Brevet FR2683007A1 — publié le 19930430

La présente invention concerne un procédé d'assemblage de deux pièces, dont la première est du type sandwich, tandis que la seconde est métallique. Quoique non exclusivement, le procédé selon l'invention est plus particulièrement destiné à des applications aéronautique et spatiale pour l'assemblage de pièces de structure d'aéronefs ou de lanceurs spatiaux. On sait que l'assemblage d'une pièce de structure en un matériau sandwich, du type comportant deux peaux résistantes entre lesquelles est disposée une âme, et d'une pièce de structure en une matière métallique, dénommée ci-après "cadre", est généralement réalisé selon deux procédés distincts. Dans le premier procédé connu, on prévoit un cadre métallique, par exemple cylindrique, comportant des secteurs annulaires mobiles appelés éclisses et formant, avec le reste dudit cadre métallique, une gorge annulaire. On engage alors, dans l'extrémité correspondante, du cadre7 l'extrémité correspondante de la pièce de structure cylindrique, puis on rapporte lesdites éclisses pour emprisonner ladite pièce de structure. Préalablement, on a déposé sur les faces en regard desdites extrémités de la pièce de structure et du cadre une matière adhésive et, après collage, on rapporte des boulons transversalement aux deux extrémités emboîtées du cadre métallique et de la pièce en matériau sandwich, alors assemblés l'un à l'autre. Dans le second procédé connu, on prévoit dans l'extrémité du cadre métallique une gorge annulaire, dont les faces internes, tournées l'une vers l'autre, sont coniques. Aussi, après l'introduction de l'extrémité correspondante de la pièce de structure en matériau sandwich, on engage des cales coniques entre les faces internes de la gorge dudit cadre et les faces externes des peaux résistantes de ladite pièce en matériau sandwich, ce qui assure le rattrapage des jeux, dûs aux tolérances de fabrication, par coincement. Le maintien en position du cadre et de la pièce au moyen des cales est assuré par une matière adhésive déposée d'une part entre les cales et les peaux résistantes de la pièce en matériau sandwich, et, d'autre part, entre les cales et les faces internes du U de l'extrémité dudit cadre.Des boulons sont ensuite rapportés transversalement aux deux extrémités emboîtées du cadre métallique et de la pièce en matériau sandwich. Ces deux procédés d'assemblage sont ainsi largement utilisés dans les applications précitées et, bien que donnant satisfaction, ils présentent néanmoins des inconvénients. Tout d'abord, dans les deux procédés, les boulons assurant la fixation définitive des extrémités correspondantes des pièces, respectivement du type sandwich et métallique, ne peuvent être serrés qu'à un couple de serrage relativement faible pour éviter les risques d'écrasement de l'âme réalisée en une structure en nid d'abeilles, de ladite pièce en matériau sandwich. Aussi, pour pallier cet inconvénient, on peut mettre en place des pièces d'insertion (inserts) dans les perçages prévus dans les extrémités assemblées des pièces pour les boulons.Toutefois, cela implique des opérations supplémentaires de fabrication et de montage desdits inserts, ce qui augmente le coût et la lourdeur de mise en oeuvre desdits procédés déjà complexes initialement, en raison notamment des dimensions élevées desdites pièces dont les longueurs et les diamètres, lorsqu'il s'agit de pièces cylindriques, sont souvent de plusieurs mètres. Par ailleurs, l'emploi de matière adhésive pour concourir à la fixation desdites pièces implique l'utilisation d'un outillage approprié et une préparation méticuleuse des extrémités desdites pièces, ce qui complique le déroulement des procédés connus. La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients et concerne un procédé d'assemblage entre une pièce du type sandwich et une pièce métallique, simplifiant notamment les opérations d'assemblage et garantissant un serrage efficace desdites extrémités des pièces. A cet effet, le procédé d'assemblage de deux pièces, dont la première est du type sandwich, comprenant deux peaux résistantes entre lesquelles est disposée une âme, tandis que la seconde est métallique, est remarquable en ce qu'il consiste à - prévoir une réserve dans une extrémité de ladite première pièce, de façon que le bord de ladite âme soit en retrait des bords respectifs desdites peaux - ménager des premiers perçages transversaux dans l'extrémité de la première pièce, traversant lesdites peaux résistantes - monter dans lesdits premiers perçages transversaux des éléments de serrage temporaires - introduire dans ladite réserve, entre lesdites peaux, des cales réalisées en matière résistante, dont les faces externes s'appliquent respectivement contre les faces internes desdites peaux et dont les faces internes, en regard l'une de l'autre et formant un espace interne, sont inclinées pour converger en direction de ladite âme - conformer l'extrémité de ladite seconde pièce métalli que pour que ses faces présentent une inclinaison complémentaire aux faces internes desdites cales, et à engager ladite extrémité convergente de la seconde pièce dans ledit espace, entre lesdites cales, jusqu'à ce que son bord vienne en butée contre lesdits élé ments de serrage - maintenir, par serrage desdits éléments, l'extrémité convergente de ladite seconde pièce contre les cales pressées contre lesdites peaux résistantes - ménager des seconds perçages transversaux dans lesdi tes peaux, lesdites cales et ladite extrémité emboîtée de la seconde pièce, à une distance du bord desdites peaux inférieure à celle desdits premiers perçages transversaux ; et - monter des organes de fixation définitifs dans lesdits seconds perçages, solidarisant les extrémités corres pondantes desdites première et seconde pièces. Ainsi, grâce au procédé de l'invention, on peut effectuer le serrage des organes de fixation au couple souhaité, en évitant l'écrasement de ladite âme de la pièce en matériau sandwich, puisqu'on comble la réserve réalisée par l'introduction des cales en matière résistante, par exemple en métal, entre lesquelles est engagée l'extrémité convergente de la pièce métallique. De plus, seules les faces de l'extrémité de la pièce métallique sont conformées pour converger et s'engager dans l'espace prévu entre lesdites cales. On évite ainsi les nombreuses opérations complexes à effectuer sur ledit cadre, comme l'exigent les procédés antérieurs précités. Par ailleurs, le procédé d'assemblage de l'invention s'affranchit des problèmes inhérents au collage (conception et réalisation d'outillages particuliers) puisque les extrémités des pièces, emboîtées par coincement, sont immobilisées l'une par rapport à l'autre uniquement par les organes de fixation. Par conséquent, on obtient un assemblage purement mécanique, fiable et sûr, desdites pièces par des opérations simples (réalisation des premiers et seconds perçages et mise en place des éléments de serrage temporaires et des organes de fixation définitifs, respectivement), la réserve de la pièce en matériau sandwich étant effectuée lors de la fabrication même de la première pièce, ainsi que l'extrémité convergente de la seconde pièce métallique. Avantageusement, on retire lesdits éléments de serrage temporaires desdits premiers perçages, après le montage desdits organes de fixation définitifs. En outre, on ménage lesdits premiers perçages transversaux dans lesdites peaux résistantes à une distance proche du bord de ladite âme. Ainsi, on est sûr que l'extrémité de la seconde pièce s'engage sur une distance suffisante dans la réserve de la première pièce, en venant en butée contre lesdits éléments de serrage. Plus particulièrement, on pratique lesdits seconds perçages selon un pas , tandis que lesdits premiers perçages sont effectués selon un pas P, multiple de 2 et décalé de p/2. En effet, il n'est pas nécessaire de prévoir un nombre important de premiers perçages puisqu'ils servent au montage d'éléments de liaison permettant un serrage temporaire des pièces et formant butée pour le bord de l'extrémité convergente de ladite seconde pièce. Le décalage de p/2 de chaque premier perçage par rapport à deux seconds perçages consécutifs évite avantageusement de créer des zones d'affaiblissement dans les peaux résistantes de la première pièce. De préférence, on introduit, entre deux éléments de serrage temporaires consécutifs, un ensemble de deux cales, s'appliquant respectivement contre les faces internes desdites peaux et dont les bords avant sont situés à proximité du bord de ladite âme. De plus, pour s'assurer que les cales sont bien engagées dans la réserve, on prévoit des épaulements aux bords arrière desdites cales s'appliquant, lors de l'introduction des cales dans la réserve, contre les bords respectifs desdites peaux, tandis que les bords avant sont proches de ladite âme. Ces épaulements servent également à ressortir les cales de la quantité suffisante pour rattraper les jeux fonctionnels de fabrication entre la pièce en matériau sandwich et la pièce métallique. Aussi, pour maintenir lesdites cales en position contre les faces internes desdites peaux, on dispose dans l'espace défini entre les cales, des lamelles élastiques pressant spontanément les cales contre lesdites peaux. De préférence, avant l'insertion desdites cales dans la réserve, on pratique lesdits seconds perçages dans lesdites peaux résistantes puis, après le serrage temporaire desdits éléments, l'introduction de l'extrémité convergente de la seconde pièce dans l'espace interne entre lesdites cales, et le réglage des cales pour rattraper les jeux de fabrication, on continue lesdits seconds perçages dans lesdites cales et ladite extrémité convergente. L'invention concerne également un assemblage de deux pièces telles que définies précédemment, remarquable en ce qu'il est obtenu par la mise en oeuvre dudit procédé. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. Les figures 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 et 8 montrent les différentes étapes du procédé selon l'invention pour assembler les extrémités correspondantes de deux pièces cylindriques, respectivement en matériau sandwich et en métal, lesdites extrémités des pièces étant représentées partiellement en coupe longitudinale. La figure 9 est une vue partielle en perspective des deux extrémités de pièces assemblées. Comme le montre partiellement et schématiquement la figure 1, le procédé selon l'invention consiste à assembler une première pièce 1 dite de structure et réalisée en un matériau sandwich, et une seconde pièce 2 dénommée cadre et réalisée en une matière métallique. Dans une application préférentielle, ces pièces 1 et 2 sont destinées à former, par exemple, les enveloppes cylindriques de la structure haute d'un lanceur spatial. Par conséquent, le diamètre D de ces pièces cylindriques peut atteindre plusieurs mètres. La première pièce de structure 1 comporte deux peaux résistantes cylindriques, respectivement interne 3 et externe 4, par exemple à base de fibres de carbone ou d'aluminium, entre lesquelles est disposée une âme 5, par exemple du type à nid d'abeilles (NIDA). Le cadre métallique 2 est réalisé, quant à lui, en acier ou en un alliage approprié. Selon l'invention, pour assembler les extrémités correspondantes 1A et 2A, respectivement de la pièce en matériau sandwich 1 et du cadre métallique 2, le procédé consiste à ménager, dans l'extrémité 1A de la pièce de structure 1, une réserve 6 de façon que le bord périphérique 5 A de l'âme 5 soit en retrait des bords respectifs périphériques 3A et 4A des peaux résistantes. La section de l'extrémité 1A de la pièce 1 forme alors un U, renversé sur les figures 1 à 9. Avantageusement, cette réserve 6 est prévue lors de la fabrication même de la pièce en matériau sandwich, ce qui évite toute opération supplémentaire ultérieure. Puis, des premiers perçages transversaux 7, dans ce cas radiaux, sont pratiqués dans l'extrémité 1A de la pièce 1. Plus particulièrement, ces perçages 7 traversent radialement les peaux résistantes 3 et 4 et ils sont équi-angulairement répartis d'un pas P les uns par rapport aux autres, autour de l'axe longitudinal X-X desdites pièces 1 et 2. Par ailleurs, comme le montre la figure 2 dont le plan de coupe passe par l'un des perçages 7, ces derniers 7 sont situés près du bord 5A de l'âme 5 et la génératrice de chacun d'eux la plus proche des bords 3A et 4A des peaux est à une distance H de ceux-ci. Des seconds perçages transversaux 8, également radiaux, représentés sur la figure 1, sont aussi prévus dans l'extrémité 1A de la pièce 1. Ces seconds perçages 8 traversent donc radialement les peaux résistantes 3 et 4 et ils sont situés à une distance h des bords 3A et 4A desdites peaux, inférieure à la distance H précitée. En outre, les seconds perçages 8 sont équi-angulairement répartis d'un pas 2 les uns par rapport aux autres, autour de l'axe X-X.En particulier, comme le montre partiellement la figure 1, le pas P séparant deux premiers perçages consécutifs 7 est un multiple du pas p séparant deux seconds perçages consécutifs 8 (par exemple de 10 à 15 ) et, de plus, chaque premier perçage 7 est décalé de p/2 par rapport aux seconds perçages 8, de sorte que, en projection, les premiers perçages 7 se trouvent au milieu de deux seconds perçages correspondants, consécutifs 8. Bien évidemment, il va de soi que l'on pourrait tout d'abord pratiquer dans l'extrémité 1A de la pièce 1 les seconds perçages 8 et ensuite les premiers perçages 7. Le procédé consiste après à monter, en simple appui, non serrée, des éléments de serrage temporaires 9 dans les premiers perçages radiaux 7, comme le montre notamment la figure 2. Par exemple, ces éléments de serrage 9 sont constitués par des boulons dont la vis 9A traverse le perçage correspondant 7, pratiqué dans les peaux résistantes 3 et 4, pour s'appliquer par sa tête contre la face externe 4B de la peau 4, tandis que son écrou 9B s'applique, sans exercer de couple de serrage, par l'intermédiaire d'une rondelle, contre la face externe 3B de la peau 3. Ensuite, dans la réserve 6 et dans chaque secteur angulaire délimité par deux boulons consécutifs 9, est introduit un ensemble de deux cales 10 et 11 entre les peaux résistantes 3 et 4, lesdites cales étant réalisées en une matière résistante, telle que métallique. Plus particulièrement, les deux cales 10 et 11 de chaque ensemble, montrées en coupe sur la figure 3, sont disposées en regard l'une de l'autre, en formant entre elles un espace interne 12. Les faces externes 10A et lIA des cales de chaque ensemble s'appliquent respectivement contre les faces internes 3C et 4C desdites peaux résistantes grâce à la réserve 6 ménagée dans l'extrémité 1A de la pièce de structure 1. Ces faces externes 10A et 11A des cales épousent, aux jeux près, les faces internes 3C et 4C desdites peaux. Par ailleurs, on voit sur cette figure 3, que les faces internes 10B et 11B des cales, tournées l'une vers l'autre en délimitant ledit espace 12, sont inclinées pour converger en direction de l'âme 5 de ladite pièce 1.On remarque également que les bords arrière 10C et llC des cales se terminent chacun par un épaulement latéral respectivement 10D et 11D qui, avantageusement, est amené en butée contre le bord 3A,4A de la peau résistante correspondante. A ce moment, les bords avant 10E et 11E des cales se trouvent situés à proximité du bord périphérique 5A de ladite âme 5 en nid d'abeilles. Aussi, pour maintenir en position les cales 10 et 11 de chaque ensemble ainsi disposé dans ladite réserve, contre les faces internes des peaux, des lamelles élastiques 14 sont engagées dans l'espace interne 12 et agissent contre les faces inclinées 103 et 113 des cales pour presser élastiquement et spontanément celles-ci contre lesdites peaux résistantes 3 et 4. Comme le montre la figure 1, l'extrémité 2A du cadre métallique cylindrique 1 est conformée pour que ses faces intérieure 2B et extérieure 2C soient coniques et présentent une inclinaison complémentaire de celle des faces internes en vis-à-vis 10B et 11B desdites cales 10,11. L'inclinaison de ses faces internes est par ailleurs identique, mais symétrique. Puis, en regard des figures 4 et 5, l'extrémité alors convergente 2A dudit cadre métallique est engagée dans l'espace annulaire de section trapézoïdale 12 formé par les ensembles de cales 10,11, entre celles-ci, jusqu'à ce que le bord 2D de l'extrémité convergente 2A vienne en butée contre les vis 9A des boulons 9. Durant l'engagement du cadre 2, les lamelles élastiques 14 sont poussées par le bord 2D de l'extrémité convergente 2A dudit cadre, jusqu'à se trouver proches des bords avant 10E et llE des cales, au-delà de la distance H. Les faces extérieure 2C et intérieure 2B de l'extrémité convergente 2A dudit cadre s'appliquent fermement par coincement contre les faces internes respectivement 11B et 10B desdites cales. Pour rattraper les différents jeux de fabrication existant, on agit, par l'intermédiaire des épaulements 10D et 11D, en butée contre les bords respectifs des peaux résistantes 3 et 4, sur lesdites cales 10 et 11 en les faisant glisser vers l'extérieur avec un outillage approprié non représenté, jusqu'à obtenir une immobilisation efficace des cales 10 et 11 contre les parois internes respectives 3C et 4C desdites peaux résistantes, et les faces intérieure 2B et extérieure 2C de l'extrémité 2A dudit cadre métallique. Grâce aux boulons 9, qui assurent par ailleurs le maintien en position de la structure 1 et du cadre 2, on évite que les extrémités des peaux résistantes 3 et 4 ne s'écartent l'une de l'autre durant le réglage des cales 10 et 11.Après ce réglage, les boulons 9 sont serrés plus fermement pour maintenir correctement en place la structure 1, les cales 10 et 11 et le cadre 2, en vue de l'opération ci-dessous. Par la suite, on procède au perçage des cales 10,11 et de l'extrémité convergente 2A du cadre, emboîtée comme le montre la figure 7. Pour cela, à partir de chaque second perçage 8 pratiqué dans la peau résistante 4 de ladite pièce de structure (ou dans la peau résistante 3), on perce coaxialement la cale 11, l'extrémité convergente 2A du cadre et enfin la cale 10, pour déboucher ensuite dans le perçage 8 pratiqué dans la peau résistante 3. Les perçages 8A, 8B et 8C réalisés respectivement dans la cale 11, l'extrémité 2A du cadre, et la cale 10 forment ainsi, avec les seconds perçages 8, un passage coaxial radial 15. Dans le cas où la pièce de structure 1 est métallique comme le cadre, par exemple en aluminium, on peut réaliser, après le serrage des boulons 9, directement la totalité de chaque passage 15 défini par les perçages 8, 8A, 8B et 8C. Dans le cas présent, décrit, où les peaux résistantes 3 et 4 de la pièce de structure 1 sont en carbone, et le cadre 2 en métal, deux outils de perçage différents, respectivement pour le carbone et pour le métal, doivent être utilisés, obligeant de réaliser lesdits passages en deux étapes. Des opérations d'alésage sont ensuite effectuées pour mettre les passages radiaux obtenus 15 au diamètre souhaité. Puis, des organes de fixation définitifs 16, tels que des boulons, sont montés dans les passages 15. On voit, sur la figure 8, que la tête de vis 16A s'applique contre la peau résistante 4, tandis qu'un écrou 16B est serré, par l'intermédiaire d'une rondelle 16C, contre la peau résistante 3. Ces boulons 16 peuvent être soit ajustés dans les passages 15 et, dans ce cas, ils sont soumis aux efforts de cisaillement et de matage, soit montés avec jeu dans les passages 15 et, dans ce cas, les efforts sont transmis par frottement. Dans les deux cas, un couple de serrage efficace est possible grâce au fait que la réserve 6 pratiquée à l'extrémité de la pièce 1 est comblée par les cales 10 et 11 et l'extrémité convergente 2A du cadre, réalisées en métal, ce qui évite par conséquent l'écrasement de l'âme 5. Après que les boulons 16 sont tous serrés au couple souhaité, on démonte les boulons 9 de la pièce en matériau sandwich 1. L'assemblage de la pièce 1 et du cadre métallique 2 obtenu par la mise en oeuvre du procédé est montré partiellement sur la figure 9. REVENDICATIONS 1. Procédé d'assemblage de deux pièces, dont la première est du type sandwich, comprenant deux peaux résistantes entre lesquelles est disposée une âme, tandis que la seconde est métallique, caractérisé en ce qu'il consiste à : - prévoir une réserve (6) dans une extrémité (1A) de ladite première pièce (1), de façon que le bord (5A) de ladite âme (5) soit en retrait des bords respectifs (3A,4A) desdites peaux (3,4) - ménager des premiers perçages transversaux (7) dans l'extrémité de la première pièce, traversant lesdites peaux résistantes ;; - monter dans lesdits premiers perçages transversaux des éléments de serrage temporaires (9) - introduire dans ladite réserve (6), entre lesdites peaux, des cales (10,11) réalisées en matière résis tante, dont les faces externes (1OA,11A) s'appliquent respectivement contre les faces internes desdites peaux (3,4) et dont les faces internes (lOB,llB), en regard l'une de l'autre et formant un espace interne (12), sont inclinées pour converger en direction de ladite âme (5) - conformer l'extrémité (2A) de ladite seconde pièce métallique (2) pour que ses faces (2B,2C) présentent une inclinaison complémentaire aux faces internes desdites cales, et à engager ladite extrémité conver gente (2A) de la seconde pièce dans ledit espace (12), entre lesdites cales, jusqu'à ce que son bord (2D) vienne en butée contre lesdits éléments de serrage (9) - maintenir, par serrage desdits éléments, l'extrémité convergente (2A) de ladite seconde pièce contre les cales (10,11) pressées contre lesdites peaux résis tantes ; - ménager des seconds perçages transversaux (8,8A,8B,8C) dans lesdites peaux (3,4), lesdites cales (10,11) et ladite extrémité (2A) emboîtée de la seconde pièce, à une distance du bord desdites peaux inférieure à celle desdits premiers perçages transversaux (7) ; et - monter des organes de fixation définitifs (16) dans lesdits seconds perçages (8), solidarisant les extré mités correspondantes desdites première et seconde pièces (1,2). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on retire lesdits éléments de serrage temporaires (9) desdits premiers perçages (7), après le montage desdits organes de fixation définitifs (16). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on ménage lesdits premiers perçages transversaux (7) dans lesdites peaux résistantes (3,4) à une distance proche du bord (5A) de ladite âme (5). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on pratique lesdits seconds perçages selon un pas p, tandis que lesdits premiers perçages sont effectués selon un pas P, multiple de p et décalé de p/2. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on introduit, entre deux éléments de serrage temporaires consécutifs (9), un ensemble de deux cales (10,11), s'appliquant respectivement contre les faces internes (3C,4C) desdites peaux et dont les bords avant (1OE,11E) sont situés à proximité du bord (5A) de ladite âme. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on prévoit des épaulements (10D, 11D) aux bords arrière (10C,llC) desdites cales s'appliquant, lors de l'introduction des cales dans la réserve, contre les bords respectifs (3A,4A) desdites peaux, tandis que les bords avant sont proches de ladite âme (5). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, pour maintenir lesdites cales en position contre les faces internes desdites peaux, on dispose dans l'espace (12), défini entre les cales (10,11), des lamelles élastiques (14) pressant spontanément les cales contre lesdites peaux (3,4). 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, avant l'insertion desdites cales dans la réserve, on pratique lesdits seconds perçages (8) dans lesdites peaux résistantes (3,4) puis, après le serrage temporaire desdits éléments de liaison (9), l'introduction de l'extrémité convergente (2A) de la seconde pièce dans l'espace interne (12) entre lesdites cales, et le réglage des cales pour rattraper les jeux de fabrication, on continue lesdits seconds perçages (8,8A,8B,8C) dans lesdites cales (10,11) et ladite extrémité convergente (2A). 9. Assemblage des extrémités correspondantes de deux pièces, dont la première (1) est du type sandwich comprenant deux peaux résistantes (3,4) entre lesquelles est disposée une âme (5), tandis que la seconde est métallique, caractérisé en ce qu'il est obtenu par la mise en oeuvre du procédé spécifié selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 8.