Dévissage, angle d'hélice et horlogerie

Le dévissage c’est quoi ?

Le dévissage c’est lorsque les éléments de la liaison vissée vont se mettre à tourner l’un par rapport à l’autre. Cette rotation entraîne du desserrage (perte de l’effort de serrage). Mais on parle bien de dévissage.

Le desserrage au sens strict du terme correspond à la perte de l’effort de serrage. Et on peut avoir une perte d’effort de serrage sans dévissage !!! Je ferai un article sur le sujet.

Le dévissage et le desserrage n’ont pas les mêmes causes, mais on souvent les mêmes conséquences : perte de l'effort de serrage, perte de la liaison ou des pièces assemblées, pièces non maintenues en position, ruptures…

Rappel

L’effort de serrage est le paramètre fonctionnel des assemblages vissés précontraints. Il permet de garantir :

- Le non-décollement des interfaces

- Le non-glissement des interfaces

- Le filtrage et la tenue dynamique

Lorsqu’un glissement à l’interface se produit (effort de serrage insuffisant, coefficient d’adhérence insuffisant à l’interface ou efforts transversaux trop élevés) cela va générer des problèmes de dévissage.

Du glissement au dévissage

En présence d’un glissement à l’interface, différentes phases vont se succéder :

1. Phase d’adhérence à l’interface : aucun glissement ne se produit, l’effort de serrage est constant dans le boulon

2. Glissement à l’interface : un glissement se produit à l’interface des pièces serrées, le boulon va être mis en flexion car la tête de vis ou l’écrou n’ont pas glissés par rapport aux pièces, l’effort de serrage est constant dans le boulon

3. Glissement sous tête de vis ou sous écrou : l’effort de réaction sous écrou ou sous tête de vis devient trop important et un glissement se produit sous tête de vis ou sous écrou. Lors du glissement la fixation va se dévisser, l’effort de serrage va diminuer et la flexion dans le boulon va se relâcher.

Le dévissage est d’autant plus rapide si les efforts transversaux sont alternés ou s’il y a présence de vibrations.

Le modèle de THOMALA

Un modèle analytique de poutre bi-encastrée en flexion permet de prédire à partir de quel déplacement entre les pièces (glissement) il y a un risque de perte d’adhérence sous tête de vis ou sous écrou. On parlera de seuil critique de dévissage.

En pratique on cherche toujours à avoir un déplacement critique le plus grand possible. Pour y parvenir on va privilégier :

- Un effort de serrage important

- Des frottements pas trop faibles sous fixations (écrou ou tête de vis)

- Une bonne longueur serrée (idéalement Lp / d > 3)

- Une vis souple

Récemment C. Delcher a proposé un modèle plus prédictif pour les assemblages avec faibles longueurs serrées. Ce modèle est basé sur une poutre mono-encastrée et intégre le rotulage dans les filets.

Déplacement critique et jeu transversal

Certains industriels ajoutent des sécurités supplémentaires pour les assemblages qui doivent transmettre des efforts par adhérence. Si vous ajoutez un piontage dans votre assemblage, vous pouvez prévoir vos jeux maxi de piontage de manière qu’ils soient inférieurs au déplacement critique de Thomala comme ça en cas de glissement accidentel les efforts seront repris par cisaillement du pion sans risquer de générer du dévissage.

Une autre possibilité (couteuse) est de limiter le jeu entre la fixation et le trou de passage (fixations ajustées, boulons expansibles, contreperçage des pièces…)

Angle d’hélice et couple utile

On l’a vu quand on effectue un serrage au couple, seulement 10 à 20% du couple sert à installer de la tension dans la fixation. Ce couple appelé couple utile peut s’exprimer comme suit :

Le couple utile est résistant lors du serrage au couple, mais devient moteur au dévissage ! Il favorise le retour à l’état non serré de la fixation.

Par conséquent une fixation au pas fin se dévissera moins facilement qu’une fixation au pas gros à même effort de serrage. En effet, le couple utile sera plus petit pour une fixation au pas fin à même effort de serrage. Plus le pas est gros pour une fixation et plus l’angle de l’hélice du filetage est important (plus la pente du toboggan est raide…).

Si l’on s’intéresse au rapport entre le pas et le diamètre pour les filetages ISO on s’aperçoit que plus le diamètre des fixations est petit et plus l’angle d’hélice est grand.

En pratique et d’expérience, on considère qu’en dessous de M12 pour les fixations à pas gros on se place dans des configurations défavorables pour le dévissage spontané.

Parenthèse horlogère

Les micro-assemblages vissés horlogers fonctionnent comme les assemblages vissés de plus grande taille.

Historiquement, les techniques d’usinages ne permettaient pas de faire des pas très fins sur les fixations horlogères (entre 0,4 et 1,2 mm de diamètre). Les horlogers ont donc défini des pas standards à partir des possibilités d’usinage de l’époque… et ces pas standards sont restés comme étant la norme alors que les micro-usinages actuels permettent de faire beaucoup mieux.

Si l’on compare le ratio pas / diamètre des fixations horlogères et des fixations industrielles de taille courante on s’aperçoit que le pas est énorme et au-dessus de la valeur 0,15 (valeur critique d’expérience) pour les risques de dévissage spontané. Et en pratique il y a des problèmes de dévissage dans les belles montres mécaniques… avec des conséquences parfois négatives pour l’image de marque.

Récemment de nombreux horlogers ont optés pour l’utilisation du frein filet pour sécuriser leurs assemblages. Bien que performant, ce procédé est couteux, compliqué à mettre en œuvre et ne facilite pas le démontage en SAV.

En optimisant la conception des liaisons vissées on peut se placer dans un état ou on peut supprimer le frein filet. Pour se faire on peut notamment jouer sur le pas mais principalement sur l’élasticité des liaisons pour limiter le desserrage… On parlera du desserrage dans un prochain article.

La sécurisation : un parachute de secours

La conception et la tenue d’un assemblage vissé se fait sans tenir compte de la sécurisation. La sécurisation doit répondre de l’aspect sécuritaire et accidentelle mais ce n’est pas elle qui doit faire tenir l’assemblage.

Les solutions de sécurisation courantes sont nombreuses (écrou frein, frein filet, écrou contre/écrou…). Attention elles n’ont pas toutes la même performance et n’ont pas toutes les mêmes conditions de performance.

Globalement on retrouve deux familles de solution de sécurisation : les systèmes qui fonctionnent indépendamment de l’effort de serrage et ceux qui ne fonctionnent qu’avec un effort de serrage.

Je ferai un article dédié ultérieurement.

Synthèse :

Le dévissage à ne pas confondre avec le desserrage, correspond à la rotation des éléments de la liaison filetée. Cette rotation génère du desserrage mais on peut avoir un desserrage sans dévissage.

Le dévissage apparaît lorsque le critère de non-glissement n’est plus respecté. Le glissement des pièces intervient en premier et peut être suivi d’une perte d’adhérence entre la tête de vis ou l’écrou et la pièce serrée qui se manifestera par un dévissage spontané de la liaison.

Pour améliorer la performance d’un assemblage face au dévissage on peut :

- Serrer plus fort

- Augmenter le coefficient d’adhérence à l’interface (état de surface, dégraissage…)

- Favoriser des frottements élevés sous éléments de fixation (attention il faut tout de même pouvoir serrer fort)

- Assouplir la vis, en jouant notamment sur la longueur serrée (ratio Lp / d), en ajoutant des entretoises ou des rondelles

- Augmenter le seuil de déplacement critique (critère de Thomala)

- Limiter le déplacement possible pour la liaison (ajustement, piontage…)