Brevet FR2531776A1 — publié le 19840217

La présente invention a trait à la détermi- nation de l'état de rugosité d'une surface, notamment d'une surface obtenue par usinage à l'aide d'une ma- chine outil ou fondue dans un moule lui-même usiné par une machine outil. D'une façon générale, on rappellera que l'état géométrique d'une surface est représenté d'une façon classique par les différents défauts qu'elle présente par rapport à sa forme géométrique idéale, ces défauts étant classés en fonction d'une part de leur amplitude et d'autre part de leur périodicité ou de leur apériodicité. De façon classique également, on distingue des écarts du premier ordre, ou écarts de forme, qui sont dus généralement aux défauts des machines outils ou de la pièce à usiner et qui se traduisent par des déformations qui intéressent la forme d'ensemble de cette pièce (défaut de circularité, de planéité etc) Ces écarts affectent la forme macroscopique de la pièce et l'on peut illustrer clairement de quoi il s'agit dans le cas par exemple d'une pièce de forme théoriquement cylindrique qui serait obtenue sous une forme légèrement conique ou d'une pièce théoriquement sphérique qui serait réalisée finalement avec une for- me se rapprochant de l'ellipsoïde O On distingue ensui- te les écarts du deuxième ordre, ou écarts d'ondula- tion, à caractère souvent périodique, qui-sont dus en particulier aux vibrations de l'outil ou de la pièce a usiner et possédant ainsi une fréquence spatiale ou un pas constant Enfin, il existe encore les écarts du troisième ordre, ou écarts de rugosité, constitués de toutes petites ondulations autour du profil du deuxiè- me ordre et qui sont -dus en général à la forme de l'arrête coupante de l'outil de la machine de taille, à son orientation et à son avance, donc finalement au procédé d'usinage lui-même Ceci procure à ces ondula- tions du troisième ordre, selon les cas, une ondula- tion nettement périodique ou au contraire apériodique. Ce sont ces écarts du troisième ordre qui constituent ce que l'on appelle la rugosité de la surface d'une pièce usinée. La figure 1 rassemble sur un schéma les dif- férentes considérations précédentes et permettent de repérer, dans une direction L en abscisses qui corres- pond à la longueur de la pièce explorée, des ondula- tions du deuxième ordre 1 sur lesquelles des écarts de rugosité du troisième ordre 2 viennent se superposer. Dans l'exemple de la figure 1, la direction générale du profil initialement souhaité est celui de la direc- tion des abscisses étant entendu que les défauts il- lustrés ont été agrandis exagérément pour une meilleu- re compréhension du dessin. Il existe, dans l'art connu, un certain nom- bre d'instruments de mesure des écarts précédents qui travaillent généralement en étudiant une ligne de ni- veau suivant un profil de la pièce usinée Différents critères physiques et statistiques sont utilisables pour mesurer la rugosité, maisnéanmoins dans la suite du présent texte, on utilisera le critère le plus cou- rant qui est l'écart moyen par rapport à la ligne moyenne de la rugosité, traditionnellement désigné dans la littérature par le coefficient Ra que l'on définit de la façon suivante en se reportant à la fi- gure 2, qui montre de façon schématique, en coordon- nées cartésiennes Oxy, un profil de pièce usinée pos- sédant une rugosité périodique dans la direction ox. Si l'on considère qu'en fonction de l'abscisse x re- présentant la coordonnée spatiale, le profil de la pièce rugueuse peut se définir par une fonction y (x), on définit le coefficient de rugosité de la surface comme étant (L Ra L J iyldx C'est, si l'on veutu la valeur moyenne de la fonction Yi dans l'espace OL. Dans l'art antérieur connu, différents cap- teurs mécaniques équipés de stylets à pointes de dia- mant ont été utilisés pour déterminer les profils de 1 ( surfaces à étudier Des systèmes relativement com- plexes de filtrage intermédiaire permettent de s'af- franchir des défauts correspondant aux deux premiers ordres précédemment rappelés et de mesurer par consé- quent uniquement les défauts de rugosité Le palpage mécanique est réalisé par déplacement d'un stylet de diamètre donné à une vitesse constante le long d'une ligne d'exploration, en général une ligne de profil de la surface Malheureusement, le stylet qui vient néce- ssairement en contact avec la pièce à mesurer, laisse une trace sur la surface et cette trace peut être très gênante lorsque l'on travaille sur des surfaces de grande qualité D'autre part une telle méthode ne per- met pas d'atteindre avec précision des valeurs de ru- gosité R inférieures par exemple à 0,1 micromètre. a Pour pallier cet inconvénient, une méthode optique sans contacte utilisant un laser, a déjà été employée et on en trouvera la description dans le do- cument américain suivant 5 - H.S COREY "Laser Surface Finish Gauge' Preprint for Submission to Society of Photo Optical Instrumentation Engineers Annual Internatio- nal Technical Symposium Exhibit. San Diego, California, July 28 August 1, 1980 - 2 531776 Pour comprendre cette méthode connue, on se référera utilement maintenant au schéma explicatif de la figure 3 sur laquelle le profil de surface 3 à explorer est irradié en un point O par la lumière d'un faisceau laser 4 Sur une surface usinée possédant des défauts périodiques telle que la surface 3, le fais- ceau laser 4 subit une réflexion diffractée dans la direction 5 faisant avec la normale OY un angle i égal à l'angle d'incidence i du faisceau 4 et correspondant à ce que serait la réflexion spéculaire sur un miroir parfaitement lisse En fait, l'ensemble de la lumière réfléchie s'inscrit dans une tache de diffraction dont le profil des intensités en fonction de la direction de réflexion est représentée par le profil 6 sur la figure 3 Cette tache de diffraction a, de façon con- nue,-une direction privilégiée dans un sens perpendi- culaire à la direction privilégiée des imperfections de l'usinage de la surface 3 - Si l'on examine maintenant la valeur des différents éclairements E recueillis dans cette tache de diffraction 6, on constate que l'éclairement maxi- mal E 1 a lieu selon le faisceau 5 dans la direction de la réflexion de Descartes Dans une autre directions, faisant par exemple un angle de plusieurs degrés avec la direction 5, la valeur de l'éclairement est plus faible et n'a plus que la valeur E 2 La théorie et l'expérience montrent qu'une surface imparfaite comme la surface 3 diffuse la lum 1 ière réfléchie en élargis- sant la distribution énergétique dans la tache de dif- fraction 6 d'autant plus que l'état de surface, carac- térisé par l'écart moyen arithmétique de la rugosité Ra, par rapport à la ligne moyenne, est moins bon. Comme il est expliqué dans l'article améri- cain précédemment cité, on a constaté qu'il était pos- sible de mesurer avec précision la rugosité Ra d'une 2 5 3 1 7 7 6 surface telle que 3 en établissant le rapport des in- tensités d'éclairement E 1,E 2 et en se référant à une courbe de calibration de ce même rapport E 1/E 2 préala- blement étalonnée à l'aide de surfaces présentant des défauts d'ampleur connue En effet, en prenant ainsi le rapport entre l'éclairement El mesuré au centre de la figure de diffraction et l'éclairement E 2 mesuré dans un lobe secondaire et dans une direction que l'on maintient constante tout au long des mesures, on par- vient à éliminer les variations de signal qui seraient dues autrement au changement de pouvoir de réflexion d'un échantillon à l'autre ainsi qu'aux fluctuations toujours possibles de l'intensité du faisceau laser dans le temps De plus, le fait de mesurer l'intensité de l'éclairement E 2 dans une direction faisant un an- gle constant avec la direction d'intensité maximale correspondant à la réflexion spéculaire de la loi de Descartes, élimine les variations du pouvoir de réfle- xion de la surface en fonction de l'angle d'incidence. A titre d'exemple on a représenté sur la fi- gure 4 le profil classique d'une courbe de calibration correspondant à une surface convexe qui montre, en fonction du coefficient de rugosité Ra exprimé en mi- cromètres selon les abscisses, la fonction log El/E 2 en ordonnées C'est par comparaison avec une courbe de cette nature qu'après avoir mesuré le rapport E 1/E 2 on peut en déduire la valeur précise du coefficient de rugosité Ra Toutefois, ces méthodes connues présen- tent une difficulté sérieuse du fait que leon travail- le sur des éclairements qui sont mesurés en deux points, d'une part pour B au centre de la tache de diffraction et d'autre part pour E 2 dans un lobe anne- xe et situé angulairement à une certaine distance de l'axe de réflexion spéculaire Il est à la fois peu commode et peu précis de faire la mesure de l'éclaire- ment E 2 lorsque celle-ci intervient à partir d'un pré- lèvement de lumière ponctuel sur un lobe secondaire. La présente invention a précisément pour ob- jet un procédé de détermination sans contact, à l'aide d'un faisceau laser, utilisant le même principe que celui qui vient d'être rappelé, mais permettant de remplacer la mesure ponctuelle de l'éclairement E 2 par une mesure intégrée sur toute une surface, qui rend la méthode beaucoup plus précise et performante. Ce procédé de détermination sans contact de la rugosité d'une surface, du genre de ceux qui com- portent de façon connue, l'irradiation de cette surfa- ce à l'aide d'un faisceau de lumière laser, la déter- mination des éclairements E de la partie de la lumiè- re ayant subi la réflexion spéculaire, et E 2 de la partie de la lumière ayant subi la réflexion diffrac- tée, l'établissement du rapport El/E 2 et la détermina- tion de la rugosité Ra de la surface par comparaison avec une courbe de calibration étalonnée, se caracté- rise essentiellement en ce que la mesure de l'éclaire- ment diffracté E 2 est réalisée par intégration de la lumière reçue sur une couronne annulaire centrée sur la direction de réflexion spéculaire, et guidage de celle-ci dans un guide de forme conique annulaire ayant pour base ladite couronne annulaire et pour axe la direction de réflexion spéculaire. Comme on le voit, l'originalité essentielle du procédé objet de la présente invention consiste à recueillir l'ensemble de l'éelairement diffracté E 2 sur une surface en forme de couronne annulaire consti- tuant la base daun c 8 ne de guidage de la lumière qui conduit celle-ci directement à son sommet vers le dé- tecteur chargé de mesurer l'éclairement E 2 On rempla- ce ainsi la mesure d'un éclairement ponctuel relevé dans une direction d'espace déterminée, par la mesure intégrée de l'éclairement de tous les points d'une surface située dans une portion d'angle solide donnéey c:e otde sur la normale à la surface Le reste de la méthode est strictement conforme au procédé de l'art antérieur précédemment rappelé. -La présente invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précé dent, caractérisé en ce qu'il comprend un miroir plan permettant de diriger sur la surface à examiner le faisceau d'un laser et de recueillir le faisceau ré- fléchi pour l'adresser vers un premier détecteur mesu- rant l'éclairement E 1 et un guide de lumière, en un matériau transparent pour cette lumière, et en forme de cône, ayant pour section droite une couronne annu- laire, dirigeant la lumière vers son sommet o se trouve situé un deuxième détecteur mesurant l'éclaire- ment E 2. Le c 8 ne de lumière servant de guide à cette dernière est conçu de façon telle, quant à son épais- seur et à son indice de réfraction, que tout rayon lumineux pénétrant sur la couronne annulaire consti- tuant sa base, est piégé par réflexion totale sur ses parois interne et externe pour être finalement conduit vers le deuxième détecteur chargé de mesurer léclai- remÉ@Ent inltégré E 20 Ce cône peut 8 tre fabriqué en tout matériau transparent au rayonnement laser utilisé et on peut citer par exemple O à titre non limitatif, le verre ou le plexiglas îpolyméthylmétacrylate) Le mi- roir chargé de diriger le rayon laser entrant et de recueillir le rayon laser sortant après l incidence sur la surface de l Péchantillon à étudier peut 5 tre par exemple un simple miroir à 450 fixé sur la base non utilisée optiquement dudit cône de lumière Un système de fibres optiques peut également 9 tre utilisé pour guider le faisceau laser correspondant à l'inten- 2 531776 site maximale et donc à l'éclairement E 1 vers le pre- mier détecteur de lumière - De toute façon l'invention sera mieux com- prise en se référant à la description qui suit d'un exemple de mise en oeuvre, description qui sera faite à titre illustratif et non limitatif en se référant à la figure 5 ci-jointe. Dans cet exemple particulier décrit, on s'attache à étudier des échantillons dont les coeffi- cients de rugosité Ra sont compris entre 0,02 micromè- tre et 0,5 micromètre en utilisant comme lumière inci- dente le faisceau lumineux 4 d'un laser 5 à hélium néon de 5 m W émettant sur une longueur d'onde A = 0,6328 micromètre Ce faisceau 4 vient frapper d'abord le miroir plan 8 sur lequel il se ré- fléchit selon le faisceau 9 pour frapper au point O la surface rugueuse de l'échantillon 10 à étudier Le dispositif de la figure 4 est réglé de façon telle que le faisceau 9 vienne frapper la surface de l'échantil- lon 10 sous une incidence voisine de la normale La réflexion spéculaire, qui est localisée dans l'espace par la loi de Descartes, se concrétise par le faisceau 11 lequel, après réflexion à son tour sur le miroir 8 donne le faisceau 12 qui, repris par une fibre optique 13 parvient alors au premier détecteur 14 de l'éclai- rement E 1 à mesurer Pour mesurer la composante dif- fractée de la réflexion sur l'échantillon 10, on se situe par exemple dans une direction située à 100 de l'axe de réflexion spéculaire, c'est-à- dire que l'on utilise la portion de lumière réfractée contenue dans une nappe conique schématisée en coupe par les deux faisceaux hachurés 15 et 16. Conformément à l'invention, cette nappe de lumière conique est prise en charge par la couronne annulaire 17 constituant la base du guide conique de lumière 18 qui conduit cette lumière vers le détecteur 19 situé au sommet du cône 18 et chargé d'apprécier la valeur intégrée de l'éclairement E 2 pour tout le rayonnement lumineux reçu sur la base annulaire 17 de ce cône Etant donné le caractère inhomogène de la figure de diffraction, une telle mesures effectuée par intégration sur toute une couronne à l'aide du cône 18, est beaucoup mieux adaptée à fournir une mesure précise qu'une exploration faite, comme c'était le cas dans l'art antérieur, sur un point de la tache de dif- fraction. Comme dans l'art antérieur, on établit en- suite le rapport des éclairements E 1/E 2 et, par compa- raison avec une courbe de calibration du genre de cel- le de la figure 3 préalablement établie en fonction du paramètre Ra, on déduit alors la rugosité de l'échan- tillon 10 attestée par simple comparaison avec la courbe de calibration. La méthode objet de l'invention permet, par mesure des réflexions spéculaire et diffractée d'un faisceau laser par la surface de l'échantillon à étu- dier, de caractériser avec précision le coefficient de rugosité Ra de cette surface dans un domaine compris entre 0,02 et 0,4 micromètre, ce que ne permettait pas la méthode de l'art antérieure Elle permet facilement le contrôle de fabri- cation de toute pièce usinée de forme géométrique bien définie, telle que par exemple l'examen de l'état de surfaces concaves, telles que des cuves, ou planes, telles que des tôles sortant d'un laminoir. REVENDICATIONS 1 Procédé de détermination sans contact de la rugosité d'une surface ( 10) du genre de ceux qui comportent, de façon connue, l'irradiation de cette surface à l'aide d'un faisceau ( 4) de lumière laser ( 5), la détermination des éclairements E 1 de la partie de la lumière ( 9, 11) ayant subi la réflexion spécu- laire, et E 2 de la partie de la lumière ( 15, 16) ayant subi la réflexion diffractée, l'établissement du rap- port E 1/E 2 et la détermination de la rugosité Ra de la surface par comparaison avec une courbe de calibration étalonnée, caractérisée en ce que la mesure de l'éclairement diffracté E 2 est réalisée par intégra- tion de la lumière reçue sur une couronne annulaire ( 17) centrée sur la direction de réflexion spéculaire, et guidage de celle-ci dans un guide ( 18) de forme conique annulaire ayant pour base ladite couronne an- nulaire ( 17) et pour axe ladite direction. 2 Dispositif pour la mise en oeuvre du pro- cédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un miroir plan ( 8) permettant de diriger sur la surface à examiner ( 10) le faisceau d'un laser ( 5) et de recueillir le faisceau réfléchi ( 12) pour l'adresser -vers un premier détecteur ( 14) mesurant l'éclairement E 1 et un guide de lumière ( 18), en un matériau transparent pour cette lumière, et en forme de cône, ayant pcur section droite une couronne annu- laire ( 17), dirigeant la lumière réfractée ( 15, 16) vers son sommet o se trouve situé un deuxième détec- teur ( 19) mesurant l'éclairement E 2.