Le congé sous tête : votre trou de passage ne le dégage peut-être pas

Ce que les normes de produit fixent réellement

Le congé n’est pas laissé au fabricant. Il est borné, et différemment selon la forme de tête.

d_a mérite d’être nommé correctement, car il est souvent mal employé. L’ISO 225 le définit comme le diamètre de transition — le diamètre intérieur de la face d’appui là où elle se raccorde au rayon sous tête. Ce n’est pas le rayon du congé. Il donne l’enveloppe radiale maximale de la transition entre tête et tige, c’est-à-dire exactement la valeur à laquelle on compare un trou ou l’alésage d’une rondelle.

Une chose que les normes ne disent pas : elles spécifient la géométrie, mais aucune ne déclare que son but est de réduire les contraintes de fatigue. Que le rayon du congé influe sur la concentration de contraintes à la transition tête-tige vient de la littérature en mécanique, pas du texte ISO. L’affirmation est juste — simplement, aucune norme de produit ne permet de la citer.

La note de l’ISO 273 que les dessins ignorent

L’ISO 273:1979 porte une note après ses tableaux de trous de passage : lorsqu’il faut éviter l’interférence entre le bord du trou de passage et le rayon sous tête, il est recommandé de chanfreiner le trou.

Notez la formulation. C’est recommandé si nécessaire, pas exigé pour chaque trou ISO 273. La question utile est donc de savoir si votre trou et votre vis se chevauchent réellement. Pour M6 :

Pour une vis M6 à tête cylindrique à six pans creux ou à tête hexagonale, deux des trois séries de trous normalisées peuvent donc interférer géométriquement avec la transition sous tête, et une ne le peut pas. C’est une comparaison qui se fait en une minute pour n’importe quelle dimension, et elle est plus utile qu’une règle empirique.

« Peut interférer » ne veut pas dire « interfère ». Ce sont des enveloppes maximales comparées à des trous nominaux ; les pièces réelles peuvent être dégagées. L’essentiel est que les séries fine et moyenne sont celles qu’il faut examiner.

Ce que coûte réellement l’interférence

La NASA-STD-5020A est explicite sur la conséquence, et ce n’est pas celle que nous comptions écrire. L’article concerné exige un dégagement pour le congé lorsque l’interférence doit être évitée, et les raisons données sont que l’interférence peut rendre la précharge peu fiable, réduire la résistance ou donner une résistance au décollement insuffisante.

Autrement dit, la première chose que l’on perd, c’est la face d’appui qui fait son travail. Si le bord du trou porte une partie de la charge par le congé, on ne sait plus ce que porte la face d’appui, et la précharge devient une valeur à laquelle on ne peut pas se fier.

Deux choses que nous allions écrire et qui sont fausses

• « Utiliser une rondelle chanfreinée ISO 7090, chanfrein côté tête. » Nous avions cela à l’envers. Le chanfrein de l’ISO 7090 se trouve sur le diamètre extérieur — son domaine d’application le dit en ces termes, « chanfreinée sur le diamètre extérieur » (traduction) — et son alésage est le même que celui de l’ISO 7089. Elle ne peut pas fournir de dégagement pour un congé sous tête, et ni l’ISO 7089 ni l’ISO 7090 ne spécifie la moindre orientation de montage.
  L’exigence qui existe bel et bien figure dans la NASA-STD-5020A : lorsque l’interférence doit être évitée, utiliser un trou chanfreiné, ou une rondelle à alésage fraisé sous la tête, face fraisée tournée vers la tête de vis. C’est une véritable règle de « rondelle pour dégager le congé » — mais elle s’applique aux systèmes de fixation filetée de la NASA, et il faut une rondelle qui ait réellement un alésage fraisé. Une rondelle plate retournée ne change rien.
• « C’est au congé que les vis cassent. » Ce n’est pas l’endroit principal. Le NASA RP-1228 indique que les vis soumises à une traction cyclique rompent généralement près de l’extrémité de la partie filetée, là où la concentration de contraintes est la plus forte, et des travaux d’analyse de défaillance évalués par les pairs citent le premier filet en prise, la sortie de filet et le congé tête-tige comme les trois emplacements — dans cet ordre.

La répartition 65 / 20 / 15, et d’où elle vient

Vous rencontrerez une répartition : 65 % au premier filet en prise sous la face de l’écrou, 20 % à la sortie de filet, 15 % sous la tête. Elle est citée sans cesse. Il vaut la peine de savoir ce qu’elle est réellement.

La source traçable est l’article de B. Taylor, « The Strength of Large Bolts Subjected to Cyclic Loading », Transactions of the Institute of Marine Engineers, Vol. 64, 1952 — et Taylor y reprend des données de W. Staedel, 1933.

Nous n’avons pas pu trouver les statistiques originales de Staedel ; la taille de l’échantillon, l’équipement, les conditions de chargement et les critères d’inclusion sont donc tous invérifiables. Nous avons aussi cherché dans la VDI 2230 Blatt 1, la NASA-STD-5020A et les volumes de l’ASM Handbook consacrés aux défaillances des éléments de fixation et à la fatigue des assemblages mécaniques, et n’y avons trouvé aucun pourcentage de répartition par emplacement.

Utilisez-la donc pour ce qu’elle est : des données de 1933 reprises par un article de 1952, utiles pour le classement qu’elles suggèrent, pas comme une probabilité moderne pour votre assemblage.

Ce que l’on peut dire, et ce que l’on ne peut pas dire

Étayé : le congé est une géométrie de conception maîtrisée, bornée par le haut et par le bas par la norme de produit. L’interférence avec le bord du trou est un risque reconnu que l’ISO 273 demande d’éviter par la conception si nécessaire, et la NASA-STD-5020A indique que ses conséquences sont une précharge peu fiable, une résistance réduite et une résistance au décollement insuffisante.

Non étayé : que tout contact ajoute automatiquement une entaille. Nous voulions conclure là-dessus, et cela va plus loin que les éléments disponibles. Qu’un contact produise un endommagement local, et ce que cela fait à la durée de vie en fatigue, dépend du jeu réel, de la géométrie du contact, de la dureté du matériau et de la charge. Les normes disent que l’interférence doit être évitée ; elles ne disent pas qu’un contact équivaut à un nouveau concentrateur de contraintes.

La version pratique est plus terne et plus utile : consultez d_a,max pour votre dimension, comparez-le au trou que vous avez spécifié et chanfreinez s’ils se chevauchent.

Pour aller plus loin

Ce que fait la tête sur le plan mécanique est traité dans choisir une forme de tête ; ce à quoi sert une rondelle, et ce à quoi elle ne sert pas, dans les rondelles expliquées ; les limites du formage d’une tête dans les limites du formage de tête ; et le côté trou dans les dimensions des trous fraisés.

Références

• ISO 4762:2004 — article 3, figure 1 (congé sous tête maximal), tableau 1 : r_min, d_a,max, formules de r_max et de l_f,max
• ISO 4014:2022 et ISO 4017:2022 — article 4, figure 2, tableaux de dimensions : r_min, d_a,max, congé sous tête minimal et maximal admissible
• ISO 225:1983 — définition du diamètre de transition d_a
• ISO 273:1979 — article 2, note après les tableaux : chanfreinage recommandé lorsque l’interférence avec le rayon sous tête doit être évitée
• NASA-STD-5020A — article 4.7.3, TFSR 22 : trou chanfreiné ou rondelle fraisée, face fraisée vers la tête de vis ; conséquences de l’interférence indiquées
• NASA RP-1228, Fastener Design Manual — rupture près de l’extrémité de la partie filetée
• Mushtaq et al., Engineering Failure Analysis 122 (2021) — premier filet en prise, sortie de filet, congé tête-tige
• B. Taylor, Transactions of the Institute of Marine Engineers, Vol. 64 (1952), reprenant W. Staedel (1933) — la répartition 65 / 20 / 15

L’acceptation d’un assemblage donné relève de votre dessin et des normes qu’il invoque.

Cet article traite de l’étape 3 : tête. L’ordre complet est support, filetage, tête, empreinte, finition et documentation. L’article anglais Specifying a screw explique pourquoi le modifier entraîne une reprise.

Questions fréquentes

Le rayon sous la tête d’une vis est-il défini par la norme ?

Oui, aux deux extrémités. L’ISO 4762 donne un rayon de congé minimal par dimension dans le tableau 1 et borne le maximum par r max = (d a,max moins d s,max) divisé par 2, avec l f,max = 1,7 r max. L’ISO 4014 et l’ISO 4017:2022 donnent r min et d a,max, les congés minimal et maximal admissibles étant représentés sur la figure, mais sans formule générale pour r max. Ce que les normes ne font pas, c’est énoncer un but ; que le rayon du congé influe sur la concentration de contraintes vient de la littérature en mécanique, pas du texte ISO.

Que signifie d a sur un dessin de vis ?

C’est le diamètre de transition, défini dans l’ISO 225 comme le diamètre intérieur de la face d’appui là où elle se raccorde au rayon sous tête. Ce n’est pas le rayon du congé. En pratique, il sert d’enveloppe radiale maximale de la transition tête-tige, c’est-à-dire la valeur que l’on compare à un trou de passage ou à l’alésage d’une rondelle.

Faut-il chanfreiner un trou de passage ?

Seulement lorsque c’est nécessaire. L’ISO 273:1979 indique après ses tableaux que le chanfreinage est recommandé lorsqu’il faut éviter l’interférence entre le bord du trou et le rayon sous tête — une recommandation au besoin, pas une exigence générale. La vérification est arithmétique : pour M6, l’enveloppe de transition d a,max vaut 6,8 mm, tandis que les séries de trous fine et moyenne font 6,4 et 6,6 mm, si bien que les deux peuvent chevaucher, et la série large à 7,0 mm est dégagée.

Faut-il monter une rondelle chanfreinée chanfrein vers le haut pour dégager le congé ?

Pas avec l’ISO 7090. Son domaine d’application la décrit comme chanfreinée sur le diamètre extérieur, et son alésage est le même que celui de l’ISO 7089 ; elle n’apporte donc aucun dégagement pour un congé sous tête, et aucune des deux normes ne spécifie d’orientation. La règle qui existe figure dans la NASA-STD-5020A : lorsque l’interférence doit être évitée, utiliser un trou chanfreiné ou une rondelle à alésage fraisé sous la tête, face fraisée tournée vers la tête de vis. Il faut pour cela une rondelle qui ait réellement un alésage fraisé.

La plupart des vis cassent-elles au congé sous tête ?

Non. Le NASA RP-1228 indique que les vis soumises à une traction cyclique rompent généralement près de l’extrémité de la partie filetée, là où la concentration de contraintes est la plus forte, et les travaux publiés d’analyse de défaillance classent le premier filet en prise, la sortie de filet et le congé tête-tige dans cet ordre. La répartition 65 / 20 / 15 souvent citée remonte à un article de 1952 reprenant des données de 1933 dont nous n’avons pas pu vérifier les statistiques originales, et aucune répartition par emplacement ne figure dans la VDI 2230, la NASA-STD-5020A ni les volumes de l’ASM Handbook que nous avons consultés.