Brevet FR2678385A1 — publié le 19921231

La présente invention est relative à un procédé et un dispositif de contrôle par ultrasons de l'état de surface d'un alésage, notamment de l'alésage d'un es- sieu-axe de chemin de fer. Les essieux-axes de chemin de fer sont des pièces longues de révolution dans lesquelles est usiné sur toute leur longueur par forage, un alésage axial On contrôle la surface de l'alésage afin de vérifier qu'el- le ne comporte aucun défaut tel qu'un coup d'outil, ris- quant de diminuer la résistance à la fatigue de l'es- sieu-axe Il a été à cet effet proposé d'exécuter des mesures de rugosité Mais ces mesures ne peuvent être effectuées qu'à proximité des extrémités de l'essieu- axe Il est également connu d'exécuter un contrôle par ultrasons à partir de l'extérieur de l'essieu-axe Mais cette méthode ne permet pas de contrôler la totalité de l'alésage En effet l'essieu-axe comporte plusieurs parties cylindriques reliées par des congés de raccorde- ment Dans les zones situées à proximité de ces congés de raccordement, il n'est pas possible d'exécuter un contrôle par ultrasons à partir de l'extérieur En ou- tre, cette méthode est longue car il est nécessaire de balayer toute la surface de l'essieu-axe. L'invention a donc pour but de réaliser un procédé et un dispositif qui permettent de contrôler l'intégralité de la surface d'un alésage de façon simple et rapide. Le procédé de contrôle visé par l'invention est caractérisé par les opérations suivantes: à l'aide d'un émetteur d'ondes ultrasonores longitudinales orienté convenablement, de fréquence adaptée et coopérant avec les surfaces de l'alésage, on génère sur cette surface une onde transversale de surfa- ce, on compare l'amplitude des échos obtenus aux valeurs d'une courbe d'étalonnage tracée à partir d'un alésage muni d'un défaut-étalon et identique à l'alésage à contrôler, et lorsque l'amplitude d'un écho est supé- rieure à une fraction déterminée de la valeur indiquée par la courbe d'étalonnage, on considère qu'il y a un défaut. Le dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé comprend un bloc palpeur pourvu d'une sonde émettrice-réceptrice orientable, et un support dans lequel est ménagé un logement adapté pour recevoir le bloc palpeur, lequel ainsi que son support présentent une surface conjuguée de la surface interne de l'alésage à contrôler afin de pouvoir coopérer avec celle-ci. Suivant un mode de réalisation de ce dispositif, le support comporte une partie montée coulissante sur des tiges de liaison avec une semelle, ces tiges étant pourvues de moyens élastiques tendant à écarter ladite partie et la semelle l'une de l'autre, le logement du bloc palpeur étant ménagé dans ladite partie, sur la- quelle est agencée la surface conjuguée avec la surface intérieure de l'alésage. Ainsi pour introduire ce bloc palpeur à l'inté- rieur de l'alésage à contrôler, on rapproche l'une de l'autre les deux parties constitutives du support à l'encontre de la force de rappel des moyens élastiques, qui ensuite écarte l'une de l'autre la semelle et la partie coulissant sur les tiges de liaison, en appli- quant ces deux pièces contre la surface interne de l'a- lésage. D'autres particularités et avantages de l'inven- tion apparaîtront au cours de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés qui en illustrent une forme de réalisation à titre d'exemple non limitatif. La figure 1 est une vue en coupe longitudinale axiale d'un essieu-axe de chemin de fer dans l'alésage duquel est placé un dispositif de contrôle conforme à l'invention. La figure 2 est une vue en coupe longitudinale axiale d'un essieu-axe de référence servant à tracer une courbe d'étalonnage du dispositif de contrôle. La figure 3 est un exemple de courbes d'étalon- nage du dispositif de contrôle selon l'invention. La figure 4 est une vue en perspective à gran- deur réelle d'un mode de réalisation du dispositif de contrôle par ultrasons selon l'invention. La figure 5 est une vue en élévation longitudi- nale à échelle agrandie du bloc palpeur de la Fig 4. La figure 6 est une vue en coupe axiale du bloc palpeur suivant 6/6 de la Fig 5. On décrira tout d'abord en référence aux Fig 1 à 3 le procédé de contrôle visé par l'invention. Un essieu-axe 1 de chemin de fer présente un alésage axial 2 foré, dont on veut contrôler l'état de surface Pour ce faire, on introduit dans l'alésage 2, à l'une de ses extrémités, un dispositif 3 pouvant émettre et recevoir des ultrasons Le dispositif 3 est relié à des moyens connus et non représentés de génération d'im- pulsions, de réception et de visualisation de signaux. En orientant convenablement l'angle d'incidence des ultrasons émis par rapport à la surface 2, on fait dis- paraître les ondes longitudinales pouvant se propager dans l'essieu-axe 1, et il ne reste qu'une onde de sur- face 27, dite onde de Rayleigh, qui se propage à la sur- face de l'alésage 2, cette onde 27 étant représentée symboliquement par une ligne ondulée à la Fig l. Si une telle onde 27 rencontre un défaut 4 suffisamment important, elle se réfléchit partiellement sur ce défaut L'onde réfléchie revient jusqu'au dispo- sitif 3 o elle est détectée de façon connue en soi. Cette détection est visualisée par un moyen de visuali- sation qui, de façon également connue en soi, permet de déterminer l'amplitude de l'écho et la position du dé- faut 4 sur une génératrice de la surface de l'alésage 2. En faisant tourner le dispositif 3 autour de l'axe XX de l'alésage 2, on peut contrôler ainsi la surface de l'a- lésage au moins jusqu'à mi-longueur, et ce sans déplacer le dispositif 3 longitudinalement tout le long de l'alé- sage 2 En plaçant ensuite le dispositif 3 à l'autre extrémité de l'essieu-axe 1, il est possible de contrô- ler la seconde moitié de l'alésage 2, et par conséquent la totalité de la surface de l'alésage 2 en deux opéra- tions. Pour exécuter ce contrôle, il faut au préalable régler et étalonner le dispositif 3 A cet effet on utilise un essieu-axe l A de même géométrie, de même composition chimique et ayant subi le même traitement thermique que les essieux-axes à contrôler (Fig 2) On ouvre partiellement l'essieu-axe 1 A, et on crée à la surface de l'alésage 2 A un défaut-étalon 5 situé à peu près à mi-distance des deux extrémités de l'essieu-axe 1 A. Le défaut-étalon 5 peut, de préférence, être une entaille à bords parallèles et à fond plat, ayant par exemple une largeur de lmm et une profondeur de lmm Le défaut- étalon 5 peut également être une entaille en V avec par exemple un angle au sommet de 60 et une pro- fondeur de 0,3 mm. Le défaut-étalon 5 est réalisé après une prépa- ration de la surface de l'alésage 2 A par des moyens con- nus, la surface obtenue ayant une rugosité caractérisée par un coefficient Ra déterminé, par exemple Ra infé- rieur ou égal à 3,2 (Ra étant le coefficient de rugosité moyenne arithmétique). Le dispositif 3 émet un faisceau d'ultrasons 6 formant avec la normale à la surface de l'alésage 2 A un angle d'incidence I_ Le réglage de cet angle d'incidence I s'exécute en positionnant le dispositif 3 sur la sur- face de l'alésage 2 A le long de la génératrice passant par le défaut-étalon 5 Le dispositif 3 émet alors des impulsions ultrasonores et on règle l'orientation de l'émetteur d'ultrasons de telle sorte que l'amplitude de l'écho renvoyé par le défaut-étalon 5 soit maximale Une fois le réglage d'angle d'incidence réalisé, on procède à l'étalonnage du dispositif 3 en déplaçant celui-ci le long de la génératrice et en enregistrant l'amplitude de l'écho renvoyé par le défaut-étalon 5, en fonction de la distance d entre ce dernier et le dispositif 3 On éta- blit ainsi des courbes d'étalonnage telles que les courbes CI et C 2 de la Fig 3, sur laquelle les ordonnées h représentent l'amplitude de l'écho en fonction de la distance d. Lors du contrôle d'un alésage 2, on mesure l'am- plitude des échos et la distance d entre le dispositif 3 et le défaut détecté, et on compare cette amplitude à celle fournie par la courbe d'étalonnage C Si l'ampli- tude mesurée est par exemple la moitié de celle indiquée par la courbe, on peut considérer qu'il n'y a pas de défaut ou que le défaut est acceptable Dans le cas contraire, on exécute un examen minutieux au voisinage du défaut détecté. A titre d'exemple numérique indicatif non limi- tatif, pour un essieu-axe 1 en acier, la fréquence de l'onde ultrasonique longitudinale 27 la mieux adaptée est 2 M Hz, et l'angle d'incidence I optimal est voisin de 820. Un mode de réalisation du dispositif 3 de mise en oeuvre du procédé qui vient d'être décrit est repré- senté aux Fig 4 à 6. Ce dispositif 3 comprend un bloc palpeur 7 émetteurrécepteur d'ultrasons et un support 8 dans lequel est ménagé un logement 9 adapté pour recevoir le bloc palpeur 7 Le support 8 comporte une partie 11 montée coulissante sur des tiges 12 de liaison avec une semelle 13, ces tiges 12 étant par exemple au nombre de 4 comme représenté Elles peuvent être fixées à la se- melle 13 et coulisser dans des trous correspondants (non visibles aux dessins) ménagés intérieurement à la partie 11, ou inversement les tiges 12 peuvent être fixées à la partie 11 et coulisser dans des trous complémentaires formés dans la semelle 11. Des moyens élastiques constitués par exemple par des ressorts hélicoïdaux 14 coaxiaux aux tiges 12, com- primés entre la semelle 13 et la partie 11, tendent à écarter ces deux pièces l'une de l'autre. Dans l'exemple décrit, la partie 11 et la se- melle 13 ont une forme allongée, approximativement pa- rallélépipédique Le logement 9 s'étend longitudinale- ment d'une extrémité à l'autre de la partie coulissante Il (en supposant que les tiges 12 sont fixées à la se- melle 13 et que la partie 11 coulisse donc sur les tiges 12) Le logement 9 forme donc une saignée longitudinale dans la partie coulissante 11 et est avantageusement complété par deux dégagements latéraux formés dans la partie 11 de chaque côté de la saignée 9 pour permettre la mise en place du bloc palpeur 7 En effet ce dernier est relié aux moyens (non représentés) de génération d'impulsions, de détection et de visualisation, par un cordon 16 qui traverse l'un des dégagements 15. De part et d'autre du logement longitudinal 9, la surface de la partie 11, opposée à la semelle 13, est conjuguée de la surface cylindrique interne de l'alésage 2 à contrôler, afin de pouvoir coopérer avec celle-ci. Les deux surfaces 17, symétriques l'une de l'autre par rapport au logement longitudinal 9, sont donc des por- tions de cylindre ayant le même rayon de courbure que l'alésage 2. La face de la semelle 13 opposée aux surfaces cylindriques 17 et 19 présente également des congés cylindriques 10 de raccordement avec ses faces latérales planes 20; les congés 10 constituent donc des portions de surfaces cylindriques de même rayon de courbure que l'alésage 2 et que les surfaces opposées 17, 19, afin de pouvoir s'appliquer comme celle-ci à la surface de l'a- lésage 2. Le bloc palpeur 7 comporte (Fig 5 et 6) une première pièce 18 dont une surface latérale 19 est pro- filée de manière à être complémentaire des surfaces 17 du support 8 En d'autres termes, la hauteur de la pièce 18 étant égale à la profondeur du logement 9, et la surface latérale 19 ayant le même rayon de courbure que les surfaces 17, affleure celles-ci, de telle sorte que les surfaces 17 et 19 puissent s'appliquer sur la sur- face cylindrique de l'alésage 2 à contrôler. Le bloc palpeur 7 comprend une seconde pièce 21, cylindrique, montée rotative autour d'un axe YY dans un trou cylindrique 22 formé dans la première pièce 18, et un émetteur-récepteur d'ultrasons 23 est noyé à l'inté- rieur de la pièce 21, cette sonde 23 étant reliée au cordon 16 La pièce 21 est réalisée en une matière syn- thétique appropriée, de façon connue L'axe de rotation YY de la pièce cylindrique 21 est perpendiculaire à l'axe longitudinal du logement 9 et par conséquent à l'axe XX de l'alésage 2 à contrôler. Le bloc palpeur 7 est équipé de moyens de ré- glage de la position angulaire de la pièce cylindrique 21 autour de son axe de rotation YY, qui dans l'exemple représenté sont constitués de la manière suivante: un engrenage 24 est fixé à l'une des faces frontales de la pièce cylindrique 21, coaxialement à l'axe YY et est percé en son centre d'un trou de passage du cordon 16- Un bouton moleté 25 est monté sur la face latérale de la pièce 18 et positionné de manière à pouvoir coopérer avec la denture de l'engrenage 24, dont la position angulaire peut être repérée par tout moyen approprié, par exemple un vernier 26 monté sur la pièce 18 Ainsi la rotation du bouton moleté 25 de commande entraîne l'engrenage 24 et la pièce cylindrique 21 autour de l'axe YY, ce qui permet d'orienter le faisceau ultraso- nique 6 dans la direction voulue, à l'intérieur du loge- ment 9 et de l'alésage 2 La rotation du cylindre 21 permet de régler l'angle d'incidence I des ultrasons 6, la position optimale de l'émetteur-récepteur 23 étant repérée à l'aide du vernier 26. La mise en oeuvre du dispositif de contrôle 3 qui vient d'être décrit s'effectue de la manière suivan- te. Avant de contrôler un alésage 2 l'opérateur installe le dispositif dans l'alésage 2 A d'un essieu étalon 1 A, puis l'opérateur oriente la sonde émettrice- réceptrice 23 autour de son axe de rotation YY en agis- sant sur le bouton de commande 25, comme expliqué ci- dessus Cette manoeuvre permet de régler l'angle d'inci- dence I du faisceau ultrasonique 6, générant à la sur- face de l'alésage 2 A l'onde transversale de surface 27. Après avoir réglé l'orientation de la sonde émettrice-réceptrice, l'opérateur trace la courbe d'éta- lonnage comme indiqué ci-dessus. Pour contrôler un alésage 2, tout d'abord, par pression sur -la semelle 13 et sur la partie 11, l'opéra- teur rapproche ces deux éléments, afin de pouvoir intro- duire l'ensemble du dispositif 3 à l'intérieur de l'alé- sage 2 à contrôler. Dès que la pression exercée sur la semelle 13 et la partie 11 à l'encontre de la force de rappel des ressorts 14 est relâchée, ces derniers écartent les deux pièces l'une de l'autre et appliquent fermement les surfaces 17, 19 et 10 contre la surface de l'alésage 2, le dispositif 3 étant ainsi fixé en position dans l'alé- sage à contrôler. Si un défaut tel que 4 existe dans la surface contrôlée, l'amplitude des échos obtenus est comparée aux valeurs de référence de la courbe d'étalonnage C, comme expliqué ci-dessus dans le cadre du procédé confo- rme à l'invention. A titre numérique indicatif, la sonde émettrice- réceptrice 23 peut avoir un diamètre de l Omm. REVENDICATIONS 1 Procédé de contrôle par ultrasons de l'état de surface d'un alésage, notamment de l'alésage ( 2) d'un essieu-axe ( 1) de chemin de fer, caractérisé en ce que à l'aide d'un émetteur ( 23) d'ondes ultrasono- res longitudinales orienté convenablement, de fréquence adaptée et coopérant avec la surface de l'alésage, on génère sur cette surface une onde transversale ( 27) de surface, on compare l'amplitude (h) des échos obtenus aux valeurs d'une courbe d'étalonnage (C) tracée à par- tir d'un alésage ( 2 A), muni d'un défaut-étalon ( 5) et identique à l'alésage ( 2) à contrôler, et lorsque l'amplitude (h) d'un écho est supé- rieure à une fraction déterminée de la valeur indiquée par la courbe d'étalonnage, on considère qu'il y a un défaut- 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'orientation de l'émetteur ( 23) d'ondes ul- trasonores longitudinales est obtenue par des essais sur l'alésage ( 2 A) muni d'un défaut-étalon ( 5), en modifiant l'orientation dudit émetteur jusqu'à ce qu'on obtienne sur le défaut-étalon un écho d'amplitude (h) maximale, le défaut-étalon ( 5) étant par exemple une entaille à faces parallèles ou en V. 3 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, carac- térisé en ce qu'il comprend un bloc palpeur ( 7) pourvu d'un émetteurrécepteur orientable ( 23), et un support ( 8) dans lequel est ménagé un logement ( 9) adapté pour recevoir le bloc palpeur, lequel ainsi que son support présentent des surfaces ( 17, 19) conjuguées de la sur- face interne de l'alésage ( 2) à contrôler, afin de pou- voir coopérer avec celle-ci. il 4 Dispositif selon la revendication 3, caracté- risé en ce que le support ( 8) comporte une partie ( 11) adaptée pour recevoir le bloc palpeur ( 7) et une semelle ( 13) reliées ensemble par des organes ( 12) pourvus de moyens élastiques ( 14) tendant à écarter ladite partie et la semelle l'une de l'autre, ladite partie ( 11) pré- sentant des surfaces latérales ( 17) conjuguées de la surface intérieure de l'alésage ( 2). Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé en ce que le bloc palpeur ( 7) comporte une première pièce ( 18) dont une surface latérale ( 19) est profilée de manière à être complémentaire desdites surfaces laté- rales ( 17) du support ( 8), une seconde pièce ( 21) montée rotative dans la première pièce et qui contient un émet- teur-récepteur ( 23) d'ultrasons, et des moyens ( 25, 24) pour régler la position angulaire de la seconde pièce autour de son axe de rotation (YY). 6 Dispositif selon la revendication 5, caracté- risé en ce que le logement ( 9) du bloc palpeur ( 7) s'é- tend d'une extrémité à l'autre de ladite partie ( 11) du support en formant une saignée longitudinale débouchant sur l'alésage ( 2) à contrôler. 7 Dispositif selon la revendication 6, caracté- risé en ce que les moyens de réglage de la position angulaire de la seconde pièce ( 21) comprennent un engre- nage ( 24) solidaire de celle-ci et un bouton ( 25) de commande coopérant avec cet engrenage, monté sur ladite première pièce ( 18). 8 Dispositif selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que la face de la semelle ( 13) opposée à la partie ( 11) du support ( 8) recevant le bloc palpeur ( 7), présente des congés ( 10) de raccordement à ses faces latérales ( 20), conjugués de la surface de l'alésage ( 2) à contrôler afin de pouvoir s'appliquer sur cette surface de l'alésage.