Brevet FR2762244A1 — publié le 19981023

La présente invention concerne un appareil de traitement par laser de la surface d'une paroi d'alésage d'un cylindre par exemple ceux d'un moteur à combustion interne notamment de véhicule automobile. Un tel appareil a pour but d'effectuer une opération de finition des surfaces internes des cylindres du bloc moteur afin d'assurer le compromis entre l'étanchéité et le grippage de la chambre de combustion de chaque cylindre tout au long de la course du piston à l'intérieur de celui-ci. On connaît la technique de rodage utilisant un outil abrasif communément appelé "rodoir" constitué de pierres ou d'abrasifs diamantés permettant un usinage de précision de la surface de paroi de l'alésage du cylindre correspondant de façon à donner à ce cylindre ses dimensions finales. Le rodoir produit dans la surface usinée, par la combinaison de ses mouvements relatifs de rotation autour de l'axe du cylindre, de translation suivant cet axe et, le cas échéant, d'expansion lorsque ce rodoir est expansible, des empreintes ou traces de rodage ayant l'allure de sillons se croisant. Ces sillons réalisés sur l'ensemble de la surface de la paroi de l'alésage du cylindre déterminent les conditions de rétention du lubrifiant constitué par de l'huile, lesquelles sont importantes pour l'obtention des performances souhaitées des moteurs thermiques et la diminution de la pollution générée par ceux-ci. Il est également possible d'améliorer l'état de surface de la paroi d'alésage du cylindre par l'adjonction d'une étape de finition par rodage dit à plateau. On connaît également l'utilisation de faisceaux laser pour effectuer la dernière étape de l'usinage de précision des surfaces d'alésages de cylindres d'un moteur à combustion interne. Cependant, ces techniques connues d'usinage de précision ont pour inconvénient majeur de ne pas maîtriser complètement et de façon simultanée à la fois la profondeur, le pas et la position des stries sur les parois internes des cylindres. La présente invention a pour but d'éliminer l'inconvénient ci-dessus en proposant un appareil de traitement par laser de la surface d'une paroi d'alésage d'un cylindre par exemple ceux d'un moteur à combustion interne notamment de véhicule automobile pour un usinage de précision de cette surface, comprenant un miroir disposé à l'intérieur du cylindre de manière à diriger le faisceau du laser vers la paroi de l'alésage du cylindre, et qui est caractérisé en ce que le miroir est disposé sur un support incliné d'un angle déterminé par rapport à l'axe du cylindre et en ce que les moyens de liaison entre le miroir et le support peuvent être excités par un circuit de commande pour permettre de faibles déplacements du miroir relativement au support et réaliser ainsi des empreintes de formes diverses sur la paroi de l'alésage du cylindre. De préférence, les moyens de liaison comprennent des éléments piézoélectriques et le circuit de commande fournit à chaque élément piézoélectrique une tension de commande de déformation de cet élément. Les éléments piézoélectriques sont au nombre de trois et sont disposés sur le support à 120 les uns des autres. Avantageusement, l'angle d'inclinaison du support du miroir est de 45 . Le support du miroir fait partie d'un ensemble motorisé lui permettant un déplacement en rotation autour de l'axe du cylindre et un déplacement en translation suivant cet axe. Cet ensemble motorisé comprend un arbre dont une extrémité à l'intérieur du cylindre supporte le support du miroir et deux moteurs électriques, de préférnece asservis, mécaniquement reliés à l'autre extrémité de l'arbre située à l'extérieur du cylindre de façon que l'un des moteurs entraîne en rotation l'arbre et l'autre moteur déplace en translation celui-ci. L'appareil comprend également un circuit de commande numérique des deux moteurs électriques de façon à coordonner les déplacements conjugués en rotation et en translation de l'arbre portant le support du miroir. Une tête optique, logée en partie dans le cylindre, reçoit le faisceau laser par l'intermédiaire d'une fibre optique externe au cylindre pour le focaliser sur le miroir plan et est montée pivotante sur un axe de pivotement pour permettre son inclinaison par rapport à l'axe du cylindre. De préférence, un moteur électrique est prévu pour commander le pivotement de la tête de focalisation et est actionné par le circuit de commande numérique précité qui gère également le fonctionnement du circuit de commande d'excitation des éléments piézoélastiques. L'angle d'inclinaison de la tête de focalisation est situé dans une fourchette allant jusqu'à environ 30 de part et d'autre de l'axe du cylindre. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 est un schéma synoptique de l'appareil de traitement conforme à l'invention; et - la figure 2 représente schématiquement en développement un détail de la surface usinée d'une paroi d'alésage d'un cylindre de moteur thermique et montrant les différents profils d'empreintes réalisées par le faisceau laser. En se reportant à la figure 1, l'appareil de l'invention permettant un traitement par laser des surfaces de parois d'alésages des cylindres d'un moteur à combustion interne comprend un miroir plan 1 disposé à l'intérieur du cylindre 2 de manière à diriger le faisceau F provenant d'une source laser 3 vers la paroi de l'alésage 2a du cylindre 2 afin d'effectuer un usinage de précision de la surface de cette paroi comme on le verra ultérieurement. Le faisceau laser de la source laser 3, par exemple du type YAG ou excimère, est dirigé dans une tête optique 4 par l'intermédiaire d'une fibre optique 5 située à l'extérieur du cylindre 2, la tête optique 4 pénétrant en partie dans ce cylindre. Cette tête permet de focaliser le faisceau laser sur le miroir de renvoi 1. La tête optique 4 est montée sur un axe de pivotement permettant son inclinaison par rapport à l'axe longitudinal X-X' du cylindre 2 à une position angulaire déterminée comprise entre environ 0 et 30 de part et d'autre de cet axe. Le miroir 1, qui est de préférence incliné de 45 par rapport à l'axe XX' du cylindre 2, est disposé sur une face inclinée d'une même valeur d'un support 6 qui fait partie d'un ensemble motorisé permettant au support 6 d'être déplacé en rotation autour de l'axe X-X' et en translation suivant cet axe. L'ensemble motorisé comprend un arbre 7 disposé sensiblement coaxialement à l'axe X-X' et dont l'extrémité située à l'intérieur du cylindre 2 supporte le support 6 du miroir 1. Cet ensemble comprend également deux moteurs électriques 8, 9 reliés mécaniquement à l'autre extrémité de l'arbre 7 située à l'extérieur du cylindre 2 de façon que le moteur électrique 8 puisse entraîner en translation suivant l'axe X- X' l'arbre 7 et le moteur électrique 9 puisse entraîner en rotation cet arbre autour de l'axe X-X'. Plus précisément, le moteur électrique 8 entraîne en rotation, par l'intermédiaire d'un engrenage 10, une vis sans fin 11 sur laquelle est monté l'arbre 7 de sorte qu'une rotation de la vis sans fin 11 provoque un déplacement correspondant en translation de cet arbre. Le moteur électrique 9 entraîne en rotation l'arbre 7 autour de l'axe X-X' par l'intermédiaire d'un autre engrenage 12. Un circuit de commande numérique 13 est prévu pour commander les deux moteurs électriques asservis 8, 9 de façon à coordonner les déplacements conjugués en translation et en rotation de l'arbre 7 et donc du miroir 1. Le circuit 13 commande en outre un autre moteur électrique 14 de commande du pivotement de la tête optique de focalisation 4 à une inclinaison souhaitée. Le miroir 1 est assemblé sur la paroi inclinée du support 6 par l'intermédiaire de moyens de liaison 15 pouvant être excités de manière à permettre des déplacements très faibles du miroir 1 et déterminer ainsi des formes diverses des empreintes sur la paroi d'alésage du cylindre correspondant. De préférence, ces moyens de liaison comprennent des éléments piézoélectriques situés entre le miroir 1 et la paroi inclinée du support 6, par exemple au nombre de trois en étant alors disposés à 120 les uns des autres, et un circuit électronique de commande 16 est prévu pour fournir à chaque élément piézoélectrique 15 un signal de tension d'excitation déformant l'élément piézoélectrique pour assurer les micro-déplacements du miroir 1. Le circuit électronique 16, qui est activé par le circuit de commande numérique 13, est situé bien entendu à l'extérieur du cylindre 2 et est relié électriquement aux éléments piézoélectriques 15 par un câble électrique 17 traversant la vis sans fin 11 et donc l'arbre 7 pour aboutir aux éléments piézoélectriques 15 au travers de la paroi inclinée du support 6. La figure 2 montre des empreintes qui peuvent être réalisées par le faisceau laser au contact de la paroi du cylindre et qui sont obtenues par une combinaison des mouvements relatifs de la tête optique 4 et du miroir de renvoi 1 effectués sous le contrôle du circuit de commande numérique 13. On constate ainsi que l'appareil de l'invention permet d'obtenir l'effet de "striation" sur la paroi d'alésage du cylindre 2 en maîtrisant à la fois la profondeur, le pas et la position des stries avec la possibilité d'obtenir une profondeur différente sur une même strie et également d'obtenir des formes différentes de profil tenant compte de la vitesse de déplacement du piston dans le cylindre. Ainsi, la figure 2 montre que la zone supérieure I de la paroi interne du cylindre 2 peut être traitée par le laser de l'appareil de l'invention suivant un profil déterminé permettant d'emmagasiner autant de lubrifiant (huile) que possible, la zone sensiblement médiane II de cette paroi peut être traitée suivant un autre profil pour emmagasiner moins de lubrifiant que dans la zone I et la zone inférieure III de cette paroi peut être traitée suivant encore un autre profil différent pour emmagasiner moins de lubrifiant que les deux autres zones. Autrement dit, l'appareil de traitement de l'invention permet notamment de réaliser des formes différentes de stries à tout endroit souhaité de la paroi interne du cylindre. La souplesse d'utilisation de l'appareil de traitement de l'invention tel que décrit ci-dessus permet d'adapter le traitement optimum aux seules parties de la paroi interne de chaque cylindre concernées par les fortes contraintes de température et d'effort lors du fonctionnement du moteur thermique. L'appareil de traitement de l'invention permet de réaliser l'opération de striation, en complément de l'opération de rodage habituelle, sur les parois internes des cylindres d'un moteur thermique en maîtrisant la profondeur, le pas, la position et la forme des sillons gravés sur chacune de ses parois. La maîtrise parfaite des paramètres précités permet d'optimiser les consommations d'huile et, par conséquent, de réduire efficacement la pollution de ce moteur. REVENDICATIONS 1. Appareil de traitement par laser de la surface d'une paroi d'alésage d'un cylindre (2) par exemple ceux d'un moteur à combustion interne notamment de véhicule automobile pour un usinage de précision de cette surface, comprenant un miroir (1) disposé à l'intérieur du cylindre (2) de manière à diriger le faisceau (F) du laser vers la paroi (2a) de l'alésage du cylindre (2), caractérisé en ce que le miroir (1) est disposé sur un support (6) incliné d'un angle déterminé par rapport à l'axe (X-X') du cylindre (2) et en ce que les moyens de liaison (15) entre le miroir (1) et le support (6) peuvent être excités par un circuit de commande (16) pour permettre de faibles déplacements du miroir (1) relativement au support (6) et réaliser ainsi des empreintes de formes diverses sur la paroi de l'alésage du cylindre (2). 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de liaison précités comprennent des éléments piézoélectriques (15) et le circuit de commande (16) fournit à chaque élément piézoélectrique (15) une tension de commande de déformation de cet élément. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments piézoélectriques (15) sont au nombre de trois et sont disposés sur le support (6) à 120 les uns des autres. 4. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'angle d'inclinaison du support (6) est de 45 . 5. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support (6) du miroir (1) fait partie d'un ensemble motorisé lui permettant un déplacement en rotation autour de l'axe (X-X') du cylindre (2) et un déplacement en translation suivant cet axe. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'ensemble motorisé comprend un arbre (7) dont une extrémité à l'intérieur du cylindre (2) supporte le support (6) du miroir (1) et deux moteurs (8, 9), de préférence asservis, mécaniquement reliés à l'autre extrémité de l'arbre (7) située à l'extérieur du cylindre (2) de façon que l'un (9) des moteurs entraîne en rotation l'arbre (7) et l'autre moteur (8) déplace en translation cet arbre. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de commande numérique (13) des deux moteurs électriques (8, 9) de façon à coordonner les déplacements conjugués en translation et en rotation de l'arbre (7) portant le support (6) du miroir (1). 8. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une tête optique (4) logée en partie dans le cylindre (2), recevant le faisceau laser (F) par l'intermédiaire d'une fibre optique (5) pour le focaliser sur le miroir (1) et montée pivotante sur un axe de pivotement pour permettre son inclinaison par rapport à l'axe (X-X') du cylindre (2). 9. Appareil selon les revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu'il comprend un moteur électrique (14) de commande du pivotement de la tête optique de focalisation (4) et qui est actionné par le circuit de commande numérique (13) précité. 10. Appareil selon les revendications 2 et 7, caractérisé en ce que le circuit de commande numérique (13) gère le fonctionnement du circuit de commande des éléments piézoélectriques (15). 11. Appareil selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que l'angle d'inclinaison de la tête optique de focalisation (4) est situé dans une fourchette allant jusqu'à environ 30 de part et d'autre de l'axe (X-X') du cylindre (2).