La tige filetée - une barre cylindrique entièrement filetée sans tête à chaque extrémité - est l'un des composants de fixation les plus fondamentaux et les plus polyvalents dans l'industrie, la construction et l'ingénierie mécanique. Contrairement à un boulon ou une vis à capuchon standard, qui est une fixation unidirectionnelle conçue pour être serrée à une extrémité, une barre à tige filetée complète peut être utilisée de manière bidirectionnelle : elle accepte des écrous, des accouplements ou d'autres composants filetés aux deux extrémités, sur sa longueur ou à n'importe quelle position définie. Cette flexibilité le rend indispensable dans une gamme d'applications qu'une fixation à tête conventionnelle ne peut pas servir.
Dans la catégorie plus large des tiges filetées, une variante spécifique – la tige de vis à tête hexagonale – ajoute une tête hexagonale à une extrémité de la tige filetée. Cette modification répond à une limitation clé de la tige filetée simple : sans tête, une tige filetée standard ne peut pas être serrée à partir d'une extrémité sans un écrou ou un accouplement accessible. La tige de vis à tête hexagonale pour les applications de vérin et de vis mère combine le filetage sur toute la longueur d'une tige avec l'entraînement positif d'une tête hexagonale, permettant l'application d'un couple à partir d'une extrémité tout en transmettant une force linéaire à travers le filetage le long de la tige.
Comprendre les différences de conception, les normes dimensionnelles, les qualités de matériaux et les applications fonctionnelles de ces deux types de produits est le point de départ d'une spécification et d'un approvisionnement précis.
Une barre à tige filetée complète - également appelée tige tout filetée, tige à goujon ou tout filetage - est une longueur de barre filetée en continu d'un bout à l'autre sans section de tige unie non filetée. Les filetages s'étendent sur toute la longueur utile de la tige, permettant aux écrous, accouplements ou extrémités de chape d'être positionnés n'importe où le long de la tige et ajustés après l'installation.
Les tiges entièrement filetées sont produites selon l'une des deux méthodes suivantes, chacune affectant les propriétés mécaniques du produit fini :
La forme du filetage d'une barre à tige filetée complète détermine sa compatibilité avec les écrous et accouplements homologues, sa capacité de charge par unité de longueur engagée et son adéquation à des fonctions mécaniques spécifiques :
Les barres à tige entièrement filetées sont produites en longueurs standard de 1 mètre, 2 mètres, 3 mètres et 6 mètres sur les marchés métriques, et en longueurs de 3 pieds, 6 pieds et 12 pieds sur les marchés impériaux. Des longueurs personnalisées sont coupées sur commande pour des applications spécifiques. Les gammes de diamètres pour les tiges filetées disponibles dans le commerce vont généralement de M6 à M52 en métrique et de 1/4 de pouce à 2 pouces en séries unifiées en pouces, avec des diamètres plus grands disponibles sur commande auprès de producteurs spécialisés.
La classe de tolérance du filetage d'une tige filetée complète détermine la précision avec laquelle les dimensions du filetage sont contrôlées. Pour une utilisation générale dans la construction, une tolérance de 6 g (métrique) ou 2 A (pouce unifié) est standard. Pour les applications de vis-mère de précision et de transmission de puissance mécanique, des classes de tolérance plus fines (4g ou 6H en métrique, adaptées aux écrous de précision) sont spécifiées pour minimiser le jeu et garantir un mouvement axial fluide et prévisible.
Les tiges entièrement filetées sont produites dans une gamme de qualités de matériaux avec des niveaux de résistance très différents. Le choix correct de la nuance dépend des charges de traction, de cisaillement et de fatigue que la tige supportera en service :
| Désignation du grade | Matériel | Résistance à la traction minimale | Applications typiques |
|---|---|---|---|
| ASTM A307 Catégorie A | Acier à faible teneur en carbone | 414 MPa (60 000 psi) | Construction générale, cintres, structure légère |
| ASTM A193 B7 | Acier allié (Cr-Mo), trempé et revenu | 862 MPa (125 000 psi) | Brides haute pression, récipients sous pression, température élevée |
| Classe de propriété ISO 4.8 (métrique) | Acier à faible ou moyenne teneur en carbone | 420 MPa | Tige de construction métrique à usage général |
| Classe de propriété ISO 8.8 (métrique) | Acier au carbone moyen, trempé et revenu | 800 MPa | Assemblages de structures, de machines et de charges élevées |
| Acier inoxydable A2-70 (métrique) | Équivalent en acier inoxydable austénitique 304 | 700 MPa | Environnements alimentaires, pharmaceutiques, extérieurs, corrosifs |
| A4-80 Inox (métrique) | Inox austénitique équivalent 316 | 800 MPa | Exposition marine, chlorure, produits chimiques |
La polyvalence des barres à tige filetée complète vient du fait qu'il s'agit d'un élément structurel sans orientation inhérente : n'importe quel point de sa longueur peut accepter un écrou, un accouplement ou une chape, et la longueur de serrage utilisable peut être réglée lors de l'installation pour correspondre à l'épaisseur réelle du joint plutôt que d'être contrainte par la longueur fixe d'une fixation à tête. Cette possibilité de réglage fait de la tige filetée la solution standard dans une large gamme d'applications structurelles et mécaniques.
La tige filetée est l'un des principaux éléments de fixation dans les systèmes de plafonds suspendus, les supports de service mécaniques et électriques (M et E) et les ensembles de support de tuyaux dans les bâtiments commerciaux et industriels. Des longueurs coupées de tige filetée relient les ancrages de plafond aux supports à chape, aux assemblages de trapèze, aux colliers de serrage et aux canaux de support dans des configurations qui peuvent être assemblées et ajustées sur site pour correspondre aux hauteurs de plafond réelles et au routage de service. La possibilité de couper la tige filetée à n'importe quelle longueur requise et d'ajuster les écrous et raccords standard sans usinage spécial la rend nettement plus flexible que les connexions boulonnées équivalentes utilisant des fixations à tête.
Dans la construction en béton armé, la tige filetée est coulée ou ancrée à l'époxy dans le béton pour fournir des points de connexion filetés pour les fixations en acier de construction, les plaques de base, les pieds de machines et le contreventement sismique. ASTM F1554 spécifie les exigences relatives aux tiges de boulons d'ancrage utilisées dans ces applications de fondations structurelles, les grades 36, 55 et 105 couvrant une gamme d'exigences d'élasticité et de résistance à la traction.
Les tendeurs - liens de tension réglables avec tige filetée à droite à une extrémité et tige filetée à gauche à l'autre - utilisent une barre à tige filetée complète comme composant principal. La rotation du corps du tendeur fait simultanément avancer les deux extrémités de tige dans le corps (raccourcissement de l'assemblage et augmentation de la tension) ou les retire (allongement de l'assemblage et réduction de la tension). Cette fonction de tension en ligne est utilisée dans le contreventement structurel, les haubans, le gréement de théâtre, le gréement dormant marin et toute application nécessitant une tension réglable dans un élément de tension sans démonter les connexions d'extrémité.
Une tige filetée entièrement coupée à des longueurs spécifiées et équipée d'écrous hexagonaux lourds aux deux extrémités est utilisée comme goujons dans les joints de tuyaux à bride dans les canalisations de traitement, les récipients sous pression et les échangeurs de chaleur. Les directives ASME PCC-1 pour les assemblages de joints à brides boulonnées à enveloppe de pression spécifient le matériau, la forme du filetage, l'engagement des écrous et la séquence de serrage de ces joints. Les goujons pour service à haute température et haute pression sont généralement produits selon la norme ASTM A193 B7 (acier allié) avec des écrous hexagonaux lourds A194 2H comme qualité d'écrou d'accouplement standard.
La tige filetée en bobine - une variante spécifique avec une forme de filetage plus grossière et arrondie conçue pour un engagement rapide avec les écrous à oreilles et les attaches filetées en bobine - est largement utilisée dans les coffrages en béton et les systèmes de coffrage. La forme du filetage en bobine permet l'engagement et le désengagement des écrous d'une seule main, ce qui est important dans l'assemblage et le dénudage à cycle rapide des panneaux de coffrage. La tige filetée simple avec écrous hexagonaux standard est utilisée dans les applications de liaison traversantes plus résistantes où une pression latérale plus élevée du béton humide nécessite la capacité structurelle d'une longueur d'engagement de filetage standard.
La tige de vis à tête hexagonale est une tige filetée avec une tête hexagonale formée ou forgée à une extrémité. La combinaison d'une tige filetée sur toute la longueur avec une tête hexagonale crée un composant capable de transmettre à la fois le couple de rotation (à travers la tête hexagonale) et la force linéaire (à travers le filetage) dans un seul élément. Il s'agit d'une exigence fonctionnelle différente de celle d'une fixation standard : la tige n'est pas principalement un dispositif de serrage mais un convertisseur de mouvement mécanique - transformant l'entrée rotative au niveau de la tête hexagonale en déplacement linéaire d'un écrou ou d'un écrou principal se déplaçant le long du filetage.
Une vis à vérin est un dispositif qui convertit le mouvement rotatif en mouvement linéaire via une interface filetée. La tige de vis à tête hexagonale est l'élément entraîné dans un ensemble de vis à vérin : la tête hexagonale est engagée par une clé, un cliquet ou un entraînement motorisé, et la rotation résultante fait avancer ou rétracte la tige filetée par rapport à un écrou fixe ou à un boîtier d'écrou principal. L'avantage mécanique d'un vérin à vis réside dans le rapport entre le couple appliqué au niveau de la tête hexagonale et la sortie de poussée linéaire à l'extrémité de la tige, qui est déterminé par le pas du filetage et le rayon auquel la force d'entrée est appliquée.
Un pas de filetage plus fin produit un avantage mécanique plus élevé (poussée plus linéaire par unité de couple d'entrée) mais un déplacement linéaire par tour plus lent et une plus grande susceptibilité au grippage si le filetage n'est pas bien lubrifié. Un pas plus grossier produit un déplacement linéaire plus rapide et un avantage mécanique moindre, et est plus autonettoyant dans les environnements sales ou contaminés. La sélection de la forme du filetage pour les applications de vis à vérin est un équilibre entre ces facteurs, l'ampleur de la charge, la vitesse de déplacement et les conditions de lubrification influençant tous le choix optimal.
Les formes standard de filetage en V à 60 degrés (UNC, UNF, ISO métrique) sont utilisées dans de nombreuses applications de vérins à tige filetée à tête hexagonale, en particulier à des niveaux de charge inférieurs où les contraintes de contact du filetage se situent dans la capacité du flanc du filetage en V. Cependant, l'angle de flanc de 60 degrés d'un filetage en V crée une composante de force radiale importante (l'effet de calage des flancs du filetage) qui augmente la friction et réduit l'efficacité par rapport à un profil de filetage plus orienté axialement.
Pour la transmission de puissance à charge plus élevée et les applications de vis à vérin plus exigeantes, les formes de filetage trapézoïdal et ACME sont spécifiées :
Une considération de conception importante dans la sélection de la tige de vis à tête hexagonale de vis à vérin est de savoir si le filetage est autobloquant ou à révision. Un filetage autobloquant maintiendra sa position sous charge sans freinage externe lorsque l'entrée d'entraînement est supprimée - la friction dans le filetage est suffisante pour résister à la contre-entraînement par la charge axiale. Un filetage de révision reculera sous charge si le couple moteur est supprimé, ce qui nécessite un frein externe ou un mécanisme de verrouillage pour maintenir la position.
La condition d'autoblocage est remplie lorsque l'angle d'attaque du filetage est inférieur à l'angle de frottement de l'interface du filetage. Pour la plupart des combinaisons standard de filetage en V et de filetage ACME avec contact acier sur acier et lubrification typique, le filetage est autobloquant - c'est pourquoi un écrou sur un boulon ne se desserre pas simplement sous la charge appliquée. Pour les vis-mères à haut rendement conçues pour minimiser la friction (telles que celles utilisées dans les machines-outils CNC avec des assemblages d'écrous à billes à recirculation), le filetage peut être intentionnellement conçu pour une révision, car cela permet à l'élément entraîné d'être repositionné par une légère force externe sans nécessiter de couple de contre-entraînement.
Les tiges de vis à tête hexagonale sont utilisées dans une gamme d'applications de vérins, de levage et de positionnement linéaire :
Les exigences matérielles pour une tige de vis à tête hexagonale dans une application de transmission de puissance ou de vérin diffèrent de celles d'une fixation structurelle. En plus de la résistance à la traction, la contrainte de contact du filetage (pression de contact hertzienne entre les flancs du filetage correspondant), la résistance à l'usure, la durée de vie sous charge cyclique et, dans certaines applications, la résistance à la corrosion doivent toutes être évaluées.
L'acier au carbone moyen (AISI 1045 ou équivalent) et l'acier allié (AISI 4140, 4340) sont les matériaux les plus courants pour les tiges de vis industrielles à tête hexagonale et les assemblages de vis à vérin. L'acier au carbone moyen offre une combinaison adéquate de résistance, d'usinabilité et de capacité de roulage de filetage pour la majorité des applications de vérins et de levage. Les nuances d'acier allié 4140 et 4340, traitées thermiquement jusqu'au niveau de résistance requis, sont spécifiées pour les applications à charges élevées et à cycles élevés où la résistance supérieure du noyau, la résistance améliorée à la fatigue et la meilleure réponse de la dureté de surface au traitement thermique justifient le coût supérieur du matériau.
L'efficacité du filetage et la durée de vie dans les applications de vis à vérin sont considérablement affectées par le traitement de surface de la tige et le régime de lubrification. Le revêtement au phosphate de zinc (parkérisation) appliqué avant une graisse ou une huile lubrifiante améliore la rétention du lubrifiant sur la surface du filetage et réduit l'usure initiale lors du rodage. Le chromage dur sur les flancs du filetage est utilisé dans les applications de vis mères de précision à cycle élevé pour améliorer la résistance à l'usure. Pour les environnements extérieurs ou corrosifs, le zingage, la galvanisation à chaud ou la tige en acier inoxydable sont spécifiés, la sélection étant équilibrée par rapport aux exigences de tolérance de filetage de l'application : des revêtements plus épais réduisent le jeu effectif entre les filetages de la tige et de l'écrou.
Dans les ensembles de vis de vérin de transmission de puissance, l'écrou en plomb (l'écrou qui se déplace le long de la tige de vis ou l'écrou par rapport auquel la tige avance) est souvent fabriqué à partir d'un matériau plus mou que la tige - généralement du bronze, du laiton ou de l'acétal (Delrin) polymère. Cette association de matériaux fait délibérément de l'écrou le composant d'usure sacrificiel. Il est nettement moins cher et plus facile de remplacer un écrou en bronze usé que de remplacer la tige de vis entière, de sorte que l'écrou est conçu pour s'user préférentiellement tandis que la tige conserve sa précision dimensionnelle pendant une durée de vie beaucoup plus longue. Les écrous en bronze offrent également une meilleure rétention de la lubrification et une friction inférieure par rapport aux paires acier-acier, améliorant ainsi l'efficacité de la transmission de puissance et réduisant le couple d'entraînement requis pour une charge de poussée donnée.
Pour les acheteurs, les ingénieurs et les équipes d'approvisionnement spécifiant une barre à tige filetée complète ou une tige de vis à tête hexagonale pour les applications de vérins et de transmission de puissance, les paramètres suivants représentent les informations minimales requises pour des spécifications de produit précises et une communication avec les fournisseurs :
Acier allié M27*300 PTFE/Dacromet enduisant les goujons de tiges filetés B7
1-8 UNC *5" tiges filetées en acier allié ASTM A193 B7, goujons filetés de qualité L7
L7 a galvanisé/noir/HDG Surface 3/4*10" barre entièrement filetée
Le bleu de M27*300 PTFE/Dacromet a enduit ASTM A320 L7 Rods entièrement filetés
Goujons entièrement filetés enduits bleus de PTFE de la catégorie 8,8 d'acier au carbone M16*300
Acier au carbone M16 × 300 catégorie 8,8 galvanisé/barre filetée complète noire