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May 03, 2023

Rivetage par injection

Rivetage auto-perceur vs rivetage par injection Le rivetage auto-perceur (à droite) est

Rivetage auto-perçant vs rivetage par injection

Le rivetage auto-perceur (à droite) est un processus d'assemblage à froid pour fixer deux ou plusieurs feuilles de matériau. Lors de l'assemblage, le rivet est enfoncé dans la pile de matériaux avec une force contrôlée, perçant la ou les couches supérieures. Le rivet se dilate radialement dans la couche ou feuille inférieure, sous l'influence d'une matrice, formant un verrouillage mécanique solide. Le rivet ne traverse pas le dernier matériau.

Le rivetage par recouvrement par injection (à gauche) est similaire, mais son principe d'assemblage est basé sur la plasticité et le frottement sans rupture ni formation des surfaces. Le procédé comporte deux opérations consécutives. Tout d'abord, un trou d'anneau en queue d'aronde est usiné dans la tôle inférieure. Ensuite, un rivet semi-tubulaire est pressé à travers la feuille supérieure dans le trou de la feuille inférieure.

Illustration avec l'aimable autorisation de l'Université de Lisbonne

Les chercheurs ont découvert que les trous en queue d'aronde dans les tôles d'aluminium se comportent comme des cavités de matrice dans lesquelles la longueur de la tige du rivet s'écoule. Le rivet a complètement rempli les trous avec des angles d'inclinaison de 15 et 30 degrés, mais des poches de matériau non remplies étaient visibles dans les trous avec un angle d'inclinaison de 45 degrés. Bien que la contre-dépouille soit plus grande pour l'angle d'inclinaison de 45 degrés, les poches non remplies justifient le choix d'angles d'inclinaison plus petits, tels que 30 degrés. Des angles plus petits sont également avantageux car moins de force est nécessaire pour installer le rivet.

Illustration avec l'aimable autorisation de l'Université de Lisbonne

Les tests électriques ont révélé que les joints rivetés produisent moins de résistance électrique que les joints comparables fixés avec un écrou et un boulon.

Illustration avec l'aimable autorisation de l'Université de Lisbonne

Pour leur procédé de rivetage par recouvrement par injection, les chercheurs ont inventé un nouvel outil de coupe. Il se compose de deux couteaux inclinés commandés par des ressorts qui s'ouvriront progressivement pour approfondir les trous en queue d'aronde au fur et à mesure que la table supérieure descend. L'outil peut être facilement fixé à une perceuse ou à une fraiseuse.

Illustration avec l'aimable autorisation de l'Université de Lisbonne

Les barres omnibus sont un composant essentiel des véhicules électriques. Cette bande ou barre métallique distribue efficacement l'énergie électrique des batteries à haute énergie aux moteurs électriques et autres appareils. Habituellement non isolées, les barres omnibus doivent avoir une rigidité suffisante pour être supportées dans l'air par des piliers isolés. Cela aide à refroidir les conducteurs et permet aux ingénieurs de puiser à différents points sans créer de nouveau joint.

Les barres omnibus sont généralement produites par emboutissage de feuilles de cuivre. Cependant, comme l'aluminium est à la fois plus léger et moins cher que le cuivre, les ingénieurs aimeraient utiliser ce métal pour les barres omnibus. Le seul problème avec cette idée est que l'aluminium a une capacité de transport de courant inférieure et une impédance plus élevée que le cuivre en raison de sa plus grande résistivité électrique.

Pour tirer le meilleur parti des deux mondes, les ingénieurs développent des assemblages de barres omnibus qui utilisent les deux métaux. Ces barres omnibus hybrides combinent l'excellente conductivité électrique du cuivre avec la faible densité et le faible coût de l'aluminium.

Bien sûr, la création d'une barre omnibus hybride pose le défi de savoir comment connecter les deux matériaux facilement et efficacement sans provoquer de perturbations électriques. Les options existantes consistent presque exclusivement en des fixations filetées et des technologies de soudage.

Les fixations filetées sont la technologie la plus répandue en raison de leur grande fiabilité et de leur facilité de montage et de démontage. Cependant, les fixations peuvent créer des pressions de contact non uniformes, ce qui peut fausser le flux de courant. Les charges mécaniques et thermiques peuvent desserrer les fixations filetées, provoquant des perturbations électriques. De plus, les panneaux de distribution et les enceintes de canalisation préfabriquée offrent un espace limité pour les fixations filetées.

Les principales technologies de soudage du cuivre et de l'aluminium sont le soudage au laser et le soudage par friction-malaxage. Mais, l'efficacité du soudage est limitée par les propriétés chimiques, mécaniques et thermiques différentes des deux matériaux et par la création de composés intermétalliques durs et cassants.

Le clinchage et le rivetage auto-perforant sont également envisagés pour l'assemblage des barres conductrices hybrides, car ils permettent de réaliser les joints en une seule opération à température ambiante, sans qu'il soit nécessaire de percer ou de poinçonner des trous dans les matériaux. Cependant, ces processus peuvent introduire des distorsions dans le courant électrique en raison de protubérances de matériau au-dessus et au-dessous des surfaces de la feuille. Et, comme pour les fixations filetées, les rivets auto-perforants ajoutent un troisième matériau au mélange.

En 2019, une équipe de chercheurs de l'Université de Lisbonne au Portugal a développé une nouvelle méthode d'assemblage de barres omnibus hybrides sans saillies ni matériaux supplémentaires. Leur méthode combine l'usinage par décharge électrique, le pliage et la compression de la masse des feuilles pour obtenir des joints à forme ajustée qui sont enfermés dans l'épaisseur des feuilles superposées. Le procédé est efficace, mais nécessite une séquence en plusieurs étapes d'opérations de formage.

"Le processus peut être facilement inclus dans un système d'outil de presse progressif", explique Paulo Martins, Ph.D., professeur de génie mécanique à l'Université de Lisbonne, qui a aidé à développer le nouveau processus.

Maintenant, Martins et son équipe de recherche ont introduit une autre nouvelle méthode pour joindre le cuivre à l'aluminium : le rivetage par injection. La nouvelle technique peut être utilisée pour assembler des barres omnibus hybrides ou toute autre application impliquant deux tôles qui se chevauchent.

Le procédé est réalisé en deux étapes à température ambiante. Tout d'abord, un trou d'anneau en queue d'aronde est usiné dans la tôle inférieure. Ensuite, un rivet semi-tubulaire est injecté à travers la tôle supérieure dans le trou en queue d'aronde de la tôle inférieure pour obtenir une liaison par emboîtement. Le principe de fonctionnement est basé uniquement sur la plasticité et le frottement, contrairement au rivetage auto-perceur, qui repose sur la plasticité, le frottement et la rupture pour permettre au rivet de créer une contre-dépouille lorsqu'il est percé à travers les feuilles.

Comparé au rivetage auto-perçant, le rivetage par recouvrement par injection présente de nombreux avantages, selon Martins. Ceux-ci inclus:

Le principal inconvénient du rivetage par injection est qu'il s'agit d'une opération en deux étapes, en raison de la nécessité de percer les trous en queue d'aronde, concède Martins. Cela rend le processus plus lent que le rivetage auto-perçant.

Les principaux paramètres de processus sont l'angle d'inclinaison du trou en queue d'aronde ; la profondeur du trou; l'épaisseur des évidements en queue d'aronde ; le diamètre intérieur et extérieur du trou ; et la longueur de la tige du rivet.

Bien que le processus soit confiné au laboratoire pour le moment, Martins est optimiste quant à son déploiement rapide sur les chaînes de montage. "Les chances que ce processus devienne une technologie commerciale sont bonnes si le concept d'outil de coupe que nous avons créé pour usiner les trous en queue d'aronde peut être intégré avec succès dans l'équipement de traitement de tôle existant", déclare Martins. "Nous travaillons là-dessus."

Martins ajoute que la technologie peut être appliquée à plus que de simples assemblages de barres omnibus. "Le rivetage par recouvrement par injection est applicable à l'assemblage de toutes les tôles superposées fabriquées à partir de matériaux similaires ou différents", dit-il.

Pour tester leur nouveau procédé, les chercheurs ont usiné une série de trous en queue d'aronde dans des feuilles d'aluminium de 5 millimètres d'épaisseur (AA 6082) avec un outil de coupe spécial. La profondeur du trou variait à 3 ou 4 millimètres et l'angle d'inclinaison était fixé à 15, 30 et 45 degrés. Les diamètres intérieur et extérieur des trous ont été maintenus constants, tout comme l'épaisseur des évidements en queue d'aronde.

L'outil de coupe se compose de deux couteaux inclinés commandés par des ressorts qui s'ouvriront progressivement pour approfondir les trous en queue d'aronde au fur et à mesure que la table supérieure descend. L'outil peut être facilement fixé à une perceuse ou à une fraiseuse. La conception de l'outil est flexible et permet un remplacement facile et rapide des couteaux inclinés pour l'affûtage.

Les rivets semi-tubulaires ont été usinés à partir de tiges de cuivre électrolytique de 10 millimètres de diamètre. La longueur de la tige des rivets a été calculée pour assurer le remplissage complet des trous.

Ensuite, les chercheurs ont installé les rivets dans les trous avec une presse. Après l'assemblage, certains joints d'essai ont été coupés en deux dans le sens de la longueur pour une analyse transversale. Certains joints ont été soumis à des tests d'arrachement et de cisaillement, et d'autres joints ont été testés pour la circulation du courant.

Les chercheurs ont découvert que les trous en queue d'aronde dans les feuilles d'aluminium se comportaient comme des cavités de matrice dans lesquelles la longueur de la tige du rivet s'écoulait. Le rivet a complètement rempli les trous avec des angles d'inclinaison de 15 et 30 degrés, mais des poches de matériau non remplies étaient visibles dans les trous avec un angle d'inclinaison de 45 degrés. Ces poches résultent de la déformation du trou et ne sont pas critiques si les joints sont destinés à des liaisons purement mécaniques. Cependant, de telles poches sont préjudiciables pour les connexions électriques, comme dans les barres omnibus hybrides, car elles créent une résistance supplémentaire au passage du courant.

Bien que la contre-dépouille soit plus grande pour l'angle d'inclinaison de 45 degrés, les poches de matériau non remplies justifient le choix d'angles d'inclinaison plus petits, tels que 30 degrés, explique Martins. Des angles d'inclinaison plus petits sont également avantageux car moins de force est nécessaire pour installer le rivet.

Les tests de cisaillement et d'arrachement ont révélé que les trous d'une profondeur de 4 millimètres surpassaient les trous d'une profondeur de 3 millimètres. Les forces maximales mesurées dans les deux essais correspondent à un affaissement par cisaillement ou par détachement des rivets des tôles.

Les tests électriques ont révélé que les joints rivetés produisent moins de résistance électrique que les joints comparables fixés avec un écrou et un boulon.