Brevet FR2570718A1 — publié le 19860328

Procédé et appareillage pour effectuer un traitement anti-usure sur un cylindre de moteur endothermique et cylindre ainsi obtenu La présente invention concerne un procédé et un appareillage pour effectuer un traitement anti-usure sur un cylindre de moteur endothermique, ainsi que le cylindre ainsi obtenu. Comme on le sait, en cours d'utilisation la surface intérieure de chaque cylindre d'un moteur endothermique est sollicitée en s'usant d'une maniere différente d'une zone à l'autre. En particulier, il existe une première zone qui est soumise à un frottement dû au glissement des anneaux et du piston à l'intérieur du cylindre, et une seconde zone, correspondant sensiblement à une couronne circulaire située au dessous de la chambre de combustion, qui est périodiquement soumise à un martellement-dû à l'élévation rapide de la pression pendant le processus de combustion. La seconde zone présente l'inconvénient de se détériorer avec une plus grande facilité. On a cherché à pallier ceci dans le passé en soumettant la surface du cylindre à un traitement de recuit par induction, ou encore par insertion de cannes prétraitées.Seule la seconde de ces techniques a donné de bons résultats et elle est celle qui est la plus largement utilisée sur les moteurs diesel actuels. Le but de l'invention est de réaliser un procédé de traitement anti-usure d'un cylindre qui permette d'améliorer de façon notable la résistance à l'usure dudit cylindre en prolongeant par suite sa durée et en réduisant en même temps les coûts de fabrication. L'objectif précité est atteint selon l'invention en ce qu'elle concerne un procédé pour réaliser une zone anti-usure particulière sur la surface intérieure d'un cylindre de moteur endothermique sans l'introduction de cannes prétraitées, caractérisé par le fait qu'il présente les stades suivants consistant à - diriger, suivant une trajectoire prédéterminée, un faisceau laser vers des parties d'une zone annulaire du cylindre située en correspondance du point mort supérieur, de manière à provoquer une transformation de phase par exemple, de la phase ferritique en une phase essentiellement martensitique, du matériau constituant ladite partie de zone annulaire, afin d'obtenir, dans ladite partie une structure de dureté élevée - relever constamment la température de la partie de zone exposée à l'action du faisceau laser ; et - réguler, sur la base des informations acquises relatives à ladite température, les paramètres du traitement au laser en vue de maintenir sous contrôle, en temps réel, ladite transformation de phase. L'invention concerne par ailleurs un appareillage prévu pour effectuer un traitement selon le procédé décrit ci-dessus et comprenant essentiellement - une source de génération d'un faisceau laser de puissance - des moyens de déflexion dudit faisceau laser vers une zone de la surface dudit cylindre - des moyens de relevé de la température d'une partie de la zone de surface dudit cylindre exposée audit faisceau laser - des moyens de support desdits moyens de déflexion et de relevé aptes à faire décrire au faisceau laser venant frapper sur la surface dudit cylindre, une trajectoire prédéterminée ; et - des moyens de régulation des paramètres de traitement (puissance, vitesse de translation du faisceau laser, et autres), en fonction des informations relatives à l'allure de ladite température et acquises par l'intermédiaire desdits moyens de relevé. Enfin, l'invention concerne un cylindre de moteur endothermique traité selon le procédé décrit ci-dessus et caractérisé par le fait qu'il présente, en correspondance du point mort supérieur, une zone annulaire dans laquelle une partie d'une couche superficielle présente, suivant une section transversale, une alternance de zones de structure respectivement martensitique (durcie) ou ferritique. Pour une meilleure compréhension de l'invention, on décrit ci-après une forme préférée de réalisation, donnée purement à titre d'exemple indicatif, mais non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels La Figure 1 est une vue en élévation et partiellement en coupe d'un appareillage pour effectuer un traitement selon le procédé de l'invention La Figure 2 est une vue en coupe à échelle agrandie suivant un plan correspondant à la ligne II-II de la Figure 1 ; et Les Figures 3 et 4 reproduisent respectivement les valeurs principales et l'allure de traitements essentiellement équivalents, effectués sur des cylindres selon l'invention. En se référant aux Figures 1 et 2, on peut voir que l'on a indiqué dans son ensemble par 1 un appareillage prévu pour effectuer un traitement anti-usure sur une surface intérieure 2 d'un cylindre 3 d'un moteur endothermique, non représenté. L'appareillage 1 comprend essentiellement une source 5 apte à générer un faisceau laser 6 de puissance des moyens de déflexion 7 (miroir plan) du faisceau laser 6 vers une zone 8 de la surface 2 du cylindre 3 des moyens de relevé 9 de la température de la zone traitée 8 des moyens de support 10 des moyens de déflexion 7 et de relevé 9, aptes à faire décrire au faisceau laser 6 venant frapper sur la surface 2 du cylindre 3, une trajectoire prédéterminée ; et des moyens 11 de régulation des paramètres du traitement en fonction des informations relatives à l'allure de la température et des informations acquises par l'intermédiaire desdits moyens de relevé 9. Plus particulièrement, on observe que les moyens de support 10 comprennent essentiellement un premier élément tubulaire 14 qui est monté à rotation par rapport à un second élément tubulaire 15, ces derniers étant aptes à subir une translation, axialement par rapport à un élément d'ancrage 16. La translation de l'élément 15 est produite par un moteur 17 porté par l'élément 16 et comportant un pignon (non représenté) qui engrène avec une crémaillère 18 fixée extérieurement sur l'élément tubulaire 15. Ce dernier soutient, par l'intermédiaire de paliers non représentés, le premier élément 14 auquel il est apte à imprimer une rotation autour de son axe sous l'effet d'un moteur 20 et d'unechainecinématique de transmission de mouvement 21 comprenant, par exemple, une courroie dentée non représentée. L'élément tubulaire 14 intérieur porte, à son extrémité opposée à celle qui est tournée vers la source 5, un élément de fermeture 23 qui est fixe, de façon amovible, à llextrémite de l'élément 14 par des ressorts 24 qui permettent son accrochage à des dents saillantes 25 respectives. L'élément 23 a essentiellement une forme cylindrique et supporte, avec un angle d'inclinaison de 450, le miroir 7 plan. En outre, ledit élément 23 présente plusieurs conduits (26, 27) qui débouchent d'un côté dans une chambre 28 située dans la zone arrière du miroir 7, et qui communiquent du côté opposé par des conduits respectifs 29, 30 d'arrivée et de départ d'un liquide de refroidissement (par exemple de l'eau) -du miroir 7. Etant donné que l'élément tubulaire 14 tourne autour de son axe, l'alimentation et l'évacuation des conduits 29 et 30 se produit à travers des chambres annulaires 32, 33 respectives menagees intérieurement à l'élément tubulaire 15 et communiquant avec les conduits 29 et 30 précités. Les moyens de relevé 9 comprennent essentiellement un capteur de rayonnement thermique 35 qui est apte à émettre un signal électrique qui est fonction de l'énergie thermique émise dans la zone 8 soumise à I'action du faisceau laser et acheminée audit capteur par un miroir 37 et une fibre optique 38. Plus particulièrement, la fibre optique 38 est montée à l'intérieur d'un tube 39 de protection dans- lequel on insuffle de l'air, à travers des appendices tubulaires 40, pour le nettoyage et le refroidissement de la fibre optique. D'une manière non représentée, le tube 39 est doté d'interstices annulaires dans lesquels circule un liquide de refroidissement (par exemple de l'eau).Le miroir 37 présente une surface réfléchissante dorée et est porté par un cadre 41 dont la position angulaire est réglable par une vis 42, en vue de diriger vers l'élément sensible ou capteur 35 le rayonnement thermique émis par une partie prédéterminée de la zone 8. Le but d'une telle régulation est de pouvoir relever par le capteur 35 le rayonnement émis par une partie de la zone 8 qui est la plus convenable en vue du contrôle des paramètres du traitement. Dans le cas particulier considéré et en référence à la Figure 2, la partie de zone 8 dont on relève le rayonnement thermique émis est celle qui coïncide avec l'axe du faisceau laser 6. Le signal électrique généré par le capteur 35 est envoyé à un préamplificateur 44 lui-même porté par l'élément tubulaire 14, le signal de sortie du préamplificateur 44 étant ensuite envoyé, par l'intermédiaire d'une multiplicité de contacts glissants 45, montés mutuellement en regard entre les éléments tubulaires 14 et 15, aux moyens de régulation précités des paramètres de traitement. Ces derniers envoient par l'intermédiaire des sorties respectives, des signaux de commande aux moteurs 17 et 20, ainsi qu'à la source 5 de génération du faisceau laser 6, en régulant suivant les critères prédéterminés, les paramètres du traitement, tels que par exemple la puissance du faisceau 6, la vitesse de translation et de rotation de l'élément tubulaire 14 par rapport au cylindre 3, entre autres. En se référant à la Figure 4, on peut voir la représentation de quelques trajectoires possibles suivies par le faisceau laser 6 sur la zone 8 du cylindre 3 soumise au traitement. En particulier, on a indiqué par une ligne en traits et points la position correspondante au point mort supérieur. Les trajectoires représentées dans la Figure 4 sont à l'origine des traitements suivants figure 4 a - traitement en bande annulaire en correspondance du point mort supérieur avec traitement consécutif en spirale figure 4 b - traitement en spirale figure 4 c - traitement en zig zag figure 4 d - traitement en zig zag raccordé figure 4 e - traitement en oméga figure 4 f - traitement en pi (lettre p grecque). A part la zone traitée en bande de la Figure 4a, on observe qu'une quelconque section transversale effectuée dans la zone 8 met en évidence une alternance de parties traitées par le faisceau laser et de parties non traitées. Dans la Figure 3 sont indiquées par les lettres a à f, quelques grandeurs relatives aux traces décrites cidessus dans les Figures 4a à 4 f à égalité d'étendue axiale h de la zone traitée. Les grandeurs indiquées dans l'échelle de gauche se réfèrent à la longueur 1 (exprimée en mètres) du développement de la bande de traitement par le faisceau laser, tandis que l'échelle portant l'indication t est relative à la durée (exprimée en secondes) de ce traitement. Enfin pour chacun des traitements représentés dans la Figure 4 est indiquée en pourcentage la portion de circonférence traitée en correspondance du point mort supérieur. Le procédé de l'invention consiste essentiellement à diriger par l'intermédiaire de l'appareillagel, le faisceau laser 6 vers la zone 8 que l'on désire traiter en régulant la puissance et la vitesse de translation dudit faisceau 6 de façon à provoquer une transformation de phase, de la phase ferritique à, essentiellement, la phase martensitique, de la zone traitée afin d'obtenir, dans ladite zone, une structure de dureté élevée. Le contrôle de la transformation d'état est effectué au moyen du relevé constant de la température de la zone exposée à l'action du faisceau laser 6 par l'intermédiaire du miroir 37, de la fibre optique 38 et du capteur de rayonnement thermique 35.On vérifie constamment le déroulement correct du traitement par l'intermédiaire des moyens 11 de régulation, qui agissent sur la vitesse des moteurs 17 ou 20 ou encore sur la puissance du faisceau laser 6 de maniere à toujours fournir la dose de puissance spécifique exacte dans la zone traitée à cet instant. Suivant le type de résultat que l'on désire obtenir, il est possible d'imposer, par l'intermédiaire des moyens de régulation 11, la trajectoire la plus convenable à faire exécuter par le faisceau laser 6, en choisissant cette trajectoire par exemple parmi l'une de celles qui sont représentées dans la Figure 4. Le choix peut être effectué par exemple, en tenant compte des valeurs représentées dans la Figure 3, selon que l'on désire obtenir un traitement généralisé, dans quel cas il convient de choisir une trajectoire parmi celles qui sont indiquées dans les Figures 4a ou 4e, ou encore, dans le cas où l'on préfère agir avec un temps d'intervention réduit, on peut choisir l'une des tajectoires indiquées dans la Figure 4c ou 4d.Une trajectoire qui nécessite un temps de parcours globalement limité, tout en autorisant en même temps un pourcentage élevé (76 %) de traitement en correspondance du point mort supérieur, est celle qui est représentée dans la Figure 4f. Les avantages obtenus grâce à l'invention résultent d'une manière évidente de l'examen des caractéristiques du procédé et de l'appareillage de ladite invention, ainsi que des évaluations effectuées sur la durée des cylindres traités selon le procédé décrit ci-dessus. I1 est avant tout évident que les coûts liés à l'emploi de la main-a'oeuvre se trouventdrastiquement réduits par rapport aux coûts actuels, tant du fait que l'on traite une zone du cylindre limitée, que du fait que, dans le cadre de ladite zone, on effectue le traitement de durcissement suivant une trajectoire prédéterminée qui autorise dans l'ensemble une diminution du temps de traitement et par suite, de façon correspondante, une limitation de la puissance associée au faisceau laser. En outre, le contrôle de la température en temps réel et la régulation consécutive des paramètres de traitement permettent d'effectuer un traitement uniforme sur toute la zone 8 soumise au traitement laser, en évitant par exemple qu'une surchauffe du cylindre en phase de traitement entraîne des conditions opératoires différentes, par exemple entre le début et la fin dudit traitement. On constate également que l'-uniformité du traitement réclame une opération successive de rodage nettement moindre que celle des opérations actuelles avec une évidente économie de temps et limitation des coûts. I1 est entendu que l'on peut mettre en oeuvre le procédé et l'appareillage décrits ci-dessus suivant de nombreuses modifications et variantes sans pour autant s'écarter du cadre et de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé pour réaliser une zone (8) anti-usure particulière sur la surface intérieure (2) d'un cylindre (3) de moteur endothermique sans l'introduction de cannes prétraitées, caractérisé par le fait qu'il présente les stades suivants consistant à - diriger, suivant une trajectoire prédéterminée, un faisceau laser (6) vers des parties d'une zone annulaire (8) du cylindre située en correspondance du point mort supérieur, de manière à provoquer une transformation de phase par exemple, de la phase ferritique en une phase essentiellement martensitique, du matériau constituant ladite partie de zone annulaire (8), afin d'obtenir, dans ladite partie une structure de dureté élevée - relever constamment la température de la partie de zone (8) exposée à l'action du faisceau laser (6) ; et - réguler, sur la base des informations acquises relatives à ladite température, les paramètres du traitement au laser en vue de maintenir sous contrôle, en temps réel, ladite transformation de phase. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on met en oeuvre le stade de relevé de la température en conduisant optiquement un rayonnement infrarouge de la partie de zone annulaire (8) sur laquelle vient frapper le faisceau laser à un capteur d'infrarouge (35). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'on effectue convenablement le relevé de la température sur les bords de ladite partie de zone (8) exposée au faisceau laser (6) placée, dans le sillage par rapport à la direction de translation du faisceau laser (6) sur ladite zone (8). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que ladite trajectoire prédéterminée est de type curviligne et présente une allure se répétant sur ladite zone d'une manière périodique. 5. Appareillage (1) pour effectuer un traitement anti-usure sur la périphérie intérieure (2) d'un cylindre (3) de moteur endothermique, caractérisé par le fait qu'il comprend - une source (5) de génération d'un faisceau laser (6) de puissance - des moyens de déflexion (7) dudit faisceau laser (6) vers une zone (8) de la surface (2) dudit cylindre (3) - des moyens de relevé (9) de la température d'une partie de la zone (8) de surface dudit cylindre (3) exposée audit faisceau laser (6) - des moyens de support (10) desdits moyens de déflexion (7) et de relevé (9) aptes à faire décrire au faisceau laser (6) venant frapper sur la surface dudit cylindre (3) une trajectoire prédéterminée ; et - des moyens de régulation (11) des paramètres de traitement (puissance, vitesse de translation du faisceau laser, et autres) en fonction des informations relatives à l'allure de ladite température et acquises par l'intermédiaire desdits moyens de relevé (9). 6. Appareillage selon la revendication 5, caractérisé par le fait que lesdits moyens de déflexion (7) comprennent un miroir plan porté par des moyens de support (10). 7. Appareillage selon la revendication 6, caractérisé par le fait que ledit miroir plan est refroidi par l'intermédiaire d'un liquide qui lèche une surface arrière dudit miroir sur laquelle il parvient à travers des conduits (26, 27, 29, 30) aménagés dans lesdits moyens de support (10). 8. Appareillage selon la revendication 6 ou 7, caractérisé par le fait que ledit miroir plan est monté sur un élément (23) qui est détachable desdits moyens de support (in). 9. Appareillage selon la revendication 8, caractérisé par le fait que ledit élément (23) détachable est fixé auxdits moyens de support (10) par des éléments (24) d'accouplement déformables. 10. Appareillage selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé par le fait que lesdits moyens de relevé (9) comprennent essentiellement un capteur (35) de rayonnement thermique disposé à distance de ladite zone (8) de traitement et au moins une fibre optique (38) dont une extrémité est tournée vers ledit capteur, tandis que son autre extrémité est apte à recevoir le rayonnement thermique émis à partir de la zone sur laquelle agit ledit faisceau laser (6). 11. Appareillage selon la revendication 10, caractérisé par le fait que lesdits moyens de relevé (9) comprennent un miroir (37) interposé entre ladite zone de traitement et ladite extrémité, tournée vers celle-ci, de ladite fibre optique (38) en vue de réfléchir ledit rayonnement thermique de la zone de traitement vers ladite fibre optique (38). 12. Appareillage selon la revendication 11, caractérisé par le fait que ledit miroir (37) est porté par un support (41) dont la position angulaire est enregistrable, permettant ainsi de relever le rayonnement thermique émis depuis une partie prédéterminée de ladite zone (8) soumise au traitement laser. 13. Appareillage selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé par le fait que ladite fibre optique (38) est logée à l'intérieur d'un tube (39) apte à permettre le passage de l'air pour le nettoyage et le refroidissement de ladite fibre optique (38) et le passage d'un liquide réfrigérant pour le refroidissement dudit tube. 14, Appareillage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que lesdits moyens de support (10) comprennent un premier élément tubulaire (14) à l'intérieur duquel se propage coaxialement ledit faisceau laser (6) et un second élément tubulaire (15) supportant ledit premier élément tubulaire (14) à rotation autour de son axe, et des moyens d'ancrage (16) dudit second élément tubulaire (15) aptes à imprimer à ces derniers un mouvement de translation dans la direction axiale. 15. Appareillage selon la revendication 14, caractérisé par le fait que lesdits moyens de releve (9) sont supportés par ledit premier élément tubulaire (14) et sont connectés électriquement auxdits moyens de régulation (11) par l'intermédiaire d'une multiplicité de contacts glissants (45) interposés entre lesdits premier élément tubulaire (14) et second élément tubulaire (15). 16. Cylindre (3) de moteur endothermique, caractérisé par le fait qu'il présente, en correspondance du point mort supérieur, une zone annulaire (8) dans laquelle unepartied'une couche superficielle du matériau présente, suivant au moins une section transversale, une alternance de zones de structure respectivement durcie (par exemple martensitique ou non durcie (par exemple ferritique). 17. Cylindre selon la revendication 16, caractérisé par le fait que dans ladite zone annulaire, l'allure d'ensemble de la partie de structure martensitique se répète spatialement en formant une figure périodique. 18. Cylindre selon la revendication 17, caractérisé par le fait que ladite figure périodique est essentiellement du tye en zig zag, ou en oméga ou en forme de pi (lettre p grecque).