Façonnage (partie 3/3)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - réaliser un collet battu et un dos d’âne conformément aux normes camerounaises de plomberie ; - choisir le façonnage adapté à une donnée technique (diamètre, pression, matériau) ; - contrôler la qualité des pièces façonnées (cote, état de surface, étanchéité) ; - rédiger un bref rapport de fabrication incluant les cotes, les tolérances et les observations de sécurité. **Prérequis** : maîtrise des notions de base du tracé de tuyauterie (diamètre nominal, épaisseur, raccords), connaissance des outils de façonnage (cintreuse, poinçonneuse, lime, établi) et des règles d’hygiène et de sécurité en atelier (port des EPI, ventilation, manipulation des métaux). > **À retenir** : le collet battu permet de créer un joint étanche sans soudure, tandis que le dos d’âne sert à renforcer un coude et à éviter les contraintes de flexion. ## Introduction contextualisée Dans les installations d’adduction d’eau potable et de distribution de fluides au Cameroun, les réseaux sont souvent constitués de tuyaux en acier galvanisé, en fonte ductile ou en PVC. Les façonnages mécaniques (collet battu, dos d’âne, bride, manchon) permettent d’assembler ces éléments sans recourir systématiquement à la soudure, ce qui réduit les risques de corrosion intergranulaire et facilite la maintenance sur chantier. Le programme officiel MINESEC/IGE insiste sur la maîtrise de ces procédés afin de garantir la conformité aux normes NF EN 1092‑1 (brides) et NF EN 10216‑1 (tuyauterie en acier sans soudure). Ce chapitre aborde donc deux façonnages essentiels : le collet battu et le dos d’âne, puis propose une synthèse qui aide l’élève à choisir le procédé le plus approprié selon les contraintes du projet. ## I. Leçon 16 : Collet battu + Dos d’âne ### 1. Définitions et vocabulaire professionnel - **Collet battu** : déformation radiale de l’extrémité d’un tube afin d’obtenir une bride mince qui vient s’appuyer contre une surface plane ou un autre tube, créant un joint d’étanchéité par compression. - **Dos d’âne** : renfort en forme de demi‑cylindre soudé ou mécaniquement fixé sur la face extérieure d’un coude à 90° ou 45°, destiné à augmenter la résistance à la flexion et à réduire les concentrations de contraintes. - **Épaisseur de paroi (e)** : différence entre le rayon extérieur et le rayon intérieur du tube, soit \(e = \dfrac{D_{\text{ext}}-D_{\text{int}}}{2}\). - **Tolérance de forme** : écart admis entre la géométrie théorique et la pièce réalisée, généralement exprimée en mm. > **À retenir** : le collet battu nécessite un léger jeu de montage (≈ 0,2 mm) pour permettre la compression du joint sans endommager la paroi. ### 2. Principe de fonctionnement Le collet battu s’obtient en serrant le tube entre deux mâchoires d’une cintreuse ou d’une poinçonneuse spécialisée, ce qui provoque un écoulement plastique du métal vers l’extérieur. En négligeant l’allongement du tube, la conservation du volume de métal (par unité de longueur) s’écrit : \[ \frac{\pi}{4}\left(D_{\text{ext}}^{2}-D_{\text{int}}^{2}\right) \approx \frac{\pi}{4}\left(D_{\text{ext}}'^{2}-D_{\text{int}}'^{2}\right) \] où \(D_{\text{ext}}\) et \(D_{\text{int}}\) sont les diamètres avant deformation, \(D_{\text{ext}}'\) et \(D_{\text{int}}'\) ceux après deformation. En pratique, on utilise des tables de déformation fournies par les fabricants d’outils. Le dos d’âne, quant à lui, est généralement réalisé par pliage d’une bande métallique en U autour du coude, puis fixation par rivetage ou soudure ponctuelle. Il agit comme un contre‑fléchissement qui réduit le moment fléchissant maximal dans le coude selon la formule de résistance des matériaux : \[ \sigma_{\max} = \frac{M\,c}{I} \] où \(M\) est le moment fléchissant, \(c\) la distance du fibre neutre à la fibre la plus sollicitée, et \(I\) le moment d’inertie de la section renforcée. L’ajout du dos d’âne augmente \(I\) de façon significative, diminuant ainsi \(\sigma_{\max}\). ### 3. Normes et règles de sécurité/hygiène - **NF EN 1092‑1** : spécifie les dimensions et les tolérances des brides obtenues par collet battu. - **NF EN 10216‑1** : définit les caractéristiques mécaniques des tubes en acier sans soudure destinés à l’adduction d’eau. - **Sécurité** : port de lunettes de protection, gants anti‑coupure, chaussures de sécurité ; utilisation d’un dispositif d’arrêt d’urgence sur la poinçonneuse ; vérification de l’absence de fissures avant chaque opération (contrôle visuel + test de pénétration de colorant si disponible). - **Hygiène** : nettoyage des outils après chaque usage pour éviter la contamination des fluides potables ; stockage des pièces façonnées dans un endroit sec et à l’abri de la poussière. > **À retenir** : toute déformation plastique doit être suivie d’un contrôle de l’épaisseur résiduelle (mesure au micromètre) afin de s’assurer qu’elle reste ≥ 80 % de l’épaisseur nominale. ### 4. Méthodes et procédés pas à pas #### Collet battu (exemple : tube acier DN 50, e = 3 mm) 1. **Préparation** : couper le tube à longueur souhaitée, ébavurer l’extrémité, nettoyer la surface. 2. **Positionnement** : placer l’extrémité entre les mâchoires de la poinçonneuse, aligner l’axe du tube avec celui de l’outil. 3. **Réglage** : régler l’écart des mâchoires à \(e - 0,2\) mm (jeu de montage). 4. **Opération** : actionner la manivelle ou la pédale jusqu’à obtention d’une bride d’environ 2 mm de hauteur (vérifier avec un calibre). 5. **Contrôle** : mesurer le diamètre extérieur de la bride, vérifier la concentricité (écart ≤ 0,1 mm), contrôler l’épaisseur résiduelle au niveau de la bride (≥ 2,4 mm). 6. **Nettoyage** : éliminer les copeaux, appliquer une fine couche d’inhibiteur de corrosion si le tube est destiné à l’eau potable. #### Dos d’âne (exemple : coude 90° DN 80, e = 4 mm) 1. **Préparation** : couper une bande d’acier de largeur \(2\times e\) (8 mm) et longueur \[ L = \frac{\pi}{2}\,(R+e) + 10\;\text{mm} \] où \(R\) est le rayon intérieur du coude (pour DN 80, \(R\approx 44,45\) mm, donc \(L\approx 86\) mm). 2. **Formage** : plier la bande en U autour du coude à l’aide d’une cintreuse à rouleaux, vérifier le rayon de courbure (doit correspondre au rayon intérieur du coude). 3. **Fixation** : percer deux trous de 4 mm aux extrémités de la bande, insérer des rivets aveugles de 4 mm de diamètre, serrer à l’aide d’une pince à riveter. 4. **Contrôle** : mesurer l’épaisseur totale du renfort (bande + tube) au niveau du coude, vérifier l’absence de jeu latéral (< 0,2 mm). 5. **Traitement de surface** : appliquer une couche de peinture anti‑rouille ou un revêtement époxy selon la norme NF EN ISO 12944 (protection contre la corrosion). > **À retenir** : le jeu de montage du collet battu (0,2 mm) et le chevauchement de la bande du dos d’âne (≈ 10 mm) sont des paramètres critiques à respecter pour garantir l’étanchéité et la résistance mécanique. ### 5. Exemple d’atelier au Cameroun Dans un chantier de renouvellement du réseau d’eau potable de la ville de Yaoundé (quartier Mvog‑Ada), une équipe de techniciens doit réaliser 120 collets battus sur des tubes DN 50 en acier galvanisé (e = 2,5 mm) pour raccorder des regards de visite. Après avoir suivi la procédure ci‑dessus, le contrôle qualité révèle que 98 % des pièces présentent une épaisseur résiduelle ≥ 2,0 mm (80 % de l’épaisseur nominale) et un diamètre de bride compris entre 64,1 mm et 64,5 mm (tolérance ± 0,2 mm). Les 2 % restant sont rejetés pour épaisseur insuffisante et renvoyés à l’atelier pour refabrication. ### 6. Tableau récapitulatif | Paramètre | Collet battu | Dos d’âne | |-------------------------------|-------------------------------------------|-------------------------------------------| | Objectif principal | Étanchéité par compression | Renforcement contre la flexion | | Outils principaux | Poinçonneuse / cintreuse à mâchoires | Cintreuse à rouleaux, poinçon, riveteuse | | Jeu de montage typique | 0,2 mm (écart entre mâchoires) | Chevauchement 8‑12 mm | | Contrôle clé | Épaisseur résiduelle ≥ 80 % e_nom | Moment d’inertie augmenté ≥ 30 % | | Norme de référence | NF EN 1092‑1 (brides) | NF EN 13445‑3 (équipements sous pression) | | Temps moyen opérateur (min) | 3‑5 | 5‑8 | ## II. Leçon 17 : Synthèse façonnages ### 1. Rappel des différents façonnages étudiés - **Collet battu** : joint d’étanchéité, utilisé pour les raccords droits et les dérivations de faible diamètre. - **Dos d’âne** : renfort de coude, adapté aux changements de direction où les contraintes de flexion sont élevées. - **Bride boulonnée** (rappel) : assemblage démontable, nécessite des joints plats ou toriques. - **Manchon soudé** : raccord permanent, réservé aux hautes pressions lorsqu’une étanchéité absolue est requise. - **Raccord à compression** (type « olive ») : utilisé surtout avec les tubes en cuivre ou en PVC souple. ### 2. Critères de choix du façonnage | Critère | Collet battu | Dos d’âne | Bride boulonnée | Manchon soudé | |-----------------------------|--------------|-----------|-----------------|---------------| | Pression de service (bar) | ≤ 16 | ≤ 25 | ≤ 40 | > 40 | | Diamètre nominal (mm) | 15‑150 | 20‑200 | 20‑300 | 25‑400 | | Facilité de démontage | Non | Non | Oui | Non | | Nécessité de chaleur | Non | Non | Non | Oui (soudure) | | Sensibilité à la corrosion | Moyenne (zone de déformation) | Faible (zone non déformée) | Faible (joint) | Faible (zone de soudure) | | Coût relatif (indice 100) | 85 | 95 | 110 | 130 | > **À retenir** : pour une pression inférieure à 16 bar et un diamètre ≤ 150 mm, le collet battu reste le choix le plus économique et suffisamment sûr, sous réserve du contrôle d’épaisseur résiduelle. ### 3. Procédure de contrôle qualité (commun à tous les façonnages) 1. **Contrôle dimensionnel** : vérifier les cotes extérieures, intérieures et les épaisseurs à l’aide d’un pied à coulisse et d’un micromètre (tolérance ± 0,1 mm pour les diamètres, ± 0,05 mm pour les épaisseurs). 2. **Contrôle de l’état de surface** : examen visuel à la loupe (×10) pour détecter fissures, marques d’outillage, bavures ; utilisation d’un liquide pénétrant si nécessaire. 3. **Contrôle d’étanchéité** (pour collet battu et manchon) : test à la pression de service + 10 % pendant 5 min, observation de fuites à l’aide d’un savon liquide. 4. **Contrôle mécanique** (dos d’âne) : mesure de la flèche sous une charge connue (ex. : 500 N appliquée au milieu du coude) et comparaison avec la valeur théorique calculée à partir du moment d’inertie mesuré. 5. **Documentation** : remplir une fiche de contrôle comportant date, opérateur, numéro de lot, résultats, décision (accepté / rejeté) et signature. ### 4. Exemple de dossier de fabrication (situation professionnelle) **Contexte** : Entreprise « HydroTech Cameroun » doit fournir 50 coudes à 45° DN 100 avec dos d’âne pour un réseau d’adduction d’eau brute dans la région de l’Ouest. | Étape | Action | Responsable | Temps estimé | Résultat attendu | |-------|--------|-------------|--------------|------------------| | 1 | Réception des tubes DN 100, e = 3 mm | Magasinier | 0,5 h | Tubes conformes NF EN 10216‑1 | | 2 | Découpe à longueur 200 mm | Opérateur coupe | 0,25 h | Côtes ± 1 mm | | 3 | Formage du coude 45° sur cintrière | Opérateur cintrage | 0,4 h | Angle 45° ± 0,5° | | 4 | Préparation de la bande dos d’âne (largeur 6 mm, longueur \(L = \frac{\pi}{2}(R+e)+10\) mm ≈ 105 mm) | Opérateur tôlerie | 0,3 h | Bande plane, sans défaut | | 5 | Pliage de la bande en U autour du coude | Opérateur cintrage | 0,25 h | Rayon intérieur conforme | | 6 | Rivetage (4 rivets Ø 4 mm) | Opérateur assemblage | 0,2 h | Fixation sans jeu | | 7 | Contrôle dimensionnel & épaisseur | Contrôleur qualité | 0,15 h | Épaisseur totale ≥ 4,8 mm (80 % de 2 × e) | | 8 | Test d’étanchéité à 2 bar + 10 % | Contrôleur qualité | 0,1 h | Aucune fuite détectée | | 9 | Marquage et emballage | Magasinier | 0,1 h | Prêt pour expédition | **Bilan** : temps moyen par pièce ≈ 2,1 h, coût matière ≈ 1200 FCFA, coût main‑d’œuvre ≈ 800 FCFA, marge bénéficiaire visée ≈ 20 %. ### 5. Tableau synthétique des façonnages | Façonnage | Application typique | Avantages principaux | Limites / précautions | |-----------|--------------------|----------------------|-----------------------| | Collet battu | Raccords droits, dérivations faible diamètre | Étanchéité sans soudure, démontage impossible mais économique | Déformation de la paroi → contrôle épaisseur | | Dos d’âne | Coude 90°/45°, zones de forte flexion | Renforcement mécanique, réduction des contraintes | Nécessite ajout de matière, temps de fabrication plus élevé | | Bride boulonnée | Raccords démontables, gros diamètres | Facilité de maintenance, réutilisable | Nécessite joint d’étanchéité, boulonnage à coupler | | Manchon soudé | Haute pression, réseaux critiques | Étanchéité totale, résistance mécanique élevée | Risque de fissure de soudure, besoin de qualification soudeur | | Raccord à compression (olive) | Tuyaux cuivre, PVC souple, installations domestiques | Montage rapide, pas de chaleur | Dépend de la qualité de l’olive, serrage à contrôler | > **À retenir** : le choix du façonnage doit toujours être justifié par un tableau de critères (pression, diamètre, besoin de démontage, coût) avant de lancer la fabrication. ## Synthèse du chapitre - Le **collet battu** crée une bride mince par déformation radiale ; il assure l’étanchéité par compression et nécessite un jeu de montage d’environ 0,2 mm (écart entre les mâchoires réglé à \(e - 0,2\) mm). - Le **dos d’âne** renforce un coude en ajoutant une bande en U, augmentant le moment d’inertie et réduisant les contraintes de flexion. - Le contrôle qualité comprend la vérification dimensionnelle, de l’état de surface, de l’étanchéité (si applicable) et mécanique (flèche ou épaisseur résiduelle). - Le choix du façonnage se base sur un tableau de critères (pression, diamètre, besoin de démontage, coût, sensibilité à la corrosion). - Les normes de référence sont NF EN 1092‑1 (brides), NF EN 10216‑1 (tuyaux en acier sans soudure) et NF EN 13445‑3 (équipements sous pression). - En atelier camerounais, les temps moyens sont de 3‑5 min pour un collet battu et de 5‑8 min pour un dos d’âne, incluant le contrôle. > **À retenir** : respecter les tolérances d’épaisseur résiduelle (≥ 80 % de l’épaisseur nominale) est indispensable pour garantir la sécurité des installations d’adduction d’eau. ## Glossaire - **Collet battu** : déformation radiale de l’extrémité d’un tube formant une bride d’étanchéité. - **Dos d’âne** : renfort en forme de demi‑cylindre fixé sur la face extérieure d’un coude pour augmenter sa résistance à la flexion. - **Jeu de montage** : écart volontaire laissé entre les outils lors d’une déformation afin d’éviter l’endommagement excessif de la pièce (≈ 0,2 mm). - **Épaisseur résiduelle** : épaisseur mesurée après déformation, exprimée en pourcentage de l’épaisseur nominale. - **Moment d’inertie (I)** : grandeur géométrique caractérisant la résistance d’une section à la flexion. - **Pression de service** : pression maximale à laquelle un élément est conçu pour fonctionner en conditions normales. - **Bride boulonnée** : assemblage démontable constitué de deux brides reliées par des boulons et un joint d’étanchéité. - **Manchon soudé** : raccord permanent obtenu par soudure de deux extrémités de tuyaux. ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Collet battu **Énoncé** : Un tube en acier galvanisé DN 80 (diamètre extérieur 88,9 mm, épaisseur nominale e = 3,5 mm) doit recevoir un collet battu pour réaliser un raccord droit. Déterminer : a) le diamètre extérieur attendu de la bride après déformation, sachant que le jeu de montage est de 0,2 mm et que la hauteur de la bride visée est de 2,0 mm ; b) l’épaisseur résiduelle minimale acceptable (80 % de e) ; c) vérifier si une pièce mesurée présente une épaisseur de 2,6 mm est conforme. **Corrigé** : a) Lors du battage, le matériau s’écoule vers l’extérieur. L’augmentation approximative du diamètre extérieur est égale à deux fois la hauteur de la bride : \[ \Delta D \approx 2 \times h_{\text{bride}} = 2 \times 2,0 = 4,0 \text{ mm} \] Donc : \[ D_{\text{ext, bride}} = D_{\text{ext, tube}} + \Delta D = 88,9 + 4,0 = 92,9 \text{ mm} \] b) Épaisseur résiduelle minimale : \[ e_{\text{min}} = 0,8 \times e = 0,8 \times 3,5 = 2,8 \text{ mm} \] c) La pièce mesurée présente 2,6 mm < 2,8 mm → **non conforme** (épaisseur insuffisante). ### Exercice 2 – Dos d’âne **Énoncé** : Un coude à 90° DN 150 (rayon intérieur R = 150 mm, épaisseur e = 4 mm) doit être renforcé par un dos d’âne constitué d’une bande d’acier de largeur 2 × e et de longueur L = \(\frac{\pi}{2}(R+e) + 20\) mm (pour chevauchement). Calculer : a) la longueur de bande nécessaire ; b) le moment d’inertie approximatif de la section renforcée (on considère la bande comme une plaque rectangulaire de largeur b = 2 e et hauteur h = e, placée à une distance du fibre neutre égale à R + e/2). **Corrigé** : a) \[ L = \frac{\pi}{2}\,(R+e) + 20 = \frac{\pi}{2}\,(150+4) + 20 \approx 1,5708 \times 154 + 20 \approx 241,9 + 20 = 261,9 \text{ mm} \approx 262 \text{ mm} \] b) Moment d’inertie d’une plaque rectangulaire par rapport à son axe neutre central : \[ I_{\text{plaque}} = \frac{b h^{3}}{12} \] Avec b = 2 e = 8 mm, h = e = 4 mm : \[ I_{\text{plaque}} = \frac{8 \times 4^{3}}{12} = \frac{8 \times 64}{12} = \frac{512}{12} \approx 42,7 \text{ mm}^{4} \] Le transfert d’axe (théorème des axes parallèles) ajoute : \[ I_{\text{total}} = I_{\text{plaque}} + A \, d^{2} \] où A = b × h = 8 × 4 = 32 mm² et d = R + e/2 = 150 + 2 = 152 mm. \[ A d^{2} = 32 \times 152^{2} = 32 \times 23104 = 739\,328 \text{ mm}^{4} \] Donc : \[ I_{\text{total}} \approx 42,7 + 739\,328 \approx 739\,371 \text{ mm}^{4} \] Cette valeur montre l’apport majeur du dos d’âne à la résistance à la flexion du coude. ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Oublier le jeu de montage (0,2 mm) lors du réglage de la poinçonneuse | Déformation excessive → fissure ou amincissement dangereux de la paroi | Toujours vérifier l’écart des mâchoires avec un jeu de cales avant chaque série de collets battus | | 2 | Utiliser une bande de dos d’âne trop courte (moins de \(\frac{\pi}{2}(R+e)+10\) mm) | Chevauchement insuffisant → glissement de la bande sous charge | Mesurer la longueur de bande sur un gabarit ou utiliser une règle de calcul intégrée à la poste de travail | | 3 | Négliger le nettoyage des outils après travail sur acier galvanisé | Transfert de particules de zinc pouvant contaminer l’eau potable | Nettoyer les mâchoires, poinçons et surfaces de travail avec un dégraissant adapté et rincer à l’eau claire | | 4 | Serrer excessivement les boulons d’une bride lors du montage | Écrasement du joint → fuite ou détérioration de la bride | Utiliser une clé dynamométrique réglée selon les préconisations du fabricant (ex. : 25 Nm pour bride DN 100 en acier) | | 5 | Effectuer un contrôle d’épaisseur uniquement à l’aide d’un pied à coulisse sans vérifier la concentricité | Détection d’une épaisseur acceptable mais présence d’ovalisation pouvant créer des points de concentration de contraintes | Compléter le contrôle par un contrôle de rondeur (mesure du diamètre en plusieurs directions) ou par un gabarit de concentricité | | 6 | Souder un manchon sans préchauffer le tube lorsqu’il est en acier à haute teneur en carbone | Risque de fissure à chaud dans la zone affectée par la chaleur | Respecter les procédures de préchauffage (ex. : 150 °C pour acier > 0,3 % C) selon la norme NF EN ISO 17662 | --- *Fin du cours.*