Brevet FR3072690A1 — publié le 20190426

Procédé de traitement de surface d'une pièce mécanique réalisée dans un matériau conducteur La présente invention se rapporte à un procédé de traitement de surface d'une pièce mécanique réalisée dans un matériau conducteur de l'électricité. Un domaine d'application envisagé est notamment, mais non exclusivement, celui des pièces en contact pour lesquelles on souhaite obtenir un fort coefficient de frottement. Il en va par exemple de celui des organes de serrage à vis. Il est connu de vouloir maintenir en appui à force deux pièces l'une contre l'autre au moyen d'organes de serrage à vis pour pouvoir les maintenir en position fixe et qu'elles puissent résister à des efforts visant à les entraîner transversalement l'une par rapport à l'autre. Cette résistance au mouvement transversal des deux-pièces l'une par rapport à l'autre est le produit de l'effort de serrage des deux-pièces l'une contre l'autre par le coefficient adhérence à l'interface entre les deux-pièces. Ce coefficient d'adhérence est également dénommé coefficient de frottement statique. Il est donc légitime de rechercher à augmenter le coefficient de frottement statique des surfaces en contact de manière à pouvoir réduire les efforts de serrage, lesquels tendent à engendrer des contraintes mécaniques sur les pièces, ou bien pour accroître plus encore cette résistance au mouvement transversal. Il a par exemple déjà été imaginé de réaliser des stries sur des rondelles de serrage pour réduire les possibilités de desserrage des organes de serrage vissés. Ces traitements de surface, que ce soit pour les rondelles de serrage ou pour toutes autres pièces dont les surfaces sont en contact, tendent à affecter les propriétés structurelles du matériau dans lequel elles sont réalisées. En effet, les stries sont par exemple réalisées par un procédé de frappe à froid ce qui provoque alors des amorces de fracture à la surface des pièces. Lorsque ces traitements de surface sont réalisés par usinage, la température des pièces augmente et affecte alors les propriétés métallurgiques du matériau. 2 Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention est de fournir un procédé de traitement qui permette d'augmenter le coefficient de frottement de la surface d'une pièce d'un matériau conducteur sur laquelle il est appliqué, sans pour autant affecter les propriétés du 5 matériau, et également, qui puisse être mis en oeuvre à un coût avantageux. Dans ce but, il est proposé un procédé de traitement de surface d'une pièce mécanique réalisée dans un matériau conducteur, ladite pièce mécanique présentant une surface à traiter, ledit procédé de traitement étant destiné à augmenter le coefficient d'adhérence de la surface traitée. Le 10 procédé selon l'invention comprend les étapes suivantes : on fournit un outil présentant une surface de travail ; on forme des alvéoles dans ladite surface de travail, lesdites alvéoles définissant des parties en creux et des parties en relief ; on agence ledit outil et ladite pièce mécanique de façon à porter ladite surface de travail dudit outil en regard de ladite surface à traiter ; et, on 15 entraîne ledit outil en translation vers ladite pièce selon un mouvement périodique et on applique une différence de potentielle entre ladite pièce et ledit outil, tandis qu'on injecte un électrolyte entre la dite surface à traiter et ladite surface de travail, de manière à extraire le matériau situé en regard desdites parties en relief pour former des aspérités en regard desdites parties 20 en creux. Ainsi, une caractéristique du procédé de traitement selon l'invention réside dans la mise en oeuvre d'une méthode d'usinage électrochimique de précision pour augmenter le coefficient d'adhérence, ou coefficient de frottement statique, d'une surface conductrice. On entend ici par surface 25 conductrice, soit une surface conductrice de l'électricité, soit la surface d'un matériau contenant des porteurs de charge électrique. Les matériaux usuels de ce type, sont les matériaux métalliques. La méthode d'usinage électrochimique permet ainsi de venir dissoudre le matériau conducteur dans des zones prédéfinies situées en regard des parties 30 en relief de la surface de travail, de manière à laisser en l'état des zones complémentaire situées en regard des alvéoles, de façon à former des aspérités. Ces aspérités en elle-même permettent d'augmenter le coefficient de 3 frottement statique des surfaces comme on l'expliquera ci-après dans la description détaillée. On expliquera plus en détail la méthode d'usinage électrochimique dans la suite de la description. Grâce à cette méthode, dans laquelle il n'y a aucun 5 contact entre l'outil et la surface de la pièce mécanique à traiter, la surface ne présente alors aucune amorce de rupture après traitement. De surcroît, la température maximale atteinte par la surface durant l'usinage n'excède pas 50 °C et ne peut donc affecter les propriétés métallurgiques du matériau. Aussi, la méthode de traitement de surface selon l'invention nécessite 10 pour chaque surface à traiter, une durée de mise en oeuvre de l'ordre de la minute, ou de la dizaine de minutes, et peut donc être mise en oeuvre à un coût avantageux n'obérant pas le coût des pièces traitées. Selon une caractéristique de l'invention particulièrement avantageuse, on forme lesdites alvéoles par micro-usinage laser en régime femto-seconde. Ce 15 laser produit ainsi des impulsions électromagnétiques dont la période, extrêmement courte, est comprise entre quelque femto-seconde et quelques centaines de femto-secondes. Grâce à la mise en oeuvre d'un laser « femtoseconde », il est réalisé sur la surface de travail de l'outil, des alvéoles de petite dimension, avec une grande précision. Préférentiellement, on forme des 20 alvéoles présentant une profondeur comprise entre 50 pm et 500 pm, par exemple 130 pm. Conséquemment, la hauteur des aspérités de la surface traitée est comprise entre des valeurs sensiblement inférieures à 50 pm et 500 pm, et dans l'exemple, la hauteur de l'aspérité est voisine de 120 pm. Selon un mode de réalisation de l'invention particulièrement avantageux, 25 on forme des alvéoles de forme sensiblement conique. Partant, les aspérités sont également de forme sensiblement conique et elles s'étendent d'une base circulaire jusqu'à une extrémité libre pointue. Par exemple, la base circulaire présente un diamètre compris entre 150 pm et 200 pm. Aussi, lesdites alvéoles sont avantageusement régulièrement réparties à 30 la surface dudit outil. Par exemple, les alvéoles sont réparties en quinconces à la surface de l'outil de manière à être situées sensiblement à une même 4 distance les unes des autres. Partant, les aspérités de la surface traitée présentent la même répartition. Avantageusement, on forme entre 3000 et 4000 alvéoles par cm2 de surface de travail. Par la même on réalise entre 3000 et 4000 aspérités par 5 centimètre carré sur la surface traitée et on peut ainsi obtenir des coefficients de frottement statique sensiblement supérieur au double des coefficients obtenus selon les méthodes traditionnelles. En outre, et selon un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, on entraîne ledit outil en translation entre une position dans laquelle ladite surface 10 de travail est rapprochée de ladite surface à traiter et une position dans laquelle ladite surface de travail est éloignée de ladite surface à traiter, et on applique ladite différence de potentielle entre ladite pièce et ledit outil lorsque ladite surface de travail est rapprochée de ladite surface à traiter. Ainsi, une impulsion électrique est appliquée entre la surface à traiter et 15 la surface de travail lorsqu'elles sont rapprochées l'une de l'autre. On observera que la surface à traiter et la surface de travail ne viennent jamais en contact l'une avec l'autre. De la sorte, grâce à l'électrolyte qui s'étend entre les deux surfaces, lorsque le matériau est métallique, le métal de la surface à traiter se dissout et des ions métalliques diffusent dans l'interface. Et lorsque la 20 surface à traiter et la surface de travail s'écartent l'une de l'autre, l'électrolyte en mouvement entraîne alors les ions métalliques. Avantageusement, on applique ladite différence de potentielle lorsque ladite surface de travail est rapprochée de ladite surface à traiter, pendant une période comprise entre 0,5 ms et 5 ms. Aussi, on entraîne, de préférence, ledit 25 outil en translation selon un mouvement périodique d'une fréquence comprise entre 40 Hz et 60 Hz. De la sorte, la différence de potentiel, ou impulsion électrique, est appliquée exclusivement dans une plage de temps où la surface à traiter et la surface de travail sont les plus proches l'une de l'autre, et par conséquent, sur une zone parfaitement délimitée de la surface à traiter. De la 30 sorte, l'usinage de la surface à traiter est réalisé de manière très précise. De plus, ledit outil présente, avantageusement, une surface de travail circulaire plane et un canal d'amenée de l'électrolyte débouchant au centre de 5 ladite surface de travail. Ainsi, l'électrolyte peut être injecté sous pression à travers le canal d'amenée et il peut venir s'écouler ensuite radialement entre la surface de travail circulaire et la surface à traiter qui est par exemple celle d'une rondelle de serrage. 5 D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la Figure 1 est une vue schématique d'une installation destinée à la 10 mise en oeuvre du procédé de traitement de surface conforme à l'invention ; - la Figure 2 est une vue schématique partielle d'un élément de l'installation représenté sur la Figure 1 ; - la Figure 3 est une vue schématique d'une pièce destinée à être traitée selon le procédé de traitement conforme à l'invention; 15 - la Figure 4 est une vue schématique partielle de détail et grossie de la pièce représentée sur la Figure 3 après traitement ; - la Figure 5 est une vue schématique de mise en oeuvre de la pièce représentée sur la Figure 3; et, - la Figure 6 est un organigramme de mise en oeuvre du procédé de 20 traitement de surface conforme à l'invention. La Figure 1 montre schématiquement une installation d'usinage électrochimique de précision 10 permettant de mettre en oeuvre le procédé de traitement de surface selon l'invention. Ainsi, on décrira tout d'abord l'installation d'usinage 10 et ensuite le 25 procédé de traitement de surface conforme à l'invention. L'installation d'usinage 10 comporte un porte-outil 12 sur lequel est installé un outil 14 de symétrie cylindrique apte à former électrode. Par conséquent, l'outil 14 est réalisé dans un matériau conducteur de l'électricité. En regard de l'outil 14, est installé un porte-pièce 16, lequel est monté sur une 30 embase 18. Le porte-pièce 14 est également réalisé dans un matériau conducteur de l'électricité. 6 L'outil 14 présente une surface de travail circulaire 20 sous la forme d'un disque. Le porte-pièce 16 présente un logement 22 destiné à recevoir une pièce mécanique à traiter comme on l'expliquera ci-après. L'outil 14 présente également un canal axial 24 débouchant latéralement 5 de manière à pouvoir être alimenté par un électrolyte 26 par l'intermédiaire d'une pompe 28. L'électrolyte 26 est un milieu aqueux contenant essentiellement du chlorure de sodium, permettant le transport de charges électriques comme on l'expliquera ci-après. Le porte-outil 12 est destiné à être entraîné en translation selon un 10 mouvement périodique, avantageusement sinusoïdal, par exemple au moyen d'un actionneur piézo-électrique. De la sorte, l'outil 14 peut lui-même être entraîné en translation selon ce même mouvement. En outre, l'outil 14 et le porte-pièce 16 sont reliés ensemble par un générateur 30 permettant d'appliquer une différence de potentielle entre les 15 deux à une fréquence et une amplitude que l'on définira ci-après. Une particularité de l'invention réside, notamment, dans la mise en oeuvre de la surface de travail circulaire 20. Ainsi, selon une première étape 32 du procédé de traitement de surface selon l'invention, en référence à la Figure 6, on réalise des alvéoles dans la 20 surface de travail circulaire 20 au moyen d'un laser d'un type produisant des impulsions ultra-courtes dont la durée est comprise entre quelques femtosecondes et quelques centaines de femto-secondes. Grâce à ce type de laser, on réalise un usinage de grande précision. Pour ce faire, la surface de travail 20 de l'outil 14 est installée sur une 25 table de travail mobile en translation selon deux composantes perpendiculaires, tandis que le faisceau laser est focalisé sur la surface de travail 20. Pour chaque impulsion laser, tandis que la table de travail mobile maintient en position fixe l'outil 14, une impulsion laser permet de vaporiser et d'extraire localement une infime quantité de matière formant ainsi un creux 30 constituant une alvéole. La table de travail mobile en translation est alors entraînée en translation d'un pas prédéterminé de manière à réaliser l'alvéole suivante. 7 De la sorte, on réalise dans la surface de travail circulaire 20 une pluralité d'alvéoles 34, telles que représentées sur la Figure 2. Les alvéoles 34 sont ici ménagées en quinconce. La puissance de l'impulsion laser et le pas d'avancement de la table de 5 travail mobile, permet ici de réaliser des alvéoles 34 de forme sensiblement conique et, d'une profondeur voisine de 130 pm. Leur diamètre est lui, de l'ordre de 200 pm. On peut ainsi réaliser des alvéoles coniques avec une densité par centimètre carré de l'ordre de 3500 sur toute la surface de travail circulaire 20. 10 Ces alvéoles 34 délimitent ainsi des parties en creux et les parties complémentaires en relief. Ensuite, selon une deuxième étape 36, on vient à la fois installer l'outil 14 dans le porte-outil 12, la surface de travail circulaire 20 en regard du logement 22 du porte-pièce 16, tandis qu'on installe précisément une rondelle 38 telle 15 que représentée sur la Figure 3, à l'intérieur du logement 22. La rondelle 38 définit ainsi une surface à traiter 40 qui est alors ajustée en regard de la surface de travail circulaire 20. Elle est maintenue en position fixe à l'intérieur du logement 22. La rondelle 38 est réalisée dans un matériau métallique, conducteur de 20 l'électricité et elle est ainsi couplée électriquement au porte-pièce 16. Selon une troisième étape d'usinage proprement dit 42, on entraîne, par l'intermédiaire du porte-outil 12, l'outil 14 en translation selon un mouvement sinusoïdal selon une direction longitudinale orientée vers le logement 22, et par conséquent vers la surface à traiter 40 de la rondelle 38, et on applique 25 une différence de potentiel entre l'outil 14 et le porte-pièce 16 grâce au générateur 30, tandis qu'on porte en fonctionnement la pompe 28 pour pouvoir injecter l'électrolyte à travers le canal axial 24 de l'outil 14. Le porte-outil 12 est entraîné en translation à une fréquence de 50 Hz selon une amplitude prédéfinie de manière à ce que la surface de travail 30 circulaire 20 oscille entre une position rapprochée et une position écartée de la surface à traiter 40. 8 Le générateur 30 délivre alors une impulsion électrique à la même fréquence de 50 Hz lorsque la surface de travail circulaire 20 est dans la position rapprochée de la surface à 40. Et il vient alors charger positivement la surface à traiter 40 de la rondelle 38, tandis qu'il charge négativement la 5 surface de travail circulaire 20 de l'outil 14. Cette impulsion électrique présente une durée d'environ deux millisecondes. Aussi, l'électrolyte est pompé grâce à la pompe 28 et est injecté à travers le canal axial 24 pour ensuite s'écoulé radialement entre la surface de travail circulaire 20 et la surface à traiter 40. De la sorte une couche d'électrolyte 10 s'étend entre la surface à traiter 40 et la surface de travail circulaire 20. Partant, sous l'effet de l'impulsion électrique, le matériau métallique de la surface à traiter 40 se dissout et passe en solution dans l'électrolyte, dans les zones de la surface à traiter 40 situées les plus proches des parties en relief de la surface de travail circulaire 20, tandis que les zones de la surface à 15 traiter 40 situées en regard des parties en creux des alvéoles 34, ne sont pas affectées. Lorsque la surface de travail circulaire 20 s'écarte de la surface à traiter 40, l'électrolyte emporte les ions du matériau métallique dissous. Ensuite un nouveau cycle recommence. 20 Ainsi, en fonction de la vitesse de dissolution du métal, le porte-outil 12 provoque l'avancement de l'outil 14 de manière à ce que la surface à traiter 40 et la surfaces de travail circulaire 20 soient les plus proches possible l'une de l'autre, sans toutefois entrer en contact. Ainsi progressivement, le matériau de la rondelle 38 se dissout en regard 25 des parties en relief de la surface de travail circulaire 20 tandis que se dessine sur la surface à traiter 40 des aspérités 44 que l'on observe sur la Figure 4. Lorsque la hauteur des aspérités 44 est suffisante, après moins d'une dizaine de minutes par exemple, on retourne la rondelle 38 dans une étape 46, de manière à pouvoir usiner de la même façon sa surface opposée. 30 Après qu'elle a subi le même traitement, on retire la rondelle 40 dans une ultime étape 48. 9 On obtient de la sorte une rondelle 38 dont les deux faces opposées présentent des aspérités 44 telles que représentées sur la Figure 4. Ces aspérités 44 sont ainsi régulièrement réparties à la surface de la rondelle selon une densité d'environ 3500 par centimètre carré. 5 Ainsi, grâce au procédé selon l'invention mettant en oeuvre une méthode d'usinage électrochimique de précision, on réalise à un coût avantageux le traitement de surface visant à augmenter le coefficient d'adhérence, ou coefficient de frottement statique. Par ailleurs, grâce a ce procédé on obtient une bonne répétabilité des 10 cycles d'usinage, et partant, on obtient des séries de pièces, et en l'espèce de rondelles de serrage, présentant des propriétés homogènes. Par ailleurs, le procédé ne dégageant pas d'énergie thermique, dans la phase d'usinage électrochimique, le matériau métallique de la pièce à usiner ne connaît aucune dégradation thermique. De plus, puisqu'il n'y a pas de contact avec l'outil, la 15 pièce traitée ne présente aucune fissure ni amorce de rupture et elle n'a subi aucune contrainte mécanique. Par ailleurs, du côté de l'outil 14, la surface de travail circulaire 20 n'est aucunement affectée et elle peut être mise en oeuvre pour une quantité infinie de pièces. 20 Ainsi, on teste les rondelles obtenues selon le procédé conforme à l'invention grâce un dispositif de mesure 50, tel qu'illustré sur la Figure 5. Il inclut un assemblage comprenant 2 plaques d'aluminium, l'une supérieure 52 l'autre inférieure 54. La place supérieure 52 présente une extrémité d'ancrage 56 et une première extrémité percée opposée 58. La plaque inférieure 54 25 comporte une seconde extrémité percée 60 et une extrémité opposée de traction 62. Une rondelle à tester 64 est interposée entre les deux extrémités 58, 60 tandis qu'un organe de serrage 66 est engagé à travers les perçages de la rondelle 64. On vient de la sorte exercer une tension axiale donnée Ft grâce à l'organe de serrage 66 pour comprimer les deux extrémités 58, 60 de part et 30 d'autre de la rondelle à tester 64. Ensuite, on enregistre l'effort Fr à exercer sur l'extrémité de traction 62 de la plaque inférieure 54 selon une direction perpendiculaire à la tension axiale Ft, pour provoquer le mouvement relatif des 10 deux plaques 52, 54 l'une par rapport à l'autre. On en déduit alors un coefficient de frottement statique po. En l'espèce, et grâce au procédé de traitement de surface selon l'invention, on enregistre un coefficient de frottement statique po supérieur à 5 0,3. Ce résultat est avantageux comparativement au coefficient de frottement statique po usuel, acier contre acier qui est de l'ordre de 0,2. REVENDICATIONS1. Procédé de traitement de surface d'une pièce mécanique (38) réalisée dans un matériau conducteur, ladite pièce mécanique (38) présentant une surface à traiter (40), ledit procédé de traitement étant destiné à augmenter le coefficient d'adhérence de la surface traitée, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - on fournit un outil (14) présentant une surface de travail (20) ; - on forme des alvéoles (34) dans ladite surface de travail (20), lesdites alvéoles (34) définissant des parties en creux et des parties en relief ; - on agence ledit outil (14) et ladite pièce mécanique (38) de façon à porter ladite surface de travail (20) dudit outil en regard de ladite surface à traiter (40) ; et, - on entraîne ledit outil (14) en translation vers ladite pièce mécanique (38) selon un mouvement périodique et on applique une différence de potentielle entre ladite pièce mécanique (38) et ledit outil (14), tandis qu'on injecte un électrolyte entre la dite surface à traiter (40) et ladite surface de travail (20), de manière à extraire le matériau situé en regard desdites parties en relief pour former des aspérités (44) en regard desdites parties en creux (34). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on forme lesdites alvéoles (34) par micro-usinage laser en régime femto-seconde. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on forme des alvéoles (34) présentant une profondeur comprise entre 50 pm et 500 pm. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on forme des alvéoles (34) de forme sensiblement conique. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites alvéoles (34) sont régulièrement réparties à la surface de travail (20) dudit outil (14). 12 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on forme entre 3000 et 4000 alvéoles (34) par cm2 de surface de travail (20). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, 5 caractérisé en ce qu'on entraîne ledit outil (14) en translation entre une position dans laquelle ladite surface de travail (20) est rapprochée de ladite surface à traiter (40) et une position dans laquelle ladite surface de travail (20) est éloignée de ladite surface à traiter (40), et en ce qu'on applique ladite différence de potentielle entre ladite pièce mécanique (38) et ledit outil (14) 10 lorsque ladite surface de travail (20) est rapprochée de ladite surface à traiter (40). 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on applique ladite différence de potentielle lorsque ladite surface de travail (20) est rapprochée de ladite surface à traiter (40), pendant une période comprise entre 15 0,5 ms et 5 ms. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on entraîne ledit outil (14) en translation selon un mouvement périodique d'une fréquence comprise entre 40 Hz et 60 Hz. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, 20 caractérisé en ce que ledit outil (14) présente une surface de travail circulaire plane et un canal d'amenée (24) de l'électrolyte débouchant au centre de ladite surface de travail. 25