Principe de la pose du rivet auto-poinçonneur

II.6.3. Tenue mécanique d‟un assemblage ……….. II.6.4. Avantages et inconvénients ……….. II.6.5 Applications industrielles ………..

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II.7 Etat de l‟art de la simulation des assemblages par rivetage………... 56

II.8 Etude de la tenue mécanique du point d‟assemblage ………... 62

BIBLIOGRAPHIE ……….. 65

Etat d‟art des rivets

II.1. Sollicitations de fatigue

La structure composant un avion civil est soumise, lorsque celui-ci est en service, à de nombreuses sollicitations (figure II.1). Elles sont engendrées par la combinaison des effets de facteurs divers dont les principaux sont les suivants :

 pressurisation du fuselage,

 efforts aérodynamiques,

 poids de l‟appareil,

 turbulences atmosphériques,

 manœuvres du pilote,

 contacts avec le sol.

Figure II.1: Sollicitations appliquées à un avion civil

La présence et l‟intensité de ces sollicitations sont bien sûr liées aux phases d‟utilisation de l‟appareil (stationnement, décollage, vol, etc). L'évolution de ces efforts dans le temps et leur application répétée va provoquer un phénomène d‟endommagement par fatigue.

II.2. Endommagement par fatigue

Le phénomène d'endommagement par fatigue se traduit par une modification et une dégradation des propriétés des matériaux métalliques due à la répétition des cycles d'efforts dans certaines zones qui peut entraîner la rupture des pièces. Les éléments structuraux d'un avion sont dimensionnés pour travailler à des niveaux de contraintes bien inférieurs à la limite élastique des matériaux les constituants; mais, autour des discontinuités géométriques et autres accidents de formes, comme, par exemple, les alésages ou les congés de raccordement, les contraintes peuvent être localement élevées, proches de la limite élastique des matériaux. C'est généralement dans ces zones que l‟endommagement par fatigue est susceptible de se produire, et de donner lieu à l'apparition de fissures. Celles-ci pourront se propager plus ou moins vite sous l'application répétée des sollicitations de fatigue.

Ce phénomène revêt en aéronautique civile un caractère crucial. En effet, pour répondre à des exigences économiques et techniques, les constructeurs se doivent de concevoir « Le plus léger possible pour le plus résistant possible ».

II. 3. Mécanismes de fissuration

Les assemblages rivetés ou boulonnés sont très exposés aux problèmes d'endommagement en fatigue. Les alésages constituent des sites privilégiés d'amorçage et de développement de fissures, en raison des fortes concentrations de contraintes dans ces zones (figure II.2). Notons que le comportement en fatigue des assemblages est complexe à étudier, car il est influencé par beaucoup de paramètres parmi lesquels :

 la technologie (type de rivet, matériaux, ajustements, serrage des têtes, états de surface, etc),

 le chargement (flexion, cisaillement, etc),

 l'environnement (milieu corrosif, température).

Figure II.2 : Fissuration dans les assemblages rivets [1] II. 4. Les types de liaison :

Les assemblages sont classés en deux grandes catégories : – assemblages « mécaniques » : boulons, vis, rivets… ; – assemblages « adhérents ou cohésifs » : soudure, collage…

Les assemblages concernent des éléments structurels – poteaux, poutres, diagonales de contreventement, tirants – ou des matériaux de partition ou d‟enveloppe. Ils représentent une fraction significative du coût d‟une ossature métallique.

En plus de leur fonction de liaison, qui consiste à assurer la continuité des efforts transmis, ils jouent un rôle esthétique très important quand ils sont visibles. Ils sont particulièrement mis en valeur lorsqu‟ils montrent le fonctionnement structurel du bâtiment.

Assemblages mécaniques

II.5 Etude des rivets :

Le rivetage a été longtemps le seul procédé d‟assemblage utilisable en construction métallique (par exemple pour la tour Eiffel). Développé dès la fin du XVIIIe siècle pour la confection des chaudières, très largement développé à partir de 1850, il est complètement abandonné

aujourd‟hui pour les assemblages sur les chantiers sauf dans les cas de rénovation de bâtiments anciens ou de ponts.

Un rivet se présente comme un gros clou à une tête. Il doit être préalablement chauffé au rouge, puis posé à chaud. Une fois l‟autre tête formée à la masse, au marteau pneumatique ou à la presse hydraulique, le rivet se contracte en se refroidissant ce qui assure ainsi une force de serrage et un assemblage par frottement des deux pièces entre elles. Procédé efficace et très sûr, il exige cependant beaucoup de main d‟œuvre [2]

Les assemblages par déformation plastique sont des méthodes d‟assemblage de produits minces réalisés à froid et agissant par interpénétration des matières entre elles, à l‟aide d‟un poinçon et d‟une matrice, ou par déformation d‟un composant. L‟assemblage peut être réalisé sans apport de matière comme lors du clinchage, ou alors avec l‟adjonction d‟un rivet comme lors du rivetage auto-poinçonneur ou lors du rivetage clinché (Voir l’annexe 1).

II.5.1. Le rivetage plein :

Le rivetage consiste à introduire une pièce de la forme d‟un clou (figure II.3) dans un alésage 1 commun aux pièces à assembler.

Figure II.3: Rivet plein avant la pose

Cette pièce en question sera ensuite déformée plastiquement à l‟aide de l‟action d‟un outil spécifique (bouterolle) sur son extrémité non déformée, et maintenue par une contre-bouterolle au niveau de sa tête jusqu‟à ce que l‟alésage soit totalement remplie (figure II.4), rendant alors solidaire les pièces à assembler (pas de mouvement relatif). La forme de la tête du rivet avant sa pose et celle de la bouterolle désignant la forme de l‟autre tête peuvent varier et très bien être différent el‟ une de l‟autre pour le même rivet. Les formes utilisées les plus connues sont celles sphérique, cylindrique et conique (ou “pointe de diamant”).

Figure II.4: Procédé de rivetage

Le rivetage plein permet d‟assembler des tôles de fortes épaisseurs, des pièces manufacturées (en acier, fonte ou aluminium) ou des matériaux différents. La plupart des assemblages sont en acier mais il en existe en cuivre ou en laiton.

La principale caractéristique d‟un assemblage riveté est sa bonne tenue mécanique en cisaillement.

Pour valider la mise en œuvre d‟un assemblage riveté, le tester mécaniquement jusqu‟à la rupture est possible mais ce n‟est pas utilisable dans le cadre d‟une validation de production. Les critères

de validation s‟appuient alors sur une observation

L’alésage est l’opération qui consiste à usiner avec soin la surface intérieure d’un cylindre ou toute autre pièce creuse. C’est aussi le résultat de cette opération.

Pour savoir si le rivet s‟est bien formé a priori. Dans la (figure II.5) sont exposés des cas non recevables de rivetage

Figure II.5: Cas de rivetage non validée II.5.2.Les différentes technologies :

Les assemblages par déformation plastique regroupent un grand nombre de technologies. La plus populaire étant le rivetage mais nous retrouvons aussi :

Le clinchage: il s‟agit d‟une technique d‟assemblage sans apport de matière. La tenue mécanique est réalisée uniquement par déformation des tôles (Fig.II.6.a). La forme du poinçon ainsi que la mobilité de la matrice dépend de la technologie de clinchage retenue [3].

Le rivetage auto-poinçonneur: dans cette technologie, c‟est l‟insertion d‟un rivet cylindrique semi-creux dans les tôles à assembler qui permet de créer le point d‟assemblage (Fig.II.6.b).

Le rivetage à rivet plein: cette technique d‟assemblage se déroule en deux étapes. La première consiste à faire déboucher un rivet au travers des tôles à assembler. La seconde passe permet de réaliser la tenue mécanique en venant presser les tôles autour du rivet (Fig.II.6.c).

Le rivet clinché: comme son nom l‟indique, cette récente technologie d‟assemblage est simplement un clinchage dans lequel un rivet cylindrique est utilisé afin d‟augmenter la tenue mécanique de l‟assemblage.

Figure II.6: Coupes de différentes technologies d’assemblage par déformation plastique : (a)

clinchage, (b) rivetage auto-poinçonneur, (c) rivetage à rivet plein

II.6 : Etude du rivetage auto-poinçonneur

II.6.1. Principe de la pose du rivet auto-poinçonneur:

Le procédé d‟assemblage par rivetage auto-poinçonneur consiste à faire pénétrer un rivet semi-creux par poinçonnage dans la ou les premières épaisseurs de matière, puis à le faire

s‟évaser dans la dernière épaisseur sans la perforer grâce à la reprise de l‟effort par la matrice appelée bouterolle (Fig. II.7). L‟opération est effectuée de façon ininterrompue. Dans cette étude, nous avons travaillé sur la technologie RIVSET® de la société Böllhoff [4]

Figure II.7 : Les différents éléments de l’assemblage par rivetage auto-poinçonneur [4]

La pose d‟un rivet auto-poinçonneur est effectuée en quatre étapes (Fig.II.8) :

 Les pièces à assembler sont mises en contact avec la matrice.

 Les tôles sont maintenues en pression par le serre-flanc.

 La descente du poinçon assemble les pièces à l‟endroit choisi. Pendant le poinçonnage, le rivet pénètre dans la ou les pièces supérieures, et forme un bourrelet en s‟évasant dans la pièce située du côté matrice. La forme du bourrelet est déterminée entre autres par la forme de la matrice.

 Une fois l‟effort (ou selon le cas la course) prédéterminé atteint, le poinçon remonte. A la fin du procédé, un assemblage étanche et très résistant est alors obtenu.

Figure II.8 : Décomposition de la pose du rivet auto-poinçonneur [4]

Le point de rivetage se présente alors sous la forme d‟un plat du côté de la tête de rivet et d‟une protubérance du côté de la bouterolle (Fig.II.9). Un contrôle visuel de l‟état de l‟assemblage permet dans un premier temps de caractériser la conformité du point [5], notamment la présence de crique au niveau de la protubérance, un affleurement de la tête de rivet trop important ou un point dissymétrique, signe d‟un problème dans l‟assemblage.

Figure 1I.9 : Visualisation du point riveté : (gauche) côté tête de rivet, (droite) côté de la

protubérance