Brevet FR2687341A1 — publié le 19930820

Lrinvention concerne un procédé de galetage destiné à la mise en contraintes superficielles de compression de pièces métalliques Ces pièces métalliques peuvent en particulier être de révolution, bien que ceci ne constitue aucunement une limitation au domaine d'application de l'invention. Il convient de rappeler que le galetage est une technique mettant en oeuvre une déformation plastique super- ficielle obtenue par la pression d'un outil roulant ou glis- sant sur la surface d'une pièce déjà ébauchée En se dépla- çant, l'outil comprime les pics microscopiques des surfaces concernées dans les creux adjacents, et permet de ce fait une densification de ces surfaces. Le galetage a donc à la fois un rôle de lissage des surfaces et un rôle de mise en compression de ces sur- faces Les effets mécaniques qui en résultent, en surface et sur une certaine profondeur, permettent une augmentation no- table de la durée de vie des matériels et des structures sou- mis à des changements cycliques (fatigue) ou à une corrosion de contact Cette technique apparaît encore plus efficace que le grenaillage de mise en contrainte de compression superfi- cielle, et augmente très sensiblement l'endurance en fatigue, en corrosion sous tension, et la résistance à l'effet de cor- rosion de frottement. De ce fait, le galetage est une technique très in- téressante pour des pièces métalliques particulièrement sol- licitées, comme c'est le cas pour les roues de trains d'atterrissage d'aéronefs, réalisées en alliage léger, par exemple en alliage d'aluminium ou de magnésium. Le galetage doit ainsi concerner les zones de la pièce soumises à des chargements importants, et aussi les zones o des concentrations de contraintes sont à craindre (gorges circulaires, rayons, congés de raccordement par exemple) Cette opération est effectuée par application d'une force sur un ou plusieurs galets tournants, ledit ou lesdits galets étant en outre souvent animés d'un mouvement d'avance. L'application de cette force peut être mise en oeuvre de fa- çon intéressante en utilisant un galet relié à un porte-outil mobile par une barre de flexion. Les techniques modernes de galetage utilisent un porte-outil pouvant être associé à une machine-outil à com- mande numérique En particulier, lorsqu'il s'agit de pièces de révolution, la machine est un tour qui met en rotation la pièce à galeter, et dont la broche (sur laquelle est monté le porte-outil du galet) est déplaçable selon deux axes orthogo- naux, dont un axe (perpendiculaire à l'axe de révolution de la pièce) permettant d'appliquer le galet sur la surface à travailler, et un axe (parallèle à l'axe de révolution pré- cité) permettant au galet de suivre le profil de la pièce. Les spécialistes savent bien que la force d'application du galet doit être réglée en fonction du type de pièce concerné, et aussi du matériau constitutif de ladite pièce. Ce réglage est cependant délicat et essentielle- ment empirique, et les conditions optimales de galetage ne sont trouvées qu'à l'issue de multiples contrôles des pièces après galetage De tels contrôles sont la plupart du temps du type destructif, ce qui constitue un inconvénient non négli- geable lorsqu'il sragit de pièces dont la structure est so- phistiquée et dont le coût est relativement élevé, comme c'est le cas par exemple pour les roues de trains d'atterrissage en alliage léger, par exemple en alliage d'aluminium ou de magnésium. De plus, la déformation locale par compression ré- sultant du galetage est plastique, et donc irréversible, de sorte que le dépassement excessif des valeurs désirées de contraintes superficielles de compression aboutit à un rebut de la pièce galetée. De ce fait, on est amené à multiplier le nombre des contrôles et des réglages préliminaires pour parvenir aux meilleures conditions de galetage, et programmer en consé- quence la machine-outil qui va effectuer le processus de ga- letage. L'invention a pour objet de concevoir un procédé de galetage et un dispositif de mise en oeuvre dudit procédé, qui soient plus performants au regard des inconvénients et/ou limitations précités, en permettant d'effectuer un galetage dans des conditions optimales pour différents types de pièces à galeter et différents matériaux constitutifs. Il s'agit plus particulièrement d'un procédé de galetage destiné à la mise en contraintes superficielles de compression de pièces métalliques, en particulier de roues en alliage léger, en utilisant un galet relié à un porte-outil mobile par une barre de flexion, caractérisé par le fait qu'il comporte les étapes successives suivantes: a) on mesure l'état de surface de la zone de la pièce devant subir le galetage, et on en déduit la largeur du galet à utiliser pour le galetage de ladite pièce; b) on met en place le galet ainsi sélectionné sur le porte- outil, en extrémité de la barre -de flexion associée; c) on applique le galet ainsi mis en place contre la pièce concernée en exerçant sur ledit galet un effort pré- déterminé qui est fonction des contraintes superficielles de compression désirées; d) on procède au galetage proprement dit de la pièce avec le galet précité. De préférence, on utilise, pour l'étape (a) du procédé précité, une courbe préétablie pour le type de pièce concerné et le matériau de ladite pièce, ladite courbe don- nant les valeurs optimales des largeurs de galet pour un état de surface déterminé. Avantageusement encore, on choisit, lors de l'étape (b), une barre de flexion dont la flèche est déterminée en fonction de l'effort à exercer lors de l'étape (c). En variante, lorsqu'il s'agit d'un procédé utili- sant un porte-outil mobile réglable angulairement, on choi- sit, lors de l'étape (c), l'inclinaison du galet en fonction de l'effort à exercer. Il est également intéressant de faire en sorte que, lors de l'étape (d), on mesure la flexion et la compres- sion de la barre de flexion afin de vérifier que les efforts de galetage restent dans une plage prédéterminée, ledit pro- cédé étant arrêté si les efforts sortent de ladite plage. L'invention concerne aussi un dispositif de mise en oeuvre du procédé de galetage précité, comportant un galet relié à un porte-outil mobile par une barre de flexion, ledit dispositif étant alors caractérisé par le fait que le galet est monté de manière amovible sur un axe prolongeant la barre de flexion, de façon à pouvoir monter sur ledit axe un galet de largeur prédéterminée. Selon une caractéristique particulière, les galets utilisables présentent un bord périphérique de forme arron- die Il va de soi que l'on pourra prévoir en variante une forme elliptique ou même anguleuse. Il peut s'avérer intéressant que la barre de flexion soit reliée de manière démontable au porte-outil, de façon à pouvoir monter sur ledit porte-outil une barre de flexion d'élasticité prédéterminée - Une autre façon de régler la "compliance" de l'outillage consiste à utiliser un porte-outil mobile ré- glable angulairement, de façon que l'inclinaison du galet par rapport à la pièce devant subir le galetage soit variable. Avantageusement encore, la barre de flexion est équipée de jauges drextensométrie permettant de mesurer la flexion et la compression de ladite barre, et par suite de contrôler les efforts exercés en cours de galetage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre et du dessin annexé, concernant un mode de réalisation particulier, en référence aux figures o: la figure 1 illustre schématiquement les diffé- rentes étapes successives du procédé de galetage selon l'invention; la figure 2 illustre en coupe un outillage de galetage, à galet amovible, spécialement destiné à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention; la figure 3 illustre un dispositif de mise en oeuvre du procédé précité, ici appliqué au galetage d'une jante de roue, qui pourra être en alliage léger tel qu'un al- liage d'aluminium ou de magnésium, avec un porte-outil mobile associé à une machine à commande numérique (non représentée). On va tout d'abord s'attacher à décrire les diffé- rentes étapes successives du procédé de galetage selon l'invention, le galetage étant destiné à la mise en con- traintes superficielles de compression de pièces métalliques, qui peuvent être de révolution ou non. La première étape du procédé, notée (a), comporte tout d'abord la mesure de l'état de surface de la zone de la pièce devant subir le galetage, comme cela est schématisé sur le bloc 10 illustrant une pièce P dont on mesure l'état de surface (paramètre Ra) Cette mesure de l'état de surface est fondamentale, parce qu'elle va permettre de choisir la largeur fonctionnelle du galet convenant pour des conditions optimales lors du galetage de la pièce concernée Une telle mesure de l'état de surface avant galetage constitue un paramètre essentiel dans la détermination des conditions de galetage, conformément à un aspect caractéristique de l'invention L'état de surface est traditionnellement repéré par un paramètre Ra qui est homogène à une longueur. La détermination de la largeur du galet à utiliser se fait à partir de courbes préétablies pour chaque type de pièce à galeter et pour chaque type de matériau concerné Le bloc 21 illustre ainsi une courbe donnant les valeurs opti- males des largeurs de galets L pour un état de surface Ra dé- terminé Cette courbe, notée 25, concerne une pièce détermi- née, et un matériau particulier L'opérateur dispose ainsi d'une série de courbes préétablies, de préférence en utili- sant des pièces de rebut ou des pièces brutes avec une suré- paisseur correspondant aux pièces concernées à galeter Il est intéressant de noter que la courbe 25 est établie pour une plage prédéterminée de valeurs du paramètre Ra, entre deux limites Ral et Ra 2 Lorsque le paramètre Ra est inférieur à la limite Ral, on ne peut plus effectuer de galetage car on n'arrive pas à plastifier le matériau avec un galet (en réalité, la réponse du matériau est alors pratiquement élastique, la matière comprimée étant refoulée, de sorte qu'il n'y a aucun écrouissage) Lorsque le paramètre Ra est supérieur à la valeur Ra 2, ceci veut dire que l'on ne peut plus écrouir correctement toute la surface à galeter, c'est-à-dire que l'on parvient seulement à effondrer les pics mais sans véritablement les comprimer de manière suffisante. Ainsi, la mesure du paramètre Ra conformément au bloc schématique 10 permet de déduire la largeur fonction- nelle optimale L du galet à utiliser conformément au bloc schématique 21, lequel galet est alors sélectionné dans la panoplie de l'opérateur, conformément au bloc schématique 20 dans lequel on distingue un galet G ayant la largeur fonc- tionnelle L ainsi choisie Ces étapes de mesure de l'état de la surface et de sélection de la largeur du galet à utiliser pour le galetage, forment la première étape (a) du procédé de galetage selon l'invention. Dans une étape suivante, notée (b), on met en place le galet G ainsi sélectionné sur un porte-outil PO relié à une broche mobile BM, en extrémité d'une barre de flexion associée BF fixée audit porte-outil Cette étape de mise en place est seulement schématisée dans le bloc 30, mais l'outillage correspondant fera ensuite l'objet d'une description plus détaillée en se référant aux figures 2 et 3. Dans une étape (c), on applique le galet G ainsi mis en place contre la pièce concernée P en exerçant sur ledit galet un effort prédéterminé qui est fonction des contraintes superficielles de compression désirées Cette opération est schématisée par le bloc 40, et l'on distingue le galet G appliqué contre la pièce à galeter P, en formant un angle A, la barre de flexion BF étant fléchie par suite du déplacement du porte-outil PO relié à la broche mobile BM qui se déplace selon une direction X essentiellement "normale" au plan de la surface P Ainsi que cela a été dit plus haut, il faut éviter d'exercer sur le galet un effort excessif qui générerait des contraintes superficielles de compression dépassant la valeur désirée, sans possibilité de récupérer la pièce ainsi incorrectement galetée. On a illustré sur la figure 1 un mode d'obtention préféré pour le choix de l'effort prédéterminé à exercer sur le galet G en fonction des contraintes superficielles de com- pression désirées. L'opérateur dispose, pour chaque pièce à galeter et pour chaque matériau concernés, de deux courbes, dont une courbe 45 associée au paramètre CSC correspondant aux valeurs de contraintes superficielles de compression, et au paramètre EG correspondant aux valeurs des efforts exercés sur le galet, cette courbe étant schématisée dans le bloc 41 Dans la pratique, une telle courbe 45 sera préétablie pour des valeurs de contraintes allant de O à la limite de plastification au-delà de laquelle on commencerait à fissurer le matériau (pour un alliage d'aluminium, ceci correspondra à une valeur de l'ordre de 400 M Pa) Ainsi, la courbe 45 permet immédiatement de déterminer l'effort à exercer sur le galet EG pour une valeur donnée de contraintes superficielles de compression L'opérateur utilise alors une deuxième courbe 46, illustrée dans le bloc schématique 42, qui correspond au paramètre EG précité, et au paramètre FBF relatif à la flèche de la barre de flexion au niveau du galet En 1 'espèce, la courbe 46 est essentiellement rectiligne, car la barre de flexion se comporte comme un ressort, et présente une flèche proportionnelle à l'effort exercé Ainsi, après avoir déterminé l'effort à exercer sur le galet EG pour la valeur désirée des contraintes superficielles de compression, l'opérateur peut aisément déterminer la flexion correspondante de la barre de flexion, et programmer la machine-outil de telle façon que le déplacement du porte- outil dans la direction X (qui est orthogonale au plan de la surface à galeter) soit effectué jusqu'à obtention d'une valeur désirée de flexion pour la barre de flexion BF Dans la pratique, on disposera au moins une jauge extensométrique sur la barre de flexion, afin d'obtenir une mesure instantanée de la flexion de ladite barre, de sorte que la programmation précitée du déplacement du porte-outil peut se faire très aisément dès que l'opérateur entre dans la machine la valeur désirée de contraintes superficielles de compression L'étape qui est schématisée dans le bloc 40, peut également comporter le choix de l'inclinaison A du galet G en fonction de l'effort EG à exercer Il existe naturellement plusieurs moyens pour régler angulairement la position du galet G: ce réglage angulaire pourra résulter d'un degré de liberté supplémentaire de la broche mobile BM, ou bien encore d'une articulation au niveau du porte-outil PO, ou encore du choix d'un outillage à monter sur la broche mobile parmi une panoplie présentant des angles d'ouverture variables. En variante, on pourra régler "la compliance", en sélectionnant une barre de flexion BF dont les caractéris- tiques sont telles que cette barre présente une flèche déter- minée conforme à la valeur FBF correspondant à l'effort à exercer sur le galet G Dans ce cas, la barre de flexion BF devra être montée de façon amovible sur le porte-outil PO, afin de pouvoir opérer un démontage et un remontage aisés. Une fois les étapes préliminaires (a), (b), (c) effectuées, conformément à la procédure décrite ci-dessus, on peut alors procéder au galetage proprement dit de la pièce P avec le galet précité G, conformément à l'étape finale (d), comme cela est schématisé dans le bloc 50 On notera que la représentation schématique de la broche mobile BM présente des degrés de liberté selon deux axes orthogonaux X et Y, afin que le galet puisse suivre exactement le profil de la pièce P à galeter. Lors de cette étape de galetage proprement dit, il reste toujours possible de modifier le déplacement de la broche mobile BM selon la direction X afin de faire varier l'effort exercé sur le galet G: il est alors intéressant de mesurer la flexion et la compression de la barre de flexion BF afin de vérifier que les efforts de galetage EG restent bien dans une plage prédéterminée En utilisant par exemple des jauges extensométriques collées sur la barre de flexion, on pourra suivre les variations du paramètre EG en fonction du temps T (ce paramètre EG dépendant directement du paramètre FBF représentatif de la flexion de la barre de flexion) Ce contrôle est schématisé par le bloc 51, sur lequel on distingue une courbe 55 illustrant les variations du paramètre EG en fonction du temps, les valeurs de ce paramètre devant rester dans une plage prédéterminée, entre des valeurs limites prédéterminées EGI et EG 2 Si l'effort de galetage sort de cette plage, un ordre d'arrêt est automatiquement adressé à la machine-outil, ce qui évite tout risque de dérive dans les contraintes superficielles de compression effectivement exercées sur la pièce lors du galetage de celle-ci. On va maintenant décrire l'outillage de galetage utilisé, en se référant à la figure 2. L'outillage comporte un porte-outil PO dans lequel est encastrée une barre de flexion BF, de préférence en étant bloquée par des moyens démontables, afin de pouvoir éventuellement changer de barre de flexion Sur la figure 3, on a représenté des boulons 103 assurant la fixation de la barre de flexion BF sur le porte-outil PO Il pourra s'agir d'une lame rectangulaire ou non, dont la section transversale sera choisie en fonction de l'inertie désirée La barre de flexion BF se prolonge par un axe d'extrémité 104 sur lequel est monté le galet G par l'intermédiaire d'un roulement 109. Conformément à une caractéristique essentielle de l'invention, le galet G est monté de manière amovible sur l'axe 104 de façon à pouvoir monter sur cet axe un galet de largeur prédéterminée L Le galet comporte ainsi un moyeu central 106 engagé autour du palier associé 109, le maintien axial étant assuré d'une part par un épaulement 110 du moyeu 106, et par un flasque 113 fixé avec des moyens démontables tels que des boulons 105 au moyeu du galet Le maintien axial du roulement 109, et par suite du galet G, est quant à lui assuré par une butée de roulement 111 solidaire de l'axe 104, et, à l'extrémité dudit axe, par un écrou de fixation 112 ou analogue Le galet G peut ainsi librement tourner autour de son axe 150, et il présente un disque 107 dont le bord actif est noté 108 Le bord périphérique 108 est ici de forme arrondie en demi-cercle, mais il va de soi que l'on pourra choisir d'autres formes, par exemple une forme elliptique ou même une forme anguleuse Plus généralement, cette forme pourra être optimisée cas par cas en fonction des pièces à galeter et des matériaux concernés. On a également représenté, collées sur la barre de flexion BF, deux jauges extensométriques JE 1 et JE 2 permet- tant de mesurer la flexion et la compression de la barre de flexion BF, et par suite de contrôler les efforts exercés en cours de galetage. Sur la figure 3, on distingue une pièce à galeter P qui est ici une jante de roue, et on a noté PR le profil de la zone à galeter On reconnaît les organes constitutifs déjà mentionnés du dispositif de galetage 100, avec une broche mo- bile BM supportant le porte-outil PO par un organe 101 ici schématisé sous la forme d'une barre La liaison 102 entre la barre 101 et le porte-outil PO pourra éventuellement être ar- ticulée, afin de faire varier l'inclinaison angulaire du ga- let G par rapport à la pièce à galeter, c'est-à-dire l'angle A que fait le disque 107 dudit galet avec la "normale" à la surface à galeter, c'est-à-dire en l'espèce la perpendiculaire à l'axe YY de rotation de la pièce P qui est ici de révolution Une fois les réglages préliminaires effectués, conformément au processus précédemment décrit en référence à la figure 1, la pièce P est entraînée en rotation autour de son axe YY, ce qui entraîne la rotation du galet G appliqué contre celle-ci autour de son axe 150 Les déplace- ments de la broche mobile BM selon les directions X et Y sont programmés de telle façon que le galet G suive le profil PR de la pièce à galeter, tout en maintenant la pression d'application dudit galet à la valeur désirée. On distingue également sur la figure 3 les boulons de fixation 103 associés à la barre de flexion BF, ces bou- lons-ne constituant naturellement qu'un exemple visant à faire comprendre que le montage de cette barre de flexion sur le porte-outil PO peut être amovible, de façon à pouvoir mon- ter sur ledit porte-outil une barre de flexion d'élasticité prédéterminée. Le choix de l'angle A dépendra dans la pratique du type de compliance que l'on souhaite avoir: en effet, l'angle A sera choisi petit si l'on souhaite favoriser la flexion de la barre de flexion BF, ou au contraire grand, c'est-à-dire proche des 900, si l'on souhaite favoriser la compression de ladite barre de flexion (dans ce dernier cas, on perd pratiquement les effets de la compliance). On est ainsi parvenu à concevoir un procédé de ga- letage et un dispositif de mise en oeuvre dudit procédé per- mettant d'effectuer un galetage dans des conditions optimales pour différents types de pièces à galeter et différents maté- riaux constitutifs Les réglages préliminaires sont mainte- nant considérablement simplifiés, et l'on écarte en outre tout risque de dépassement excessif des valeurs de con- traintes superficielles de compression Une fois le galetage terminé, il est inutile de contrôler l'état de surface final qui est de toute façon meilleur que l'état de surface mesuré avant galetage pour le choix de la largeur efficace du galet à utiliser. De plus, il est possible de modifier en cours de galetage les conditions opératoires, par exemple l'effort exercé sur le galet ou l'inclinaison dudit galet, ou même de changer l'outillage De toute façon, le procédé de galetage selon l'invention permet de réaliser un galetage pour toutes les inclinaisons possibles des surfaces à galeter (horizontale, verticale, ou inclinée) Le contrôle de la flexion et de la compression de la barre de flexion permet de s'assurer que les efforts de galetage restent dans la plage prédéterminée qui convient En cas de dérive excessive par rapport à la valeur nominale choisie, un signal est automatiquement envoyé à la machine-outil pour commander son arrêt, ce qui constitue une sécurité avantageuse lorsqu'il s'agit de pièces de forme sophistiquée et onéreuses à fabriquer. Ainsi, le procédé de galetage de l'invention permet toujours de choisir un galet qui permet d'obtenir avec une grande précision la valeur désirée de contraintes superficielles de compression, tout en améliorant l'état de surface par rapport à ce qu'il était avant galetage. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisa- tion qui vient d'être décrit, mais englobe au contraire toutes variantes reprenant, avec des moyens équivalents, les caractéristiques essentielles énoncées plus haut. REVENDICATIONS 1 Procédé de galetage destiné à la mise en con- traintes superficielles de compression de pièces métalliques, en particulier de roues en alliage léger, en utilisant un ga- let relié à un porte-outil mobile par une barre de flexion, caractérisé par le fait qu'il comporte les étapes successives suivantes: a) on mesure l'état de surface de la zone de la pièce (P) devant subir le galetage, et on en déduit la lar- geur (L) du galet (G) à utiliser pour le galetage de ladite pièce; b) on met en place le galet (G) ainsi sélec- tionné sur le porte-outil (PO), en extrémité de la barre de flexion associée (BF); c) on applique le galet (G) ainsi mis en place contre la pièce concernée (P) en exerçant sur ledit galet un effort prédéterminé (EG) qui est fonction des contraintes su- perficielles de compression désirées; d) on procède au galetage proprement dit de la pièce (P) avec le galet précité (G). 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, pour l'étape (a), on utilise une courbe préétablie ( 25) pour le type de pièce concerné et le matériau de ladite pièce, ladite courbe donnant les valeurs optimales des largeurs de galet (L) pour un état de surface déterminé. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caracté- risé par le fait qu'on choisit, lors de l'étape (b), une barre de flexion (BF) dont la flèche (FBF) est déterminée en fonction de l'effort (EG) à exercer lors de l'étape (c). 4 Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans le- quel le porte-outil mobile (PO) est en outre réglable angu- lairement, caractérisé par le fait qu'on choisit, lors de l'étape (c), l'inclinaison (A) du galet (G) en fonction de l'effort (EG) à exercer. 5 Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que, lors de l'étape (d), on mesure la flexion et la compression de la barre de flexion (BF) afin de vérifier que les efforts de galetage (EG) restent dans une plage prédéterminée, ledit procédé étant arrêté si les ef- forts sortent de ladite plage. 6 Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 5, comportant un galet (G) relié à un porte-outil (PO) mobile par une barre de flexion (BF), caractérisé par le fait que le galet (G) est monté de manière amovible sur un axe ( 104) prolongeant la barre de flexion (BF), de façon à pouvoir monter sur ledit axe un galet de largeur prédéterminée. 7 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les galets utilisables (G) présentent un bord périphérique ( 108) de forme arrondie. 8 Dispositif selon la revendication 6 ou 7, carac- térisé par le fait que la barre de flexion (BF) est reliée de manière démontable au porte-outil (PO), de façon à pouvoir monter sur ledit porte-outil une barre de flexion d'élasticité prédéterminée. 9 Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel le porte-outil mobile (PO) est en outre réglable angulairement, de façon que l'inclinaison (A) du galet (G) par rapport à la pièce devant subir le galetage soit va- riable. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé par le fait que la barre de flexion (BF) est équipée de jauges d'extensométrie (JE 1, JE 2) permettant de mesurer la flexion et la compression de ladite barre, et par suite de contrôler les efforts exercés en cours de galetage.