Principe de couple des boulons et six méthodes de contrôle de serrage

Dans les conditions d'assemblage réelles, la force de serrage entre les composants connectés et la précharge axiale des boulons ne peuvent pas être directement mesurées ou contrôlées avec précision. Par conséquent, l’industrie adopte généralement des méthodes de contrôle indirect basées sur le couple pour obtenir un contrôle de précharge standardisé. Cet article explique systématiquement les méthodes traditionnelles de contrôle du serrage des boulons basées sur la relation mécanique entre le couple et la force de serrage pendant le serrage.

1. Principe du couple des boulons et de la force de serrage

Lorsqu'un couple de serrage est appliqué à un boulon, la tige est étirée élastiquement, générant une force de serrage axiale pour fixer le joint. La formule de couple de base est définie comme : Couple (M)=Force (F) × Moment Bras (L). Théoriquement, un angle de rotation plus grand produit un couple plus élevé ; cependant, la majeure partie du couple appliqué est consommée par friction en fonctionnement réel.

Le serrage général des boulons suit lesRègle de répartition du couple 50-40-10: 50 % du couple surmonte la friction sous la tête du boulon, 40 % surmonte la friction de la paire de filetage et seulement 10 % sont efficacement convertis en force de serrage axiale utilisable.

Par exemple, lorsqu'un boulon est serré à 10 N·m selon les exigences du processus, seulement 1 N·m environ contribue à un serrage axial efficace, tandis que la majorité du couple est perdue à cause du frottement.

Ce rapport de répartition du couple n'est pas fixe. Les dommages au filetage, les bavures, la saleté et les contaminants de surface augmenteront considérablement la perte par friction. En cas de filetage défectueux, la répartition passe à 50 % de friction de la tête, 45 % de friction du filetage et seulement 5 % de force de serrage effective.

Dans de tels cas, bien que le couple de serrage surveillé soit conforme à la norme, la force de serrage réelle est gravement insuffisante, ce qui entraînefaux serrage. Lorsqu'il est appliqué à des pièces mobiles à grande vitesse telles que des volants d'inertie et des vilebrequins, un faux serrage provoque facilement le desserrage ou le détachement des boulons et conduit à une panne de l'équipement.

Outre les défauts de filetage, les joints élastiques souples provoquent également une diminution du couple et une perte de précharge, appelée atténuation du couple des joints souples. Les composants souples courants tels que les joints de culasse et les joints de carter d'huile se déforment et se détendent sous l'effet d'une compression continue, ce qui entraîne une réduction progressive de la précharge. Les processus de resserrage secondaires sont largement adoptés pour minimiser l'atténuation de la force de serrage pour les assemblages à joints souples.

Un couple plus élevé ne signifie pas toujours une meilleure fixation. Un serrage excessif étire le boulon au-delà de sa limite élastique et induit une déformation plastique. Une fois que la contrainte dépasse la limite d'élasticité, le boulon subit une rupture permanente et perd complètement sa capacité de fixation.

2. Six méthodes courantes de contrôle du serrage des boulons

2.1 Méthode de contrôle du couple

La méthode de contrôle du couple est la stratégie de serrage la plus simple et la plus largement utilisée. Son principe de base est la relation proportionnelle entre le couple de serrage et la précharge axiale, exprimée par la formule :T=K·F, où T=couple de serrage, F=précharge axiale et K=coefficient de couple.

Une fois la conception du boulon finalisée, la précharge axiale cible F est fixée et le couple de serrage standard T peut être calibré. Cependant, des valeurs de couple qualifiées ne garantissent pas toujours une qualité d'assemblage qualifiée, principalement en raison des fluctuations du coefficient de couple K.

Le coefficient de couple K est très sensible au coefficient de frottement global, qui est affecté par la précision des boulons, les dommages au filetage, la contamination et l'état de la surface. La température joue également un rôle crucial. Les expériences de Sumitomo Japon prouvent que le coefficient de couple K diminue de 0,31 % pour chaque augmentation de 1 degré de la température ambiante.

Selon les rapports de test du VDI (Association des ingénieurs allemands), même avec une erreur de couple nulle, l'erreur de précharge axiale sous contrôle pur du couple peut atteindre ±27,2 %, ce qui indique une précision limitée.

Caractéristiques des applications: Le serrage s'effectue dans les limitesboulon région élastique. Le couple cible est généralement fixé entre 50 % et 85 % du couple d'élasticité. Environ 90 % du couple appliqué surmonte la friction, ce qui donne une précision de précharge de ±25 %.

Avantages: Opération simple, peu coûteuse et inspectable avec des clés dynamométriques standards, adaptée à l'assemblage général de masse.

Inconvénients: Faible précision de serrage, utilisation insuffisante des matériaux et forte sensibilité à la température, aux conditions de filetage et à la contamination de la surface, conduisant à une mauvaise stabilité.

2.2 Méthode de contrôle couple-angle (méthode TA / contrôle super-élastique)

La méthode de contrôle de l'angle de couple est une stratégie de serrage de haute précision améliorée basée sur un contrôle de couple de base. Le processus se compose de deux étapes : premièrement, serrer le boulon à un couple préliminaire prédéfini (généralement 40 à 60 % du couple standard, déterminé par validation du processus) pour éliminer les espaces de joint et assurer un contact sur toute la surface ; puis faites pivoter le boulon d'un angle spécifié pour obtenir un allongement axial précis.

La rotation à angle fixe contrôle avec précision l’allongement des boulons et la compression des joints, éliminant ainsi le contact inégal avec la surface et les incohérences de friction. Lors de la deuxième étape de serrage, la précharge est déterminée avec précision par l'angle de rotation, ce qui réduit considérablement les interférences de frottement et permet d'obtenir une précision bien supérieure à celle du contrôle pur du couple.

Cette méthode nécessite des outils de serrage électriques équipés de moteurs, d'entraînements par engrenages et de capteurs de haute précision pour définir avec précision le couple préliminaire et les angles de rotation pour les lignes de production de précision.

Caractéristiques des applications: Serrage en deux temps (initialisation du couple + rotation angulaire) dans la plage élastique. Les paramètres initiaux de couple et d’angle nécessitent un étalonnage expérimental. La précision de précharge atteint ± 15 %.

Avantages: Précision de serrage plus élevée et force de serrage axiale stable, adaptée à l'assemblage de composants de moyenne et haute précision.

Inconvénients: Système de contrôle complexe nécessitant une double surveillance du couple et de l’angle ; vérification de la qualité difficile avec les outils d’inspection conventionnels.

2.3 Méthode de contrôle du point d'écoulement (méthode TG)

La méthode de contrôle de la limite d'élasticité est une technologie de serrage de haute précision basée sur les propriétés plastiques des matériaux. Il surveille en permanence la pente de la courbe couple-angle pour identifier le seuil d'élasticité du boulon et arrête le serrage immédiatement après avoir atteint la limite d'élasticité.

Lors de la phase de serrage initiale, la pente de l'angle de couple augmente rapidement puis se stabilise dans la plage élastique. À mesure que le boulon s'approche de la limite d'élasticité plastique, la pente diminue progressivement. Le serrage s'arrête automatiquement lorsque la pente descend à 50% de sa valeur maximale, indiquant la limite d'élasticité.

Comparé au serrage par zone élastique, le serrage par zone élastique minimise les erreurs de précharge causées par la déviation d'angle, maximise l'utilisation du matériau et élimine les interférences de friction.

Caractéristiques des applications: Surveillance du couple et du gradient en temps réel ; précision de précharge à ± 8 % ; les boulons atteignent un état de rendement critique et ne peuvent pas être réutilisés après serrage.

Avantages: Précision extrêmement élevée, excellente stabilité de précharge et utilisation complète de la résistance mécanique du boulon.

Inconvénients: Nécessite des équipements de précision haut de gamme avec des coûts élevés ; fortement dépendant de la résistance constante des boulons et de la qualité des matières premières.

2.4 Méthode de contrôle de l'angle du point d'assise (méthode SPA)

La méthode Seat-Point Angle (SPA) est une technique avancée de serrage de haute précision optimisée à partir de la méthode TA conventionnelle. Contrairement au point de départ à couple fixe utilisé dans le contrôle TA, SPA calcule l'origine précise de l'assise à travers l'intersection de la pente linéaire de la courbe de couple et de l'axe horizontal, éliminant ainsi l'écart de couple initial.

Les tests confirment que les courbes couple-angle varient considérablement selon différents coefficients de friction, tandis que le point de référence d'assise reste presque cohérent. La rotation à partir d'un point d'assise unifié élimine efficacement les erreurs de précharge causées par les différences de friction et l'écart de couple initial, offrant ainsi une précision supérieure à celle de la méthode TA.

Avantages principaux: Compense les erreurs de couple et les perturbations de friction initiales, améliorant considérablement la cohérence et la précision du serrage pour les applications à haute fiabilité telles que l'assemblage d'équipements aérospatiaux et de précision.

2.5 Méthode de contrôle de l'allongement des boulons (méthode d'assurance qualité)

La méthode de contrôle de l'allongement des boulons détermine directementboulon précharger en mesurant l'allongement de la tige. La détection par ultrasons est l'approche dominante, utilisant la relation linéaire entre la fréquence de l'écho ultrasonique et la longueur d'étirement du boulon pour quantifier avec précision l'allongement et l'état d'élasticité.

Cette méthode évite les interférences indirectes dues au couple et au frottement, avec seulement des erreurs mineures causées par des différences individuelles dans la limite d'élasticité des boulons. Il est à noter que les courbes de fréquence ultrasonore diffèrent lors du serrage et du desserrage ; la fréquence de montée sous précharge est inférieure à la fréquence de relâchement lors du desserrage, nécessitant un étalonnage différencié.

2.6 Méthode de contrôle du gradient de couple

La méthode de contrôle du gradient de couple surveille les changements de pente en temps réel de la courbe couple-angle pour contrôler avec précision la précharge initiale, en ciblant la force axiale d'élasticité du boulon. Il est appliqué dans des assemblages de haute qualité nécessitant une dispersion minimale de la précharge et une utilisation maximale de la résistance du matériau.

Sa logique de contrôle est similaire au contrôle d'angle de la région plastique, mais permet une régulation plus précise de la limite d'élasticité, réduisant ainsi la dégradation des performances causée par une déformation plastique répétée. Il offre une stabilité supérieure par rapport aux méthodes traditionnelles de serrage en plastique.

Inconvénients: Nécessite un équipement de serrage sophistiqué et coûteux avec des exigences de calibrage et de débogage de processus de haute précision.