Brevet FR2600772A1 — publié le 19871231

La présente invention concerne un dispositif permettant la mesure de la résistance mécanique interne des matériaux. Elle concerne plus précisément, un dispositif destiné à fournir à chaque instant la résistance à l'avancement d'un pénétrateur et par là-même la résistance et l'épaisseur des différentes couches rencontrées successivement par le pénétrateur. Le pénétrateur étant de petit diamètre, le dispositif peut entre qualifié de non destructif. Les matériaux métalliques, ou non, sont rarement homogènes. Le mécanisme général de germination et croissance conduit à la formation de zones plus ou moins concentriques ou à des strates plus ou moins parallèles. Le bois constitue à ce point de vue, un exemple particulièrement spectaculaire. Cette hétérogénéité est parfois recherchée. Dans les produits en acier, le métallurgiste cherche souvent à durcir la couche superficielle (cémentation, nitruration...), qui devient alors résistante à tout tout en conservant au coeur de la pièce des caractéristiques mécaniques plus faibles mais qui assurent une bonne résilience à l'ensemble. Pouvoir mesurer les épaisseurs de ces- couches, ou encore mieux leur résistance, sans détruire le produit, est donc un problème fréquent qui intéresse l'ensemble de l'industrie et de la recherche. La normalisation AFNOR (A 04.202, 203 et 204) prévoit que la détermination des couches traitées superficiellement sera effectuée à partir de l'examen par dureté d'une section de la pièce : il s'agit donc d'un contrôle destructif. Cet état de la technique étant insuffisant, les grands organismes de recherche s'efforcent de promouvoir de nouvelles méthodes non destructives. Les techniques actuellement proposées reposent sur la mesure des vitesses de propagation d'ondes, en particulier d'ondes ultra-sonores, vitesses qui varient avec la structure. Les ondes incidentes se réfléchissent sur les différentes couches qu'elles traversent en des temps fonction de leurs épaisseurs et duc leurs qualités. La mesura de ces temps permet, en théorie, d'avoir accès aux deux paramètres, épaisseur et résistance, sans détruire la pièce testée. Ces techniques nécessitent un appareillage compliqué comprenant en particulier un système très élaboré d'acquisition et de traitement des signaux. De plus, les dispositifs existants nécessitent des capteurs appropriés à la géométrie de la pièce à examiner. L'expérience a montré que cette technique est actuellement difficile à mettre en oeuvre, les dispositifs correspondant étant peu fiables et onéreux. La présente invention vise à remplacer cet appareillage sophistiqué par un dispositif simple, facile à manipuler et d'un coOt de fabrication modique. Ce résultat est atteint conformément à l'invention par le fait que le dispositif proposé comprend - un bâti - un pénétrateur - un moteur assurant la rotation,à vitesse imposée,du péné trateur par rapport à la pièce - un moteur assurant la translation,à vitesse imposéessdu pénétrateur par rapport à la pièce - un capteur de force mesurant la résistance à l'avancement axial du pénétrateur. - un enregistreur mémorisant la relation entre la résistance et la-position du pénétrateur dans la pièce. La mesure de la résistance mécanique des couches traversées est obtenue, conformément à l'invention, par le fait que le pénétrateur, mO en rotation, présente une taille frontale plane et une possibilité de dégagement complet des copeaux ou débris formés. Cette dernière condition est essentielle pour mesurer la résistance à l'avancement du pénétrateur, sans que l'accumulation des débris, en freinant les mouvements de rotation et de translation, d'une manière aléatoire ou progressive, perturbe cette mesure. La -forme et les dimensions du pénétrateur, qui pourra recevoir à sa partie la plus antérieure un guide pilote, doivent cotre adaptées au matériau à tester. Cependant, pour tous les matériaux, la résistance à la pénétration est naturellement fonction de la résistance mécanique conventionnelle des matériaux. Le dispositif proposé permet donc d'obtenir la résistance conventionnelle des différentes couches traversées par le pénétrateur, pourvu qu'un étalonnage préalable - un essai de dureté par exemple - ait donné la relation entre la résistance à la pénétration et la grandeur mécanique conventionnelle recherchée. Un changement dans la valeur de la résistance à la pénétration est le signe d'une modification de la structure du solide traversé. Il est donc possible de mesurer directement l'épaisseur des couches ayant des résistances à la pénétration distinctes,la précision de cette mesure étant liée à la sensibilité du capteur de force. L'association d'un pénétrateur, ayant une forme adaptée pour assurer un dégagement des débris sans effort aléatoire, de deux mouvements de translation et de rotation simultanément imposés et de la mesure de la résistance à l'avancement > constitue la condition originale et décisive du bon fonctionnement du dispositif. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaitront dans la description et les dessins annexés qui présentent un mode de réalisation préférentiel de l'invention. La figure 1 représente le dispositif en vue de face et coupé. Le dispositif représenté ainsi comprend un bâti 1, qui peut etre tubulaire. Ce bâti peut être posé sur une table, sur la pièce à tester ou rendu solidaire de la pièce par des moyens de fixations divers, comme des vis par exemple. Le dispositif peut donc être utilisé dans n'importe quelle position de l'espace, c'est à dire in situ. Une traverse 2 coulisse le long du bâti 1 avec une vitesse de translation imposée par un moteur 4, exerçant ainsi une pression sur le pénétrateur 3 par l'intermédiaire d'une tige 8. Un moteur 5, ou tout autre système, assure une rotation de la tige 8 et du pénétrateur 3, qui est un outil généralement coupant spécialement conçu pour évacuer aisément les copeaux et débris formés. Un capteur de force 6 mesure en permanence l'effort de pression exercé par la traverse sur la pièce, ou le couple de torsion s'exerçant sur la tige, c'est à dire la résistance R à la pénétration dans la pièce stratifiée. Des signaux, proportionnels au déplacement de la traverse et à l'effort R, agissent sur un enregistreur graphique 7, ou sont stockés dans des mémoires pour âtre utilisés ultérieurement. Le tracé de l'enregistrement fait clairement apparaître des discontinuités ou des zones d'égale résistance et par tà-même l'épaisseur des strates. Les vitesses de translation et de rotation sont établies en fonction du matériau testé et des caractéristiques, en particulier, géométriques du pénétrateur. Le dispositif pourrait être inversé en ce sens que, le pénétrateur étant immobile, l'objet à tester serait monté préalablement dans une pince animée simultanément en translation et rotation à des vitesses imposées. La mesure de l'effort R de pénétration s'effectuant dans les mêmes conditions que ci-dessus. Les figures 2, 3, 4, 5 et 6 représentent quelques formes préconisées pour le pénétrateur et de sa tige support, mais elles sont surtout destinées à préciser les caractères mécaniques indispensables au bon fonctionnement du dispositif, sans que ces formes constituent un caractère limitatif à l'invention. La résistance à la pénétration par coupe ou abrasion frontale au sein des matériaux testés, est et doit rester le seul critère de mesure du dispositi#f. Impérativement le pénétrateur doit être conçu pour - assurer une reproductibilité parfaite des essais - certifier que les valeurs recueillies ne dépendent que de la résistance frontale de pénétration, et ne sont pas accompagnée#s d'efforts ou de phénomènes parasites (frottements latéraux, échauffements) - obtenir, si nécessaire, des mesures de résistance quasi ponctuelles, le long de l'axe de pénétration. L'utilisation d'outils d'usinages existants tels que forets, alésoirs, fraises, meules, en lieu et place d'un pénétrateur adapté, ne permet pas d'atteindre ces trois critères, malgré des performances mécaniques élevées dans leur domaine. En effet, ces outils sont avant tout conçus pour réaliser des pièces calibrées, obtenir des états de surfaces de qualité, enlever la matière avec le meilleur rapport qualité prix, ce qui exige souvent des vitesses de taille élevées, que ce soit en translation, ou que ce soit en rotation. Dès lors, l'éjection lente ou rapide des débris, le guidage latéral sur le corps d'un foret, perçant en profondeur, entraîne toujours des frottements parasites et incontrôlés, incompatibles avec une mesure précise de la résistance à la pénétration au niveau de l'extrémité du foret. Dans le dispositif et en tenant compte des qualités souhaitées précédemment, le pénétrateur (9) (figures 2, 3), qui comporte plusieurs dents, se trouve fixé sur une tige (8) de plus petit diamètre, évitant ainsi les frottements latéraux. Pour des raisons identiques, la longueur du pénétrateur doit mesurer préférentiellement une fraction de son diamètre. Le pénétrateur (9) et la tige (8) peuvent former un ensemble monobloc ou être démontables. Les lèves (10) sont généralement à taille frontale plane l'arête tranchante (12) se trouvant ainsi perpendiculaire à l'axe du pénétrateur. Cette condition sur une taille frontale plane, permet d'obtenir plan après plan, les variations de résistance et si les strates se trouvent perpendiculaires à lraxe de pénétration, les mesures deviennent alors réellement ponctuelles et très riches d'informations. Le coin (13) peut avantageusement dépasser le diamètre d'encombrement du corps du pénétrateur. La partie frontale du pénétrateur peut comporter au centre un guide pilote (11) avec pointe auto-perforante. La levre (10), le talon (14), le ruban (16) ont les angles les mieux adaptés aux conditions de pénétration requises et au dégagement permanent des débris selon les matériaux testés. De même, la gorge (15) peut être large et profonde. Les angles d'inclinaisons des lèvres (10), des talons (14), des rubans (16) permettent d'assurer la reproductibilité et les performances du dispositif. Pour certains matériaux peu compacts, l'amincissement de la tige, laisse un volume suffisant pour stocker les débris sans entraîner de frottement supplémentaire notable, quelle que soit la profondeur de pénétration. Dans le cas de matériaux plus compacts, pour éviter toute accumulation préjudiciable, ltéjection des débris peut être activée par une prise d'aspiration le long de la tige (8) ou une source d'arrivée de fluide sous pression circulant dans un canal (18) (figure 4). L'arrivée d'un fluide permet alors l'expulsion des débris, la lubrification de l'arête de coupe, le maintien éventuel à température constante du front de taille. Ce canal peut avantageusement déboucher (17) sur un ou plusieurs talons (14). Le pénétrateur peut être constitué d'un ou plusieurs matériaux, en rapportant ainsi des plaquettes pour obtenir des lèvres (10) très résistantes. Les figures 5 et 6 montrent un pénétrateur (19) à tête frontale (20) abrasive, munie éventuellement d'un guide pilote (11), ou d'un canal (17,18) dont le rôle est analogue à celui de la figure 4. Dans le cas de matériaux particulièrement résistant, il sera avantageux de superposer au mouvement de translation imposé, un mouvement de vibration longitudinal comme il est d'usage pour de telles opérations de perçage. Les figures 7 et 8 représentent quelques résultats obtenus avec le dispositif. Pour l'utilisation décrite en référence à la figure 7 et qui concerne la mesure de l'épaisseur des cernes annuels de croissance d'un pin, la forme du pénétrateur était semblable à celle de la figure 2. La tige (8) mesurait 2,5 millimètres de diamètre et l'enveloppe cylindrique du pénétrateur en acier un diamètre de 4 millimètres pour une longueur de 3 millimètres. Les vitesses de translation et de rotation imposées avaient respectivement pour valeurs, 10 millimètres par minute et 370 tours par minute. Les deux enregistrements a et b de la figure 7 ont été obtenus pour deux points de mesure distants de 6 millimètres. Ces deux enregistrements sont destinés à illustrer la très bonne reproductibilité des résultats permise par le dispositif. Pour l'utilisation décrite en référence à la figure 8 et qui concerne la mesure du gradient de résistance d'une pièce en acier cémentée mais non trempée, le pénétrateur avait les mêmes caractéristiques géométriques que pour l'exemple de la figure 7. Par contre, les vitesses de translation et de rotation imposées avaient respectivement pour valeurs 1,5 millimètres par minute et 2000 tours par minute. L'enregistrement de la figure 8 illustre la possibilité d'obtenir des informations détaillées concernant une couche de e = 0,7 millimètre d'épaisseur et par là-même la très bonne sensibilité du dispositif. - R EVENDICAT#0NS- 1) Dispositif pour mesurer l'épaisseur et les propriétés, en particulier mécaniques, des couches traversées par un pénétrateur, caractérisé par le fait qu'il comprend - un bâti (1) - une tige (8) mue en rotation à vitesse imposée et mue, simultanément, en translation axiale à vitesse imposée - un pénétrateur (3) (9) (19), de forme adaptée pour évacuer sans effort les débris qu'il génère, monté à l'extrémité de la tige (8) - un capteur (6) mesurant la résistance à la pénétration. 2) dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le pénétrateur est coupant. 3) dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait qu'il comporte un moyen pour activer l'évacuation des débris. 4) dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé par le fait qu'il comporte un moyen pour enregistrer les valeurs de la résistance mécanique et du déplacement du pénétrateur. 5) dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé par le fait que la mesure de la résistance à la pénétration est la résistance axiale. 6) dispositif selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé par le fait que la mesure de la résistance à la pénétration est le couple de torsion agissant sur la tige (8). 7) dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé par le fait que le bâti (1) est solidaire du matériau à tester. 8) dispositif selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé par le fait que l'un des deux mouvements simultanés ou les deux est ou sont communiqués au matériau à tester et non à la tige (8). 9) dispositif selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé par le fait que le pénétrateur (3) (9) (19) possède un guide pilote (11). 10) dispositif selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé par le fait qu'un module de vibration excite le pénétrateur.