Brevet FR2755038A1 — publié le 19980430

La présente invention est relative à un procédé de nettoyage et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, ce procédé permettant d'extraire des corps étrangers (poussière, sable, résidu de matière...) et salissures de l'intérieur d'enceintes rigides creuses dont la forme complexe et sinueuse ne permet pas d'accéder aisément aux zones à nettoyer. Elle vise plus particulièrement un procédé de nettoyage de pièces métalliques destinées avantageusement à l'industrie automobile ou aéronautique, comme par exemple des carters de boîte de vitesse, des culasses de moteur, des corps de pompe ou toute autre pièce. Les procédés traditionnels de nettoyage de pièce utilisent diverses techniques, comme par exemple les vibrations à basse fréquence, la circulation de fluides à haute pression, la cavitation d'un liquide par cuves à ultrasons (la pièce ayant été préalablement déposée dans la cuve), le grenaillage par des billes d'acier ou de glace, ou encore une méthode manuelle à l'aide d'un écouvillon ou d'une brosse. Dans le cas du nettoyage de pièces métalliques massives à base essentiellement d'aluminium ou d'alliages d'aluminium et ne présentant pas une dureté similaire à celle de la fonte ou de l'acier, les techniques de grenaillage risquent de détériorer la pièce et de plus la grenaille ne peut atteindre les extrémités des conduits de faible section, qui sont en nombre conséquent dans une culasse de moteur par exemple. On comprend facilement que les techniques manuelles ne sont pas industriellement transférables pour une production de pièces en série. Etant donné que ces pièces sont issues de fonderie, il demeure des résidus de sable, des scories ou encore des copeaux d'usinage à l'intérieur des conduits de lubrification ou de refroidissement, qui sont extrêmement difficiles à éliminer, même par des techniques de vibrations à basse fréquence ou par cavitation de liquide dans une cuve à ultrasons, particulièrement le liquide n'est plus en cavitation au sein des petits conduits. La présente invention vise donc à pallier ces inconvénients en proposant un procédé industriel qui offre un excellent rendement de nettoyage, même au sein des infractuosités d'une pièce massive de fonderie. A cet effet, le procédé de nettoyage selon l'invention se caractérise en ce que - on dispose la pièce à traiter sur un plateau support dans un récipient remplie de liquide, - on positionne au contact de la pièce au moins un générateur de vibration, - on excite par l'intermédiaire du générateur un mode propre de vibration de la pièce, ce qui met en cavitation le liquide baignant au sein de la pièce. Selon une caractéristique avantageuse, le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé objet de l'invention se caractérise en ce qutil comporte une cavité positionnée sur une table solidaire d'un bâti d'une machine, cette cavité étant pourvue d'un support élastique sur lequel repose la pièce à traiter, l'ensemble baignant dans un liquide pouvant le cas échéant être mis en circulation par une pompe connectée à la cavité, le bâti supportant en outre au moins un générateur de vibrations au contact de ladite pièce permettant d'exciter au moins un mode propre de cette dernière. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures - la figure 1 illustre un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé objet de l'invention. - la figure 2 est une vue en coupe illustrant un autre mode de réalisation d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé objet de l'invention. - la figure 3 est une vue en coupe illustrant le positionnement de la pièce dans son récipient de nettoyage. Selon un mode préféré de réalisation du procédé objet de l'invention, on dispose la pièce 7 à traiter au sein d'une cavité 5 remplie d'un liquide de nettoyage 8, le liquide recouvrant tout ou partie de la pièce 7 afin de diminuer l'énergie nécessaire à sa mise en vibration tout en baignant particulièrement l'ensemble des canaux et interstices de cette dernière. La cavité 5 repose sur une table 4 solidaire d'un bâti 1 de machine et comporte un support élastique 6 sur lequel repose la pièce 7 à nettoyer. I1 est nécessaire que le support soit suffisamment élastique pour éviter une réflexion d'inertie trop élevée sur les générateurs de vibration 2, 3. Une trop grande souplesse du support 6 anéantit la mise en résonance de la pièce 7. I1 est parfois nécessaire, en vue d'augmenter l'efficacité de l'onde incidente, de créer une réverbération par 1 ad l'adjonction, entre la pièce 7 et le support élastique 6, d'une enclume de réaction (cf. figure 2) composée d'une pluralité de plots métalliques 15, 16, accordés sur la fréquence incidente de la source ou sur une fréquence propre de la pièce, ces plots pouvant être reliés entre eux par une pièce 17 de masse déterminée par l'expérience. La pièce 7 doit être orientée de façon à ce que les conduits ou les cavités à nettoyer restent des extrémités libres (cf. figure 3) par rapport aux points d'action des sources (2, 3) ou de réaction des plots (15, 16). Puis dans le récipient 5, la pièce 7 reposant sur son support élastique 6 et baignant dans le liquide 8 approprié est mise en résonance par l'intermédiaire d'une pluralité de générateurs de vibration 2, 3. Selon un autre mode de réalisation, le support élastique 6 est remplacé par un actionneur 14 dont on pourra maîtriser les mouvements. De manière avantageuse, ces générateurs de vibration 2, 3 sont des têtes à ultrasons, communément appelées sonotrode, les ultrasons étant produits par un élément vibrant mû par un système piézo-électrique ou par un dispositif magnéto-strictif. Les marteaux ou les générateurs de vibrations fonctionnent de manière préférentielle à une fréquence comprise entre 15 et 40 kHz. Ces têtes 2, 3 sont portées par le bâti 1 de la machine et convergent à l'aide d'une pluralité d'actionneurs 14 réalisés à partir d'éléments pneumatiques, hydrauliques, mécaniques ou électriques tels que des vérins ou des moteurs, en direction de la pièce 7 suivant des axes non forcément parallèles. Les sonotrodes sont appliquées au contact de la pièce 7 en des points d'action déterminés expérimentalement, de manière à amener la pièce, par martèlement, dans un mode propre de résonance. Le mode de résonance de la pièce 7 est d'autant plus vite atteint que l'on conjugue l'action des générateurs de vibration 2, 3 et les forces de contact sous la pression des actionneurs solidaires des générateurs. La mise en résonance de la pièce 7 fait naître une mise en cavitation du liquide 8 dans lequel baigne la pièce 7, et tout spécialement la cavitation de liquide 8 se propage également au sein des conduits de faible section et les interstices présents dans la pièce. Le régime turbulent extrêmement intense du liquide régnant dans la totalité des infractuosités de la pièce 7, génère le nettoyage de celles-ci, les salissures et les résidus étant entraînés par le liquidè en cavitation. Le liquide en régime turbulent lors de sa phase de nettoyage, qui au départ n'est pas pollué, va se charger au fur et à mesure de résidus qui vont jouer le rôle de corps abrasif, améliorant d'autant l'efficacité du nettoyage. On prévoit de disposer une pompe 9 munie d'un filtre 10 adéquat sur le circuit du liquide, le récipient 5 recevant la pièce 7 étant en outre pourvue d'un orifice d'entrée 11 et de sortie 12 pour ce fluide, respectivement connecté aux extrémités de la conduite 13 supportant la pompe 9 et le filtre 10. Afin de maintenir une efficacité maximale au nettoyage, la pompe 9 fonctionne de façon intermittente lors du recyclage du liquide 8 pour conserver à celui-ci une concentration optimale en résidu, seule une fraction des salissures étant stoppée par le filtre 10. Suivant le type de salissures ou de résidus à enlever, l'action mécanique de nettoyage sous lteffet de la cavitation du liquide sera complétée si besoin par une action chimique, le liquide pouvant comporter en totalité ou en partie un solvant ou une lessive. Afin de limiter l'énergie incidente nécessaire, et ce notamment pour des pièces de masse très importante, tels que des blocs moteur, le volume de liquide pourra être limité aux seuls conduits ou cavités à nettoyer par emprisonnement ou par circulation contrôlée. Par ailleurs, en fonction des applications visées, il est parfois nécessaire d'utiliser, non pas un récipient classique 5 (qui n'est pas excité par des générateurs 2, 3), mais une cuve 5' similaire à celle employée lors des procédés de nettoyage par ultrasons (dans ce cas, la cuve 5' est reliée à un générateur d'ultrasons qui la porte en résonance). Dans cette application, les deux modes de résonance, l'un provenant de la cuve 5', l'autre de la pièce 7, se conjuguent au sein du liquide 8 en circulation, ce qui augmente l'intensité de la cavitation du liquide et par voie de conséquence, l'efficacité du nettoyage. Comme nous l'avons vu précédemment, l'énergie nécessaire à la mise en résonance de la pièce 7 de fonderie ou l'obligation d'augmenter la transmission sur un ensemble de zones parfaitement délimitées, nécessite l'emploi d'une pluralité de générateurs d'ultrasons (sonotrode) qui peuvent, soit travailler de manière simultanée, soit de manière alternative en suivant un protocole cyclique établi en fonction du résultat sur la pièce 7. I1 est de plus très souvent nécessaire d'optimiser le couplage entre les sources vibratoires 2, 3 et la pièce 7 à porter en résonance par l'adjonction d'un mouvement sinusoïdal ou discontinu propre à chacun des générateurs de vibration. Selon une première méthode, on désaccouple au moins une des sources vibratoires liées au bâti de la machine par l'intermédiaire d'un dispositif élastique réglable, notamment à l'aide d'un ressort tarable, afin d'optimiser la raideur du sytème oscillant. Selon une deuxième méthode, on maîtrise la modulation de l'effort appliqué sur la pièce à vibrer par un asservissement de la pression de contact de la source vibratoire sur la pièce, par ajustement de l'effort transmis à cette source de vibration par l'actionneur 14. Selon une troisième méthode, on maîtrise l'intensité des chocs appliqués sur la pièce à vibrer par un asservissement en vitesse ou en accélération du déplacement alternatif de la source vibratoire, indépendamment du régime de vibration de la face de travail de cette source par l'intermédiaire de l'actionneur 14. Selon une quatrième méthode, on module la fréquence de vibration de la source par une modulation en amplitude du signal électrique fourni au système piézo-électrique ou magnétostrictif sous l'effet d'un signal périodique de fréquence inférieure. Dans le cas d'une source vibratoire possédant une très large bande passante, il est possible de moduler en fréquence dans les limites de cette bande. Ces quatre méthodes non limitatives qui peuvent si besoin se combiner entre elles, ont pour but, d'une part d'éviter un état stationnaire où toute l'énergie fournie serait réfléchie plutôt qu'absorbée par la pièce de fonderie à porter en résonance, et d'autre part d'optimiser une fréquence de contact de la source vibratoire (sonotrode) sur un ou plusieurs modes propres de vibration à cette pièce. I1 demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés cidessus, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 - Procédé de nettoyage d'une pièce métallique, notamment issue de fonderie, caractérisé en ce que - on dispose la pièce (7) à traiter sur un plateau support (6) dans un récipient (5) rempli de liquide (8), - on positionne au contact de la pièce (7) au moins un générateur de vibration (2, 3), - on excite par l'intermédiaire du générateur (2, 3) un mode propre de vibration de la pièce (7), ce qui met en cavitation le liquide (8) baignant au sein de la pièce (7). 2 - Procédé de nettoyage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les générateurs de vibration (2, 3) fonctionnent à une fréquence comprise entre 15 et 40 kHz. 3 - Procédé de nettoyage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le récipient (5) dans lequel repose la pièce (7) est amené à résonance. 4 - Procédé de nettoyage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les générateurs de vibration (2, 3) en contact de la pièce (7) travaillent de manière simultanée. 5 - Procédé de nettoyage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les générateurs de vibration (2, 3) en contact de la pièce (7) travaillent de manière alternative, le cycle de fonctionnement des sources vibratoires (2, 3) étant optimisé par un procédé de gestion de l'état des sources 6 - Procédé de nettoyage selon la revendication 5, caractérisé en ce que le procédé de gestion des sources (2, 3) consiste à désaccoupler au moins une des sources vibratoires liées au bâti de la machine par l'intermédiaire d'un dispositif élastique réglable, notamment à l'aide d'un ressort tarable. 7 - Procédé de nettoyage selon la revendication 5, caractérisé en ce que le procédé de gestion des sources (2, 3) consiste à maîtriser la modulation de l'effort appliqué sur la pièce (7) à vibrer par un asservissement de la pression de contact de la tête du générateur sur la pièce (7), par ajustement de l'effort transmis au générateur de vibration par l'actionneur (14). 8 - Procédé de nettoyage selon la revendication 5, caractérisé en ce que le procédé de gestion des sources (2, 3) consiste à maîtriser l'intensité des chocs appliqués sur la pièce à vibrer par un asservissement en vitesse ou en accélération du déplacement alternatif de la source vibratoire, indépendamment du régime de vibration de la face de travail de cette source, et ce par l'intermédiaire de l'actionneur (14). 9 - Procédé de nettoyage selon la revendication 5, caractérisé en ce que le procédé de gestion des sources consiste à moduler la fréquence de vibration de la source (2, 3) par une modulation en amplitude ou en fréquence du signal électrique fourni au système piézo-électrique ou magnétostrictif sous lteffet d'un signal périodique de fréquence inférieure. 10 - Procédé de nettoyage selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'on oriente la pièce (7) de manière que les conduits ou les cavités à nettoyer demeurent des extrémités libres par rapport aux points d'action des sources (2, 3) ou de réaction de plots (15, 16). 11 - Procédé de nettoyage selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le liquide (8) en cavitation est limité aux seuls conduits ou cavités à nettoyer par emprisonnement ou par circulation contrôlée. 12 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte un récipient (5) positionné sur une table (4) solidaire du bâti (1) d'une machine, ce récipient (5) étant pourvu d'un support élastique (6) ou d'un actionneur (14) sur lequel repose la pièce (7) à traiter, l'ensemble baignant dans un liquide (8) mis en circulation par une pompe connectée au récipient (5), le bâti (1) supportant en outre au moins un générateur (2, 3) de vibration au contact de ladite pièce (7) permettant d'exciter au moins un mode propre de cette dernière. 13 - Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que les générateurs de vibration (2, 3) sont des têtes à ultrasons, les ultrasons étant produits par un élément vibrant mû par un système piézo-électrique ou par un dispositif magnétostrictif. 14 - Dispositif selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que la pompe (9) fonctionne de façon intermittente lors du recyclage du liquide (8) pour conserver à celui-ci une concentration optimale en résidu, seule une fraction des salissures étant stoppée par le filtre (10). 15 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que le liquide (8) comporte en totalité ou en partie un solvant ou une lessive. 16 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que les générateurs de vibration (2, 3) sont mis en contact de la pièce (7) par l'intermédiaire d'actionneurs (14) reliés au bâti (1), ces derniers étant éventuellement débrayables. 17 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 à 16, caractérisé en ce qu'on interpose entre la pièce (7) et le support élastique (6), une enclume de réaction. 18 - Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'enclume de réaction est constituée d'une pluralité de plots métalliques (15, 16), pouvant être accordés sur une fréquence de vibration de la source ou de la pièce, et éventuellement reliés entre eux par une pièce (17) de masse prédéterminée. 19 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 à 18, caractérisé en ce que les actionneurs (14) comportent notamment des éléments pneumatiques, hydrauliques, mécaniques ou électriques, ceux-ci étant orientés en direction de la pièce (7) suivant des axes non forcément parallèles.