Brevet FR2657658A1 — publié le 19910802

PROCEDE D'ASSEMBLAGE DE MATERIAUX ET ORGANE DE RIVETAGE POUR SA MISE EN OEUVRE L'invention concerne un procédé d'assemblage de matériaux, applicable aussi bien pour assembler des matériaux durs notamment en alliage léger, que des matériaux tendres ou fragiles, notamment matériaux synthétiques laminés renforcés par des fibres (souvent désignés par "matériaux composites"). L'invention s'étend à un organe de rivetage servant à la mise en oeuvre dudit procédé. On connais des organes de rivetage essentiellement composés de deux pièces : un mandrin possédant une tige et une tête, et une douille appelée à contenir la tige de mandrin et à être déformée par sa tête afin de constituer une tête de fixation postformée d'un côté des matériaux. On pourra par exemple se reporter au brevet FR 2.306.361 qui décrit un organe de rivetage de ce type. Toutefois, les organes connus de ce type ne sont pas adaptés aux matériaux tendres ou fragiles : en effet, lors du rivetage, la douille subit à son extrémité une expansion radiale importante (pour créer la tête postformée), susceptible d'endommager gravement ce type de matériaux dans la zone située sous ladite tête postformée, avec des risques de délaminage et de décollement des fibres. En outre, quels que soient les matériaux assemblés, la portée de fixation créée par la tete postformée présente une direction générale longitudinale et est de dimensions réduites de sorte que la tenue de la fixation est médiocre. La présente invention se propose de fournir un nouveau procédé de rivetage qui puisse être utilisé pour tout matériau sans risque de blessure dans le cas de matériaux fragiles, et qui conduise à une excellente tenue de la fixation (cisaillement, traction, tenue en fatigue). Un autre objectif de l'invention est de permettre la réalisation d'un assemblage fraisé/fraisé, avec un bon désaffleurement, et ce sans avoir à pratiquer un arasage de l'organe de rivetage. A cet effet, le procédé d'assemblage visé par l'invention utilise un organe de rivetage du type comprenant, d'une part, un mandrin possédant une tige et une tête, d'autre part, une douille adaptée pour contenir la tige de mandrin et possédant une extrémité tubulaire apte à être déformée par la tête de mandrin en vue de constituer une tête postformée d'un côté des matériaux à assembler ; conformément à la présente invention, ledit procédé consiste à à réaliser dans les matériaux à assembler un trou possédant une fraisure sur au moins un côté desdits matériaux, à à utiliser une douille dont l'extrémité tubulaire est dotée sur sa surface externe d'un décrochement périphérique formant une zone de pliage prolongée vers l'extrémité libre de la douille par une zone d'accostage, ledit décrochement périphérique étant positionné le long de la douille de façon à dégager la naissance de la fraisure du trou lorsque la douille est enfoncée dans ledit trou, à à utiliser un mandrin dont la tête est dotée d'une sous-face de diamètre décroissant en direction de la tige, apte à déformer l'extrémité tubulaire de la douille et à replier celle-ci au niveau de sa zone de pliage, à à introduire la douille dans le trou de sorte que son extrémité tubulaire pourvue du décrochement périphérique soit située du côté de la fraisure, la zone de pliage s'étendant de part et d'autre de la naissance de ladite fraisure, . à maintenir la douille dans le trou au moyen d'un piston creux disposé en appui contre ladite douille du côté opposé à la fraisure précitée, . à introduire et enfoncer le mandrin dans la douille par l'extrémité tubulaire de celle-ci pourvue du décrochement périphérique, . à assurer au moyen d'un tas une pression sur la tête de mandrin de façon à amener ladite tête à déformer l'extrémité tubulaire de la douille, la sous-face de ladite tête assurant un repliage centrifuge de l'extrémité de douille amenant au moins en partie la surface d'accostage de celle-ci au contact des matériaux à l'intérieur de la fraisure, . à sertir le mandrin dans la douille. Ainsi, lors du rivetage, le décrochement périphérique préserve la naissance de la fraisure de toute sollicitation et la tête de fixation est formée par pliage de la douille au niveau de la zone de pliage de la douille (et non par expansion comme c'est le cas dans l'organe décrit dans le brevet FR 2.306.361) : ceci évite de blesser les matériaux sous la tête postformée et permet de réaliser une portée de grande dimension, parfaitement appliquée contre les matériaux. Le décrochement précité est avantageusement formé par une gorge périphérique ménagée autour de la douille. Il peut aussi être constitué par un épaulement. La longueur de la douille peut être adaptée de façon que, après pliage, l'extrémité libre de celle-ci vienne sensiblement affleurer la bordure externe de la fraisure du trou ; on obtient ainsi un bon désaffleurement du côté de la tête postformée sans avoir à pratiquer un arasage (cette opération étant très dangereuse en raison de la fragilisation de l'assemblage qu'elle peut susciter). Le procédé de l'invention s'applique en particulier pour obtenir un assemblage fraisé/fraisé ; l'on utilise alors une douille possédant une tête préformée qui vient se loger, lors du rivetage, dans une fraisure correspondante qui est pratiquée dans les matériaux (à l'opposé de la fraisure destinée à la tête postformée). Il est possible d'obtenir, sans arasage, un bon désaffleurement du côté de la tête préformée en prévoyant un mandrin qui dépasse de la tête préformée et en amenant lors du sertissage cette partie dépassante à fluer et s'épanouir dans l'âme creuse de ladite tête préformée, laquelle peut être pourvue à cet effet d'une petite fraisure. Par ailleurs, pour accroître la tenue en fatigue de l'assemblage, le procédé de l'invention peut être mis en oeuvre en utilisant un mandrin dont la tige présente un diamètre externe supérieur à l'alésage de la douille en vue d'engendrer un gonflement de la douille lors de l'introduction du mandrin et une pression radiale entre douille et matériaux à assembler. Un tel gonflement introduit entre douille et matériaux des contraintes radiales de compression qui améliorant considérablement la tenue en fatigue de l'assemblage. De plus, dans le cas de matériaux conducteurs, un tel gonflement améliore également la continuité électrique. Il est à noter que la douille utilisée possède de préférence un diamètre externe correspondant sensiblement à l'alésage du trou : le gonflement est ainsi réalisé uniquement lors de l'introduction du mandrin sans risque de grippage ou d'arrachement à l'interface douille/maté-riaux. Dans le cas de matériaux en alliage léger, le mandrin est avantageusement prévu pour engendrer un gonflement de valeur comprise entre environ 0,1 et 0,4 mm ; dans le cas de matériaux composites, la valeur du gonflement sera plus réduite et limitée entre 0,05 mm et 0,2 mm environ afin d'écarter les risques de délaminage. L'invention s'étend à un organe de rivetage permettant la mise en oeuvre du procédé sus-défini. Cet organe du type comprenant un mandrin possédant une tige et une tête, et une douille appelée à recevoir celui-ci, est caractérisé en ce que la douille possède une extrémité tubulaire dotée sur sa surface externe d'un décrochement périphérique, notamment une gorge, formant une zone de pliage prolongée vers l'extrémité libre par une zone d'accostage, le mandrin possède une tête dotée d'une sous-face de diamètre décroissant en direction de la tige, apte à déformer l'extrémité tubulaire de la douille et à replier celle-ci au niveau de sa zone de pliage. L'invention ayant été exposée dans sa forme générale, d'autres caractéristiques, buts et avantages ressortiront de la description qui suit en référence aux dessins annexés qui présentent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation d'organe de rivetage conforme à l'invention et un mode de mise en oeuvre du procédé d'assemblage ; sur ces dessins qui font partie intégrante de la présente description : - les figures 1 et 2 sont des vues en coupes axiales à échelle dilatée, respectivement d'une douille et d'un mandrin constitutifs de l'organe de rivetage visé, - les figures 3 à 8 illustrent en coupe le procédé d'assemblage de matériaux au moyen dudit organe, - la figure 9 est une coupe de l'assemblage obtenu. L'organe de rivetage représenté à titre d'exemple aux figures 1 et 2 est composé d'une douille 1 (figure 1) qui peut notamment être fabriquée en titane (T40) afin de bénéficier des caractéristiques de déformabilité de ce matériau, et d'un mandrin 2 (figure 2) qui peut notamment être fabriqué en acier inoxydable {acier austénitique) afin de bénéficier de bonnes caractéristiques mécaniques. De plus, ces matières sont parfaitement compatibles avec la plupart de matériaux à assembler (alliages légers, matériaux composites...). La douille 1 comprend, d'une part, une tête préformée fraisée 3 ayant une forme tronconique, d'angle de conicité i en l'exemple de l'ordre de 1000, d'autre part, un fût tubulaire cylindrique 4 de diamètre externe Dd dont l'extrémité opposée à la tête 3 est pourvue d'un décrochement périphérique constitué par une gorge 5. L'âme creuse 6 de la douille présente un alésage qui est de forme cylindrique sur sa plus grande longueur (diamètre Da), avec une petite fraisure 6a au niveau de la tête 3 et un tronçon 6b de forme tronconique à l'extrémité tubulaire opposée ; l'angle de conicité p de ce tronçon est en l'exemple de l'ordre de 150. Ce tronçon s'étend jusqu'au niveau de la gorge 5 de façon à définir une zone de moindre épaisseur Zm à proximité de la naissance de ladite gorge, l'épaisseur de la douille croissant ensuite progressivement depuis cette zone vers le coeur de la gorge ; est ainsi réalisée une zone de pliage progressif de la douille s'étendant de la zone Zm vers le coeur de la gorge. Dans le mode de réalisation préférentiel représenté, le fond 5a de la gorge est cylindrique, d'axe confondu avec l'axe de la douille, et ses flancs 5b et 5c sont tronconiques, le flanc 5b ayant un angle de conicité d plus faible (de l'ordre de 400) et se raccordant avec une surface cylindrique 7 située à l'extrémité de la douille. Ce flanc conique 5b et son prolongement cylindrique 7 forment une surface d'accostage appelée à venir en partie ou en totalité au contact des matériaux à assembler lors du rivetage. La surface d'accostage cylindrique 7 et le tronçon tronconique 6b se raccordent au chant extrême 4a de la douille par des parties arrondies. Par ailleurs, le mandrin 2 qui est appelé à pénétrer dans la douille 1 lors du rivetage comprend une tige pleine cylindrique 8 de diamètre Dm et une tête 9 possédant une sous-face 9a et un court listel cylindrique 9b. Le diamètre Dm de la tige 8 est supérieur à l'alésage Da de la douille 1 afin d'engendrer un gonflement de celle-ci lors du rivetage. La différence de ces diamètres est fonction de l'application et sera comprise entre 0,1 mm et 0,4 mm pour l'assemblage de matériaux en alliage léger d'aluminium, et entre 0,05 mm et 0,2 mm pour l'assemblage de matériaux composites. La sous-face 9a présente une forme tronconique, d'angle de conicité t en l'exemple de l'ordre de 1350 ; elle se raccorde à la tige par un arrondi 9b qui assure un pliage progressif de l'extrémité tubulaire de douille lors du rivetage. La longueur de la tiqe de mandrin est ajustée de sorte que ladite tige dépasse de la naissance de la fraisure 6a de la douille en fin d'introduction, cette longueur de dépassement étant suffisamment faible pour que la matière puisse venir par fluage se loger dans cette fraisure 6a de la douille lors du sertissage. En l'exemple, une longueur de dépassement de l'ordre de 0,5 à 1 mm donne de bons résultats et permet d'obtenir un bon désaffleurement du côté de la tête préformée. Les figures 3 à 8 illustrent le procédé d'assemblage de matériaux au moyen de l'organe de rivetage décrit ci-dessus. Ces matériaux peuvent par exemple être constitués par des feuilles 10 et 11 de matériaux synthétiques laminés renforcés par des fibres (figure 3). Ces feuilles sont maintenues de façon traditionnelle par des serre-flancs 12 et sont percées d'un trou cylindrique 13 avec fraisure de chaque côté pour réaliser deux fraisures identiques 14 et 15 dont l'angle de conicité nL est en l'exemple de l'ordre de 100 . L'alésage du trou Dt correspond au diamètre externe Dd de la douille 1 (jeu inférieur à 0,05 mm). L'on utilise une douille 1 de longueur supérieure à l'épaisseur des matériaux à assembler, ajustée de sorte que l'extrémité tubulaire de douille dépasse des matériaux d'une longueur de l'ordre de 0,5 à 1,25 mm telle que l'extrémité libre de douille vienne sensiblement affleurer la bordure externe de la fraisure 15 en fin de pliage. L'on introduit la douille 1 dans le trou des matériaux jusqu'à loger sa tête préformée 3 dans la fraisure correspondante 14 du trou (figure 4). La gorge périphérique 5 de la douille a été réalisée sur la douille de façon à s'étendre, dans cette position, de part et d'autre de la naissance de la fraisure 15. La douille 1 est maintenue dans cette position au moyen d'un piston creux 16 qui est disposé en appui contre la face frontale de sa tête préformée 3, comme la représente la figure 4. Le mandrin est alors présenté du côté opposé à la tête préformée de douille et introduit dans celle-ci (figure 5). Dans le cas de matériaux composites, le mandrin choisi présente une tige déterminant un faible gonflement de la douille (entre 0,05 mm et 0,2 mm). Le mandrin est enfoncé dans la douille au moyen d'un tas 17 (piston plein) ; cette pénétration assure le gonflement de la douille et l'apparition de contraintes de compression à l'interface entre douille et matériaux composites. II est à noter que ces contraintes sont strictement radiales et ne déterminent aucun endommagement des matériaux compte-tenu des valeurs de gonflement précitées ; en fin de pénétration, la tête du mandrin vient au contact de la douille et réalise une déformation de son extrémité tubulaire : la sous-face 9a de ladite tête assure un repliage centrifuge de cette extrémité, repliage qui s'amorce dans la zone de moindre épaisseur définie par la gorge périphérique 5 et s'étend progressivement le long de celle-ci. La figure 6 illustre ce pliage progressif de la douille. Il est à noter que les matériaux composites ne sont pas sollicités pendant ce pliage, en particulier au niveau de la fraisure 15 et de sa naissance lesquelles demeurent sans contact avec la douille. Le mandrin est enfoncé dans la douille jusqu'à amener la surface d'accostage de cette dernière au contact des matériaux à assembler à l'intérieur de la fraisure 15 (figure 7). Dans le cas de matériaux composites, le repliage est réalisé de façon à réaliser une pression modérée entre douille et matériaux afin de ne pas blesser ces derniers ; dans ce cas, seule la surface d'accostage cylindrique 7 vient au contact des matériaux. Dans le cas de matériaux métalliques notamment en alliage léger, cette pression peut être prévue plus élevée, une partie ou la totalité de la surface d'accostage tronconique 5b (flanc de la gorge 5) venant alors en appui contre les matériaux à assembler. Le mandrin est ensuite serti dans la douille au moyen d'un poinçon 18 qui écrase la partie dépassante de la tige de mandrin et réalise un fluage de la matière de celle-ci vers la petite fraisure 6a de la douille (figure 8). Le procédé de l'invention conduit à un assemblage tel que schématisé à la figure 9, bénéficiant d'un bon désaffleurement des deux côtés sans qu'il soit besoin de pratiquer des opérations d'arasage. Cet assemblage bénéficie d'excellentes qualités mécaniques en raison de la présence du mandrin en acier inoxydable en compression à l'intérieur de la douille (tenue au cisaillement supérieure de 30 à 60 S par rapport à celle des rivets pleins en alliage léger, tenue à la traction et à la tension installée supérieure d'environ 10 à 15 %, excellente tenue à la fatigue). Des examens micrographiques de coupes de l'assemblage ont confirmé que les feuilles de matériaux composites ne sont pas blessées par le rivetage. REVENDICATIONS 1/ - Procédé d'assemblage de matériaux au moyen d'un organe de rivetage du type comprenant, d'une part, un mandrin (2) possédant une tige (8) et une tête (9), d'autre part, une douille (1) adaptée pour contenir la tige de mandrin et possédant une extrémité tubulaire apte à être déformée par la tête de mandrin en vue de constituer une tête postformée d'un côté des matériaux à- assembler, ledit procédé d'assemblage étant caractérisé en ce qu'il consiste à à réaliser dans les matériaux à assembler un trou (13) possédant une fraisure (15) sur au moins un côté desdits matériaux, à à utiliser une douille (1) dont l'extrémité tubulaire est dotée sur sa surface externe d'un décrochement périphérique (5) formant une zone de pliage prolongée vers l'extrémité libre de la douille par une zone d'accostage (5b, 7), ledit décrochement périphérique étant positionné le long de la douille de façon à dégager la naissance de la fraisure (15) du trou lorsque la douille est enfoncée dans ledit trou, à à utiliser un mandrin (2) dont la tête (9) est dotée d'une sous-face (9a) de diamètre décroissant en direction de la tige, apte à déformer l'extrémité tubulaire de la douille et à replier celle-ci au niveau de sa zone de pliage, à à introduire la douille (1) dans le trou (13) de sorte que son extrémité tubulaire pourvue du décrochement périphérique (5) soit située du côté de la fraisure (15), la zone de pliage s'étendant de part et d'autre de la naissance de ladite fraisure, à maintenir la douille (1) dans le trou (13) au moyen d'un piston creux (16) disposé en appui contre ladite douille du côté opposé à la fraisure (15) précitée, à introduire et enfoncer le mandrin (2) dans la douille (1) par l'extrémité tubulaire de celle-ci pourvue du décrochement périphérique (5), . à assurer au moyen d'un tas (17) une pression sur la tête de mandrin de façon à amener ladite tête à déformer l'extrémité tubulaire de la douille, la sous-face (9a) de ladite tête assurant un repliage centrifuge de ltextrémité de douille amenant au moins en partie la surface d'accostage de celle-ci au contact des matériaux à l'intérieur de la fraisure (15), à à sertir le mandrin (28 dans la douille (1). 2/ - Procédé d'assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise un mandrin dont la tête (9) est dotée dune sous-face (9a) de forme tronconique se raccordant à la tige par un arrondi (9b), l'angle de conicité ( t ) de ladite sous-face étant supérieur à l'angle de conicité de la fraisure du trou. 3/ - Procédé d'assemblage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on utilise une douille dont l'extrémité tubulaire possède une âme creuse (6) pourvue d'un tronçon de forme tronconique (6b) s'étendant jusqu'au niveau de la zone de pliage (5). 4/ - Procédé d'assemblage selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'on utilise une douille présentant une zone d'accostage au moins en partie cylindrique (7). 5/ - Procédé d'assemblage selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que l'on utilise une douille (1) dont le décrochement est formé par une gorge périphérique (5). 6/ - Procédé d'assemblage selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on utilise une douille présentant une zone d'accostage au moins en partie tronconique (5b) constituée par le flanc extrême de la gorge périphérique (5). 7/ - Procédé d'assemblage selon les revendications 2 et 3 prises ensemble, caractérisé en ce que . l'on réalise dans les matériaux un trou (13) dont la fraisure (15) présente un angle de conicité ( rt ) de l'ordre de 1000, . l'on utilise une douille dont l'âme creuse (6) présente un tronçon tronconique (6b) d'angle de conicité ( P ) de l'ordre de 150, . ton utilise un mandrin dont la tête (9) présente une sous-face (9a) d'angle de conicité ( / ) de l'ordre de 1350. 8/ - Procédé d'assemblage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on utilise une douille (1) de diamètre externe cylindrique (Dd) correspondant sensiblement à l'alésage du trou (Dt), l'on utilise un mandrin dont la tige (8) présente un diamètre externe (Dm) supérieur à l'alésage (Da) de la douille en vue d'engendrer un gonflement de la douille lors de l'introduction du mandrin et une pression radiale entre douille et matériaux à assembler. 9/ - Procédé d'assemblage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on utilise une douille (1) de longueur ajustée de sorte que son extrémité tubulaire dépasse des matériaux à assembler d'une longueur telle que l'extrémité libre vienne sensiblement affleurer la bordure externe de la fraisure (15) en fin de pliage. 10/ - Procédé d'assemblage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que . ton réalise dans les matériaux un trou (13) possédant, d'un côté, la fraisure (15) précitée et, de l'autre côté, une fraisure (14) analogue pour l'insertion d'une tête préformée, . ton utilise une douille (1) possédant une tête préformée (3) de forme adaptée pour se loger dans la fraisure correspondante (14). 11/ - Procédé d'assemblage selon la revendication 10, caractérisé en ce que . ton utilise une douille (1) dont la tête préformée (3) présente une petite fraisure (6a) sur sa face frontale autour de son âme creuse, . ton utilise un mandrin (2) de longueur ajustée pour dépasser de la naissance de la petite fraisure (6a) de la douille en fin d'introduction, . l'on sertit le mandrin (2) dans la douille (1) en écrasant au moyen d'un poinçon (18) la partie dépassante (8a) du mandrin afin de l'amener à fluer dans le petite fraisure de la douille. 12/ - Organe de rivetage permettant le mise en oeuvre du procédé conforme à l'une des revendications 1 à 11, comprenant, d'une part, un mandrin (2) possédant une tige (8) et une tête (9), d'autre part, une douille (1) adaptée pour contenir la tige de mandrin et possédant une extrémité tubulaire apte à être déformée par la tête de mandrin, ledit organe de rivetage étant caractérisé en ce que la douille- (1) possède une extrémité tubulaire dotée sur sa surface externe d'un décrochement périphérique (5) formant une zone de pliage prolongée vers l'extrémité libre par une zone d'accostage (5b, 7), le mandrin possède une tête (9) dotée dtune sous-face (9a) de diamètre décroissant en direction de la tige, apte à déformer l'extrémité tubulaire de la douille et à replier celle-ci au niveau de sa zone de pliage. 13/ - Organe de rivetage selon la revendication 12, caractérisé en ce que la tête de mandrin (9) présente une sousface (9a) de forme tronconique se raccordant à la tige par un arrondi (9b), I'extrémité tubulaire de la douille possède une âme creuse (6) pourvue d'un tronçon tronconique (6b) s'étendant jusqu'au niveau de sa zone de pliage, l'angle de conicité (B ) de ce tronçon étant inférieur à celui de la sous-face (9a) de tête de mandrin, . la zone d'accostage (5b, 7) de la douille est au moins en partie cylindrique et/ou tronconique. 14/ - Organe de rivetage selon la revendication 13, caractérisé en ce que le mandrin possède une tête (9) dont la sous-face (9a) présente un angle de conicité ( > ) de l'ordre de 1350, . la douille possède une âme creuse (6) dont le tronçon tronconique (6b) présente un angle de conicité ( P ) de l'ordre de 15 . 15/ - Organe de rivetage selon l'une des revendications 12, 13 ou 14, caractérisé en ce que le décrochement de la douille est constitué par une gorge périphérique (5). 16/ - Organe de rivetage selon l'une des revendications 12, 13, 14 ou 15, caractérisé en ce que le diamètre externe du mandrin (Dm) est ajusté de façon à excéder l'alésage (Da) de la douille d'une valeur comprise entre 0,05 mm et 0,3 mm. 17/ - Organe de rivetage selon l'une des revendications 12, 13, 14, 15 ou 16, dont la douille (1) possède une tête préformée (3) à l'opposé de l'extrémité tubulaire précitée. 18/ - Organe de rivet ega selon la revendication 17, dans lequel : le mandrin (2) présente une longueur ajustée pour dépasser de la tête préformée (9a) de douille en fin d'introduction dans celle-ci, fa douille (1) possède une tête préformée (3) présentant une petite fraisure (6a) sur sa face frontale autour de son âme creuse. 19/ - Organe de rivetage selon l'une des revendications 12 à 18, dans lequel le mandrin (2) est en acier inoxydable et la douille (1) en titane.