Brevet FR2626361A1 — publié le 19890728

1i. k2626361 La présente invention concerne un procédé et un appareil de mesure de la rugosité d'une surface d'une pièce. Dans de nombreux domaines industriels la détermination de l'état de surface ou de la rugosité d'une pièce, notamment métallique, est de la plus haute importance. En- effet la rugosité conditionne un nombre important de fonctions, notamment les conditions de frottement-entre deux pièces, leur adhérence, leur énergie de surface, l'adhérence d'une couche de colle intermédiaire servant à l'assemblage de deux pièces etc. Il est donc nécessaire, dans ces applications industrielles, de déterminer avec précision la rugosité de la surface des pièces concernées. Cette détermination a été jusqu'é présent effectuée au moyen d'appareils dits "rugosimêtrés", qui sont généralement d'une structure particulièrement complexe et délicats à mettre en oeuvre ou des méthodes optiques ou interférométriques etc.... La présente invention vise à remédier A ces inconvénients en procurant un procédé et un appareil de conception très simple permettant d'obtenir très rapidement des mesures précises et fiables de la rugosité. A cet effet ce procédé de mesure de la rugosité d'une surface d'une pièce est caractérisé en ce qu'on applique, sur la surface rugueuse de la pièce, une première surface d'un élément plan déformable en un matériau ayant un grand degré de flexibilité c'est-à-dire une grande déformabilité élastique réversible, on exerce, sur une seconde surface du substrat, parallèle et opposée & la première surface, une pression constante, en direction de la pièce, de manière que la première 2 2626361 surface de l'élément déformable épouse étroitement le profil de la surface rugueuse en pénétrant élastiquement et réversiblement entre les aspérités de cette surface rugueuse, et on mesure la déformation ou le déplacement résultant de la seconde surface de l'élément déformable 3. Suivant une caractéristique complémentaire de l'invention on peut exercer en outre sur l'élément déformable, pendant la mesure, un effort d'intensité variable, parallèlement au plan de la surface rugueuse. L'invention a également pour objet un appareil de mesure de la rugosité d'une surface d'une pièce caractérisé en ce qu'il comprend un élément déformable d'épaisseur constante, en un matériau élastique ayant un grand degré de flexibilité, cet élément déformable comprenant deux surfaces principales à savoir une première surface destinée à être appliquée sur la surface rugueuse dont la rugosité doit être mesurée, et une seconde, surface sur laquelle est fixée au moins une jauge de déformation et des moyens pour appliquer l'ensemble formé de l'élément d6formable et de la jauge de déformation qui lui est fixée, sur la surface rugueuse, sous une pression prédétermine. Le procédé et l'appareil suivant l'invention permettent d'obtenir, par une simple mesure d'extensométrie, une- indication de la rugosité de la surface de la pièce à partir du signal de mesure fourni par la jauge de déformation. L'appareil suivant l'invention constitue un capteur volumique ou tridimensionnel de rugosité. On décrira ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, diverses formes d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexe sur lequel: La figure 1 est une vue en coupe d'une pièce à surface rugueuse dont la rugosité doit être mesurée et d'un appareil de mesure suivant l'invention, la pièce et l'appareil étant écartés l'un de l'autre. La figure 2 est une vue en coupe semblable à celle de la figure 1 pendant une opération de mesure de la rugosité. 0- La figure 3 est une vue en coupe illustrant la répartition des déformations dans l'épaisseur de l'élément déformable pendant une mesure de rugosité. La figure 4 est une vue en coupe d'une forme d'exécution d'un capteur volumique de rugosité suivant l'invention. La figure 5 est une vue en coupe d'une variante d'exécution d'un capteur volumique de rugosité suivant l'invention. La figure 6 est un diagramme illustrant la variation de la déformation superficielle mesurée en fonction de la rugosité de la surface de la pièce. La figure 7 est une vue en coupe illustrant une variante de mise en oeuvre du procédé de mesure suivant l'invention. -La figure 8 est un diagramme illustrant la variation de la déformation superficielle au "démarrage" en fonction de la rugosité de la surface de la pièce. Sur les figures 1 et 2 est représentées une pièce 1, par exemple métallique, qui présente une surface rugueuse la dont la rugosité doit être mesurée. Cette rugosité est constituée par des aspérités microscopiques résultant de l'élaboration de la surface la qui doit assumer une fonction définie, et la forme géométrique de ces aspérités, c'est-à-dire le pas entre les "pointes" et la profondeur des creux entre les "'pointes", varie avec les moyens d'élaboration, les paramètres d'application d'une élaboration donnée et la nature des substrats traités. Pour mesurer la rugosité de la surface la de la pièce 1, on utilise, suivant l'invention, un capteur volumique de rugosité désigné dans son ensemble par la référence 2 sur les figures 1 et 2. Ce capteur est eonstitué essentiellement par un élément déformable 3 en un matériau ayant un certain degré de flexibilité c'est-i-dire une grande déformabilité élastique réversible, par exemple en caoutchouc du type "ZODIAC", cet élément déformable 3 ayant une épaisseur constante de 0,4mm par exemple. L'élément déformable 3 présente une première surface plane 3a, lisse ou légèrement rugueuse, destinée à être appliquée contre la surface rugueuse la de la pièce 1. L'élément déformable 3 porte, sur sa seconde surface plane 3b, parallèle et opposée à la première surface 3a, une jauge d'extensométrie 4 dont les deux extrémités sont reliées à des bornes 5 pouvant être connectées à un appareil de mesure. Pour mesurer la rugosité de la surface la de la pièce 1 on applique, sur cette surface, le capteur volumique de rugosité 2, sous une pression constante prédéterminée Pc, qui est appliquée sur la seconde surface 3b de l'élément déformable 3 et qui est transmise à la première surface 3a à travers le matériau de l'élément 3. Il en résulte, ainsi qu'il est représenté sur les figures 2 et 3, que la première surface 3a se déforme, sous l'effet de la pression Pc, en épousant le profil de la surface rugueuse la, le matériau de l'élément déformable 3 pénétrant élastiquement et réversiblement dans les creux définis entre les aspérités de la surface rugueuse la. La pénétration de l'élément déformable 3, dans les aspérités de rugosité, sous l'effet de la pression Pc, provoque un 1j allongement moyen dans la direction perpendiculaire à la surface rugueuse la et une contraction ta dans le plan moyen rugueux due à l'effet Poisson. La déformation de compression ea du matériau de l'élément 3, qui se produit dans le plan de la surface de contact déformée 3a, par suite de la pénétration du matériau dans les creux de la surface rugueuse la, se transmet, en se réduisant progressivement, à travers l'épaisseur de l'élément 3 et elle se se traduit par une déformation de compression moindre sb, dans le plan de la seconde surface 3b de l'élément 3, comme il est illustré schématiquement sur la figure 3. Cette déformation de compression superficielle Pb est mesurée par la jauge d'extensomêtrie 4 et elle caractérise la rugosité de la surface la. Du fait du comportement élastique et réversible du matériau constituant l'élément déformable 3, l'ensemble de son volume et notamment de la surface rugueuse 3a conservent leur intégrité, c'est-à-dire qu'il reprend sa forme naturelle au repos après chaque opération de mesure de rugosité. La déformation superficielle eb, dans le plan de la seconde surface 3b, dépend ainsi de la rugosité de la surface le, pour une même pression constante Pc et il est donc possible de mesurer la rugosité de n'importe quelle surface la d'une pièce 1 à partir de la mesure de la déformation superficielle Fb fournie par la jauge d'extensomêtrie 4. Il suffit d'étalonner le capteur volumique de rugosité 2 à partir d'étalons de rugosité existants. Pour la production de la pression Pc appliquée l'élément déformable 3, on peut utiliser divers moyens tels que des dispositifs pneumatiques, mécaniques, électromagnétiques etc.. On peut notamment utiliser un piston logé dans un corps et délimitant une chambre dans laquelle on introduit un fluide à pression variable tel que l'air ou un gaz quelconque, de manière à appliquer le piston avec une pression variable sur le capteur de rugosité lui-même plaqué contre la pièce 1. On peut également utiliser à cet effet un électro-aimant à champ variable dont l'armature mobile est plaquée contre le capteur de rugosité. Dans la forme d'exécution de l'invention représentée 2 sur la figure 4 la jauge d'extenssom6trie 4, qui peut être par exemple une jauge du type HBM (k = 2,11), est collée sur la seconde surface 3b de l'élément d6formable 3, au moyen d'une couche de colle 6 (par exemple une colle Z80 HBM). Par dessus la jauge d'extensométrie 4 s'étend une couche de résine de protection 7 et par dessus cette couche est disposé un morceau de ruban adhésif 8. Dans la variante d'exécution de l'invention représentée sur la figure 5 le capteur volumique de rugosité comprend une jauge d'extensométrie 4 qui est fixée à la seconde surface 3b de l'élément déformable 3 au moyen d'un adhésif auto-collant biface 9. Un autre adhésif auto-collant 1l est appliqué sur la première surface 3a, pour assurer la liaison de l'élément déformable 3 avec la pièce 1 dont la rugosité de la surface doit àtre mesurée. Lorsque le capteur 2, tel que représenté sur la figure 5, adhère à la pièce 1 à surface rugueuse la, l'adhérence dépend de la rugosité de la surface la et de la nature de la couche superficielle précontrainte dans laquelle est formée la surface rugueuse la. On peut naturellement envisager d'utiliser d'autres moyens pour maintenir le capteur de rugosité 2 sur la surface rugueuse la de la pièce 1. Notamment si cette pièce est métallique, on peut employer à cet effet un aimant appliqué sur le capteur 2 et attiré magnétiquement contre la pièce 1, en maintenant le capteur 2 sous pression contre la pièce 1. On peut également utiliser un dispositif de serrage purement mécanique permettant de faire varier la pression Pc exercée sur le capteur 2. A titre d'exemple on a représenté sur la figure 6 diverses courbes obtenues à la suite d'essais effectués avec des toiles corindon (courbe A} et des papiers-de verre (courbe B}, sous l'effet d'une pression constante Pc égale à 223OPa. La déformation de compression s est portée en ordonnée, en micromètres, tandis que la rugosité totale Rtt en micromètres, telle que déterminée avec un rugosimétre GCC, est portée en abscisse. Cette rugosité totale Rt caractérise l'écart total de la rugosité tel que défini par la norme NF E 05-015. On voit d'après ce diagramme qua, dans le cas du papier de verre (courbe B), la variation de la déformation superficielle a est pratiquement proportionnelle à la rugosité alors que dans le cas d'une toile corindon (courbe A) la courbe de variation est proche d'une droite. La figure 7 illustre une variante de mise en oeuvre du procédé suivant l'invention dans laquelle, pendant l'opération de mesure, on applique simultanément à l'élément déformable 3, toujours soumis i la pression constante prédéterminée Pc en 1 direction de la pièce 1, une force de traction transversale Pd, c'est-a-dire parallèle aux surfaces la et-3a. La déformation superficielle gb, dans le plan de la surface 3b, qui est engendrée par suite de l'application simultanée de la pression Pc et de la force Pd, peut être mesurée et comparée à la t déformation élastique limite de la surface 3b avant que toute la surface 3a soit déplacée transversalement, dans le plan de la force Pd, par rapport à la surface rugueuse la de la pièce 1 et jusqu'à ce que l'élément 3 soit totalement déplacé & l'instant "du démarrage", c'est-à-dire au moment ot l'intensité de la force Pd a atteint une valeur suffisante pour provoquer le déplacement latéral de l'ensemble du capteur volumique 2. La la déformation superficielle au démarrage &d'de la surface 3b de l'élément 3 caractérise avec précision la force de frottement pour une rugosité donnée de la surface la de la pièce 1. ha valeur de cette déformation surperficielle au démarrage ad varie en fonction de la rugosité totale Rt comme il est indiqué schématiquement par le diagramme de la figure 8 relatif à des toiles corindon: on voit d'après ce diagramme que cette déformation superficielle au démarrage ed croit proportionnellement A la rugosité totale Rt. D'après la description qui précède on voit que l'un des avantages offerts par le capteur volumique de rugosité 2 suivant l'invention est qu'il est intégralement récupérable après chaque essai de mesure de rugosité, du fait que l'élément déformable 3 reprend instanément, par suite de son élasticité, son état de repos initial. Bien que, dans la description qui précède, l'appareil iode mesure ne comport qu'une seule jauge d'extensométrie 4, il va de soi qu'il pourrait également en comporter plusieurs s'étendant, par exemple, suivant deux directions perpendiculaires ou encore radialement suivant six directions à 600 les unes des autres etc.. 2626361- REVENDICATIONS 1.- Procédé de mesure de la rugosité d'une surface d'une pièce caractérise en ce qu'on applique, sur la surface rugueuse (la) de la pièce (1), une première surface (3a) d'un élément plan déformable (3) en un matériau ayant un grand degré de flexibilité c'est-a-dire une grande d6formabilité élastique réversible, on exerce, sur une seconde surface (3b} du substrat, parallèle et opposée à la première surface (3a), une jl pression constante (Pc), en direction de la pièce (1), de manière que la première surface (3a) de l'élément déformable (3} épouse étroitement le profil de la surface rugueuse (la) en pénétrant Plastiquement et réversiblement entre les aspérités de cette surface rugueuse, et on mesure la déformation (contraction Poisson) ou le déplacement résultant de la seconde surface (3b) de l'élément déformable (3). 2.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'on exerce en outre sur l'élément déformable (3), pendant la mesure, un effort (Pd) d'intensité variable, parallèlement au plan de la surface rugueuse (la). 3.- Appareil de mesure de la rugosité d'une surface d'une pièce. caractérisé en qu'il comprend un élément déformable (3) d'épaisseur constante, en un matériau élastique ayant un grand degré de flexibilité, cet élément déformable comprenant deux surfaces principales à savoir une première surface (3a) destinée A être appliquée. sur la surface (la} dont la rugosité doit être mesurée, et une seconde surface (3b) sur laquelle est fixée au moins une jauge de déformation !l (4) et des moyens pour appliquer l'ensemble formé de l'élément déformable (3) et de la jauge de déformation (4) qui lui est fixée, sur la surface rugueuse (la), sous une pression prédéterminée (Pc). 4.- Appareil suivant la revendication 3 caractérisé en ce que chaque jauge d'extensométrie est collée sur la seconde' surface (3b) de l'élément déformable. 5.- Appareil suivant la revendication 3 caractérisé en ce que la jauge d'extensométrie (4> est fixée à la seconde surface (3b) de l'élément déformable (31 au moyen d'un adhésif auto-collant biface (9}. 6.- Appareil suivant l'une quelconque des revendications 3 a 5 caractérisé en ce qu'un adhésif auto- collant (11) est appliqué sur la première surface (3a), pour assurer la liaison de l'élément déformable (3} avec la pièce (1>. 7.- Appareil suivant l'une quelconque des revendications 3 & 6 caractérisé en ce que par dessus la jauge d'extensométrie (4> s'étend une couche de résine de protection (7) et par dessus cette couche est disposé un morceau de ruban adhésif (8).