérie de ce noyau pour assurer une meilleure résistance aux couples de torsion que devra encaisser la vis lors de son serrage. Enfin le noyau peut lui-même être creux ce qui allège encore le produit obtenu. Ce noyau creux peut également être obtenu par le procédé connu de pultrusion. Les figures 3 et 4 présentent une vis à métaux tête cylindrique 4, fendue 5. Selon une caractéristique de la méthode de fabrication, la vis est obtenue par décolletage du lopin présenté en figure 1. Le filetage 3 est obtenu soit par décolletage, soit par roulage entre deux peignes selon le procédé bien connu. Ce roulage est pratiqué après décolletage de l'ébauche de la vis et permet d'obtenir une vis dont les fibres du métal épousent la forme des filets, leur conférant ainsi une plus grande résistance La figure 5 présente un rivet de types désignés sous les marques déposées "Huck", "SL" ou autres utilisant un écrou de sertissage 9. Ces rivets sont couramment employés dans l'aéronautique et destinés à réaliser des assemblages par sertissage de l'écrou 9 sur les gorges 8 en utilisant une pince spéciale, souvent hydraulique, qui prenant appui surla partie inférieure du rivet tractionne celle-ci en enfonçant l'écrou 9 vers la partie de la tête avant de le sertir.L'effort de traction conditionnant la précharge trouve sa limite dans la rupture des fibres de synthèse entaillées par la gorge 10. On observe ainsi que l'effort de précharge de l'assemblage va dépendre largement de la résistance à la traction des fibres. On sait qu'elle est très élevée pour certaines fibres, aramides en particulier. On peut selon la profondeur de la gorge 10 régler la tension de précharge à l'intérieur du système assemblé qui sera d'autant plus résistant que l'écrou 9 serti en 8 vient accroître la tension de frettage du métal pinçant les fibres, tension engendrée lors de la préparation de la barre destinée à fournir les lopins d'ébauche. Ces lopins sont tronçonnés à partir d'une barre cette fois au diamètre du rivet. Cette barre porte une âme en fibres de synthèse 7 frettée par une enveloppe métallique. Pour faire la tête dti rivet, on évide l'âme fibreuse pour la remplacer par un petit cylindre 6 de même volume et de même métal que l'enveloppe destiné-à être forgé à froid d'une façon bien connue pour constituer la tête du rivet, le volume du petit cylindre 6 et de son enveloppe étant égal au volume de la tête du rivet. Les figures 6 et 7 présentent un lopin dont une partie 1 1 métallique est écorchée pour présenter les fibres 12. Selon une caractéristique de la méthode de fabrication de la barre destinée à être tronçonnée pour fournir ce lopin, on observe que le noyau 12 porte des gorges 13 longitudinales-qui seront destinées à recevoir un adhésif avant frettage par le métal 1 1 pour parfaire la jonction fibres-métal. Cette caractéristique de l'invention est particulièrement intéressante quand le métal 11 est un alliage d'aluminium ou de titane dont la force de précontrainte introduite lors du frettage est faible. Selon l'exemple des figures 8 et 9, la vis tête cylindrique bombée à six lobes internes porte un noyau en fibres 12 dont le diamètre est tel qu'il vient tangenter les lobes internes de l'empreinte. Selon cette caractéristique essentielle de l'invention, on peut ainsi fabriquer des vis portant des sytèmes d'entraînement élaborés du type "six lobes internes" ou "six pans creux" ou autres. Pour bien faire comprendre cette caractéristique essentielle, on examinera la figure 10 qui présente une vue, à grande échelle, à la verticale de l'empreinte de la vis présentée aux figures 8 et 9. On observe les bords de l'empreinte creuse 16 qui viennent tangenter l'âme tubulaire de fibres 12 dont le diamètre "B" dépendra du diamètre interne de l'empreinte c'est-à-dire de la distance (ab) séparant diamétralement deux circonvolutions internes de l'empreinte, de telle façon que celle-ci puisse être fabriquée d'une façon classique successivement en enlevant les fibres par fraisage avant enfoncement d'un outil mâle à la forme de l'empreinte 16. Cette méthode impose ainsi pour chaque diamètre de vis un diamètre maximum de l'âme fibreuse. Ainsi selon le diamètre de la vis, le diamètre de l'âme fibreuse sera au plus tel que présenté ici: Diamètre de la vis Diamètre (B) de l'âme fibreuse (mm) (mm) 2 1,25 2,5 1,75 3 2,05 4 2,85 5 2,85 6 4,05 8 4,85 10 6,45 Selon l'exemple de la figure 11 la tête de la vis porte une empreinte dite à "six pans creux" 17. La vue à la verticale de cette vis montre, comme dans le cas précédent, que le diamètre de l'âme fibreuse 12 doit au plus tangenter les bords internes (surplats) 18 du six pans, ce qui impose également les diamètres de l'âme fibreuse suivants: Diamètre de la vis Diamètre S de l'âme fibreuse (mm) (mm) 4 2 5 2,5 6 3 8 4 10 5 Les exemples d'exécution décrits ci-avant n'ont aucun caractère limitatif. On sait qu'il existe d'autres types d'empreintes creuses désignées sous les marques déposées "Phillips", "Pozidriv", "Tri-Wing", "Torq-Set", "Bnaé", etc., et il est clair qu'elles pourraient être fabriquées selon cette caractéristique essentielle du procédé. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'éléments de fixation très légers, filetés ou non, tels que vis, tiges filetées, goujons et rivets, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une barre composite constituée d'un noyau (2, 7, 12) en fibres de synthèse noyées dans des résines et fretté à l'intérieur d'une enveloppe métallique (1, 11), puis à soumettre ladite barre à une opération de décolletage pour l'obtention de l'élément de fixation. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres de synthèse utilisées pour la réalisation du noyau (2, 7, 12) de la barre composite sont des fibres de polyamides aromatiques, des fibres de bore, des fibres de carbone, des fibres de verre, leurs hybrides ou d'autres fibres noyées dans des résines durcies. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'enveloppe métallique (1, 11) de la barre composite est réalisée en acier, en titane, en aluminium ou autres alliages métalliques. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que, préalablement au frettage du noyau (2, 7, 12) en fibres à l'intérieur de l'enveloppe métallique, on revêt d'adhésif la surface extérieure de ce noyau. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes pour la fabrication de rivets utilisant un écrou de sertissage (9), caractérisé en ce qu'on procède à l'enlèvement de la partie centrale fibreuse (7) de la barre composite, à une extrémité de celle-ci, en ce qu'on remplace la partie enlevée par un cylindre métallique (6) de même métal que celui de l'enveloppe métallique, et en ce qu'on soumet ledit cylindre métallique (6) à une opération de forgeage à froid pour réaliser la tête du rivet 6.Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 pour la fabrication d'une vis dont la rête comporte une empreinte creuse (16) à six lobes internes, caractérisé en ce qu'on réalise ladite barre composite avec un noyau (12) en fibres d'un diamètre (B) au plus égal à la distance (ab) séparant diamétralement deux circonvolutions internes de lobes, en ce qu'on enlève ledit noyau (12) sur une certaine hauteur à l'une des extrémités de la barre, et en ce qu'on enfonce dans la partie centrale ainsi évidée un outil mâle à la forme de ladite empreinte (16) à six lobes. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 pour la fabrication d'une vis dont la tête comporte une empreinte (17) à six pans creux, caractérisé en ce qu'on réalise ladite barre composite avec un noyau (12) en fibres d'un diamètre au plus égal au surplat du six pans creux à obtenir, en ce qu'on enlève ledit noyau (12) sur une certaine hauteur à l'une des extrémités de la barre, et en ce qu'on enfonce dans la partie centrale ainsi évidée un outil mâle à la forme de ladite empreinte (17) à six pans creux. 8. Elément de fixation obtenu par le procédé de fabrication selon l'une quelconque des renvendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un corps constitué d'un noyau central (1, 7, 12) en fibres de synthèse enserré dans une enveloppe métallique (1, 11), une extrémité de la partie centrale fibreuse dudit corps étant évidée pour réaliser la tête dudit élément de fixation. 9. Elément de fixation selon la revendication 8, caractérisé en ce que le noyau central fibreux (12) du corps de l'élément de fixation présente des gorges longitudinales (13) destinées à recevoir un adhésif avant frettage de ce noyau à l'intérieur de l'enveloppe métallique (11). 10. Elément de fixation selon la revendication 8 ou la revendication 9, présentant la forme d'une vis portant un système d'entraînement du type à six lobes internes ou à six pans creux, caractérisé en ce que le noyau central (12) en fibres est d'un diamètre (B) au plus égal à la distance (ab) séparant diamétralement deux circonvolutions internes de lobes ou au surplat du six pans creux (17).