Brevet FR2784463A1 — publié le 20000414

PROCÉDÉ ET DISPOSITIF POUR LE CONTROLE MÉCANIQUE DE LA TÊTE DE SOUPAPES CÉRAMIQUES L'invention concerne un procédé de contrôle de ttes de soupapes céramiques de passage des gaz pour des moteurs à combustion interne, ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. En présence d'une sollicitation mécanique, des matériaux céramiques sont défaillants en des emplacements de défauts qui peuvent tre aussi bien des défauts de frittage naturels que des défauts résultant du traitement, comme des fissures de meulage ou des fissures induites thermiquement. Selon le type de sollicitation, ce sont des défauts en surface ou des défauts en volume qui sont décisifs pour la défaillance. Pour des motifs de coût, des soupapes d'admission et d'échappement en nitrure de silicium (Si3N4), doivent, lors de leur fabrication à partir de l'ébauche frittée, tre meulées avec des meules en diamant à haute vitesse de coupe et haute puissance d'enlèvement de copeaux. Ceci signifie que des défauts se produisent en surface et dans la zone de bordure proche de la surface. II peut s'agir de fissures, de parties du matériau disloquées et de stries de meulage profondes. Ces défauts ne sont que partiellement éliminés lors du meulage fin. Mais généralement, il subsiste également dans le matériau des fissures de meulage. La défaillance de soupapes céramiques d'admission et d'échappement se produit souvent en exploitation dans la zone de bordure de la tte de soupape. Le contrôle spécifique de la bordure de la tte de soupape après fabrication des soupapes est donc une mission prioritaire de l'assurance qualité. II ne peut s'exécuter, ou seulement moyennant une dépense très importante, avec des méthodes de contrôle non destructives. A partir du document JP-3 264 713 A, il est connu de contrôler des soupapes céramiques au moyen d'un essai de traction. Dans ce but, on bride dans des réceptacles appropriés d'une part la tte de soupape et d'autre part la tige de soupape. L'invention a donc pour but de mettre à disposition un procédé de contrôle et/ou un dispositif avec lequel on puisse contrôler plus simplement les soupapes céramiques, avec lequel en particulier on puisse observer plus simplement le comportement à la rupture et l'origine de la rupture et avec lequel on puisse ainsi déterminer, en grandeur et effet, des défauts résultant du traitement, au moyen d'une mesure de résistance. Selon l'invention, on atteint ce but au moyen d'un procédé de contrôle de ttes de soupapes céramiques de passage des gaz pour moteurs à combustion interne, caractérisé par les pas de procédé suivants : on choisit trois positions de contrainte à l'intérieur de la demi-périphérie de la tte de soupape, on exerce, avec des moyens de contrainte, une compression en deux positions de contrainte prévues sur la face de la tte de soupape située en face du siège de soupape, on exerce, avec des moyens de contrainte, une compression en une position de contrainte prévue sur la face de la tte de soupape opposée au siège de soupape, les positions de contrainte se situent dans la zone radialement extérieure de la tte de soupape, en particulier dans la zone du siège de soupape, et l'une des positions de contrainte se situe entre les deux autres positions de contrainte. On charge donc une tte de soupape, sur une partie de sa zone de bordure inférieure à la demi-périphérie en flexion de façon que la face de la tte de soupape, en forme de tronc de cône et située en face du siège de soupape, soit contrainte en traction. Avec des moyens de contrainte, on y exerce une compression, en particulier selon la direction axiale, en une première position de contrainte de soupape, sur la face de la tte de soupape opposée au siège de soupape, et une contre-pression en deux positions de contrainte sur la face située en face du siège. Vu selon la direction périphérique, les deux positions de contrainte de la face située en face du siège de soupape se situent au-delà et en deçà de la position de contrainte prévue sur la face opposée au siège de soupape. Les trois positions de contrainte se trouvent à l'intérieur d'une zone qui correspond à la demi-périphérie de la tte de soupape. De préférence, les trois positions de contrainte peuvent se trouver à l'intérieur d'une zone plus étroite, correspondant au sixième et jusqu'à un douzième de la périphérie. De cette façon, cette zone de la tete de soupape est localement contrainte en flexion, la face située en face du siège de soupape étant contrainte en traction, de sorte que l'on provoque une défaillance de la tte de soupape proche de la réalité et reproductible. Au lieu de cônes ou de billes, qui produisent des positions de compression ponctuelles, on peut employer comme moyens de contrainte des galets de forme cylindrique ou de forme tronconique qui provoquent la contrainte le long d'une génératrice de la tte de soupape. Les positions de contrainte y sont des lignes de contact. Ces lignes de contact sont orientées de préférence radialement sur la face opposée au siège de soupape. Les deux lignes de contact sur la face située en face du siège de soupape peuvent tre symétriques l'une de l'autre par rapport à un plan axial passant par la première ligne de contact. Une orientation radiale de ces lignes de contact est toutefois également envisageable. A la périphérie diamétralement opposée de la tte de soupape se trouvent des butées pour maintenir ou fixer radialement la tte de soupape par rapport aux moyens de contrainte. Dans le cas d'une conception appropriée des positions de compression, les deux lignes de contact sur la face située en face du siège de soupape peuvent tre plus courtes que la largeur de la bordure de la tte de soupape. On met en oeuvre le procédé au moyen d'un dispositif comportant un support pour la tte de soupape et un poinçon de compression pour exercer une force de compression sur la tte de soupape, caractérisé par le fait que le support est conçu pour recevoir la face de la tte de soupape située en face du siège, que le support présente deux moyens de contrainte qui, à l'intérieur d'une demi-périphérie, agissent sur la face située en face du siège de soupape, dans la zone radialement extérieure de la tte de soupape, en particulier dans la zone du siège de soupape, et que, sur la face de la tte de soupape opposée au siège de soupape est prévu un autre moyen de contrainte qui se situe entre les deux moyens de contrainte mentionnés en premier lieu et dans la zone radialement extérieure de la tte de soupape. Ce dispositif d'essai en flexion présente un support et un poinçon de compression. Le support est équipé, sur la face de la tte de soupape située en face du siège de soupape, de deux galets de contrainte disposés symétriquement par rapport à un plan axial. Un galet de butée se trouve sur la face diamétralement opposée par rapport aux deux galets de contrainte. De préférence, les moyens de contrainte sont des galets de contrainte, des cônes de contrainte ou des billes de contrainte. De préférence, les galets de contrainte sont orientés radialement. De préférence, les moyens de contrainte qui agissent sur la première face de la tte de soupape sont disposés symétriquement par rapport à un plan contenant 1'axe de la tige de soupape. De préférence, la longueur des galets de contrainte vaut 2 mm à 10 mm, en particulier 2,5 à 8 mm, de préférence 4 mm à 6 mm. De préférence, les deux galets de contrainte qui s'appliquent contre la face de la tte de soupape située en face du siège de soupape sont disposés chacun décalés d'un angle de 15 a 30 selon la direction périphérique par rapport à l'autre galet de contrainte qui s'applique sur la face de la tte de soupape opposée au siège de soupape. De préférence, I'angle entre le plan de la tte de soupape et l'axe du galet de contrainte vaut entre 25 et 65 , en particulier 45 . De préférence, les moyens de contrainte prévus dans le support sont placés dans des évidements d'une garniture insérée échangeable. De préférence, le poinçon de compression présente un galet de compression et un galet de butée qui sont orientés radialement et sont situés diamétralement opposés l'un à l'autre. De préférence, vu selon la direction axiale, les galets de butée du poinçon de compression et du support sont disposés l'un audessus de l'autre. De préférence, les galets présentent un diamètre qui correspond à 5% à 15% du diamètre de la tte de soupape. D'autres avantages, caractéristiques et détails de l'invention résultent de la description qui suit dans laquelle est décrit en détail un exemple de réalisation particulièrement préféré en se référant aux dessins. Les caractéristiques représentées sur le dessin et mentionnées dans les revendications ainsi que dans la description peuvent tre essentielles pour l'invention individuellement en soi, ou en combinaison quelconque. Sur les dessins : La figure 1 est une vue latérale schématique du dispositif de compression conforme à l'invention. La figure 2 est une coupe II-II du dispositif selon la figure 1. La figure 3 est une coupe 111-111 du dispositif selon la figure 2. La figure 4 est une analyse aux éléments finis de la contrainte principale maximale d'une variante de disposition ; et La figure 5 est un tableau à entrées paramétriques pour le dispositif de compression. Le dispositif de compression qui est représenté sur les figures 1 à 3 et peut tre employé dans une machine d'essai universelle du commerce est constitué d'un poinçon de compression 1 et d'un support 2 qui sont disposés dans un bâti 3. Le support 2 présente un évidement 4 en forme de tronc de cône correspondant à une tte de soupape 19 (figure 4) et un perçage cylindrique correspondant à une tige de soupape 20 pour recevoir la face 21 de la tte de soupape 19 située en face du siège de soupape. Le support proprement dit 2 pour la tte de soupape 19 est constitué de trois galets 6,7 et 17, comme on le voit sur la figure 3. Les galets 6,7 et 17 sont eux-mmes placés dans des évidements 9, de forme semicylindrique, d'un soutien 10. Au lieu que le support 2 soit prévu monobloc, il est avantageux de munir le support 11 d'évidements dans lesquels peuvent s'insérer des garnitures échangeables 12. Les garnitures insérées 12 peuvent s'échanger de sorte que l'on peut employer les garnitures 12 appropriées pour des galets 6,7 et 17 de diamètres différents, sur des rayons différents, c'est-à-dire à des distances différentes de la tige de soupape 20 et avec des angles d'inclinaison ss différents. Sous le terme angle d'inclinaison P, il faut comprendre l'angle entre le plan 13 de la tte de soupape 19 et l'axe du galet 6,7 ou 17. La figure 3 représente les deux galets 6,7 ou 17 dont les axes longitudinaux sont orientés selon la direction radiale par rapport à l'axe 14 de la soupape. Les deux galets 6 et 7 font entre eux un angle 2 x a, désigné sous le nom d'angle d'ouverture, de 30 En outre, ils sont situés symétriquement par rapport à un plan vertical 15 passant par le galet 17. L'angle a entre les galets 6 et le plan 15 ou entre le galet 7 et le plan 15 vaut donc chaque fois 15 On peut régler cet angle a en employant des garnitures insérées 12 différentes qui reçoivent les galets 6 et 7 sous des angles a différents. Comme on le voit sur la figure 2, on peut régler I'angle d'inclinaison P au moyen de garnitures insérées 12 présentant des évidements 9 plus ou moins obliques. On peut envisager des angles d'inclinaison ss valant entre 25 et 65 . La figure 2 représente une forme de réalisation avec un angle d'inclinaison ss de 45 . Le poinçon de compression 1 est équipé de deux galets 8 et 16, à savoir du galet de contrainte 8 et d'un galet de butée 16. Ces deux galets 8,16 sont orientés radialement et sont situés diamétralement opposés l'un à l'autre. Le poinçon de compression 1 est disposé au-dessus du support 2 de façon telle que, vu selon la direction axiale, le galet de butée 16 se trouve au-dessus du galet de butée 17 du support 2. Vu selon la direction axiale, le galet de contrainte 8 du poinçon de compression 1 se trouve au milieu entre les deux galets de contrainte 6 et 7 du support 2. Dans la forme de réalisation représentée sur le dessin, tous les galets de contrainte 6 à 8 et les galets de butée 16 et 17 sont orientés radialement. Mais les axes des galets 6 à 8,16,17 et par conséquent leurs génératrices peuvent également se situer angulairement par rapport au rayon respectif. Au lieu de galets cylindriques 6 à 8,16,17, on peut également employer des galets de forme tronconique qui se placent dans des évidements 9 du support 2 de forme tronconique appropriée. Pour améliorer la reproductibilité du comportement à la rupture des soupapes céramiques 18 testées, d'une part, dans une analyse mécanique par ordinateur, on étudie l'un-par rapport à l'autre des paramètres déterminants comme la longueur 1 des galets 6 à 8,16,17 et l'angle d'ouverture (2 a) des galets 6,7, et d'autre part, on compense les résultats d'une analyse aux éléments finis par des effets réels sur le dispositif d'essai en flexion décrit ci-dessus. Exemple 1 : Analyse mécanique sur la soupape céramique On a procédé à une analyse aux éléments finis sur une soupape d'admission d'un diamètre de 34 mm. La charge valait 9,8 kN, le module d'élasticité 300 GPa et le nombre de Poisson 0,27. La longueur de compression l des galets a été prise à 8 mm. Lors de l'analyse en élasticité linéaire, on a employé des éléments finis (FE) 3D d'expression quadratique. Le modèle de calcul possède 13332 degrés de liberté. Pour des motifs de symétrie, on ne tient compte dans le calcul que de la moitié de la géométrie. Sur la figure 4 est reproduite la répartition de la plus grande contrainte principale en MPa (N/mm2) pour une longueur de compression I de 8 mm et un angle a de 20 degrés. On voit que d'importantes contraintes apparaissent aussi bien dans la zone de bordure de la tte de soupape 19 que dans la partie intérieure de la tte de soupape 19, dans une zone 23, et au voisinage des galets d'appui 16 et 17. Jusqu'à une distance d'environ 8 mm de la bordure, dans une zone 25, les contraintes de traction dépassent une valeur de 430 MPa. La contrainte de traction maximale vaut 1080 MPa dans une zone 24 située en-dessous du galet de contrainte médian 8 et la contrainte de rupture de 900 MPa est atteinte à une distance d'environ 4 mm de la bordure. La zone contrainte en traction ne contient pas seulement la bordure de la tte de soupape, mais également des zones qui sont éloignées de la bordure de la tte : Cette analyse aux éléments finis FE donne un comportement à la rupture non reproductible. Les résultats des essais sur le dispositif d'essai à la flexion coïncident avec cette analyse aux éléments finis FE. Exemple 2 : Analyse mécanique dans une soupape avec modification de l'origine de la charge La contrainte et les données concernant le matériau correspondent à celles de 1'exemple 1. Sont modifiés les longueurs de compression 1 des galets 6 à 8,16,17 et l'angle d'ouverture 2a. Les valeurs des paramètres sont regroupés sur la figure 5. La comparaison des analyses aux éléments finis FE dans le cas des valeurs paramétriques 2,3 et 4 du tableau montre que pour un raccourcissement de la longueur de compression I de 8 mm à 2,5 mm, la bordure de la tte de soupape est contrainte plus fortement et de façon plus localisée. L'analyse aux éléments finis FE montre également qu'une augmentation de 1'angle d'ouverture 2a des galets 6 à 7 de 40 à 60 conduit à un niveau de contrainte plus élevée et que la zone fortement sujette à rupture s'étend plus loin à l'intérieur de la tte de soupape. Par contre, une diminution de l'angle d'ouverture 2a de 40 à 30 opère sur la bordure de la tte de soupape une contrainte du matériau très élevée et étroitement limitée. L'étude par le calcul conduit à une application optimale de la charge pour une longueur de compression 1 des galets raccourcie et pour un angle d'ouverture plus faible 2a pour les galets 6 et 7. Pour étudier expérimentalement l'influence d'un raccourcissement de la longueur de compression I sur le comportement à la rupture de la bordure de la soupape, on a employé des galets de compression meutes obliquement d'un diamètre de 8 mm sur un roulement à rouleaux. La longueur de compression 1 vaut environ 4 mm. Les essais confirment la prévision par le calcul. La zone de rupture est limitée à la bordure de la tte de soupape. La charge de rupture varie entre 12 kN et 15 kN. La surface de rupture représente une surface d'environ 10 x 15 mm2. Ces exemples montrent que la saisie, par le calcul, du comportement mécanique de soupapes céramiques 18 et les essais destructifs par flexion par compression en trois points permettent d'optimiser l'application de la charge dans la bordure de la tte de soupape. Du fait de la contrainte locale élevée, on obtient un comportement à la rupture, contrôlé et reproductible, de la soupape 18. Les essais montrent qu'avec le nouveau dispositif d'essai, on peut procéder à six essais par soupape 18. Le nombre des soupapes 18 étudiées peut donc tre réduit à la moitié du nombre précédent. Il en résulte une série de possibilités d'essais, comme par exemple : -essais multiples sur une soupape 18 (environ six essais par soupape 18), -mesure de l'influence de défauts définis sur la résistance ; par exemple fissures mises en oeuvre de façon définie par des empreintes dures, mesure de l'effet de pores sur la résistance, -optimisation du processus de meulage par mesure de la résistance à la rupture sur une pièce présentant des surfaces techniques, -mesure du comportement au vieillissement et de la limite d'endurance en cas de contrainte cyclique. Enfin on peut faire varier les dimensions et la disposition du dispositif d'essai à la flexion dans le cadre de l'invention de façon que le procédé puisse s'employer de façon universelle pour le contrôle de soupapes 18 de différentes dimensions. REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle de ttes de soupapes céramiques (18) de passage des gaz pour moteurs à combustion interne, caractérisé par les pas de procédé suivants : -on choisit trois positions de contrainte à l'intérieur de la demi-périphérie de la tte de soupape (19), -on exerce, avec des moyens de contrainte, une compression en deux positions de contrainte prévues sur la face (21) de la tte de soupape (19) située en face du siège de soupape, -on exerce, avec des moyens de contrainte, une compression en une position de contrainte prévue sur la face (22) de la tte de soupape (19) opposée au siège de soupape, -les positions de contrainte se situent dans la zone radialement extérieure de la tte de soupape (19), en particulier dans la zone du siège de soupape, et -1'une des positions de contrainte se situe entre les deux autres positions de contrainte. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la face (21) de la tte de soupape (19) située en face du siège de soupape est contrainte en traction. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'avec au moins un moyen de contrainte on exerce, sur au moins l'une des faces (21,22) de la tte de soupape (19) une pression orientée selon la direction de l'axe de la soupape. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'avec au moins un moyen de contrainte on exerce, sur au moins l'une des faces (21,22) de la tte de soupape (19), une pression orientée selon la direction orthogonale à la surface en question. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'avec les moyens de contrainte on exerce, sur la tte de soupape (19) une contrainte ponctuelle, linéaire ou surfacique. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que dans le cas d'une contrainte linéaire, la ligne de contrainte d'au moins un moyen de contrainte est orientée radialement. 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que dans le cas d'une contrainte linéaire, les lignes de contrainte des deux moyens de contrainte qui s'exercent sur la première face (21 ou 22) de la tte de soupape (19) sont disposées symétriquement par rapport à un plan contenant l'axe (14) de la tige de soupape (20). 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la tige de soupape (19) est appuyée radialement, ou fixée, sur sa face à peu près diamétralement opposée aux positions de contrainte. 9. Dispositif de mise en oeuvre d'un procédé selon l'une des revendications précédentes, comportant un support (2) pour la tte de soupape (19) et un poinçon de compression (1) pour exercer une force de compression sur la tte de soupape (19), caractérisé par le fait que le support (2) est conçu pour recevoir la face (21) de la tte de soupape (19) située en face du siège, que le support (2) présente deux moyens de contrainte qui, à l'intérieur d'une demi-périphérie, agissent sur la face (21) située en face du siège de soupape, dans la zone radialement extérieure de la tte de soupape (19), en particulier dans la zone du siège de soupape, et que, sur la face (22) de la tte de soupape (19) opposée au siège de soupape est prévu un autre moyen de contrainte qui se situe entre les deux moyens de contrainte mentionnés en premier lieu et dans la zone radialement extérieure de la tte de soupape (19). 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que les moyens de contrainte sont des galets de contrainte (6 à 8), des cônes de contrainte ou des billes de contrainte. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé par le fait que les galets de contrainte (6 à 8) sont orientés radialement. 12. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé par le fait que les moyens de contrainte qui agissent sur la première face de la tte de soupape (19) sont disposés symétriquement par rapport à un plan contenant l'axe (14) de la tige de soupape (20). 13. Dispositif selon la revendication 10 ou 11, caractérisé par le fait que la longueur (1) des galets de contrainte (6 à 8) vaut 2 mm à 10 mm, en particulier 2,5 à 8 mm, de préférence 4 mm à 6 mm. 14. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisé par le fait que les lignes de contrainte des galets de contrainte (6 à 8) sont plus courtes que la largeur de la bordure de la tte de soupape (19). 15. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 14, caractérisé par le fait que les deux galets de contrainte (6 et 7) qui s'appliquent contre la face (21) de la tte de soupape (19) située en face du siège de soupape sont disposés chacun décalés d'un angle (ss) de 15 à 30 selon la direction périphérique par rapport à l'autre galet de contrainte (8) qui s'applique sur la face (22) de la tte de soupape (19) opposée au siège de soupape. 16. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 15, caractérisé par le fait que l'angle (R) entre le plan de la tte de soupape (19) et l'axe du galet de contrainte (6,7) vaut entre 25 et 65 , en particulier 45 . 17. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 16, caractérisé par le fait que les moyens de contrainte prévus dans le support (2) sont placés dans des évidements (9) d'une garniture insérée échangeable (12). 18. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 17, caractérisé par le fait que le poinçon de compression (1) présente un galet de compression (8) et un galet de butée (16) qui sont orientés radialement et sont situés diamétralement opposés l'un à l'autre. 19. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 18, caractérisé par le fait que, vu selon la direction axiale, les galets de butée (16 et 17) du poinçon de compression (1) et du support (2) sont disposés l'un au-dessus de l'autre. 20. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 19, caractérisé par le fait que les galets (6,7,8,16,17) présentent un diamètre qui correspond à 5% à 15% du diamètre de la tte de soupape (19).