EP3558586A1 - Dispositif et procédé pour le traitement d'une piece metallique - Google Patents

Dispositif et procédé pour le traitement d'une piece metallique

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Publication number
EP3558586A1
EP3558586A1 EP17838053.1A EP17838053A EP3558586A1 EP 3558586 A1 EP3558586 A1 EP 3558586A1 EP 17838053 A EP17838053 A EP 17838053A EP 3558586 A1 EP3558586 A1 EP 3558586A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
metal part
sonotrode
projectiles
abrasive media
treatment
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP17838053.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Amélie MORANCAIS
Laurianne BESSON
Nathalie DANG
Christian SOK
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Safran Aircraft Engines SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Safran Aircraft Engines SAS filed Critical Safran Aircraft Engines SAS
Publication of EP3558586A1 publication Critical patent/EP3558586A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/10—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for compacting surfaces, e.g. shot-peening
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/08—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for polishing surfaces, e.g. smoothing a surface by making use of liquid-borne abrasives
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C5/00—Devices or accessories for generating abrasive blasts
    • B24C5/005—Vibratory devices, e.g. for generating abrasive blasts by ultrasonic vibrations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C9/00—Appurtenances of abrasive blasting machines or devices, e.g. working chambers, arrangements for handling used abrasive material
    • B24C9/003—Removing abrasive powder out of the blasting machine
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/04—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface
    • C21D7/06—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface by shot-peening or the like

Definitions

  • the invention relates to the treatment of metal parts and more particularly to a device making it possible to reduce the processing time of said metal parts.
  • the tribofinition makes it possible to finish the surface finishing of metal parts by polishing, deburring, shelving, smoothing etc.
  • the metal parts to be treated are immersed in a vibratory tank containing a mixture of abrasive media and a liquid (water, oil, additives).
  • abrasive media containing a mixture of abrasive media and a liquid (water, oil, additives).
  • the friction of the metal parts with the abrasive mixture ensures the polishing, deburring and breaking angles of said metal parts.
  • the invention thus provides a solution for reducing the number of operations and controls of metal parts and therefore the processing time of said metal parts.
  • the invention according to a first aspect relates to a device for the treatment of a metal part having an external surface, said device comprising:
  • a vibration module comprising:
  • projectiles placed in the chamber for impacting the external surface of the metal part, said projectiles being set in motion by the vibration of the sonotrode.
  • the projectiles comprise a plurality of abrasive media which, moved by the vibration of the sonotrode, introduce residual compressive stresses and improve the surface state of the metal part.
  • abrasive media is meant a variable form element generally comprising a base and a hard abrasive load that uses other materials softer than this material.
  • the device for the treatment of a metal part according to the invention solves the aforementioned problems.
  • Such a device reduces the processing time of metal parts by reducing the number of operations and the number of controls.
  • the device of the invention allows, using a single machine to perform an operation ensuring both shot blasting and finishing of the metal part.
  • the device of the invention is similar to the machines of Ultrasonic shot blasting according to the prior art, with the exception that the projectiles which usually comprise ceramic, glass or steel balls are replaced by projectiles comprising abrasive media used in conventional tribofinishing techniques.
  • the abrasive media provide both the introduction of residual compression stresses and the improvement of the surface condition of the metal part.
  • the projectiles / parameters pair of the electrical signal is chosen so that the projectiles have enough speed to introduce residual compression stresses in the metal part while improving the surface state of said metal part.
  • the use of the device according to the invention makes it possible to reduce the number of checks on the metal parts since only one control is necessary after the treatment of the part, which further reduces the processing time of the parts.
  • the device according to the first aspect may have one or more additional characteristics among the following, considered individually or in any technically possible combination.
  • the projectiles comprise only abrasive media.
  • the device comprises a suction system sucking residues from the metal part and projectile residues resulting from the impact of said projectiles between them and said projectiles on the outer surface of the metal part.
  • the device comprises a filter allowing the passage of the residues of the metal part and projectile residues of the enclosure to the suction system.
  • the abrasive media have a thickness in the range [0.8mm, 10mm].
  • At least one abrasive media of the plurality of abrasive media comprises a base made of one of the following materials:
  • At least one abrasive media of the plurality of abrasive media comprises an abrasive load having a hardness in the range [8Mohs, 10Mohs]
  • the abrasive filler consists of at least one of the following compounds:
  • At least one abrasive media of the plurality of abrasive media has one of the following forms:
  • the electrical signal is emitted at an ultrasonic frequency in the range [15kHz, 60kHz].
  • the invention relates to a method for treating a metal part, comprising the steps of:
  • projectiles in an enclosure, said projectiles comprising a plurality of abrasive media, - positioning a metal part to be treated against an upper end of the enclosure so that an outer surface of the metal part is facing an upper surface of a sonotrode of a vibration module,
  • the invention relates to a set of projectiles comprising a plurality of abrasive media, said set of projectiles being used in a shot blasting process to introduce residual compression stresses in a metal part.
  • FIG. 1 a representative diagram of a device for processing a metal part according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 a representative diagram of a device for processing a metal part according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 3 a representative diagram of a device for treating a metal part according to a third embodiment of the invention
  • the invention relates to a device 100 for the treatment of a metal part 1 comprising an external surface 1 -1, the invention making it possible, in a single operation, to perform both the compression (shot blasting) and the finishing of the metal part 1.
  • Figure 1 shows the device 100 for processing a metal part 1 according to a first embodiment of the invention.
  • the device 100 comprises:
  • the enclosure 1 1 is intended to receive the abrasive media 13 to treat the metal part 1.
  • the enclosure 1 1 has a side wall January 1 delimiting said enclosure January 1.
  • the side wall January 1 -1 has a lower end 1 1 -2 and an upper end 1 1 -3 open.
  • the metal part 1 is positioned against the upper end 1 1 -3 of the chamber 1 1 plugging said upper end 1 1 - 3. It is noted that the metal part 1 is held fixed to the upper end 1 1 - 3 of the enclosure 1 1 so that said metal part 1 is not likely to move during the treatment.
  • the vibration module 12 is positioned at the lower end 1 1 -2 of the chamber 1 1 plugging said lower end January 1 -2.
  • the enclosure 1 1 forms a closed enclosure so that the projectiles 13 can not escape from said enclosure 1 1.
  • the vibration module 12 comprises:
  • the generator 12-1 is intended to produce a sinusoidal electrical signal with an ultrasonic frequency.
  • the ultrasonic frequency of the electrical signal is in the range [15 kHz, 60 kHz].
  • the amplitude of the sonotrode 12-4 is in the range [10 ⁇ , 300 ⁇ ] ⁇ plus, according to a non-limiting embodiment, the electrical signal is issued for a period ranging from a few minutes to a few hours.
  • the electrical signal 12-1 is emitted during a first duration di at a first frequency f1 and at a first amplitude A1, then for a second duration d2 at a second frequency f2 and at a second amplitude A2.
  • the converter 12-2 is intended to convert the sinusoidal electrical signal with ultrasonic frequency emitted by the generator 12-1 into a mechanical wave.
  • the converter 12-2 is a piezoelectric transducer.
  • the amplifier 12-3, called in English "booster”, is intended to amplify the amplitude of the mechanical wave generated by the piezoelectric transducer 12-2.
  • the amplifier 12-3 is connected to the sonotrode 12-4 so that the amplified mechanical wave is transmitted to the sonotrode 12-4 which vibrates.
  • the sonotrode 12-4 is intended to move projectiles 13 to project them against the outer surface 1 -1 of the metal part 1. More specifically, the sonotrode 12-4 comprises a vibrating surface corresponding to the upper end of said sonotrode 12-4.
  • the upper end of the sonotrode 12-4 forms the bottom of the chamber 1 1 when the sonotrode 12-4 at the lower end 1 -1 -2 of the enclosure 1 1.
  • the projectiles 13 are intended to be projected against the outer surface 1 -1 of the metal part 1.
  • the projectiles 13 acquire their kinetic energy thanks to the vibrations of the sonotrode 12-4.
  • the impact of the projectiles 13 against the outer surface 1 -1 of the metal part 1 makes it possible to improve the surface state and to induce residual compression stresses in said metal part 1.
  • the projectiles 13 comprise a plurality of abrasive media.
  • the random movement of the projectiles 13 in the volume of the chamber 1 1 ensures a uniform treatment of the zone of the metal part 1.
  • the projectiles 13 comprise only abrasive media.
  • each abrasive media comprises a base and an abrasive load.
  • At least one abrasive media comprises a base made of plastic, ceramic, or in an organic material.
  • the abrasive load is chosen to be harder than the material of the metal part 1.
  • the abrasive load has a hardness in the range [8Mohs, 10Mohs].
  • the abrasive filler consists, for example, of corundum, alumina, boron nitride, silicon carbide, boron carbide, or diamond.
  • at least one abrasive media of the plurality of abrasive media has a cylindrical, spherical, pyramidal or conical shape.
  • the thickness, the shape and the material of the abrasive media are chosen according to the characteristics of the metal part 1 to be treated.
  • different types of abrasive media shape, abrasive load, base, thickness
  • glass or ceramic beads are used together with the abrasive media to treat the metal part 1.
  • the device 100 comprises at least two sonotrodes 12-4, each sonotrode 12-4 being equipped with a chamber January 1. Such a device 100 makes it possible to treat several metal parts 1 simultaneously using a single generator 12-1.
  • Figure 2 shows the device 100 for processing a metal part 1 according to a second embodiment.
  • the device 100 according to the second embodiment comprises the same elements as the device 100 described in the first embodiment with reference to FIG.
  • the device 100 according to the second embodiment comprises a suction system 14 for sucking up residues from the metal part 1 and projectile residues 13 resulting from the impact. projectiles 13 between them and said projectiles 13 on the outer surface 1 -1 of the metal part 1.
  • a suction system 14 makes it possible to reduce the impact of the treatment on the material integrity of the treated metal parts 1 because of the residues likely to hinder the movement of the projectiles 13 or to become embedded in the external surface 1 -1 of the metal part 1.
  • a head 14-1 of the suction system 14 is fixed on a lower portion 12-42 of the sonotrode 12-4.
  • through orifices are formed in the sonotrode 12-4 so that the residues of the metal part 1 and the projectile residues 13 resulting from the impact of the projectiles 13 between them and on the external surface 1 -1 through said holes to reach the head 14-1 of the suction system 14 and thus be sucked by said suction system 14.
  • a filter 15, visible on the AA section is positioned in the enclosure 1 1 to allow only the passage of the residues of the metal part 1 and the residues of the projectiles 13 of the chamber 1 1 to the suction system 14.
  • the filter 15 is positioned on an upper surface 12-41 of the sonotrode 12-4 so that only the residues of the metal part 1 and the residues of the projectiles 13 can pass through the orifices formed in the sonotrode 12-4.
  • the pore size of the filter 15 is in the range [0.4 mm, 5 mm].
  • Figure 3 shows the device 100 for processing a metal part 1 according to a third embodiment.
  • the device 100 according to the third embodiment has the same elements as the device 100 described in the second embodiment with reference to FIG. 2.
  • the head 14-1 of the suction system 14 of the device 100 according to the third embodiment is attached to an opening 1 1 -1 1 formed in the side wall January 1 -1 of the chamber 1 January.
  • the sonotrode 12-4 has no through holes.
  • the filter 15, visible on the section AA of FIG. 3, is positioned at the opening 1 1 -1 1 formed in the side wall 1 1 -1 of the chamber 1 1, between the head 14 -1 of the suction system 14 and the enclosure 1 1.
  • FIG. 4 represents steps of a method 200 for processing a metal part 1 according to one embodiment of the invention.
  • the method 200 is implemented by the device 100 for processing a metal part 1 described above.
  • the projectiles 13, comprising a plurality of abrasive media are placed in the chamber January 1.
  • shape (s) cylindrical, pyramidal, etc.
  • material (s) and the size (s) of the abrasive media are chosen according to the material, the initial surface state and the that the requirements to the plane of the metal part 1 to treat.
  • the metal part 1 is positioned against the upper end 1 1 -3 of the chamber 1 1 so that the outer surface 1 -1 to be treated of the metal part 1 is positioned facing the surface upper 12-41 of the sonotrode 12-4.
  • the metal part 1 and the sonotrode 12-4 are positioned respectively against the upper end 1 1 -3 and the lower end January 1 -1 of the chamber 1 January.
  • the metal part 1 is fixed on the upper end 1 1 -3 of the enclosure 1 1 so as to prevent said metal part 1 from moving during the treatment under the impact of projectiles 13.
  • the generator 12-1 emits a sinusoidal electrical signal at a predetermined frequency, amplitude and duration according to the characteristics of the metal part 1 to be treated.
  • vibrations of the sonotrode 12-4 are generated by means of the converter 12-2 coupled to said sonotrode 12-4.
  • the converter 12-2 converts the electrical signal emitted by the generator 12-1 into a mechanical vibration which is transmitted to the sonotrode 12-4.
  • the vibration of the sonotrode 12-4 ensures the movement of the projectiles 13 in the chamber 1 1 which allows to introduce residual compression stresses and improve the surface state of the metal part 1.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Metallurgy (AREA)
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  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)

Abstract

L'invention se rapporte à un dispositif (100) pour le traitement d'une pièce métallique (1 ) présentant une surface externe (1 -1 ), comportant : - une enceinte (1 1 ), - un module de vibration (12) comportant : ▪ un générateur (12-1 ) d'un signal électrique à fréquence ultrasonore, ▪ un convertisseur (12-2) pour convertir ledit signal électrique en une vibration mécanique, ladite vibration mécanique étant transmise à une sonotrode (12-4), ▪ la sonotrode (12-4) positionnée dans ladite enceinte en regard de la surface externe de la pièce métallique, - des projectiles (13) placés dans l'enceinte pour impacter la surface externe de la pièce métallique, lesdits projectiles étant mis en mouvement par la vibration de la sonotrode et comportant une pluralité de médias abrasifs qui, mis en mouvement par la vibration de la sonotrode, introduisent des contraintes résiduelles de compression et améliorent l'état de surface de la pièce métallique.

Description

DISPOSITIF ET PROCÉDÉ POUR LE TRAITEMENT D'UNE PIECE METALLIQUE
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention concerne le traitement de pièces métalliques et plus particulièrement un dispositif permettant de réduire le temps de traitement desdites pièces métalliques.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION
Afin d'améliorer les performances mécaniques de certaines pièces métalliques, et notamment leurs propriétés de surface, il est connu d'utiliser des techniques de traitement de surface mécanique telles que le grenaillage et/ou la tribofinition qui permettent, respectivement, de modifier la structure et l'état de surface desdites pièces métalliques.
Le grenaillage conventionnel ou par ultrasons introduit des contraintes résiduelles de compression afin d'améliorer la résistance mécanique des pièces métalliques. Plus particulièrement, il s'agit de projeter à grande vitesse des billes en acier, en verre ou en céramique sur la surface d'une pièce métallique afin que ladite pièce métallique subisse une déformation sur une faible épaisseur. Les demandes de brevet FR n°2873609, FR n °2815280, FR n ° n °2815281 décrivenainsi des méthodes de grenaillage de pièces métalliques.
La tribofinition permet d'achever la finition en surface de pièces métalliques par polissage, ébavurage, rayonnage, lissage etc. Pour ce faire, les pièces métalliques à traiter sont immergées dans une cuve vibrante contenant un mélange de médias abrasifs et un liquide (eau, huile, additifs). Le frottement des pièces métalliques avec le mélange abrasif permet d'assurer le polissage, d'ébavurer et de casser les angles desdites pièces métalliques.
Dans la majorité des cas, ces deux techniques sont utilisées successivement dans la chaîne de production. Ainsi, le traitement des pièces métalliques est long et nécessite de nombreux contrôles desdites pièces métalliques. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION L'invention apporte ainsi une solution permettant de réduire le nombre d'opérations et de contrôles des pièces métalliques et par conséquent le temps de traitement desdites pièces métalliques.
L'invention selon un premier aspect concerne un dispositif pour le traitement d'une pièce métallique présentant une surface externe, ledit dispositif comportant :
- une enceinte,
- un module de vibration comportant :
■ un générateur d'un signal électrique à fréquence ultrasonore,
■ un convertisseur pour convertir ledit signal électrique en une vibration mécanique, ladite vibration mécanique étant transmise à une sonotrode,
■ la sonotrode positionnée dans l'enceinte en regard de la surface externe de la pièce métallique,
- des projectiles placés dans l'enceinte pour impacter la surface externe de la pièce métallique, lesdits projectiles étant mis en mouvement par la vibration de la sonotrode.
En outre, les projectiles comportent une pluralité de médias abrasifs qui, mis en mouvement par la vibration de la sonotrode, introduisent des contraintes résiduelles de compression et améliorent l'état de surface de la pièce métallique. Par « médias abrasifs », on entend un élément de forme variable comportant généralement une base et une charge abrasive dure qui use d'autres matériaux plus tendres que cette matière.
Par « améliorer l'état de surface », on entend polir, ébavurer, casser les angles de la pièce métallique. Le dispositif pour le traitement d'une pièce métallique selon l'invention permet de résoudre les problèmes préalablement cités.
Un tel dispositif permet de réduire le temps de traitement des pièces métalliques en réduisant le nombre d'opérations et le nombre de contrôles.
En effet, le dispositif de l'invention permet, en utilisant une seule machine de réaliser une opération assurant à la fois le grenaillage et la finition de la pièce métallique. Plus précisément, le dispositif de l'invention est semblable aux machines de grenaillage par ultrasons selon l'art antérieur, à la différence que les projectiles qui comportent habituellement des billes en céramique, verre ou acier sont remplacés par des projectiles comportant des médias abrasifs utilisés dans les techniques de tribofinition classiques. Ainsi, les médias abrasifs assurent à la fois l'introduction de contraintes résiduelles de compression et l'amélioration de l'état de surface de la pièce métallique.
En choisissant le couple optimal projectiles (forme, matériau, taille)/ paramètres du signal électrique (fréquence, amplitude, durée d'émission), il est possible d'obtenir le même résultat qu'en utilisant deux machines différentes comme c'est le cas dans l'art antérieur. En effet, le couple projectiles/paramètres du signal électrique est choisi de sorte que les projectiles aient assez de vitesse pour introduire des contraintes résiduelles de compression dans la pièce métallique tout en améliorant l'état de surface de ladite pièce métallique.
De plus, l'utilisation du dispositif selon l'invention permet de réduire le nombre de contrôles des pièces métalliques puisqu'un seul contrôle est nécessaire après le traitement de la pièce ce qui réduit davantage le temps de traitement des pièces.
Enfin, l'allégement de la chaîne de production permet de réduire le coût de production des pièces métalliques.
Outre les caractéristiques qui viennent d'être évoquées dans le paragraphe précédent, le dispositif selon le premier aspect peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
Selon un mode de réalisation non limitatif, les projectiles comportent uniquement des médias abrasifs. Selon un mode de réalisation non limitatif, le dispositif comporte un système d'aspiration aspirant des résidus de la pièce métallique et des résidus des projectiles issus de l'impact desdits projectiles entre eux et desdits projectiles sur la surface externe de la pièce métallique.
Selon un mode de réalisation non limitatif, le dispositif comporte un filtre autorisant le passage des résidus de la pièce métallique et des résidus de projectiles de l'enceinte vers le système d'aspiration. Selon un mode de réalisation non limitatif, les médias abrasifs présentent une épaisseur comprise dans l'intervalle [0,8mm, 10mm].
Selon un mode de réalisation non limitatif, au moins un média abrasif de la pluralité de médias abrasifs comporte une base réalisée dans un des matériaux suivants :
- plastique,
- céramique,
- organique.
Selon un mode de réalisation non limitatif, qu'au moins un média abrasif de la pluralité médias abrasifs comporte une charge abrasive présentant une dureté comprise dans l'intervalle [8Mohs, 10Mohs]
Selon un mode de réalisation non limitatif, la charge abrasive est constituée d'au moins un des composés suivants :
- corindon,
- alumine,
- nitrure de bore,
- carbure de silicium,
- carbure de bore,
- diamant.
Selon un mode de réalisation non limitatif, qu'au moins un média abrasif de la pluralité de médias abrasifs présente une forme parmi les suivantes:
- cylindrique,
- sphérique,
- pyramidale,
- conique. Selon un mode de réalisation non limitatif, le signal électrique est émis à une fréquence ultrasonore comprise dans l'intervalle [15kHz, 60kHz].
Selon un mode de réalisation non limitatif, l'amplitude de la sonotrode est comprise dans l'intervalle [Ι Ομιτι, 300μιτι]. Selon un second aspect, l'invention se rapporte à un procédé pour le traitement d'une pièce métallique, comportant les étapes de:
- mise en place de projectiles dans une enceinte, lesdits projectiles comportant une pluralité de médias abrasifs, - positionnement d'une pièce métallique à traiter contre une extrémité supérieure de l'enceinte de sorte qu'une surface externe de la pièce métallique soit en regard d'une surface supérieure d'une sonotrode d'un module de vibration,
- émission d'un signal électrique sinusoïdal selon une fréquence, une amplitude et pendant une durée prédéterminés au moyen d'un générateur du module de vibration,
- génération de vibrations de la sonotrode au moyen d'un convertisseur du module de vibration couplé à ladite sonotrode, ledit convertisseur convertissant le signal électrique émis par le générateur en une vibration mécanique transmise à la sonotrode pour la mise en mouvement des projectiles qui introduisent des contraintes résiduelles de compression et améliorent l'état de surface de la pièce métallique.
Selon un troisième aspect, l'invention se rapporte à un ensemble de projectiles comportant une pluralité de médias abrasifs, ledit ensemble de projectiles étant utilisé dans un procédé de grenaillage pour introduire des contraintes résiduelles de compression dans une pièce métallique.
L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Les figures ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention.
Les figures montrent :
- à la figure 1 , un schéma représentatif d'un dispositif de traitement d'une pièce métallique selon un premier mode de réalisation de l'invention, - à la figure 2, un schéma représentatif d'un dispositif de traitement d'une pièce métallique selon un second mode de réalisation de l'invention,
- à la figure 3, un schéma représentatif d'un dispositif de traitement d'une pièce métallique selon un troisième mode de réalisation de l'invention,
- à la figure 4, un schéma représentatif des étapes d'un procédé de traitement de la pièce métallique selon un mode de réalisation de l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION DE L'INVENTION
Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.
L'invention se rapporte à un dispositif 100 pour le traitement d'une pièce métallique 1 comportant une surface externe 1 -1 , l'invention permettant, en une seule opération, de réaliser à la fois la mise en compression (grenaillage) et la finition de la pièce métallique 1 . La figure 1 représente le dispositif 100 de traitement d'une pièce métallique 1 selon un premier mode de réalisation de l'invention. En référence à la figure 1 , le dispositif 100 comporte :
- une enceinte 1 1 ,
- un module de vibration 12,
- des projectiles 13.
L'enceinte 1 1 est destinée à recevoir les médias abrasifs 13 pour traiter la pièce métallique 1 . Ainsi, l'enceinte 1 1 comporte une paroi latérale 1 1 -1 délimitant ladite enceinte 1 1 . De plus, la paroi latérale 1 1 -1 présente une extrémité inférieure 1 1 -2 et une extrémité supérieure 1 1 -3 ouvertes. La pièce métallique 1 est positionnée contre l'extrémité supérieure 1 1 -3 de l'enceinte 1 1 bouchant ladite extrémité supérieure 1 1 - 3. On note que la pièce métallique 1 est maintenue fixée à l'extrémité supérieure 1 1 - 3 de l'enceinte 1 1 de sorte que ladite pièce métallique 1 ne risque pas de se déplacer au cours du traitement. En outre, le module de vibration 12 est positionné au niveau de l'extrémité inférieure 1 1 -2 de l'enceinte 1 1 bouchant ladite extrémité inférieure 1 1 -2. Ainsi, lorsque la pièce métallique 1 et le module de vibration 12 sont positionnés respectivement au niveau de l'extrémité supérieure 1 1 -3 et l'extrémité inférieure 1 1 -2, l'enceinte 1 1 forme une enceinte fermée de sorte que les projectiles 13 ne puissent pas s'échapper de ladite enceinte 1 1 .
Le module de vibration 12 comporte :
- un générateur 12-1 ,
- un convertisseur 12-2,
- un amplificateur 12-3,
- une sonotrode 12-4.
Le générateur 12-1 est destiné à produire un signal électrique sinusoïdal à fréquence ultrasonore. Selon un mode de réalisation non-limitatif, la fréquence ultrasonore du signal électrique est comprise dans l'intervalle [15 kHz, 60 kHz]. En outre, selon un mode de réalisation non-limitatif, l'amplitude de la sonotrode 12-4 est comprise dans l'intervalle [10 μιτι, 300 μιτι] β plus, selon un mode de réalisation non-limitatif, le signal électrique est émis pendant une durée allant [de quelques minutes à quelques heures]. Selon un mode de réalisation non-limitatif, le signal électrique 12-1 est émis pendant une première durée di à une première fréquence f1 et à une première amplitude A1 puis, pendant une deuxième durée d2 à une deuxième fréquence f2 et à une deuxième amplitude A2.
Le convertisseur 12-2 est destiné à convertir le signal électrique sinusoïdal à fréquence ultrasonore émis par le générateur 12-1 en une onde mécanique. Par exemple, le convertisseur 12-2 est un transducteur piézoélectrique.
L'amplificateur 12-3, appelé en anglais « booster », est destiné à amplifier l'amplitude de l'onde mécanique générée par le transducteur piézoélectrique 12-2. L'amplificateur 12-3 est relié à la sonotrode 12-4 de sorte que l'onde mécanique amplifiée soit transmise à la sonotrode 12-4 qui vibre. La sonotrode 12-4 est destinée à mettre en mouvement des projectiles 13 pour les projeter contre la surface externe 1 -1 de la pièce métallique 1 . Plus précisément, la sonotrode 12-4 comporte une surface vibrante correspondant à l'extrémité supérieure de ladite sonotrode 12-4. L'extrémité supérieure de la sonotrode 12-4 forme le fond de l'enceinte 1 1 lorsque la sonotrode 12-4 au niveau de l'extrémité inférieure 1 1 -2 de l'enceinte 1 1 . Les projectiles 13 sont destinés à être projetés contre la surface externe 1 -1 de la pièce métallique 1 . Les projectiles 13 acquièrent leur énergie cinétique grâce aux vibrations de la sonotrode 12-4. L'impact des projectiles 13 contre la surface externe 1 -1 de la pièce métallique 1 permet d'améliorer l'état de surface et à induire des contraintes résiduelles de compression dans ladite pièce métallique 1 . Pour ce faire, les projectiles 13 comportent une pluralité de médias abrasifs. Le mouvement aléatoire des projectiles 13 dans le volume de l'enceinte 1 1 assure un traitement uniforme de la zone de la pièce métallique 1 . Selon un mode de réalisation non limitatif, les projectiles 13 comportent uniquement des médias abrasifs. En outre, selon un mode de réalisation non-limitatif, chaque média abrasif comporte une base et une charge abrasive. Ainsi, selon un mode de réalisation non-limitatif, au moins un média abrasif comporte une base réalisée en plastique, en céramique, ou encore dans un matériau organique. De plus, selon un mode de réalisation non- limitatif, la charge abrasive est choisie de sorte à être plus dure que le matériau de la pièce métallique 1 . Pour ce faire, la charge abrasive présente une dureté comprise dans l'intervalle [8Mohs, 10Mohs]. La charge abrasive est constituée, par exemple, de corindon, d'alumine, de nitrure de bore, de carbure de silicium, de carbure de bore, ou encore de diamant. Par ailleurs, au moins un média abrasif de la pluralité de médias abrasifs présente une forme cylindrique, sphérique, pyramidale ou encore conique. On note que l'épaisseur, la forme et le matériau des médias abrasifs sont choisis selon les caractéristiques de la pièce métallique 1 à traiter. En outre, différents types de médias abrasifs (forme, charge abrasive, base, épaisseur) peuvent être utilisés pour le traitement de la pièce métallique 1 . Ainsi, par exemple, pour des zones à faibles accessibilités, des médias abrasifs de faible épaisseur seront préférés. Par ailleurs, selon un autre mode de réalisation non-limitatif, des billes en verre ou encore en céramique sont utilisées conjointement avec les médias abrasifs pour traiter la pièce métallique 1 .
On note que selon un mode de réalisation non représenté, le dispositif 100 comporte au moins deux sonotrodes 12-4, chaque sonotrode 12-4 étant équipée d'une enceinte 1 1 . Un tel dispositif 100 permet de traiter plusieurs pièces métalliques 1 simultanément en utilisant un seul générateur 12-1 . La figure 2 représente le dispositif 100 de traitement d'une pièce métallique 1 selon un deuxième mode de réalisation.
Le dispositif 100 selon le deuxième mode de réalisation comporte les mêmes éléments que le dispositif 100 décrit dans le premier mode de réalisation en référence à la figure 1 . De plus, à la différence du dispositif 100 de la figure 1 , le dispositif 100 selon le deuxième mode de réalisation comporte un système d'aspiration 14 pour aspirer des résidus de la pièce métallique 1 et des résidus de projectiles 13 issus de l'impact des projectiles 13 entre eux et desdits projectiles 13 sur la surface externe 1 -1 de la pièce métallique 1 . Un tel système d'aspiration 14 permet de réduire l'impact du traitement sur l'intégrité matière des pièces métalliques 1 traitées en raison des résidus susceptibles de gêner la circulation des projectiles 13 ou de s'incruster sur la surface externe 1 -1 de la pièce métallique 1 . Ainsi, selon le mode de réalisation de la figure 2, une tête 14-1 du système d'aspiration 14 est fixée sur une partie inférieure 12-42 de la sonotrode 12-4. Dans ce mode de réalisation, des orifices traversant (non représentés) sont ménagés dans la sonotrode 12-4 de sorte que les résidus de la pièce métallique 1 et les résidus de projectiles 13 issus de l'impact des projectiles 13 entre eux et sur la surface externe 1 -1 traversent lesdits orifices pour atteindre la tête 14-1 du système d'aspiration 14 et ainsi être aspirés par ledit système d'aspiration 14. En outre, un filtre 15, visible sur la coupe A-A, est positionné dans l'enceinte 1 1 pour autoriser uniquement le passage des résidus de la pièce métallique 1 et des résidus des projectiles 13 de l'enceinte 1 1 vers le système d'aspiration 14. Ainsi, les projectiles 13 encore « entiers » sont bloqués par le filtre 15 de sorte qu'ils ne soient pas aspirés par le système d'aspiration 14. Dans le mode de réalisation présenté à la figure 2, le filtre 15 est positionné sur une surface supérieure 12-41 de la sonotrode 12-4 de sorte que seuls les résidus de la pièce métallique 1 et les résidus des projectiles 13 puissent traverser les orifices ménagés dans la sonotrode 12-4. Pour ce faire, la taille des pores du filtre 15 est comprise dans l'intervalle [0,4 mm, 5 mm].
La figure 3 représente le dispositif 100 de traitement d'une pièce métallique 1 selon un troisième mode de réalisation. Le dispositif 100 selon le troisième mode de réalisation comporte les mêmes éléments que le dispositif 100 décrit dans le deuxième mode de réalisation en référence à la figure 2. De plus, à la différence du dispositif 100 de la figure 2, la tête 14-1 du système d'aspiration 14 du dispositif 100 selon le troisième mode de réalisation est fixée à une ouverture 1 1 -1 1 ménagée dans la paroi latérale 1 1 -1 de l'enceinte 1 1 . On note que dans ce mode de réalisation, la sonotrode 12-4 ne comporte pas d'orifices traversants. De plus, le filtre 15, visible sur la coupe A-A de la figure 3, est positionné au niveau de l'ouverture 1 1 -1 1 ménagée dans la paroi latérale 1 1 -1 de l'enceinte 1 1 , entre la tête 14-1 du système d'aspiration 14 et l'enceinte 1 1 .
Par ailleurs, selon un mode de réalisation non représenté, une partie de la pièce métallique 1 est protégée par un élément protecteur rapporté sur ladite pièce 1 ou sur le dispositif 100 afin que ladite partie ne soit pas endommagée par des impacts de projectiles 13. La figure 4 représente des étapes d'un procédé 200 de traitement d'une pièce métallique 1 selon un mode de réalisation de l'invention. Le procédé 200 est mis en œuvre par le dispositif 100 de traitement d'une pièce métallique 1 décrit précédemment.
Selon une première étape 201 , les projectiles 13, comportant une pluralité de médias abrasifs, sont mis en place dans l'enceinte 1 1 . On note que la/les forme(s) (cylindrique, pyramidale etc.), Ie(s) matériau(x) et la/les taille(s) des médias abrasifs sont choisis selon le matériau, l'état de surface initial ainsi que les exigences au plan de la pièce métallique 1 à traiter.
Selon une deuxième étape 202, la pièce métallique 1 est positionnée contre l'extrémité supérieure 1 1 -3 de l'enceinte 1 1 de sorte que la surface externe 1 -1 à traiter de la pièce métallique 1 soit positionnée en regard de la surface supérieure 12-41 de la sonotrode 12-4. La pièce métallique 1 et la sonotrode 12-4 sont positionnés respectivement contre l'extrémité supérieure 1 1 -3 et l'extrémité inférieure 1 1 -1 de l'enceinte 1 1 . On note que, selon un mode de réalisation non-limitatif, la pièce métallique 1 est fixée sur l'extrémité supérieure 1 1 -3 de l'enceinte 1 1 de sorte à éviter que ladite pièce métallique 1 ne se déplace au cours du traitement sous l'impact des projectiles 13. Selon une troisième étape 203, le générateur 12-1 émet un signal électrique sinusoïdal à une fréquence, une amplitude et pendant une durée prédéterminés selon les caractéristiques de la pièce métallique 1 à traiter.
Selon une quatrième étape 204, des vibrations de la sonotrode 12-4 sont générées au moyen du convertisseur 12-2 couplé à ladite sonotrode 12-4. On rappelle que le convertisseur 12-2 convertit le signal électrique émis par le générateur 12-1 en une vibration mécanique qui est transmise à la sonotrode 12-4. La vibration de la sonotrode 12-4 assure la mise en mouvement des projectiles 13 dans l'enceinte 1 1 ce qui permet d'introduire des contraintes résiduelles de compression et d'améliorer l'état de surface de la pièce métallique 1 .

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif (100) pour le traitement d'une pièce métallique (1 ) présentant une surface externe (1 -1 ), ledit dispositif (100) comportant :
- une enceinte (1 1 ),
- un module de vibration (12) comportant :
■ un générateur (12-1 ) d'un signal électrique à fréquence ultrasonore,
■ un convertisseur (12-2) pour convertir ledit signal électrique en une vibration mécanique, ladite vibration mécanique étant transmise à une sonotrode (12-4),
■ la sonotrode (12-4) positionnée dans ladite enceinte (1 1 ) en regard de la surface externe (1 -1 ) de la pièce métallique (1 ),
- des projectiles (13) placés dans l'enceinte (1 1 ) pour impacter la surface externe (1 -1 ) de la pièce métallique (1 ), lesdits projectiles (13) étant mis en mouvement par la vibration de la sonotrode (12-4), ledit dispositif (100) étant caractérisé en ce que les projectiles (13) comportent une pluralité de médias abrasifs qui, mis en mouvement par la vibration de la sonotrode (12-4), introduisent des contraintes résiduelles de compression et améliorent l'état de surface de la pièce métallique (1 ).
2. Dispositif (100) pour le traitement d'une pièce métallique (1 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte un système d'aspiration (14) aspirant des résidus de la pièce métallique (1 ) et des résidus de projectiles (13) issus de l'impact desdits projectiles (13) entre eux et sur la surface externe (1 -1 ) de la pièce métallique (1 ).
3. Dispositif (100) pour le traitement d'une pièce métallique (1 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte un filtre (15) autorisant uniquement le passage des résidus de la pièce métallique (1 ) et des résidus des projectiles (13) de l'enceinte (1 1 ) vers le système d'aspiration
4. Dispositif (100) pour le traitement d'une pièce métallique (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les médias abrasifs présentent une épaisseur comprise dans l'intervalle [0,8mm, 10mm].
5. Dispositif (100) pour le traitement d'une pièce métallique (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un média abrasif de la pluralité de médias abrasifs comporte une base réalisée dans un des matériaux suivants :
- plastique,
- céramique,
- organique.
6. Dispositif (100) pour le traitement d'une pièce métallique (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un média abrasif de la pluralité de médias abrasifs comporte une charge abrasive présentant une dureté comprise dans l'intervalle [8Mohs, 10Mohs].
7. Dispositif (100) pour le traitement d'une pièce métallique (1 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la charge abrasive est constituée d'au moins un des composés suivants :
- corindon,
- alumine,
- nitrure de bore,
- carbure de silicium,
- carbure de bore,
- diamant.
8. Dispositif (100) pour le traitement d'une pièce métallique (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un média abrasif de la pluralité de médias abrasifs présente une forme parmi les suivantes:
- cylindrique,
- sphérique,
- pyramidale,
- conique.
9. Dispositif (100) pour le traitement d'une pièce métallique (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le signal électrique est émis à une fréquence ultrasonore comprise dans l'intervalle [15 kHz, 60 kHz].
10. Dispositif (100) pour le traitement d'une pièce métallique (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'amplitude de la sonotrode (12-4) est comprise dans l'intervalle [10 μιτι, 300 μιτι].
1 1 . Procédé (200) pour le traitement d'une pièce métallique (1 ), caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de:
- mise en place (201 ) de projectiles (13) dans une enceinte (1 1 ), lesdits projectiles (13) comportant une pluralité de médias abrasifs,
- positionnement (202) d'une pièce métallique (1 ) à traiter contre une extrémité supérieure (1 1 -3) de l'enceinte (1 1 ) de sorte qu'une surface externe (1 -1 ) de la pièce métallique (1 ) soit en regard d'une surface supérieure (12-41 ) d'une sonotrode (12-4) d'un module de vibration (12),
- émission (203) d'un signal électrique sinusoïdal selon une fréquence, une amplitude et pendant une durée prédéterminés au moyen d'un générateur (12-1 ) du module de vibration (12),
- génération (204) de vibrations de la sonotrode (12-4) au moyen d'un convertisseur (12-2) du module de vibration (12-2) couplé à ladite sonotrode (12-4), ledit convertisseur (12-2) convertissant le signal électrique émis par le générateur (12-1 ) en une vibration mécanique transmise à la sonotrode (12-4) pour la mise en mouvement des projectiles (13) qui introduisent des contraintes résiduelles de compression et améliorent l'état de surface de la pièce métallique (1 ).
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