FR3055034A1 - Fixation a anneau lubrifiant pour pose en interference et procede d'assemblage au moyen d'une telle fixation - Google Patents
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Classifications
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Abstract
L'invention porte sur une fixation (10) pour assembler au moins deux éléments de structure comprenant un perçage, la fixation comportant une tête élargie (12) et un fût (14) présentant avant installation un diamètre extérieur (D1) supérieur à un diamètre intérieur (Ds) du perçage, et une portion de blocage comprenant un filetage ou des gorges annulaires. La fixation comprend en outre un anneau sacrificiel (20 ; 30) lubrifiant sur la surface extérieure de fixation, s'étendant au moins entre une extrémité distale du fût et une extrémité proximale de la portion de blocage, ledit anneau présentant avant installation de la fixation dans la structure un diamètre extérieur supérieur à un diamètre du perçage. L'invention s'applique à l'assemblage de structures d'aéronefs.
Description
® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE © N° de publication : 3 055 034 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction) (© N° d’enregistrement national : 16 57749
COURBEVOIE © Int Cl8 : F16 B 29/00 (2017.01), F 16 N 11/00
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1
| ©) Date de dépôt : 12.08.16. | (© Demandeur(s) : LISIAEROSPACE Société par actions |
| (© Priorité : | simplifiée — FR. |
| @ Inventeur(s) : BERTHOU ALEXANDRE, VERDIER | |
| FLORENT et PHAM CHARLES. | |
| (43) Date de mise à la disposition du public de la | |
| demande : 16.02.18 Bulletin 18/07. | |
| ©) Liste des documents cités dans le rapport de | |
| recherche préliminaire : Se reporter à la fin du | |
| présent fascicule | |
| (© Références à d’autres documents nationaux | ©) Titulaire(s) : LISI AEROSPACE Société par actions |
| apparentés : | simplifiée. |
| ©) Demande(s) d’extension : | (© Mandataire(s) : IPSIDE. |
FR 3 055 034 - A1
FIXATION A ANNEAU LUBRIFIANT POUR POSE EN INTERFERENCE ET PROCEDE D'ASSEMBLAGE AU MOYEN D'UNE TELLE FIXATION.
_ L'invention porte sur une fixation (10) pour assembler au moins deux éléments de structure comprenant un perçage, la fixation comportant une tête élargie (12) et un fût (14) présentant avant installation un diamètre extérieur (D-, ) supérieur à un diamètre intérieur (D„) du perçage, et une portion de blocage comprenant un filetage ou des gorges annulaires. La fixation comprend en outre un anneau sacrificiel (20; 30) lubrifiant sur la surface extérieure de fixation, s'étendant au moins entre une extrémité distale du fût et une extrémité proximale de la portion de blocage, ledit anneau présentant avant installation de la fixation dans la structure un diamètre extérieur supérieur à un diamètre du perçage.
L'invention s'applique à l'assemblage de structures d'aéronefs.
Fixation à anneau lubrifiant pour pose en interférence et procédé d’assemblage au moyen d’une telle fixation.
La présente invention se rapporte à une fixation destinée à être installée en interférence dans un perçage d’une structure d’aéronef, et un procédé d’installation d’une telle fixation dans un assemblage de structures.
Certaines structures d’avions sont fortement sollicitées en cisaillement, et subissent des cycles de charges variant fortement, typiquement les structures des ailes ou des jonctions voilures / fuselage. Pour assembler ces structures on utilise des fixations installées en interférence, c’est-à-dire avec un jeu négatif entre le fût de la fixation et le perçage dans la structure destiné à recevoir la fixation. En d’autres mots, le diamètre externe de la fixation est supérieur au diamètre de perçage avant installation de la fixation. Ce procédé d’installation des fixations en interférence permet d’améliorer la tenue de la structure notamment la résistance aux chargements cycliques.
Les fixations en interférence utilisées actuellement sont du type à tirer ou à pousser. Un troisième type de fixations dites chemisées ou « à douille » permet de créer une interférence dans la structure sans avoir de frottements sur cette dernière lors de la phase d’installation.
Les fixations à tirer comprennent une tête élargie, destinée à reposer sur une face de la structure, dite face « avant », ou dans une fraisure réalisée dans cette face, un fût, une portion de blocage sous la forme d’un filetage ou de gorges de sertissages, et une queue de traction comprenant des gorges de traction. La fixation est dimensionnée pour que la queue de traction dépasse de la face opposée de la structure - dite face « arrière ». Ces gorges sont agrippées par un outillage qui tire sur la queue de traction, et insère la fixation jusqu’à ce que la tête accoste la face avant de la structure. La queue est ensuite cassée, ou retirée. Ces fixations sont typiquement les lockbolts GP™, LGP™ ou XPL™ de HUCK Manufacturing, ou les fixations PULL-IN™ ou PULL-STEM™ de LISI AEROSPACE. Ces fixations sont par exemple décrites dans les brevets US RE30445, US 6,702,684, US 5,098,238 ou US 6,665,922.
Les fixations à pousser sont constituées des mêmes éléments que les fixations à tirer à l’exception de la queue de traction. Elles sont installées en interférence dans la structure en les poussant au moyen d’un marteau, d’un pistolet multi frappe, ou d’un vérin s’il est possible de positionner la structure dans un bâti d’assemblage. Ces fixations sont typiquement des fixations HlLITE™ décrites dans le brevet US 4 326 825.
Les fixations chemisées sont pourvues d’une chemise ou douille qui reçoit le fut de la fixation, et peuvent être installées en poussant, en tirant ou encore en vissant. Dans ce cas on maintient la fixation fixe en rotation et on vient visser un écrou sur l’extrémité filetée. Le vissage de l’écrou entraîne le corps de la vis qui est légèrement conique à l’intérieur de la douille, qui est retenue axialement sur la structure par sa tête, de sorte que la douille se dilate radialement dans la structure. Une telle fixation est décrite par exemple dans la demande de brevet WO 2010/142901.
Pour protéger les pièces en contact de la corrosion galvanique, et pour éviter tout grippage entre le filetage de la vis et le taraudage d’un écrou ou encore entre le fût et la structure lors des installations en interférence, les fixations peuvent être également recouvertes d’un revêtement organique à pigment d’aluminium, typiquement de cinq à treize microns d’épaisseur, du type HI-KOTE™, développés et commercialisés par la société HI-SHEAR Corporation, et décrits par exemple dans les brevets US 3 979 351 et EP 2 406 336 B1. Ces revêtements ont un certain pouvoir lubrifiant, limitant les efforts d’installation de la fixation au cours de l'insertion dans la structure ou dans la chemise dans le cas d’une fixation chemisée.
Les fixations aéronautiques sont généralement lubrifiées au moyen d’alcool cétylique déposé sur toute la surface extérieure de la fixation. L'alcool cétylique est un alcool gras de formule semi-développée CH3(CH2)15-OH. A température ambiante, l'alcool cétylique prend la forme d'un solide blanc cireux ou de paillettes. Pour pouvoir être appliqué sur la fixation, les paillettes sont diluées dans un solvant, et la fixation est trempée dans la solution. Une fois le solvant évaporé, les paillettes solides d’alcool cétylique recouvrent la fixation.
La figure 1 représente schématiquement une fixation à insérer de l’art antérieur, en cours d’installation en interférence dans une structure S figurée en coupe, comprenant un perçage 8 de diamètre Ds. La fixation 1 comprend une tête protubérante, un fût 2 cylindrique de diamètre extérieur Di supérieur à Ds, et une extrémité filetée 3 dont le diamètre maximal est inférieur au diamètre D) du fût cylindrique et inférieur au diamètre du perçage Ds. Une zone de transition 4 relie le fût 2 et l’extrémité filetée 3. La zone de transition peut avoir diverses géométries, comme un ou plusieurs rayons, ou bien un angle. La fixation comprend ici une queue de traction 5 munie de gorges de traction. La fixation est entièrement revêtue de revêtement organique anticorrosion du type HI-KOTE™ 1.
Sur la figure 2 la fixation de la figure 1 est partiellement engagée dans la structure en créant l’interférence.
Comme cela est représenté sur les figures 1 et 2, dont les dimensions sont exagérées pour plus de clarté, un chanfrein ou un rayon est en général pratiqué sur l’entrée du perçage de la première couche S1 de la structure afin de recevoir le rayon sous-tête de la fixation. Ce chanfrein n’existe pas sur les autres couches S2 et S3 au milieu de l’assemblage quand le perçage est réalisé sur l’ensemble des couches. Lors du passage d’une couche de structure à la suivante, un effet géométrique de marche se crée car le perçage de la première couche est dilaté radialement par le fut de la fixation déjà inséré, tandis que le diamètre du perçage de la couche suivante est plus faible.
La demanderesse a découvert que l’effet de marche accentue l’effort de pose lorsque la fixation 1 entre dans une couche comprenant un matériau plus rigide que le matériau de la couche précédemment traversée, par exemple lorsque la fixation passe d’une couche en matériau composite à une couche en métal, par exemple en titane, aluminium ou en acier, ou lorsque la fixation traverse une première couche en aluminium puis une couche en acier.
L’effet de marche est faiblement accentué lorsque la fixation entre dans une couche comprenant un matériau moins rigide que le matériau de la couche précédemment traversée, par exemple lorsque la fixation passe d’une couche en métal à une couche en matériau composite.
L’effet de marche est représenté en figure 3, qui montre un exemple schématique de l’effort d’insertion d’une fixation 1 de l’art antérieur insérée en interférence dans la structure S des figures 1 et 2, dans le cas d’une épaisseur totale de la structure de 60 mm, comprenant trois couches S1, S2 S3, respectivement en aluminium, composite à fibres de carbone et titane, chaque couche ayant une épaisseur de 20 mm. La fixation peut supporter dans cet exemple un effort d’insertion au maximum égal à 56 kN, représenté par la ligne horizontale en pointillée. C’est à dire que si un effort supérieur à 56 kN est imprimé à la fixation, la queue de traction de la fixation casse. Lorsque la fixation 1 entre dans la première couche S1, l’effort d’installation augmente de manière sensiblement linéaire avec une première pente. Lors du passage dans la deuxième couche S2, la pente de l’effort d’installation diminue faiblement, car le matériau composite de la couche S2 se déforme plus facilement sous l’effort imprimé nécessaire que pour insérer la fixation en interférence dans l’aluminium.
Lors de l’entrée de la fixation dans la troisième couche S3, la pente s’accentue brusquement car la couche S3 est en titane. L’effort d’insertion atteint ici le seuil maximum avant que le fût 2 de la fixation ne soit complètement inséré dans toute la structure S. La fixation n’a pas accosté, c’est-à-dire que la tête de la fixation n’est pas en contact avec la face avant de la structure S et une partie du fût 2 est en dehors de la structure S. Pour accoster, il faudrait imposer à la fixation un effort d’installation supérieur à la résistance maximale de la fixation et celle-ci casserait à l’intérieur de la structure avant d’être correctement installée.
La demanderesse a observé que l’insertion dans les deux premières couches arrachait substantiellement la très fine couche lubrifiante et ou de revêtement anti-corrosion sur la zone de transition 4, ainsi que sur le fût 2. En effet, la zone de transition 4 est la première zone de la fixation entrant en contact avec la structure S. Cette zone est la plus sollicitée en frottement sur la structure, puisqu’elle parcourt lors de l’installation toute l’épaisseur de la structure. De plus la zone de transition 6 va subir les effets géométriques de marche au passage des couches qui tendent à localiser les efforts de contact et créent une détérioration rapide des éventuels revêtements, voire de sa géométrie.
Lorsque la fixation entre dans la troisième couche S3, la rigidité du titane combiné au contact direct de la fixation et de la structure induisent une augmentation forte des efforts nécessaires pour insérer la fixation en interférence dans la troisième couche.
La demanderesse a également observé que les perçages réalisés dans des matériaux différents avaient des diamètres différents, à cause des conditions de coupe différentes des matériaux lors du perçage avec un même outil. La différence de diamètre peut donc accentuer le phénomène géométrique d’effet de marche. L’effet de marche peut également être créé lorsque les couches sont pré-percées puis alignées, et que les perçages des différentes couches présentent un défaut de coaxialité.
Par ailleurs, plus l’épaisseur de l’assemblage augmente, plus la surface de frottement entre le fut de la fixation et le perçage augmente. En haute interférence, la probabilité de ne pas accoster la fixation augmente donc dans des assemblages épais du fait de la plus grande probabilité d’arrachement du revêtement anti-corrosion et/ou lubrifiant.
Un but de l’invention est de résoudre ces problèmes. L’invention a ainsi pour objet une fixation pour assembler au moins deux éléments de structure, la fixation comportant une tête élargie et un fût lisse présentant avant installation un diamètre extérieur supérieur à un diamètre intérieur d’un perçage de destination, une portion de blocage comprenant un filetage ou des gorges annulaires, et une portion de transition entre une extrémité distale, par rapport à la tête élargie, dudit fût lisse et une extrémité proximale, par rapport à la tête élargie, de ladite portion de blocage.
La fixation comprend en outre un anneau sacrificiel lubrifiant, de forme sensiblement toroïdale, agencé sur une surface extérieure de la fixation, s’étendant au moins entre l’extrémité distale du fût lisse et l’extrémité proximale de la portion de blocage, ledit anneau sacrificiel présentant, avant installation de la fixation dans la structure, un diamètre extérieur supérieur à un plus petit diamètre du perçage avec lequel le fût lisse sera en interférence après installation de la fixation.
Ainsi, l’anneau sacrificiel entre le premier en contact avec la paroi du perçage lors de l’insertion de la fixation en interférence dans la structure - ou dans la douille si la fixation est installée en interférence dans une douille - et avec chacune des couches de la structure formées par les éléments de structure devant être assemblés.
L’anneau sacrificiel correspond à un dépôt additionnel de matière, distinct de la partie structurale de la fixation formée par la tête, le fût lisse, la portion de blocage, et le cas échéant une queue de traction, l’anneau ayant une forme sensiblement toroïdale, de section génératrice non nécessairement circulaire dans une acception généralisée de la notion de tore, plus ou moins régulière dont le trou central est traversé par la partie structurale de la fixation, qui a la capacité à s’user ou à s’éroder facilement lorsqu’il est frotté en contact avec un autre matériau. L’anneau sacrificiel garantit la fiabilité de l’insertion de la fixation lors de l’insertion en force dans la structure : l’anneau sera creusé ou érodé ou usé par la structure ou par la douille en laissant, au fur et à mesure de l’insertion de la fixation, à l’interface entre le fût lisse et la structure ou la douille, la matière lubrifiante de l’anneau sacrificielle et la fixation ne subira quasiment aucune usure. Le terme « lubrifiant » doit être entendu comme étant n’importe quel(le) matériau ou matière qui, interposé(e) entre deux surfaces, réduit la friction ou l’usure entre ces deux surfaces en contact et en mouvement relatif. Ainsi, l’anneau sacrificiel lubrifiant s’use ou se détruit lors de l’insertion et ce faisant, lubrifie la surface intérieure du perçage tout au long de l’insertion.
Dans une forme de réalisation, l’anneau sacrificiel présente, avant installation de la fixation dans la structure, un diamètre extérieur supérieur à un plus grand diamètre du perçage avec lequel le fût lisse sera en interférence après installation de la fixation. Ainsi, l’érosion ou l’usure de l’anneau sacrificiel assure le dépôt de matière lubrifiante sur une longueur du perçage correspondant à la zone en interférence qui est soumise à un frottement du fût de la fixation lors de l’insertion de la fixation.
La fixation selon l’invention peut également comprendre au moins une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou en combinaison lorsque ces combinaisons sont techniquement possibles :
- l’anneau sacrificiel présente après installation de la fixation dans la structure un diamètre extérieur inférieur au diamètre extérieur avant installation ;
- l’anneau sacrificiel est cisaillé ou sectionné en au moins deux portions après installation de la fixation dans la structure ;
- une portion cisaillée ou sectionnée de l’anneau sacrificiel est disposée entre une surface extérieure de la structure et une surface de la tête de la fixation après installation de la fixation dans la structure,
- l’anneau sacrificiel est usé pendant l’insertion de la fixation dans la structure ;
- une gorge circulaire est formée au niveau de la portion de transition dans laquelle est positionné l’anneau sacrificiel, l’anneau sacrificiel ayant une forme complémentaire de la gorge circulaire de sorte à assurer un maintien de l’anneau sacrificiel dans la gorge circulaire ;
- l’anneau sacrificiel comprend du polytétrafluoroéthylène ;
- l’anneau sacrificiel comprend du graphite et ou du bronze ;
- l’anneau sacrificiel comprend un polymère lubrifiant ;
- l’anneau sacrificiel comprend des particules sèches de graphite et ou d’alcool cétylique ;
- l’anneau sacrificiel comprend un premier anneau comprenant un lubrifiant pâteux recouvert par un deuxième anneau formant une enveloppe solide sacrificielle ;
- le lubrifiant pâteux comprend de l’alcool cétylique et une huile ;
- le deuxième anneau comprend un polymère acrylique, un silicone ou un polymère polysulfure.
L’invention a également pour objet un procédé d’assemblage mettant en œuvre une fixation de l’invention.
Pour assembler au moins deux éléments de structure comprenant un perçage présentant avant installation un diamètre intérieur (Ds), le procédé comprend les étapes de
- fourniture d’une fixation comportant une tête élargie, un fût lisse présentant avant installation un diamètre extérieur supérieur au diamètre intérieur (Ds) du perçage ou à un diamètre intérieur d’une douille devant être insérée dans ledit perçage, une portion de blocage comprenant un filetage ou des gorges annulaires, et un anneau sacrificiel lubrifiant de forme sensiblement toroïdale, sur une surface extérieure de la fixation, positionné au moins entre une extrémité distale, par rapport à la tête élargie, du fût lisse et une extrémité proximale, par rapport à la tête élargie, de la zone de blocage, ledit anneau présentant avant installation de la fixation dans la structure un diamètre supérieur à un diamètre du perçage ou de la douille,
- insertion en force de la fixation dans le perçage ou dans la douille placée dans le perçage, étape au cours de laquelle l’anneau sacrificiel lubrifiant est usé par interférence avec une paroi intérieure du perçage ou de la douille, de sorte à libérer une matière lubrifiante entre une extrémité distale du fût lisse et une extrémité proximale du fût lisse.
Il est ainsi distribué de la matière lubrifiante sur les parois en contact de la fixation et de la structure ou de la douille, stockée dans l’anneau sacrificiel avant la pose de la fixation, au fur et à mesure de l’insertion de la fixation.
Les efforts d’insertion en sont diminués ce qui garanti l’insertion de la fixation avec des efforts acceptables et évite que la fixation ou la structure ne soit endommagée.
Dans un mode de mise en œuvre, l’anneau sacrificiel lubrifiant est cisaillé ou sectionné en au moins deux portions au cours de l’étape d’insertion.
Dans un mode de mise en œuvre, le procédé comporte une étape ultérieure de suppression d’au moins une portion d’anneau sacrificiel.
Dans un mode de mise en œuvre, le procédé comporte une étape ultérieure de nettoyage d’un surplus de matière lubrifiante libérée pendant l’étape d’insertion en force.
L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent :
- figures 1 et 2 : déjà décrites, une fixation de l’art antérieur respectivement avant insertion dans une structure et lors d’une phase d’insertion,
- figure 3 : déjà décrite, une courbe de l’effort d’installation d’une fixation de l’art antérieur en interférence dans une structure préalablement percée,
- figure 4 : une fixation vue de côté selon un mode de réalisation de l’invention, avant installation dans une structure;
- figures 4A, 4B, 4C : détails de la figure 4, selon trois modes de réalisation de l’invention, comprenant un anneau sacrificiel lubrifiant en coupe ;
- figures 5 et 6: des courbes d’efforts mesurés d’installation de fixations de l’art antérieur et de fixations selon plusieurs modes de réalisation de l’invention dans deux assemblages multi couches.
Dans ces figures, les éléments identiques conservent les mêmes références. Dans la description qui suit, par convention le terme « distal >> signifie « éloigné de la tête de la fixation », et le terme « proximal >> signifie « proche de la tête de la fixation >>.
Dans la description les termes « avant >> et « arrière >>, sauf indication ou évidence contraire, devront être compris en relation avec le sens d’insertion d’une fixation dans le perçage de la structure. L’arrière se trouve donc du côté de la tête de la fixation et l’avant vers la direction opposée.
La figure 4 représente, de façon schématique, une vue de côté d’une fixation 10 selon un mode de réalisation de l’invention.
La fixation 10, sensiblement de révolution autour d’un axe X de ladite fixation, comporte une tête 12 fraisée, un fût 14 cylindrique lisse présentant un diamètre extérieur Di et une portion de blocage 18, filetée dans la fixation illustrée, présentant un diamètre extérieur D2 mesuré en crête de filet, D2 étant inférieur à D-ι. Une portion de transition 16 raccorde le diamètre D-ι du fût 14 cylindrique au diamètre D2 de la portion de blocage 18 filetée. Cette portion de transition peut être courbe ou conique. La fixation comporte également une queue de traction 19. La fixation 10 est destinée à être insérée dans un perçage d’une structure S, de diamètre Ds. Le diamètre Ds est, avant installation de la fixation 10, inférieur au diamètre D-ι du fût 14 lisse, et supérieur au diamètre D2 de la portion filetée, pour que ni les filets ni la structure ne soient endommagés lors de l’introduction de la fixation dans le perçage.
Dans l’exemple illustré, la fixation 10 est en alliage de titane, et sa surface extérieure est entièrement recouverte d’une couche de revêtement de type HlKOTE™ 1 destinée à protéger la structure de la corrosion galvanique. La fixation cependant pourrait être nue, par exemple sablée, comporter une fine couche d’oxyde anodique obtenue par exemple par anodisation sulfurique, comprendre une couche d’aluminium ou un autre revêtement. La fixation pourrait également comporter des portions de revêtement annulaires, en bandes parallèles à l’axe de la fixation, ou en forme d’hélice, comme représenté dans le brevet FR3008754B1 de la demanderesse.
La fixation 10 comprend en outre un anneau 20, 30 sacrificiel lubrifiant (figuré en coupe seulement sur les figures 4A, 4B et 4C) qui s’étend au moins sur la zone de transition 16, c’est-à-dire au moins entre une extrémité distale du fût et une extrémité proximale de la portion filetée.
L’anneau sacrificiel présente donc une forme torique, qui entoure la fixation dans la zone de transition, un axe du tore étant sensiblement confondu avec l’axe X de la fixation, et dont seule une section dans un plan axial est représentée sur les détails agrandi des figures 4A, AB et AC.
Selon une forme de réalisation de l’invention représentée en figure 4A, l’anneau 20 couvre une portion de la fixation sur une longueur L, comprenant le premier filet 24 de la portion de blocage 18 filetée et la zone de transition 16. L’anneau peut également s’étendre sur une portion du fût 14 lisse adjacente à la zone de transition, avantageusement une portion dudit fût lisse limitée à une longueur égale à une longueur, suivant la direction de l’axe X, de la portion de transition.
Selon une forme de réalisation de l’invention représentée en figure 4B, la fixation comporte une gorge 22 annulaire dans la zone de transition 16, se caractérisant par une forme concave de ladite zone de transition sur la vue en section de la figure 4B. L’anneau 20 est dans cet exemple un cordon annulaire dont une surface intérieure, située radialement du côté de l’axe X de la fixation, épouse la forme de la gorge, et dont une surface extérieure, située radialement du côté opposé à l’axe X de la fixation, correspond à une zone de transition destinée à être en contact avec la paroi du perçage.
Un avantage de cette forme mode de réalisation est d’utiliser la géométrie en creux de cette gorge pour retenir mécaniquement l’anneau sur la fixation, sans moyen de collage ou de dépôt particulier. D’autres formes de profils concaves peuvent être utilisées pour réaliser la gorge annulaire 22.
Un anneau sacrificiel 20 lubrifiant peut être réalisé en différents matériaux.
Un matériau lubrifiant peut comprendre un polymère fluoré. Par exemple, le matériau peut comprendre 100% de polytétrafluoréthylene (appelé « PTFE »), ou un mélange de PTFE et d’une autre matière. Par exemple, l’anneau 20 peut comprendre 85% de PTFE et 15% de graphite, ou 40% de PTFE et 60% de bronze, ou encore un mélange de PTFE et de bisulfure de molybdène. Lors de l’insertion dans le perçage d’une structure, des particules de ces matériaux, ayant des propriétés lubrifiantes, sont arrachées et contenues en amont de la zone de transition, c’est-à-dire dans la partie du perçage dans laquelle le fût lisse de la fixation est déjà engagé, entre la paroi du perçage et une paroi extérieure du fût lisse 14.
Un autre matériau lubrifiant adapté pour former l’anneau 20 est un polymère lubrifiant, comprenant éventuellement des particules solides lubrifiantes, comme des particules de graphite ou des particules d’alcool cétylique. Lors de l’insertion, comme avec le matériau polymère fluoré, des particules lubrifiantes sont arrachées et réparties autour du fût lisse de la fixation.
L’anneau est par exemple obtenu en mélangeant des particules solides lubrifiantes dans une composition liquide polymérisables, puis en appliquant la composition à l’état liquide, ou à l’état pâteux, et comprenant des particules lubrifiantes, sur la fixation. La composition, avantageusement placée dans des conditions favorables à la polymérisation, par exemple à une température recommandée pour le polymère mis en œuvre, polymérise en emprisonnant les particules lubrifiantes solides.
Dans une autre forme de réalisation de l’invention représenté en figure 4C, un anneau sacrificiel 30 comprend un premier anneau 26 comprenant de l’alcool cétylique et un corps gras, recouvert d’un deuxième anneau 28 solide créant une enveloppe dudit premier anneau destinée à être détruite pendant l’insertion. La dimension radiale de cet anneau 30 est exagérée sur la figure 4C. Bien sûr, l’anneau 30 peut être positionné sur la fixation 10 comme dans les formes de réalisation illustrées sur les figures 4A ou 4B.
Le premier anneau 26 est par exemple obtenu en dispersant des cristaux bruts d’alcool cétylique dans une huile, comme par exemple un huile du commerce vendue sous la marque «biolub», dans des proportions permettant d’obtenir un composé pâteux, par exemple 3Α en poids d’alcool cétylique et % en poids d’huile. Le composé est appliqué chaud sur la fixation froide. En pratique, le composé se refroidit en quelques secondes permettant de figer les cristaux d’alcool cétylique. Ensuite, une composition liquide polymérisable est appliquée sur le premier anneau pâteux 26, de sorte à recouvrir entièrement une surface libre dudit premier l’anneau 26 et à former un deuxième anneau 28 superposé audit premier anneau. Le deuxième anneau 28 est ensuite polymérisé et/ou séché, par exemple à l’air libre. Le deuxième anneau 28 permet d’assurer une contention du matériau lubrifiant pâteux du premier anneau 26, et, du fait de sa composition et de son mode d’application pour former une couche de faible épaisseur en regard des dimensions de l’anneau 30, est naturellement détruit lors de l’insertion de la fixation 10 dans un perçage. Le deuxième anneau 28 est par exemple formé avec un polymère commercialisé sous la marque Vibra-seal® par la société LOCTITE, ou à base de polymère polysulfure, connu comme mastic d’étanchéité dans l’aéronautique sous la dénomination « PR », ou encore un silicone. Une épaisseur du deuxième l’anneau 28, résultant de la quantité de la composition liquide polymérisable utilisée pour le réaliser, est choisie pour que ledit deuxième anneau se déforme lors de l’introduction de la fixation dans le perçage, puis se rompe lorsque l’anneau est comprimé dans le perçage une fois que le fût lisse 14 commence à être inséré dans ledit perçage. Le premier anneau 26 peut-être réalisé dans d’autres compositions lubrifiantes pâteuses, voire cireuses, du moment qu’elles puissent être recouvertes d’un deuxième anneau formant enveloppe.
L'anneau 20 peut être formé sur un outillage puis glissé sur la fixation si cet anneau permet sa manipulation sans détérioration. L’anneau 20 ou 30 peut aussi être formé par apport de la matière lubrifiante directement sur la fixation, par exemple par dépôt manuel ou automatisé d’une composition liquide ou pâteuse qui polymérise ou sèche, par surmoulage ou par fabrication additive. Cet anneau peut être intégré à divers stades de fabrication de la fixation et éventuellement subir des opérations de rectification ou d’usinage nécessaires à la fabrication de la fixation.
Quelle que soit la composition et la forme de l’anneau, l’épaisseur de l’anneau 20 ou 30 et sa position sur la fixation doivent être choisies de sorte que la surface de la fixation 10 recouverte par l’anneau 20, 30 ne soit jamais la première en contact avec la paroi du perçage lors de l’insertion de la fixation. Typiquement, l’épaisseur suivant la dimension radiale d’un anneau 20 ou 30 est d’au moins 200 pm.
Le plus grand diamètre extérieur de l’anneau 20, 30 est également choisi supérieur au plus petit diamètre du perçage dans lequel la fixation est installée, afin d’être également en interférence avec tous les éléments de la structure devant être assemblés. Ce plus grand diamètre extérieur de l’anneau peut être égal ou supérieur au diamètre du fût 14 lisse, du moment qu’il reste supérieur au diamètre du perçage, comprendre ici, pour les perçages complexes non cylindriques, supérieur au moins au plus petit diamètre du perçage avec lequel la fixation sera en interférence. Par exemple, dans ce cas de perçage complexe, ce plus grand diamètre extérieur de l’anneau est supérieur au plus grand diamètre du perçage avec lequel le fût lisse sera en interférence après installation de la fixation.
La figure 5 montre les résultats de mesure d’efforts d’insertions lors d’essais menés par la demanderesse, portant sur quatre fixations insérées dans une structure de 38,1 mm d’épaisseur, comprenant trois couches adjacentes de 12,7 mm d’épaisseur chacune. La première couche S1 est en aluminium, la deuxième couche est en acier et la troisième couche S3 est en aluminium. Chaque fixation a un diamètre de 16/32” (12,70 mm), supporte un effort de traction maximal de 56 kN et est insérée dans un perçage de la structure avec une interférence haute de 154 pm.
La fixation A est une fixation en titane nu, non revêtue, représentant une fixation de l’art antérieur. Cette fixation entre à peine dans la deuxième couche S2 de la structure et ne peut pas être insérée plus avant, l’effort d’insertion maximal étant atteint au bout de 15 mm.
La fixation B est une fixation en titane revêtue entièrement de revêtement anti-corrosion HI-KOTE™ 1NC, représentant une fixation de l’art antérieur, décrite dans le brevet EP2406336B1. Cette fixation entre jusque dans la deuxième couche S2 de la structure, mais ne peut pas être insérée dans la troisième couche de la structure.
La fixation C est une fixation en titane revêtue de HI-KOTE™ 1NC, et pourvue d’un anneau 20 en PTFE sur la zone de transition. La fixation C est complètement insérée dans la structure avec un effort d’insertion d’environ 42 kN.
La fixation D est une fixation en titane revêtue de HI-KOTE™ 1NC, et pourvue d’un anneau 30 comprenant un anneau 26 d’alcool cétylique et d’huile revêtu d’un deuxième anneau 28 de polymère Vibra-seal® sur la zone de transition et une partie du fût 14 lisse. La fixation D est complètement insérée dans la structure avec un effort d’insertion d’environ 19 kN.
Dans les cas C ou D, la paroi du perçage frotte sur l’anneau 20 ou 30 tout au long de l’insertion et, du fait de la nature du matériau de l’anneau, arrache des particules de matière lubrifiante (alcool cétylique ou PTFE) qui restent emprisonnées entre le fût et la paroi du perçage. Lorsque la fixation avance dans l’épaisseur de la structure, ces particules permettent de conserver des efforts de frottement faibles entre le fût et la paroi du perçage. Du fait de son épaisseur et de sa composition, l’anneau 20 ou 30 conserve un pouvoir lubrifiant important sur la zone de transition et évite le contact direct entre le matériau de base de la fixation et la structure pendant toute la phase d'insertion.
La demanderesse a découvert pendant les essais que l’utilisation d’un anneau sacrificiel pouvait assurer en outre une fonction d’étanchéité de la fixation dans la structure. En effet, lors de l’insertion de la fixation C ou D dans la structure, l’anneau 20 ou la deuxième couche 28 de l’anneau 30 est sectionnée ou cisaillée en deux portions au niveau de son plus grand diamètre extérieur. Dans le cas de la fixation D, la matière de l’anneau 26 est écrasée et retenue entre les deux portions séparées de l’anneau 28. La portion proximale ne peut pas rentrer dans le perçage, du fait de l’interférence, et reste disposée entre une surface extérieure de la structure et le dessous de tête de la fixation. La portion distale est dans le perçage et fait office de réserve de lubrifiant fournie par l’anneau 26, qui est déposé sur les parois du perçage jusqu’à ce que la portion filetée ressorte de la structure. Lorsque la fixation a accosté, la portion d’anneau proximale est au contact du dessous de tête de la fixation et de la surface extérieure proximale de la structure, et la portion d’anneau distale est évacuée par la portion filetée de la fixation.
Dans tous les cas, l’anneau sacrificiel présente après insertion un diamètre extérieur moindre que le diamètre extérieur avant insertion. Selon le niveau d’interférence et selon la matière utilisée, l’anneau peut être simplement usé ou sectionné en au moins deux portions, refoulées de part et d’autre de la zone de transition 16. Ainsi, après insertion, il peut s’avérer utile de supprimer les portions refoulées, ou au moins la portion refoulée sur la portion de blocage. Dans le cas d’un anneau 30, il pourra être nécessaire de supprimer la portion d’anneau 28 refoulée sur la portion de blocage, et de nettoyer la matière lubrifiante pâteuse 26 qui aura été refoulée sur la zone de blocage, sous la tête ou à ces deux endroits, par exemple avec un chiffon.
La figure 6 montre les résultats de mesure d’efforts d’insertions lors d’essais menés par la demanderesse, portant sur trois fixations insérées dans un assemblage comprenant quatre couches adjacentes. Les trois premières couches S1 ’, S2’ et S3’ sont en matériau composite, la quatrième couche S4’ est en aluminium. Chaque fixation A’, B’ et C’ a un diamètre de 16/32” (12,70 mm), supporte un effort de traction maximal de 56 kN et est insérée dans un perçage de la structure avec une interférence moyenne de 89 μιτι.
La fixation A’ est une fixation en titane dont la surface extérieure est anodisée par oxydation sulfurique, et recouverte d’une couche lubrifiante d’un revêtement HI-SLIDE™ comprenant un mélange de polyoléfine et de polytétrafluoroéthylène représentant une fixation de l’art antérieur, décrite dans la demande de brevet FR3026446A1. Cette fixation est complètement insérée dans la structure avec un effort d’insertion d’environ 52 kN, donc proche de l’effort d’installation maximal de la fixation A’.
La fixation B’ est une fixation en titane nu comprenant des bandes de revêtement anti-corrosion HI-KOTE™ 1NC, représentant une fixation de l’art antérieur, décrite dans le brevet FR3008754B1. Cette fixation est complètement insérée dans la structure avec un effort d’insertion d’environ 46 kN.
La fixation C’ est une fixation en titane nu comprenant des bandes de revêtement anti-corrosion HI-KOTE™ 1NC, décrite dans le brevet FR3008754B1, et pourvue d’un anneau 30, représentant une fixation selon un mode de réalisation de l’invention. Cette fixation est complètement insérée dans la structure avec un effort d’insertion d’environ 21 kN seulement.
Dans l’essai de la figure 6, l’interférence est plus faible que celle de l’essai précédent et les fixations sont insérées dans des matériaux plus « tendres » que les matériaux de l’essai précédent. Les fixations de l’art antérieur entrent ainsi dans toute l’épaisseur de la structure, mais avec des niveaux d’effort qui restent élevés, voire très proches du niveau d’effort maximal autorisé pour ces fixations.
Il peut être noté que sur les courbes de la figure 6 l’augmentation rapide suivant une pente commune pour tous les essais, à la sortie de la dernière couche, correspond à la traction de l’outillage lorsque la tête de la fixation a accostée pour arriver à la rupture volontaire de la queue de traction.
Comme cela est montré par les courbes C et D de la figure 5 et la courbe C’ de la figure 6, la présence d’un anneau sacrificiel lubrifiant permet de réduire nettement les efforts d’installation en haute et moyenne interférence dans des structures multi-couches comparativement aux efforts nécessaires pour installer des fixations de l’art antérieur.
Une fois l’éventuelle étape de nettoyage réalisée, un écrou ou une bague peut ensuite être assemblé sur la portion de blocage 18 de la fixation pour finaliser l’installation de la fixation et l’assemblage de la structure. Lorsque l’anneau sacrificiel recouvre initialement un revêtement anti-corrosion, cet anneau sacrifié pendant l’installation évite l’érosion du revêtement, qui peut alors assurer pleinement sa fonction anti-corrosion au contact de la structure, de l’écrou, ou de tout autre élément en contact avec la surface extérieure de la fixation 10.
La réduction des efforts d’installation permet une installation plus aisée par les opérateurs, l’utilisation d’outillages plus légers et limite les risques d’endommagement de la structure. Le maintien d’une lubrification continue pendant l’insertion évite également que la fixation ne casse lors de son insertion dans la structure et des opérations complexes de retrait et d’installation d’une nouvelle fixation.
L’invention permet également d’insérer des fixations en interférence dans des structures plus épaisses, ou avec un niveau d’interférence plus élevé, ou dans des structures comprenant de multiples couches et des matériaux « durs » tels que du titane ou de l’acier inoxydable, qui ont l’inconvénient de produire des efforts de frottement importants.
Bien entendu, la géométrie de la fixation n’est pas limitée à celle décrite dans la demande. Un anneau sacrificiel 20 ou 30 peut être utilisé sur une fixation ayant par exemple une tête protubérante au lieu d’une tête fraisée, un fût conique lisse au lieu d’un fût cylindrique lisse, des gorges de blocage au lieu d’un filetage. La fixation peut aussi ne pas comprendre de queue de traction, et/ou comprendre une chemise dont le diamètre intérieur est inférieur au diamètre extérieur du fût de la fixation - qu’il soit cylindrique ou conique -, et dont le diamètre extérieur est inférieur au diamètre intérieur du perçage avant installation de la fixation dans la chemise. Une telle fixation est par exemple décrite dans le brevet FR 2 946 707 du demandeur.
L’invention permet aussi dans certains cas de supprimer le revêtement lubrifiant ou anticorrosion sur le fût de la vis et/ou sur l’intérieur de la douille, dans le cas d’une fixation chemisée. La suppression du revêtement permet d’améliorer la conductivité électrique entre le fût de la vis et la paroi de la douille ou de la structure, notamment pour les passages de courant de foudre frappant une fixation ou une structure d’un aéronef.
Par ailleurs, d’autres modes de réalisation de l’anneau sacrificiel lubrifiant peuvent être envisagés. Par exemple, l’anneau peut comprendre une matrice poreuse, dont les pores sont remplis de matière lubrifiante sèche ou grasse. Lors de l’insertion, la matrice est usée et la matière lubrifiante est libérée.
Dans un autre exemple, l’anneau sacrificiel peut comprendre des particules lubrifiantes grasses ou pâteuses micro-encapsulées et déposées en une ou plusieurs couches, et un liant permettant de maintenir les microcapsules en position sur la fixation pour constituer l’anneau sacrificiel. Lors de l’insertion, les micro-capsules sont brisées et le lubrifiant est libéré.
Dans un autre exemple, l’anneau sacrificiel peut comprendre un revêtement lubrifiant adapté pour subir une abrasion, comprenant une matrice et des particules lubrifiantes emprisonnées dans la matrice. Ce type de revêtement est par exemple utilisé dans le domaine des turbomachines, pour la réalisation de joints d’étanchéité soumis à une abrasion en utilisation.
Claims (18)
- REVENDICATIONS1- Fixation (10) pour assembler au moins deux éléments de structure, la fixation comportant une tête élargie (12) et un fût (14) lisse présentant avant installation un diamètre extérieur (Di) supérieur à un diamètre intérieur (Ds) d’un perçage de destination, une portion de blocage (18) comprenant un filetage ou des gorges annulaires, et une portion de transition (16) entre une extrémité distale, par rapport à la tête élargie (12), dudit fût lisse et une extrémité proximale, par rapport à la tête élargie (12), de ladite portion de blocage, caractérisée en ce que ladite fixation comprend un anneau sacrificiel (20 ; 30) lubrifiant, de forme sensiblement toroïdale, agencé sur une surface extérieure de la fixation, s’étendant au moins entre l’extrémité distale du fût lisse et l’extrémité proximale de la portion de blocage, ledit anneau sacrificiel présentant, avant installation de la fixation dans la structure, un diamètre extérieur supérieur à un plus petit diamètre du perçage avec lequel le fût lisse sera en interférence après installation de la fixation.
- 2- Fixation (10) selon la revendication 1 dans laquelle l’anneau sacrificiel (20 ; 30) présente, avant installation de la fixation dans la structure, un diamètre extérieur supérieur à un plus grand diamètre du perçage avec lequel le fût lisse sera en interférence après installation de la fixation.
- 3- Fixation (10) selon la revendication 1 ou la revendication 2 dans laquelle l’anneau sacrificiel (20 ; 30) présente après installation de la fixation dans la structure un diamètre extérieur inférieur au diamètre extérieur avant installation.
- 4- Fixation (10) selon la revendication 1 ou la revendication 2 dans laquelle l’anneau sacrificiel (30) est cisaillé ou sectionné en au moins deux portions après installation de la fixation dans la structure.
- 5- Fixation (10) selon la revendication 4 dans laquelle une portion cisaillée ou sectionnée de l’anneau sacrificiel est disposée entre une surface extérieure de la structure et une surface de la tête de la fixation après installation de la fixation dans la structure.
- 6- Fixation (10) selon la revendication 1 ou la revendication 2 dans laquelle l’anneau sacrificiel (20) est usé pendant l’insertion de la fixation dans la structure.
- 7- Fixation (10) selon la revendication 1 ou la revendication 2 comprenant une gorge circulaire (22) formée au niveau de la portion de transition (16) et dans laquelle gorge circulaire est positionné l’anneau sacrificiel (20 ; 30), ledit anneau sacrificiel ayant une forme complémentaire de ladite gorge circulaire de sorte à assurer un maintien de l’anneau sacrificiel dans la gorge circulaire.
- 8- Fixation (10) selon la revendication 1 ou la revendication 2 dans laquelle l’anneau sacrificiel (20) comprend du polytétrafluoroéthylène.
- 9- Fixation (10) selon la revendication 8 dans laquelle l’anneau sacrificiel (20) comprend en outre du graphite et ou du bronze.
- 10- Fixation (10) selon la revendication 1 ou la revendication 2 dans laquelle l’anneau sacrificiel (20 ; 30) comprend un polymère lubrifiant.
- 11- Fixation (10) selon la revendication 10 dans laquelle l’anneau sacrificiel (20 ; 30) comprend en outre des particules sèches de graphite et ou d’alcool cétylique.
- 12- Fixation (10) selon la revendication 1 ou la revendication 2 dans laquelle l’anneau sacrificiel (30) comprend un premier anneau (26) comprenant un lubrifiant pâteux recouvert par un deuxième anneau (28) formant une enveloppe solide sacrificielle.
- 13- Fixation (10) selon la revendication 12 dans laquelle le lubrifiant pâteux comprend de l’alcool cétylique et une huile.
- 14- Fixation (10) selon la revendication 12 ou 13 dans laquelle le deuxième anneau (28) comprend un polymère acrylique, un silicone ou un polymère polysulfure.
- 15- Procédé d’assemblage pour assembler au moins deux éléments de structure comprenant un perçage présentant avant installation un diamètre intérieur (Ds), le procédé comprenant les étapes de- fourniture d’une fixation comportant une tête élargie (12), un fût (14) lisse présentant avant installation un diamètre extérieur (Di) supérieur au diamètre intérieur (Ds) du perçage ou à un diamètre intérieur d’une douille devant être insérée dans ledit perçage, une portion de blocage (16) comprenant un filetage ou des gorges annulaires, et un anneau sacrificiel (20 ; 30) lubrifiant, sur une surface extérieure de la fixation, positionné au moins entre une extrémité distale, par rapport à la tête élargie (12), du fût lisse et une extrémité proximale, par rapport à la tête élargie (12), de la zone de blocage, ledit anneau présentant avant installation de la fixation dans la structure un diamètre supérieur à un diamètre du perçage ou de la douille,- insertion en force de la fixation dans le perçage ou dans la douille placée dans le perçage, étape au cours de laquelle l’anneau sacrificiel lubrifiant est usé par interférence avec une paroi intérieure du perçage ou de la douille, de sorte à libérer une matière lubrifiante entre une extrémité distale du fût lisse (14) et une extrémité proximale dudit fût lisse.
- 16- Procédé d’assemblage selon la revendication 15 dans lequel l’anneau sacrificiel (30) lubrifiant est cisaillé ou sectionné en au moins deux portions au cours de l’étape d’insertion.
- 17- Procédé d’assemblage selon la revendication 16 comprenant une étape ultérieure de suppression d’au moins une portion d’anneau sacrificiel.
- 18- Procédé d’assemblage selon la revendication 15 ou 16 comprenant une étape ultérieure de nettoyage d’un surplus de matière lubrifiante libérée pendant l’étape d’insertion en force.1 /3 '’cBggZ -X
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