Brevet FR2858949A1 — publié le 20050225

DISPOSITIF DE PERCUSSION PAR ULTRASONS L'usinage par ultrason par activation de particules abrasives est arrivé à maturité de développement et, de récents essais ont permis de réaliser des traitements de surfaces à partir de médias de petites tailles projetés par contact avec une masse métallique vibrante à fréquence ultrasonore. La technique la plus usuelle à ce jour consiste à utiliser comme médias des billes d'acier de diamètre inférieur à 4 mm. De plus récentes tentatives ont permis d'utiliser comme médias des tiges métalliques de diamètre maximum 4 mm et de longueur limitée à moins de 40 mm. De nombreuses difficultés n'ont pas été résolues et sont d'ordre essentiel pour le bon fonctionnement de ce type d'appareil. Premièrement, si l'on ne choisit pas des médias de masse quasi négligeable face à 15 l'élément ultrasonore de projection, la probabilité d'activer en mouvement ces médias est quasiment nulle. Deuxièmement, dans le cas oit la masse de ces médias est suffisamment faible, il est presque impossible de garantir le démarrage en mouvement de ces médias sans avoir à provoquer un premier contact sous forme de choc entre les média et la surface vibrante. Pour cela, il est nécessaire d'exercer un effort sur la surface à traiter par impacts pour forcer le dit contact, ce qui peut se révéler délicat lorsque l'on utilise une multiplicité de médias pour un seul et unique élément vibrant excitateur. Troisièmement, les ruptures de mouvement des médias sont très fréquentes dès que la surface à traiter présente des cavités de dimensions supérieures au diamètre des médias ou lorsque cette surface est constituée d'un matériau non réfléchissant à l'impact métallique. Cela réserve donc ce procédé et les appareils s'y rapportant à des traitements de surfaces métalliques parfaitement planes. Le dispositif de la présente invention entend donc résoudre les inconvénients des systèmes actuellement connus, en permettant d'entraîner en mouvement ou en vibration toute pièce à base métallique de toute taille et surface, et cela, pour une multitude d'applications. La source d'excitation est réalisée à partir d'un élément vibrant à une fréquence supérieure à 50 Hz. Plus particulièrement, la fréquence utilisée est de type ultrasonore, c'est à dire de 15000 Hz à 50000 Hz pour des raisons pratiques de dimensionnement et de bruit non audible pour l'oreille humaine. La source vibrante peut être portable ou non, et réalisée plus particulièrement selon les connaissances de la piézoélectricité ou de la magnétostriction. Des essais spécifiques ont été réalisés à partir d'une sonotrode ultrasonore de fréquence 20 kHz installée sur un appareil à ultrason portable avec une amplitude de vibration de la surface émettrice de l'ordre de 50 micromètres crête à crête. L'expérience montre que pour transmettre un mouvement à une ou plusieurs pièces réalisées dans un matériau non absorbant et de dimension de tout ordre, c'est à dire de l'aiguille de 0.5 mm de diamètre jusqu'à des éléments de structure plus encombrante et plus massive que l'appareil lui-même, il est indispensable d'utiliser un transmetteur ou plusieurs transmetteurs de mouvement. Ce transmetteur est réalisé à partir d'un matériau de préférence très rigide pour limiter la perte d'énergie par amortissement du choc. Il doit être placé de manière intermédiaire entre la source excitatrice et l'élément à mouvoir. Ce transmetteur intermédiaire de choc doit de plus être de masse très inférieure à l'élément à mouvoir et de longueur réduite au minimum. A titre d'exemple, l'optimum pour obtenir un mouvement d'une tige métallique de plusieurs millimètres de diamètre, est une bille d'acier trempée de diamètre inférieur ou égal à celui de la tige. A noter que le mouvement de ce transmetteur de choc est négligeable, voire quasiment nul, devant le mouvement de l'élément à mouvoir. Il est apparu aussi que dans le cas d'une pluralité d'éléments à mouvoir, il est recommandé d'attribuer un transmetteur à chacun des dits éléments. Grâce à ce transmetteur intermédiaire de choc, un simple mouvement permettant le contact entre le transmetteur et la surface vibrante, par gravité par exemple, garanti la mise en mouvement de l'élément à mouvoir. Il n'est aucunement besoin de garantir cet appui à travers un effort important, mais la transmission nécessite le contact décrit dans le principe du pendule des boules de Newton. Une différence fondamentale par rapport à ce principe physique d'école réside dans le fait que nous n'utilisons pas de masses équivalentes. Au contraire, pour réussir et garantir la transformation d'un mouvement vibratoire à haute fréquence de quelques dizaines de microns en un déplacement de l'ordre d'une dizaine de millimètres d'un élément à mouvoir, il est indispensable que l'élément intermédiaire de transmission de choc sans mouvement réel soit de masse très petite comparativement au dit élément. Selon une caractéristique complémentaire, dans le cas oii l'élément à mouvoir est un outil frappeur, le contact et le retour du dit outil sur le transmetteur intermédiaire, ainsi que le très faible effort de coincement de ce transmetteur par rapport à la surface excitatrice ultrasonore doivent être réalisés à l'aide d'un ressort de rappel. Le dit ressort de rappel de l'outil frappeur peut être de traction ou de compression, réalisé en acier de préférence inoxydable, et doit avoir une longueur au repos de l'ordre de 10 fois la course maximum de cet outil afm de respecter sa limite élastique. Cette longueur a par conséquence une influence directe sur la longueur de l'outil, sachant que seul le transmetteur autorise la transmission de mouvement vibratoire à des tiges de grande longueur, c'est à dire supérieure à 40 mm. Ce ressort garanti ainsi le retour de l'outil frappeur quelque soit la texture de la surface frappée. Ce ressort peut être de rigidité variable à partir d'un pas ou d'un diamètre de spire non constant, tel que notamment dans les zones de liaison ou d'arrêt mécanique. L'expérience montre qu'il est souhaitable d'augmenter sa rigidité à chacune de ses extrémités. Une réalisation particulière de ce dispositif concerne un outil de percussion fig. 1 de type burin (3) de dimension de tige d'environ 150 mm pour une section de forme quelconque de l'ordre de un à plusieurs centimètres carrés avec un élément de transmission de choc (2) de masse et de longueur très inférieures à celle du burin (3). L'élément de transmission de choc (2) est maintenu prisonnier sous effort permanent au repos ou périodiquement en travail entre la face non active du burin (3) et l'extrémité d'une sonotrode (1) d'un équipement vibratoire classique notamment ultrasonore, grâce à un ressort de rappel (4). Ce ressort (4) étant dans l'exemple un ressort de traction, il doit être de longueur maximum égale à celle du burin (3) pour autoriser un déplacement périodique sans risque de casse jusqu'à une valeur de l'ordre de la dizaine de millimètres. Ce ressort (4) est entre autre fixé à l'extrémité de travail (6) du burin (3) par soudage ou par encastrement mécanique grâce notamment à une réduction du diamètre des spires. Il faut noter que cette extrémité du burin (3) peut- être interchangeable afin de remplacer l'embout de travail pour des raisons de forme ou d'usure. L'autre côté du ressort (7) vient en butée permanente grâce à une augmentation du diamètre des spires contre un canon de guidage (5) garantissant par ailleurs la linéarité du mouvement du burin (3). La fréquence de frappe du burin est caractérisée par l'amplitude de la vibration de la sonotrode (1), par la raideur du ressort (4), et par la caractéristique de la surface frappée. Dans cet exemple le canon (5) se présente comme un porte-outil rapporté à l'appareil à ultrasons. Il est démontable à volonté afin de procéder à tout échange du burin (3) ou de l'élément de transmission de choc (2). Une autre réalisation particulière de ce dispositif concerne l'exemple de la fig.2 d'un outil de marquage (3) dont l'embout peut-être de forme quelconque. La sonotrode (6) est ici percée pour faire office de canon de guidage afin d'intégrer l'outil de percussion (3) et sa masse de transmission de choc (2) dans le but de diminuer les dimensions d'encombrement de l'ensemble de l'appareil tout en simplifiant le nombre et la complexité des différents éléments constitutifs. En effet, nous n'avons dans ce cas plus de porte-outil, et la liaison de l'élément de guidage (6) est réduite à un goujon central unique (5). La sonotrode est dans cet exemple rapportée sur la sortie vibrante (10) d'un appareil portable sous forme de crayon ou de pistolet à ultrasons couramment utilisés dans le domaine du soudage de thermoplastique. De plus, ce goujon de liaison (5) étant généralement réalisé à partir d'acier de forte dureté, il devient alors intéressant de l'utiliser comme surface de frappe de l'outil de marquage (3). Il suffit alors de placer le dit goujon (5) en contact avec l'élément de transmission de choc (2), par exemple une bille de roulement d'environ 6 mm de diamètre, et le burin (3) sous l'effort d'un ressort de rappel (4). Une autre réalisation particulière de ce dispositif est caractérisée fig. 3 et 4 par un pinceau vibrant métallique utilisant comme éléments frappeurs des tiges (3) de diamètre de 1 à 2 mm et d'une longueur d'environ 100 mm, chacune reliée individuellement et élastiquement à un transmetteur de choc (2) de diamètre équivalent. Dans cette réalisation, la qualité de traitement de surface de ce pinceau métallique est directement liée à la faiblesse de l'encombrement des ressorts de rappel (4) et des canons de guidage (5). C'est pourquoi nous avons choisi de souder les ressorts (4) sur l'extrémité (8) des tiges (3) par pointage laser. Dans le cas où l'on considère que la pièce d'usure concerne l'ensemble défini par le bloc (12) de canons (5) complété de ses éléments de percussion, il est alors possible de souder aussi la deuxième extrémité des ressorts (9) sur les embouts des canons (5). Si par contre on préfère pouvoir échanger les éléments de percussion, il suffit alors de grossir les dites extrémités (9) de ressort par apport de matière ou par variation du diamètre des spires. A noter que dans la fig.3, le bloc de canons (12) est rapporté sur un appareil à ultrason (11) d'extrémité vibrante (10) grâce à des fixations externes (13). La sonotrode (1) utilisée devra présenter une surface vibrante de forte dimension pour recouvrir la surface du pinceau. Une autre réalisation particulière concerne la réalisation d'un appareil de frappe par ondes de choc périodique sur des structures de très grandes dimensions telle que par exemple les parois d'une cuve ou d'une citerne. Bien qu'il suffisse d'amener un des dispositifs des fig.1 et 2 en contact de façon manuelle ou par l'intermédiaire d'un procédé industriel, le dispositif représenté fig.5 concerne un ensemble de percussion installé à demeure sur une structure (14) que l'on souhaiterait périodiquement faire vibrer. Pour des raisons de compacité du système suspendu à cette paroi (14), nous préférons utiliser l'émetteur ultrason (10) sans sonotrode rapportée. Cet émetteur (10) est un élément connu dans le domaine de l'industrie des ultrasons, caractérisé par la prise en sandwich de céramiques piézo-électriques (11) selon le triplet de Langevin. Dans le cas présent, le goujon central de liaison (12) de ce triplet est percé suivant son axe longitudinal pour servir de canon de guidage à la tige de percussion (3). Nous retrouvons le ressort de rappel (4) et l'élément de transmission de choc (2) en contact avec la face de travail de l'émetteur (10). Dans ce cas particulier, la tige (3) est fixée de façon solidaire par collage, soudage ou vissage à la surface de la paroi (14). 4 REVENDICATIONS 1. Dispositif de percussion utilisant le contact en ligne d'au moins 3 parties constituées par une surface génératrice de vibration haute fréquence de type notamment ultrasonore, d'une pièce intermédiaire de transmission de choc sans mouvement absolu et d'un outil mobile de percussion de forme et de dimension quelconques, maintenus en contact de façon élastique par au moins un ressort de rappel et caractérisé par le fait que la masse de la pièce intermédiaire soit très faible comparativement à celle de l'outil de percussion. L'onde de choc alors fournie par l'accélération de la surface vibrante de la source haute fréquence est transformée en un mouvement linéaire de l'outil de percussion à travers la quasi immobilité de la pièce intermédiaire avec une périodicité dépendante de la raideur du ressort de rappel, de la masse de l'élément intermédiaire et des caractéristiques de la surface frappée. 2. Dispositif de percussion utilisant le contact en ligne d'au moins 3 parties selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'outil de percussion est guidé par un canon. 3. Dispositif de percussion utilisant le contact en ligne d'au moins 3 parties selon la 20 revendication 2, caractérisé en ce que le canon est réalisé dans un porte-outils annexe à ces 3 parties constitutives. 4. Dispositif de percussion utilisant le contact en ligne d'au moins 3 parties selon la revendication 2, caractérisé en ce que le canon est réalisé à l'intérieur des éléments 25 constituant la première partie dont la surface est génératrice de vibration. 5. Dispositif de percussion utilisant le contact en ligne d'au moins 3 parties selon la revendication 4, caractérisé en ce que le canon est réalisé à l'intérieur d'une sonotrode de fréquence ultrasonore. 6. Dispositif de percussion utilisant le contact en ligne d'au moins 3 parties selon la revendication 4, caractérisé en ce que le canon est réalisé à l'intérieur d'un émetteur de fréquence ultrasonore. 7. Dispositif de percussion utilisant le contact en ligne d'au moins 3 parties selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'onde de choc est fournie par une surface interne de la sonotrode. 8. Dispositif de percussion utilisant le contact en ligne d'au moins 3 parties selon la 40 revendication 4, caractérisé en ce que l'onde de choc est fournie par une surface interne de l'émetteur. 9. Dispositif de percussion utilisant le contact en ligne d'au moins 3 parties selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'onde de choc est fournie par la surface du goujon 45 de liaison de la sonotrode sur l'émetteur. 10. Dispositif de percussion utilisant le contact en ligne d'au moins 3 parties selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'onde de choc est fournie par la surface du goujon de liaison interne de l'émetteur. 12. Dispositif de percussion utilisant le contact en ligne d'au moins 3 parties selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'onde de choc est fournie par la surface d'un élément rapporté dans la sonotrode. 13. Dispositif de percussion utilisant le contact en ligne d'au moins 3 parties selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l'on utilise une pluralité d'outils de percussion juxtaposés suivant des axes parallèles. 14. Dispositif de percussion utilisant le contact en ligne d'au moins 3 parties selon 10 l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que au moins une pièce intermédiaire de transmission de choc soit associée à chacun des outils de percussion. 15. Dispositif de percussion utilisant le contact en ligne d'au moins 3 parties selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que au moins un ressort de 15 rappel soit associé à chacun des outils de percussion. 16. Dispositif de percussion utilisant le contact en ligne d'au moins 3 parties selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que au moins un canon de guidage soit associé à chacun des outils de percussion. 17. Dispositif de percussion utilisant le contact en ligne d'au moins 3 parties selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que au moins un élément rapporté dans la sonotrode soit associé à chacun des outils de percussion. 18. Toute application, caractérisée en ce qu'elle est réalisée à partir d'un dispositif utilisant au moins l'une des revendications précédentes.