En tant qu'indicateur essentiel pour le contrôleboulonforce de serrage, la réalité est que la majeure partie du couple de serrage est perdue par frottement, avec seulement une petite partie réellement convertie en force de serrage. Alors, quels facteurs déterminent en fin de compte la répartition du couple des boulons et l’ampleur du coefficient de frottement ? Aujourd'hui, l'éditeur de Jiangsu Jinrui partagera une étude empirique basée sur l'analyse microtopographique, qui révèle les facteurs clés influençant la répartition du couple des boulons et le coefficient de frottement, fournissant ainsi une base solide pour obtenir une fixation de haute-fiabilité.
1. Coefficient de friction et répartition du couple
Lors du serrage d'un boulon, le couple d'entrée n'est pas entièrement utilisé pour étirer le boulon et générer une force de serrage. En effet, le couple est réparti entre trois voies de consommation :
Frottement du filetage : une friction se produit dans la zone de contact du filetage entre le boulon et l'écrou, consommant une grande quantité de couple ;
Frottement de la surface d'appui : une friction existe également entre la tête du boulon et la rondelle ou la surface du composant connecté, et le couple consommé dans cette pièce représente une proportion plus importante ;
Effet d'angle d'attaque du filetage (c'est-à-dire composant de précharge efficace) : seule cette partie du couple est véritablement utilisée pour étirer le boulon et ainsi former une force de serrage.
Des études ont montré qu'environ 85 à 90 % du couple est utilisé pour surmonter le frottement, et que seulement 10 % environ sont convertis en force de traction des boulons.
Cela signifie qu'une fois le coefficient de frottement modifié, l'efficacité de conversion de couple changera en conséquence, ce qui entraînera une différence possible de plus du double dans la force de serrage générée sous le même couple. Par conséquent, il n’est pas fiable de verrouiller la force de serrage uniquement par le couple.
2. Conception du schéma
Pour explorer en profondeur les principaux facteurs déterminant la répartition du couple des boulons et le coefficient de frottement, le laboratoire de tribologie de l'École Centrale de Lyon en France a conçu un schéma expérimental systématique. L'objectif principal de ce programme est de combiner les tests mécaniques avec l'analyse microtopographique de surface pour établir une relation causale entre le comportement de friction et la microstructure.
L'expérience a été menée conformément à la norme ISO 16047 pour les tests de couple-force de serrage. Les boulons utilisés étaient de spécification M10×60, en acier 30MnB4, qui étaient à tête froide-, filetés-laminés, puis électrozingués. Les valeurs spécifiques du couple total ont été enregistrées en détail, tandis que le couple du filetage et le couple de la surface d'appui ont été séparés pour calculer avec précision le coefficient de frottement et analyser la loi de répartition du couple. La technologie de numérisation de topographie tridimensionnelle -a été utilisée pour extraire les paramètres liés à la rugosité-, et les modifications des paramètres avant et après le serrage ont été comparées pour explorer la corrélation intrinsèque entre le comportement de friction et la microtopographie. Cette conception prend non seulement en compte les performances mécaniques, mais explore également le niveau micro, révélant les raisons fondamentales des changements dans la répartition du couple des boulons et le coefficient de frottement.
3. Méthode de vérification des tests
Sur la base du schéma ci-dessus, un dispositif de test conforme à la norme ISO 16047 a été construit, capable de mesurer avec précision le couple et la force de serrage. Le processus de test comprend les liens suivants :
Fixation et chargement des boulons : installez le boulon sur un banc d'essai standardisé, appliquez un couple défini et-enregistrez en temps réel les valeurs du couple total, du couple du filetage, du couple de la surface d'appui et de la force de serrage ;
Mesure de séparation par friction : Séparez la friction du filetage de la friction de la surface d'appui grâce à la structure spéciale du dispositif et des capteurs pour garantir la précision du calcul du coefficient de friction ;
Disposition de numérisation topographique : avant et après chaque opération de serrage, effectuez une numérisation tridimensionnelle-sur la surface d'appui de la tête de boulon et la surface de la rondelle pour capturer des informations sur les caractéristiques au niveau du micron- ;
Extraction et analyse des paramètres : extrayez les paramètres liés à la rugosité- et combinez-les avec des données de frottement pour analyser la relation correspondante entre les changements de topographie de la surface et le comportement de frottement.
La figure ci-dessous montre la structure du banc d'essai et les positions spécifiques des points de mesure.
4. Analyse des résultats de topographie
Les données de test ont révélé plusieurs phénomènes clés qui aident à comprendre en profondeur les facteurs fondamentaux déterminant la répartition du couple et le coefficient de frottement :
4.1 Changements dynamiques du coefficient de friction
Pendant le processus de serrage, le coefficient de frottement n'est pas constant mais change continuellement avec l'état du contact. Généralement, le coefficient de frottement de la surface d'appui est environ 44 % plus élevé que le coefficient de frottement du filetage, ce qui indique que la majeure partie du couple est consommée sur la surface d'appui plutôt que sur la surface du filetage.
4.2 Dispersibilité importante du couple
Même lorsque le même objectif de force de serrage est défini, la différence entre le couple requis peut être presque le double. Par exemple, certains boulons nécessitent un couple de 96,7 Nm, tandis que d'autres n'ont besoin que de 54,5 Nm. Cette dispersibilité des valeurs de couple est directement provoquée par l'instabilité du coefficient de frottement.
4.3 Évolution significative de la topographie de surface
Les résultats de l'analyse tridimensionnelle-montrent que les paramètres de rugosité de la surface d'appui ont subi des modifications significatives :
Le carré (rugosité quadratique moyenne) a diminué d'environ 5,3 μm à 1,04 μm et la surface est devenue plus lisse ;
Ssk (asymétrie) est devenu négatif, indiquant un changement dans la répartition des pics et des vallées de la surface, avec davantage de matière concentrée dans les points bas (vallées) de la surface, et les caractéristiques des fosses sont devenues plus évidentes ;
La valeur de Sku (kurtosis) a augmenté, ce qui signifie que la capacité portante de la surface a été améliorée.
Ces changements indiquent que pendant le processus de serrage, la surface subit une déformation plastique, la surface de contact réelle augmente et le comportement de friction change en conséquence. La figure ci-dessous montre la topographie tridimensionnelle-de la surface d'appui de la tête de boulon avant et après serrage : avant le serrage, la surface présente une structure de crête rugueuse évidente-vallée ; après serrage, les pics rugueux sont cisaillés, la surface a tendance à être plate et la directionnalité est plus évidente. Cela montre que la friction consomme non seulement de l’énergie, mais remodèle également la structure de la surface au niveau micro.
La figure ci-dessous marque clairement les marques de frottement et les zones de déformation plastique sur la surface d'appui grâce à une observation microscopique : il y a des rayures importantes dans certaines zones, et la direction d'extension des rayures est cohérente avec le sens de rotation du boulon, indiquant que le frottement a provoqué un écoulement de matière et des dommages à la surface.
La figure ci-dessous présente les caractéristiques inégales du contact de la surface d'appui : la surface de contact réelle est beaucoup plus petite que la surface nominale et la charge est concentrée dans quelques micro-zones, conduisant à des états de contrainte-localement élevés et à une déformation plastique. Ce contact irrégulier est le facteur clé provoquant des fluctuations du coefficient de frottement.
