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Innovation dans la technologie de fixation mécanique pour les joints sans entretien

Dr.-Ing. Hans-Albert Staedler Directeur Ingénierie clients Europe Arconic Fastening Systems Industrial Products, Telford, UK

Arconic Fastening Systems présente de nombreuses années d'expérience dans les technologies de fixation mécanique. Louis Huck (le fondateur des dispositifs de fixation Huck) a développé au siècle dernier, au milieu des années quarante, le tout premier système de boulons de verrouillage. La fonctionnalité des systèmes de boulons de verrouillage est basée sur la technologie du formage à froid / de l'extrusion. Un collier de serrage est formé à froid lors de l'installation par un contre-cylindre (pièce d'un outil d'installation spécial) dans les rainures de verrouillage d'une tige. Après l'installation, le dispositif de fixation est verrouillé mécaniquement en raison de ce processus d'estampage à régulation de volume. Les rainures de verrouillage sont remplies à plusieurs reprises du matériau du collier de serrage. Le système édifie une barrière naturelle contre les vibrations et les pertes de serrage. Les systèmes de boulons de verrouillage créent des joints résistants aux vibrations et à la fatigue. Depuis le tout premier boulon de verrouillage, ces systèmes ont été optimisés en permanence. Cela a été une révolution lorsqu'Arconic Fastening Systems est arrivée sur le marché avec des boulons de verrouillage sans goupille. En outre, ces systèmes ne présente pas d'extrémité de goupille dotée d'une surface à effet rouille et vierge. L'installation devient plus rapide, plus simple et présente un bruit réduit comparativement aux boulons de verrouillage traditionnels, elle est beaucoup plus rapide qu'avec des boulons traditionnels. L'Institut allemande des techniques de construction (DIBt) a testé le boulon de verrouillage Bobtail® conformément à la réglementation EN 1993 et l'a approuvé en tant qu'opportunité de générer des joints entièrement dépourvus d'entretien correctement installés et qui correspondent avec les pièces à travailler. Le Bobtail® fournit également la performance de la protection anti-corrosion ISO 12944 C5 M. Le tableau 1 indique l'évolution des systèmes de boulons de verrouillage comparable avec des boulons traditionnels à haute résistance.

Haute résistance Boulons & écrous

Traditionnel Boulon de

verrouillage

Avancé Boulon de

verrouillage

Système Huck 360®

Caractéristiques

Charge de serrage

Élevée Élevée Élevée Élevée

Variation de serrage

±30 % ±6 % ±6 % ±20 %

Amovibilité Oui Semi-permanent Semi-permanent Oui

Outil 16 mm Poids

< 10 lbs. 20 lbs. < 10 lbs. < 10 lbs

Résistance aux vibrations

Faible Élevée Élevée Élevée

Tableau 1 : Évolution boulon de verrouillage ; //Source laboratoire de test Arconic Fastening Systems. Waco//

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Le tableau 1 présente la toute dernière innovation, le H360® Comparativement aux systèmes de boulons de verrouillage, le H360 ne nécessité pas d'outil d'installation spécial supplémentaire. Le Huck 360® est un système d'écrous et de boulons amovible & réutilisable doté d'une résistance aux vibrations et à la fatigue équivalente à celle des boulons de verrouillage. Il présente la même flexibilité d'installation que les systèmes d'écrous et de boulons à haute résistance. En raison de la méthode d'installation de serrage, la variation de serrage est plus importante que celle des systèmes de boulons de verrouillage, mais moins importante que celle des systèmes de boulons traditionnels. Le filetage de l'écrou ductile et sa déformation au cours du procédé de serrage génèrent un verrouillage mécanique avec le filet renforcé de la tige. Ceci confère au H360® le système de boulonnage à plus haute résistance pour des connexions nécessitant un service d'entretien avec des outils standards.

Image 1 : Pièces et fonctionnalité du système H360® ; //Source : laboratoire de test Waco Arconic fastening

Systems//

Boulon H360®

Interférence entre le boulon H360® et le filetage de l’écrou ductile.

Boulon H360®

boulon écrou

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Le filetage de l'écrou libre descend et resserre rapidement tout en minimisant les dommages causés aux revêtements. Le H360® reste serré sous des charges de vibrations sévères et une résistance à la fatigue supérieure exerce une pression contre les charges d'entretien répétitives. Le filetage H360® préchargé et le détail du filetage de l'écrou/ du boulon traditionnel montrent la différence et indiquent la raison de cette résistance élevée contre les vibrations. Le filetage de vis H360® est similaire à un système de boulon de verrouillage, il est doté de contours légers et ne présente aucune zone de concentration de pression, en outre, il fournit au boulon une zone transversale plus importante qu'un filetage de vis traditionnel. Le filetage de l'écrou est conçu de manière à déformer suffisamment de matériau, lors du processus de resserrage, pour le système de blocage. Le filetage de l'écrou est doté d'une dureté ductile qui permet l'amovibilité et la réutilisation. Cela signifie que le système est adapté à corriger des imperfections de surface de pièces à travailler et/ou à visser des stratégies d'installation, par exemple pour des tours d'éoliennes à brides larges.

1. Détail du filetage préchargé

2. Résistance aux vibrations 3. Traction - Fatigue à la traction

Image 2 : Pièces et fonctionnalité du système H360® ; //Source : laboratoire de test Waco Arconic fastening

Systems//

Comparaison entre le Huck 360™ et d'autres conceptions d'écrous résistants aux vibrations dans le test de vibration

transversale de Junkers

Boulon et écrou traditionnels Filetage H360®

Les flancs du filetage ne peuvent pas glisser. L'écrou peut se déplacer par rapport au boulon.

Les flancs du filetage sont verrouillés. L'écrou ne peut pas se déplacer par rapport au boulon

Filetage UNC

Pression max 194 KSI sur

rayon de fond du filetage

Pression max 141 KSI sur

rayon de fond du filetage

Max = 194 KSI Max = 141 KSI

27 % de pression en moins sur le filetage

Boulon UNC

HUCK 360

Le filetage du Huck 360™ présente une résistance à la fatigue 5 fois supérieure à celle d'un boulon UNC standard

Filetage H360®

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Les résultats du test interne d'Arconic (image 2) permettent de tirer les conclusions suivantes.

Caractéristiques Avantages

Amortissement vibratoire • Réduction de la fréquence d'entretien

• Temps de fonctionnement de l'équipement plus long

Filetage libre • Installation rapide

• Aucun dommage aux revêtements

• Retrait facile

• Service d'entretien

Filetage de vis à facteur de rainure basse peu profonde

• Haute résistance à la fatigue

• Amortit les charges à pic élevé

Résistance à la tension et au cisaillement de Niveau 8 et Catégorie 10.9

• Mise à niveau simple à partir

• d'écrous et boulons traditionnels

Installation et retrait de clés à molette traditionnelles

• Service d'entretien

Tableau 2 : Huck 360® Résumé des caractéristiques et des avantages ; //Source : laboratoire de test Waco Arconic Fastening Systems. //

L'image 3 ci-dessous indique tous les diamètres de dimensions impériales et métriques, actuellement disponibles. Conformément à l'industrie de la construction, le plan requiert les diamètres supplémentaires M24, M27, M30 et M42.

Image 3 : Disponibilité du système H360® system ; //Source : Arconic fastening Systems//

Le système Huck 360® est disponible dans les dimensions suivantes : 3/8”, 1/2", 5/8”, 3/4", 7/8”, 1”,

1-1/8”, 1-3/8”, 10mm, 12mm, 16mm, 20mm, et 36mm.

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Un exemple d'utilisation du système H360® est l'industrie minière. Le fabricant Morbark Inc. disposait d'un

modèle 1300 de bol de broyage doté de dents présentant une faible durée de vie. Utilisation d'écrous de blocage ¾” Stover et de boulons de catégorie 8. Ils perdait“plus de 6 à 8 dents par jour” d'après l'opérateur.

En utilisant le Huck 360® ils ont pu accumuler environ 120 heures sur une période de cinq semaines. Au

cours de cette périodes, seulement 8-10 pièces rapportées ont été perdues.

Image 4 et 5 : Broyeur Morbark Inc. avec H360® ; //Source : Arconic fastening Systems //

D'autres opportunités ont été identifiées dans les secteurs d'activité suivants :

• Ouvrage métallique

• Camions et remorques

• Machine agricoles, utilisées pour la récolte

• Ferroviaire et autorail

• Industrie automobile

• Exploitation minière

• Machines de construction et excavateurs

• Service après-vente et de réparation au sein duquel les vis normales ont échoué

Des exemples d'ouvrage métallique sont indiqués sur l'image suivante

Huck 360® au sein du marché de l'ouvrage métallique

Construction métallique (Génie civil) Bâtiments à étages Constructions de hall

Construction de pont métallique Ponts statiques, Ponts amovibles Ponts mobiles

Mâts et tours, construction solaire Énergie Communication

Segments industriels et de construction Structure Grues Tours de refroidissement Cheminées

Structures hydro-mécaniques Construction de canaux et de ports

Constructions spéciales Radiotélescope Constructions d'ascenseurs, de cirques et d'expositions

Image 6 : H360® dans la construction métallique

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Une approbation est nécessaire pour toutes les applications sur le marché de la construction. Nous avons initié en Allemagne l'approche d'une approbation DIBt ainsi dénommée. Le DIBt est l'autorité allemande pour la réalisation des tâches techniques dans le domaine du droit public. Cette autorité délivre les approbations techniques nationales. Le DIBt est membre de l'EOTA (Organisation européenne pour l'agrément technique).

Le statut actuel de cette approche est :

1. L'approche a été générée et le DIBt a sélectionné le laboratoire de test accrédité et l'évaluateur. 2. Le programme de test a été développé et approuvé. Le programme de test comprend le test

conforme aux catégories A, B, C, D et E en faveur de DIN EN 1993-1-8. Il y aurait un avantage évident pour les raccordements à haute résistance et friction contrôlée (catégorie B, C et E après DIN EN 1993-1-8.

3. Les tests préliminaires et premiers essais avec diamètre M27 ont été réalisés et les résultats semblent bons.

Tableau 3.2 : Catégories de raccordements boulonnés

Catégorie Critères Remarques

Liaisons anti-cisaillement

A

Type de palier

Fv,Ed ≤ Fv,Rd

Fv,Ed ≤ Fb,Rd

Aucun préchargement nécessaire.

Des boulons de catégories 4.6 à 10.9 peuvent être

utilisés.

B

Antidérapant à l'état d'entretien

Fv,Ed,ser ≤ Fs,Rd,ser

Fv,Ed ≤ Fv,Rd

Fv,Ed ≤ Fb,Rd

Des boulons préchargés 8.8 ou 10.9 doivent être

utilisés. Pour résistance au glissement à l'état

d'entretien, voir 3.9.

C

Antidérapant à l'état final

Fv,Ed ≤ Fs,Rd

Fv,Ed ≤ Fb,Rd

Fv,Ed ≤ Fnet,Rd

Des boulons préchargés 8.8 ou 10.9 doivent être

utilisés. Pour résistance au glissement à l'état final,

voir 3.9.

Nnet,Rd voir EN 1993-1-1

Connexions de tension

D

non-préchargé

Ft,Ed ≤ Ft,Rd

Ft,Ed ≤ Bp,Rd

Aucun préchargement requis.

Des boulons de catégories 4.6 à 10.9 peuvent être

utilisés.

Bp,Rd voir Tableau 3.4.

E

Préchargé

Ft,Ed ≤ Ft,Rd

Ft,Ed ≤ Bp,Rd

Des boulons préchargés 8.8 ou 10.9 doivent être

utilisés.

Bp,Rd voir Tableau 3.4.

La force de traction de conception Ft,Ed doit inclure toute pression exercée par une action de levier, voir 3.11. Les

boulons soumis à une force de cisaillement et à une force de traction doivent également répondre aux critères indiqués au

Tableau 3.4.

Tableau 3 : Catégories de joints boulonnés ; //Source : EN1993-1-8//

Test préliminaire pour diamètre de boulon M 27

L'objectif de ces tests préliminaires était d'obtenir une première impression de la part d'un tiers indépendant

concernant l'entretien, qui peut être fourni avec le système de boulons H360®. Ces résultats préliminaires

constituent la base du programme de test officiel, qui démarrera fin 2013. Toutes les spécifications de test ont été développées par Fraunhofer AGP Rostock conformément aux exigences du DIBt. Le spécimen pour les matériaux de test était S355. Le capteur de précharge (force de serrage) provient de la société Kistler.

1. Caractéristiques de précharge et perte de précharge F p,C mesurées avec le système Piezo (image 7)

2. Résistance au glissement à l'état d'entretien et final F v Rk

3. Tests de charge cycliques pour identification des effets d'auto-desserrage sur les joints à friction contrôlée.

4. Précharge après processus de resserrage multiples

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1. Résultats du test de caractéristiques de précharge et de perte de précharge F p,C

La variation de précharge installée est due la méthode d'installation de serrage. La perte de précharge est très proche d'un système de boulon de verrouillage et indique les effets de réglage minimaux au sein du système installé. La raison est l'impact de la conception du filetage de vis et de l'écrou. La détermination de la perte de précharge F p,C a été identifiée pour chaque boulon après un délai de 24, 48 et 96 heures. Par conséquent, un capteur a été placé à l'intérieur du raccordement préchargé. Après une période de 24, 48, ou 96 heures, l'écrou a été retiré à l'aide d'un tournevis automatique. La déconnexion du joint est synonyme de décharge du capteur. ceci indique une tension de signal métrologique négative, qui équivaut à la précharge au moment précédant la déconnexion. Une détermination de charge continue est impossible avec cette méthode de test. Pour la perte de précharge persistante, davantage de tests et autres méthodes de tests différents sont nécessaires.

Proposition de précharge FpC

Spécification de test

Image 7 : Proposition de résultats de test “Précharge et perte de précharge après 24 heures” ; //Source : Laboratoire de test Fraunhofer AGP Rostock, “Prüfbericht Nr. P-FhAGP – V1109-03”, Rostock 2012 //

rondelles

échantillon

Boulon H360 (M27, 10.9)

Capteur 9071A

Écrou H360 (M27)

Perte de serrage préliminaire après 24 heures 2,31 bis 3,70 %

Mesure de pression de précharge Huck 360™, séries abZ-KK-M27-50

Durée [s]

Fo

rce [

kN

]

Test n° Temps de mesure

Force de précharge après retrait de l'outil de

serrage Fp,C

Force de précharge après temps de pause

Fp,C,time

Diminution de la force de précharge

∆Fp,C

Valeur médiane Déviation standard

Coefficient de variation kn (DIN EN1090 [14], Tab. D. 1)

Caractéristique force de précharge Fp,C [kN]

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2. Résultats des tests de résistance au glissement F v Rk

Les tests ont été réalisés sur deux échantillons de matériaux de cisaillement S355J2+N. Tolérance d'ouverture Δd = 2,0 mm. Les trous de 29 mm de diamètre ont été percés. La conception et la dimension de l'échantillon indique une défaillance de boulon en tant que critère. Les boulons ont été équipés de rondelles renforcées. La vitesse de test était de 1mm/min jusqu'à la fissure du boulon. Pour obtenir le coefficient de traction de surface de l'échantillon μ ≥ 0,5, du silicate de zinc a été utilisé, conformément à la norme DIN 18800-7. Comme prévu, le boulon s'est fissuré. Le capteur inductif de déplacement linéaire A établit l'extension relative et absolue entre la partie externe et centrale de la pièce à travailler. Le déplacement a été mesuré jusqu'à 200 μm. Le programme de la machine servo-hydraulique a fourni la traction de la machine et le déplacement de transmission.

Proposition cisaillement F v Rk

Image 8 : Proposition de résultats de test concernant “la résistance au cisaillement et au glissement” ; //Source : Fraunhofer AGP test laboratory Rostock, “Prüfbericht Nr. P-FhAGP – V1109-03”, Rostock 2012 //

Diagrammes de charge de machine (à gauche) et les diagrammes de déplacement de charge

(à droite) (EN1090-2 annexe G)

Essai 1 Essai 2 Essai 3 Essai 4 Essai 5

Paramètres matériau Matériau composant : S355J2+N Surface : système silicate de zinc (µ ≥ 0.50) Épaisseur axe central : 30 mm Épaisseur axe central : 15 mm + 15 mm

Raccordement Nombre de boulons : 1 Nombre de joints de cisaillement : 2

Connecteur Diamètre nominal : 27,0 mm

Boulon : M360H-DT27X120DL Écrou : M360NH-R27DL

Couple de serrage : 1250 Nm

Test n°

Épaisseur de la couche

[µm] Correspondance

de glissement Fsi [kN]

Force de rupture

[kN]

Type de défaillance

pour 1 VM et 1SF

Cisaillement Cisaillement Cisaillement Cisaillement Cisaillement

pour le connecteur

Valeur médiane Déviation standard

Coefficient de variation

kn (DIN EN1090 [14], Tab. D. 1)

Capacité portante caractéristique Rk [kN]

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3. Tests de charge cycliques pour identification des effets d'auto-desserrage sur les raccordements à friction contrôlée.

Proposition de test cyclique

Échantillon de test

Image 9 : proposition de résultats de test “effets d'auto-desserrage sous charge cyclique” ; //Source : Fraunhofer AGP laboratoire de test Rostock, “Prüfbericht Nr. P-FhAGP – V1109-03”, Rostock 2012 //

1 Test appareil Servo-hydraulique 2 Test laboratoire interne 3 Outillage adapté à l'échantillon 4 Boulon à jauge de contrainte 5 Package pièce à travailler Paramètre de test

R= -1,0/ 5Hz Température ambiante

Cycles de calibrage – boulon 1

Force de précharge de montage boulon 1 Perte de force de précharge après 72 heures - boulon 1 -

Force de précharge sur changement de charge 2-106 - boulon 1 -

Cycles de calibrage – boulon 1

Axe e

xte

rne 2

Axe c

en

tral

2

Axe e

xte

rne 1

A

xe c

en

tral

1

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Les joints à traction contrôlée sont préférés pour les liaisons à charge inversée et/ou cycliques. Le maintien d'une précharge est essentiel pour une longue durée d'utilisation. Les raccordements au moyen de boulons/d'écrous traditionnels ont tendance à s'auto-dévisser. Cet effet réduit la résistance à la fatigue des joints. Pour déterminer ces effets pour le système H360, le test préliminaire suivant a été réalisé. Échantillon utilisé sur deux plaques S355J2-N double cisaillement, sèches, dépourvues de rouille et non enduites. Diamètre d'ouverture 29 mm avec tolérance Δd = 2,0 mm, percée. Des rondelles renforcéesont été utilisées. Les boulons ont été équipés de gauges de contrainte qui ont été calibrées selon une plage de force comprise entre 50 et 400 kN. Par conséquent, l'on peut attribuer une force à chaque tension de signal. Pour des raisons statistiques, 3 tests préliminaires ont été réalisés. Le test a généré une correspondance de glissement individuel 113 kN, 153 kN und 182 kN, la moyenne était de 149 kN. Des détails supplémentaires sont indiqués dans le rapport de test, révision 2 de Fraunhofer AGP Rostock et sont disponibles.

4. Capacité de resserrage du système H360

Cette première étape du test concernant la performance du système H360 pour retrait et réutilisation démontre la capacité, par exemple, de corriger les imperfections de la pièce à travailler dans le cadre d'une application à large bride. Les résultats ci-dessous, indiqués sur l'image 10 indiquent la précision de précharge après processus de desserrage complet réalisé à 5 reprises. Le processus a été réalisé par correcteur de couple similaire pour les deux systèmes en termes d'utilisation d'outil d'installation et de conditions de test.

Proposition de test de resserrage

Précharge H360® en kN en fonction de l'angle de rotation

Système de vis HV traditionnel précharge M27 en kN en fonction de l'ange de rotation

Résultats du test

Image 10 : Proposition de résultats du test “resserrage du système H360®” ; //Source : Fraunhofer AGP test

laboratory Rostock, 2012 //

Dans l'ensemble, le système H360® est déjà installé au sein d'applications ferroviaires, minières et de

constructions aux États-Unis et dans d'autres pays et une démarche d'obtention de l'approbation du DIBt a été initiée.

L'objectif est de générer des joints sans entretien.