Presses d'assemblage : goupilles et goujons

Dans le jeu classique Pin the Tail on the Donkey, les joueurs utilisent une punaise pour attacher la queue à l'âne. Sur un âne jouet en métal ou en plastique, cependant, une punaise serait incapable de maintenir la queue en place, surtout si elle doit bouger d'une manière ou d'une autre. Un meilleur choix pour cette application est une goupille métallique solide.

« Les goupilles cylindriques sont largement utilisées pour l'alignement, mais peuvent également être très utiles comme surface d'appui pour la rotation », explique Mike Apsey, directeur de l'ingénierie et du développement des produits chez Driv-Lok Inc. « Un autre avantage est qu'elles peuvent être retirées et remplacées par le l'utilisateur final sans distorsion."

Driv-Lok fabrique des goupilles cylindriques depuis le début des années 1960 et des goupilles à rainure depuis 1941. Ce dernier type de goupille comporte trois rainures équidistantes autour de la circonférence.

Il y a quelques années, un fournisseur automobile de niveau 1 d'actionneurs avait besoin d'une fixation pour fixer une petite enveloppe en plastique au boîtier de protection en aluminium d'un actionneur. La fixation devait également assurer la connectivité dans toutes les conditions météorologiques et empêcher la rotation de l'actionneur.

L'équipe Enginomics de Driv-Lok a développé une goupille rainurée miniature de type U qui est enfoncée dans le boîtier à travers le carénage en trois points. Les broches empêchent tout mouvement du carénage et de l'actionneur, tout en assurant la connectivité. De plus, les broches sont automatiquement introduites dans la presse pour réduire les coûts d'installation, selon Apsey.

Les goupilles rainurées et goupilles ne sont que deux des nombreuses que les fabricants utilisent pour assembler des pièces aussi diverses que les moteurs de véhicules, les pistons de compresseur et les compacts de poudre de maquillage. Les goujons métalliques sont tout aussi importants pour les fabricants, car ils garantissent un alignement correct des composants d'accouplement avec une préparation minimale des trous.

Les goupilles et les goujons sont rentables, s'installent facilement et ont des décennies de succès. Pas étonnant qu'ils soient de plus en plus populaires parmi les fabricants d'un large éventail d'industries, notamment l'automobile, les appareils médicaux et les loisirs.

De nombreux types de goupilles sont utilisées pour l'assemblage et sont classées comme pleines ou creuses, avec une forme symétrique ou asymétrique. Les goupilles symétriques pleines comprennent les goujons, les rainures, les moletages, les barbelés et le ferrol. Les versions à tête plate et ronde de ces broches, également appelées goujons, sont considérées comme asymétriques.

Les broches symétriques creuses sont des ressorts fendus et hélicoïdaux. Toutes les chevilles sont creuses symétriques avec un corps fendu ou sans soudure.

Les goupilles et les goujons mesurent de 0,03125 à 1,5 pouces de diamètre et jusqu'à 6 pouces de longueur. Ils sont le plus souvent fabriqués en acier à faible teneur en carbone ou en acier inoxydable, en divers alliages, en aluminium, en laiton ou en titane. Les finitions incluent l'oxyde passivé, non passivé et noir.

La goupille est un cylindre de métal lisse, bien qu'elle puisse être chanfreinée à chaque extrémité pour faciliter l'insertion. Cette goupille est généralement durcie et fabriquée selon des diamètres et des longueurs fractionnaires précis, et utilisée comme charnière, arbre ou pivot pour localiser ou maintenir les pièces ensemble.

La goupille résiste à la plus grande force de cisaillement de toutes les goupilles de fixation. Il est préféré pour les assemblages à haute production car il ne nécessite aucun matériel de fixation supplémentaire pour l'insertion ou les opérations secondaires.

Les rainures d'une goupille rainurée sont formées par une opération d'emboutissage dans laquelle trois outils pénètrent dans le diamètre nominal du métal de la goupille à des intervalles de 120 degrés, selon Apsey. Cette pénétration déplace une quantité contrôlée de métal de chaque côté de l'outil de rainurage, formant une partie surélevée le long du côté de chaque rainure.

"Ce type de goupille est idéal pour les joints permanents ou ceux qui nécessitent un pivotement ou une rotation, ainsi que pour l'emplacement des pièces", explique Apsey. "De nombreux fabricants préfèrent utiliser des goupilles rainurées plutôt que des vis dans des assemblages régulièrement exposés à de fortes vibrations."

Les goupilles moletées sont disponibles avec des moletages droits, hélicoïdaux ou en configuration diamant. Contrairement à une goupille droite, où la rétention est assurée par l'interférence uniforme entre la goupille et le trou, les goupilles moletées sont conçues pour couper dans les composants hôtes, note Christie Jones, directeur du marketing et vice-président chez SPIROL International Corp. ni les goupilles rainurées ne nécessitent les tolérances serrées requises par les goupilles cylindriques solides de précision.

"Le déplacement du matériau hôte dans les vallées des moletages produit une plus grande surface de contact par frottement entre la goupille et le trou, entraînant ainsi une meilleure rétention", explique Jones. "Avec nos goupilles moletées hélicoïdales, un moletage à 30 degrés fait tourner la goupille lorsqu'elle pénètre dans le trou, créant encore plus de contact de surface avec l'hôte. Cela se traduit par des forces de frottement plus élevées, un engagement plus important et une meilleure résistance au recul."

Apsey dit que les moletages configurés en diamant de Driv-Lok peuvent être réalisés à certains endroits sur la broche ou sur toute la broche. Il dit que la forme en diamant offre une plus grande force de rétention axiale pour empêcher l'arrachement que les molettes droites ou hélicoïdales, et que certains clients choisissent la configuration en diamant simplement en raison de son apparence.

Conçues pour être utilisées dans le plastique et le métal mou, selon la goupille pour ce dernier matériau, les goupilles barbelées ont des barbes externes surélevées qui sont inclinées vers l'arrière ou dans le sens opposé à l'insertion. Au fur et à mesure de l'insertion de la goupille, le matériau hôte se remplit dans la zone autour des barbes, ce qui se traduit par une résistance maximale à la force axiale et un assemblage sûr et inviolable.

SPIROL a lancé l'automne dernier sa goupille barbelée Press-N-Lok. Selon Jones, la goupille a des barbes opposées à chaque extrémité qui retiennent en permanence deux composants en plastique l'un à l'autre. La principale limitation de la broche est qu'elle n'est pas appropriée pour les plastiques cassants ou ceux contenant un pourcentage élevé de charges de verre.

Une grande entrée assure l'alignement avec le trou et facilite l'installation, qui est un processus en deux étapes. Une fois les goupilles installées dans la moitié inférieure de l'assemblage, une presse est utilisée pour fixer l'autre moitié d'accouplement.

"Une goupille en ferrol est similaire à une goupille barbelée en ce sens qu'elle fournit également une fixation positive et constitue une alternative rentable aux vis et clous barbelés conventionnels", explique Apsey. "La différence est que la broche en ferrol a un anneau nervuré tout autour et vers le haut et vers le bas de sa tige. Le matériau coule complètement autour de cet anneau et crée un ajustement serré."

Un grand fabricant de sièges d'auto pour bébé utilise un goujon en ferrol Drive-Lok pour maintenir en place l'accoudoir de chaque côté d'un siège en plastique spécifique. Les accoudoirs tournent librement tout en maintenant l'ajustement serré requis, mais le retrait de la goupille est pratiquement impossible. Apsey dit qu'auparavant, une vis standard était utilisée pour fixer chaque accoudoir. Cependant, les mouvements de haut en bas ont fini par desserrer les vis.

La goupille élastique enroulée consiste en une enveloppe hélicoïdale de 2-1/4 d'acier au carbone, inoxydable ou allié. Son diamètre extérieur varie de 0,03125 à 0,75 pouce et sa longueur standard ne dépasse généralement pas 6 pouces. Le diamètre extérieur de la goupille est légèrement plus grand que le diamètre du trou pour assurer la rétention, note Mike Pasko, ingénieur d'application chez SPIROL.

Lorsqu'elle est correctement dimensionnée et installée, la goupille offre un minimum de 270 degrés de contact radial dans le trou. Un autre avantage est la capacité de résister aux chocs et aux vibrations. Cela isole le matériau du trou des forces et contribue à la durée de vie utile prolongée de l'assemblage.

Les goupilles à ressort fendues sont des fixations économiques de type cisaillement qui se verrouillent automatiquement. Apsey dit que leur dimension surdimensionnée exerce des forces radiales lors de l'insertion pour maintenir fermement les broches en place. Les utilisations courantes incluent les entretoises, les points d'arrêt et les charnières dans des milliers d'applications industrielles exigeantes, mais non précises.

Les chevilles creuses simplifient l'assemblage en facilitant l'insertion des fixations. Ils maintiennent également un alignement précis dans les tolérances de trou.

Les douilles de centrage de SPIROL permettent à une vis ou à un boulon de fixation de passer à travers le diamètre intérieur après l'installation. Les goujons creux rectifiés de la société peuvent remplacer directement les goujons pleins rectifiés standard (selon la norme ISO 8734) et être utilisés là où un tolérancement de l'axe central et un alignement de précision sont requis. Les goujons à ressort sont formés autour des arbres pour assurer la rondeur, tout en positionnant avec précision les composants les uns à côté des autres.

Apsey dit que les goujons creux fendus Driv-Lok permettent à ses clients fabricants d'économiser de 30 à 40 % - par rapport aux goujons traditionnels - en termes de coûts de production, de poids et de main-d'œuvre en éliminant l'alésage et la finition des trous. Les goujons sont utilisés comme entretoises, limiteurs de compression ou là où deux moitiés d'un assemblage sont boulonnées ensemble.

Des goujons creux sans soudure sont également disponibles auprès de la société pour les applications où une couture n'est pas autorisée ou souhaitée. Ces chevilles peuvent être utilisées comme localisateurs, entretoises ou entretoises, et sont disponibles dans divers matériaux et finitions, ainsi que traitées thermiquement.

"Pour les goupilles et les goujons, l'ajustement serré est la méthode d'installation standard", explique Chuck Rupprecht, directeur général de BalTec Corp. "L'installation peut être permanente ou temporaire, et est un processus simple qui est généralement effectué avec un manuel de paillasse, pneumatique ou presse hydraulique. Le pressage automatisé est également effectué, bien que dans cette situation, vous ayez besoin d'un volume extrêmement élevé pour un retour sur investissement raisonnable."

Les presses à action directe sont préférées aux presses à genouillère. La quantité de force nécessaire pour presser les pièces ensemble dépend de la dureté, de la glissance et de la finition de surface des matériaux; la taille, l'épaisseur et la géométrie des pièces ; et la quantité d'interférence entre eux, c'est-à-dire la différence de taille entre la pièce insérée et le trou.

En règle générale, les broches pleines doivent être plus larges de 0,0002 pouce que le diamètre nominal du trou. Par exemple, un trou standard de 0,25 pouce de diamètre recevra une cheville de diamètre compris entre 0,2501 et 0,2503. Les goupilles surdimensionnées sont généralement utilisées pour s'insérer dans les trous usés (pour le remplacement des goupilles) et ont un diamètre supérieur de 0,001 pouce au diamètre nominal.

Les goupilles pleines droites ont tendance à avoir les tolérances de trou les plus serrées lorsqu'elles sont insérées dans du métal, explique Jones. Avec une goupille rainurée ou moletée durcie, le matériau hôte se déforme, mais pas autant qu'avec une goupille solide droite. Lorsque l'une de ces broches est utilisée dans du plastique, les trous sont moulés et le plastique est plus tolérant.

Les goujons solides de précision nécessitent un trou percé et alésé avec précision avant d'être ajustés en place. En revanche, les trous pour les ressorts hélicoïdaux et les goupilles fendues n'ont qu'à être percés, ce qui réduit les coûts de préparation, explique Jones. Lorsqu'elles sont enfoncées dans un trou, l'action du ressort de ces dernières broches leur permet de se comprimer et d'assumer le diamètre du trou.

Selon Rupprecht, les broches qui nécessitent moins de 4 kilonewtons de force peuvent être installées avec une presse manuelle. Ce type de presse a généralement un mécanisme anti-blocage pour assurer une insertion correcte de la broche. Le mécanisme nécessite que l'opérateur termine complètement l'insertion de la goupille avant que le vérin de la presse ne s'arrête brutalement.

Les broches nécessitant une force de 4 kilonewtons ou plus pour l'insertion doivent être installées avec une presse pneumatique ou hydraulique. Rupprecht souligne que, bien que plus chères au départ, ces presses permettent de surveiller la courbe force-distance.

La série DA de presses pneumatiques à action directe de BalTec est modulaire et peut être dimensionnée avec précision pour toute application d'insertion de goupilles ou de goujons. Les longueurs de course standard vont de 40 à 120 millimètres par incréments de 20 millimètres, bien que des longueurs spéciales puissent être demandées. Les presses utilisent une commande à deux mains, produisent une force constante sur toute la longueur de la course et peuvent être intégrées aux contrôleurs IPC de la société pour les postes de travail individuels. Une boîte de vitesses à angle droit permet un réglage simple de la hauteur de la tête de presse. Les presses sont silencieuses (moins de 75 décibels) et pratiquement sans entretien, car toutes les pièces mobiles sont montées sur roulements.

"Les goupilles à ressort spiralées ont plusieurs caractéristiques qui contribuent à une automatisation sans problème", déclare Jones. "Ils ne s'emboîtent jamais ou ne s'emboîtent jamais car ils n'ont pas de fentes. Et leurs extrémités carrées et nettes, combinées à un chanfrein d'entrée concentrique lisse et à un rayon mélangé, éliminent les arêtes vives et les angles qui peuvent mordre dans la paroi du trou, ainsi réduisant la force d'insertion requise."

Les goupilles fendues, à moins qu'elles ne soient de fabrication de haute qualité vérifiée, ne doivent jamais être installées automatiquement, car beaucoup n'ont ni chanfreins de qualité ni extrémités carrées. En entrant dans la zone d'échappement de la machine, l'extrémité inégale de cette goupille a tendance à s'accrocher à la goupille située au-dessus dans le tube d'alimentation et à empêcher l'avancement. La fente de la goupille peut également bloquer le mécanisme d'insertion de la goupille de la machine.

Les broches symétriques ont un profil continu et sont idéales pour une insertion automatisée, explique Pasko. Ils sont les plus faciles à nourrir car ils nécessitent peu ou pas d'orientation. Tout ce qu'il faut, c'est une machine qui livre les pièces en ligne droite au tube d'alimentation, puis les déplace vers un certain type d'équipement d'insertion.

L'insertion automatisée de broches asymétriques est plus difficile car elles nécessitent une orientation de bout en bout via un outillage coûteux. Selon Pasko, les broches à tête avec des diamètres de tête ou des arbres incohérents ont tendance à se coincer sur le rail d'alimentation. Les broches à tête plate sont meilleures que celles à tête ronde pour l'automatisation, car il est plus facile d'appuyer sur un outil d'insertion plat sur une surface plane tout en gardant la fixation droite.

"Les chevilles creuses nécessitent environ moitié moins de force que les broches pour une insertion correcte", note Rupprecht. "Cette directive s'applique au métal ou au matériau plastique que la cheville bloque ou retient après l'insertion."

Il dit que l'installation peut être faite avec une presse ou en tapotant la cheville en place avec un marteau ou un maillet. Certaines chevilles peuvent également être insérées automatiquement.

Jim est rédacteur en chef de ASSEMBLY et possède plus de 30 ans d'expérience éditoriale. Avant de rejoindre ASSEMBLY, Camillo était rédacteur en chef de PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal et Milling Journal. Jim a un diplôme d'anglais de l'Université DePaul.