Les méthodes d’assemblage par déformation plastique

Les méthodes d’assemblage par déformation plastique

Les procédés d’assemblage par déformation plastique regroupent les méthodes d’assemblage de composants minces dont la tenue mécanique est assurée par leurs déformations et leur enchevêtrement.

Les assemblages par déformation plastique sont largement utilisés dans l’industrie, et notamment dans le secteur des transports. Par exemple, le nombre de rivets d’un Airbus A340 est de l’ordre de 1.500.000 unités. Certains modèles de voitures ont des caisses réalisées totalement en alliage d’aluminium. Les assemblages par déformation plastique sont alors largement utilisés et peuvent se compter par milliers. Le câblage d’un hélicoptère peut contenir 20.000 contacts électriques sertis sur câbles.

Pour faire ce choix, Fayolle [FAY08] a recensé un certain nombre de facteurs à analyser :

• la résistance à la rupture en statique et en dynamique du point d’assemblage,
• la facilité de mise en œuvre,
• la résistance à la corrosion,
• la durée du procédé d’assemblage [BAR00],
• l’utilisation de consommables,
• l’usure des outils,
• l’apparence du point d’assemblage,
• le coût de mise en oeuvre [VAR03],
• la possibilité de maintenance.

Le principal défi est d’optimiser la tenue de la liaison sous différents types de conditions (fatigue, arrachement, corrosion). La conception soignée des composants et la détermination des paramètres d’assemblages se traduisent finalement par une tenue mécanique en service optimale. En général, cet objectif est également lié à la réduction des coûts inhérents à la destruction des pièces et à leurs remplacements.

Le procédé de sertissage électrique 

Informations générales

Deux technologies de sertissage vont être étudiées dans le cadre de ce travail : le sertissage sur câble en cuivre et le sertissage sur câble en aluminium, qui seront nommées technologie cuivre et technologie aluminium dans la suite du manuscrit.

Sertissage de la technologie cuivre : 

Le sertissage de composants électriques tel qu’étudié dans nos travaux est un procédé d’assemblage par déformation plastique. Caractérisé par une mise en œuvre à froid, il est communément employé dans la réalisation des faisceaux électriques dans les secteurs du transport et de l’industrie. Le sertissage a une double fonction :
• Assurer une résistance mécanique maximale (résistance à l’arrachement du câble principalement).
• Assurer la continuité électrique (minimiser la résistance électrique et les discontinuités).

Les branchements entre câbles sont réalisés par l’intermédiaire de contacts mâles et femelles insérés dans des connecteurs plastiques ou métalliques.

Dans la pratique, un contact en cuivre est écrasé sur une zone dénudée d’un câble pour réaliser une liaison mécanique et électrique. Les brins des câbles sont en cuivre chemisé de nickel. Dans le cadre de notre étude, le diamètre externe des contacts de cuivre est de l’ordre de 1.2 mm. Les brins mesurent de 0.115 mm à 0.25 mm en fonction de la jauge (ou référence).

Sertissage de la technologie aluminium : 

Pour certaines sociétés, comme Airbus, l’étude du sertissage va au delà de la maîtrise de la technologie cuivre. Pour diminuer les masses sur ses nouveaux appareils, la société utilise des câbles en aluminium. Au sertissage mécanique, proche de celui utilisé pour la technologie cuivre, on ajoute un sertissage dit d’étanchéité qui protège la liaison. Pour effectuer les assemblages, deux sertissages sont réalisés en parallèle avec la même pince. Le premier est un sertissage électrique analogue à celui réalisé pour les contacts de la technologie cuivre. Le second sertissage, dit sertissage d’étanchéité, permet d’écraser l’extrémité du fût sur le câble encore gainé, afin d’empêcher l’oxydation du câble par contact avec l’air ambiant.

Moyens de sertissage actuels, méthodes de validation et limitations 

L’inventaire des moyens de sertissage actuels peut se résumer à deux types de dispositifs et à deux méthodes de validation des assemblages.

Le premier moyen de sertissage est la pince à sertir manuelle, dont le réglage de la profondeur de sertissage se fait manuellement en fonction du contact et du câble à sertir. Le positionnement de l’empreinte de sertissage s’effectue par la mise en place d’une butée mécanique (appelée positionneur) en fonction du contact à sertir. Le sertissage est ensuite réalisé en fermant la pince jusqu’en butée. Le seul moyen de valider la qualité d’un sertissage obtenu manuellement est un essai destructif. Cet essai consiste à mesurer l’effort de traction à rupture du câble serti dans le contact.

La limitation des pinces à sertir manuelles réside dans le fait qu’aucun contrôle n’est réalisé en cours de sertissage. Outre les problèmes de sertissage pouvant être liés à la matière ou à l’usure de l’outil, on peut noter la forte dépendance des défauts à l’opérateur humain. Le réglage manuel se traduit par un risque d’erreur potentiel. Enfin, la vérification des sertissages effectués ne peut se faire que par un contrôle destructif.

Le second moyen de sertissage est le poste de sertissage automatique, dont le réglage de la profondeur de sertissage se fait automatiquement en fonction du contact et du câble à sertir. Le positionnement de l’empreinte de sertissage s’effectue également automatiquement par déplacement d’une butée mécanique en fonction du contact à sertir. Le sertissage est ensuite automatiquement réalisé par rotation d’un barillet excentrique commandé par un moteur. L’avantage de ce dispositif est l’acquisition en cours de sertissage des efforts sur certaines pièces du dispositif. Par conséquent, une mesure de l’effort maximal de sertissage est effectuée pour en valider la qualité.

La limitation des postes de sertissage automatique réside dans le fait que le dispositif doit être alimenté par une source d’énergie. Un dispositif d’accumulation d’énergie ou un cordon rendent la manipulation de l’outil peu aisée. Par ailleurs, les postes automatiques ne sont pas mobiles et incapables d’être emmenés dans toutes les zones d’accès difficile d’un aéronef. Enfin, le coût d’un tel outil proscrit la généralisation de son emploi.

Seul le développement d’un nouveau type de dispositif de sertissage manuel à contrôle intégré permettra la détection systématique et en temps réel de problèmes de sertissage, leur traçabilité (conservation en mémoire de toutes les données des contacts sertis sur avions) et la suppression des défauts. L’objectif est de pouvoir garantir la conformité de l’assemblage dès l’étape de sertissage et sans effectuer de test destructif.

Table des matières

Chapitre 1 : Introduction
1.1. Contexte général
1.1.1. Les méthodes d’assemblage par déformation plastique
1.1.2. Le procédé de sertissage électrique
1.1.2.1. Informations générales
1.1.2.2. Moyens de sertissage actuels, méthodes de validation et limitations
1.1.2.3. Position du problème
1.1.3. Les objectifs du projet PSI
1.1.4. Les différents prototypes du projet
1.1.4.1. La SCT : Smart Crimping Tool
1.1.4.2. La PSB : Pince à Sertir Basique
1.2. Travaux antérieurs sur le sertissage de contacts électriques
1.2.1. Etudes de l’aspect mécanique du procédé d’assemblage
1.2.2. Etudes de simulations numériques du sertissage électrique
1.2.2.1. Représentation 2D d’un problème résolument tridimensionnel
1.2.2.2. Formalisme de résolution du problème mécanique
1.2.2.3. Complexité géométrique des mises en données
1.2.2.4. Paramétrage des interactions et du frottement
1.2.2.5. Etude du retour élastique de la matière
1.2.2.6. Comportement mécanique des matériaux
1.2.3. Conclusion sur la recherche bibliographique
1.3. Objectifs du travail de thèse et plan du manuscrit
2. Chapitre 2 : Essais mécaniques en vue de la caractérisation des comportements matériaux
2.1. Introduction du chapitre
2.2. Dispositifs d’essais mécaniques sur petits échantillons
2.2.1. Etude bibliographique
2.2.1.1. Nature des échantillons et dispositifs expérimentaux
2.2.1.2. Fléchissement des dispositifs expérimentaux
2.2.2. Moyens d’essais
2.2.2.1. Sollicitations en traction
2.2.2.2. Sollicitations en compression
2.3. Etude en traction des brins
2.3.1. Objectifs et paramétrages de la campagne d’essais
2.3.1.1. Conversion de la force de traction en contrainte
2.3.1.2. Synthèse des échantillons à analyser
2.3.2. Résultats de la campagne d’essais
2.3.2.1. Technologie cuivre
2.3.2.2. Technologie aluminium
2.3.3. Conclusion et limitations de ce type de sollicitation
2.4. Etude en micro compression des échantillons
2.4.1. Objectifs et mise en place de la campagne d’essais
2.4.2. Campagne d’essais de micro compression sur brins
2.4.2.1. Technologie cuivre
2.4.2.2. Technologie aluminium
2.4.3. Campagne d’essais de micro compression sur contacts de la technologie cuivre
2.4.3.1. Synthèse des échantillons à tester
2.4.3.2. Essais sur contacts entiers
2.4.3.3. Alternative à la compression de contacts entiers
2.4.3.4. Essais de compression sur tronçons de contacts
2.4.4. Limitations liées au dispositif utilisé
2.5. Etude en compression sur la machine Zwick
2.5.1. Analyse préparatoire
2.5.2. Réalisation de la campagne d’essais
2.5.3. Validation de l’importance de l’essai de « Sertissage CEMEF »
2.6. Conclusion du chapitre
3. Chapitre 3 : Détermination des paramètres des lois de comportements matériaux
3.1. Introduction du chapitre
3.2. Etude directe des résultats de traction
3.2.1. Méthode employée
3.2.2. Résultats de l’analyse avec Excel sur les brins
3.2.2.1. Brins de la technologie cuivre
3.2.2.2. Brins de la technologie aluminium
3.3. Recours à l’analyse inverse à l’aide du module de Forge
3.3.1. Le concept de l’analyse inverse
3.3.1.1. Le logiciel Forge®
3.3.1.2. Analyse inverse avec Forge®
3.3.2. Analyse inverse de la micro compression de brins
3.3.2.1. Mise en place des modèles et influence du frottement
3.3.2.2. Résultats de l’analyse inverse de micro compression de brins
3.3.2.3. Conclusion sur la caractérisation des brins de notre étude
3.3.3. Analyse inverse de la compression de tronçons de fût
3.3.3.1. Mise en place du modèle et problématique du frottement
3.3.3.2. Résultats de l’analyse inverse de micro compression de tronçons
3.3.4. Analyse inverse sur essai de « Sertissage Cemef » à vide
3.3.5. Analyse inverse de la compression de gaine de câble aluminium
3.3.6. Conclusion sur les travaux de caractérisation des matériaux
3.4. Validation des paramètres rhéologiques déterminés
3.4.1. Conversion de l’essai de « Sertissage CEMEF » en dispositif à sertir sur câble
3.4.2. Simulation numérique du « Sertissage CEMEF »
3.4.3. Modèles d’arrachement de contacts sertis par « Sertissage CEMEF »
3.5. Conclusion du chapitre
4. Chapitre 4 : Simulations numériques du procédé de sertissage électrique aéronautique
4.1. Introduction du chapitre
4.2. Résolution d’un problème mécanique sous Forge3®
4.2.1. Formulation continue du problème
4.2.1.1. Définition lagrangienne du mouvement
4.2.1.2. Equations de conservation
4.2.1.3. Définition des conditions aux limites
4.2.1.4. Loi de comportement des matériaux
4.2.1.5. Le problème mécanique à résoudre
4.2.2. Discrétisation du problème mécanique
4.2.2.1. Formulation faible d’un problème continu
4.2.2.2. Discrétisation de l’espace
4.3. Etude des premières hypothèses de modélisation
4.3.1. Modèle 2D du procédé de sertissage électrique
4.3.1.1. Présentation du modèle étudié
4.3.1.2. Conclusion sur l’étude du modèle 2D
4.3.2. Etude en 3D du procédé de sertissage électrique
4.3.2.1. Influence des plans de symétries
4.3.2.2. Influence du frottement entre les brins
4.3.2.3. Influence de la prise en compte du pas de torsadage
4.3.3. Conclusion sur les différents modèles analysés
4.4. Modèles de sertissage de la « Technologie cuivre »
4.4.1. Détermination des géométries
4.4.1.1. Géométrie des contacts
4.4.1.2. Géométrie des brins
4.4.1.3. Géométrie des mors
4.4.2. Paramétrage du déplacement des outils
4.4.2.1. La théorie de la profondeur d’indentation
4.4.2.2. La pratique et ses désillusions
4.4.2.3. Détermination de la profondeur d’indentation réelle
4.4.2.4. Conclusion sur le pilotage du déplacement des outils
4.4.3. Caractérisation des coefficients de frottement
4.5. Modèles de sertissage de la « Technologie aluminium »
4.5.1. Détermination des géométries
4.5.2. Paramétrage du déplacement des outils
4.5.2.1. Présentation des deux types de sertissage
4.5.2.2. Problématique de la profondeur d’indentation
4.5.3. Caractérisation des coefficients de frottement
4.6. Discussions liées aux modèles numériques de sertissage
4.6.1. Résultats des simulations de référence de sertissage de la « Technologie cuivre »
4.6.1.1. Visuels des simulations de références de la « technologie cuivre »
4.6.1.2. Résultats des simulations de référence de la « technologie cuivre »
4.6.1.3. Courbes d’efforts de sertissage de référence
4.6.1.4. Comparaison des profils de coupes expérimentaux et simulés
4.6.2. Résultats de la simulation de sertissage de la « Technologie aluminium »
4.6.3. Non prise en contact de l’endommagement ductile de la matière
4.7. Conclusion du chapitre
5. Chapitre 5 : Application industrielle de l’étude numérique
5.1. Introduction du chapitre
5.2. Méthode de validation d’un sertissage
5.2.1. Critère de validité du sertissage : « courbes enveloppes »
5.2.2. Détermination des « Courbes enveloppes »
5.3. Simulation de la tenue mécanique d’un contact serti
5.3.1. Objectif de ce type de modèle
5.3.2. Paramétrage des interactions
5.3.3. Définition des maillages
5.3.3.1. Principe général
5.3.3.2. Troncature des données pour l’analyse des résultats
5.3.3.3. Prise en compte ou non de l’histoire des sollicitations
5.4. Etude des résultats de simulations
5.4.1. Impact de la méthode d’obtention des paramètres rhéologiques
5.4.1.1. Paramètres issus des essais de traction et de compression
5.4.1.2. Paramètres issus des essais de microcompression et « Sertissage CEMEF »
5.4.2. Impact d’une erreur de câble
5.4.3. Impact des géométries
5.4.3.1. Tolérance des dimensions des contacts
5.4.3.2. Tolérance du diamètre des brins
5.4.3.3. Tolérance de la torsion des brins
5.4.4. Impact des traitements thermiques
5.4.4.1. Traitements thermiques valides
5.4.4.2. Défauts de traitements thermiques
5.4.5. Impact d’un sous sertissage extrême
5.4.6. Impact des fournisseurs
5.5. Conclusion du chapitre
Conclusions

Lire le rapport complet