Les progrès du rivetage et de la fixation mécanique

Une tête de rivetage orbitale termine son cycle. Une telle application impliquant de l'acier doux et une panne à un angle de 6 degrés n'applique qu'environ 20 % de la force que nécessiterait un rivetage par impact.

Lorsque vous pensez au rivetage, vous pensez peut-être qu'il s'agit d'une technologie mature où il n'y a pas grand-chose de nouveau sous le soleil. Vous auriez raison, mais seulement en partie. Oui, le rivetage est une technologie ancienne. Placez un rivet dans un trou, appliquez une pression et déformez le tenon pour créer la tête, et vous créez une liaison permanente.

Bien sûr, vous avez besoin que le trou ne soit que légèrement plus grand que le diamètre extérieur du tenon, c'est-à-dire l'extrémité du rivet (ou du fil ou du goujon à rotule) où l'outil de fixation entre en contact ; 6% à 7% est une bonne règle de base. Avec ces paramètres de base définis, vous êtes sur la bonne voie pour atteindre un remplissage de trou maximal, c'est-à-dire un contact solide et sans espace entre le rivet et les matériaux de base.

Même si vous êtes peut-être en route, vous n'y êtes pas encore. En effet, le rivetage n'est pas une technologie immuable. Lorsque vous considérez le processus au sens large comme l'une des nombreuses méthodes de fixation mécanique permanente, vous constaterez que l'innovation abonde. Ils sont tous basés sur l'idée d'appliquer une pression pour déplacer le matériau d'une forme à une autre, tout en ne modifiant pas la structure moléculaire du matériau (ce qui les distingue d'autres processus comme le soudage).

Il peut s'agir de former un tenon solide dans un rivet (rivetage), un tenon creux dans un évasement (évasement), un bossage dans un trou (piquetage), ou une autre situation. Ce qui fonctionne le mieux dépend comme toujours de l'application, y compris l'épaisseur de la pièce, les exigences de résistance des joints, le volume de la pièce et la flexibilité requise. Vous avez beaucoup de choix, et chacun a ses avantages et ses inconvénients. Mais avant de creuser plus profondément, vous devez d'abord connaître les options technologiques du menu, ainsi que les ingrédients qui peuvent tirer le meilleur parti de chaque processus.

Les mécanismes d'alimentation, qui définissent vraiment le rivetage par impact, livrent les fixations à l'enveloppe de travail rapidement et de manière fiable. La fixation pour le prochain rivet peut être mise en scène et prête en quelques fractions de seconde. Enlevez le mécanisme d'alimentation et vous avez une presse à riveter conventionnelle, qu'il s'agisse d'une presse à volant, d'une presse pneumatique à tête angulaire, d'une presse air-huile ou même d'une presse hydraulique. La presse à choisir dépend du tonnage nécessaire pour renverser une fixation particulière dans une pièce donnée.

Avec le rivetage à impact, la vitesse est le nom du jeu. Avec une presse à volant pneumatique ou mécanique, les temps de cycle de rivetage par impact varient de 0,3 à 1 seconde. Le rivetage avec une presse hydraulique peut prendre un peu plus de temps. Les cycles typiques pour les presses à entraînement hydraulique ou hydra-pneumatique sont compris entre 1 et 3 secondes, avec l'outil en place dans l'enveloppe de travail pour obtenir un maximum de "compression" et de gonflement de la tige, en formant à froid le tenon pour remplir le diamètre du trou.

Le rivetage par impact permet également de répondre aux exigences fonctionnelles de certaines applications, notamment les exigences de charge de cisaillement ou de couple. Un rivet peut avoir besoin de résister à une certaine force de torsion, et pour y parvenir, vous devez minimiser ou éliminer les lacunes dans le joint de rivet. La force élevée et l'angle d'impact direct derrière le rivetage par impact créent le gonflement de la tige nécessaire pour y parvenir.

Bien que le rivetage par impact offre une vitesse très élevée, il peut également nécessiter un tonnage élevé, car le rivet est simplement enfoncé directement à travers le composant.

Un tonnage excessivement élevé, qu'il s'agisse d'erreurs de positionnement ou d'autres erreurs, peut entraîner une panne et interrompre l'opération. Il est souvent simple de résoudre ces problèmes, mais si ce n'est pas le cas, vous voudrez peut-être vous tourner vers d'autres méthodes de fixation.

Comparé au rivetage par impact, le rivetage orbital induit considérablement moins de force. Le processus utilise un outil de martelage rotatif décalé à un certain angle. Parce que l'outil de martelage rotatif est légèrement incliné, il applique le rivet en se déplaçant dans un mouvement apparemment bancal, mais ne vous y trompez pas. Ce mouvement est hautement conçu et contrôlé.

Une tête de rivetage orbitale applique une ligne de pression à 360 degrés autour du tenon. La rotation fait que le processus ne déplace qu'un pourcentage du matériau par tour.

L'outil de martelage « masse » ou « pétrit » le matériau au fur et à mesure que l'outil avance et forme la tête. La rotation fait que le processus ne déplace qu'un pourcentage du matériau par tour. Dans le rivetage à percussion, en revanche, tout le diamètre de la panne entre en contact avec la pièce et tente de la déplacer en une seule fois.

Une application de rivetage orbital impliquant de l'acier doux et une panne à un angle de 6 degrés n'applique qu'environ 20 % de la force que nécessiterait un rivetage par impact. Parfois c'est encore moins. Dans le rivetage à percussion, un rivet solide de 0,25 po de diamètre nécessiterait normalement une presse à percussion capable de produire 12 000 livres de force ; la même application dans une configuration de rivetage orbital peut nécessiter entre seulement 1 800 et 2 400 livres. de force.

Le rivetage orbital est également plus contrôlable. Plus précisément, vous pouvez contrôler le taux d'avancement de l'outil de martelage pour atténuer le durcissement du travail et optimiser le processus global. Et parce que le rivetage orbital utilise une machine de moindre capacité, il nécessite généralement un investissement en capital inférieur et a des coûts d'outillage et de maintenance inférieurs.

Le rivetage orbital produit un gonflement de la tige concentré près du haut du corps du rivet. Si vous deviez couper une section transversale, le corps de la tige du rivet inséré ressemblerait à un entonnoir. Lorsqu'une plume inclinée de 6 degrés descend vers le travail, elle se forme aussi bien vers le bas que vers l'extérieur.

En supposant un angle d'outil de 6 degrés, le rivetage orbital produit des forces de charge latérale qui représentent environ 10 % de la force de formage vers le bas. La conception des fixations est essentielle pour garantir la sécurité de la pièce pendant le processus. Plus précisément, la conception du luminaire doit être suffisamment robuste pour résister à cette force de charge latérale de 10 % plus un facteur de sécurité.

Le rivetage orbital a ses inconvénients, le principal étant le temps de cycle. La plupart des temps de cycle de rivetage orbital sont compris entre 2 et 4 secondes, beaucoup plus longs que pour les processus de rivetage à impact les plus rapides. De plus, le rivetage orbital ne peut pas créer le gonflement profond de la tige que peut créer le rivetage par impact. Si un gonflement profond de la tige est une exigence technique qui ne peut pas être modifiée, le rivetage par impact peut être le meilleur choix.

Le rivetage orbital est similaire à un processus appelé rivetage radial, mais il existe quelques différences clés, dont la plupart ont à voir avec le parcours d'outil.

Dans le rivetage orbital, la panne entre en contact à un certain angle de, disons, 6 degrés. Lorsque la tête tourne, l'outil de martelage maintient le contact, mais en raison de la conception orbitale du roulement de la tête, la marteleuse masse ou pétrit le matériau de la pièce, comme décrit précédemment. (Sans la conception du roulement de tête, le point de contact de la panne ferait du rivetage orbital un processus de soudage par friction.) Une révolution du moteur dans le rivetage orbital produit 360 degrés de rotation de l'outil de panne.

Le mouvement du rivetage radial, en revanche, est à peu près analogue au mouvement que vous produisez à l'aide d'un jouet Spirograph, en dessinant plusieurs folioles pendant que vous vous déplacez autour d'un cercle. Il faut plusieurs tours de rivetage radial du moteur, généralement entre 11 et 13, pour faire pivoter l'outil de martelage à 360 degrés. Cela déplace le matériau du centre vers l'extérieur dans un motif de rosette ou de fleuron. La vitesse de rotation de la broche dans le rivetage radial varie de 1 140 à 1 780 tr/min, où la plupart des broches orbitales tournent à 1 140 tr/min.

L'un des grands avantages du rivetage radial est lié aux forces qu'il exerce ou, plus précisément, à l'absence de certaines forces. Le rivetage radial ne produit pas de charge latérale, c'est donc une bonne option pour les rivets ou les pièces à usiner de petit diamètre et à tige longue.

Le rivetage radial commence son cycle sur une pièce minuscule. Le procédé n'exerce aucune charge latérale, ce qui peut simplifier la fixation.

Le rivetage orbital fait partie d'une famille plus large de processus appelés formage orbital, où l'outil de martelage est maintenu à un angle fixe pour créer une ligne de pression de balayage.

Cela inclut le jalonnement orbital. Dans une application de tôlerie, l'outil de martelage (qui a une géométrie différente de celle utilisée dans le rivetage orbital) dilate radialement un bossage d'une pièce dans un trou d'une autre pièce, créant un ajustement serré. C'est similaire à une opération de piquetage conventionnelle, mais dans le piquetage orbital, l'outil de martelage tourne, appliquant à nouveau cette ligne de pression de balayage à 360 degrés autour de la zone de travail.

Une autre variante est le torchage orbital. Au lieu d'un rivet solide, le processus utilise une géométrie d'outil de panne évasée qui évase les tenons de rivet semi-tubulaires ou tubulaires, qui sont également utilisés dans le rivetage conventionnel. Mais encore une fois, au lieu d'une presse descendant et appliquant une force vers le bas, l'évasement orbital utilise une plume tournant à un angle fixe. La panne rotative descend et applique une force précise pour évaser le tenon sur le matériau d'origine.

Supposons que vous joigniez un goujon à rotule dur à une plaque de support, que vous joigniez un fil de percuteur à une plaque de support ou que vous travailliez avec un autre matériau plus dur que l'acier doux. Lorsque vous essayez de le former à froid, il commence à se fracturer et à se fissurer avant d'atteindre la forme finale souhaitée.

Voici où la formation de bouleversement à chaud peut aider. C'est très similaire à une soudure par écrou de projection ou à un processus de soudage par résistance similaire. La principale différence est qu'il ne soude pas deux pièces ensemble. Tant qu'il y a un lien, aucune fusion ne se produit.

Dans le formage à chaud, un outil descend et entre en contact avec l'extrémité d'un rivet ou d'un tenon durci. Au contact, l'outil fait passer le courant à travers le rivet et isole la résistance dans une certaine zone, généralement jusqu'à un point auquel le rivet devient rouge cerise, se rapprochant d'un état fondu. Une fois que la tête applique une pression, la chaleur qui en résulte permet au matériau de s'écouler à travers le joint, maximisant le remplissage des trous, pour produire une forme de tête finie.

L'isolation thermique est essentielle ici. Le contrôleur de processus doit s'assurer qu'il applique une chaleur importante au tenon, mais pas au matériau de base environnant. Le matériau de base chauffera dans une certaine mesure près de l'interface du joint, mais pas de manière significative, sinon vous risquez de déformer ou même de souder les pièces. Si la chaleur n'est pas contrôlée, le processus non plus.

Le refoulement à chaud peut également être idéal pour les applications où le produit final est exposé à de fortes vibrations pendant de longues périodes. Si vous exposez un assemblage de joint avec même un léger espace à des vibrations fortes et prolongées, l'espace augmentera avec le temps et finira par affaiblir le joint. Encore une fois, maximiser le remplissage des trous, ainsi qu'une rupture de matériau minimale ou nulle, est le principal résultat souhaité.

Plus que les autres procédés de fixation mécaniques, le formage à chaud vous offre la meilleure opportunité de maximiser le remplissage des trous dans le joint. Vous devez toujours suivre les directives de conception de base, comme un diamètre de trou d'environ 6% à 7% plus grand que le tenon. Mais si vous travaillez avec un tenon plus dur, comme celui qui se situe entre 28 et 32 ​​Rockwell C, le processus de bouleversement à chaud peut vous donner les meilleures chances de combler les espaces entre celui-ci et le matériau d'origine, et de minimiser la fracture du matériau.

Vous devez vous assurer que le tenon a suffisamment de dépassement de la préforme au-dessus de la surface supérieure de la tôle (ou d'un autre matériau de base), car cela supporte une charge de rétention minimale dans la direction axiale du joint. Mais une fois que la panne applique de l'électricité au tenon, le matériau s'écoulera vers un chemin de moindre résistance, y compris dans ces interstices. En d'autres termes, la résistance électrique qui génère la chaleur facilite la formabilité, tandis que la pression appliquée garantit que le matériau s'écoule aux bons endroits.

Les outils de martelage orbital peuvent être conçus pour une variété de formes de tête.

Les processus discutés ici impliquent la fixation de surfaces planes comme la tôle, mais d'autres impliquent des tubes et une variété d'autres formes cylindriques. Quoi qu'il en soit, tout cela n'est que la pointe de l'iceberg de la fixation mécanique permanente. Plus d'options sont là-bas, et le potentiel d'ingénierie de la valeur abonde.

Mais quelle que soit la méthode exacte, toute stratégie de fixation permanente doit répondre aux exigences de cadence de fabrication et aux exigences fonctionnelles et esthétiques d'une pièce. Il s'agit de déplacer le matériel aux bons endroits et de la bonne manière pour que cela se produise.

Bryan Wright est vice-président des ventes chez Orbitform, 1600 Executive Drive, Jackson, MI 49203, 517-787-9447