Guide pour la sélection et l'utilisation en toute sécurité des boulons métriques ISO pour la maintenance

Imaginez un équipement de précision de grande valeur rendu inutilisable en raison de la défaillance d'un seul petit boulon – les pertes qui en résulteraient pourraient être catastrophiques. Dans la maintenance mécanique, les boulons et les écrous peuvent sembler insignifiants, mais ils sont essentiels pour assurer le fonctionnement sûr et stable des équipements. Cependant, avec la grande variété de boulons et d'écrous métriques disponibles, comment peut-on les identifier avec précision, les sélectionner correctement et les fixer en toute sécurité ? Ce guide fournit des instructions claires et pratiques pour ces tâches.

Dans l'assemblage et la maintenance des machines modernes, les boulons et les écrous jouent un rôle essentiel. Ce sont les composants clés qui relient diverses pièces, assurant l'intégrité structurelle de l'équipement. À première vue, tous les boulons métriques peuvent sembler similaires, mais en réalité, ils diffèrent considérablement en termes de type de filetage, de classe de résistance et de spécifications dimensionnelles. Une sélection ou une utilisation incorrecte peut entraîner une défaillance de l'équipement, voire des risques pour la sécurité. Par conséquent, une compréhension approfondie des caractéristiques des boulons et écrous métriques, ainsi que des techniques de sélection et de fixation appropriées, est essentielle pour le personnel de maintenance mécanique.

Ce guide est conçu pour les professionnels travaillant dans la maintenance d'usine et la maintenance mécanique, fournissant des connaissances fondamentales sur les boulons et écrous métriques ISO pour les aider à identifier et à utiliser correctement les pièces de rechange, assurant ainsi un fonctionnement sûr et fiable de l'équipement. Nous nous concentrerons sur les boulons et écrous métriques les plus couramment utilisés dans les environnements industriels et offrirons des conseils pratiques pour l'identification et l'application.

La norme ISO définit plusieurs types de filetages spécialisés, mais dans la plupart des équipements mécaniques, seuls deux sont couramment utilisés : le pas standard et le pas fin. D'autres types de filetages sont principalement réservés aux dispositifs spécialisés tels que les instruments de précision ou les équipements optiques.

Le pas fait référence à la distance entre les filets adjacents, mesurée en millimètres. Les filetages à pas standard conviennent à la plupart des connexions à usage général, tandis que les filetages à pas fin sont utilisés lorsque des forces de verrouillage ou une résistance aux vibrations plus élevées sont requises.

Le tableau ci-dessous répertorie les combinaisons les plus courantes de diamètres et de pas de filetage dans les machines industrielles :

À l'exception des boulons et écrous de qualité inférieure, tous les fixations métriques comportent des marquages d'identification de la résistance. Ces marquages permettent de déterminer rapidement et avec précision leur capacité de charge.

Les têtes de boulons sont généralement estampillées de deux chiffres séparés par un point décimal. La gamme complète comprend dix classes, de 3.6 à 14.9, mais dans les environnements industriels, les classes courantes sont 8.8, 9.8, 10.9 et 12.9. La tête du boulon comprend également un code fabricant (généralement deux ou trois lettres).

Le premier chiffre indique la résistance à la traction de l'acier du boulon, mesurée approximativement en 10 kg par millimètre carré de surface de section transversale. Par exemple, un boulon de classe 12.9 résistera à au moins 120 kg par millimètre carré avant de se rompre. De même, un boulon de classe 8.8 a une charge de rupture de 80 kg par millimètre carré.

Lorsqu'un boulon supporte progressivement une charge, il s'allonge légèrement, comme un ressort. Si la charge est relâchée, il revient à sa longueur d'origine. Cependant, il existe une limite au-delà de laquelle le boulon ne se rétablira pas complètement et s'étirera de façon permanente – c'est la limite d'élasticité. Le deuxième chiffre sur la tête du boulon représente le pourcentage de la résistance à la traction que le boulon peut supporter avant que l'étirement ne commence.

Par exemple, un boulon de classe 12.9 commence à s'étirer lorsque la charge atteint 90 % de sa charge de rupture. De même, un boulon de classe 9.8 commence à s'étirer à 80 % de sa charge de rupture.

Les marquages de résistance sur les écrous sont souvent plus difficiles à identifier que ceux sur les boulons. Ils peuvent apparaître sous forme de chiffres ou de motifs de points et de lignes, où la position de la ligne ressemble à des aiguilles d'horloge indiquant la classe.

La classe de l'écrou doit toujours correspondre ou dépasser la classe du boulon d'un niveau. Par exemple, un boulon de classe 8.8 doit être associé à un écrou de classe 8 ou 9. Un boulon de classe 12.9 doit être associé à un écrou de classe 12 ou 14.

Comme mentionné précédemment, lorsqu'un boulon supporte progressivement une charge, il atteint une limite d'élasticité (où l'étirement permanent commence). Si la charge continue d'augmenter, le boulon atteint son point de rupture. Les normes définissent une « charge d'épreuve », généralement 90 % de la charge requise pour étirer le boulon.

En pratique, les fabricants conçoivent souvent les machines de sorte que les boulons supportent des charges bien inférieures à la charge d'épreuve, garantissant ainsi un facteur de sécurité robuste.

Les boulons à pas fin sont généralement 10 % plus résistants que les boulons à pas standard, car moins de métal est retiré lors du filetage.

Les couples maximaux recommandés dans le tableau ci-dessous supposent des filetages légèrement lubrifiés. Serrer un boulon au couple spécifié doit régler la tension dans le boulon à environ 85 % de la charge d'épreuve, ce qui équivaut à 62 % de la charge de rupture.

Utilisez ces valeurs de couple uniquement lorsque le fabricant de la machine n'a pas spécifié de réglage de couple.

Les boulons et écrous à pas fin ne sont généralement utilisés que dans des cas particuliers, et la documentation de maintenance du fabricant doit spécifier le couple requis pour chaque application.

Les filetages à pas fin sont souvent utilisés lorsque les boulons sont vissés dans des blocs de métal mou (par exemple, des moulages en aluminium), où les filetages dans le bloc peuvent être beaucoup plus faibles que le boulon et nécessitent généralement un couple inférieur pour éviter le grippage.

De nombreux facteurs influencent la résistance des pièces filetées, notamment les méthodes de production, l'état de surface et la précision de la forme du filetage.

La résistance d'une connexion filetée dépend de son composant le plus faible. Par exemple, si un boulon à haute résistance est vissé dans un matériau plus tendre et plus ductile (par exemple, un alliage d'aluminium ou un acier à faible teneur en carbone), la partie la plus tendre détermine le couple maximal sûr.

Plus couramment, les boulons doivent non seulement résister aux charges de traction dues au serrage, mais également aux charges latérales ou de « cisaillement ». Un exemple typique est celui de deux plaques boulonnées ensemble et soumises à des forces qui appliquent des charges de cisaillement au boulon.

Si la charge appliquée est très faible, le frottement entre les plaques dû au serrage des boulons peut empêcher le mouvement. Cependant, à moins que des goupilles de positionnement ne soient installées pour supporter la charge de cisaillement, le boulon subira éventuellement à la fois des contraintes de cisaillement et de traction. La combinaison de ces contraintes crée une contrainte totale plus importante que chacune d'elles seule, de sorte que la pré-couple du boulon peut devoir être inférieure aux valeurs maximales pour tenir compte des contraintes supplémentaires dues au cisaillement.

À titre indicatif, la réduction du couple de serrage de 10 % permet à 35 % de la capacité de charge du boulon de gérer les forces de cisaillement sans surcharge.

Les ingénieurs d'études doivent tenir compte de tous ces facteurs et peuvent spécifier un couple inférieur, en particulier dans les équipements de levage nécessitant des marges de sécurité élevées.

Reportez-vous toujours à la documentation de maintenance du fabricant de la machine pour connaître les valeurs de couple spécifiées pour les boulons et les écrous dans les applications de levage et de support de charge.

Le tableau ci-dessous répertorie les tailles de clés et de clés hexagonales correctes pour les tailles de boulons et d'écrous les plus courantes dans les machines industrielles.

Pour minimiser le risque de glissement de la clé et d'endommagement des bords des fixations, utilisez une clé à œil (ou l'extrémité à œil d'une clé mixte) chaque fois que possible.

Les boulons métriques sont fabriqués légèrement plus petits que leur taille nominale – par exemple, un boulon M16 a généralement un diamètre de tige de 15,97 mm. Cela signifie qu'un boulon de 16 mm peut passer à travers un trou de 16 mm, mais pour tenir compte du désalignement entre les pièces, les trous de passage sont généralement percés légèrement plus grands.

Le tableau ci-dessous fournit les tailles de trous de passage typiques et les tailles de foret de taraudage correctes pour les filetages standard et fins.

Pour les filetages métriques, les tailles de foret de taraudage sont facilement calculées comme le diamètre du boulon moins le pas du filetage. Par exemple, un boulon M16 à pas standard avec un pas de 2,0 mm nécessite une taille de foret de taraudage de 16 – 2 = 14 mm.

Lors du taraudage des trous, en particulier pour les tailles M10 et inférieures, retirez fréquemment le taraud pour dégager les copeaux de métal et éviter la casse.

Lors du serrage d'un boulon dans des filetages ou d'un ensemble écrou et boulon pour serrer des pièces ensemble, le couple appliqué génère une contrainte de traction dans la tige du boulon.

La force réelle dans le boulon dépend de facteurs tels que la forme du filetage, le pas, l'état de surface et la lubrification. Pour la plupart des cas standard avec des boulons métriques légèrement lubrifiés, la force peut être approximée comme suit :

Force = 5 × Couple / Diamètre

Où la force est en newtons (N), le couple en newton-mètres (Nm) et le diamètre en mètres (m). Par exemple, un boulon M16 serré à 247,5 Nm génère :

Force = 5 × 247,5 Nm / 0,016 m = 77 344 N (77,3 kN)

Pour convertir les newtons en kilogramme-force (kgf), divisez par 9,81 (ou 10 pour des estimations rapides), ce qui donne 7 884 kgf de charge de boulon.

Les filetages secs augmentent le frottement, ce qui entraîne une force inférieure.

Les assemblages boulonnés échouent généralement de trois manières : rupture par cisaillement, rupture par traction ou grippage du filetage.

La rupture par traction (rupture du boulon) se produit en cas de surcharge de l'assemblage ou de serrage excessif. Les boulons se rompent souvent là où le filetage rencontre la tige.

La rupture par cisaillement se produit lorsque les forces latérales dépassent la capacité du boulon, souvent exacerbée par un serrage excessif ne laissant aucune réserve de résistance pour les charges de cisaillement. Les deux types de défaillance se produisent généralement au début ou à la fin du cycle de vie d'un composant.

Une défaillance de service fréquente implique des charges latérales qui soulèvent les écrous des boulons, provoquant des défaillances en cascade. Le cône du filetage entraîne une expansion de l'écrou, réduisant l'engagement du filetage jusqu'à ce que le métal cède et que les filetages se grippent.