Brevet FR2791282A1 — publié le 20000929

La présente invention est relative à un procédé de nettoyage 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, des blocs moteurs, des collecteurs, des corps de pompe ou toute autre pièce. Ces pièces sont généralement obtenues par fonderie et elles nécessitent dans la majorité des cas l'utilisation de noyaux. L'évolution technique de ces procédés de fonderie tend à utiliser des pièces de formes de plus en plus fines et complexes nécessitant alors l'augmentation de la densité des noyaux à base de sable, de céramique ou de verre, ou d'utiliser des modèles fusibles tels que notamment le polystyrène. Que ce soit à base de noyau ou de modèle perdu, après la phase de démoulage de l'extérieur de la pièce, la complexité des conduits internes entraîne une solidarité du noyau dans son intégralité ou des résidus de ce modèle, dans les cavités de cette pièce. Etant donné que ces pièces sont issues de fonderie, il demeure des résidus de noyaux ou de modèles perdus, 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. Les procédés traditionnels de nettoyage de pièce utilisent diverses techniques, comme par exemple les vibrations à basse fréquence, le débourrage par secouage à partir de moteur à balourd ou par martelage pneumatique, hydraulique et même mécanique, ou encore 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 par des médias plastiques, ou encore une méthode manuelle à l'aide d'un écouvillon ou d'une brosse. Ainsi,une technique connue consiste par exemple à utiliser le procédé d'excitation d'une pièce selon les dispositions du brevet FR-2 755 038, cette pièce ayant été au préalable placée dans une enceinte de liquide. 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. 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 et qui a pour but de décoller, de fluidifier et d'extraire tout agglomérat prisonnier dans les conduits internes de la pièce à nettoyer telle que notamment une pièce réalisée en fonderie à partir de noyaux ou de modèles perdus, garantissant les avantages indéniables d'un nettoyage à sec. A cet effet, le procédé de nettoyage ou de débourrage d'une pièce de fonderie se caractérise en ce que, séparément ou en combinaison: - on excite éventuellement ladite pièce par une source vibratoire ultrasonore, permettant de décoller des résidus de matière en contact des parois de ladite pièce, cette pièce étant en appui sur une pluralité d'enclumes placées sur des moyens vibrants supportant la pièce et en contact avec une pluralité de sonotrodes, - on martèle éventuellement ladite pièce à très basse fréquence afin de provoquer une fissuration des résidus internes de grosses dimensions tels que notamment un noyau à base de sable, - on imprime éventuellement à cette pièce, par l'intermédiaire des moyens vibrants, une vibration linéaire à basse fréquence, de manière à désintégrer et fluidifier les morceaux fissurés, - on extrait éventuellement les matériaux issus de ladite pièce à l'aide d'un courant de fluide gazeux. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après. Selon un mode préféré de réalisation du procédé objet de l'invention, celui-ci consiste à mettre en oeuvre séparément ou en combinaison les étapes suivantes: - on excite la pièce par une source vibratoire sinusoïdale de fréquence ultrasonore dans une gamme de fréquence moyenne de l'ordre par exemple de 10 à 30 kHz, préférentiellement 15 à 20 kHz, afin de décoller les résidus de matière en contact des parois internes de la pièce, celle-ci ayant été obtenue par un procédé de moulage à partir de noyau à base de sable ou de céramique, ou modèle perdu ("Lost Foam"), cette pièce est notamment placée sur des moyens vibrants tels que notamment un plateau. - on frappe la pièce par des moyens de martelage pneumatiques ou mécaniques à très basse fréquence de l'ordre par exemple de 0,1 à 5 Hz pour provoquer une fissuration des résidus internes de grosses dimensions tels que notamment un noyau à base de sable, - on fait vibrer la pièce à l'aide d'une source électromagnétique dans une gamme de fréquences moyennes de l'ordre par exemple de 100 à 250 Hz permettant de désintégrer et de fluidifier les morceaux fissurés, - on extrait les résidus fluides à l'aide d'un flux, tel que par exemple de l'air, par convoyage maîtrisé à l'intérieur des conduits. Il va de soi que ces quatre étapes, correspondant en fait à quatre technologies différentes, peuvent être utilisées de façon combinée en simultanée ou en alternance dans leur globalité ou de façon partielle en fonction de l'état rhéologique des résidus de matériau du noyau à extraire. Les sources d'excitation ultrasonore sont réalisées à partir de sonotrodes de 0 10 à 60 mm en titane ou en acier, accordées à une fréquence de 10 à 30 kHz pour une amplitude de 40 à 150 pm crête/crête, fixées sur des ensembles boosters - transducteurs piezo-électriques ou magnétostrictifs et animées en mouvement par des générateurs de fréquence ultrasonore. De plus, afin d'optimiser la transmission du mouvement vibratoire au travers de la pièce, et étant donné que celle-ci dépend essentiellement de la 4 2791282 nature du contact établi entre chacune des sonotrodes et la pièce à nettoyer, il est nécessaire de piloter le couplage sonotrode-pièce à travers une variation de l'effort de pression ainsi qu'à travers une variation d'amplitude du mouvement vibratoire ultrasonore. Ce balayage de pression et d'amplitude garantit entre autres d'obtenir périodiquement le passage par une mise en vibration optimale de la pièce malgré les différences de comportement vibratoire d'une série de pièces, liées aux écarts de fabrication. On peut ainsi piloter les sonotrodes au contact de la pièce, en imprimant à celles-ci une oscillation ou une pulsation à fréquence inférieure à la source ultrasonore de l'amplitude de vibration de ces sonotrodes. A titre d'exemple, on a obtenu d'excellents résultats en pilotant les sonotrodes au contact de la pièce, en imprimant à celles-ci une oscillation à basse fréquence de l'ordre de 0,5 Hz de l'effort de pression entre deux seuils compris entre 100 à 1000 N préalablement établis par tests de capacité d'énergie vibratoire de la pièce. Cette transmission de mouvement vibratoire de la pièce sur la fréquence ultrasonore d'excitation et sur ces fréquences propres de vibration, nécessite de plus des excitations ponctuelles judicieusement placées. Pour cela, il est indispensable de placer des enclumes métalliques, avec une faible surface de contact, en opposition au point d'impact de la source ultrasonore et ce, avec un entrefer le plus faible possible afin de garantir une excitation ponctuelle tout en conservant la majeure partie des parois, de la pièce à faire vibrer, libre de tout mouvement vibratoire. Afin de ne pas transmettre la vibration à la structure de la machine et afin de conserver ce caractère de liberté de vibration, ces enclumes doivent être isolées du chassis à l'aide d'un élément légèrement élastique tel qu'une pièce en polyuréthane ou un vérin pneumatique, au même titre que l'ensemble acoustique sonotrode/booster/ transducteur. En variante, on peut également piloter la variation de pression nécessaire au couplage en fréquences de la pièce, en imprimant une oscillation aux enclumes. 2791282 Toutes les conditions évoquées ci-dessus sont nécessaires à l'obtention d'une parfaite désolidarisation du noyau dans sa globalité ou sous forme de résidus, par une mise en mouvement vibratoire des parois de la pièce à nettoyer. Les sources d'excitation à basse fréquence nécessaires à la fissuration des masses importantes de noyau, telles que notamment dans le cas des noyaux en sable, sont réalisées à partir de système de martelage pneumatique de très basse fréquence de l'ordre de 0,1 à 5 Hz. Le résultat dans le cas présent dépend essentiellement de l'onde de choc fournie à la pièce ce qui implique donc de définir les conditions du contact entre le marteau et la pièce, telles que notamment la vitesse de collision et la masse embarquée, cette masse embarquée étant définie de façon proportionnelle à la masse propre de la pièce à nettoyer avec son noyau ou ses résidus de noyau. Le martelage peut être imprimé à la pièce par au moins une des sonotrodes ou au moins une des enclumes supportant ladite pièce. Une réalisation judicieuse pour générer ce mouvement nécessaire à la fissuration est d'utiliser les ensembles pneumatiques des sources ultrasonores ou de leurs enclumes pour obtenir le martelage souhaité par pilotage alternatif de la commande du ou des distributeurs pneumatiques avec ajustement des régulateurs de pression et de débit. La source de vibration nécessaire à la désintégration des résidus jusqu'à une fluidification autorisant l'extraction est réalisée à partir d'une vibration linéaire de fréquence comprise entre 100 et 250 Hz, d'amplitude 1 à 4 mm crête/crête, obtenue à l'aide d'un système mécanique accordé sur la fréquence choisie et excité alternativement par deux électroaimants à travers un générateur basse fréquence. Cette vibration linéaire, peut être orientée suivant un axe horizontal ou un axe vertical en fonction de la forme de la pièce et de l'écoulement des conduits. La pièce doit donc être fixée de façon solidaire à l'élément vibrant par le dessus ou par une des faces latérales afin de favoriser un écoulement par gravité, c'est-à-dire par le dessous. Compte tenu de la masse parfois très 6; 2791282 importante du noyau, notamment pour les noyaux à base de sable, il est indispensable de doter le générateur de fréquence d'un contrôle automatique de fréquence permettant dans un premier temps une syntonisation de ce dernier sur la fréquence mécanique de l'ensemble vibrant avec la masse de la pièce à vibrer et, dans un deuxième temps, de suivre en temps réel l'augmentation de cette fréquence proportionnellement à la perte de masse due à l'écoulement du matériau progressivement libéré, et cela dans le but d'optimiser le rendement lié au transfert de l'énergie électromagnétique en énergie mécanique. Le flux de convoyage du matériau des résidus de noyau désintégrés est obtenu à l'aide d'un système combiné de soufflage et d'aspiration garantissant le type d'écoulement désiré. Pour cela, il convient par exemple d'utiliser une centrale d'aspiration garantissant une vitesse d'écoulement supérieure par exemple à 20 m/s, et notamment comprise dans la fourchette de 20 à 80 m/s, pour un débit correspondant aux sections des conduits à nettoyer, que l'on complétera de façon judicieuse par un système de soufflage alimenté en air comprimé en installant des buses calibrées à l'entrée de chaque orifice opposé à la ou aux sorties connectées à l'aspiration. Cet apport d'air comprimé a pour rôle de compenser les pertes de charges liées aux trajectoires parfois tortueuses des conduits et doit être contrôlé en amont en pression et en section de passage afin d'être équivalent au débit d'extraction par aspiration pour éviter tout refoulement. Ces systèmes d'aspiration et de soufflage doivent être installés au plus près des orifices des conduits afin de limiter au maximum les volumes intermédiaires pour garantir un minimum de perte de charge et sont par exemple situés dans une enceinte enveloppant la pièce seule ou avec les moyens de vibration, les sources ultrasonores, les moyens de martelage, notamment pneumatiques ou mécaniques, le plateau vibrant. Cette enceinte maintenue sous une atmosphère en dépression, garantit l'évacuation des résidus provenant de la pièce de fonderie. Dans le cas de pièce volumineuse, il est nécessaire de réduire le volume soumis à la dépression, en limitant le passage du flux à un espace de quelques millimètres recouvrant toute l'enveloppe tridimensionnelle externe de la pièce. A noter qu'il peut être très utile d'augmenter la température de l'air en circulation, proche d'une température comprise dans un intervalle de 50 C à 200 C, préférentiellement voisine de 80 C, dans le cas o les résidus seraient encore dans un état humide en fonction des différents traitement préventifs, afin d'optimiser la qualité de l'écoulement de ces résidus. La présente invention telle que décrite précédemment offre de multiples avantages car, en associant des phases,d'excitation par ultrasons, de martelage, de mise en vibration et d'évacuation des résidus par un fluide, elle garantit l'obtention d'un nettoyage ou d'un débourrage optimal de la pièce, tout en conciliant les impératifs liés à une production industrielle de moyenne et grande série. Ce procédé est de même applicable en tant que procédé de contrôle permettant de vérifier la qualité de nettoyage obtenue à partir de techniques classiques. Il 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. 8 2791282 REVENDICATIONS 1 - Procédé de nettoyage ou de débourrage d'une pièce de fonderie, caractérisé en ce que, séparément ou en combinaison: - on excite éventuellement ladite pièce par une source vibratoire ultrasonore, permettant de décoller des résidus de matière en contact des parois de ladite pièce, cette pièce étant en appui sur une pluralité d'enclumes placées sur des moyens vibrants supportant la pièce et en contact avec une pluralité de sonotrodes, - on martèle éventuellement ladite pièce à très basse fréquence afin de provoquer une fissuration des résidus internes de grosses dimensions tels que notamment un noyau à base de sable, - on imprime éventuellement à cette pièce, par l'intermédiaire des moyens vibrants, une vibration linéaire à basse fréquence, de manière à désintégrer et fluidifier les morceaux fissurés, - on extrait éventuellement les matériaux issus de ladite pièce à l'aide d'un courant de fluide. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on excite la pièce par une source vibratoire de type notamment sinusoïdale ou pulsée de fréquence ultrasonore. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la fréquence ultrasonore est choisie dans la gamme de 10 à 30 kHz. 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la fréquence ultrasonore est choisie dans la gamme de 15 à 20 kHz. 5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le martelage est opéré à une fréquence comprise entre 0,1 à 5 Hz. 6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le martelage est assuré par au moins une sonotrode. 7 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le martelage est assuré par au moins une enclume. 8 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence de la vibration linéaire appliquée à la pièce est comprise dans la gamme de 100 à 250 Hz. 9n 2791282 9 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on pilote les sonotrodes au contact de la pièce, en imprimant à celles-ci une oscillation à basse fréquence de l'ordre de 0,5 Hz de l'effort de pression entre deux seuils compris entre 100 à 1000 N environ. 10 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on pilote les enclumes au contact de la pièce, en imprimant à celles-ci une oscillation à basse fréquence de l'ordre de 0,5 Hz de l'effort de pression entre deux seuils compris entre 100 à 1000 N environ. 11 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on pilote les sonotrodes au contact de la pièce, en imprimant à celles-ci une oscillation ou une pulsation à fréquence inférieure à la source ultrasonore de l'amplitude de vibration de ces sonotrodes. 12 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extraction des résidus de la pièce par le courant de fluide est obtenu à I'aide d'un système combiné de soufflage et d'aspiration, dont la vitesse d'écoulement est comprise dans l'intervalle de 20 m/s à 80 mis. 13 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant de fluide est réchauffé à une température comprise entre 50 et 200 C, afin d'assécher les matériaux à extraire de la pièce. 14 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant fluide est limité à un passage dans les conduits internes de la pièce et à un espace de quelques millimètres couvrant l'enveloppe externe de ladite pièce.