Brevet FR2684184A1 — publié le 19930528

PROCEDE DE MESURE DE LA DURETE D'UN MATEIWU ET DISPOSITIF POUR LA MISE EN OEUVRE DE CE PROCEDE. La présente invention concerne un procédé pour mesurer les dimensions d'une empreinte faite par un pénétrateur sur une pièce, afin de déterminer la dureté du matériau utilisé. L'invention concerne aussi le procédé de détermination de la dureté ainsi que le dispositif mettant en oeuvre ce procédé. La détermination des caractéristiques de dureté des matériaux est effectuée suivant des essais normalisés. Les résultats exprimés par ces essais ne sont pas des indications absolues, mais constituent une échelle de valeurs comparatives étroitement liées aux conditions des essais et le caractère non destructif des mesures en justifie largement leur emploi. Il existe différentes méthodes de mesures, par exemple les essais par rayure, par rebondissement et par pénétration, sans compter les méthodes indirectes du type magnétique ou par ultra-sons. La méthode la plus couramment utilisée pour déterminer la dureté des matériaux, tels que les métaux, est sans aucun doute l'essai de dureté dit par pénétration. Cet essai consiste à déterminer la dureté du matériau utilisé, à partir des dimensions d'une empreinte faite par un pénétrateur appliqué sur la surface de la pièce à analyser, sous une charge définie. Ladite empreinte étant pour une charge donnée, d'autant plus petite que le matériau de la pièce est dur. Dans l'essai du type dit Vickers, le pénétrateur est une pièce dont l'extrémité en diamant a la forme d'une pyramide à base carrée, d'angle au sommet de 136 entre faces opposées. Ce type d'essai est beaucoup utilisé car la loi de similitude est automatiquement respectée et l'on obtient des empreintes géométriquement semblables lorsqu'on fait varier la charge.L'empreinte laissée sur la surface de la pièce par le pénétrateur est carrée et on en mesure les deux diagonales pour en déterminer la dureté du matériau, selon une formule mathématique bien connue en soi. De nombreux constructeurs commercialisent des appareils destinés à mesurer les empreintes, et qui sont tous basés sur le même principe. Généralement, ces appareils, appelés encore duromètres, permettent simultanément de faire l'empreinte avec le pénétrateur, de pratiquer à la mesure des dimensions de l'empreinte réalisée et d'en déterminer ainsi la valeur de la dureté de l'échantillon testé. A cet effet, les duromètres actuels comprennent un pénétrateur mis en pression sur la pièce à mesurer, et un système optique permettant par un grossissement optique, de créer une image de l'empreinte que l'opérateur mesure grâce à un oculaire de visée. L'objectif de grossissement ayant un grossissement déterminé, les images des empreintes que l'on mesure ont des dimensions qui sont fonction des dimensions de l'empreinte.Aussi on comprendra que l'utilisation de tels appareils rend difficile la mesure des très petites empreintes, et qu'il est impossible de mesurer avec la même précision les petites empreintes de quelques microns et les empreintes plus grandes, par exemple de 100 à 200 microns. La présente invention se propose donc de solutionner les problèmes rencontrés par les opérateurs qui utilisent les duromètres actuels et propose un nouveau procédé de mesure qui, tout en étant nouveau, respecte la norme actuelle. Le procédé de mesure selon l'invention d'une empreinte formée par un pénétrateur sur la surface d'une pièce pour en déterminer la dureté du matériau la constituant, est caractérisé en ce que l'on crée une image finale de l'empreinte ayant les dimensions d'une image de référence déterminée et l'on détermine les dimensions réelles de l'empreinte en tenant compte du grossissement ayant permis de passer de l'empreinte réelle à son image finale. Selon une caractéristique complémentaire, l'on crée préalablement sur un support de visualisation, une image initiale dont les dimensions sont fonction des dimensions de l'empreinte et l'on modifie ladite image initiale pour lui donner les dimensions de l'image finale, puis l'on détermine les dimensions de l'empreinte en fonction des grossissements ayant permis de passer de l'image initiale à l'image finale. Selon un mode préféré de l'invention, l'on crée préalablement au moins une image intermédiaire de dimensions avant de créer l'image initiale. L'invention concerne aussi le dispositif de mesure destiné à mettre en oeuvre le procédé de mesure qui est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour créer une image initiale et pour la modifier pour créer une image finale ayant les dimensions prédéterminées d'une image de référence. Ces moyens étant avantageusement constitués par un duromètre comprenant une adaptation reliée à un ensemble d'analyse, de traitement et de visualisation. Selon une disposition préférée, le dispositif de mesure comprend une caméra vidéo reliée à un ensemble d'analyse, de traitement et de visualisation. Ladite caméra étant soit montée mobile en translation sur le duromètre, soit comprend un objectif à focale variable. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention se dégageront de la description qui va suivre en regard des dessins annexés qui ne sont donnés qu'à titre d'exemples non limitatifs. Les figures 1 représentent très schématiquement l'essai de dureté proprement dit. La figure la est une vue latérale avant essai de dureté. La figure lb est une vue latérale pendant l'essai de dureté. La figure lc est une vue de dessus montrant l'empreinte ainsi réalisée. La figure 2 est une représentation schématique illustrant un mode de réalisation du procédé selon l'invention. Les figures 3 et 4 sont des vues montrant un exemple de dispositif destiné à mettre en oeuvre le procédé dans une situation intermédiaire (figure 3) et dans une situation finale (figure 4). Les figures 5 et 6 sont des vues schématiques illustrant le procédé mis en oeuvre par le dispositif selon les figures 3 et 4. La figure 7 représente une partie du dispositif mettant en oeuvre le procédé de l'invention. La figure 8 est une vue similaire à la figure 7 représentant une variante de l'invention. La figure 9 est une vue similaire à la figure 5 montrant une variante possible de l'invention. Le procédé selon l'invention est destiné à mesurer les dimensions (d', d") d'une empreinte (E) formée sur la surface (1) d'une pièce échantillon (2) dont on veut déterminer la dureté. L'empreinte est réalisée de façon connue en soi (figures la, lb, lc) par un pénétrateur (3) dont l'extrémité (30) en diamant a la forme d'une pyramide à base carrée et d'angle au sommet de 136 degrés. On ne décrira pas en détail l'essai de dureté proprement dit qui est bien connu en soi et qui est illustré très schématiquement aux figures la, lb et lc. Notons seulement que le pénétrateur (3) est appliqué sur la pièce (2), dont on veut déterminer la dureté, sous une charge déterminée (F) (figure lb), laissant ainsi sur la surface (1) de ladite pièce (2), une empreinte (E) dont les dimensions (d', d") sont fonction de sa dureté (figure lc). Ainsi, plus la pièce est dure, plus l'empreinte est petite; inversement, moins la pièce est dure, plus l'empreinte est grande. La dureté est ainsi inversement proportionnelle aux dimensions de l'empreinte et est donc déterminée en mesurant cesdites dimensions. Etant donné la forme de l'extrémité (30) du pénétrateur (3), l'empreinte (E) a la forme d'un carré (a, b, c, d) dont on mesure la longueur des deux diagonales (ac) et (bd) respectivement (d') et (d"). On en détermine ensuite la longueur d'+d" moyenne d = 2 et la valeur de la dureté (HV) est déterminée par la F formule 1,8544 d2' (F) étant la force d'application du pénétrateur sur la pièce à mesurer. Contrairement à ce qui est fait traditionnellement, le procédé selon l'invention (figure 2) consiste à créer sur un support (4) tel qu'un écran (15) de micro-ordinateur, une image finale (E3) dont les dimensions (d'3, d"3) ne sont pas fonction des dimensions (d', d") de l'empreinte (E), mais égales ou sensiblement égales à un image de référence (IR) de dimensions pré-déterminées (d'3, d"3). Les dimensions (d', d") de l'empreinte réelle (E) étant alors déterminées à partir des dimensions de l'image finale (E3) en tenant compte du coefficient de grossissement (K) ayant permis de visualiser l'empreinte de dimensions (d', d") en une image finale (E3) de dimensions (d'3, d"3). La figure 2 illustre très schématiquement ce procédé et représente trois empreintes (E, E', E") de dimensions différentes. Selon le procédé, toutes les empreintes, quelles que soient leurs dimensions, sont visualisées sur le support (4) en une image finale (E3) de dimensions déterminées (d'3, d"3). Ainsi, pour passer de l'empreinte réelle (Ea) à son image finale (E3), il a fallu un grossissement de rapport (Ka); de même, pour passer de l'empreinte réelle (Eb) à son image finale (E3), il a fallu un grosssissement de rapport différent (Kb), et pour passer de l'empreinte réelle (Ec) à son image finale (E3), il a fallu un autre rapport de grossissement (Kc). Les dimensions des empreintes réelles seront bien entendu déterminées en tenant compte du rapport de grossissement correspondant ayant permis d'obtenir l'image finale mesurée.Ainsi, la dimension de d3 l'empreinte Ea sera da = Ka, celle de d3 l'empreinte Eb sera db = Kb et celle de d3 d'3+d"3 l'empreinte Ec sera dc = Kc, "d3" étant bien entendu égal à 2 Ainsi, étant donné que l'on utilise toujours une image de dimensions déterminées, la précision des mesures sera aussi bonne pour des petites empreintes que pour des grandes. Selon un processus particulier de l'invention, on crée préalablement sur l'écran, une image initiale (E2) de l'empreinte (E) de dimensions (d'2, d"2) (voir figures 3, 5, 6 et 7), et on en modifie les dimensions pour amener cette dite image initiale (E2) à avoir les dimensions ou sensiblement les dimensions de l'image de référence (IR) dont on en mesure les dimensions pour en déduire les dimensions de l'empreinte (E). L'image initiale (E2) ayant bien entendu des dimensions, fonction des dimensions de l'empreinte réelle. Pour une meilleure compréhension du procédé sur lequel nous reviendrons plus loin, nous allons à présent décrire un exemple de dispositif destiné à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. Il va de soi que les dispositifs décrits ci-après ne sont donnés qu'à titre d'exemples et que tout dispositif équivalent mettant en oeuvre le procédé selon l'invention ferait aussi partie de l'invention. Le dispositif selon le premier mode de réalisation comprend un appareil de base tel qu'un duromètre désigné sous la référence générale (5) et un ensemble d'analyse et de traitement de l'information et de visualisation, désigné sous la référence générale (6). Le duromètre (5) est constitué d'un bâti (7) et d'un plateau support (8) sur lequel est placé l'échantillon (2) à tester. Il comprend aussi de façon connue en soi, un système de mise en charge d'un pénétrateur et des moyens pour éclairer l'empreinte (E) réalisée par le pénétrateur (3) non représentés. Il comprend par ailleurs un premier objectif de grossissement (9) destiné à créer une image intermédiaire (El) de dimensions (d'l, d"l) sur un prisme diviseur (10). Notons aussi que cette image intermédiaire peut être éventuellement vue par l'opérateur grâce à un oculaire de vision (11) mis en place à cet effet.L'image intermédiaire (El) constitue une première image de l'empreinte dont les dimensions sont par exemple multipliées par un premier rapport de grossissement (kl) d'environ 50. Ainsi, l'image intermédiaire (El) est kl fois plus grosse que l'empreinte réelle (E), et par exemple 50 fois plus grosse. Selon l'invention, la partie supérieure (70) du duromètre (5) comprend une caméra vidéo (12) et un objectif (13) disposés dans l'axe (XX') du premier objectif (9). La caméra vidéo (12) étant reliée à l'ensemble d'analyse de traitement et de visualisation (6) qui comprend une unité centrale (14), un écran de visualisation (15), un clavier (16) et une souris (160), pour créer sur l'écran (15) et à partir de l'image intermédiaire (El) filmée par la caméra (12), l'image initiale (E2) dont les dimensions (d'2, d"2) sont égales à k2 fois les dimensions (d'l, d"1) de ladite image intermédiaire (El), k2 étant par exemple égal à 20. Selon le procédé de l'invention, l'opérateur, au lieu de mesurer les dimensions (d'2, d"2) de l'image initiale ainsi créée, modifie les dimensions de celle-ci pour qu'elles soient égales ou sensiblement égales aux dimensions d'une image de référence (IR) et créer ainsi une image finale (E3) qu'il mesurera. Afin de permettre la modification de l'image initiale pour l'adapter aux dimensions de l'image de référence, la caméra vidéo (12) est liée au duromètre de façon mobile. A cet effet, ladite caméra (12) est fixée sur un chariot (17) mobile verticalement sur un support (18) fixé à la paroi supérieure (70) du duromètre, tandis que l'objectif (13) est fixé et relié rigidement à ladite paroi (70). Le déplacement vertical vers le bas (ba) ou vers le haut (ha) de la caméra (12) permettant ainsi de modifier les dimensions de l'image initiale (E2) pour lui donner les dimensions de l'image de référence (IR), et ainsi créer l'image finale (E3) que l'on mesure pour en déterminer les dimensions de l'empreinte.Ce déplacement de la caméra peut se faire soit manuellement à l'aide par exemple d'un molette de commande (19), soit automatiquement grâce à un moteur (20), non représenté, piloté par un logiciel approprié. La figure 3 représente le dispositif avant modification de l'image initiale (E2). Dans cette situation, la caméra vidéo (12) est à une hauteur (hi) de la paroi supérieure (70) du duromètre et crée sur l'écran (15) du micro-ordinateur, l'image initiale (E2) de dimensions (d'2, d"2). Pour modifier les dimensions de cette image et créer l'image finale (E3), l'opérateur ou la commande automatique déplace la caméra vers le haut jusqu'à ce que ladite image finale (E3) aient les dimensions ou sensiblement les dimensions de l'image de référence (IR), plaçant ainsi la caméra à une distance (h3) de la paroi (70). La figure 4 représente le dispositif dans cette situation finale, dans laquelle la caméra se trouve à une hauteur (h3) de la surface supérieure (70) du duromètre (5), la hauteur (h3) étant supérieure à la hauteur (hi). Le coefficient de grossissement (k3) ayant permis de passer de l'image initiale (E2) à l'image finale (E3) étant alors fonction du déplacement de la caméra. A titre d'exemple, le coefficient de grossissement (k3) peut être de5. Les dimensions (d'2, d"2) de l'image initiale (E2) sont, comme nous l'avons déjà signalé, fonction des dimensions (d', d") de l'empreinte, car essentiellement fonction des coefficients des grossissements successifs (kl) et (k2). Par contre, les dimensions (d'3, d"3) de l'image finale (E3) ne le sont pas. Toutefois, lesdites dimensions de l'empreinte peuvent être déterminées car fonction des différents grossissements successifs (kl, k2 et k3). Les coefficients de grossissement (kl et k2) étant déterminés et donc connus, les dimensions (d', d") de l'empreinte seront déterminées en d3 fonction du rapport (k3). Ainsi, d = 4. Notons que les dimensions de l'image de référence sont choisies pour que cette image soit exploitable dans les meilleures conditions possibles. Elle est par exemple telle que la surface de l'écran de visualisation soit occupé au moins à 50% par l'image finale (E3). Par ailleurs, l'image initiale (E2) peut être telle que ses dimensions doivent être augmentées pour avoir les dimensions de l'image de référence, mais elle peut aussi être telle que ses dimensions doivent être diminuées. Dans le premier cas, le rapport "k3" est supérieur à 1, et dans le second cas, ce dernier est inférieur à 1. L'invention concerne le procédé de mesure, mais aussi le dispositif mettant en oeuvre le procédé. Elle concerne aussi les moyens de prise de vue de l'image intermédiaire (El) constitués par l'adaptation (20) qui est illustrée plus en détail à la figure 7. Comme nous l'avons déjà précisé, l'adaptation (20) est fixée sur la surface supérieure (70) du duromètre (7) par une embase (21) retenue par des vis (22) et comprend un objectif ou oculaire de projection (13) sur lequel est retenu un support (18) comprenant une première plaque fixe (23) et une deuxième plaque (17) mobile verticalement sur deux colonnes verticales (24). La caméra (12) étant liée à la deuxième plaque mobile (17), un soufflet (25) étant disposé entre les deux plaques.Bien entendu, l'adaptation (20) est disposée de telle sorte que l'axe de son objectif (13) et l'axe de sa caméra (12) soient sur l'axe vertical (XX'). Un système à crémaillère ou tout autre système tel que vis à douille, vis sans fin (26) permettant, par rotation de la molette (19), de déplacer vers le haut (ha) ou vers le bas (ba) la plaque support (17). La figure 8 est une vue similaire à la figure 7 illustrant une variante de réalisation de l'adaptation. Variante selon laquelle la caméra vidéo (120) est fixe et comprend un objectif (121) à focale variable du type "Zoom". La modification de la focale de cet objectif permettant de passer de l'image initiale (E2) à l'image finale (E3), sans avoir à modifier la position verticale de ladite caméra, comme précédemment. La modification de focale pouvant se faire bien entendu soit manuellement, soit automatiquement. Par ailleurs, il est également possible de prévoir plusieurs objectifs (13, 130, 131) montés sur une tourelle (210) pivotante, permettant ainsi le choix de la focale appropriée. La figure 9 est une vue similaire à la figure 5 illustrant schématiquement une variante du procédé de l'invention, dans lequel l'on crée une deuxième image intermédiaire (E'1) de dimensions (d"l, d"'1) qui est l'image de la première image intermédiaire (El) obtenue par un grossissement déterminé (k'2), et c'est cette deuxième image intermédiaire qui est utilisée pour créer l'image initiale (E2), comme cela est représenté schématiquement. Par ailleurs, notons que le dispositif peut être entièrement automatisé et que le pilotage de la caméra (12, 120) peut être géré par un logiciel (L1) adapté, et que le traitement de l'image finale (E3) et notamment la mesure de ses dimensions, peuvent être gérés automatiquement ou semi-automatiquement par un logiciel (L2) de reconnaissance des formes et d'analyse d'images.Le logiciel d'analyse d'images localise automatiquement les angles (a, b, c, d) de l'image finale (E3) et en détermine les distances (ac) et (db) pour en faire la moyenne, pour en déduire la dureté du matériau de l'échantillon, en tenant bien entendu compte des différents coefficients successifs de grossissement ayant permis de créer l'image initiale (E2), mais surtout du dernier coefficient (k3) amenant l'image initiale (E2) aux dimensions de l'image finale (E3), ledit coefficient (k3) pouvant lui aussi être déterminé automatiquement. L'invention précédemment décrite, l'a été dans le cadre d'un essai du type Vickers dont l'empreinte est carrée, mais il va de soi que l'on ne sortirait pas du cadre de l'invention, si le procédé selon l'invention était utilisé dans le cadre d'essais d'un autre type, comme par exemple l'essai Brinell ou l'essai du type Knoop où l'empreinte formée sur la pièce est un losange. Il va de soi que le mode de réalisation représenté à la figure 7 pourrait être tel que l'adaptation (20) comporte une tourelle avec plusieurs objectifs, telle que celle utilisée dans la réalisation de la figure 8 et portant la référence (210). Notons aussi que l'objectif de grossissement (13) qui est fixe dans les modes de réalisation précédemment décrits, pourrait être mobile et notamment verticalement vers le haut ou vers le bas, comme cela est représenté en trait interrompu sur la figure 7. Ce déplacement pouvant être totalement indépendant du déplacement de la caméra (12). Le procédé et le dispositif selon l'invention ont été décrits dans une application particulière de mesure de dureté et donc, de mesure de dimensions d'une empreinte, mais il va de soi que le procédé et le dispositif correspondant pourraient être utilisés dans un autre contexte de mesures des dimensions, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. L'appareillage décrit précédemment à titre d'exemple est tel que l'adaptation (20) est fixée rigidement sur la paroi supérieure (70) du duromètre, mais bien entendu on ne sortirait pas du cadre de l'invention Si cela était autrement, et notamment si elle était fixée plus ou moins souplement ou fixée sur le côté d'un duromètre ou à tout autre endroit de ce dernier. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés à titre d'exemples, mais elle comprend aussi tous les équivalents techniques ainsi que leurs combinaisons, et pourrait notamment utiliser tout principe optique. De même, en cas d'automatisation complète du dispositif, les différentes images pourraient n être que virtuelles et ne pas apparaître réellement sur l'écran. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure des dimensions (d',d") d'une empreinte (E) formée par un pénétrateur (3) sur la surface (1) d'une pièce (2) pour en déterminer la dureté du matériau la constituant, caractérisé en ce que l'on crée une image finale (E3) de l'empreinte ayant les dimensions (d'3, d"3) d'une image de référence déterminée (IR) et l'on détermine les dimensions réelles (d', d") de l'empreinte (E) en tenant compte du grossissement (K) ayant permis de passer de l'empreinte (E) réelle à son image finale (E3). 2. Procédé de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on crée l'image finale (E3) de l'empreinte sur un support de visualisation (15). 3. Procédé de mesure selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on crée préalablement sur le support de visualisation (15) une image initiale (E2) dont les dimensions (dol2, d"2) sont fonction des dimensions (d', d") de l'empreinte et l'on modifie ladite image initiale (E2) pour lui donner les dimensions (d3) de l'image finale (E3), puis l'on détermine les dimensions (d', d") de l'empreinte (E) en fonction des grossissements ayant permis de passer de l'image initiale à l'image finale. 4. Procédé de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on crée préalablement au moins une image intermédiaire (El) de dimensions (d'l, d"1) avant de créer l'image initiale (E2). 5. Dispositif de mesure destiné à mettre en oeuvre le procédé de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour créer une image initiale (E2) et pour la modifier pour créer une image finale (E3) ayant les dimensions prédéterminées d'une image de référence (IR). 6. Dispositif de mesure selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens pour créer une image initiale (E2) et pour la modifier pour créer une image finale (E3) ayant les dimensions prédéterminées d'une image de référence (IR), sont constitués par un duromètre (5) comprenant une adaptation (20) reliée à un ensemble d'analyse, de traitement et de visualisation (6). 7. Dispositif de mesure selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'adaptation (20) comprend une caméra vidéo (12, 120) reliée à l'ensemble d'analyse, de traitement et de visualisation (6). 8. Dispositif de mesure selon la revendication 7, caractérisé en ce que la caméra (12) est montée mobile en translation sur le duromètre (5). 9. Dispositif de mesure selon la revendication 8, caractérisé en ce que la caméra (120) comprend un objectif à focale variable (121). 10. Adaptation pour dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend une caméra vidéo (12, 120). 11. Adaptation pour dispositif selon la revendication 10, caractérisée en ce que la caméra vidéo (12) est montée sur une plaque (17) mobile en translation. 12. Adaptation pour dispositif selon la revendication 10, caractérisée en ce que la caméra vidéo (120) comprend un objectif à focale variable. 13. Adaptation pour dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un objectif de grossissement (13, 130). 14. Adaptation pour dispositif selon la revendication 13, caractérisée en ce que l'objectif de grossissement (13, 130) est disposé sur une tourelle pivotante (210). 15. Adaptation pour dispositif selon la revendication 13 ou 14, caractérisée en ce que l'objectif de grossissement (13, 130) est mobile en translation. 16. Adaptation pour dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 15, caractérisée en ce qu'elle comprend un support (18) relié à un duromètre (7).