FR2998932A1 - Ecrou a bague auto-freinante et procede de fabrication d'un tel ecrou - Google Patents
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Abstract
L'invention porte sur un écrou à bague de freinage, par exemple en alliage de titane, et sur le procédé de fabrication d'un tel écrou. L'écrou comprend un corps présentant une face d'appui destinée à reposer sur une structure, une surface extérieure d'entraînement de l'écrou par un outil, un perçage traversant comprenant un taraudage sur une partie de la hauteur du perçage et un chambrage de diamètre intérieur supérieur au diamètre du taraudage. Une bague de freinage (32) est disposée à l'intérieur du chambrage, une face de sertissage (H1) opposée à la face d'appui est rabattue vers l'axe de révolution de l'écrou de manière à emprisonner la bague de freinage. Le corps de l'écrou comporte autour d'une partie du chambrage une collerette présentant une surface extérieure rayonnée concave (H2) permettant l'opération de rabattement de la collerette sans fissuration du matériau constituant l'écrou.
Description
ECROU A BAGUE AUTO-FREINANTE ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL ECROU L'invention concerne les écrous auto-freinants, du type comportant une bague de freinage sertie dans l'écrou et assurant l'imperdabilité de la vis sur laquelle ce type d'écrou est monté. L'invention concerne également un procédé de fabrication de tels écrous. De tels écrous et procédés de fabrication sont connus de l'art antérieur, et sont par exemple décrits dans les brevets GB 662 298 ou US 2 348 308. Ces écrous comportent un corps présentant sur leur surface extérieure une prise de clé consistant en des faces hexagonales permettant leur entraînement par une clé. Le corps de l'écrou est percé et fileté sur une partie de la hauteur du perçage. Une face transversale de l'écrou est destinée à reposer sur une structure. A l'extrémité opposée à cette face, le corps est prolongé par une collerette à paroi mince qui délimite un chambrage. Une bague de freinage en matière déformable est disposée dans ce chambrage, puis l'extrémité de la collerette est rabattue vers l'axe de l'écrou de manière à emprisonner la bague de freinage.
De telles cheminées présentent l'inconvénient de se comprimer lors du sertissage en augmentant de diamètre. Il se crée alors un vide entre le diamètre extérieur de la bague et le diamètre intérieur du chambrage, ce qui ne permet pas d'assurer que l'axe de la bague de freinage est correctement aligné avec l'axe de l'écrou. De plus, l'extrémité de la cheminée peut présenter de nombreux défauts géométriques et visuels une fois rabattue. Un écrou amélioré, décrit dans le brevet FR 2 142 201, comporte un corps sans cheminée, dont la paroi épaisse est chanfreinée extérieurement, le chanfrein étant ensuite partiellement aplani par un outil approprié pour emprisonner la bague de freinage.
Lorsqu'un écrou à bague de freinage est destiné à un usage aéronautique, la résistance mécanique et la légèreté de l'écrou sont des caractéristiques essentielles, qui pilotent le choix du matériau dans lequel l'écrou sera réalisé. L'alliage de titane Ti6AI-4V, largement utilisé pour des applications de visserie aéronautique, permet de répondre à ces exigences mais sa faible ductilité ne permet pas de rabattre totalement la cheminée cylindrique du type connu sur la bague de freinage. La matière se fissure lors du pliage, rendant l'écrou inutilisable. Un écrou en Ti6AI-4V réalisé sous la forme améliorée décrite dans le brevet FR 2 142 201 n'est pas intéressant, du fait du volume important de matière disposé autour du chambrage, ce qui alourdit la masse de l'écrou. De plus, pour une même hauteur de prise de clé, la hauteur de l'écrou fini est augmentée par rapport à un écrou avec une cheminée rabattable, du fait que seule une petite portion du chanfrein est aplanie. Un but de l'invention est donc de remédier aux inconvénients précités et notamment de fournir un écrou léger, présentant de bonnes performances mécaniques et évitant la création de défaut lors de sa fabrication. Un autre objet de l'invention est de fournir un procédé de fabrication d'un tel écrou. L'invention a ainsi pour objet un écrou comprenant un corps présentant une face d'appui destinée à reposer sur une structure, une surface extérieure de prise de clé permettant l'entraînement de l'écrou par un outil, un perçage traversant comprenant un taraudage sur une partie de la 20 hauteur du perçage et un chambrage de diamètre intérieur supérieur au diamètre nominal de l'écrou ; ledit écrou comprenant en outre une bague de freinage en matière plastique disposée à l'intérieur du chambrage, une face de sertissage opposée à la face d'appui et rabattue vers l'axe de révolution de l'écrou de manière à emprisonner la bague de freinage ; le corps de 25 l'écrou comportant autour d'une partie au moins du chambrage une collerette présentant une surface extérieure rayonnée concave. La forme rayonnée concave de la surface extérieure permet de diminuer rapidement l'épaisseur du corps de l'écrou sur une faible hauteur. Le chambrage n'est donc pas fragilisé puisqu'il comporte une partie 30 suffisamment épaisse pour tenir les propriétés mécaniques requises, ainsi qu'une extrémité libre suffisamment fine pour être pliée sur la bague de freinage sans se fissurer. Suivant des modes particuliers de l'invention, l'écrou comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou en combinaison : - le rapport entre le rayon de la surface extérieure concave et le diamètre nominal de l'écrou est compris entre 1,5 et 0,75 ; - le rapport entre le diamètre intérieur Dc du chambrage et le diamètre nominal Dn de l'écrou est compris entre 1,10 et 1,25 ; - la surface extérieure d'entraînement comporte plusieurs dents, par exemple douze dents, la face de sertissage comportant au moins un point de blocage de la bague de freinage en regard d'un sommet ou d'un creux d'une dent ; - le rapport entre la hauteur de chambrage avant le rabattement de la collerette et le diamètre nominal de l'écrou est compris entre 0,2 et 0,3; - le corps est en alliage de titane ou en un alliage peu ductile et/ou écroui. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un 20 écrou comportant les étapes suivantes : - formage d'une surface extérieure d'entraînement, - perçage et taraudage à un diamètre nominal, - formation d'un chambrage à une extrémité du perçage d'un diamètre intérieur supérieur au diamètre nominal, 25 - formation d'un rayon concave sur une partie de la surface extérieure disposée autour du chambrage de manière à conformer une collerette, - disposition d'une bague de freinage dans le chambrage, - rabattement de l'extrémité de la collerette vers l'intérieur de l'écrou, - sertissage de la collerette rabattue sur la bague de freinage afin de 30 bloquer tout mouvement de cette dernière.
L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description qui suit, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe d'un écrou selon un mode de l'invention, avant pliage de la collerette, - la figure 1A est un détail de collerette de la figure 1, - la figure 2 est une vue en coupe d'un écrou fini selon un mode de l'invention, après pliage de la collerette, - la figure 2A est un détail de collerette de la figure 2, - la figure 3 est une vue de dessus montrant la face de sertissage d'un écrou fini selon un mode de l'invention, après pliage de la collerette, - la figure 4 est une vue de dessus montrant la face de sertissage d'un écrou fini selon un autre mode de l'invention, après pliage de la collerette, - la figure 5A est un résultat de mesure de couple pour un écrou fini fabriqué selon le procédé de l'invention, - la figure 5B est un zoom réalisé sur une partie de la courbe de la figure 5A. Dans les figures annexées, les mêmes éléments sont référencés avec les mêmes numéros. On a représenté sur la figure 1 une coupe d'un écrou 10 bi-hexagonal en alliage de titane Ti6AI-4V, dans un état non fini, comprenant un corps 12 et un perçage traversant 14 réalisé selon un axe longitudinal 16. Le perçage comprend un taraudage 18 sur une partie de la hauteur de l'écrou, de diamètre nominal - c'est-à-dire en fond de filets - Dn. A une première extrémité, le corps comprend une face transversale d'appui 20, destinée à reposer sur une structure non représentée, ainsi qu'une prise de clé 22 comprenant dans cet exemple douze dents. A une seconde extrémité opposée à la première, le corps comprend une collerette 24. Cette collerette délimite intérieurement un chambrage 26 de diamètre intérieur Dc supérieur au diamètre du taraudage 18. Le chambrage 26 est destiné à recevoir une bague de freinage en matière plastique. Le chambrage 26 présente une paroi interne cylindrique 28, coaxiale à l'axe 16, et un fond 30, de préférence perpendiculaire à la paroi 28. Comme cela est visible sur la figure 1 et plus particulièrement sur le détail de la figure 1A, la collerette 24 comprend une portion H qui présente une forme concave extérieure de rayon R. La valeur du rayon R est choisie de manière à permettre une décroissance rapide de l'épaisseur de la collerette sur une hauteur minimum. De préférence, le rapport entre le rayon R et le diamètre nominal Dn de l'écrou est compris entre 1,5 pour les écrous de petit diamètre et 0,75 pour les plus gros diamètres. Ce rapport permet d'obtenir en extrémité d'écrou une épaisseur de collerette suffisamment fine pour pouvoir être rabattue sur la bague sans se fissurer. La figure 2 est une vue en coupe de l'écrou 10 fini, comportant une bague de freinage 32, par exemple en matière VESPEL® fabriquée par Dupont de Nemours. La portion H de la collerette comprend une portion H1, disposée à l'extrémité de la collerette 24. La portion H1 est rabattue vers l'intérieur de l'écrou de manière à emprisonner la bague de freinage. La figure 2A est un détail de la figure 2, montrant clairement cette portion H1 rabattue. Des points de blocage 34 sont imprimés sur le pourtour rabattu de la portion de collerette rabattue de manière à bloquer toute rotation de la bague de freinage 32. La portion H de la collerette comprend également une portion H2, non rabattue. La surface extérieure de la collerette est convexe sur la portion H1 rabattue, et concave sur la portion H2 non rabattue, plus épaisse que la portion H1 rabattue. De préférence, l'écrou 10 présente un rapport entre la hauteur H de collerette 24 avant pliage et le diamètre nominal Dn, compris entre 0,2 et 0,3. Ce rapport garantit que la collerette sera rabattue sur la bague de freinage sans que la portion rabattue H1 n'interfère avec la vis qui sera utilisée avec l'écrou. De plus, comme cela est visible sur les figures 2 et 2A, la collerette 24 possède une portion non rabattue H2. L'épaisseur moyenne de H2 tout autour de la bague est suffisante pour supprimer toute déformation latérale de la paroi lors d'une opération ultérieure de pliage de la collerette. Même après pliage, cette portion H2 de collerette présente une surface extérieure rayonnée concave. De préférence, l'écrou 10 présente un rapport entre le diamètre intérieur Dc du chambrage et le diamètre nominal Dn de l'écrou, compris entre 1,10 et 1,25. Ce rapport permet d'obtenir un diamètre extérieur de bague de freinage supérieur aux diamètres des bagues de freinage de l'art antérieur. L'efficacité et la tenue du freinage aux cycles multiples sont ainsi nettement améliorées. Un écrou fini présentant des dimensions comprises dans les rapports indiqués ci-dessus aura une prise de clé 22 haute sans augmentation de la hauteur totale de l'écrou. La capacité de serrage d'un tel écrou est donc améliorée. La figure 3 montre une vue de dessus d'un écrou 10 fini de type douze dents fabriqué selon un procédé décrit ci-après. L'écrou 10 comporte une bague de freinage 32 disposée dans le chambrage 26. Une portion H1 de la collerette 24 est rabattue sur la bague de freinage 32 et comporte des points de blocage 34 en regard du sommet 36 de chaque dent de la prise de clé 22. Ces points de blocage assurent l'anti-rotation de la bague de freinage. La position des points de blocage 34 en vis-à-vis des fonds 38 de dents, comme illustré par la figure 4, est également envisageable. Cette variante présente toutefois un risque d'interférence avec la douille d'entraînement plus important qu'avec la variante de réalisation de points de blocage en sommet de dents. Bien que les figures ne montrent qu'un écrou bi-hexagonal, l'invention 25 s'applique à tout écrou, et notamment à ceux comportant une surface d'entraînement hexagonale. Le procédé de fabrication d'un écrou selon un mode de réalisation comprend les étapes suivantes : Un lopin métallique est travaillé par formage, c'est-à-dire par forgeage à chaud ou à froid, pour conformer un 30 corps présentant une surface extérieure d'entraînement 22, par exemple à douze dents.
Préférentiellement, le matériau est peu ductile, c'est-à-dire que le matériau a tendance à se fissurer dès qu'il est déformé plastiquement. Ce type de matériau présente une très petite zone de déformation plastique. Plusieurs alliages de titane dont l'alliage Ti6AI-4V ainsi que les matériaux écrouis puis vieillis directement tels que l'alliage A286, l'Inconel® 718 entrent dans cette catégorie. Ces matériaux ont en effet perdu leur ductilité originelle suite aux traitements mécaniques et thermiques qu'ils ont subis. Le corps est percé puis taraudé à un diamètre nominal Dn. A une extrémité de l'écrou, un chambrage 26 de diamètre intérieur Dc supérieur au diamètre du taraudage est réalisé. Une partie de la surface extérieure disposée autour du chambrage est conformée de manière à présenter un rayon R concave. Le chambrage et la surface concave rayonnée délimitent à ce stade la collerette 24. Le chambrage et le rayonnage peuvent être réalisés par formage ou par usinage. Ces étapes peuvent être réalisées l'une après l'autre ou simultanément. Une bague de freinage 32 est disposée dans le chambrage 26, la portion d'extrémité H1 de la collerette 24 est rabattue vers l'intérieur de l'écrou 10 au moyen d'un outil qui s'appuie sur le rayon R concave extérieur et enroule l'extrémité de la collerette 24 sur elle-même et sur la bague 32.
Enfin, un outil de sertissage imprime sur la collerette rabattue douze points de blocage 34 en sommet ou en creux de dents 36 afin d'empêcher toute rotation de la bague de freinage. Le nombre de points de blocage imprimés sur la portion de collerette rabattue peut varier, en fonction du résultat recherché. Les points de blocage peuvent être réalisés sous diverses formes : rond, tiret, V, etc... L'homme du métier comprendra que toutes les étapes de fabrication de l'écrou ne sont pas décrites ici, telles que les étapes de traitement thermique ou de finition, bien connues par ailleurs et non nécessaires à la compréhension de la présente invention.
Des essais ont été réalisés sur une série d'écrous de taille 1/4" (6,35 mm) comprenant cinq filets, série fabriquée selon la méthode précédemment décrite, et présentant les dimensions indiquées dans le tableau 1 : Numéro Diamètre Diamètre du Rayon Hauteur d'écrou testé nominal Dn chambrage extérieur R collerette H (mm) Dc (mm) (mm) (mm) 1 6,35 7,50 7,00 2,72 2 6,35 7,52 7,00 2,72 3 6,35 7,52 7,00 2,69 4 6,35 7,51 7,00 2,70 6,35 7,50 7,00 2,68 6 6,35 7,51 7,00 2,68 5 Tableau 1 Les écrous ne sont ni revêtus, ni lubrifiés. Les vis d'essai sont en alliage de titane Ti6AI-4V et sont revêtues d'une couche d'aluminium par un procédé de dépôt sous vide en phase vapeur (IVD). Une première série d'essais pour tester la performance de freinage des écrous a consisté à serrer un ensemble vis-écrou sur une entretoise métallique, quinze fois consécutives suivant les conditions de la norme NASM25027. Pendant chacun des vissages et dévissages, le couple auto-freinant est mesuré. Les valeurs maximales au vissage et minimales dans le sens du dévissage sont reportées. La figure 5A montre le couple auto-freinant de l'écrou n°1, c'est-à-dire le couple qui s'oppose à la rotation de l'écrou, obtenu sur les quinze cycles. Un cycle comprend le vissage, le serrage sur l'entretoise, le desserrage et le dévissage. Les résultats sont parfaitement stables et homogènes. Sur la figure 5B, les quinze traces sont visibles et notamment celle du premier vissage qui imprègne le filet mâle de la vis dans la bague, avec pour résultat un couple relativement élevé distinct de celui des autres cycles. Les autres traces sont quasi superposées, ce qui montre à la foi une homogénéité et une constance remarquable de l'auto-freinage. Après les quinze cycles, un examen à l'oeil nu des écrous permet de constater qu'aucune extraction de la bague de freinage, aucune rotation, aucune fissuration ni même aucune bavure de la bague de freinage ne s'est produit. Les courbes de mesure des cinq autres écrous sont similaires et ne sont pas produites ici. La figure 5B est un zoom de la figure 5A juste avant l'accostage - correspondant aux traces supérieures entre 0,9 N.m et 1,8 N.m - et juste après le desserrage - correspondant aux traces inférieures entre -1,2 N.m et -2 N.m. Les déviations BT avant l'angle de 22000 en couple négatif correspondent pour chaque cycle à la zone du "Breakaway Torque", défini normativement comme étant le "démarrage au dévissage après avoir débloqué l'assemblage". Autrement dit, après avoir serré l'écrou sur l'entretoise, la rotation est arrêtée puis inversée pour desserrer l'assemblage - les couples passent alors en négatif - jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de contact entre l'embase de l'écrou et l'entretoise. Le dévissage est continué d'un demi-tour puis stoppé. Le couple est de nouveau nul. Le dévissage est repris et le « Breakaway Torque » est alors mesuré et enregistré. Ensuite le dévissage continu jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de couple de freinage, et le cycle de mesure suivant débute. Dans les deux sens positif et négatif de l'enregistrement du couple, les traces sont concentrées vers les valeurs les plus faibles, entre +0,9 N.m et +1,1 N.m en positif et entre -1,2 N.m et -1,4 N.m en négatif. Seules trois traces sur quinze sont supérieures à +1,5 N.m, et quatre traces sur quinze sont inférieures à -1,5 N.m. Les traces les plus fortes et les plus faibles sont celles des premiers cycles. Cela montre que l'effet de freinage se réduit mais devient de plus en plus stable comme l'indique la concentration des courbes au fur et à mesure que le nombre de cycles croît. Il devient même asymptotique au-delà d'une douzaine de cycles. Puisqu'il n'y a quasiment plus d'évolution du couple freinant, on pourrait théoriquement en conclure que l'écrou est réutilisable indéfiniment. En réalité, l'écrou peut supporter un grand nombre d'installations et ne présente de fait aucun risque de grippage même sur un assemblage écrou Titane sur vis Titane. Une seconde série d'essai pour tester la résistance à la rupture des écrous et vérifier leur mode de rupture a consisté à soumettre l'écrou assemblé sur une vis à un essai de traction statique du type décrit par la norme NASM1312-8. La charge ultime admissible par l'assemblage ainsi que le mode de rupture est observé et reporté Les résultats relevés sur la même série d'écrous sont indiqués dans le tableau 2 ci-dessous : Numéro d'écrou Charge à rupture de la vis (N) Résistance Mode de rupture équivalente de la vis (MPa) Ecrou #4 39 696 1 523 Rupture de la vis Ecrou #5 39 786 1 526 Rupture de la vis Ecrou #6 40 891 1 569 Rupture de la vis Tableau 2 Avec une résistance équivalente supérieure à 1500 MPa, les écrous testés supportent largement la charge à rupture d'une vis en Ti6AI-4V de résistance 1100 MPa, alors même que les écrous testés ont un nombre réduit de filets. Les écrous fabriqués selon le procédé de fabrication décrit dans la présente invention possèdent donc une bague de freinage parfaitement maintenue et réutilisable au moins quinze fois, ce qui est particulièrement avantageux par rapport aux systèmes vis-écrous en alliages de titane auto-freinés par déformation, connus pour ne pas accepter plus de trois à cinq cycles d'installation avant de devoir être remplacés. Ces écrous montrent une tenue mécanique axiale comparable à celle d'écrous en acier - à diamètre nominal équivalent - et une masse allégée apportée dans les exemples par l'utilisation de l'alliage de titane.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Ecrou (10) comprenant un corps (12) présentant une face d'appui (20) destinée à reposer sur une structure, une surface extérieure (22) d'entraînement de l'écrou par un outil, un perçage traversant comprenant un taraudage (18) sur une partie de la hauteur du perçage et un chambrage (26) de diamètre intérieur (Dc) supérieur au diamètre nominal (Dn) de l'écrou, ledit écrou comprenant en outre une bague de freinage (32) en matière plastique disposée à l'intérieur du chambrage, une face de sertissage opposée à la face d'appui et rabattue vers l'axe de révolution (16) de l'écrou de manière à emprisonner la bague de freinage, ledit écrou étant caractérisé en ce que le corps comporte autour d'une partie au moins du chambrage une collerette (24) présentant une surface extérieure rayonnée (R) concave.
- 2. Ecrou (10) selon la revendication 1, tel que le rapport entre le rayon (R) de la surface extérieure concave et le diamètre nominal (Dn) de l'écrou est compris entre 1,5 et 0,75.
- 3. Ecrou (10) selon la revendication 1, tel que le rapport entre le diamètre intérieur (Dc) du chambrage et le diamètre nominal (Dn) de l'écrou est compris entre 1,10 et 1,25.
- 4. Ecrou (10) selon la revendication 1, tel que la surface extérieure d'entraînement (22) est constituée par douze dents, la face de sertissage comportant au moins un point de blocage (34) de la bague de freinage en regard d'un sommet (36) ou d'un creux (38) d'une dent.
- 5. Ecrou (10) selon la revendication 1, tel que le rapport entre la hauteur de chambrage (H) avant le rabattement de la collerette et le diamètre nominal (Dn) de l'écrou est compris entre 0,2 et 0,3.
- 6. Ecrou (10) selon la revendication 1, tel que le corps (12) est en alliage de titane ou en un alliage peu ductile et/ou écroui.
- 7. Procédé de fabrication d'un écrou (10) auto-freinant à partir d'un lopin, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de : - formage d'une surface extérieure d'entraînement (22), - perçage et taraudage à un diamètre nominal (Dn), - formation d'un chambrage (26) à une extrémité du perçage, d'un diamètre intérieur (Dc) supérieur au diamètre nominal (Dn), - formation d'un rayon concave (R) sur une partie de la surface extérieure disposée autour du chambrage de manière à conformer une collerette (24), - disposition d'une bague de freinage (32) dans le chambrage, - rabattement de l'extrémité de la collerette vers l'intérieur de l'écrou, - sertissage de la collerette rabattue sur la bague de freinage afin de bloquer tout mouvement de cette dernière.
- 8. Procédé de fabrication selon la revendication 7, tel que le formage est réalisé par forgeage chaud ou à froid.
- 9. Procédé de fabrication selon la revendication 7, tel que la réalisation du chambrage et du rayon extérieur est réalisé par forgeage chaud, forgeage à froid ou par usinage.30
- 10. Procédé de fabrication selon la revendication 7, tel que le lopin est en alliage de titane ou en un alliage peu ductile et/ou écroui.
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