Brevet FR2590671A1 — publié le 19870529

La présente invention est relative à un procéda et un appareil destinés à mesurer des paramètres relatifs à la trempe des pièces métalliques. En particulier, le procédé et l'appareil selon llinvention sont avantageusement utilisables pour exécuter des mesures de profondeur de trempe tant sur les tourillons et manetons que sur les épaulements des vilebrequins de moteurs à combustion interne. Ainsi qu'il est bien connu, sur les vilebrequins, la trempe est exécutée exclusivement dans la zone des manetons, des tourillons et de leurs zones de raccordement, par des traitements thermiques localisés (tels que, par exemple, la trempe par induction, le durcissement au rayon laser, etc.). Même si l'on respecte toutes les mesures nécessaires, le traitement de trempe peut se révéler insuffisant, par exemple, parce que la température des zones traitées a été inférieure a la valeur requise ou que la vitesse de refroidissement des zones traitées a été dif éreinte de la vitesse prévue. Jusqu'd présent, le seul contrôle totalement fiable était un essai destructif qui, outre qu'il est motteux, ne peut évidemment pas être effectué de façon systématique. On connatt également des dispositifs et procédés de contrôle de la profondeur de trempe qui utilisent des capteurs à courants induits.Malheureusement, on a constaté que les mesures effectuées avec des capteurs de ce type ne sont pas suffisamment fiables, en ce sens que la résolution spatiale du capteur est médiocre, aussi bien dans le plan horizontal de la mesure que dans le plan vertical et que ces capteurs présentent un notable "effet de bord". I1 n'est pas possible d'augmenter à volonté la résolution spatiale dans le plan horizontal parce que le capteur verrait sa sensibilité diminuer dans une mesure inacceptable ; on pourrait augmenter la résolution spatiale dans le plan vertical en augmentant la fréquence d'excitation du capteur mais ceci implique qu'on opore à un point de travail situé dans un palier de l'impédance qui est mal approprié pour séparer les pa paramètres de mesure intéressants. tes mesures qui appliquent le principe des courants induits supposent en outre que la composition chi- mique de la matière de l'élément considéré reste sensiblement constante. Malheureusement, cette constance n'existe pas parce que, dans les éléments fabriqués par fusion, les caractéristiques chimiques sont sujettes à subir de petites variations à chaque coulée et parce que les paramètres qui influent sur les mesures exécutées par courants induits (comme, en particulier, la résistivité électrique et la perméabilité magnétique) dépendent étroitement des caractéristiques chimiques précitées. Le but de la présente invention est d'inventer un procédé et de réaliser un appareil qui soient en mesure d'effectuer le contrôle non destructif de la profondeur de trempe sur les pièces métalliques telles que, en particulier, les manetons et tourillons, et leurs zones de raccordement, des vilebrequins, d'une façon très fiable et entièrement indépendante des caractéristiques chimiques de la matière qui constitue ces pièces. Ce but est atteint selon la présente invention par le fait qu'elle a pour objet un procédé pour mesurer des paramètres relatifs à la trempe d'une pièce métallique, caractérisé en ce qu'il comprend les phases suivantes qui consistent à - positionner sur la surface de ladite pièce au moins un capteur à courants induits capable de sonder une portion superficielle de la piece sensiblement parallélipipédique et dont les dimensions sont de l'ordre de la dizaine de um - déplacer le capteur en translation par rapport à la piece en faisant en sorte que le capteur s'appuie initialement sur une zone non trempée, puis sur une zone trempée de la pièce ou inversement - capter, pendant la translation du capteur, des paires de données qui sont respectivement relatives à l'impédance présentée par le capteur et à la position relative correspondante prise par le capteur par rapport à la pièce - traiter les données captées afin de localiser, par évaluation de la variation de l'impédance captée, la position d'une zone de transition du traitement de trempe interposée entre la zone non trempée et la zone trempée. Ce but est encore atteint par le fait que l'invent ion a également pour objet un appareil pour mesurer des paramètres relatifs à la trempe d'une pièce métallique, caractérisé en ce qu'il comprend - au moins un capteur à courants induits capable de sonder une portion superficielle de la pièce sensiblement parallélipipédique et dont les dimensions sont de l'ordre de la dizaine de Xm ; - des moyens de déplacement capables de déplacer ledit capteur en translation par rapport à ladite pièce, entre une zone non trempée et une zone trempée ou inversement des moyens de mesure de la position relative prise par ledit capteur par rapport à ladite pièce - des moyens de mesure de l'impédance présentée par ledit capteur ; et - des moyens de traitement adaptés pour localiser par évaluation de la variation de ladite impédance, la position d'une zone de transition du traitement de trempe interposée entre la zone non trempée et la zone trempée de la pièce. D'autres caractéristiques et avantages de l'in Invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels, la figure 1 est relative à un capteur réalisé selon la présente invention la figure 2 est relative à une première forme de réalisation d'un appareil selon la présente invention, illustrée dans un exemple d'application ; et la figure 3 est relative à une deuxième forme de réalisation d'un appareil selon la présente invention, illustrée dans un exemple d'application correspondant. Sur la figure 1, on a désigné dans son ensemble par 1 un capteur essentiellement composé d'un noyau 2 en matière ferromagnétique en forme de C, sur lequel sont enroulées des spires d'un fil conducteur dont l'ensemble constitue un enroulement 3. ta matière qui constitue le noyau 2 est avantageusement une ferrite monocristalline ; toutefois, on pourrait également utiliser d'autres matières ferromagnétiques, pourvu qu'elles présentent une haute perméabilité et une haute résistivité. Le noyau 2 présente un entrefer 4 dont la largeur, indiquée par a, est de l'ordre de 10 um, tandis que sa longueur, indiquée par b, est de l'ordre del mm. Dans l'entrefer 4, est placée une mince lame 5 faite d'une matière non ferromagnétique. La mission de cet élément est d'éviter qu'il ne s'accumule dans l'entrefer 4 de minuscules dépôts de matière ferromagnétique qui, en service, influenceraient la réponse du capteur 1. Si cette lame est réalisée en une matière conductrice et non ferromagnétique appropriée telle que le cuivre, par exemple, on atteint un autre but qui consiste à augmenter le flux magnétique engendré à l'extérieur de l'entrefer et faire contre ce flux en fonction inver- se de la résistivité électrique de ladite matière. Sur la figure 2, on a désigne dans son ensemble en 10 un appareil destiné à mesurer la profondeur de la trempe d'une pièce métallique qui, dans le cas considéré, est constituée par un tourillon ou maneton 11 de vi lebrequin de moteur à combustion interne. L'appareil 10 comprend essentiellement le capteur 1 qui est noyé a l'intérieur d'une tige 12 avantageusement faite d'une matière plastique et réalisée de manière à présenter la partie du noyau 2 dans laquelle est situé l'entrefer 4 dans une position coplanaire à une surface latérale de la tige 12 précitée.A l'extrémité qui est à l'opposé de celle qui porte le capteur 1, cette tige est reliée à un arbre fileté 14 qui se déplace en translation axiale sous l'action d'un moteur 15 au moyen d'un mécanisme de type connu. te moteur 15 est monté solidaire d'un dispositif (codeur) qui engendre un signal qui dépend de la position axiale prise par l'arbre 14 et, par conséquent, par le capteur 1, par rapport à un élément support approprié 17 qui est rendu solidaire du maneton ou tourillon 11 d'une façon non représentée. Les bornes de l'enroulement 3 du capteur 1 aboutissent à un impédancemètre 18 dont une sortie est reliée à un circuit de traitement 20, lequel reçoit des sianaux de sortie engendrés par le dispositif de mesure 16 et envoie des signaux de commande au moteur 15. On observe finalement sur la figure 2 que la tige 12 possède une partie d'extrémité 22 qui renferme le capteur 1, et que l'on introduit dans un trou radial 23 du maneton ou tourillon 11 à travers lequel le liquide de lubrification circule pendant le fonctionnement. En particulier, la partie 22 de la tige 12 porte, sur le côté qui est & l'opposé de celui où le capteur 1 apparatt, un élément élastiquement déformable 24 dont la mission est de permettre un montage élastique de la partie 22 à l'intérieur du trou de lubrification 23 et d'assurer une bonne application du capteur 1 contre la surface du trou 23 qui lui fait face. On remarque finalement que le tourillon ou maneton 11 présente une partie extérieure trempée 26, une partie intérieure 27 non trempée et une partie de transition 28 qui est interposée entre les parties 26 et 27. Sur la figure 3, on a représenté dans son ensemble en 30 un appareil destiné à mesurer des paramètres relatifs à la trempe des zones de raccordement 31 du tourillon ou maneton 11. En particulier, l'appareil 30 comprend deux capteurs 1 du type décrit plus haut. Dans le cas particulier considéré, ces capteurs sont logés à l'intérieur de niches 32, 33 diamétralement opposées ménagées dans un corps de support 34 qui est à son tour fixé à l'arbre fileté 14 actionné par le moteur 15 de la même façon qu'on l'a décrit plus haut en regard de la figure 2. Chaque capteur 1 est repoussé vers l'extérieur par un ressort correspondant 35, 36 et il est retenu à l'intérieur de sa niche respective 32, 33 par une bague élastique 37, 38. Les signaux engendrés par les capteurs 1 aboutissent à des entrées respectives d'un impédancemètre 40 dont un signal de sortie est transmis au circuit de traitement 20. Egalement dans la région des zones de raccordement 31, on peut localiser, de la même façon qu'on l'a décrit en regard de la figure 2, la partie trempée 26, la partie non trempée 27 et la partie de transition 28. On décrira maintenant le fonctionnement des appareils 10 et 30, après avoir exposé quelques considérations sur le fonctionnement du capteur 1 représenté sur la figure 1. En particulier, on a constaté que la résolution spatiale de ce capteur, aussi bien dans le plan horizontal que dans le plan vertical, est du même ordre de grandeur que la largeur a de l'entrefer qui, ainsi qu'on l'a déjà dit, est de l'ordre de 10 pm. Il en résulte que le volume du maneton ou tourillon 11 qui peut être examiné par le capteur 1 est très petit, de sorte qu'il est possible de capter avec une extrême précision les informations relatives à la qualité de la trempe. Comme on le voit en se reportant plus particulièrement à la figure 2, l'extrémité 22 de la tige 12 est introduite dans le trou de lubrification 23 du maneton ou tourillon et le capteur 1 est pressé contre la surface latérale de ce trou sous l'action de l'élément élastiquement déEormable 24. Ensuite, le moteur 15 est alimenté sous l'action du circuit de traitement 20 de façon à imprimer à la tige 12 une translation dans la direction axiale. Dans le cours de cette translation, l'impédancemètre 18 mesure l'impédance présentée par le capteur 1, impédance qui est influencée par les caractéristiques de structure de la matière du maneton ou tourillon ll qui se place en face du capteur 1, au niveau de l'entrefer 4 de ce dernier.Comme on peut le voir sur la figure 2, dans le cours de sa translation vers le haut, le capteur 1 se trouve initialement placé face à la partie non trempée 27,puis il se place ensuite. face à la partie de transition 28,puis face à la partie trempée 26. tes valeurs d'impédance que le capteur prend au cours de la translation sont mesurées au fur et à mesure par l'impédancemètre 18, dont le signal de sortie est lié à la dureté de la matière (selon une valeur predéterminée), et chacune est appairée à la position correspondante occupée par le capteur au moment de la mesure. Le circuit de traitement 20 reçoit donc des paires ordonnées de valeurs d'impédance et de position pour chaque mesure effectuée.De cette façon, il est possible de localiser avec précision la position de la zone de transition 28 et d'attribuer par conséquent la valeur correcte à la profondeur efficace de la trempe dans le tourillon ou maneton 11. L'appareil 30 représenté sur la figure 3 a pour mission principale d'évaluer l'éventuelle asymétrie de traitement de la profondeur de trempe au niveau des couches trempées des zones de raccordement 31 du tourillon ou maneton 11. Dans ce cas également, le procédé adopté consiste à déclencher la mesure de l'impédance présentée par les capteurs 1 en partant de la zone non trempée 27 pour atteindre la zone trempée 26 après avoir parcouru la zone de transition 28. En outre, sur la base de la corrélation qui existe entre la profondeur à laquelle se trouve la zone de transition et la position occupée par la zone de transition à l'endroit où elle affleure à la surface, on peut établir, également dans ce cas la valeur de la profondeur de trempe au niveau des zones de raccordement 31 précitées. L'examen des caractéristiques des appareils 10 et 30 et du procédé adopté qui ont été décrits plus haut font ressortir de façon évidente les avantages que ces appareils et ce procédé permettent d'atteindre. Tout d'abord, il est évident que la haute résolution spatiale du capteur 1, tant dans le plan horizontal que dans le plan vertical, permet de localiser avec une extrême précision la position de la zone de transition, même dans le cas de profils de trempe qui présentent une épaisseur très réduite. Le procédé proposé donne une indication de la profondeur de trempe qui est indépendante de la composition chimique de la matière examinée, puisque les mesures d'impédance ne sont pas évaluées en valeur absolue mais qu'on considère uniquement les variations qu'elles présentent lorsqu'on passe de la zone non traitée à la zone traitée. En ce qui concerne plus particulièrement les mesures effectuées sur les tourillons et manetons d'un vilebrequin, on constate finalement que l'on peut obtenir des informations extrêmement précises sur la profondeur de trempe du tourillon ou maneton (de façon directe), sur l'asymétrie du traitement dans les zones de raccordement (de façon directe) et sur la profondeur de trempe dans les zones de raccordement (de façon indirecte). Finalement, il est évident que différentes modifications et variantes peuvent être apportées par l'homme de l'art au procédé et aux appareils qui viennent d'être décrits sans pour cela sortir du cadre de 1'inven tion. Par exemple, le noyau 2 pourrait présenter un deuxième entrefer, de préférence placé à l'opposé de l'entrefer 4 et qui possède de préférence une réluctance magnétique très inférieure à la réluctance présentée par l'entrefer 4. Ce noyau, tout en présentant encore une structure sensiblement en C, pourrait être réalisé en réunissant entre eux deux noyaux identiques en L au droit de leurs parties horizontales respectives tandis que les parties verticales pourraient être convenablement repliées à leurs extrémités de manière à laisser libre un petit espace correspondant à l'entrefer 4 précité. En outre, on pourrait également prévoir deux enroulements (l'un primaire et l'autre secondaire) placés autour du noyau 2. Dans ce cas, on mesurerait la tension induite en amplitude et en phase sur le secondaire. R E V E N D I C A T I O 1 - Procédé pour mesurer des paramètres relatifs à la trempe d'une pièce métallique (11) caractérisé en ce qu'il comprend les phases suivantes qui consistent à: - positionner sur la surface de ladite pièce (11) au moins un capteur (1) à courants induits capable de sonder une portion superficielle de ladite pièce (11), sensiblement parallélipipédique et dont les dimensions sont de l'ordre de la dizaine de um - déplacer ledit capteur (1) en translation par rapport à ladite pièce (11) en faisant en sorte que le capteur (1) s'appuie initialement sur une zone non trempée (27), puis sur une zone trempée (26) de ladite pièce (11) ou inversement - capter pendant la translation dudit capteur (1), des paires de données qui sont respectivement- relatives à l'impédance présentée par le capteur (1) et à la position relative correspondante prise par le capteur (1) par rapport à la pièce (11) - traiter les données captées afin de localiser, par évaluation de la variation de l'impédance captée, la position d'une zone de transition (28) du traitement de trempe interposée entre ladite zone non trempée (27) et ladite zone trempée (26). 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pièce métallique (11) est constituée par un tourillon ou maneton de vilebrequin de moteur à combustion interne, caractérisé en ce que la translation dudit capteur (1) s'effectue à l'intérieur d'un canal de lubrification (23) du tourillon ou maneton (11). 3 - Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel ladite pièce métallique (11) est constituée par un tourillon ou maneton de vilebrequin de moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comporte l'utilisation de deux capteurs (1) du type ci-dessus, dont chacun est positionné sur la surface d'un raccordement (31) et en ce que le traitement des données mesurées est exécuté par évaluation de la diffé- rence entre les impédances présentées par lesdits capteurs (1). 4 - Appareil pour mesurer des paramètres relatifs à la trempe d'une pièce métallique (11), caractérisé en ce qu'il comprend - au moins un capteur (1) à courants induits capable de sonder une portion superficielle de ladite pièce (11), cette partie étant essentiellement parallélipipédique et ses dimensions étant de tordre dlune dizaine de - des moyens de déplacement (15) capables de déplacer ledit capteur (1) en translation par rapport à ladite pièce (11), entre une zone non trempée (27) et une zone trempée (26) ou inversement - des moyens (16) de mesure de la position relative prise par ledit capteur (1) par rapport ladite pièce (11) - des moyens (18, 40) de mesure de l'impédance présentée par ledit capteur (1) t et - des moyens de traitement t20} adaptés pour localiser, par évaluation de la variation de ladite impédance, la position d'une zone de transition (28) du traitement de trempe interposée entre lesdites zones non trempée (27) et trempée (26) de ladite pièce (11). 5 - Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit capteur (1) comprend un noyau (2) en matière ferromagnétique présentant sensiblement la forme d'un C, de manière à présenter au moins un entrefer (4), au moins un enroulement (3) étant disposé en outre sur ledit noyau (2). 6 - Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit entrefer (4) présente une épaisseur (a) de l'ordre d'une dizaine de pm. 7 - Appareil selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé en ce que, dans ledit entrefer (4), est logée une matière conductrice non ferroma gnostique. 8 - Appareil selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé en ce que, dans ledit entrefer (4), est logée une matière non conductrice et non ferromagnétique. 9 - Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit élément logé dans ledit entrefer (4) est essentiellement constitué par une lame de laiton (5). 10 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que la distance (b) mesurée entre les surfaces opposées dudit noyau (2) dans une direction radiale au niveau dudit entrefer (4) est de l'ordre de 1 mm. 11 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens élastiques (24, 32, 33) adaptés pour transmettre audit capteur une poussée élastique qui permet, en utilisation, de maintenir ledit capteur (1) en contact avec la surface de ladite pièce (11) qui lui fait face. 12 - Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit capteur (1) est mobile à l'intérieur de son corps de support (34) et en ce que lesdits moyens élastiques (32, 33) sont logés à l'intérieur dudit corps (34). 13 - Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit capteur (1) est fixé solidairement à son corps de support (12) et en ce que lesdits moyens élastiques (24) sont logés à l'extérieur dudit corps (12), sur le côté opposé à celui dans lequel ledit capteur (1) est logé. 14 - Appareil selon la revendication 13, carac térisé en ce que ledit corps (12) est essentiellement réalisé en matière plastique et en ce que ledit capteur (1) est sensiblement noyé à l'intérieur dudit corps (12) de manière à apparaître et faire face vers l'extérieur au niveau de la zone dudit noyau (2) qui présente ledit entrefer (4). 15 - Appareil selon la revendication 13 ou la revendication 14, caractérisé en ce que ledit corps (12) présente essentiellement une structure en forme de tige. 16- - Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend une paire de capteurs (1) destinés à sonder respectivement deux portions superficielles (31) de ladite pièce [11). 17 - Appareil selon la revendication 16, caractérisé en ce que ces deux capteurs (4) sont montés dans des positions diamétralement opposées. 18 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 17, caractérisé en ce que lesdits moyens de déplacement (15) comprennent essentiellement un moteur électrique commandé par lesdits moyens de traitement (20). 19 - Appareil selon la revendication 18, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure (16) sont essentiellement constitués par un dispositif (codeur) de mesure de la position relative prise par l'arbre dudit moteur (15) par rapport à un système de références approprié.