Brevet FR2795464A1 — publié le 20001229

I Domaine de l'invention La présente invention concerne un boulon de liai- son pour serrages répétés au-delà du point limite de résis- tance élastique, ce boulon comprenant une tête et une tige, cette tige étant munie d'un pas de vis. Le boulon est muni de moyens permettant de déter- miner le degré de détérioration par déformations permanentes, de sorte que les déformations sont un critère de détermina- tion de sa capacité de service ultérieure. Arrière plan de l'invention A l'heure actuelle, les boulons de liaison sont serrés jusqu'au seuil de leur point limite de résistance élastique avec le risque minimum de dommages, en effectuant le serrage de manière très soigneuse, mais coûteuse, au moyen d'un dispositif électronique appliquant le procédé du gra- dient. Ainsi, les boulons sont encore applicables ultérieure- ment, mais il n'y a une certitude complète que pour la première fois car habituellement un tel dispositif n'est dis- ponible que dans les locaux du fabricant pendant le premier montage. Il y a cependant davantage de procédés de serrage de boulons jusqu'à leur point limite de résistance élastique. Ces procédés utilisent une commande par l'angle de rotation, éventuellement par le nombre d'impulsions d'un mandrin de serrage, mais au prix d'une certaine dispersion des résultats comprenant éventuellement un risque aléatoire que la plupart des boulons soient trop serrés au-delà du point limite de ré- sistance élastique, ce qui pourrait conduire à une détériora- tion partielle du boulon par déformations permanentes de ce boulon. Malgré le fait que les deux procédés de serrage de boulon de liaison indiqués ci-dessus garantissent l'avantage de l'utilisation de leur force jusqu'à 100% dans un cas o on les serre et o l'on atteint leur précontrainte maximum possible à l'intérieur d'une plage de distribution étroite, de sorte qu'ils représentent les procédés les plus avancés de la technologie à l'heure actuelle, ces procédés présentent un point faible essentiel du point de vue des coûts. Le point faible est que, du fait de l'incertitude in- hérente au processus de stockage d'information concernant une détérioration partielle des boulons lorsqu'on les serre au- delà de leur point limite de résistance élastique, ces bou- lons doivent être remplacés après chaque démontage pour ré- pondre aux demandes de qualité. Le paradoxe est que, de ce fait, les boulons de liaison sont des pièces ne pouvant être utilisées qu'une seule fois. Par suite, cela augmente nota- blement les coûts d'une révision, d'une réparation, d'un mon- tage de produits démontés, et de l'entretien de service. L'impossibilité actuelle de mettre en oeuvre l'option d'un montage répété sans remplacement des boulons, empêche une ap- plication plus fréquente en pratique de ce procédé de serrage avancé. L'art antérieur comprend également un procédé d'évaluation de dommages d'un boulon de liaison, ce procédé consistant à utiliser l'allongement permanent du boulon comme critère de déformation plastique de ce boulon. Cependant, le problème est que cet indicateur n'est pas suffisamment expli- cite et qu'il faut conserver des enregistrements concernant la longueur initiale de chaque boulon pris individuellement, ce qui est impossible à mettre en oeuvre dans une utilisation industrielle. Par suite, ce procédé n'est utilisable que pour une sélection optique générale de boulons allongés de manière évidente, qui présentent une contraction visible de leur sec- tion transversale critique. Des inconvénients analogues et même supérieurs sont également présentés par l'autre procédé utilisé, qui consiste à n'évaluer que l'allongement de la partie filetée de la tige de boulon. Lorsqu'une qualité supérieure est la priorité dans le processus de fabrication, en considérant l'incerti- tude décrite ci-dessus, il est préférable, dans la pratique au jour le jour, de jeter tous les boulons de liaison démon- tés, par ailleurs de grande valeur, à chaque fois qu'il existe un doute sur le fait que le point limite de résistance élastique ait été dépassé. Cependant, ces boulons sont, pour la plupart, toujours parfaitement utilisables. On produit ainsi des pertes financières importantes bien qu'en théorie ces pertes ne soient pas nécessaires du point de vue techni- que. En considérant les éléments ci-dessus, la présente in- vention a pour but de créer un procédé mettant en oeuvre un système convenable et explicite de marquage des boulons, ce procédé permettant d'obtenir une indication fiable de l'amplitude des déformations permanentes. Résumé de l'invention A cet effet, pour supprimer les inconvénients in- diqués ci-dessus des procédés de l'art antérieur, la présente invention concerne un boulon de liaison pour serrages répétés au-delà du point limite de résistance élastique, ce boulon comprenant une tête et une tige, la tige étant munie d'un pas de vis, de façon que la tête soit munie d'au moins une marque d'indication dans une position angulaire mutuelle définie fixe par rapport à au moins un signe d'indication, ce signe étant prévu sur l'extrémité libre de la tige par rapport à l'axe de rotation du boulon. La marque d'indication et le signe d'indication sont formés par au moins une rainure ou une saillie à trois dimensions, intégrale ou interrompue, cette rainure ou cette saillie étant formées dans le matériau du boulon de liaison. Des lignes perpendiculaires tracées des centres des marques ou des signes d'indication, vers l'axe de rotation q-q du boulon, forment les axes de référence a-a ou c-c du système d'indication respectif, ces axes de référence définissant, avec l'axe de rotation q-q du boulon, la position angulaire mutuelle réelle d'un plan de référence a de la tête et d'un plan de référence y de l'extrémité libre de la tige de bou- lon. Dans le cas o, lorsqu'on considère une configu- ration symétrique spéciale des marques ou des signes d'indication, leurs centres tombent directement sur l'axe q-q du boulon, de préférence l'un des autres axes de symétrie du système de marques ou de signes d'indication, situé dans le plan perpendiculaire à l'axe de rotation q- q du boulon, peut être choisi comme l'axe de référence. Dans le cas du mode de réalisation du boulon de liaison qui est muni d'un bout ou nez de guidage, le signe d'indication de l'extrémité libre de la tige est constitué par au moins un aplatissement ou une surface concave formés sur le nez de guidage dans la direction radiale par rapport à l'axe q-q du boulon de liaison. Dans le cas d'un mode de réalisation muni d'un nez de guidage court cylindrique ou conique, le signe d'indication est sur la face de l'extrémité libre de la tige, et ce signe est constitué par une rainure ou une saillie de longueur intégrale ou de longueur interrompue. La marque d'indication et le signe d'indication, déjà prévus dans la fabrication du boulon de liaison, déter- minent l'angle AOH de torsion permanente de la tige du boulon de liaison, par un changement de leurs positions angulaires mutuelles, cet angle de positions angulaires mutuelles étant représenté par l'angle OH des plans de référence a et y après le serrage du boulon au-delà du point limite de résistance élastique, tandis que la marque d'indication et le signe d'indication forment l'angle 0AOH de torsion permanente visi- ble et mesurable. La surface de la marque d'indication et du signe d'indication est protégée par une couche protectrice au moins aussi efficace que pour les autres parties du boulon de liaison. Les marques et les signes d'indication servent soit directement de contacts pour un dispositif de lecture des positions réelles du système de marques d'indication dans la zone de la tête et des positions réelles des signes d'indication à l'extrémité libre de la tige de boulon, soit, en combinaison avec les surfaces de prise de la tête ou l'aplatissement de l'extrémité de guidage, de marques opti- ques d'orientation permettant de lire correctement la taille de l'angle respectivement défini OH des plans a et y dans la plage de tailles voulue. Dans ce cas, il est nécessaire d'utiliser toute la plage théoriquement possible de tailles de l'angle OH de 0 à 360 , cette exigence pouvant être sa- tisfaite par exemple par une configuration volontairement dissymétrique des figures des marques et des signes d'indication. Brève descriptions des dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de modes de réalisation re- présentés sur les dessins annexés dans lesquels: * la figure 1 est une vue en perspective d'un mode de réali- sation du boulon de liaison, représentant la tête de bou- lon dans la position proximale; * la figure 2 est une vue en perspective du même mode de réalisation du boulon de liaison, représentant l'extrémité dévissée de la tige de boulon dans la position proximale; et * les figures 3 et 4 représentent des vues en perspective de deux autres modes de réalisation de l'extrémité dévissée de la tige de boulon. Description détaillée de l'invention Dans un mode de réalisation particulièrement pré- férentiel de la présente invention, le boulon de liaison 1 pouvant être utilisé pour des serrages répétés au-delà du point limite de résistance élastique, comprend une tête 2 mu- nie d'un moyen de prise 7 et d'un collier d'un seul tenant 3 avec une surface de contact 4, et une tige 5 munie d'un pas de vis 6. Une marque d'indication concave ou convexe 9 à trois dimensions est formée au-dessus de la surface de con- tact 4 de la tête 2, sur la surface latérale 8 de la tête 2, ou optionnellement sur la surface supérieure, à un endroit non chargé du moyen de prise 7, par exemple du prisme hexago- nal extérieur, et éventuellement également sur le collier d'un seul tenant 3. Au moins un signe d'indication 10 à trois dimensions, situé de préférence à l'extérieur du pas de vis 6, est formé sur la surface d'extrémité de la tige 5 à l'endroit d'un nez de guidage émoussé 11 du boulon 1. Ce si- gne d'indication 10, placé à l'extrémité de la tige 5, de la même manière que la marque d'indication 9 formée sur la tête 2 ou sur le collier d'un seul tenant 3, est dans ce cas cons- titué par une rainure ou saillie symétrique prolongée, inté- grale ou interrompue. Les marques d'indication prévues en double 9 sont de préférence situées de façon qu'une ligne perpendiculaire tracée depuis le centre de ces deux parties jusqu'à l'axe q-q du boulon 1 à l'endroit du pied X, se con- fonde en une ligne représentant l'axe de référence a-a du système de marques d'indication. De l'autre côté, le centre d'un signe d'indication d'une seule pièce 10 situé directe- ment sur l'axe de rotation q-q du boulon 1, se confond déjà avec un point Y qui, dans la configuration générale du signe d'indication, a déjà été obtenu comme le pied de la perpendi- culaire respective. Dans ce cas, l'axe de symétrie du sys- tème, qui est situé dans le plan perpendiculaire à l'axe q-q du boulon, est de préférence choisi comme l'axe de référence du système de signes d'indication, c'est à dire la ligne c-c. Le terme de centre d'un signe d'indication ou d'une marque d'indication désigne le centre de symétrie de leur partie convexe s'ajoutant sur le matériau du corps principal, ou de leur partie concave se retranchant du matériau du corps prin- cipal. Pour une lecture convenable de l'angle de torsion per- manente A0H de la tige 5 dans toute la plage allant jusqu'aux 360 possibles, le système d'indication peut être optionnel- lement situé dyssimétriquement. Dans le cas de boulons 1 comportant un bout ou nez de guidage 12 sur l'extrémité libre de la tige 5 du bou- lon de liaison 1, l'aplatissement 13 orienté en angle peut par exemple servir de signe d'indication, cet aplatissement 13 étant formé à l'extérieur du pas de vis 6. La marque d'indication 9, de même que le signe d'indication 10 sur le boulon 1, servent à lire l'angle réel OH des plans de réfé- rence a et y définissant les positions angulaires mutuelles de la surface de contact 4 de la tête 2 et du plan de la face d'extrémité libre de sa tige 5, autour de l'axe de rotation q-q du boulon. Cet angle OH des plans de référence a et y se coupant perpendiculairement suivant l'axe q-q du boulon 1, est défini géométriquement de manière connue soit comme l'angle de lignes convergentes a-a et c'-c' se coupant au point d'intersection X, soit comme l'angle de lignes conver- gentes a'-a' et c-c se coupant au point Y, de sorte que les lignes auxiliaires a'-a' et c'-c' sont les lignes respective- ment parallèles aux axes de référence du système d'indication opposé. L'angle respectif OH doit être spécifié deux fois dans la documentation d'accompagnement, c'est à dire les ins- tructions d'utilisation. On a tout d'abord l'angle initial OHO qui doit, au mieux, si cela est technologiquement possi- ble, correspondre à l'angle nul, puis on a également ensuite l'angle maximum 0HMAX permis pour le joint respectif. Si cet angle maximum OHMAX est dépassé, cela donne un signal pour remplacer le boulon par un nouveau boulon. Un boulon de la forme décrite ici est serré suivant les instructions respec- tives. Après le démontage du boulon, on évalue s'il peut être réutilisé, c'est à dire que le critère pour une utilisation ultérieure est la taille actuellement déterminée de l'angle OH du système d'indication, et l'on en tire l'angle de défor- mation permanente en torsion A0H = A0H - OHO. Le boulon peut être réutilisé dans les conditions de serrage initiales, sui- vant les règles, à moins qu'on ait atteint l'angle de défor- mation en torsion permanente maximum permis de la tige de boulon, tel que spécifié dans les instructions de montage. Le principe de l'invention est basé sur la con- naissance des modes de contrainte rencontrés en pratique dans un boulon. Il est connu que pendant le serrage d'un boulon 1 dans la direction p, la partie critique se trouvant sous la surface de contact 4 de la tête 2, et simultanément la partie critique se trouvant au-dessus de la partie partiellement vissée de la tige 5, sont exposées à une tension de con- trainte combinée produite par une force de précontrainte axiale F exercée par l'effet de coin des filets, et par la tension de torsion produite par le moment de serrage MA, moins le moment de friction MKA SOUS la tête. Par suite, le serrage d'un boulon correspond à une augmentation progressive de la contrainte combinée de sa tige par tension et torsion, ce qui produit également les déformations respectives de la tige, c'est à dire à la fois son allongement et sa torsion. Jusqu'au point limite de résistance élastique, les déforma- tions sont élastiques, réversibles, et ne peuvent être re- trouvées sur un boulon après son desserrage. Cependant, au- delà du point limite de résistance élastique, les augmenta- tions des deux déformations sont plastiques et permanentes. Le dépassement du point limite de résistance élastique du ma- tériau pendant le serrage du boulon se manifeste à la fois par un allongement permanent et par une torsion permanente de la tige. Ces changements peuvent être mesurés sur un boulon démonté et peuvent servir de critère objectif de détermina- tion à la fois qualitative et quantitative de son serrage au- delà du point limite de résistance élastique. Les avantages du système selon la présente inven- tion sont les suivants: * On dispose d'une information objective et fiable relative à l'historique du serrage, en commençant par la fabrica- tion du boulon et en couvrant toute sa période d'utilisation, en ce qui concerne les contraintes appli- quées à ce boulon par serrage de celui-ci au-delà du point limite de résistance élastique. * Selon la présente invention, l'importance du dommage peut être déterminée par l'indicateur de dommage selon l'invention qui rend facilement détectable l'importance de la torsion permanente du boulon. L'importance de la dété- rioration plastique réelle du boulon est indiquée et peut être utilisée pour décider de l'utilisation ultérieure du boulon correspondant. * Selon la présente invention, il n'y a pas de nombre fixe de montages répétés des boulons. Ce nombre est variable suivant les conditions individuelles d'un joint spécifi- que, jusqu'à) l'épuisement complet du potentiel de force restant. * Ainsi, l'utilisation ultérieure d'un tel boulon, serré au- delà de son point limite de résistance élastique, est pos- sible et n'est pas préjudiciable à la qualité ou à un com- promis indésirable dans ce domaine. Comme conséquence de la capacité à vérifier de façon permanente l'importance de la détérioration du boulon, il est possible de supposer que la qualité du joint est améliorée. Le système d'indication est totalement fiable car il fonctionne auto- matiquement sans aucun risque de défaillance d'un facteur humain, sans aucune demande de temps concernant le person- nel de travail, et l'information relative à l'importance du dommage est accumulée spontanément jusqu'à la pleine espérance de vie. * Le système rend possible une utilisation à 100% de boulons multiples, ce qui correspond à une économie de coût impor- tante. L'économie est basée sur une utilisation répétée et jusqu'à la limite du matériau du boulon à chaque serrage au-delà du point limite de résistance élastique, et égale- ment sur la mobilisation de toutes les réserves indivi- duelles de tous types fournies par la dispersion des caractéristiques de serrage individuelles, par les tolé- rances de dimensions et par les propriétés des matériaux de chaque lot de boulons. * Le système de marquage est permanent, il ne peut être ef- facé pendant toute la durée de service du boulon, et le traitement de surface individuel convenable ne peut être endommagé ni chimiquement ni mécaniquement. * Une augmentation du poids ou du prix du boulon n'est pas à prévoir. Les boulons peuvent être munis des marquages se- lon l'invention pendant les opérations unitaires de fabri- cation normales dans les machines de fabrication, de sorte qu'on ne doit prendre en compte que les coûts de remplace- ments périodiques nécessaires des outils de fabrication, et les coûts des gabarits, ces coûts étant minimes dans une fabrication en grande série. * Une confusion avec par exemple un marquage de fabrication des boulons serrés essentiellement significatifs, n'est pas possible. * Les possibilités d'opérations courantes et nécessaires concernant la qualité de production ainsi que les outils et instruments utilisés, y compris l'applicabilité de la procédure de serrage prescrite, restent inchangées. * L'indicateur de dommage est favorable pour l'environnement car il rend possible une réutilisation des boulons sans risque de destruction, de sorte que les boulons respectifs ne sont maintenant jetés que s'il y a un doute sur le fait que leur point limite de résistance élastique ait été dé- passé, et sur le fait qu'ils aient été endommagés par une déformation permanente. Le système d'indication selon la présente invention n'est pas une charge pour l'environnement car il ne nécessite ni énergie, ni peintu- res, ni dissolvants. * De nouvelles possibilités de conception de produits écono- miques sont fournies. * Les marques d'indication sur un boulon facilitent considé- rablement l'inspection des joints de boulons respectifs à la fois dans la phase de pré-production et dans la phase de contrôle de qualité pendant la fabrication, ou succes- sivement dans des circonstances critiques et des accidents lorsqu'elles contribuent à une découverte rapide des rela- tions d'induction. Utilisation industrielle La présente invention doit trouver des utilisa- tions dans tous les joints à boulons traditionnels dans les- quels le boulon est volontairement le goulot du montage. Par suite, l'invention n'est pas applicable par exemple dans les cas de vis utilisées pour joindre du bois, des feuilles mé- talliques et des matières thermoplastiques, ou dans les cas o il existe une disproportion entre le boulon et l'écrou, cette disproportion concernant la combinaison des matériaux utilisés. On suppose que le boulon est de longueur de cons- truction suffisante en ce qui concerne la longueur dévissée, pour qu'on puisse le serrer au-delà de son point limite de résistance élastique. R E V E N D I C A T IONS 1 ) Boulon de liaison pour serrages répétés au-delà du point limite de résistance élastique, ce boulon comprenant une tête et une tige, la tige étant munie d'un pas de vis, caractérisé en ce que la tête (2) du boulon de liaison (1) est munie d'au moins une marque d'indication (9) dans une position angulaire mutuelle définie fixe par rapport à au moins un signe d'indication (10), ce signe (10) étant prévu sur l'extrémité libre de la tige (5) par rapport à l'axe de rotation (q-q) du boulon (1). 2 ) Boulon de liaison selon la revendication 1, caractérisé en ce que la marque d'indication (9) et le signe d'indication (10) sont formés par au moins une rainure ou une saillie à trois dimen- sions, intégrales ou interrompues, cette rainure ou cette saillie étant formées dans le matériau du boulon de liaison (1) dans la direction des axes de symétrie (a-a) ou (c-c) si- tués dans le plan perpendiculaire à l'axe de rotation (q-q) du boulon (1) à l'extérieur du pas de vis (6). 3 ) Boulon de liaison selon la revendication 1, caractérisé en ce que le boulon de liaison (1) est muni d'un bout de guidage (12) et le signe d'indication (10) de l'extrémité libre de la tige (5) est formé par au moins un aplatissement (13) ou une rai- nure concave formée sur le bout ou nez de guidage (12) cons- titué dans la direction radiale par rapport à l'axe (q-q) du boulon de liaison (1). 4 ) Boulon de liaison selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce boulon de liaison (1) est muni d'un nez de guidage cylin- drique ou conique court (12) et le signe d'indication (10) est situé sur la face de l'extrémité libre de la tige (5) en étant formé par une rainure ou une saillie de longueur inté- grale ou de longueur interrompue. ) Boulon de liaison selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4 précédentes, caractérisé en ce que * la marque d'indication (9) et le signe d'indication (10) déterminant l'angle de torsion permanente (AOH) de la tige (5) du boulon de liaison (1), en rendant possible une vi- sualisation et une capacité de mesure, ont pour origine la fabrication du boulon (1), et * la marque d'indication (9) et le signe d'indication (10) sont protégés en surface par une couche au moins aussi ef- ficace que pour les autres parties du boulon de liaison (1). 6 ) Boulon de liaison selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu' au moins une marque d'indication (9) se trouve dans une posi- tion angulaire définie fixe par rapport à au moins une sur- face latérale (8) d'un moyen de prise (7) de la tête (2) du boulon (1), par rapport à l'axe de rotation (q-q).