Brevet FR2929665A1 — publié le 20091009

PROCÉDÉ D'ASSEMBLAGE DE MATÉRIAUX COMPOSITES ET ORGANE DE RIVETAGE PERMETTANT DE LE METTRE EN îUVRE DOMAINE D'APPLICATION DE L'INVENTION La présente invention a trait au domaine des rivets 5 et notamment aux adaptations permettant leur utilisation pour la fixation des matériaux composites. DESCRIPTION DE L'ART ANTÉRIEUR La fixation des matériaux composites au moyen de rivets présente diverses contraintes, parmi celles-ci : 10 - une bonne résistance en fatigue des assemblages doit être garantie, - l'endommagement du matériau composite lors de la pose du rivet doit être évité, - le phénomène de délaminage doit être évité, 15 - la résistance en cisaillement doit être optimisée, - la tenue à l'arrachement en traction doit être optimisée, - la pose ne doit pas nécessiter de fraisure du côté de la rivure, 20 - une pose correspondant à celle des rivets pleins actuels (par écrasement) doit pouvoir être réalisée afin d'exploiter les machines à riveter classiques, - le coût doit être amélioré. Les rivets pleins bien que peu onéreux ne sont pas 25 adaptés à la fixation de pièces en matériaux composites. En effet, lors de son écrasement, la matière du rivet vient s'appuyer sur le coin ou rebord du trou pour former le bulbe (appelé également rivure). Cet appui est particulièrement élevé en termes d'effort et a pour 30 conséquence de voir apparaître le phénomène de délaminage du fait du haut niveau de contraintes radiales localisées dans le rebord du trou. Les rivets semi-tubulaires proposent une création de bulbe nécessitant moins d'effort pour former la rivure que 35 pour un rivet plein mais ne proposent pas une tenue à la fatigue équivalente à celle d'un rivet plein. - 2 Enfin, les rivets aveugles de fixation de structure prévoyant un sertissage permettent d'atteindre la plupart des objectifs visés mais à un coût particulièrement important aussi bien en fabrication qu'en outillage de pose. DESCRIPTION DE L'INVENTION Partant du cahier des charges préétabli par les contraintes définies pour une fixation dans des matériaux composites, la demanderesse a mené des recherches qui ont abouti à la conception d'un procédé d'assemblage pour matériaux composites et d'un organe de rivetage permettant de le mettre en œuvre particulièrement avantageux. Selon l'invention, le procédé d'assemblage de pièces en matériaux composites utilise un organe de rivetage du type comprenant d'une part un insert, d'autre part une douille adaptée pour contenir au moins partiellement l'insert et possédant une extrémité munie d'une tête et une extrémité tubulaire apte à être déformée en vue de constituer un bulbe d'un côté des matériaux à assembler, - un trou traversant les matériaux à assembler étant réalisé, - la douille étant introduite et maintenue dans le trou avec sa tête en appui sur les rebords de l'extrémité du trou et de sorte que son extrémité tubulaire en dépasse de l'autre côté. Le procédé est remarquable en ce qu'il consiste . - à utiliser une douille dont l'âme creuse présente deux sections différentes, une première section démarrant à partir de l'extrémité tubulaire à déformer présentant un premier diamètre et une deuxième section démarrant à la fin de la première section et de diamètre inférieur, - à utiliser un insert ne présentant pas de surface fonctionnelle d'appui axiale à des fins de gonflement radial de la douille dans le trou mais dont le diamètre est apte à permettre son logement sans déformation dans la première section de l'âme creuse et apte à permettre son - 3 - logement en force dans la deuxième section, - à introduire axialement l'insert dans la douille de sorte que cette dernière gonfle radialement à l'intérieur du trou au niveau de sa petite section et que l'évidement 5 défini par cette petite section soit occupé par ledit insert, - à assurer au moyen d'une bouterolle, une pression à l'extrémité à déformer de la douille sur sa première section pour en assurer le pliage par extension radiale centrifuge. Cette caractéristique est particulièrement avantageuse en ce qu'elle réunit les avantages des rivets pleins aux rivets semi tubulaires sans en grever le coût. Ainsi, le gonflement de la douille à l'intérieur du trou ainsi que son remplissage par l'insert va permettre de garantir la tenue en fatigue ainsi qu'une bonne tenue en cisaillement. En outre, le pliage de l'extrémité tubulaire de la douille pour former le bulbe va permettre la création dudit bulbe sans grand effort. De plus, étant donné que le pliage va démarrer selon la longueur de l'insert simultanément, juste avant ou juste après que le gonflement ait commencé, c'est à dire alors qu'une partie de la douille vient se bloquer dans le trou, l'effort axial imprimé va obligatoirement tendre à faire plier la 25 matière de la partie de douille située à l'extérieur c'est à dire non serrée à l'intérieur du trou. Ainsi, le bord côté rivure du trou traversant les matériaux à assembler est protégé de tout endommagement. Ainsi, une des caractéristiques du procédé d'assemblage de l'invention, 30 est qu'il consiste à réaliser un trou sans fraisure dans le matériau composite du côté rivure. Le temps et l'outillage d'une telle opération ne sont plus ainsi nécessaires. Une autre caractéristique participant à la protection 35 de la rivure vient du fait que l'insert ne présente aucune surface axiale fonctionnelle ce qui, dans son mouvement 10 15 20 - 4 axial à l'intérieur de la douille, permet de ne voir apparaître que des déformations radiales. L'insert ne va pas tasser la matière de la douille dans le rebord de la rivure. Au contraire, la présence de l'insert va servir de guide à la déformation de la partie extérieure de la douille pour que son pliage se réalise de façon uniforme. La réalisation d'un bulbe dans de bonnes conditions permet d'obtenir une fixation présentant une bonne tenue à l'arrachement. De plus, la configuration d'un tel organe de rivetage permet d'utiliser l'outillage classiquement exploité pour la mise en place d'un rivet plein. Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse, le procédé consiste à pré-engager l'insert dans la première section de l'extrémité tubulaire de la douille préalablement à l'engagement de l'organe de rivetage dans le trou. Cette caractéristique évite de gérer la manutention de deux pièces et permet d'utiliser l'organe de rivetage de l'invention comme un rivet plein. Le gonflement partiel ou total de la partie de douille placée à l'intérieur du trou assure un premier serrage du corps de douille à l'intérieur du trou. Néanmoins, pour optimiser la fixation, une autre caractéristique du procédé consiste à poursuivre le pliage jusqu'à sertir l'extrémité pliée sur l'insert ce qui contribue à la création d'une fixation de structure avec une tenue à l'arrachement optimisée. Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse, le procédé d'assemblage de l'invention consiste à utiliser une douille dont l'évidement la traverse de part en part axialement et à insérer l'insert par l'extrémité de l'évidement débouchant de la tête. L'invention concerne également l'organe de rivetage permettant de mettre en œuvre le procédé d'assemblage ci-dessus décrit. Cet organe de rivetage est remarquable notamment en ce que l'évidement ménagé dans la partie tubulaire de la - 5 douille se prolonge jusque au-dessous la tête. Cette caractéristique permet de disposer de la plus grande longueur possible de partie de douille susceptible de gonfler dans le trou de façon à réaliser un gonflement et une mise sous contrainte la plus régulière possible des parois du trou. Selon une autre caractéristique, la longueur de la petite section correspond à l'épaisseur minimale des éléments en matériaux composites à fixer. Selon une autre caractéristique, l'extrémité de l'insert sur laquelle vient se sertir l'extrémité de douille pliée est préformée d'un évidement qui va faciliter sa déformation en requérant moins d'effort et en autorisant la déformation de la matière sans son tassement sur les bords du trou. Cet évidement peut être également réalisé sur l'autre extrémité de l'insert qui peut présenter alors une configuration symétrique. De même, le sertissage peut être amélioré par l'aménagement extérieur de gorges ou de cannelures sur le corps de l'insert. Les concepts fondamentaux de l'invention venant d'être exposés ci-dessus dans leur forme la plus élémentaire, d'autres détails et caractéristiques ressortiront plus clairement a la lecture de la description qui suit et en regard des dessins annexés, donnant à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation d'un procédé d'assemblage et d'un organe de rivetage conformes à l'invention. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 est un dessin schématique d'une vue en coupe de la douille et de l'insert séparés composant un premier mode de réalisation d'un organe de rivetage conforme à l'invention, La figure 2 est un dessin schématique d'une vue extérieure de la douille et de l'insert assemblés avec les arêtes cachées apparentes, La figure 3 est un dessin schématique d'une vue - 6 - extérieure d'un autre mode de réalisation de l'organe de rivetage, La figure 4 est un dessin schématique d'une vue extérieure d'un autre mode de réalisation de l'organe de 5 rivetage, Les figures 5, 6, 7, 8 et 9 sont des vues en coupe d'un assemblage illustrant la mise en place de l'organe de rivetage, Les figures 10, 11, 12, 13, 14 illustrent différents 10 modes de réalisation de l'insert. DESCRIPTION DES MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS Tel qu'illustré sur le dessin de la figure 1, l'organe de rivetage référencé R dans son ensemble comprend deux parties : 15 - un insert 100, - et une douille 200 adaptée pour contenir au moins partiellement l'insert et possédant une extrémité munie d'une tête 210 et une extrémité tubulaire 220 apte à être déformée en vue de constituer un bulbe d'un côté des 20 matériaux à assembler. Conformément à l'invention, l'âme creuse 230 présente deux sections différentes 231 et 232 c'est à dire des volumes des évidements cylindriques présentant des diamètres différents, une première section 231 démarrant à 25 partir de l'extrémité tubulaire 220 à déformer présentant un premier diamètre Dl et une deuxième section 232 démarrant à la fin de la première section 232 et de diamètre D2 inférieur. Ces évidements de diamètres différents viennent en 30 adéquation avec l'insert 100 qui, ne présentant pas de surface fonctionnelle d'appui axial, présente un diamètre D3 apte à permettre son logement sans déformation dans la première section 231 de l'âme creuse 230 et à permettre son logement en force dans la deuxième section 232 à des 35 fins de gonflement radial de la douille 100. Ainsi, le plus grand diamètre D3 de l'insert 100 est - 7 inférieur ou légèrement supérieur au diamètre Dl de la première section afin de permettre son accueil sans effort et sans déformation et est plus grand que celui D2 de la deuxième section afin de provoquer la déformation de cette partie de douille 200 qui va se situer à l'intérieur du trou traversant les pièces à assembler. Comme illustrée, la deuxième section évidée de diamètre inférieur s'étend jusqu'au dessous de la tête de la douille. L'organe de rivetage se présente, comme illustré par les figures 2, 3 et 4, avec l'insert 100 pré-engagé dans la première partie de l'âme tubulaire afin qu'il puisse être géré comme un rivet plein. Ce pré-engagement est maintenu par un montage serré léger entre l'insert 100 et la première section 231 comme illustré en figures 2 et 3 ou bien par une déformation de la douille en trois points 240 disposés à 120 degrés à des fins de serrage de l'insert 100. Comme illustré, l'insert 100 dépasse hors de la douille 200 en position pré-engagée. La figure 3 illustré plus spécifiquement un organe de rivetage R' dont l'épaisseur de la partie de douille à plier 220 est réduite également extérieurement de sorte que l'effort nécessaire à sa déformation soit réduit et que l'épaulement extérieur défini par la séparation entre les deux cylindres extérieurs facilite et délimite le pliage nécessaire à la création du bulbe. Les matériaux utilisés pour réaliser l'insert et/ou la douille peuvent être choisis parmi ceux connus sous les désignations suivantes : - titane T40, - titane au columbium, - inox A286, - inox 304L, - aluminium et ses alliages, - plastique, - etc... 5 10 15 20 25 30 35 -8- Les différentes étapes de l'assemblage mis en oeuvre par un tel organe de rivetage R vont maintenant être décrites en regard des dessins des figures 5 à 9. Comme illustré sur le dessin de la figure 5, l'organe de rivetage R est disposé à l'intérieur d'un trou T traversant deux pièces en matériaux composites P1 et P2 à assembler. La tête 210 de la douille 200 vient en appui sur la surface extérieure de P1 autour du trou T. Le diamètre du trou T est tel que le corps de la douille pénètre avec jeu à l'intérieur. De plus, la portion "pliable" de la douille dépasse hors du trou T du côté de la pièce P2. La tête de douille 210 est maintenue en position au moyen d'une bouterolle 300 fixe et une autre bouterolle mobile 400 est disposée côté rivure et vient en appui contre l'extrémité de l'insert 100 se projetant hors de la douille 200. Dans un mouvement symbolisé par la flèche F1, la bouterolle mobile 400 va exercer une pression axiale contre l'organe de rivetage R à des fins d'insertion de l'insert 100, expansion du corps de douille 200 disposé dans le trou, pliage du corps de douille 200 disposé à l'extérieur du trou T et sertissage du corps de douille 200 sur le corps de l'insert 100. Conformément à l'invention, la longueur de la petite section 232 correspond sensiblement à l'épaisseur minimale des pièces P1 et P2. Comme illustré en figure 6, sous l'effet du mouvement de la bouterolle mobile 400, l'insert 100 démarre son insertion en force dans la partie de corps de douille se trouvant dans le trou T. Conformément à l'invention, cette insertion a pour effet un gonflement radial de la douille, selon les flèches F2, qui tend à plaquer la douille sur les parois du trou T et à assurer le comblement du jeu existant initialement entre la périphérie extérieure de la douille 200 et la surface intérieure du trou T. 10 15 20 25 30 35 - 9 - Comme illustré sur la figure 7, l'avancement de l'insert 100 à l'intérieur de la douille 200 permet un contact direct entre l'extrémité 220 de la douille 200 et la bouterolle mobile 400. Ainsi, au fur et à mesure du gonflement de la partie intérieure de la douille, la partie extérieure de la douille est soumise à la pression de la bouterolle 400 qui provoque le début du pliage centrifuge par expansion radiale selon les flèches F3 de la partie extérieure de douille 200. Le gonflement préalable de la partie de douille 200 située à l'intérieur du trou T permet de bloquer toute possibilité de mouvement axial de la matière de la douille 200 à l'intérieur du trou T ce qui permet de créer un appui qui va provoquer le pliage de la partie extérieure et ce qui évite l'endommagement du rebord du trou T. Comme illustré sur le dessin de la figure 8, tout en réalisant, de par ses dimensions adaptées le gonflement de la partie de la douille 200 située à l'intérieur du trou T, l'insert 100 vient occuper la totalité de l'évidement intérieur de cette partie de douille 200 faisant passer ainsi l'organe de rivetage R dans une configuration de type rivet plein. Grâce à cette configuration, la quasi totalité de la surface extérieure de la partie de douille située à l'intérieur du trou T a subi un gonflement dont le retour élastique sera négligeable ce qui permet de maintenir des contraintes radiales à l'intérieur du trou T. De plus, l'extrémité extérieure de la douille 200 qui subit le pliage est guidée pendant cette opération par le corps de l'insert garantissant une régularité dans la déformation. Comme illustrée sur le dessin de la figure 9, la poursuite du mouvement axial de la bouterolle 400 selon la flèche F1 termine le pliage de la douille 200 pour la création d'un bulbe venant prendre appui sur la pièce P2 autour du trou T. De plus, l'insert 100 va se déformer et l'extrémité du bulbe va se sertir sur le corps de l'insert 10 15 20 25 30 35 - 10 - 100 à des fins de garantie de blocage. Afin de faciliter cette déformation finale ainsi que le sertissage plusieurs modes de réalisation d'insert 100 ont été imaginés. Ainsi par exemple, la figure 10 montre un insert 100 de forme générale cylindrique dont les deux extrémités 110 et 120 sont chanfreinées extérieurement et dont l'extrémité 120 correspond à celle sur laquelle va venir se sertir la douille 200 comporte un évidement 121 facilitant sa déformation. La figure 11 montre un mode de réalisation d'un insert 100 dont le corps est préformé d'une gorge 130 située près de l'extrémité 120 et dont les deux extrémités sont ménagées d'un évidement. La figure 12 montre un insert dont le corps est ménagé sur la quasi totalité de sa périphérie d'un rétrécissement de son diamètre. La figure 13 montre un insert 100 dont le corps est ménagé de cannelures qui vont faciliter le sertissage. Les modes de réalisation illustrés par les dessins des figures 1, 11, 12 et 13, montre un évidement ménagé aux deux extrémités de l'insert. Enfin, la figure 14 illustre un évidement 121 permettant une déformation avec moins d'effort de l'extrémité 120 de l'insert. On comprend que le procédé et l'organe de rivetage, qui viennent d'être ci-dessus décrits et représentés, l'ont été en vue d'une divulgation plutôt que d'une limitation. Bien entendu, divers aménagements, modifications et améliorations pourront être apportés à l'exemple ci-dessus, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Ainsi par exemple, bien que le mode de réalisation présenté illustre un rivet ménagé d'un tête protubérante, l'organe de rivetage peut être du type de celui comprenant une douille à tête fraisée. REVENDICATIONS1. Procédé d'assemblage de pièces(P1 et P2) en matériaux composites au moyen d'un organe de rivetage (R) du type comprenant d'une part un insert (100), d'autre part une douille (200) adaptée pour contenir au moins partiellement l'insert (100) et possédant une extrémité munie (210) d'une tête et une extrémité tubulaire (220) apte à être déformée en vue de constituer un bulbe d'un côté des matériaux à assembler, - un trou (T) traversant les matériaux à assembler étant réalisé, - la douille (200) étant introduite et maintenue dans le trou (T) avec sa tête en appui sur les rebords de l'extrémité du trou et de sorte que son extrémité tubulaire en dépasse de l'autre côté, ledit procédé étant CARACTÉRISÉ EN CE QU'il consiste : - à utiliser une douille (200) dont l'âme creuse (230) présente deux sections différentes (231 et 232), une première section (231) démarrant à partir de l'extrémité tubulaire (220) à déformer présentant un premier diamètre (Dl) et une deuxième section (232) démarrant à la fin de la première section et de diamètre (D2) inférieur, - à utiliser un insert (100) ne présentant pas de surface fonctionnelle d'appui axiale à des fins de gonflement radial de la douille (200) dans le trou (T) mais dont le diamètre (D3) est apte à permettre son logement sans déformation dans la première section (231) de l'âme creuse (230) et est apte à permettre son logement en force dans la deuxième section (232), - à introduire axialement l'insert (100) dans la douille (200) de sorte que cette dernière gonfle radialement à l'intérieur du trou (T) au niveau de sa petite section (232) et que l'évidement défini par cette petite section soit occupé par ledit insert (100), - et à assurer au moyen d'une bouterolle (400), une pression à l'extrémité à déformer de la douille (200) sur 5 10 15 20 25 30 35- 12 - sa première section (231) pour en assurer le pliage par extension radiale centrifuge. 2. Procédé selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ EN CE QU'il consiste à préengager l'insert (100) dans la première section (231) de l'extrémité tubulaire de la douille (200) préalablement à l'engagement de l'organe de rivetage (R) dans le trou (T). 3. Procédé selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ EN CE QU'il consiste à assurer l'insertion en force de l'insert (100) dans la deuxième section (232) et le pliage de la première section (231) dans le même mouvement de bouterolle (400) de sorte que ledit pliage soit guidé par le corps de l'insert (100). 4. Procédé selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ EN CE QU'il consiste à poursuivre le pliage jusqu'à sertir l'extrémité pliée (220) sur l'insert (100). 5. Procédé selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ EN CE QU'il consiste à réaliser un trou (T) sans fraisure dans le matériau composite du côté bulbe. 6. Procédé d'assemblage selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ EN CE QU'il consiste à utiliser une douille (100) dont l'évidement (230) la traverse de part en part axialement et à insérer l'insert (100) par l'extrémité de l'évidement débouchant de la tête (210). 7. Organe de rivetage (R) permettant de mettre en oeuvre le procédé d'assemblage selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE l'évidement (230) ménagé dans la partie tubulaire (220) de la douille (200) se prolonge jusqu'au dessous de la tête (210). 8. Organe de rivetage (R) permettant de mettre en oeuvre le procédé d'assemblage selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE l'extrémité (120) de l'insert (100) sur laquelle vient se sertir l'extrémité de douille pliée est préformé d'un évidement (121) autorisant le tassement de la matière. 9. Organe de rivetage (R) permettant de mettre en 2929665 - 13 - oeuvre le procédé d'assemblage selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE l'insert (100) est maintenu dans sa position préengagée par déformation de la première section (23) de douille (200) à des fins de serrage. 10. Organe de rivetage (R) permettant de mettre en oeuvre le procédé d'assemblage selon la revendication 1 CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE ledit insert (100) est ménagé extérieurement de cannelures pour faciliter le sertissage. 11. Organe de rivetage (R) permettant de mettre en oeuvre le procédé d'assemblage selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE ledit insert (100) est ménagé extérieurement d'un ou plusieurs évidements (130). 12. Organe de rivetage (R) permettant de mettre en oeuvre le procédé d'assemblage selon la revendication 1 CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE la longueur de la petite section (232) correspond à l'épaisseur minimale des éléments (P1 et P2)en matériaux composites à fixer. 25 30 35