Brevet FR2473169A1 — publié le 19810710

1. La présente invention concerne un dispositif de me- sure de la rugosité superficielle. Les dispositifs de mesure de la rugosité superfi- cielle de l'art antérieur se divisent en deux groupes. Le premier groupe comprend les dispositifs capables de procéder à une mesure sans contact direct entre le dispositif et la surface examinée, et le second groupe des dispositifs qui uti- lisent un élément détectant, par contact direct, les irrégula- rités superficielles. io Parmi les dispositifs appartenant au premier groupe, une utilisation particulière est faite du microscope, lequel peut comporter une ou plusieurs lentilles, ou être du type à interférences. Un microscope équipé d'une seule lentille ne permet qu'un grossissement de surface, alors qu'un microscope muni de deux lentilles permet une observation simultanée de la surface de la pièce examinée et de la surface d'une pièce échantillon. Le microscope à interférences comporte une lampe qui émet une lumière monochromatique en vue d'éclairer simul- tanément la surface examinée et un miroir uni de comparaison. Les raies d'interférence se forment entre la surface examinée et le miroir, et le degré de rugosité peut être défini numé- riquement en examinant ces raies. Les dispositifs appartenant au second groupe com- 2. prennent généralement une aiguille de palpage ayant une poin- te de très petit rayon, par exemple de l'ordre de 1 à 2 mi- crons, c'est-à-dire de dimensions du même ordre que les irré- gularités de la surface examinée. Alors que la pièce exami- née, se déplace lentement par rapport à l'aiguille, celle-ci est animée d'un mouvement perpendiculaire à la surface de sorte que celle-ci se trouve périodiquement sondée. Le mouve- ment de l'aiguille est mesuré, par exemple électriquement et éventuellement amplifié, et le signal ainsi obtenu est utili- sé pour actionner une pointe d'écriture qui reproduit sur le papier les variations du profil d'une partie prédéterminée de la surface. Alors que les dispositifs de l'art antérieur du ty- pe cité ci-dessus sont largement utilisés dans la-définition du degré de rugosité superficielle, ils présentent certains inconvénients.En particulier, les microscopes équipés d'une ou de deux lentilles ne permettent qu'un jugement qualitatif de la rugosité superficielle, alors qu'une évaluation numéri- que objective est souvent requise quant à la mesure du degré de rugosité. Dans le cas des microscopes à interférences et des dispositifs comportant une aiguille, bien que fournissant une information numérique sur le degré de rugosité, ils né- cessitent l'utilisation d'un personnel hautement spécialisé. A cet égard, dans le cas des microscopes à interférence, il est nécessaire d'évaluer la forme des raies d'interférence, alors que dans le cas du dispositif comportant une aiguille il faut traiter les données mesurées concernant le profil. Finalement, aucun des dispositifs de mesure des premier et second groupes ne convient à une évaluation rapi- de des défauts de surface d'une pièce en cours d'usinage,car ils sont d'une manipulation difficile et sont structurelle- ment trop délicats. L'objet de la présente invention est de prévoir un dispositif pour la mesure de la rugosité superficielle, qui fournisse une information numérique sur le degré de rugosi- té de la surface, et puisse être utilisé dans l'évaluation du degré de rugosité d'une zone de la pièce en examen. 3. Selon la présente invention,on prévoit un dispositif palpeur pour la mesure du degré de rugosité d'une surface exa- minée 8 comprenant des irrégularités, qui est caractérisé en ce qu'il comprend: - un transducteur émetteur 11 disposé de façon à transformer un signal électrique ayant une fréquence prédé- terminée en onde ultrasonique propagée dans un milieu de couplage liquide et ayant une longueur d'onde du même ordre de grandeur que les irrégularités; - un générateur 13 disposé de façon à produire le signal électrique et à alimenter le transducteur 11; - un transducteur récepteur 12 disposé de façon à recevoir l'onde ultrasonique réfléchie par la surface exami- née 8; - une tête de support 15 du transducteur émetteur 11 et du transducteur récepteur 12, cette tête comprenant une surface de base 16 destinée à reposer sur la surface examinée 8, et les transducteurs 11 et 12 étant logés d'une manière telle que les directions respectives d'émission et de récep- tion définissent deux lignes dans un même plan qui convergent à la surface de base et qui forment le même angle avec celle- ci; et - un moyen de traitement 14 connecté au transduc- teur émetteur 11 et au transducteur récepteur 12, et fournis- sant une indication de la différence de phase entre les signaux ultrasoniques respectivement émis et reçus par les tranduc- teurs lorsque la surface de base 16 de la tête 15 repose sur la surface examinée 8. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec les dessins ci- joints dans lesquels: La figure 1 est une vue schématique des parties es- sentielles d'un dispositif de mesure construit selon la présen- te invention; Les figures 2a et 3a sont des profils, à grande échelle, des surfaces de deux pièces mesurées; Les figures 2b et 3b représentent le trajet des on- 4. des ultrasoniques tombant sur la surface des pièces des figu- res respectives 2a et 3a et réfléchies par celles-ci; Les figures 4 et-5 sont des vues en coupe partielle en élévation suivant deux plans orthogonaux d'un mode de réa- lisation d'une partie du dispositif de la figure 1; La figure 6 est une vue en coupe prise le long du plan VI-VI de la figure 4; et La figure 7 est une vue éclatée en partie en coupe d'un détail du mode de réalisation représenté dans les figures 4 et 5. En liaison plus particulièrement avec la figure 1, la référence 10 représente un dispositif palpeur pour la me- sure du degré de rugosité de la surface 8 d'une pièce 9. Le dispositif 10 comprend sensiblement un transducteur émetteur électro-acoustique 11 et un transducteur récepteur électro- acoustique 12, un générateur de signaux de fréquence ultraso- nique 13 et un circuit de mesure de phase 14. Plus particuliè- rement, les transducteurs 11 et 12 sont montés, en étant de préférence vissés, dans la partie supérieure d'une tête de sup- port 15, et comportent une surface sensible qui se trouve res- pectivement en face de puits coniques 17, 18. Chaque puits com- munique avec la surface de base plate 16 de la tête 15 par un alésage correspondant 19, 20 qui commence au sommet du puits. Les alésages 19 et 20 ont de préférence un diamètre inférieur ou égal à 1 mm, et communiquent l'un avec l'autre à la surfa- ce 16, surface par rapport à laquelle chaque alésage est dis- posé dans le même plan orthogonal et est incliné suivant le même angle. Enfin, d'une façon qui n'est pas représentée, une huile de lubrification est constamment introduite dans les puits 17, 18 et dans les alésages 19, 20 de façon à agir en milieu de propagation liquide des ondes ultrasoniques entre le transducteur émetteur 11, la surface 8 et le transducteur récepteur 12. Le générateur 13 est particulièrement adapté à la fourniture de signaux électriques du type sinusoïdal, dans' une gamme de fréquence telle que les longueurs d'onde corres- 5. pondantes des ondes ultrasoniques dans l'huile sont du même ordre de grandeur que les irrégularités de la surface 8. Ces fréquences sont de préférence comprises entre 5 et 20 MHz. La sortie du générateur 13 est connectée à la fois au transduc- teur émetteur 11 et à une première entrée du circuit de mesu- re de phase 14, sa seconde entrée étant connectée au transduc- teur récepteur 12. Enfin, la sortie du circuit 14 est connec- tée par l'intermédiaire d'un amplificateur 22 à une première borne d'un instrument indicateur 23, dont la seconde borne est connectée à la masse. La figure 2a représente en coordonnées,x, y le pro- fil d'une coupe d'une surface parfaitement lisse 25 d'une pièce 26, et la figure 2b le trajet d'un faisceau incident 27 et d'un faisceau réfléchi 28 d'un premier signal prédéter- miné émis par le transducteur émetteur 11 de la figure 1. La figure 3a représente en coordonnées x, y et à grande échelle le profil d'une coupe de la surface 8 de la pièce 9 de la figure 1. En particulier, hm représente la dé- viation moyenne des pointes du profil, ces pointes étant con- sidérées comme représentant le zéro de l'axe des ordonnées. La figure 3b représente le trajet du faisceau incident 29 et du faisceau réfléchi 30 d'un second signal prédéterminé qui est également émis par le transducteur émetteur 11 de la figu- re 1. En liaison plus particulièrement avec les figures 4 et 5, la référence 31 représente un dispositif de support de la tête 15, qui comprend sensiblement un axe 32 portant la tête 15 à une de ses extrémités et coulissant axialement par rapport à un châssis 33, malgré l'action d'un ressort cylin- drique 34. Plus particulièrement, le châssis 33 comporte une base annulaire 36 et un tronc tubulaire 37 disposés coaxiale- ment et reliés ensemble par deux épaulements diamétralement op- posés 38, 39. Dans le tronc 37 est monté un roulement tubulai- re 41, qui est maintenu axialement sur celui-ci par des bagues fendues 42, 43 montées à ses côtés opposés et engagées dans des rainures annulaires correspondantes (non représentées) qui sont pratiquées dans la surface intérieure du tronc 37. L'axe 32 peut coulisser dans le roulement 41, et comprend au- dessous du tronc 37 une partie 44 intermédiaire, filetée ex- térieurement, (figure 4) dans laquelle sont engagés un écrou à boucle 45 et un écrou de blocage 46. A l'extrémité opposée de la partie 44, par rapport au tronc 37, l'axe 32 est fixé à un bouton 48 par une plura- lité de vis sans tête 49,chaque vis étant vissée dans une par- tie tubulaire inférieure 50 du bouton 48 et venant s'engager dans une gorge annulaire radiale 51 (figure 5) pratiquée dans l'axe 32.La partie tubulaire 50 du bouton 48 comprend une gorge annulaire axiale 53 (figure 5) dans laquelle est enga- gée la partie supérieure du ressort cylindrique 34. L'extrémité inférieure du ressort 34 repose sur une surface annulaire radiale 54 (figure 4) prévue dans le tronc 37. Le bouton 48 comporte également une partie de tête 56 qui comprend intérieurement une chambre 57 communiquant avec l'extérieur par un bouchon fileté 58 (figure 5). Finale- ment, la surface intérieure de la partie tubulaire 50 comprend une gorge annulaire radiale (non représentée) renfermant une bague d'étanchéité élastique 59 (figure 5). Cette bague assure par conséquent une liaison étanche entre la chambre 57 et l'ex- térieur, du côté de la chambre 57 limitée par la partie 50 et l'axe 32. A partir de l'extrémité inférieure de l'axe 32 s'étend un appendice axial fileté 61 de petite section, qui s'engage dans un trou fileté correspondant (non représen- té) prévu dans la tête 15. Celle-ci,dans une position corres- pondant à la zone dans laquelle l'appendice 61 est relié à l'axe 32 comprend une surface conique 62 dont la concavité est dirigée vers l'extérieur, et qui définit avec la surface en regard de l'axe 32 un siège (non représenté) pour une ba- gue d'étanchéité élastique 63. Dans le sens longitudinal, l'axe 32 comprend un trou traversant 65 qui relie la chambre 57 du bouton 55 à une première extrémité de deux conduites radiales 67,68 de la tête 7. , la seconde extrémité communiquant respectivement avec les parois 17, 18 de la tête 15. Le trou 65 est coupé par l'extré- mité conique 70 d'une vis 71. Celle-ci comporte une tête file- tée 72 qui est vissée dans une partie de l'axe 32 se trouvant entre la partie filetée 44 et l'appendice 61. L'extrémité co- nique 70 est disposée de façon à fermer totalement l'ouverture du trou 62.Enfin, la vis 71 comporte une queue 73 de plus pe- tite section en coupe, autour de laquelle une bague d'étanchéi- té élastique 74 est montée. En liaison plus particulièrement avec la figure 6,la tête 15 comprend à sa périphérie, dans un endroit en regard de l'épaulement 38, une cavité rectangulaire 76 s'étendant longi- tudinalement et coopérant avec un roulement radial rigide 77 supporté par un axe 78. Ce roulement est emmanché radialement en force dans un alésage correspondant de l'éapulement 38. Par conséquent, le roulement 77 agit en guide pour les dépla- cements de la tête 15 dans le sens axial. En liaison, plus particulièrement avec la figure 7, la tête 15 est reliée par une plaque 81 à un bloc sensiblement cylindrique 82,qui est décalé par rapport à l'axe de la tête , et peut tourner autour d'un axe de support 83. En parti- culier, la plaque 81 comprend deux trous traversants 84, 85 disposés de façon à être engagés par des vis correspondantes 86, 87, au moyen desquelles la plaque 81 est reliée respective- ment à une partie avant plate 88 de la tête 15 et à un appendi- ce radial 89 du bloc 82. L'axe 83 comprend deux parties 91, 92 ayant des diamètres différents. La partie 91, ayant le plus petit diamètre, s'engage dans un trou borgne 93 du bloc 82 à l'extrémité opposée de l'appendice 89, et la partie 92, de plus grand diamètre, est reliée à la partie annulaire 36 du dispo- sitif de support 31 au moyen d'un appendice cambré 94 s'éten- dant depuis la partie 36, et d'une vis 95 (figures 6 et 7). Finalement, le bloc 82 comprend dans une position intermédiaire un appendice de forme sensiblement parallélépipé- dique 98, qui comporte un trou traversant conique 99 dont la concavité est dirigée vers le bas, et renfermant un axe 100. Cet axe comporte une queue 101 qui s'engage dans le trou coni- 8. que 99, et une tête circulaire plate 102 dont la surface supé- rieure 103 est parfaitement lisse, c'est-à-dire exempte de toute rugosité dans toute la mesure du possible (voir, par exemple, la surface 23 de la figure 2a). La tête 102 repose sur la surface supérieure de l'appendice 98 au moyen d'une rondelle élastique 104, ce qui permet à l'axe 100 et par conséquent à la tête 102 de faire de légers mouvements axiaux par rapport à l'axe du trou 99. Une bague de retenue 106 est également prévue, qui s'engage dans une gorge annu- laire 107 (figure 7) pratiquée dans la queue 101 à l'extré- mité opposée de la tête 102,et cela permet de maintenir l'axe dans l'appendice 98 du bloc 82. Le fonctionnement du dispositif 10 sera d'abord dé- crit ci-après sur le plan théorique en liaison avec les figu- res 1 à 3, puis sur le plan pratique en liaison avec les fi- gures 4 à 7. Le degré de rugosité de la surface 8 de la pièce 9 (figures 1 et 3a) est mesuré en déterminant l'étendue suivant laquelle la différence de phase entre le signal reçu par le transducteur 12 et celui émis par le transducteur 11 lors- que la surface 16 de la tête 15 repose sur la surface plate (figure 2a) est différente de-la valeur obtenue lorsque la surface 16 repose sur la surface rugueuse 8 (figure 3a). Plus particulièrement, lorsque la surface 25 est parfaitement lisse, la réflexion du faisceau incident 27 se produit au ni- veau auquel l'ordonnée y est nulle (figure 2b), à la suite de quoi le signal reçu par le transducteur 12 a un premier dé- phasage par rapport au signal émis par le transducteur 11. Ce déphasage dépend de l'espace que traverse le faisceau inci- dent 27 et le faisceau réfléchi 28 en passant du transduc- teur 11 au transducteur 12. Lorsque la tête 15 est déplacée sur la pièce 9, dont on doit mesurer la rugosité,la surface 16 de la tête repose sur les pointes de la surface 8 de la pièce 9 (figure 3a), alors que la réflexion du faisceau incident 29 se produit sensiblement au même niveau hm du profil (figure 3b). Dans ce cas, un second déphasage est obtenu, celui-ci 9. étant différent du précédent et dépend en particulier de la va- leur du niveau moyen hm. La différence entre les deux déphasages mesurés est calculée directement par le circuit 14, qui, au moyen de l'am- plificateur 22, fournit à l'instrument 23 un signal directe- ment proportionnel à la valeur hm, et par conséquent au de- gré de rugosité de la surface 8. En figure 4, le dispositif 31 est représenté dans sa position de repos, dans laquelle la surface supérieure 103 (non représentée) de la tête 102 de l'axe 100 est maintenue en regard de la surface 16 (non représentée) de la tête 15. Cet- te position est maintenue par le ressort 34, qui, par action sur le bouton 48, sollicite l'axe 32 vers le haut jusqu'à ce que l'écrou 48 soit amené en contact avec la surface inférieu- re du tronc tubulaire 37. Le dispositif de support 31 conser- ve cette position de repos avec stabilité, et c'est pendant cette période de repos que la première mesure de déphasage est exécutée. Pour obtenir la seconde valeur de déphasage, la par- tie annulaire 36 du dispositif 31 repose sur la surface à mesu- rer, et le bouton 48 est soumis à une pression axiale, de façon à vaincre l'action élastique exercée par le ressort 34. La tê- te 15 est par conséquent déplacée vers le bas,et ce déplacement, grâce à la plaque 81, provoque simultanément la rotation du bloc 82 autour de l'axe 83. Lorsque la surface 16 de la tête (figure 5) atteint le plan défini par la surface de base de la partie 36, le bloc 82 a tourné d'un angle proche de 90 , et se trouve ainsi dans une position o il ne gêne pas le mou- vement de la tête 15. La seconde mesure de déphasage est ef- fectuée dans ces conditions. Le chambre 57 du bouton 48 est remplie d'une huile lubrifiante, qui s'écoule dans le trou traversant 65 de l'axe 32 et alimente en permanence les parois 17 et 18 et les con- duites 19 et 20 de la tête 15. S'il faut arrêter la circula- tion d'huile dans le trou 65,par exemple au cours du remplace- ment de la tête 15, on peut tourner la vis 71 de façon à fer- mer l'ouverture du trou 65 avec la tête conique 70 de la vis. 10. L'étude des caractéristiques du dispositif 10 de la présente invention permet de constater que ce dispositif atteint les objets cités précédemment. En particulier, si son étalonnage est convenable, le dispositif 10 fournit directement une indication numérique du degré de rugosité de la surface en examen, libérant ain- si l'opérateur de la nécessité de traiter des données ou d'in- terpréter des configurations particulières du type optique, comme cela est le cas des dispositifs de l'art antérieur. En outre, comme le dispositif de support 31 de la tête 15 est extrêmement maniable et robuste, et que les trans- ducteurs 11 et 12 sont bien protégés à l'intérieur de la tête , tous les inconvénients soulevés par la délicatesse exces- sive des dispositifs utilisés jusqu'à présent se trouvent éli- minés. La présente invention n'est pas limitée aux exem- ples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. Par exemple, des modifica- tions importantes peuvent être apportées à la partie du circuit de la figure 1 située en aval du transducteur 12, à la structu- re du dispositif de support 32 représentée dans les figures 4 à 7. 11. REVENDICATIONS 1 - Dispositif palpeur pour la mesure du degré de rugosité d'une surface examinée (8) comportant des irrégulari- tés, caractérisé en ce qu'il comprend: - un transducteur émetteur (11) disposé de façon à transformer un signal électrique de fréquence prédéterminée en onde ultrasonique se propageant à travers un milieu de coupla- ge liquide et ayant une longueur d'onde du même ordre de gran- deur que les irrégularités; - un générateur (13) disposé de façon à produire un signal électrique et alimentant le transducteur émetteur (11); - un transducteur récepteur (12) disposé de façon à recevoir l'onde ultrasonique réfléchie par la surface exami- née (8); - une tête de support (15) pour le transducteur émet- teur (11) et le transducteur récepteur (12), cette tête compre- nant une surface de base (16) destinée à reposer sur la surfa- ce examinée (8), et les transducteurs (11, 12) étant montés d'une manière telle que les directions respectives d'émission et de réception définissent deux lignes dans le même plan qui convergent à la surface de base et qui forment le même angle que celle-ci; et - un moyen de traitement (14) connecté au transduc- teur émetteur (11) et au transducteur récepteur (12) et four- nissant une indication du déphasage entre les signaux ultraso- niques respectivement émis et reçus par les transducteurs lors- que la surface de base (16) de la tête (15) repose sur la surface examinée (8). 2 - Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la tête de support (15) comprend une première conduite (19) et une seconde conduite (20) qui relient respec- tivement chaque surface sensible du transducteur émetteur (11) et du transducteur récepteur (12) à la surface de base (16), les conduites (19, 20) étant placées dans les mêmes directions d'émission et de réception et convergeant l'une vers l'autre à la surface de base (16). 12. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractéri- sé en ce que chaque conduite (19, 20) s'élargit à l'extrémité opposée à celle qui communique avec la surface de base (16), de façon à définir un puits conique respectif (17, 18), et en ce que chaque transducteur (11, 12) comporte une surface sensible qui est disposée à la base du puits conique (17, 18). 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractéri- sé en ce que le liquide est fourni à chaque conduite (19, 20) et à chaque puits conique (17, 18). 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractéri- sé en ce que le liquide est de l'huile. 6 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à , caractérisé en ce que la tête (15) est montée rigidement avec l'extrémité inférieure d'un axe (32) qui est mobile axialement entre une première et une seconde position malgré l'action d'un moyen élastique (34). 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractéri- sé en ce qu'il comprend un châssis de support (33) de l'axe (32), le châssis (33) comprenant un tronc tubulaire (37) par rapport auquel l'axe (32) peut coulisser; en ce que le moyen élastique comprend un ressort (34) comprimé entre l'ex- trémité supérieure de l'axe (32) et-une surface en regard su- périeure du tronc tubulaire (37). 8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le ressort (34) est cylindrique et est monté coaxia- lement à l'axe (32). 9 - Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, et dépendant de la revendication 4, caractérisé en ce que l'axe (32) comprend dans la direction longitudinale une condui- te traversante (65) qui communique vers le bas, au moyen de conduites respectives (67, 68) avec chaque puits (17, 18) de la tête (15) et vers le haut avec une chambre creuse (57) dans laquelle le liquide est contenu. - Dispositif selon la revendication 9,caractéri- sé en ce que la chambre creuse (57) est prévue à l'intérieur d'un bouton (48) relié de façon étanche à l'extrémité supé- rieure de l'axe (32). 13. 11 - Dispositif selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (71) pour régler l'ouverture de la conduite longitudinale (65) dans l'axe (32). 12 - Dispositif selon l'une des revendications 6 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend un bloc (82) pouvant tourner autour d'un axe et relié à l'axe (32) de façon à as- sumer une première ou une seconde position angulaire selon que l'axe (32) assume la première ou la seconde position pré- déterminée; et un axe (100) avec une tête agrandie comprenant une surface supérieure parfaitement plate (103) et supporté par le bloc (82); l'axe (32), lorsqu'il se trouve dans sa po- sition de repos, assumant une position telle que sa surface plate (103) est en regard de la surface de base (16) de la tête (15). 13 - Dispositif selon la revendication 12, caracté- risé en ce que le bloc (82) comporte un alésage conique (99) qui reçoit la queue (101) de l'axe (100) à tête agrandie, et en ce que la tête (102) de l'axe (100) repose sur la surface du bloc (82) par l'intermédiaire d'une rondelle élastique (104) placée entre elles. 14 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que les signaux fournis par le généra- teur (13) sont sinusoïdaux et ont une fréquence de quelques mégahertz ou de quelques dizaines de mégahertz.