Brevet FR2483602A1 — publié le 19811204

La présente invention concerne de façon générale un procédé d'inspection et de vérification de la surface d'une pièce qui a subi un usinage mécanique. Plus précisé- ment, l'invention concerne un procédé d'inspection et de vérification de la surface interne d'une pièce cylindrique creuse, notamment d'une chemise pour moteur à combustion interne, ayant subi une finition par rectification ou ana- logue si bien que la surface interne de la pièce porte deux jeux d'entailles hélicoïdales ou stries sécantes. Comme on le sait dans ce domaine technique, les caractéristiques et la disposition convenable des deux jeux d'entailles à la surface interne de la chemise dans un moteur à combus- tion interne ont une importance fondamentale pour la cir- culation du lubrifiant, la capacité des segments à retenir le lubrifiant et en résumé, l'usure de la chemise. L'invention concerne donc un procédé du type spé- cifié qui permet l'obtention simple, rapide et précise d'une série d'indications concernant les caractéristiques des deux jeux d'entailles hélicoïdales sécantes formées à la surface interne d'une pièce cylindrique creuse qui a subi une opération mécanique de finition telle que la rectifi- cation ou analogue, le procédé pouvant être mis en oeuvre directement dans la chaine de production pour le contrôle de qualité des pièces. A cet effet, l'invention concerne un procédé d'ins- pection et de vérification de la surface interne d'une pièce cylindrique creuse ayant subi un usinage mécanique, par exemple une finition-par rectification ou analogue, à la suite de laquelle la surface interne a deux jeux d'entail- les hélicoïdales sécantes, ce procédé comprenant: - l'irradiation de la surface interne de la pièce par la lumière d'un laser, pependiculairement à cette sur- face, - - le déplacement relatif en rotation et en transla- tion de la pièce et du rayonnement parvenant sur la surface interne de celle-ci, autour de l'axe de la pièce et le long de celui-ci afin que toute la surface interne de la pièce soit explorée successivement, - la détection du diagramme de diffraction formé par le-rayonnement laser parvenant sur la surface interne de la pièce, à l'aide d'une photodiode, ce diagramme de diffraction ayant la forme d'une croix dont les bras se re- coupent avec des angles correspondant aux angles d'intersec- tion des deux jeux d'entailles et tournant du fait de la rotation relative de la pièce et du rayonnement incident, la photodiode transmettant un signal de sortie qui, en fonction du temps, présente une crête positivecorrespondant au passage de chaque bras du diagramme de diffraction sur la photodiode, et - la formation, à partir du signal électrique, d'une indication sur les caractéristiques des deux jeux d'entailles hélicoïdales sécantes. Le procédé selon l'inventionrend possible l'ob- tention d'une série d'indications relatives à la présence des deux jeux d'entailles, à la prédominance possible d'un jeu d'entailles sur l'autre, à la valeur de l'angle aigu d'intersection des lignes d'entailles des deux jeux, et à la valeur de l'écart de la bissectrice de l'angle obtus des lignes d'entailles des deux-jeux avec les génératri- ces de la pièce. En outre, le procédé selon l'invention per- met la détection de la présence indésirable de stries ou entailles restantes, dues à un usinage grossier précédent de la surface de la pièce. L'invention concerne aussi un dispositif simple, fonctionnel et commode en pratique, pouvant être utilisé directement sur une chaîne de production pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Plus précisément, l'invention concerne un disposi- tif d'inspection-et de vérification de la surface interne d'une pièce cylindrique creuse qui a subi un usinage méca- nique, notamment une finition par rectification ou analogue, à la suite de laquelle la surface interne porte deux jeux d'entailles hélicoïdales sécantes, le dispositif comprenant une sonde optique cylindrique qui peut être introduite axialement dans la cavité de la pièce, et un dispositif destine à déplacer la sonde et la pièce en direction axiale l'une par rapport à l'autre, la sonde comprenant - une partie tubulaire interne logeant coaxialement une source de rayonnement laser et un système optique télé- centrique, comprenant deux lentilles distantes axialement- et -destinées à réduire la section du faisceau du laser quittant la source, - une partie tubulaire externe supportée coaxiale- ment par la partie tubulaire interne afin qu'elle puisse tourner et ayant une partie terminale munie d'une paroi transparente portant un miroir incliné par rapport à l'axe de la sonde et destiné à intercepter le rayonnement laser provenant du système optique et à le dévier radiale- ment vers la surface interne de la pièce à travers la paroi transparente, - un dispositif destiné à faire tourner la partie tubulaire externe par rapport à la partie interne, et - une photodiode portée par la partie tubulaire interne dans une partie correspondant à la paroi transpa- rente de la partie tubulaire externe et destinée à détecter le diagramme de diffraction formé par le rayonnement laser parvenant à la surface interne de la pièce-et à transmettre à -sa sortie un signal électrique représentatif des carac- :25 téristiques des deux jeux d'entailles sécantes. Le signal électrique de sortie de la photodiode peut avantageusement- parvenir à un microprocesseur électro- snique Ml qui peut traiter ce signal et donner des indipa- tions concernant la présence des deux jeux d'entailles, la prédominance possible de l'un des jeux d'entailles sur l'autre, la valeur de l'angle aigu d'intersection.des li- gnes d'entailles des deux jeux, la valeur de l'écart de la bissectrice de l'angle obtusdes entailles des deux jeux par rapport aux génératrices des pièces, et la présence possi- ble d'entailles indésirables restantes, dues à un usinage antérieur grossier de la surface de la pièce. Le dispositif selon l'invention peut aussi com- prendre avantageusement une seconde-photodiode portée par la partie tubulaire interne de la sonde, un système optique destiné à diriger vers la seconde photodiode la composante spéculaire du rayonnement réfléchi par chaque point de la- surface interne de la pièce, la seconde photodiode étant destinée à transmettre à sa sortie un signal électrique représentatif de l'intensité de cette composante du rayon- nement, et un dispositif M2 de traitement électronique qui reçoit les signaux de sortie de la seconde photodiode et destiné à donner une indication du degré de rugosité de la surface interne de la pièce et de la présence de défauts superficiels possibles. Ces deux indications, permettant un contrôle complet de qualité de la surface interne de la pièce avec un seul appareil, peuvent être obtenues de la manière décrite et représentée dans les demandes de brevet italiens n' 69 438-A/-78 et 69 439-A/78. Dans une variante, ces deux indications peuvent être obteknues à l'aide d'un système de traitement à microprocesseur de type classique. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description d'exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels - - la figure 1 est un schéma en coupe longitudinale partielle d'un dispositif selon l'invention; - la figure 2 est une perspective schématique re- présentant à titre illustratif le principe de mise eh oeuvre d'une partie du dispositif de la figure I; et - la figure 3 est un graphique représentant les signaux électriques qui peuvent être obtenus à la sortie du dispositif selon l'invention. Sur la figure 1, la référence 10 indique une sonde optique dans son ensemble, destinée à l'inspection et à la vérification de la surface interne d'un corps cylindrique creux C, par exemple la chemise d'un cylindre de moteur à combustion interne, après les opérations de finition de la surface interne du corps C. La sonde 10 comprend essentiellement une partie tubu3.aire interne 12 de support et un carter tubulaire ex- terne 14 coaxial à la partie interne 12 et pouvant tourner sur celle-ci par l'intermédiaire de roulements 16. Une source 18 d'un rayonnement laser de type classique se loge dans la zone supérieure de la partie interne 12 et est destinée à former un faisceau L de rayonnement laser diri.gé suivant l'axe de la sonde 10 et vers l'extrémité inférieure de celle-ci. Une lentille sphérique 28 dont l'axe focal est aligné sur celui de la sonde 10, est introduite et maintenue dans la partie interne 12 et sous la source 18 par une sé- rie de manchons et de bagues filetées 20, 22, 24 et 26. Un élément tubulaire supplémentaire 30 est vissé sur la par- tie inférieure du manchon 24 et porte un bloc tubulaire 32 de support à son extrémité inférieure, par vissage. Un cu- be répartiteur de faisceau 34 est placé dans le bloc 32 et il a une surface diagonale interne 36 assurant une transmission partielle et faisant un angle de 450 avec l'axe de la sonde 10. Cette surface diagonale 36 est transparente au rayonnement du laser L provenant de la source 18 et est disposée en face d'une photodiode 38 placée dans une ouver- ture de la paroi latérale du bloc 32. La photodiode 38 est reliée électriquement par les conducteurs représentés à un circuit électronique de traitement qui comporte un microprocesseur de type classique, repéré M1, et dont le fonctionnement est décrit dans la suite du présent mé- moire. Une seconde lentille sphérique 40 dont l'axe focal est aligné sur celui de la lentille sphérique 28 est fixée à la partie inférieure du bloc 32 et en conséquence au- dessous du cube répartiteur de faisceau 34. Les deux len- tilles 28 et 40 sont réalisées et disposées de manière qu'el- les forment un système optique télécentrique destiné à ré- duire le diamètre du faisceau L de rayonnement laser prove- nant de la source 18. Une patte 42 de support est fixée à la partieinfé- r:eure du bloc 32 et porte une photodiode supplémentaire 44 qui est reliée électriquement par les conducteurs re- présentés au circuit électronique de traitement comprenant le microprocesseur. La photodiode 44 est disposée dans une partie correspondante à une zone annulaire 46 de paroi transparente du carter externe 14 de la sonde 10. Ce car- ter 14 a une paroi inférieure 48 de base perpendiculaire à l'axe de la sonde 10 et ayant un support axial central 50 dépassant vers le haut et portant un miroir 52. Celui-ci fait un angle de 45 avec l'axe de la sonde 10 et est dis- posé en face de la paroi transparente 46 du carter 14. La sonde 10 a en outre un dispositif d'entraIne- ment en rotation du carter externe 14 par rapport à la par- tie tubulaire interne 12. Ce dispositif peut être par exemple sous forme d'un moteur électrique ou pneumatique non repré- senté, assurant la rotation d'une courroie crantée 54 en prise avec une-couronne dentée 56 formée à la surface ex- terne de l'extrémité supérieure du carter 14. Ce dispositif d'entraînement en rotation du carter 14 peut être réalisé afin qu'il donne une vitesse élevée de rotation du carter 14 et en conséquence du miroir 52, de préférence une vi- tesse comprise entre 2500 et 3000 tr/min. Selon l'invention, un dispositif d'entraînement assure aussi le déplacement axial relatif de la sonde 10 et de la pièce cylindrique C afin que toute la surface in- terne de la pièce soit explorée successivement pendant la rotation du carter 14. A cet effet, un support de la pièce C peut être réalisé afin qu'il soit mobile verticalement par rapport à là sonde 10, sous la commande d'un dispositif classique D de type hydraulique, pneumatique ou autre quel- conque. Dans une variante, un dispositif peut déplacer la sonde 10 en direction axiale, la pièce C à inspecter étant fixe. Le mouvement de rotation du carter 14 et de la sonde 10 et le mouvement de translation de la pièce C à inspecter peuvent être avantageusement directement comnan- dés par le circuit électronique-à microprocesseur qui est relié aux photodiodes 38 et 44. Le dispositif selon l'invention permet un contrôle complet de qualité de la surface interne de la pièce cy- lindrique C, après les diverses opérations d'usinage méca- nique, directement sur la ligne de fabrication. Une appli- cation particulièrement avantageuse du dispositif est l'ins- pection et la vérification des chemises des cylindres des moteurs à combustion interne qui subissent des opérations de finition par rectification ou analogue à la suite desquel- les la surface interne du corps cylindrique a deux jeux de stries ou entailles hélicoïdales sécantes dont la conforma- tion et la-disposition sont très importantes pour la lubri- fication de la chemise en cours-d'utilisation. Le dispositif selon l'invention permet l'obtention d'une sérié d'indica- tions relatives aux caractéristiques des deux jeux d'entail- les hélicoïdales du corps et simultanément permet l'obten- tion d'indications concernant le degré de rugosité de la surface interne de la pièce ou la présence de défauts su- perficiels éventuels sur cette surface. - Le premier type d'indication, c'est-à-dire dépen- dant des jeux d'entailles hélicoïdales sécantes, est obtenu par examen des diagrammes de diffraction formés par le rayonnement laser L parvenant sur la surface interne de la pièce, par l'intermédiaire du signal électrique trans- mis par la photodiode 44 qui reçoit ce diagramme de diffrac- tion à travers la paroi transparente 46 du carter 14 de la sonde 10. La figure.2 représente schématiquement la mise en oeuvre de cet essai. Comme l'indique cette figure, la figure ou le diagramme F de diffraction formé par le rayonnement laser L, recoupant la surface interne de la chemise C en direction normale, a la configuration d'un X dont les bras se recoupent suivant des angles correspondant aux angles d'intersection des deux jeux d'entailles. Lorsque le rayon- nement laser incident se déplace par rapport à la surface de la chemise C, le diagramme F de diffraction tourne dans un plan imaginaire d'observation indiqué en traits inter- rompus sur la figure 2. On peut donc obtenir, à partir d'une photodiode placée dans ce plan d'observation,, un signal qui, en -fonction du temps, présente une crête positive cor- respondant au passage de chaque bras du diagramme F de dif- fraction sur la photodiode elle-même. Un exemple de varia- tion de signal électrique à la sortie de la photodiode 44 en fonction du temps est indiqué schématiquement dans la partie supérieure du graphique de la figure 3.-Ce signal, repéré par la référence E1, ayant des crêtes positives P1, P2 correspondant au passage des bras du diagramme F de diffraction, est traité dans le circuit électronique à micro- processeur afin que l'information suivante, relative aux deux jeux d'entailles hélicoïdales sécantes, soit obtenue a) la présence des deux jeux d'entailles, par vérification de la présence des crêtes P1 et P2 dans le si- gnal, b) la prédominance éventuelle d'un jeu d'entailles sur l'autre par comparaison des hauteurs des deux crêtes successives P1, P2 du signal, c) la valeur de l'angle aigu d'intersection A des entailles des deux jeux, par mesure de-l'intervàlle de temps séparant une première crête P1 de la suivante P2, et par utilisation de la vitesse angulaire de la partie rotative 14 de la sonde 10, d) l'angle de déviation B de la bissectricede l'angle obtusformé par les entailles des deux jeux avec les génératrices de la pièce C, par mesure de l'intervalle de temps séparant les crêtes P1, P-2 du signal d'un moment de référence, et e) la présence possible de stries indésirables restantes à la suite d'un usinage grossier précédent, par présence de crêtes anormales dans le signal. Les indications concernant le degré de rugosité de la surface interne de la pièce et la présence de dé- fauts possibles à la surface sont tirées du signal élec- trique transmis-par la sortie de la photodiode 38. Celle- ci est disposée préalablement-afin qu'elle détecte l'in- tensité de la composante du rayonnement laser réfléchi de manière spéculaire par la surface de la pièce C et parve- riant sur la photodiode 38 par l'lntermédiaire de la paroi transparente 46 du carter 14, à la suite de la réflexion par le miroir 52, après focalisation par la lentille 40 et réflexion par la surface semiréfléchissante 36 -du cube 34. Un exemple de variation de signal électrique à là sor- tie de la photodiode 38 en fonction du temps est indiqué dans la partie inférieure du schéma de la figure 3. Ce si- gnal, repéré par la référence E2, parvient au circuit à microprocesseur qui en forme la valeur moyenne et assure la corrélation de celle-ci avec une série de courbes théo- riques expérimentales, correspondant à diverses valeurs de rugosité moyenne, conservées dans la mémoire du micro- processeur. Le principe de ce type d'analyse est pratique- ment semblable à celui qui est décrit dans la demande de brevet italien n0 69 438-A/78. L'indication relative à la présence de défauts à la surface de la pièce est obtenue par traitement du signal électrique E2 de la sortie de la photodiode 38 quia une crête P3 chaque fois que le-rayonnement du laser intercepte un défaut de la surface. Le défaut de la surface constitue en fait un centre d'absorption de l'énergie lumineuse qui crée une crête négative dans le cylindre E2 de sortie de la photodiode 38. Cette crête P3 peut être détectée par le microprocesseur, à l'aide d'un circuit électronique à seuil variable. Le principe de cette détection est prati- quement semblable à celui qui est décrit dans la demande de brevet italien n0 69 439-A/79. Naturellement, le circuit à microprocesseur peut aussi avoir des fonctions éventuelles destinées à donner, à l'aide des signaux E et E2 des photodiodes 38 et 44, d'autres indications utiles telles que par exemple la lo- calisation, par rapport à des coordonnées de référence, des défauts éventuels de surface, le nombre total de dé- fauts, etc. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs et procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1-. Procédé d'inspection et de vérification de la surface interne d'une pièce cylindrique creuse ayant subi un usinage mécanique, notamment une opération de finition par rectification ou analogue, à la suite de laquelle la surface interne porte deux jeux d'entailles hélicoïdales sécantes, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend l'irradiation de la surface interne de la pièce (C) par la lumière (L) d'un laser, en direction perpendi- culaire à cette surface, - le déplacement relatif en rotation et en trans- lation de la pièce (C) et du rayonnement parvenant à la sur- face interne de la pièce autour de l'axe de la pièce (C) et le long de cet axe afin que toute la surface interne de la pièce.(C) soit exposée successivement, - la détection à l'aide d'une photodiode (44) du diagramme (F) de diffraction formé par le rayonnement laser frappant la surface interne de la pièce (C), ce diagramme (F) de diffraction étant en forme de croix dont les bras se recoupent suivant des angles qui correspondent aux an- gles d'intersection (A) des-deux jeux d'entailles et tour- nent à la suite de la rotation relative de la pièce (C) et du rayonnement incident, la photodiode (44) étant destinée à transmettre un signal électrique (E1) qui, en fonction du temps, présente une crête positive (P1, P2) correspon- dant au passage de chaque bras du diagramme (F) de dif- fraction sur la photodiode (44), et - la formation, à partir du signal électrique (E1), d'une indication concernant les.caractéristiques des deux jeux d'entailles hélicoïdales sécantes. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la formation, à partir du signal électrique (E1), d'une indication concernant les caractéristiques des entail- les hélicoïdales sécantes comprend la mesure de l'interval- le de temps séparant une crête de la crête successive (Pi, P2) du signal électrique (E1), et la détermination, à partir 1.1 de la vitesse angulaire relative de la pièce (C) et du rayonnement incident, de la valeur de l'angle aigu d'in- tersection (A) des entailles des deux jeux. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la formation, à partir du signal (El), d'une indi- cation dépendant des caractéristiques des entailles héli- coldales sécantes, comprend la comparaison des hauteurs des deux crêtes successives (Plf P2) du signal électrique (E1) et l'obtention d'une indication sur la prédominance possible d'un jeu d'entailles sur l'autre. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la formation, à partir du signal électrique (E1), d'une indication dépendant des caractéristiques des en- tailles hélicoïdales sécantes, comprend la mesure de l'intervalle de temps séparant une crête (P1l P2) du signal (El) d'un temps de référence, et la détermination, à partir de la vitesse angulaire-relative de la pièce (C) et du rayonnement incident, d'une indication sur la dé- viation (B) de la bissectrice de l'angle obtusdes entailles des deux jeux avec les génératrices de la pièce (C). 5. Dispositif d'inspection et de vérification de la surface interne d'une pièce cylindrique creuse ayant subi un usinage mécanique, notamment une opération de finition par rectification ou analogue, à la suite de laquelle cette surface interne porte deux jeux d'entailles hélicoidales sécantes, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend une sonde optique cylindrique (10) qui peut être introduite axialement dans la cavité de la piece (C) et un dispositif d'entraînement assurant le déplacement axial relatif de la sonde (10) et de lapièce (C), la sonde (10) comprenant: - une partie tubulaire interne (12) logeant co- axialement une source (18) de rayonnement laser et un sys- tème optique télécentrique comprenant deux lentilles (28, 40) distantes le long de l'axe de la sonde (10) et des- tinées à réduire la section du faisceau de rayonnement laser (L) provenant de la source (18), - une partie-tubulaire externe (14) portée coaxia- lement par la partie tubulaire interne (12), destinée à tourner autour de cette dernière et ayant une partie termi- nale munie d'une paroi transparente (46) en face de laquel- le est placé un miroir (52) incliné par rapport à l'xe de la sonde (10) et disposé de manière qu'il intercepte le rayonnement du laser (L) provenant du système optique té- lécentrique (28, 40) et qu'il renvoie ce rayonnement (L) radialement sur la surface interne de la pièce (C) à tra- vers la paroi transparente (46), - un dispositif (54, 56) d'entraînement en rota- tion de la partie tubulaire externe (14) par rapport à la partie tubulaire interne (12), et - une photodiode (44) portée par la partie tubu- laire interne (12) en face de la paroi transparente (46) de la partie tubulaire externe (14) et destinée à détecter le diagramme de diffraction (F) formé par le rayonnement laser frappant la surface interne de la pièce (C) et à transmettre un signal électrique (E1) représentatif des caractéristiques des deux jeux d'entailles hélicoidales sécantes. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif électronique de traitement comprenant un microprocesseur et destiné à recevoir le signal (E1) de sortie de la photodiode (44) et à transmettre une indication relative à la présence des deux jeux d'entailles, à la prédominance possible d'un jeu d'entailles sur l'autre, à la valeur de l'angle aigu d'intersection (A) des entailles des deux jeux, à la valeur de la déviation (B) de la bissectrice de l'angle obtusdes entailles des deux jeux avec les génératrices de la pièce (C) et à la présence possible de stries restantes-dues à un usinage grossier antérieur. - 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre - une seconde photodiode (38) portée par la partie tubulaire interne (12) de la sonde, - un système optique (52, 40, 36) destiné à diri- ger sur la seconde photodiode (38) la composante spéculaire du rayonnement réfléchi par chaque point de la surface in- terne de la pièce (C), la seconde photodiode étant destinée à transmettre un signal électrique (E2) de sortie repré- sentatif de l'intensité de cette composante du rayonnement, et - un dispositif électronique de traitement compre- nant un microprocesseur et destiné à recevoir les signaux de la seconde photodiode (38) et à donner une indication du degré de rugosité de la surface interne de la pièce (C) et de la présence de défauts superficiels éventuels. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le système optique comprend le miroir incliné (52) porté par la partie tubulaire externe (14) de la sonde (10), et un cube répartiteur de faisceau (34) disposé entre les deux lentilles (28, 40) du système optique télécentrique et ayant une surface diagonale (36) partiellement réfléchis- sante, inclinée sur l'axe de la sonde (10) et destinée à diriger la composante spéculaire du rayonnement laser réfléchi par la surface interne de la pièce (C) vers la seconde photodiode (38), cette composante parvenant sur la surface partiellement réfléchissante (36) du cube ré- partiteur de faisceau (34) du fait de la réflexion par le miroir (52) et du-passage dans la lentille externe (40) du système optique télécentrique.