Par Dr.-Ing. Christoph Blunk

1. Introduction

Les Lockbolts sont un concept relativement nouveau dans le monde des fixations, inventés dans les années 1940 par Louis C. Huck. Il a développé le concept de boulon serti (connu à l'époque sous le nom de HuckBolt) pour la marine américaine et les wagons de chemin de fer afin de résoudre les problèmes liés au desserrage des écrous et des boulons conventionnels soumis à de fortes vibrations. Le premier brevet de Lockbolt a été accordé en 1950 et Lou Huck a fondé la marque Huck, aujourd'hui largement connue.

Figure 1. Le premier Lockbolt breveté, par Louis C. Huck

La conception unique de la fixation offrait de véritables solutions aux problèmes courants tels que 1) la perte de précontrainte dans l’assemblage, 2) les effets de prise et de relaxation dans le filetage, 3) le desserrage sous charge vibratoire, 4) le mouvement relatif dans la zone d'appui du filetage. La nouvelle technologie de fixation est rapidement devenue populaire parmi les fabricants de structures mécaniques et de véhicules de transport de l'époque, offrant des avantages très appréciés par rapport aux méthodes d'assemblage traditionnelles.

Depuis les années 1940, les ingénieurs de Huck ont développé la conception originale du LockBolt afin d'en améliorer les performances et de l'adapter à un large éventail d'applications et de marchés.  Aujourd'hui, les LockBolts sont utilisés dans le monde entier dans une grande variété d'industries par des fabricants qui cherchent à réduire la maintenance des assemblages boulonnés, à éviter les contraintes du soudage, ou qui cherchent simplement à accélérer leurs processus d'assemblage.

 


Figure 2 : Différents types de Lockbolt

Définition d'un Lockbolt:

Un Lockbolt (boulon serti) est une fixation en deux parties, composée d'un axe en métal trempé et d'une bague en métal. Un outil d'installation spécial saisit la tige de traction du boulon et tire ensuite pour fermer l’entrefer entre les matériaux à assembler, en sertissant la bague dans les rainures de la tige, formant une force de serrage spécifique et mesurée pour maintenir les pièces assemblées ensemble.

Les systèmes LockBolt offrent des avantages significatifs aux fabricants, tels que : a) des installations très rapides, b) une force de serrage élevée et répétitive, c) des assemblages sans maintenance et résistants aux vibrations et d) une excellente résistance au cisaillement, à la traction et à la fatigue. Les Lockbolts sont généralement disponibles dans des diamètres allant de 4,8 mm à 36 mm.

2. Désignation

 

Figure 3: Désignation des principaux composants d'un Lockbolt avec et sans rupture de la tige de traction.

2.1 Tête

La géométrie de la tête des Lockbolt diffère de celle des autres fixations filetées conventionnelles. En général, la tête d'un Lockbolt n’est pas vouée a être mise en rotation par un outil d’installation puisqu’aucun couple d’installation est nécessaire. Sa géométrie dépend a) du type de Lockbolt et b) de l'application.

La tête ronde est le style de tête le plus couramment utilisé pour les Lockbolts. Il existe également des têtes larges, qui sont utilisées avec des matériaux plus tendres, par exemple, ou des têtes fraisées lorsque la fixation doit être affleurante à l’application.

épaulée

 cylindrique cylindrique large saillante Tête fraisée Profil bas

Figure 4: Styles de tête courants pour les Lockbolt

2.2 Tige

La tige est rainurée, avec ou sans partie lisse sous tête. Les Lockbolts courts n'ont souvent pas de partie lisse. La tige lisse correspond généralement au diamètre nominal du boulon et présente une section plus importante que la partie rainurée, de sorte que la capacité de charge est particulièrement élevée dans cette zone.

Pour des applications spéciales, telles que les sièges de voiture, on utilise des boulons à épaulement, dont la tige a un diamètre supérieur au diamètre nominal. Les boulons à épaulement ont une capacité de cisaillement particulièrement élevée.

Sans tige lisse Tige lisse partielle Boulon à épaulement

Figure 5: Différents types de tiges ; sans tige lisse avec rainures sur la tête, tige lisse partielle et boulon à épaulement.

2.3 Rainures de verrouillage

Les rainures de verrouillage sont une caractéristique essentielle des Lockbolts et se distinguent des vis conventionnelles par la géométrie moins profonde de leurs rainures, ce qui se traduit par une section plus importante pour un même diamètre nominal.

Par conséquent, les boulons sertis ont une résistance à la fatigue nettement supérieure à celle des fixations filetées. La résistance à la fatigue peut être calculée conformément à la fiche 3435-2 de l'EFB, sur la base de la norme VDI-2230-1 et de l'Eurocode 3 (EN 1993-1-9).


Figure 6: Comparaison entre les fixations filetées et les Lockbolts avec rainures de sertissage

2.4 Bague (collar)

Les Lockbolts ne peuvent pas être utilisés avec des écrous, mais une "bague" spéciale est utilisée. La bague est fabriquée dans un matériau plus malléable que la tige. Elle est lisse (non filetée) à l'intérieur et, contrairement à un écrou, n'est pas montée par vissage, mais est serti axialement dans les rainures du boulon par l'outil de poser, ce qui génère la force de serrage d'une part et crée une connexion indémontable d'autre part.

En fonction de l'application et du type de boulon, la bague peut être conçue avec ou sans embase. Si l'accessibilité est limitée, il existe également des variantes avec un profil plus bas. Les bagues doivent toujours être choisis en fonction du Lockbolt et ne doivent pas être combinées avec d'autres systèmes d’assemblage.

3. L'installation

3.1 Outillage d’installation

Différents outils d'installation sont utilisés en fonction du matériau et du diamètre de la fixation. Il peut s'agir d'appareils manuels pour les petits diamètres et les petites quantités. Des outils sur batterie sont disponibles pour les tailles allant de 4,8 mm (3/16'') à M14, ou des outils oléo-pneumatiques alimentés par de l'air comprimé. Pour les dimensions plus importantes (jusqu'à M36), on utilise généralement des outils hydrauliques alimentés par un générateur hydraulique éléctrique, diesel ou alimentés par batterie. Il est aussi possible d'automatiser l’installation, ce qui est souvent utilisé pour les très grandes quantités dans la production en série.

Série BT Série SF Appareils hydrauliques Contrôle de processus SureSet Outil à batterie

Figure 7: Outillage et système de contrôle du processus pour les Lockbolts

3.2 Séquence d'installation

Le processus d'installation peut être divisé en 4 étapes et peut être réalisé par le personnel sans nécessiter de qualifications particulières. Une formation de base est généralement suffisante.


Figure 8: Processus d'installation des Lockbolts avec rupture de goupille

  1. Insérer la tige dans le logement et tourner la bague dans le sens des aiguilles d'une montre sur le boulon, l’embase étant orientée vers le composant.

  2. Placer le nez de l'outil sur la tige de traction et actionner la gâchette de l'outil. Les mâchoires du nez saisissent la tige de traction, l’entrefer entre les pièces à assembler est réduit

  3. En maintenant la gâchette de l'outil, le nez de pose (anvil) déforme la bague dans les rainures de verrouillage de la tige lorsque la pression de contact requise est atteinte (charge de sertissage).

  4. L'enclume de l'outil se rétracte automatiquement après le sertissage et libère l'outil du collet. La gâchette de l'outil peut être relâchée.

Le processus d’installation se termine par la déformation d'au moins un des six indicateurs sur la collerette du collier formé. Dans le cas de colliers sans indicateurs, il est possible de vérifier la procédure d'installation à l'aide d'un calibre. Un contrôle optionnel du processus d'installation peut être utilisé pour surveiller et documenter le processus d'installation.

3.3 Inspection visuelle

Des jauges d'inspection sont disponibles auprès de Howmet Fastening Systems et sont recommandées car elles permettent de confirmer que le sertissage complet a eu lieu. Un exemple montrant l'utilisation de ces jauges est présenté ci-dessous. Les calibres sont particulièrement utiles pour les bagues qui n'ont pas d'indicateurs de sertissage afin de garantir des installations correctes.

                         
Figure 9: Inspection visuelle à l'aide d'un calibre

4. Matériaux

Les Lockbolts sont généralement fabriqués en acier au carbone. Les classes de résistance habituelles pour les goupilles sont 5.8, 8.8 ou 10.9 selon la norme ISO 898-1 pour les dimensions métriques ou grade 2, 5 ou 8 selon la norme ANSI/ASME B18.2.1 pour les dimensions impériales. Contrairement à un écrou classique, la bague n'a pas de classe de résistance, car le matériau doit être nettement plus ductile et plus souple pour pouvoir être correctement sertit dans les rainures de verrouillage, mais il est adapté à la résistance de la tige. Les Lockbolts doivent toujours être utilisés comme un ensemble provenant du même fabricant.

Pour les applications plus exigeantes en matière de résistance à la corrosion ou pour les applications légères, il existe également des Lockbolts en acier inoxydable ou en aluminium. Cependant, les boulons ne sont généralement soumis à aucune classe de résistance, mais des valeurs minimales sont données pour la conception en ce qui concerne la tension et le cisaillement.

5. Revêtements

Alors que les aciers inoxydables et les alliages d'aluminium se passent souvent de revêtements supplémentaires, les Lockbolts en acier au carbone doivent être protégés contre l'environnement corrosif par des revêtements.

Le type de revêtement et les épaisseurs dépendent de l'application et des exigences en matière de résistance à la corrosion. Les revêtements les plus courants sont les systèmes de revêtement électrolytique ou organique, par exemple les systèmes de zinc lamellaire (flZn), qui offrent une résistance élevée à la corrosion pour la plupart des applications et ne sont pas sensibles à la fragilisation par l'hydrogène.

La résistance à la corrosion peut souvent être ajustée en fonction de l'épaisseur de la couche et de la durée du processus. Elle est généralement testée dans le cadre d'un essai au brouillard salin neutre (ISO 9227). L'application d'une couche de finition permet d'améliorer encore la résistance à la corrosion. La résistance à la corrosion est mesurée en heures contre la rouille rouge. Dans la construction métallique, la norme ISO 12944 définit des catégories de résistance à la corrosion.

6. Applications

Les Lockbolts peuvent être utilisés partout où l'accès à l’assemblage des deux côtés est garanti. Ils constituent une excellente alternative aux assemblages vissés ou soudés, en particulier lorsque les exigences en matière de sécurité sont élevées pendant toute la durée de vie. Ainsi, en raison de leur capacité de charge statique élevée sous cisaillement et traction et de leur excellente résistance à la fatigue, les Lockbolt sont utilisés dans de nombreux secteurs, de la construction métallique classique à la construction de véhicules ferroviaires et commerciaux, en passant par les énergies renouvelables. Quelques exemples d'applications sont présentés dans la figure ci-dessous.

Construction métallique / Génie civil Énergie solaire éolienne Camion / remorque Wagon / voie ferrée

Figure 10: Applications des Lockbolts

7. Conception et calcul des assemblages par boulons d'arrêt

Des brochures sont disponibles pour aider à la conception et au calcul des assemblages par Lockbolts (www.beuth.de). La fiche technique DVS/EFB 3435-1 donne un aperçu général de leur technologie. De plus, la partie 2 de la fiche (DVS/EFB 3435-2) contient les règles de conception pour la conception selon VDI 2230-1 et pour l'Eurocode 3 (EN 1993-1-3 et EN 1993-1-9).

De plus, Howmet Fastening Systems est titulaire d'un agrément technique du DIBt (l'autorité allemande de la construction) pour les Lockbolts Bobtail (Z-14.4-591) avec un diamètre de M12 à M36.

Si vous avez des questions sur les Lockbolts ou sur la façon dont ils peuvent être utilisés dans votre application, n'hésitez pas à contacter notre équipe d'ingénieurs qui se fera un plaisir de vous aider.