Brevet FR2716262A1 — publié le 19950818

PROCEDE Dl CONTROLE Dit LA SURFACE DE LA ZONE CANNEII';E D'UNE PtECE METALLIQUE ET DISPOSITIF POUR SA MISAIT ltN OftifVRE. Le procédé et le dispositif qui font l objet de l'invention concernent le contrôle dc la zone cannelee de pièces de révolution comportant des cannelures ou dentures. De telles pièces comportant des cannelures ou dentures sont utilisées en particulier pour transmettre un couple à une pièce correspondante comportant d'autres cannelures ou dentures venant en prise avec les cannelures ou denlures de la pièce que l'on cherche à contrôler. On constate que, dans certains cas, les cannelures ou dentures ainsi réalisées présentent des défauts, difficilement détectables de façon visuelle, principalement au fond de ces cannelures et sur les faces latérales de cellesci qui ont tendance à s aggraver en utilisation. Les défauts peuvent être une cause de rupture de ces cannelures. Ces cannelures comportent en général des faces lalérales en partie planes. Cette disposition convient, par exemple, pour transmeltre un couple entre l'arbre de sortie d'une boile de vitesse et une roue motrice et directrice d'un véhicule aulomobile. On comprend que les glissements alternés de ces cannelures les unes contre les autres, combinés avec des couples élevés, tendent à aggraver les défauts existant sous forme de micro-fissures, porosités ou discontinuités diverses. Les cannelures peuvent être réalisées par tout procédé existant et en particulier par des procédés de formage ou filage à froid qui consistent à faire passer la pièce à canneler à travers des filières de profils appropriés. Ces opérations peuvent provoquer la formation d'irrégularités de surface ou de défauts qui sont détectables par exemple par un examen à l'oeil nu ou micrographique ou macrographique. La surface du métal apparait comme 'grippée" el non régulière. Les méthodes d'examen optique ne sont pas rapides et ne permettent pas une évaluation quantitative. De plus, elles ne montrent que les défauts débouchant à la surface du métal. Par ailleurs. les movens de contrôle traditionnels par Courants de lSoucault ne permettent pas de visualiser et de repérer les défauts, les cannelures créant des perturbations majeures sur le signal reçu qui masquent les défauts pouvant se trouver dans cette zone de cannelure, On a donc recherché la possibilité de mettre en oeuvre une méthode de contrôle systématique permettant, de façon rapide et quantifiable de détecter les défauts tels que fissures, porosités, roulures, arrachements de métal, présentés par la surface de la zone cannelée, d'une pièce métallique présentant sur au moins une partie de sa longueur une zone cannelée. On a recherché plus parliculièrement la possibilité de comparer ces défauts à ceux d'une pièce étalon contrôlée dans les mêmes conditions, des critères de comparaison permettant de déterminer si la pièce est acceptable ou doit être rejetée. Le procédé et le dispositif qui font l'objet de l'invention font appel aux courants de Foucault pour rechercher ces défauts. On sait que l'utilisation des courants de Foucault permet de détecter ct d'évaluer des défauts présents dans des produits métalliques longs, de révolution, tels que des barres rondes ou des tubes. On sait aussi que les irrégularités de surface, telles que divers reliefs, cordons de soudure ou autres peuvent masquer ces défauts tels que des fissures débouchantes ou non. Le procédé et le dispositif suivant l'invention permettent cependant de façon surprenante de détecter les défauts proches de la surface extérieure d'une pièce métallique cannelée malgré la présence de ces cannelures. Le procédé et le dispositif ne s'appliquent pas seulement à un type particulier de cannelures, mais à tous types de cannelures ou dents réalisés, sur le pourtour d'une pièce métallique pleine ou tubulaire de transmission, par tout moyen tel que le formage à froid ou à chaud, ou encore, l'usinage par tout moyen. Le procédé et le dispositif consistent à utiliser une sonde à courants de Foucauh disposée radialement par rapport à la zone cannelée de la pièce métallique à contrôler. Des moyens convenables permettent d'entrainer la pièce en rotation autour de son axe à vitesse constante. Cette vitesse dépend du diamètre de la pièce, du nombre de cannelures ct aussi de la finesse de détection recherchée. I)ans la pratique, pour avoir line sensibilité suffisanle, il est préférable de ne pas dépasser une vitesse de défilcmcnt d'environ deux cents cannelures par seconde. Le circuit d'excitation de la sonde est alimenté en courant à haute fréquence. Avantageusement, cette fréquence est comprise entre 3 el 500 KHz et choisie en fonction de l'épaisseur de la zone de défauts. La sonde est supportée de façon à pouvoir éventuellement se déplacer d'un mouvement relatif, parallèle à l'axe de la pièce cannelée, ce mouvement pouvant être effectué de façon continue ou pas à pas. Avantageusement, la sonde est maintenue en appui contre la zone cannelée afin de réduire au minimum et de maintenir constant l'entrefer entre la surface de la pièce cannelée et le circuit de détection de la sonde. Avantageusement aussi la sonde comporte un boitier d'extrémité dont la surface en regard de la zone cannelée a une surface courbe de forme cylindrique concave de même rayon que la zone cannelée, afin de venir en appui contre celle sur une surface suffisante pour permettre un glissement sans à-coups. De préférence, on utilise une sonde de relativement faible diamètre par rapport à celui de la pièce cannelée, pour mieux délimiter les défauts observés et avoir une plus grande sensibilité. On utilise des moyens d'amplification des signaux détectés afin d'avoir une sensibilité suffisante pour faire apparaitre les défauts de surface et les distinguer non seulement du bruit de fond mais aussi du passage des bords des cannelures. Des moyens de réglage de phase connus permettent d'accroitre au maximum la sensibilité de détection des défauts par rapport au bruit de fond. Avantageusement, on insère sur le circuit de détection un filtre de bande passante déterminée qui permet d'éliminer les composantes indésirables. Afin de comparer de façon quantitative les signaux reçus, qui sont des tensions, de la pièce contrôlée avec ceux de la pièce étalon, on effectue une numérisation et une mise en mémoire à partir des courbes analogiques enregistrées en prélevant un nombre de points suffisants sur ces courbes pour faire apparaître les défauts au niveau de chaque cannelure. On choisit donc une fréquence de numérisation bien supérieure à la fréquence de passage des cannelures. Avantageusement cette fréquence est d'au moins dix fois la fréquence de passage, laquelle est de préférence comprise entre 10 et 200 I1z. On irait les valeurs ainsi numérisées par une méthode siatistique globalc pour comparer les résultats obtenus pour la pièce contrôlée avec ceux obtenus pour une pièce cannelée étalon et déterminer ainsi si la pièce contrôlée atteint ou non un seuil dc rejet. I)e façon avantageuse, à partir des valeurs ainsi numénsCles on détermine, sur au moins un tour dc la pièce cannelée, l'amplitude maximale numérisée des signaux reçus. On peut comparer cette valeur d'amplitude maximale à celle obtenue sur une pièce cannelée utilisée comme étalon. On peut déterminer alors l'écart en décibels entre cette amplitude maximale et l'amplitude maximale correspondante d'une pièce étalon par la relation: Amplitude maximale pièce Ecart d'amplitude en décibels = 20 log 10 -- Amplitude maximale étalon Cet écart donne une idée de l'importance de la principale zone de défaut de la pièce contrôlée. On détermine aussi sur au moins un tour de la pièce cannelée, la valeur moyenne Vm de l'ensemble des points de la courbe prélevée. De façon préférentielle on détermine, de façon connue, ltécart-type de ces points par rapport à la valeur moyenne. On utilise pour cela la relation: pièce = écart-type Iwans cette relation Vi représente chaque poilait numérisé de 1 à n, "n" étant l'ensemble de ces points. Le nombre n étant grand, il n'y a pas de différence significative entre "n" et "ne1 ". On choisit avantageusement, pour avoir une plus grande sensibilité dans le contrôle, comme critère de sélection le carré de l'écart-type, c'est-à-dire la variance et, à partir de cette valeur, on compare la variance de la pièce cannelée contrôlée avec celle d'une pièce cannelée étalon. On compare, cie préférence. la variance de l'ensemble des signaux de défaut, ainsi calculée sur au moins un tour de la pièce à contrôler, avec celle de la pièce étalon, en calculant leur écart en décibels suivant la formule: variance pièce à contrôler écart en dB = 213-10g 10 variance pièce étalon A partir du résultat ainsi obtenu, il suffit de déterminer par la pratique l'écart maximal en décibels qui peut être considéré comme acceptable par rapport à la variance de l'étalon. Le tracé des courbes d'enregistrement analogiques montre qu'il existe souvenl un petit nombre de zones de défauts de forte amplitude s'étendant sur plusieurs cannelures et pour cette raison, on ne peut se baser sur une loi de répartition dc type gaussien. C'est pour cela qu'il vaut mieux utiliser la variance et l'écart de variance suivant la formule qu'on vient de donner, plutôt que l'écart d'amplitude. Comme cela a été dit plus haut, l'invention concerne aussi le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention. Bien que le calcul de l'écart type, puis de la variance et de l'écart en décibels de celle-ci par rapport à un étalon, puisse être fait au cours d'un seul tour de la pièce cannelée à contrôler, il est souvenl souhaitable de contrôler la zone cannelée en plusieurs points. Ceci peut être fait, comme indiqué plus haut, en déplaçant la sonde pas à pas, c'est-àdire en la décalant d'une quantité déterminée, parallèlement à l'axe de la pièce à chaque tour, ou bien, en la déplaçant de façon continue le long de cet axe. Dans le cas de cannelures formées par passage à travers des filières, on observe en général les défauts les plus importants quand ils existent du côté d'engagement des filières successives et sur une fraction seulement de la longueur des cannelures. Il peut donc être suffisant de contrôler ces cannelures sur quelques tours seulement avec ou sans déplacement dans la zone considérée comme critique du point de vue des défauts. Les pièces cannelées de transmission peuvent être tubulaires ou pleines tubulaires. T.'exemple et les figurcs ci-après décrivent dc façon non limitative un exemple de niise en oeuvre du procédé cl la réalisation du dispositif suivant l'invention. La figure 1 est une vue ue schématique du dispositif de détection en appui contre la zone cannelée d'une pièce dc transmission. I.a figure 2 représente plusieurs enregistrements analogiques sur deux tours relatives à 4 pièces dc la figure 1. On applique le procédé ct on utilise le dispositif suivant l'invention, pour le contrôle de la surface de façon à détecter les zones présentant des défauts, débouchant à l'extérieur ou non, formés dans une zone de surface ou très proche de la surface d'une pièce métallique de transmission 1 (figure 1) comportant sur une certaine longueur axiale une zone annulaire externe cannelée 2 réalisée par formage à froid d'un tronçon tubulaire. De la sorte on cherche à distinguer les pièces ayant une surface régulière des pièces présentant des anomalies de surface telles que décrites précédemment. Celte zone cannelée a un diamètre extérieur de 35 mm et comporte 29 cannelures de 50 mm de long parallèles à l'axe X du tube et d'environ 1,5 mm de hauteur; les faces latérales en regard de ces cannelures, reliant les fonds aux sommets ont des surfaces planes aptes à venir en appui contre les surfaces correspondantes des cannelures d'un logement réalisé dans une pièce de révolution permettant la transmission d'un couple élevé à une roue motrice d'un véhicule. On monte de façon connue et non représentée la pièce de transmission cannelée 1 sur un support, un moyen moteur également non représenté permettant de la faire tourner autour de son axe à une vitesse de 65 tours/minute soit 1,0833 touriseconde. La sonde 3 de détection des courants de Foucault est orientée radialement par rapport à l'axe X de la pièce cannelée : un support adapté permet sa mise en appui élastique au moyen d'un ressort, représenté schématiquement en 4, contre la surface cannelée de la pièce. La surface d'extrémité 5 de la sonde en regard de cette zone cannelée présente une courbure concave qui épouse la courbure de la surface cannelée et permet de maintenir la sonde en appui glissant contre les cannelures, I'entrefer entre l'enroulement de détection ct ces cannelures étant maintenu le plus constant possible d'environ 0,5 mm au minimum. I,e diamètre de l'enroulement de détection est d environ 15 mm. On réalise un champ d'excitation, orienté radialement par rapport à l'axe de la pièce cannelée, réalise au moyen d'une source à haute fréquence de 20 Khz et on utilise un filtre de bande passanle de 25 I-iz. Des moyens connus permettent de réduire au minimum le bruit de fond et d'obtenir par une préamplification des signaux reçus un gain d'environ 50 décibels. Les tensions reçues sous forme de signaux analogiques sont numérisées par utilisation d'une carte de numérisation travaillant à la fréquence de 7 KHz ce qui correspond compte tenu de la vitesse de rotation à environ 220 prélèvements par cannelure et permet donc de faire des calculs avec un échantillonnage correct et de détecter ainsi comme on va le voir des zones de surface défectueuses. L'enregistrement des signaux analogiques est effectué dans le présent exemple sur deux tours sans déplacement axial. Comme le montre la figure 2 qui représente le signal de tension reçu sous forme analogique sur deux tours, le premier tour correspondant à l'intervalle de lemps entre les flèches référencé T1 et le deuxième tour correspondant à l'intervalle de temps entre les flèches référencé T2. Dans tous les cas, le deuxième tour T2 reproduit dans tous les détails le premier tour T1. Chaque cannelure est visible et les pièces considérées comme défectueuses M4, M5, M32 comportent des zones de défauts de plus ou moins grande amplitude telles que 6, 7, 8 qui s'étendent sur plusieurs cannelures. Même la pièce cannelée B1 qui est considérée comme bonne, c'est-àdire exempte de défauts importants, comporte de petits défauts reproductibles tels que 9, 10 qui n'ont cependant pas d'incidence sur le comportement en utilisation et qui sont considérés comme acceptables. Cependant il est très difficile de distinguer globalement au vu de ces enregistrements les pièces acceptables des pièces défectueuses. On voit simplement que les pièces défectueuses donnent lieu à des enregistrements dont la forme générale est différente de celle des enregistrements des pièces acceptables. On effectue donc sur une pièce cannelée utilisée comme étalon et de caractéristiques très voisines de la pièce repérée B1 sur la figure 2, le calcul après numérisation de l'écart-type et de la variance, conformément aux formules rappelées dans la description générale du procédé suivant l'invention. Les calculs sont faits sur deux tours sans déplacemenl suivant l'axe de la pièce de transmission. Les résultats obtenus figurent dans le tableau ci-après Ecas1 en décibels entre le niveau de défauts de plusieurs pièces cannelées défectueuses et celui d'une pièce bonnc - étalon. Repère des pièces Valeur en décibels de cannelées écart-type variance l'écart à l'écart à l'écarl-type ! la variance Picce étalon 0,186 0,034 X14 0,352 0,123 5,40 10,7 NI5 0,412 0,170 6,77 13,6 N132 0,250 0,062 2,43 4,8 On voil que, en utilisant les formules données précédemment dans la description générale dc l'invention, le calcul de l'écart-type et, à partir de celwtî, le calcul de l'écart en décibels entre cet écart-type et celui de la pièce étalon, permet de distinguer les pièces considérées comme mauvaises avec sécurité. On remarque que la pièce cannelée M32 dont les défauts sont d'amplitude faiblement accrue par rapport à l'étalon a cependant un écart notable en décibels. On peut cependant utiliser l'écart en décibels entre les variances, qui sont les carrés des écarts-type. On multiplie ainsi les écarts en décibels par 2, ce qui permet une discrimination meilleure entre pièces acceptables et pièces défectueuses. L'utilisation d'un programme informatique adapté et en soi connu permet, grâce à la mise en oeuvre de moyens de calcul connus, d'effectuer l'ensemble de ces calculs de façon très rapide au fur et à mesure de l'exécution des contrôles systématiques. Des moyens d'enregistrement permettent de conserver le tracé des courbes analogiques des contrôles effectués et donc de repérer si nécessaire l'emplacement de défauts et leur développement éventuel en cours de production. Bien que le présent exemple concerne le contrôle d'un type particulier de cannelures, on comprend que le procédé est applicable au contrôle de tous types de cannelures quels que soient leurs profils. Le procédé s'applique aussi bien au contrôle de cannelures parallèles à l'axe de la pièce qu'à celui de cannelures hélicoïdales ou autres. Le procédé peut aussi permettre le contrôle des dentures de pignons ou dc couronnes en adaptant de façon voulue les conditions d'excitation, les dimensions du circuit de détection, la vitesse de rotation de la pièce cannelée ou dentée et les conditions éventuelles de filtrage du signal. I)e très nombreuses modifications ou adaptations du procédé et du dispositif suivant l'invention peuvent être effectuées qui ne sortent pas du domaine de celle-ci. REVI NI)ICA IlONS 1) Procédé de contrôle de la surface de la zone cannelée sur la paroi d'une pièce métallique caractérisé en ce qu'on met en oeuvre un détecteur de courants de Foucault muni d'une sonde comportant un enroulement d'excitation à haute fréquence dont l'axe est orienté radialement par rapport à celui de la pièce cannelée qu'on entraîne en rotation sur au moins un tour autour de son axe d'un mouvement relatif par rapport à la sonde à une vitesse constante déterminée, des moyens d'enregislrement et de numérisation et de mise en mémoire permettant d'exploiter le signal de tension reçu durant au moins un tour de la pièce cannelée, et en ce qu'on traite ensuite les valeurs ainsi numérisées afin de comparer les résultats obtenus avec ceux d'une pièce de transmission cannelée étalon el contrôler ainsi si l'importance des défauts détectés atteint ou non un seuil de rejet de façon que les interactions entre les courants de Foucault et les cannelures créent des signaux (6, 7, 8, 9, 10), dont la forme et la régularité sont influencées par les défauts existant dans les zones superficielles et la surface des parois des cannelures, des moyens d'enregistrement et de numérisation et de mise en mémoire permettant d'exploiter les signaux ainsi reçus et en ce qu'on utilise et traite les valeurs ainsi numérisées par une méthode statistique globale pour comparer les résultats obtenus pour la pièce contrôlée avec ceux obtenus pour une pièce cannelée étalon et déterminer ainsi si la pièce contrôlée atteint ou non un seuil de rejet. 2) Procédé suivant revendication I caractérisé en ce que la fréquence de passage des cannelures devant la sonde est comprise entre 10 et 200 Hz 3) Procédé suivant revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la fréquence d'excitation de la sonde est compnse entre 3 et 500 Kili 4) Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la fréquence de prélèvement des points de la courbe analogique pour numérisation est d'au moins dix fois la fréquence de passage des cannelures devant la sonde. 5) Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'on utilise un filtre de bande passanle centré sur une fréquence sensiblement égale à la fréquence de passage des cannelures. 6) Procédé suivant l'une des revendications 1 à S caractérisé en ce qu'on calcule l'amplitude maximale de la courbe numérisée de la pièce à contrôler qu'on compare à l'amplitude maximale de la courbe numérisée correspondante d'une pièce étalon. 7) Procédé suivant revendication 6 caractérisé en ce qu'on calcule l'écart d'amplitude en décibels en appliquant la relation: amplitude max pièce contrôlée écart d'amplitude en décibels = 20 log1o -~~~~~~~~~~~~~~ amplitude max pièce étalon 8) Procédé suivant l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'on calcule l'écart-type r pièce des valeurs numérisées des signaux reçus du détecteur à Courant de Foucault par la relation a piece \rt (vi-Vm)2 r pièce = V n-l dans laquelle Vm est la moyenne des n points numérisés sur la courbe et Vi chacune des valeurs numérisées et que l'on compare l'écart-type de la pièce contrôlée avec l'écart-type oo étalon d'une pièce étalon. 9) Procédé suivant revendication 8 caractérisé en ce qu'on fait la comparaison en décibels des écarts-types en appliquant la relation: if pièce écart de l'écart-type en décibels = 20.log 10 r étalon 10) Procédé suivant revendication 8 ou 9 caractérisé en ce qu'on remplace dans les calculs des revendications 8 ou 9 I'écart-type par la variance, c'est-àdire le carré de l'écart-type, 11) Dispositif de contrôle de la surface de la zone cannelée d'une pièce métallique caractérisé en ce qu'il comprend une sonde de détection de courants de Foucault dont l'axe est orienté radialement par rapport à celui de la pièce cannelée, laquelle est montée en rotation autour de son axe et reliée à un moyen moteur, apte à la faire tourner à vitesse constante autour de cet axe, la sonde étant apte à se déplacer d'un mouvement relatif parallèlement à l'axe de la pièce, une source de courant à haute fréquence étant reliée aux moyens d'excitation de la sonde, les moyens de détection des courants de Foucault de celle-ci étant reliés à des moyens d'amplification des signaux, d'enregistrement et de mise en mémoire, en ce que des moyens de numérisation permettent la numérisation des signaux enregistrés et en ce que des moyens de calcul permettent d'effectuer, de façon programmée, des calculs d'écarttype sur les signaux enregistrés.