Brevet FR2511912A1 — publié le 19830304

La présente invention concerne le domaine du travail de pièces par déformation plastique et a notamment pour objet Sun procédé de durcissement superficiel de pièces de machines ayant des surfaces de forme compliquée, en par- ticulier de pièces de forme spirale tridimensionnelle, par exemple de ressorts hélicoïdaux, ainsi que les pièces traitées conformément audit procédé. Il est avantageux d'utiliser la présente invention notamment pour le durcissement de pièces exécutées sous forme de spirale tridimensionnelle dont les spires sont exécutées en un matériau de section transversale sensible- ment: ronde. Comme on le sait, la résistance à la détérioration due à la fatigue, qui assure un fonctionnement prolongé dans des conditions de contraintes cycliques, est l'une des caractéristiques les plus importantes des ressorts lors de leur utilisation Les égratignures, traits, microrugosités, microfissures formant un microrelief à la surface des ressorts sont des concentrateurs de contraintes qui abaissent la résistance à la fatigue des ressorts La résistance des pièces à la fatigue diminue considérablement lorsque les égratignures, les traits, etccoincident avec la direction de la charge de travail En règle générale, l'élévation de la résistance des pièces des machines à la fatigue est obtenue par leur durcissement superficiel Il existe différents modes de durcissement superficiel, par exemple thermique, chimio-thermique, mécanique, thermomécanique et autres. A l'heure actuelle, le durcissement des pièces du type ressort en forme de spirale et dont la spire est de section ronde à durcissement identique dans toute la sec- tion de la spire et à faible rugosité présente de grandes difficultés On connaît plusieurs procédés de durcissement de pièces du type ressort par déformation plastique. Dans la technique actuelle, le procédé de traitement par grenaillage trouve une large application dans le dur- cissement de pièces du type ressort Selon ce procédé, le durcissement se fait au moyen de grenaille d'acier ou de fonte sous forme de billes auxquelles on communique une énergie cinétique et qu'on fait agir sur le ressort à travailler. L'inconvénient de ce procédé réside dans l'inégalité du durcissement suivant la section de la spire du ressort et dans la grande rugosité de sa surface Ceci conduit à la formation de petits concentrateurs de contraintes diminuant la résistance du ressort à la destruction par la fatigue. Selon l'autre procédé en usage dans la technique, le durcissement se fait au moyen de billes libres auxquelles sont communiquées des oscillations ultrasonores Dans ce procédé, on communique des oscillations ultrasonores aux billes disposées dans une enceinte close Les pièces du type vis ou du type ressort sont logées dans cette même enceinte close et leur durcissement est effectué à l'aide de billes auxquelles sont communiquées des oscillations ultrasonores. Toutefois, dans le cas de pièces de forme spirale tridimensionnelle, il est impossible d'obtenir une profon- deur identique de la couche durcie suivant toute la surface. En outre, il est difficile d'obtenir à l'aide de ce pro- cédé la profondeur requise de la couche durcie. On s'est donc proposé de mettre au point un procédé simple et fiable et un dispositif pour le durcissement de ressorts à spires de section transversale ronde, qui assu- reraient, grâce à une disposition appropriée d'éléments déformants sur la pièce à durcir et à la communication d'oscillations ultrasonores à la pièce, la profondeur désirée de la couche superficielle durcie. Le problème ainsi posé est résolu à l'aide d'un pro- cédé de durcissement de surfaces de pièces de forme compliquée, notamment sous forme de spirale tridimensionnelle, fabriquées en un matériau dont la section transversale est sensible- ment ronde, par déformation plastique à l'aide d'éléments déformants déplacés suivant la surface de la pièce,caractérisé, selon l'invention, en ce qu'on place les éléments déformants sur deux côtés respectifs diamétralement opposés de la spirale de manière qu'ils puissent tourner au contact de la surface du matériau de la spirale, on met la pièce en rotation autour de son axe longitudinal en communiquant simultanément à celle-ci des oscillations ultrasonores, on fait tourner les éléments déformants en sens contraireede manière qu'ils forment sur la surface de la pièce un micro- relief régulier sous forme d'un réseau de trajectoires entre- croisées et, en faisant varier le rapport entre les vitesses angulaires de rotation des éléments déformants, on assure l'obtention des valeurs désirées des paramètres géométriques du microrelief. Trois types d'oscillations: oscillations longitudi- nales, oscillations de flexion et oscillations de torsion, sont engendrées dans le ressort par suite de sa forme compliquée hélicoldale Du fait que la longueur d'onde de chaque type d'oscillations ultrasonores est différente, tous les points du ressort subissent des oscillations compliquées, autrement dit, l'amplitude totale en chaque point est approximativement identique En conséquence, il est possible d'effectuer le durcissement en appliquant de faibles charges statiques à l'élément déformant Ceci con- tribue à une rotation stable des éléments déformants et à l'obtention, par conséquent, d'une profondeur identique de la couche durcie. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels la figure 1 représente un schéma de principe de mise en oeuvre du procédé de durcissement de surfaces de forme compliquée par déformation plastique; la figure 2 est une vue en coupe suivant II-II de la figure 1; la figure 3 est une vue en coupe suivant III-III de la figure 1; la figure 4 montre les trajectoires d'intersection des traces des éléments déformants sur la surface défor- mée de la pièce en cas d'égalité des vitesses angulaires de rotation des éléments déformants; et la figure 5 représente les trajectoires d'intersec- tion des traces des éléments déformants sur la surface déformée de la pièce en cas d'inégalité des vitesses an- gulaires de la rotation des éléments déformants. Les figures 1, 2 représentent le dispositif et les figures 2, 3 représentent un schéma de principe de mise en oeuvre du procédé de durcissement de surfaces de forme compliquée par déformation plastique de pièces, notamment sous forme de spirale tridimensionnelle de section sensible- ment ronde Le dispositif de durcissement comporte deux moteurs électriques 1 et 2 (figure 1) à-réglage non étagé de la vitesse de rotation, montés sur des chariots 3 Des poulies 4 et,5 sont emmanchées sur les arbres des moteurs électriques 1 et 2 et transmettent la rotation par l'inter- médiaire de transmissions par courroies 6 et 7 aux éléments déformants E, F disposés dans des chapes 8 et 9 Les élé- ments déformants E, F sont de construction identique Ils comportent des joints en antifriction 10, des billes 11 (figure 2), des cages 12 et des bagues de charge 13 Un ressort 14 fixé à une extrémité d'un guide 15 (figure 3) est engagé à travers les éléments déformants E, F L'autre extrémité du guide d'ondes 15 est solidaire d'une source d'oscillations ultrasonores 16. Le procédé de durcissement de surfaces de forme com- pliquée par déformation plastique consiste en ce qui suit. Un ressort 14 est fixé à une extrémité du guide d'ondes (figure 3) L'un des éléments déformants, par exemple l'élément E, est placé sur le ressort 14 avec un certain ajustage serré dont la valeur constitue la différence entre le diamètre de la section transversale de la spire du ressort 14 et le diamètre de travail de l'élément déformant E. La mise en place des éléments déformants E, F sur le ressort 14 se fait successivement On procède d'abord à l'assemblage de l'un des éléments déformants, par exemple E, c'est-à-dire qu'on place les billes 11 (figure 2) dans la cage 12 et on les introduit dans la bague de charge 13. Les plaques en antifriction 10 (figure 1) sont placées sur les surfaces latérales de la bague de charge 13 On engage l'élément déformant E ainsi assemblé sur le res- sort 14, puis on place l'élément déformant E autour de la chape 8 des deux côtés de celle-ci On place la courroie d'entraînement 6 sur la bague de charge 13 Ceci fait, on communique au ressort 14 des oscillations ultrasonores à partir de la source 16 par l'intermédiaire du guide d'ondes ,ainsi qu'un mouvement rotatif autour de l'axe longitu- dinal du ressort avec une fréquence n En même temps, l'élément déformant E est mis en mouvement rotatif autour de la section de la spire du ressort avec une fréquence N 1 (figure 2) à l'aide du moteur électrique 2 par l'inter- médiaire de la poulie 4 et de la courroie d'entraînement 6 Une fois traitée une moitié de la spire du ressort 14 (figure 1), on interrompt le mouvement rotatif du ressort 14, on met hors circuit le moteur électrique 2 et la source d'oscillations ultrasonores 16 (figure 3) Ensuite, on assemble le deuxième élément déformant F de l'autre côté du ressort Son assemblage s'effectue de la même manière que pour l'élément déformant E monté précédemment. Ceci fait, on communique au ressort 14 des oscilla- tions ultrasonores et un mouvement rotatif autour de son axe longitudinal à partir de la source 16 par l'inter- médiaire du guide d'ondes 15 Les moteurs électriques 1, 2 communiquent un mouvement rotatif aux éléments déformants E, F, et par conséquent, aux billes 11 montées sur des côtés respectifs diamétralement opposés du ressort 14, par l'intermédiaire des poulies 4,5 et des transmissions par courroie 6 et 7 dans des sens opposés et à des fré- quences ni et N 2 respectivement. A chaque tour du ressort 14, chaque élément déformant E ou F se déplace par rapport au ressort 14 suivant la périphérie d'une spire d'une longueur L = rllD, o D est le diamètre du ressort, IT'= 3,14 Si on désigne par So l'avance admissibleassurant le microrelief régulier requis, de l'élément déformant (par exemple de l'élément E) à chaque tour de celui-ci autour de son axe, la valeur L/50 caractérise le nombre de tours N 1 de l'élément défor- mant par tour du ressort Donc, la fréquence N 1 est d'au- tant de fois supérieur à la fréquence de rotation N du ressort. Les éléments déformants E, F, par l'intermédiaire des billes 11, forment sur la surface du ressort 14 un microrelief régulier sous forme de trajectoires s'entre- croisant en formant un réseau et, en changeant le rapport entre les vitesses angulaires de rotation des éléments déformants E,F, on obtient les valeurs désirées des para- mètres géométriques du microrelief. Pendant un tour du ressort 14 autour de son axe, on déplace les chariots 3 portant les éléments déformants E, F suivant l'axe du ressort et sur une distance égale au pas t du ressort 14 (figure 3) Si la rigidité du ressort 14 est suffisante (diamètres du fil du ressort supé- rieurs à 5 mm), on n'a pas besoin d'effectuer un déplace- ment forcé des chariots 3 (figure 1) Si l'on monte les chariots 3 sur les guidages du dispositif avec possibilité de se déplacer librement le long de l'axe du ressort 14, une composante de l'effort orientée le long de son axe est engendrée pendant la rotation du ressort 14 autour de son axe Sous l'action de cet effort, les chariots se déplacent suivant l'axe du ressort 14 et effectuent son usinage suivant sa longueur. Par suite de la forme compliquée du ressort 14 (figures 2, 3),des oscillations complexes de trois types: longitudinales A, de torsion B et de flexion C, se forment (figure 3) quand la source d'oscillations ultra- sonores 16 est mise en action Etant donné que la lon- gueur d'onde de chaque type d'oscillations est différente, tous les points du ressort 14 sont soumis à des oscillations ultrasonores complexes, autrement dit, l'amplitude des oscillations en chaque point est approximativement identi- que La présence d'oscillations ultrasonores en chaque point du ressort 14 augmente la plasticité du matériau et l'activation du mouvement de dislocations, ce qui diminue l'effort de déformation et les forces de frotte- ment Les oscillations ultrasonores communiquées au ressort 14 (figure 2) sont transmises aux billes 11, et grâce au fait que celles-ci sont sollicitées par la bague 13, cette bague assure, en plus des oscillations de basse fréquence des billes 11 Il se produit alors une modulation en ampli- tude des oscillations de basse fréquence des billes 11 par les oscillations ultrasonores, ce qui permet d'obtenir une plus grande profondeur de la couche durcie avec des efforts de déformation et des forces de frottement moindres Ce phénomène intensifie le processus et n'était pas appliqué jusqu'ici dans la technique. L'absence d'oscillations ultrasonores augmente la résistance de la matière à la déformation plastique et à la force de frottement, ce qui conduit à un glissement des courroies d'entraînement sur les bagues de charge 13, et le processus d'usinage du ressort 14 s'interrompt C'est grâce au fait que le ressort 14 est soumis à l'action des oscillations ultrasonores qu'on a obtenu la possibilité d'assurer l'usinage de tout le périmètre de la section de la spire du ressort 14 par les éléments déformants E, F avec des contraintes de compression régulières et avec une rugosité de surface égale à 0,15 micron. En réglant la vitesse de rotation des éléments défor- mants E, F, l'effort de charge des éléments déformants E, F, c'est-à-dire des billes 11 au moyen des bagues inter- changeables 13 (figure 2) et l'intensité des oscillations ultrasonores 14, on obtient un microrelief régulier avec le degré nécessaire de durcissement et la profondeur désiréede la couche durcie sur les surfaces usinées de pièces du type ressort ou analoguejet on obtient en même temps des contraintes de compression optimalessuivant tout le contour de la section de la spire du ressort à durcir, ce qui élève la résistance cyclique des ressorts. En outre, en communiquant au ressort 14 des oscilla- tions ultrasonores il est p 'ossible, pendant l'usinage, de déceler dans le ressort la présence de microfissures qui sont impossibles à déceler visuellement. L'avantage important du procédé revendiqué réside dans le fait qu'on communique aux éléments déformants E, F des rotations en sens contraires Ainsi, un élément défor- mant (par exemple, E) roule sur la spirale droite, et le deuxième, par exemple F, sur la spirale gauche En conséquence, un réseau de traces se forme sur la surface usinée d'une manière analogue à une surface ayant subi une superfinition ou une rectification Les figures 4 et 5 montrent un élément de l'intersection des trajectoires des deux billes Comme dans le cas du moletage vibrant, il se forme sur la surface usinée un microreflief régulier qui contribue à l'amélioration des propriétés d'utilisation de la surface usinée, en particulier de sa résistance à la fatigue. Il convient de noter que le procédé revendiqué offre de vastes possibilités en ce qui concerne la régulation des paramètres géométriques du microrelief La figure 4 illustre le caractère de l'intersection des traces sur la surface usinée à des vitesses angulaires égales de rota- tion des éléments déformants E, F (n 1 = N 2 ete 61 =oc 2) La figure 5 représente des traces d'un autre caractère résul- tant de vitesses inégales de rotation N 17 N 2 (X 1 7 c'est-à-dire en cas d'inégalité des angles d'inclinaison des spirales, ce qui provoque un changement du caractère du réseau formé Il est possible d'effectuer l'usinage à une vitesse de rotation variable des éléments déformants En modifiant les vitesses angulaires de rotation N 1 et N 2 des éléments déformants E, F, ainsi que la vitesse de rotation n du ressort 14, on choisit un régime d'usinage qui assure les caractéristiques désirées d'utilisation des surfaces usinées. La présence d'éléments déformants E, F sur deux côtés opposés du ressort 14 est nécessaire pour assurer l'équilibre mutuel des efforts radiaux engendrés par les commandes, ce qui est surtout important en cas d'usinage de ressorts peu rigides. Pour le durcissement de pièces de haute dureté, il est possible d'utiliser dans les éléments déformants des embouts en diamant au lieu des billes 11. Il est évident que pour l'usinage de surfacesde grande longueur il est possible d'utiliser plusieurs éléments déformants E, F, ce qui permet d'élever le rendement du pro_,édé. Le procédé revendiqué de durcissement de la surface de pièces sous forme de spirale tridimensionnelle, fabriquées en un matériau de section sensiblement ronde par défor- mation plastique, permet: 1 d'obtenir un microrelief sur la surface de la pièce, ce qui élève sa résistance à la fatigue; 2 d'obtenir une profondeur identique de la couche de durcissement suivant la section et la longueur de la pièce usinée; 3 d'assurer une réduction de la rugosité des pièces (de 2,5 microns à 0,15 micron) 4 d'élever la résistance des pièces à la fatigue de 1,5 à 2 fois. R E V E N D I C A T I O N S 1.Procédé de durcissement de la surface de pièces de forme compliquée 3 notamment sous forme de spire tridimension- nelle constitué d'un matériau de section sensiblement ronde, par déformation plastique à l'aide d'éléments déformants se déplaçant suivant la surface de la pièce, caractérisé en ce qu'on dispose les éléments déformants(E, F) sur deux côtés respectifs diamétralement opposés de la spirale ( 14) et de manière à ce qu'ils soient mis en rotation forcée au contact de la surface du matériau de la spirale ( 14), on met en rota- tion la pièce autour de son propre axe longitudinal, on lui communique en même temps des oscillations ultrasonores, on fait tourner les éléments déformants (E, F) en sens mutuelle- ment contraires de façon à ce qu'ils forment sur la surface de la pièce un microrelief régulier sous forme d'un réseau de trajectoires entrecroisées et, en variant le rapport des vitesses angulaires de rotation des éléments déformants (E, F), on assure l'obtention des valeurs désirées des para- mètres géométriques dudit microrelief. 2 Pièces de forme compliquée, notamment en spirale, caractérisées en ce qu'elles sont traitées conformément au procédé faisant l'objet de la revendication 1.