Brevet FR3039276A1 — publié le 20170127

PROCEDE DE TRAITEMENT ET DE CONTROLE D'UNE SURFACE PRECONTRAINTE L'invention se rapporte à un procédé pour contrôler, sur une pièce, au moins une zone traitée par grenaillage. Est également concerné un procédé de traitement de surface, y compris pour une réparation, d'une pièce présentant au moins une surface précontrainte, qui a pu être grenaillée. Le domaine des pièces aéronautiques, et spécifiquement des 10 moteurs, est particulièrement visé, compte tenu des exigences de fabrication et de sécurité qui y sont imposées. Notamment dans ce domaine, il est connu de procéder à un grenaillage local de pièces. Il faut ensuite contrôler la pièce grenaillée, ceci dans des conditions 15 de sécurité, de fiabilité, de résultats et de standardisation adaptées à des interventions récurrentes. A cette fin, l'invention propose de contrôler, sur une telle pièce, au moins une zone traitée par grenaillage où la pièce présente une surface optiquement réfléchissante et sur au moins une partie de laquelle le 20 grenaillage serait défectueux, en intervenant comme suit: - on place d'un premier côté de la zone traitée de la pièce une mire, - on place d'un second côté de la zone traitée de la pièce opposé au premier côté une caméra, - on fait observer par la caméra la réflexion, dans ladite zone traitée de la 25 pièce, d'au moins un point source lumineux situé sur la mire, - on mesure le champ des pentes locales, dans ladite zone de réflexion, - et on en déduit si le grenaillage est ou non défectueux sur tout ou partie de ladite zone. De façon conventionnelle, une mesure « de champ » est à 30 considérer par opposition à : « ponctuelles ». Des détails de cette technique sont fournis dans l'article « Les techniques optiques de mesure 3039276 2 de champ : essai de classification » d'Yves Surrel / Techlab, soumis à 12M, le 4 janvier 2005 et accessible à l'adresse : « http://starpsi.free.fr/TIPE/ressources_tipe/BoYoEEte%20%E0Y020id%E9e/ optique_vision_imagerie/Classification_mesure%200ptique.pdf » 5 Une ou plusieurs caméras permettent d'avoir accès à des cartographies de grandeurs physiques comme les déplacements, les déformations, les pentes, les courbures ou les coordonnées des points d'une surface. Dans notre cas, une difficulté peut se trouver dans la discrimination de zones de référence sur la mire. Aussi est-il proposé d'utiliser de préférence une mire plane présentant une succession de traits de deux couleurs différentes, alternativement. Et si on utilise une mire à période horizontale, on pourra connaître l'ordonnée des points source lumineux sur la mire et mesurer l'abscisse des points émetteurs. Il s'avère par ailleurs qu'on arrive mal en pratique à discriminer des zones à surface grenaillée de celles qui ne le sont pas, ou imparfaitement. La frontière délimitée entre une surface grenaillée et une surface qui ne l'est pas est très difficile à détecter. Une solution ici proposée est : - de faire observer par la caméra précitée la réflexion, sur plusieurs parties de ladite zone, y compris une partie où un grenaillage approprié est supposé avoir été conduit, et d'y mesurer les champs des pentes locales, - puis d'en déduire si le grenaillage est ou non défectueux sur tout ou partie de ladite zone, en comparant pour cela les mesures des champs des pentes locales. Concernant le grenaillage, il est par ailleurs prévu de le mettre en oeuvre dans les conditions ci-après, pour un traitement de surface d'une pièce présentant au moins une surface précontrainte. Outre par exemple lors de la fabrication de la pièce, en fin de 3039276 3 laquelle un grenaillage peut être décidé, un tel traitement de surface peut être à réaliser en réparation. En effet, en particulier lors du fonctionnement des moteurs aéronautiques, et spécifiquement des moteurs à turbine à gaz, il arrive que 5 certaines faces, ou surfaces, de pièces soient très légèrement endommagées par différents impacts occasionnés par des collisions d'objets de petite taille. Souvent suite à un contrôle périodique, une réparation est alors décidée. Mais l'intervention de réparation peut être alors à réaliser sur une surface précontrainte. Ceci rend délicat tant la 10 réparation que son contrôle. C'est dans un tel contexte qu'est ici proposé un procédé de traitement de surface se déroulant comme suit : - on effectue un adoucissement mécanique sur ladite surface précontrainte, - on effectue un grenaillage sur ladite surface adoucie, 15 - et on contrôle ladite surface adoucie grenaillée, qui est au moins en partie optiquement réfléchissante, par le procédé de contrôle précité. Autant le fait d'avoir pratiqué l'adoucissement mécanique, tel un toilage de la surface, aura supprimé la partie contrainte sur une profondeur de quelques centièmes de millimètre, autant le grenaillage aura rétabli la 20 contrainte dans cette surface. Quant au procédé de contrôle précité, il aura permis d'en vérifier la qualité, l'étendue, et de discriminer les zones grenaillée des autres, si nécessaire. Pour sécuriser le grenaillage et d'autres avantages exposés ci-après, il est conseillé de l'effectuer par ultra-sons. 25 Par ailleurs, jusqu'à présent, il avait été considéré que les techniques de contrôle d'un grenaillage étaient incompatibles avec l'opération en elle-même et que les interventions devaient se succéder. Les recours pertinents à un grenaillage sur une pièce présentant une surface optiquement réfléchissante et à un contrôle par réflectométrie dans 30 cette(ces) zone(s) permettra au contraire d'effectuer de préférence simultanément le grenaillage et le contrôle de ladite surface adoucie 3039276 4 grenaillée. On économisera du temps d'intervention et améliorera la qualité du traitement de surface en évitant les grenaillages excessifs ou insuffisants, sans avoir à attendre le moment des vérifications périodiques jusqu'à 5 présent prévues de manière différente. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront encore si nécessaire à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique en perspective de l'avant d'un 10 disque de rotor porteur périphériquement d'aubes mobiles (de rotor) sur un moteur à turbine(s) à gaz ; la figure 2 est une vue schématique du fonctionnement d'un dispositif portable de grenaillage par ultrasons ; les figures 3, 4,5 schématisent trois états de surface d'une pièce 15 métallique, successivement rayé, adouci par toilage et en partie grenaillé; la figure 6 schématise le fonctionnement d'un contrôle par réflectométrie sur une surface optiquement réfléchissante et localement irrégulière (défauts locaux en zones Ml ,M2) ; et 20 la figure 7 illustre un résultat d'image fourni sur l'écran de contrôle ou sur l'imprimante de l'unité de traitement informatique associée ici à une caméra CCD de prise de vues, ainsi qu'un graphe de mesures. On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente la face avant 1 d'un disque 3 de soufflante (ou fan) de turbomachine, ici de sa turbine 25 basse pression 5. L'axe de révolution du disque est repéré 7 et l'avant (ou amont ), repéré AV, définit le côté par où l'air est aspiré dans le moteur. Lors du fonctionnement d'un moteur aéronautique, il arrive que certaines faces de pièces soient légèrement endommagées par différents 30 impacts occasionnés par exemple par des collisions avec des objets de petite taille. 3039276 5 Il faut alors les réparer. Il est ici proposé que la réparation consiste à effectuer un adoucissement (blending en anglais) par toilage mécanique de la zone atteinte. Il peut s'agir de « gommer » une rayure ou d'adoucir une griffure. 5 Dans l'exemple, la face avant métallique 1 a été ainsi localement rayée, comme schématisé en 9 sur la figure 3. Et figure 4, un tel adoucissement mécanique de surface a eu lieu, en zone 11. En pratique un toilage consiste à poncer finement sur une 10 profondeur de quelques centièmes de millimètre la surface extérieure concernée, en y appliquant de façon mécanisée une surface abrasive, tel un disque formé d'une toile sur un support. Or, il se trouve en outre que nombre de pièces de moteur aéronautique ont subi un traitement de surface pour les renforcer avant 15 d'être mises en service. Dans cette situation, et en particulier si la surface considérée est précontrainte mécaniquement, ce qui est le cas supposé de la face avant 1, l'adoucissement a supprimé la partie contrainte sur une profondeur de quelques centièmes ou dixièmes de millimètre. 20 Pour pallier à cela on va effectuer un grenaillage de la surface adoucie, pour sa remise en contrainte. Typiquement, pour certaines zones, comme la face avant 1 ou une intervention de réparation à pratiquer sur une aube de rotor ou stator, ou sous l'aile d'un avion, on préfèrera utiliser le GUS (Grenaillage Ultra Son) 25 pour ainsi re-contraindre localement la surface. Le grenaillage par procédé ultrasons a été ici retenu en ce qu'il consiste en un traitement total ou local de pièces par impacts de billes projetées par des vibrations ultrasons afin : - d'augmenter la durée de vie des pièces métalliques, 30 - de diminuer la corrosion, - de réduire la fatigue au frottement. 3 03 92 76 6 Et une solution entre autre portative (voir ci-après) va permettre : - un grenaillage de précontraintes sur pièces neuves ou endommagées, - un redressage et/ou un formage de pièces de structure, - un parachèvement de soudure. 5 Les avantages attendus d'un grenaillage GUS dans ce contexte sont les suivants : augmentation de la productivité et de la qualité, contrôle des coûts, amélioration de la tenue en fatigue, traitement des pièces de géométrie complexe, faible rugosité de surface dans la zone traitée, cycle de traitement plus court, intégration aisée dans la ligne de production, 10 traitement souvent possible "in situ" sans avoir à démanteler un équipement pour isoler la pièce à traiter. La figure 2 schématise un grenaillage de précontrainte sur la face ou surface 1, par une machine 12 à ultrasons. Au lieu d'utiliser un jet d'air comprimé pour propulser de la grenaille 15 (technique connue), des billes 13 sont mises en mouvement au moyen d'un ensemble acoustique 15 qui comprend successivement un émetteur piézoélectrique 17 relié à une alimentation 18, deux propulseurs successifs 19,21 (souvent appelés respectivement pre-booster et booster) et une sonotrode 23. 20 Le procédé de grenaillage par ultrasons permet de mettre en compression et, ainsi, de durcir les couches superficielles du matériau métallique 1. La sonotrode va être mise en vibration, à des fréquences proches de la fréquence ultra sonore 27, par l'intermédiaire des éléments acoustiques 19,21, reliés au générateur 17. Des billes de différentes 25 natures sont propulsées vers le matériau devant être grenaillé, par l'intermédiaire de la sonotrode. Débouchant dans une enceinte étanche (non représentée) qui épouse la zone à traiter, la sonotrode peut vibrer à 20 000 hertz sous l'effet du générateur d'ultrasons. A son contact, les billes sont projetées à travers 30 l'enceinte. Le traitement est homogène, car les billes frappent la pièce de façon aléatoire, sous des angles d'incidence multiples. La qualité de l'état 3039276 7 de surface est due aux billes de roulement utilisées, très dures (jusqu'à 63 HRc). Ce procédé à ultrasons se contente de quelques grammes de projectiles, alors que le grenaillage classique en utilise des dizaines de kilogrammes. 5 On va donc pouvoir obtenir une surface (telle en 29) de faible rugosité. Ceci complique encore les identifications des zones traitées, de la qualité du traitement (irrégularités de surface) et de la frontière entre une surface contrainte et une surface qui ne l'est pas ou imparfaitement. Sur la figure 5, on a repéré 29 la partie de la zone initiale 11 10 correctement traitée par le grenaillage par ultrasons, et 31 et 33 les deux zones moins ou pas traitées ainsi. On ne peut laisser de telles zones 31,33 sur la pièce. Mais leur identification est, comme on l'a noté, critique. C'est pourquoi il est proposé de faire alors appel à un repérage, ou 15 contrôle par réflectométrie de ladite surface adoucie grenaillée, d'autant que cette solution, va pouvoir être conduite simultanément avec le grenaillage. C'est en particulier les faits qu'au moins dans les zones 29,31,33 du grenaillage la pièce présente une surface optiquement réfléchissante et la 20 relativement faible perturbation des relevés par les billes projetées qui permettront de mettre en oeuvre ce contrôle par réflectométrie. La faible rugosité de l'état de surface grenaillé est donc un critère. Via la réflectométrie, le premier élément essentiel qui va permettre de caractériser un défaut de surface est la courbure locale de la surface. 25 Un premier point important est que le défaut de surface se traduit par une déformation de l'image de l'environnement. Un défaut de planéité va entraîner une déformation de l'image vue. Comme schématisé figure 6, lorsqu'un rayon R rencontra une surface réfléchissante 1, sa direction de propagation sera modifiée selon la loi de la réflexion de Descartes qui 30 stipule que l'angle de réflexion r est égal à l'angle d'incidence i. 303 92 76 8 Donc la direction du rayon réfléchi dépendra de la direction de la normale N au point d'incidence (tel M1 ou M2). Si la direction de la normale change entre deux points voisins M1 et M2, le point vu dans l'environnement se déplacera d'autant plus que le changement de direction 5 de la normale sera important et que ce point sera loin. Une variation de la direction de la normale sera équivalente à une variation de la pente locale. Si la surface est décrite par la fonction altitude z = f(x,y) dans un repère donné (x,y), les deux composantes de la pente seront les dérivées partielles 3z/3x et 3z/3y. Une variation de pente d'un point à un autre sera 10 décrite par les dérivées secondes 32z/3x2, 32z/3y2 et 32z/3x3y. Les deux premiers termes seront les courbures locales de la surface, suivant x et suivant y. La courbure est égale à l'inverse du rayon de courbure local, rayon du cercle tangent localement à la surface (cercle osculateur). Ainsi, les défauts de planéité et, en général, tous les accidents de forme 15 correspondant à des défauts sont accompagnés de variations de la pente locale se traduisant par des valeurs notables de la courbure. Comme montré figure 6, il est prévu de mettre en oeuvre ce contrôle par réflectométrie des zones de surface 29, 31, 33: - en plaçant une mire 39 d'un premier côté 37 de la zone 35 (correspondant 20 sensiblement à la zone 11 adoucie) de la pièce, - en plaçant une caméra 41 d'un second côté 43 de la zone de la pièce axialement opposé (suivant la direction des rayons R considérés) au premier côté, - en faisant observer par la caméra 41 la réflexion, dans ladite zone de la 25 pièce, d'au moins un point source lumineux 45 situé sur la mire, - en mesurant le champ des pentes locales, dans ladite zone de réflexion, à partir d'une modélisation de la trajectoire dans l'espace des rayons lumineux observés, selon les indications ci-avant et les détails ci-après, - et en en déduisant si le grenaillage est ou non défectueux sur tout ou 30 partie de ladite zone 35. 3039276 9 C'est pour cela que la caméra CCD 41 est couplée à un logiciel d'une unité de traitement 47. En outre, la mire 39, plane en l'espèce, présente une succession de traits 49,51 de deux couleurs différentes, alternativement. 5 Les défauts déformants déplaceront les reflets des traits par rapport à leur position normale. Mesurer la phase des traits reviendra à mesurer le champ des déplacements liés aux défauts. La dérivation mathématique de ce champ de déplacement, via le logiciel programmé en conséquence, donnera quantitativement le champ de ces déformations, lesquelles 10 peuvent être considérées comme une mesure du défaut d'aspect local. Cette technique de mesure répond de manière intéressante à la problématique de la caractérisation des défauts d'aspects « tels qu'ils sont vus ». Comme illustré figure 6, il est conseillé qu'un écran 47 affiche une 15 mire 39 constituée d'un motif périodique horizontal, qui pourra être à profil sinusoïdal. L'écran 39 va jouer le rôle de "règle graduée" permettant de connaître l'ordonnée des points source lumineux. Dans l'exemple, cette ordonnée est en effet proportionnelle à la phase de la sinusoïde constituant 20 le profil des traits. Le décalage de phase permet d'évaluer pour chaque pixel du capteur d'image la phase du point émetteur, donc sa position verticale. De la même manière, l'affichage d'une mire à période horizontale permet de mesurer l'abscisse des points émetteurs. Connaissant la disposition géométrique des éléments (positions relatives de la caméra, de 25 la pièce et de la mire), il est possible de modéliser la trajectoire des rayons lumineux dans l'espace et donc d'avoir accès en tout point de la pièce à la direction de la normale. Cela permet de mesurer le champ des pentes locales, et par dérivation le champ des courbures locales. Et pour bien discriminer entre elles les zones de surface 29 et 31, 30 33, il est même proposé : 3039276 10 - de faire observer par la caméra 41 la réflexion, sur ces différentes parties 29; 31,33 de ladite zone 35, y compris donc là où un grenaillage approprié est supposé (en 29), - d'y mesurer les champs des pentes locales, 5 - et, pour en déduire si le grenaillage est ou non défectueux sur tout ou partie de ladite zone, de comparer entre elles les mesures de ces champs des pentes locales. Sur la figure 7, on a présenté une partie de pièce adoucie puis grenaillée par un traitement GUS. Une bande grenaillée apparaît ; mais son 10 détail est peu visible, comme son contour ou ses éventuelles imperfections. Dessous, un graphe illustre les résultats fournis par l'unité de traitement 47 suite aux relevés fournis par la caméra CCD 41. 15 REVENDICATIONS1. Procédé pour contrôler, sur une pièce (3), au moins une zone traitée (35) par grenaillage où la pièce présente une surface optiquement réfléchissante et sur au moins une partie de laquelle le grenaillage serait défectueux, caractérisé en ce que: - on place d'un premier côté de la zone de la pièce (3) une mire (39), - on place d'un second côté de la zone de la pièce opposé au premier côté une caméra (41), - on fait observer par la caméra la réflexion, dans ladite zone de la pièce (3), d'au moins un point source lumineux situé sur la mire (39), - on mesure le champ des pentes locales, dans ladite zone de réflexion, - et on en déduit si le grenaillage est ou non défectueux sur tout ou partie de ladite zone. 2. Procédé selon la revendication 1, où on utilise une mire plane présentant une succession de traits de deux couleurs différentes, alternativement. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, où la mire (39) utilisée est à période(s) verticale et/ou horizontale. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, où : - on fait observer par la caméra (41) la réflexion, sur plusieurs parties de ladite zone (35), y compris une partie où un grenaillage approprié est supposé, et on y mesure les champs des pentes locales, - et pour en déduire si le grenaillage est ou non défectueux sur tout ou partie de ladite zone (35) on compare les mesures des champs des pentes locales. 5. Procédé de traitement de surface d'une pièce présentant au moins une surface précontrainte (35), caractérisé en ce que: - on effectue un adoucissement mécanique sur ladite surface précontrainte, 3039276 12 - on effectue un grenaillage sur ladite surface adoucie, et on contrôle ladite surface adoucie grenaillée, qui est au moins en partie optiquement réfléchissante, par le procédé de contrôle selon l'une des revendications précédentes. 5 6. Procédé selon la revendication 5, où le grenaillage est effectué par ultra-sons. 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, où on effectue simultanément le grenaillage et le contrôle de ladite surface adoucie grenaillée. 10