FR3117049A1

FR3117049A1 - Procédé de pose d’une fixation au travers d’un assemblage de pièces structurales avec fluage d’un mastic interposé

Info

Publication number: FR3117049A1
Application number: FR2012774A
Authority: FR
Inventors: Benoit Regnard
Original assignee: LISI Aerospace SAS
Current assignee: LISI Aerospace SAS
Priority date: 2020-12-07
Filing date: 2020-12-07
Publication date: 2022-06-10

Abstract

PROCEDE DE POSE D’UNE FIXATION AU TRAVERS D’UN ASSEMBLAGE DE PIECES STRUCTURALES AVEC FULAGE D’UN MASTIC INTERPOSE Procédé de pose d’une fixation (100) de type rivet aveugle, comprenant une tige (10) et une douille (20), au travers d’un assemblage comprenant au moins deux pièces structurales (200a, 200b) et une couche de mastic (300) interposée à au moins une interface entre lesdites pièces, ledit procédé comprenant une étape (a) d’insertion de la fixation dans un perçage préalablement réalisé dans l’assemblage et une étape (b) de traction sur la tige (10) jusqu’à la formation d’un bulbe (23) au niveau de la douille (20), ledit bulbe venant en appui contre une pièce (200b) de l’assemblage, la traction étant effectuée à une vitesse comprise entre 0,08 et 4,2mm/s et s’accompagnant d’un fluage de la couche de mastic (300). Figure pour l’abrégé : figure 3

Description

Procédé de pose d’une fixation au travers d’un assemblage de pièces structurales avec fluage d’un mastic interposé

La présente invention appartient au domaine des fixations mécaniques, et notamment de leurs méthodes de pose dans des assemblages de pièces structurales. Elle concerne plus particulièrement un procédé de pose d’une fixation définitive de type rivet aveugle pour assembler des pièces structurales accolées et préalablement percées, ledit procédé permettant le fluage d’un mastic d’interposition.

L’invention vise les assemblages comprenant au moins deux pièces accolées et un mastic interposé à au moins une interface entre lesdites pièces. Elle trouve une application directe en construction aéronautique et analogue, par exemple pour le jonctionnement de panneaux structuraux d’aéronefs.

Etat de l’art

L’industrie aéronautique est réputée pour son niveau d’exigence, en particulier dans l’amélioration continue de ses méthodes de fabrication, aussi bien pour les aspects les plus généraux que pour les détails de fabrication et éléments de finition.

L’intérêt est porté ici aux assemblages de pièces structurales et plus particulièrement aux assemblages mettant en œuvre des fixations de type rivets aveugles et des mastics d’interposition. Dans de tels assemblages, une couche de mastic est interposée à l’interface entre deux pièces afin de combler les espaces restants et d'assurer une étanchéité de l’ensemble.

C’est par exemple le cas des assemblages par des boulons ou des rivets de pièces planes ou quasi planes, de relativement faibles épaisseurs, sollicitées dans le plan. Entre les pièces assemblées, pour assurer l’étanchéité et éviter les problèmes de corrosion et d’usure de contact (« fretting » en terminologie anglosaxonne), une fine couche de mastic liquide est interposée.

Les mastics d’interposition aéronautiques sont majoritairement des polymères de polysulfures réticulables, appliqués sous forme fluide visqueuse sur les surfaces des structures à assembler. Ces polymères présentent à l’état non polymérisé un comportement viscoélastique. Lorsque la vitesse de déformation est élevée, par exemple quand une fixation est installée avec un pistolet pneumatique pour assembler deux structures comprenant un mastic visqueux, le mastic se comporte comme un solide élastique qui ne flue pas et concentre une forte contrainte résiduelle, source d’un relâchement de la tension installée dans l’assemblage une fois que le mastic se met à fluer, et à polymériser.

Le document US3232162 décrit une méthode de pose d’un rivet à tirer, comprenant une tige de traction et une douille, dans un perçage réalisé au travers de deux éléments de structure à l’interface desquels un mastic d’interposition humide est interposé. Lors de la traction au moyen d’un outil à piston, les deux éléments de structure se rapprochent, le mastic flue radialement autour du perçage et s’aplatit de sorte que l’épaisseur des éléments de structure assemblés diminue. Ce document n’indique pas comment la traction doit être effectuée pour que le fluide visqueux puisse effectivement fluer sous l’effet d’une contrainte brutale.

Le document US6748642 décrit une méthode de pose d’une fixation de type lockbolt dans un perçage réalisé au travers de deux éléments de structure comprenant un mastic d’interposition à l’interface. Le document indique que la fixation est soumise à un effort de traction extrêmement rapide, trop rapide pour que le mastic visqueux puisse effectivement fluer. Pour pallier le délai d’attente nécessaire de fluage du mastic visqueux, de l’ordre de plusieurs secondes, la solution décrite dans ce document est d’augmenter progressivement la force de traction sur la tige du lockbolt au fur et à mesure qu’une bague est sertie sur la portion annulaire de sertissage du lockbolt, jusqu’à la rupture de ladite tige.

Cette solution concerne un type de fixations sans douille et ne peut être généralisée à des fixations comprenant une tige et une douille telles que les rivets aveugles. De plus, cette solution n’indique pas de valeurs numériques pour la vitesse de traction de la tige.

En règle générale, les industriels cherchent à diminuer le temps de pose des fixations pour augmenter la productivité et la rentabilité. De ce fait, les tractions, vissages et autres opérations accompagnant la pose des fixations sont exécutées manuellement et/ou automatiquement à grande vitesse, dans la limite des tolérances des pièces et dispositifs mis en jeu. Par exemple, les vitesses de traction préconisées sur les tiges de fixations de type rivets aveugles sont de l’ordre d’au moins 10mm/s, et les vitesses des outillages pneumatiques sont bien plus élevées, de l’ordre de 20 à 35mm/s.

Ces vitesses ne permettent pas d’obtenir le fluage des mastics liquides d’interposition et induisent des contraintes résiduelles dans les mastics, qui ensuite provoquent un relâchement plus ou moins rapide de la tension installée dans les assemblages.

Présentation de l’invention

La présente invention vise à pallier les inconvénients de l’art antérieur exposés supra, en particulier à limiter les relâchements de tension et les pertes de précharge dans des assemblages de pièces structurales comprenant un mastic d’interposition, en adaptant la pose des fixations au comportement du mastic de sorte à obtenir le fluage de celui-ci.

À cet effet, la présente invention a pour objet un procédé de pose d’une fixation de type rivet aveugle, comprenant une tige et une douille, au travers d’un assemblage comprenant au moins deux pièces structurales et une couche de fluide visqueux, tel qu’un mastic d’interposition à l’état non polymérisé, interposée à au moins une interface entre lesdites pièces, ledit procédé comprenant une étape d’insertion de la fixation dans un perçage préalablement réalisé dans l’assemblage et une étape de traction sur la tige jusqu’à la formation d’un bulbe au niveau de la douille, ledit bulbe venant en appui contre une pièce de l’assemblage. Ce procédé est remarquable en ce que la traction est effectuée à une vitesse comprise entre 0,08 et 4,2mm/s et s’accompagne simultanément d’un fluage de la couche de fluide visqueux.

De préférence, la vitesse de traction sur la tige est comprise entre 2,5 et 4,16mm/s.

Selon un mode de réalisation, la vitesse de traction sur la tige est constante.

Selon un mode de réalisation, la vitesse de traction jusqu’à la formation d’un bulbe de taille critique est supérieure à la vitesse de traction au-delà de la formation dudit bulbe.

Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre une étape de torsion de la tige jusqu’à sa rupture.

Selon un mode de réalisation, l’étape de traction sur la tige s’accompagne simultanément d’un contre appui sur une tête élargie de la douille, de sorte à serrer les pièces structurales de l’assemblage, les unes contre les autres, entre ladite tête élargie et le bulbe.

Selon l’invention, le procédé de pose peut être partiellement ou totalement mis en œuvre par un système de pose automatique tel qu’un robot.

Dans un exemple d’application non limitatif, les pièces structurales sont des panneaux d’une structure aéronautique.

Les concepts fondamentaux de l’invention venant d’être exposés ci-dessus dans leur forme la plus élémentaire, d’autres détails et caractéristiques ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit et en regard des dessins annexés, donnant à titre d’exemple non limitatif un mode de réalisation d’un procédé de pose de fixation conforme aux principes de l’invention.

Présentation des dessins

Les figures sont données à titre purement illustratif pour l’intelligence de l’invention et ne limitent pas la portée de celle-ci. Les différents éléments sont représentés de manière schématique et ne sont pas nécessairement à la même échelle. Sur l’ensemble des figures, les éléments identiques ou équivalents portent la même référence numérique.

Il est ainsi illustré en :

: une vue en perspective d’une fixation aveugle pour la mise en œuvre d’un procédé de pose selon l’invention ;

: une vue de profil de la fixation avec une coupe longitudinale de la douille pour laisser transparaitre la tige en entier ;

: les principales étapes du procédé de pose selon un mode de réalisation de l’invention ;

: l’état final d’un assemblage après la pose de la fixation

: un graphique de la tension résiduelle dans l’assemblage pour différentes épaisseurs du mastic d’interposition et différentes vitesses de traction ;

: une représentation schématique d’un cône de compression induit par une fixation boulonnée dans un assemblage ;

: le graphique de la avec deux tests supplémentaires utilisant des vitesses de traction variables selon la phase de traction.

Description détaillée de modes de réalisation

Des dispositifs et procédés bien connus de l’homme du métier sont ici décrits pour éviter toute insuffisance ou ambiguïté dans la compréhension de la présente invention.

Dans le mode de réalisation décrit ci-après, on fait référence à un procédé de pose d’une fixation pour assembler deux pièces structurales à l’interface desquelles un mastic est interposé. Ce procédé est principalement destiné à la pose de rivets aveugles. Il s’agit d’un exemple non limitatif, donné pour une meilleure compréhension de l’invention, sans exclure la mise en œuvre du procédé pour la pose d’un autre type de fixations.

Dans la suite de la description, le terme « fixation » désigne une fixation aveugle, autrement dit une fixation qui s’installe au travers d’un assemblage de structures par un seul côté de l’assemblage.

Avant de décrire les étapes du procédé de pose selon l’invention, il convient de rappeler brièvement les principales caractéristiques d’une fixation connue utilisée pour la mise en œuvre dudit procédé. Cette fixation est un rivet aveugle de type tiré-vissé commercialisé par Lisi Aerospace sous le nom OPTIBLIND (marque déposée).

Les figures 1 et 2 représentent une fixation 100, de type rivet aveugle OPTIBLIND, comprenant une vis 10 et une douille 20 dans laquelle la vis est partiellement logée, et s’étendant longitudinalement suivant un axe X. La vis 10 comporte une tête fraisée 11, un élément de préhension 13 en prolongement de la tête fraisée, une gorge de rupture 12 au niveau de la jonction entre ladite tête et l’élément de préhension, ainsi qu’un fût cylindrique 15 placé dans la douille 20 et comprenant une partie lisse 151 et une partie filetée 152. La douille 20 comprend un corps tubulaire 21 surmonté d’une tête élargie 22 aptes à recevoir respectivement le fût cylindrique 15 et la tête fraisée 11 de la vis 10.

L’élément de préhension 13 est destiné à coopérer avec un outil de pose, non représenté, tel qu’un nez effecteur d’un système de pose automatique de type robot.

Selon l’exemple illustré, l’élément de préhension 13 comporte une portion 14 apte à transmettre un couple de vissage entre l’outil de pose et la vis 10, et transmettre à la vis 10 un effort de traction exercé par ledit outil.

Lors de la pose de la fixation 100, la vis 10 se rompt en torsion au niveau de la gorge de rupture 12 pour libérer l’élément de préhension 13.

La représente schématiquement les principales étapes de pose de la fixation 100 pour assembler une première pièce structurale 200a et une deuxième pièce structurale 200b à l’interface desquelles une couche de mastic 300 est interposée.

La pose de la fixation 100 se déroule suivant les principales étapes suivantes : une étape (a) d’insertion de la fixation (100) dans un perçage préalablement réalisé au travers des pièces structurales ; une étape (b) de traction de la vis 10 par l’élément de préhension 13 ; et une étape (c) de vissage de la vis jusqu’à sa rupture (d) au niveau de la gorge de rupture 12.

Initialement, la fixation 100 est insérée dans un perçage traversant, préalablement réalisé au travers des pièces structurales 200a et 200b accolées l’une à l’autre par l’intermédiaire du mastic 300. L’insertion de la fixation 100 se fait par une face avant 210a de la première pièce 200a opposée à une face arrière 220b, dite face aveugle, de la deuxième pièce 200b.

Une traction est ensuite exercée sur la vis 10 simultanément à un blocage de la douille 20 par une pression, de sens opposé, exercée sur une surface de la tête élargie 22, jusqu’à la formation d’un bulbe 23 au niveau du corps tubulaire 21, ledit bulbe venant s’appliquer contre la face aveugle de l’assemblage.

Par conséquent, les pièces structurales 200a et 200b sont serrées l’une contre l’autre entre le bulbe 23 et une surface conique externe de la tête élargie 22. Cela a pour effet de compresser la couche de mastic 300, initialement interposée à l’interface des pièces structurales, et de diminuer son épaisseur comme représenté sur la .

Enfin, le vissage de la vis 10 permet de replacer la tête 11 de la vis 10 dans la tête élargie 22 de la douille 20 pour ainsi rattraper le décalage causé par la traction et serrer au maximum les deux pièces structurales jusqu’à la rupture de l’élément de préhension au niveau de la gorge 12. La rupture de la vis 10 détermine la tension finale installée dans l’assemblage.

La représente l’état final de l’assemblage des pièces structurales 200a et 200b avec la fixation 100 posée définitivement.

Lors de l’étape de traction sur la vis 10, la vitesse de traction est comprise entre 0,08 et 4,2mm/s. Cette plage de valeurs a été déterminée grâce à une série d’essais expérimentaux avec des couches de mastic de différentes épaisseurs e.

Le procédé de pose selon l’invention permet ainsi de faire fluer le mastic 300 lors de l’étape de traction sur la vis 10, et non après l’étape de traction, afin de limiter l’apparition de contraintes résiduelles dans ledit mastic dues à une déformation brusque, lesquelles contraintes pourrait ensuite causer un relâchement de la tension installée dans l’assemblage. Le procédé assure un fluage du mastic frais avec une durée maitrisée et répétable, indépendante d’un opérateur devant attendre un certain temps avant de poursuivre la pose de la fixation. Le procédé ne nécessite pas non plus d’outil de pose muni d’un dispositif de régulation complexe de la vitesse.

De préférence, la vitesse de traction sur la vis 10 est sensiblement constante et peut être appliquée durant tout ou partie de la traction.

La vitesse de traction sur la vis 10 correspond à une vitesse de chargement du mastic 300, et plus précisément de compression dudit mastic.

En effet, à grande vitesse de chargement (à partir de 10mm/s), le mastic à l’état visqueux se comporte comme un solide élastique et ne flue pas pendant le chargement, ce qui laisse apparaitre une contrainte résiduelle après déformation, tandis qu’à faible vitesse de déformation, un fluage du mastic est obtenu.

Les essais réalisés par les inventeurs ont montré que selon l’épaisseur de la couche de mastic 300, la perte de la précharge dans l’assemblage des pièces pouvait être contenue à 16%, en ajustant la vitesse de chargement en fonction de l’épaisseur de ladite couche. Des essais de pose ont été réalisés à 5, 100 et 250mm/min sur des assemblages comprenant 0,1, 0,2, 0,3 et 0,4mm de mastic.

La est un graphique de la tension résiduelle dans l’assemblage pour différentes épaisseurs du mastic d’interposition et différentes vitesses de traction, obtenu après plusieurs séries de tests. La mention « PR frais » signifie que les essais sont réalisés avec du mastic humide et non polymérisé à l’interface de deux structures assemblées. La mention « à sec » signifie que les structures sont assemblées sans mastic. Le graphique montre que la tension résiduelle la plus élevée est obtenue pour une épaisseur nulle du mastic d’interposition, autrement dit pour une absence de mastic entre les pièces assemblées, et que la présence du mastic d’interposition provoque la baisse de cette tension résiduelle, proportionnellement à l’épaisseur de celui-ci. Ainsi, les tensions résiduelles les plus faibles sont obtenues avec une épaisseur de 0,4mm.

Le graphique de la montre également qu’en l’absence de fluage du mastic d’interposition, une baisse de la vitesse de traction a un effet négligeable sur la tension résiduelle comme en témoignent les séries à 250mm/min et à 100mm/min pour une épaisseur de mastic de 0,4mm.

En revanche, lorsque la vitesse de traction permet le fluage du mastic d’interposition, en l’occurrence une vitesse de 5mm/min (environ 0,083mm/s) pour une épaisseur de mastic de 0,4mm, la tension résiduelle se conserve (carré noir sur la ).

Pour des épaisseurs de mastic inférieures à 0,4mm, des vitesses supérieures à 0,08mm/s, mais inférieures à 4,8mm/s, permettent tout autant de conserver la tension résiduelle. Ainsi, pour des épaisseurs décroissantes à partir de 0,4mm, la vitesse de traction peut être adaptée de façon croissante entre 0,08 et 4,2mm/s afin de permettre un fluage du mastic et de contenir la perte de précharge dans l’assemblage.

Néanmoins, il convient de noter que la vitesse de traction peut être adaptée en fonction de la phase de traction sur la fixation. Plus particulièrement, pour faire fluer le mastic d’interposition comme le ferait une fixation boulonnée, une vitesse basse n’est nécessaire qu’à partir du moment où le bulbe formé appuie sur la face aveugle de l’assemblage.

En effet, le flambage de la douille lors de la phase de traction induit un cône de compression dans l’assemblage semblable à celui provoqué par une fixation boulonnée 400, représentée sur la , dès que le flambage est suffisant pour qu’une partie déformée de la douille contacte la face aveugle dudit assemblage (ci-après « point critique »). C’est uniquement à ce moment qu’une vitesse basse est nécessaire, pour faire fluer le mastic comme le ferait une fixation boulonnée.

La illustre ce propos en montrant la différence de tension résiduelle, pour une épaisseur de mastic de 0,4mm, entre une phase de traction avec une vitesse de 250mm/min jusqu’au point critique suivie d’une vitesse de 5mm/min jusqu’à la fin de la traction (marque + sur le graphique) et une phase de traction inverse, c’est-à-dire avec une vitesse de 5mm/min jusqu’au point critique suivie d’une vitesse de 250mm/min jusqu’à la fin de la traction (marque x sur le graphique).

Ainsi, une traction à haute vitesse jusqu’au point critique suivie d’une traction à basse vitesse au-delà du point critique permet de conserver une tension résiduelle nettement plus élevée qu’une traction inverse.

Il ressort clairement de la présente description que certains ajustements peuvent être apportés au procédé de pose selon l’invention, sans pour autant sortir du cadre de l’invention.

Claims

Procédé de pose d’une fixation (100) de type rivet aveugle, comprenant une tige (10) et une douille (20), au travers d’un assemblage comprenant au moins deux pièces structurales (200a, 200b) et une couche de fluide visqueux (300), tel qu’un mastic d’interposition à l’état non polymérisé, interposée à au moins une interface entre lesdites pièces, ledit procédé comprenant une étape (a) d’insertion de la fixation dans un perçage préalablement réalisé dans l’assemblage et une étape (b) de traction sur la tige (10) jusqu’à la formation d’un bulbe (23) au niveau de la douille (20), ledit bulbe venant en appui contre une pièce (200b) de l’assemblage, caractérisé en ce que la traction est effectuée à une vitesse comprise entre 0,08 et 4,2mm/s et s’accompagne simultanément d’un fluage de la couche de fluide visqueux (300).
Procédé selon la revendication 1, dans lequel la vitesse de traction sur la tige (10) est comprise entre 2,5 et 4,16mm/s.
Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la vitesse de traction sur la tige (10) est constante.
Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la vitesse de traction jusqu’à la formation d’un bulbe de taille critique est supérieure à la vitesse de traction au-delà de la formation dudit bulbe.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une étape (c) de torsion de la tige (10) jusqu’à sa rupture.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape (a) de traction sur la tige (10) s’accompagne simultanément d’un contre appui sur une tête élargie (22) de la douille (20), de sorte à serrer les pièces structurales (200a, 200b) de l’assemblage, les unes contre les autres, entre ladite tête élargie et le bulbe (23).
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est partiellement ou totalement mis en œuvre par un système de pose automatique tel qu’un robot.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les pièces structurales (200a, 200b) sont des panneaux d’une structure aéronautique.