Brevet FR2731935A1 — publié le 19960927

La présente invention concerne les dispositifs de mise en oeuvre des procédés permettant d'obtenir des contraintes résiduelles de compression en surface d'un matériau solide connus des techniciens sous le terme générique de "grenaillage", "galetage" ou analogue. Le traitement de surface est l'un des facteurs les plus importants pour la pérennité des pièces destinées à être sournises à des charges mécaniques. Les techniques actuellement disponibles pour le traitement de surface sont essentiellement du type "grenaillage" et du type "galetage". La technique du grenaillage consiste à projeter des billes sur les endroits les plus sensibles des pièces à traiter, les calibres de ces billes, ainsi que les matériaux dans lesquels elles sont réalisées et la vitesse à laquelle elles sont projetées, étant adaptés à la nature des pièces à traiter. La technique du galetage consiste à rouler ou à appuyer fortement sur les zones les plus sensibles de la pièce à traiter, avec un élément de forme et en un matériau adaptés. Ces techniques visent deux buts précis: produire, en surface de la pièce à traiter, un état de déformation plastique irréversible qui permet de créer une précontrainte sous cette surface empêchant les fissures superficielles de se propager, et régulariser la surface traitée pour éviter la création de concentrations permettant l'initiation de fissures superficielles. Il est prouvé par des études statistiques a posteriori sur des éprouvettes traitées et nontraitées que ce type de traitement améliore sensiblement la durée de vie des pièces traitées. Cependant, il n'existe pas de dispositifs pratiques et fiables qui permettent de mettre en oeuvre ces procédés de façon industrielle. La présente invention a pour but de réaliser un dispositif de mise en oeuvre d'un procédé de traitement de surface d'un matériau solide permettant d'obtenir des contraintes résiduelles de compression en surface du matériau, connu des techniciens sous le terme générique de "grenaillage" ou analogue, qui soit peu onéreux et d'utilisation pratique en toutes circonstances, quelles que soient la nature du matériau solide et la forme de la surface à traiter. Plus précisément, la présente invention a pour objet un dispositif permettant de développer des contraintes résiduelles de compression en surface d'un matériau solide, caractérisé par le fait qu'il comporte: - un générateur commandable apte à délivrer à sa sortie un premier signal de fréquence, - un transducteur apte à délivrer à sa sortie un faisceau d'ondes d'excitation mécaniques alternatives à partir d'un second signal de fréquence appliqué à son entrée, - des moyens pour relier la sortie dudit générateur à l'entrée dudit transducteur, - une tête comportant au moins un point de forme contondante, et - des moyens d'adaptation mécanique pour appliquer à ladite tête le faisceau d'ondes d'excitation mécaniques alternatives. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante donnée en regard des dessins annexés à titre illustratif, mais nullement limitatif, dans lesquels: La figure I représente le schéma de principe d'un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention, pour la mise en oeuvre d'un procédé de traitement de surface permettant d'obtenir des contraintes résiduelles de compression en surface d'un matériau solide, connu des techniciens sous le terme générique de "grenaillage" ou analogue, et La figure 2 représente une vue en coupe d'un mode de réalisation d'un élément essentiel entrant dans la constitution du dispositif selon le mode de réalisation illustré sur la figure 1, élément ciaprès dénommé "tête" dans la présente description. La figure 1 représente le schéma de principe d'un dispositif I selon l'invention pour mettre en oeuvre un procédé de traitement de surface d'un matériau solide 2 permettant d'obtenir des contraintes résiduelles de compression en surface de ce matériau, connu par les techniciens sous le terme générique de "grenaillage" ou analogue. Comme illustré schématiquement sur la figure 1, le dispositif 1 comporte un générateur commandable 3 apte à délivrer à sa sortie 4 un premier signal de fréquence, un transducteur 5 apte à délivrer à sa sortie 43 un faisceau d'ondes d'excitation mécaniques alternatives à partir d'un second signal de fréquence appliqué à son entrée de commande 7, et des moyens 6 pour relier la sortie 4 du générateur commandable 3 à l'entrée de commande 7 du transducteur 5. Le dispositif comporte en outre une tête 8 comprenant au moins un point de forme contondante 19, et des moyens d'adaptation mécanique 9 pour appliquer à cette tête 8 le faisceau d'ondes d'excitation mécaniques alternatives délivré par le transducteur 5. Cette tête 8, destinée à être amenée au contact, par son point contondant 19, de la surface 100 du matériau 2 à traiter pour obtenir les résultats définis ci-dessus dans le préambule, est ainsi animée d'un mouvement de déplacement alternatif équivalent à une vibration. Dans cette vibration, le point contondant 19 frappe la surface du matériau 2, exactement comme le ferait une multitude de billes qui viendraient frapper le matériau par la technique du grenaillage selon l'art antérieur rappelé ci-dessus. Dans un mode de réalisation avantageux, les moyens 6 pour relier la sortie 4 du générateur commandable 3 à l'entrée de commande 7 du transducteur 5 comportent un amplificateur de puissance 11 dont l'entrée 12 est reliée à la sortie 4 du générateur commandable, et un adaptateur d'impédance 13 dont l'entrée 14 est reliée à la sortie 15 de l'arnplificateur de puissance Il et dont la sortie 16 est reliée à l'entrée 7 du transducteur. Le dispositif comporte en outre des moyens 20 pour délivrer un signal de commande à l'entrée 46 du générateur commandable 3. Avantageusement, ces moyens 20 pour délivrer un signal de commande comportent un organe de calcul 21 programmable, par exemple à partir d'un clavier 47, et des moyens 22 pour relier sa sortie 45 à l'entrée de commande 46 du générateur commandable 3. Ces moyens 22 sont avantageusement constitués par un circuit de pilotage dont l'entrée 48 est reliée à une première sortie 45 de l'organe de calcul 21 et dont la sortie 49 est reliée à l'entrée de commande 46 du générateur commandable. Le clavier 47 est par exemple utilisé pour programmer l'organe de calcul 21 de façon que celuici délivre, sur sa première sortie 45, un signal de commande transmis au générateur commandable 3 par le circuit de pilotage 22 et que le générateur commandable 3 délivre à sa sortie 4 le premier signal de fréquence. Le premier signal de fréquence délivré par le générateur commandable 3 est amplifié dans l'amplificateur 11 qui délivre à son tour un signal qui est adapté en 13. L'adaptateur 13 délivre à sa sortie 16 le second signal de fréquence qui est appliqué à l'entrée du transducteur 5. Préférentiellement, le dispositif 1 peut comporter en outre un perfectionnement qui permet d'optimiser la valeur de la puissance délivrée par le transducteur S en l'adaptant de façon continue à la valeur de la puissance de vibration de la tête 8 nécessaire pour le traitement désiré du matériau 2, et même d'obtenir la puissance de vibration maximale comme celle qui est donnée quand le transducteur 5 entre en résonance. Ce perfectionnement consiste à utiliser un amplificateur de puissance 11 dont le gain d'amplification peut être commandé à partir d'une entrée 23. Dans ce cas, outre les éléments structurels définis ci-dessus, le dispositif comporte des moyens de mesure 24 des puissances active et réactive obtenues à l'entrée 7 du transducteur 5 aptes à délivrer, sur une seconde entrée 25 de l'organe de calcul 21, un signal représentatif des valeurs des puissances active et réactive mesurées, et des moyens 26 pour commander le gain de l'amplificateur 11 à partir d'un signal d'ordre délivré sur une deuxième sortie 27 de l'organe de calcul 21. Ainsi, quand le dispositif comporte ces moyens de perfectionnement, la puissance du second signal de fréquence appliqué à l'entrée 7 du transducteur 5 est asservie à la puissance de sortie de ce même transducteur 5, qui est elle-même fonction de la nature et de la structure du matériau à traiter. La figure I représente aussi un mode de réalisation du transducteur 5 lui conférant, notamment, un excellent rendement. Dans ce mode de réalisation illustré. le transducteur 5 comporte essentiellement deux pastilles en céramique 31, 32 associées à des moyens 33 pour les maintenir comprimées l'une contre l'autre. Ces moyens de maintien 33 comprennent deux cylindres 60 et 61 prenant en sandwich les deux pastilles 31, 32 et des moyens 62 pour appliquer ces deux cylindres sur les faces extrêmes de l'ensemble des deux pastilles accolées, et donc maintenir au contact les deux faces en regard de ces mêmes pastilles de façon à constituer un empilement d'au moins quatre éléments. Les deux cylindres 60 et 61 sont respectivement réalisés, par exemple, en acier et en titane, le cylindre 61 en titane constituant la sortie 43 du transducteur 5. Sous une forme avantageuse, les moyens 62 pour appliquer les deux cylindres sur les faces extrêmes des deux pastilles 31, 32 comportent par exemple un orifice 64 traversant de part en part le premier cylindre 60 et les deux pastilles, un orifice borgne 65 réalisé dans le second cylindre 61, la paroi de cet orifice borgne étant taraudée et son diamètre étant légèrement inférieur à celui de l'orifice traversant, et un boulon 66 dont la tige passe par l'orifice traversant 64 pour venir se visser dans l'orifice borgne 65. La longueur de la tige est déterminée pour que la tête du boulon vienne au contact de la face extérieure du premier cylindre lorsque cette tige maintient les différents éléments comprimés les uns contre les autres sous une pression prédéterminée obtenue par son vissage dans l'orifice borgne.La pression prédéterminée exercée sur l'empilement des quatre éléments est obtenue par vissage du boulon, par exemple au moyen d'une clé dynamométrique. Les deux pastilles 31, 32 sont reliées électriquement à la sortie 16 de l'adaptateur 13 au moyen d'électrodes, par exemple constituées par des rondelles en bronze-béryllium respectivement interposées entre le premier cylindre et la première pastille, entre les deux pastilles, et entre la seconde pastille et le second cylindre. Les deux rondelles extrêmes sont reliées entre elles électriquement pour constituer une seule électrode de polarité opposée à celle de l'autre électrode constituée par la rondelle centrale. Les ondes mécaniques produites par l'empilement d'éléments décrit ci-dessus appartiennent généralement au domaine des ultrasons et le principe de leur émission est bien connu en lui-même. 1l ne sera donc pas décrit ici. Dans un mode de réalisation avantageux, l'adaptateur mécanique 9 est constitué par une pièce mécanique 40 de forme allongée définie entre ses première et seconde faces d'extrémité 41, 42. La première face d'extrémité 41 de la pièce mécanique 40 est couplée au transducteur 5, par exemple par soudage sur le second cylindre 61 défini ci-dessus, et la seconde face d'extrémité 42 est couplée à la tête 8, par tous moyens de solidarisation. De plus, la valeur de la section transversale de cette pièce mécanique 40 varie selon une fonction décroissante, de sa première face d'extrémité 41 à sa seconde face 42. La fonction décroissante qui donne un bon résultat est de forme exponentielle, comme illustré sur la figure 1. 1l a été décrit cidessus un mode de réalisation d'un transducteur produisant des ondes mécaniques par effet piézeelectrique. Il peut, dans certains cas, être avantageux d'utiliser un transducteur produisant des ondes par effet magnétostrictif. Pour ce faire, I'ensemble des pastilles en céramique est remplacé par un noyau feuilleté en nickel auquel est associée, en l'entourant, une bobine parcourue par un courant intense. Il a été décrit ci-dessus un mode de réalisation d'une tête 8 avec au moins un point contondant 19, mais il est préférable que la tête 8 soit adaptée à la surface du matériau à traiter. La tête 8 peut alors prendre toutes sortes de formes possibles. La figure 2 représente une vue en coupe d'un mode de réalisation possible d'une tête 8. Dans le mode de réalisation selon la figure 2, la tête 8 comporte une pluralité de points contondants 19 qui se trouvent tous sur une surface de référence de forme sensiblement complémentaire de celle 100 du matériau solide 2 sur lequel doivent être développées des contraintes résiduelles de compression comme défini ci-avant. Préférentiellement la tête 8 est constituée, selon cette figure 2, d'une embase 50 en un matériau rigide et solide comme de l'acier ou analogue sur laquelle est définie une surface d'appui 51, d'une pluralité de corps 52 comme des billes en acier. et d'une couche 54 de matériau présentant une certaine résilience comme un élastomère liant l'ensemble des corps entre eux et avec l'embase 50. Les corps 52 ont chacun une partie 53 de leur surface extérieure de forme avantageusement sensiblement sphérique ou analogue et sont associés à l'embase 50 de façon qu'ils soient au contact de la surface d'appui 51 et que l'ensemble des parties de leur surface extérieure 53 sensiblement sphériques soit tangent à la surface de référence définie ci-dessus sensiblement complémentaire à celle 100 du matériau solide 2 à traiter. Dans l'exemple illustré, ces deux surfaces sont sensiblement planes. Quant à la couche 54 de matériau présentant une certaine résilience comme un élastomère, elle est disposée sur la surface d'appui 51 et entre les corps 52, et a une épaisseur inférieure à la hauteur de ces corps. De cette façon, les corps 52 sont parfaitement maintenus quand ils frappent la surface 100 du matériau 2, en prenant appui sur la surface d'appui rigide 51, mais peuvent en plus légèrement se déplacer latéralement lorsqu'ils rencontrent des aspérités, permettant ainsi d'obtenir une répartition uniforme des frappes et un effet semblable à celui du galetage défini dans le préambule à la présente description. Le dispositif selon l'invention présente incontestablement des avantages par rapport aux dispositifs pour le traitement de surface selon l'art antérieur. En effet, pour introduire une compression juste sous la surface 100 du matériau à traiter 2, il est nécessaire d'introduire des déformations irréversibles. Celles-ci sont obtenues par les points contondants 19 venant frapper la surface 100 par pressions pulsées et, en jouant sur la fréquence de vibration et la vitesse de défilement de la tête 8, il est possible de créer le champ de contraintes optimum sous la surface 100 et de produire l'effet de protection désirée. De plus, la variation de la taille de l'embout ainsi que la régulation du signal excitateur du transducteur 5 permet de faire varier la profondeur de matériau traité. Les procédures de traitement de surface reposent sur le fait que l'écrouissage du matériau impose une saturation du phénomène observé lors des cycles de chargement. Afin d'atteindre celle limite de saturation, dans le procédé de grenaillage classique, il faut estimer la distribution des billes projetées sur la surface et en déduire un taux de recouvrement. Dans le cas du galetage, il faut effectuer plusieurs allers et retours pour arriver à saturer. En revanche, dans le cas du traitement de surface avec le dispositif selon l'invention, tous ces paramètres: surfaces recouvertes, nombre de cycles, etc., sont sous contrôle et il est donc tout à fait possible, en les réglant au départ, de déterminer avec exactitude et dans toutes les zones traitées, la distribution du chargement appliqué et son cyclage. En outre, en réglant les paramètres vibratoires et de défilement de la tête, il est possible d'effectuer un nombre exact et connu de cyclages en un seul passage. L'utilisation du dispositif selon l'invention permet de maîtriser complètement les paramètres rentrant dans l'application du chargement. Ce fait à lui seul donne à la technique ainsi mise en oeuvre une supériorité incontestable vis-à-vis des autres méthodes classiques précitées. En effet, il est possible de programmeur le fonctionnement du dispositif selon les divers champs de contraintes souhaités. I1 est donc possible de créer des procédures de traitement adaptées à chaque cas particulier dans un temps très court, et de mettre aussitôt en oeuvre ces procédures dans les zones souhaitées à l'avance de manière déterministe. Le faible encombrement et la maniabilité du dispositif selon l'invention permettent de procéder à des traitements in-situ sur des pièces déjà en place, sans démontage. De plus, I'utilisation de ce dispositif est sans déchets, en comparaison avec les billes utilisées dans le grenaillage qui sont considérées après usage comme des déchets. REVENDICATIONS 1. Dispositif permettant de développer des contraintes résiduelles de compression en surface d'un matériau solide (2), caractérisé par le fait qu'il comporte: - un générateur commandable (3) apte à délivrer à sa sortie (4) un premier signal de fréquence, - un transducteur (5) apte à délivrer à sa sortie un faisceau d'ondes d'excitation mécaniques alternatives à partir d'un second signal de fréquence appliqué à son entrée (7), - des moyens (6) pour relier la sortie (4) dudit générateur à l'entrée (7) dudit transducteur (5), - une tête (8) comportant au moins un point de forme contondante (19), et - des moyens d'adaptation mécanique (9) pour appliquer à ladite tête (8) le faisceau d'ondes d'excitation mécaniques alternatives. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens (6) pour relier la sortie dudit générateur à l'entrée dudit transducteur comportent un amplificateur de puissance (11) dont l'entrée (12) est reliée à la sortie (4) du générateur, et un adaptateur d'impédance (13) dont l'entrée (14) est reliée à la sortie (15) dudit amplificateur de puissance et dont la sortie (16) est reliée à l'entrée (7) dudit transducteur (5). 3 - Dispositif selon l'une des revendications I et 2, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des moyens (20) pour délivrer un signal de commande dudit générateur commandable (3), cesdits moyens (20) comportant un organe de calcul programmable (21) relié audit générateur de commandable (3) par un circuit de pilotage (22). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le gain d'amplification dudit amplificateur de puissance (11) est commandé à partir d'une entrée de commande (23), ledit dispositif comportant en outre des moyens de mesure (24) des puissances active et réactive obtenues à l'entrée (7) dudit transducteur (5), lesdits moyens de mesure (24) étant aptes à délivrer un signal représentatif des valeurs desdites puissances active et réactive sur une première entrée de commande (25) de l'organe de calcul, et des moyens (26) pour commander ledit amplificateur de puissance à partir d'un signal d'ordre délivré sur une deuxième sortie (27) dudit organe de calcul (21). 5 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que ledit transducteur (5) comporte deux pastilles en céramique (31, 32) et des moyens (33) pour comprimer lesdites pastilles l'une contre l'autre. 6 - Dispositif selon l'une des revendications I à 4, caractérisé par le fait que ledit transducteur (5) comporte un noyau et une bobine associée audit noyau en l'entourant ladite bobine étant apte à être parcourue par un courant intense. 7 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les moyens d'adaptation mécanique (9) pour appliquer le faisceau d'ondes d'excitation mécaniques alternatives à ladite tête (8) sont constitués par une pièce mécanique (40) de forme allongée définie entre ses deux première et seconde faces d'extrémité (41, 42), la première face d'extrémité (41) étant couplée audit transducteur (5), la seconde face d'extrémité (42) étant couplée à ladite tête (8), la valeur de la section transversale de ladite pièce mécanique variant selon une fonction décroissante, de sa première face d'extrémité (41) à sa seconde face (42). 8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que ladite fonction décroissante est une fonction de forme exponentielle. 9 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ladite tête (8) comporte une pluralité de points contondants. 10 - Dispositif selon la revendication 9 caractérisé par le fait que ladite pluralité de points contondants (19) se trouvent sur une surface de référence sensiblement complémentaire de celle (100) dudit matériau solide (2) sur lequel doivent être développées des contraintes résiduelles de compression. Il - Dispositif selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé par le fait que ladite tête (8) est constituée par une embase (50) en un matériau rigide et solide définissant une surface d'appui (51), une pluralité de corps (52), lesdits corps ayant une partie (53) de leur surface extérieure de forme sensiblement sphérique et étant associés avec ladite embase (50) de façon qu'ils soient au contact de ladite surface d'appui (51), la partie (53) de leur surface extérieure sensiblement sphérique étant tangente à ladite surface de référence, et une couche (54) de matériau présentant une certaine résilience, ladite couche disposée entre lesdits corps (52) et sur ladite surface d'appui (51) ayant une épaisseur inférieure à la hauteur desdits corps (52).