FR2850892A1 - Dispositif de striation sectorielle non lineaire par laser a commande numerique et procede de striation associe, pieces striees obtenues a l'aide de ce dispositif - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif de striation par laser d'une paroi interne cylindrique (11) d'une pièce (10), présentant un axe de symétrie (X-X'), par exemple un cylindre de moteur de véhicule automobile, comprenant un générateur (20) générant un faisceau laser (21), une tête (30) projetant et focalisant le faisceau laser (21) sur la paroi interne (11), et un dispositif mécanique apte à déplacer la tête (30) en translation suivant l'axe de symétrie (X-X') et en rotation autour de l'axe de symétrie (X-X'), de telle sorte que le faisceau laser (21) suive une trajectoire sur cette paroi (11) et crée un réseau de stries de forme prédéterminée.Selon l'invention, le dispositif mécanique comprend un dispositif de commande numérique apte à commander les déplacements de la tête (30) pour que le faisceau laser (21) procède à un balayage non uniforme de la paroi interne (11) du seul fait des déplacements de la tête (30).

Description

L'invention concerne en général l'industrie

mécanique et l'usinage.

Plus précisément, l'invention concerne selon un premier aspect un dispositif de striation par laser d'une 5 paroi interne cylindrique d'une pièce, présentant un axe de symétrie, par exemple un cylindre de moteur de véhicule automobile, comprenant un générateur générant un faisceau laser, une tête projetant et focalisant le faisceau laser sur la paroi interne, et un dispositif 10 mécanique apte à déplacer la tête en translation suivant l'axe de symétrie et en rotation autour de l'axe de symétrie, de telle sorte que le faisceau laser suive une trajectoire sur cette paroi et crée un réseau de stries de forme prédéterminée.

Des dispositifs de ce type sont connus de l'art antérieur, la tête étant animée d'un mouvement de translation régulier et d'un mouvement de rotation régulier de telle sorte que le faisceau balaye toute la surface interne et crée une strie hélicodale de forme 20 régulière.

Ces dispositifs présentent de nombreux défauts.

La striation est uniforme et n'est pas optimisée en fonction des frottements subis par les différentes zones de la paroi interne. Ces frottements ne sont pas 25 réguliers sur la circonférence du cylindre car la poussée du piston dans le cylindre n'est pas coaxiale à l'axe XX'. Ces frottements ne sont pas non plus uniformes sur la hauteur axiale du cylindre car la vitesse du piston n'est pas constante.

Le document de brevet EP 0 876 870 révèle un dispositif de striation par laser résolvant partiellement ces problèmes, dont la tête comprend un miroir monté sur des éléments piézoélectriques, ce miroir renvoyant le faisceau radialement vers la paroi. Les mouvements 35 combinés du miroir, sous l'effet des éléments piézoélectriques, et de la tête permettent de déplacer le faisceau le long de la paroi interne et de créer des formes prédéterminées, par exemples des séries de cuvettes alignées axialement ou périphériquement.

Ce dispositif permet de créer sur la paroi des zones striées présentant des motifs différents. Mais ce 5 dispositif est complexe, coteux et fragile, et la gamme de formes qu'il permet de créer est limitée.

Dans ce contexte, la présente invention a pour but de pallier les défauts mentionnés ci-dessus.

A cette fin, le dispositif de l'invention, par 10 ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le dispositif mécanique comprend un dispositif de commande numérique apte à commander les déplacements de la tête pour que le faisceau laser procède à un balayage non uniforme de la paroi interne du seul fait des déplacements de la tête.

Dans un mode de réalisation possible de l'invention, le dispositif de commande numérique est apte à commander les déplacements de la tête pour que le 20 faisceau laser procède à des balayages locaux successifs de zones disjointes de la paroi interne du seul fait des déplacements de la tête.

Avantageusement, le faisceau laser projeté sur la paroi par la tête est fixe par rapport à la tête.

De préférence, le dispositif de commande numérique comprend des moyens pour déterminer, en chaque point de la dite trajectoire prédéterminée, la vitesse et l'accélération du faisceau.

Par exemple, le dispositif de commande numérique 30 comprend des moyens pour faire varier des paramètres caractéristiques du faisceau laser, en particulier allmer et éteindre le faisceau laser.

Par exemple, le dispositif mécanique comprend des moteurs de translation et de rotation entraînant la tête 35 respectivement en translation suivant l'axe de symétrie et en rotation autour de l'axe de symétrie, des variateurs de translation et de rotation recevant des :3 signaux numériques de commande du dispositif de commande numérique et transmettant des signaux électriques de commande respectivement aux moteurs de translation et de rotation, des codeurs de position en translation et en 5 rotation, le dispositif de commande numérique recevant un signal de position des codeurs et calculant les signaux numériques à l'aide d'un programme d'interpolation.

Avantageusement, le dispositif mécanique comprend un chariot entraîné en translation suivant l'axe de 10 symétrie par le moteur de translation, le moteur de rotation étant fixé sur le chariot, la tête étant montée à rotation sur le chariot.

Dans un deuxième aspect, l'invention concerne une méthode de striation d'une paroi interne cylindrique 15 d'une pièce à l'aide du dispositif de striation par laser décrit plus haut, les stries étant réparties dans des zones séparées les unes des autres et/ou ne couvrant qu'une faible partie de la paroi interne, caractérisées en ce qu'elle comprend les étapes suivantes: 20 1/ déplacer la tête, générateur éteint, pour que le faisceau soit orienté vers l'intérieur d'une première zone, 2/ allumer le faisceau, 3/ balayer la première zone avec le faisceau en déplaçant 25 la tête, 4/ éteindre le faisceau, 5/ déplacer la tête pour que le faisceau soit orienté vers l'intérieur d'une autre zone, 6/ recommencer les étapes 2/ à 5/ jusqu'à ce que toutes 30 les zones soient traitées.

Dans un troisième aspect, l'invention concerne une pièce comprenant une paroi interne cylindrique striée obtenue à l'aide du dispositif de striation décrit plus haut, caractérisé en ce que le réseau de stries sur la 35 paroi interne de la pièce constitue des zones quelconques mutuellement disjointes.

Avantageusement, les stries forment sur la paroi interne des familles de courbes non linéaires, parallèles ou non, situées dans des zones quelconques mutuellement disjointes.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles: - la figure 1 est un schéma de principe du dispositif de striation laser selon l'invention, représenté en coupe axiale, - la figure 2 est une représentation schématique simplifiée du dispositif mécanique déplaçant la tête 15 laser de la figure 1, vu de côté, - la figure 3 est un schéma de principe représentant les informations échangées par les différents éléments du dispositif mécanique de la figure - la figure 4 est une vue développée de la paroi après striation, portant un premier type de forme réalisé avec le dispositif de la figure 1, - la figure 5 est une vue développée de la paroi après striation, portant un second type de forme réalisé 25 avec le dispositif de la figure 1, et - la figure 6 est une vue développée de la paroi après striation, montrant les motifs des stries pouvant être usinées dans les formes des figures 4 et 5 réalisées avec le dispositif de la figure 1.

Le dispositif de striation par laser représenté sur la figure 1 est adapté à l'usinage d'une paroi interne cylindrique il d'une pièce 10, cette paroi 11 présentant un axe de symétrie X-X'.

Ce dispositif comprend un générateur 20 générant un 35 faisceau laser 21, une tête 30 projetant et focalisant le faisceau laser 21 sur la paroi interne 11, et un dispositif mécanique 40 apte à déplacer la tête 30 en translation suivant l'axe de symétrie X-X' et en rotation autour de cet axe de symétrie X-X', de telle sorte que le faisceau laser 21 suive une trajectoire sur cette paroi et crée un réseau de stries de forme prédéterminée. Les 5 mouvements de la tête sont représentés par des flèches sur la figure 1.

La tête 30 se déplace à l'intérieur de la cavité délimitée par la paroi interne 11, le long de l'axe X-X'.

Le faisceau laser 21 est transmis du générateur 20 10 à la tête 30 par un dispositif optique, ce dispositif comprenant, dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 à 6, un miroir primaire 22 disposé sur l'axe de symétrie X-X', d'un premier côté axial de la paroi 11, et incliné à 45 degrés par rapport à cet axe.

Le faisceau laser 21 sort du générateur 20 suivant une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe X-X', se réfléchit sur le miroir primaire 22 et suit l'axe X-X' jusqu'à la tête 30 à l'intérieur de laquelle il pénètre.

La tête 30 comprend un miroir secondaire 31, 20 disposé sur l'axe de symétrie X-X' en vis-à-vis du miroir primaire 22, incliné à 45 degrés par rapport à cet axe, qui renvoie le faisceau laser 21 perpendiculairement à l'axe X-X' vers la paroi interne 11.

Selon l'invention, le dispositif mécanique 40 25 comprend un dispositif de commande numérique 41 apte à commander les déplacements de la tête 30 pour que le faisceau laser 21 procède à un balayage non uniforme de la paroi interne il du seul fait des déplacements de la tête 30.

Ce dispositif de commande numérique permet de faire suivre au faisceau laser 31 n'importe quelle trajectoire programmée à l'avance sur la paroi interne 11. Cette trajectoire ne balaye pas nécessairement de façon uniforme la paroi 11 et peut être très différente de la 35 courbe hélicodale des dispositifs de l'art antérieur. Le balayage peut ne couvrir qu'une petite partie de la paroi et laisser des zones non couvertes.

En particulier, le dispositif de commande numérique 41 est apte à commander les déplacements de la tête 30 pour que le faisceau laser 21 procède à des balayages locaux successifs de zones disjointes de la paroi interne 11.

Ces zones peuvent être éloignées les unes des autres et peuvent être traitées dans n'importe quel ordre.

Selon un aspect particulièrement important de 10 l'invention, le faisceau laser 21 projeté sur la paroi il par la tête 30 est fixe par rapport à la tête 30.

Le miroir secondaire 31 est fixe par rapport à la tête 30. La tête comprend en outre un dispositif optique de focalisation 24, connu en soi, permettant de focaliser 15 le faisceau 21 sur la paroi interne 11.

Le faisceau 21 pénètre dans la tête 30 par une ouverture axiale 32 ménagée dans une face axiale de la tête 30, et en sort après réflexion sur le miroir secondaire 31 par une ouverture latérale 33 ménagée dans 20 une face latérale de la tête.

Le dispositif de focalisation 34 comprend des lentilles disposées sur le chemin du faisceau dans la tête 30.

Comme le montre la figure 2, le dispositif 25 mécanique 40 comprend un moteur de translation 42 entraînant en rotation un premier arbre de sortie 421, qui est accouplé à une table linéaire 51 comme en soi, dont le principe est que l'arbre de sortie 421 entraîne en rotation une vis à bille 511-512, laquelle déplace le 30 chariot 50 le long de l'axe X-X', soit dans la direction du miroir primaire 22, soit en direction inverse.

Le chariot 50 est une structure mécano-soudée, comprenant une platine de fixation 501 s'étendant dans un plan perpendiculaire à l'axe de symétrie X-X'.

Le dispositif mécanique 40 comprend également un moteur de rotation 43 entraînant en rotation un second arbre de sortie 431 parallèle à l'axe de symétrie X-X', et un second dispositif de transmission 52 transmettant le mouvement de rotation du second arbre de sortie 431 à la tête 30.

Le moteur de rotation 43 est rigidement fixé sur la 5 platine 501, la tête 30 étant montée à rotation sur la platine 501 autour de l'axe X-X'.

Le second dispositif de transmission 52 est de type poulie courroie et comprend une première poulie 521 coaxiale et solidaire du second arbre de sortie 431, une 10 seconde poulie 522 coaxiale et solidaire de la tête 30, et une courroie 523 solidarisant en rotation les première et deuxième poulie 521 et 522.

La courroie 523 et les première et seconde poulies 521 et 522 s'étend dans un même plan perpendiculaire à 15 l'axe X-X'.

Comme le montre la figure 3, le dispositif mécanique 40 comprend des variateurs de translation et de rotation 44 et 45 recevant des signaux numériques de commande N du dispositif de commande numérique 41 et 20 transmettant des signaux électriques de commande E respectivement aux moteurs de translation et de rotation 42 et 43, et des codeurs de position en translation et en rotation 47 et 48.

Les codeurs sont intégrés dans les moteurs de 25 translation et de rotation 42 et 43 et permettent de connaître en permanence, en fonction de la rotation de ces moteurs, les positions axiales et angulaires de la tête. Les codeurs et les variateurs sont de type connu en soi.

Le dispositif de commande numérique 41 reçoit un signal de position P des codeurs 47 et 48 et calculent les signaux numériques de commande N à l'aide d'un programme d'interpolation.

Le dispositif de commande numérique 41 est de type 35 connu en soi. Il comprend des moyens de programmation permettant à un utilisateur de définir la trajectoire du faisceau. Cette trajectoire peut également être définie par des moyens informatiques extérieurs au dispositif de commande numérique, par exemple des moyens de conception assistée par ordinateur, et transférés dans le dispositif de commande numérique.

La trajectoire est définie sous la forme d'une suite de points discrets à parcourir suivant un ordre déterminé.

Le dispositif de commande numérique définit la trajectoire entre les points programmés par calcul. Le 10 calcul est paramétré par l'utilisateur, qui définit si la trajectoire interpolée entre les points programmés doit être optimisée par exemple pour passer au plus près des points programmés ou pour permettre une vitesse de déplacement la plus régulière possible du faisceau sur la 15 paroi interne.

Le dispositif de commande numérique 41 détermine à chaque instant la vitesse et l'accélération du faisceau et les transmet aux variateurs, ces informations constituant les signaux numériques de commande N. Par ailleurs, le dispositif de commande numérique 41 comprend des moyens pour faire varier des paramètres caractéristiques du faisceau laser 21.

Ces paramètres sont par exemple la puissance ou la fréquence.

A cet effet, le dispositif de commande comprend un module dialoguant avec un dispositif de commande du générateur 20.

En outre, le dispositif de commande numérique 41 comprend des moyens pour allumer et éteindre le faisceau 30 via le module dialoguant avec le dispositif de commande du générateur 20.

Enfin, le dispositif mécanique 40 comprend des moyens pour mettre en référence la paroi 11 relativement à la tête 30. Ces moyens, connus en eux-mêmes, permettent 35 de déterminer la position d'origine de la tête 30 axialement et radialement et permettent donc de positionner de façon absolue chaque point de la trajectoire sur la paroi interne 11.

Ces moyens sont par exemple des moyens de serrage et centrage 53 contre lesquels la pièce 10 est positionnée.

L'un des avantages principaux du dispositif de striation décrit plus haut est qu'il est possible, grâce au dispositif de commande numérique 41, de ne balayer avec le faisceau laser que la partie de paroi interne 10 strictement nécessaire. On gagne ainsi en temps de cycle pour l'usinage de la pièce 10.

Ceci est particulièrement utile quand les stries sont réparties dans des zones séparées les unes des autres et/ou ne couvrant qu'une faible fraction de la 15 paroi interne. L'opération de striation comprend alors les étapes suivantes: 1/ déplacer la tête, générateur éteint, pour que le faisceau soit orienté vers l'intérieur d'une première zone, 2/ allumer le générateur, 3/ balayer la première zone avec le faisceau en déplaçant la tête, sans sortir de cette première zone, 4/ éteindre le générateur, 5/ déplacer la tête pour que le faisceau soit 25 orienté vers l'intérieur d'une autre zone, 6/ recommencer les étapes 2/ à 5/ jusqu'à ce que toutes les zones soient traitées.

Le dispositif de striation de l'invention permet d'obtenir sur la paroi interne 11 des formes impossibles 30 à obtenir avec d'autres dispositifs.

Un premier exemple est représenté sur la figure 4.

Le réseau de stries sur la paroi interne il de la pièce 10 constitue des bandes droites B parallèles à l'axe de symétrie X-X' et mutuellement disjointes. Chaque bande B 35 couvre un secteur angulaire de la paroi cylindrique il et s'étend sur toute la longueur axiale de cette paroi. Ces bandes B sont chacune délimitée par deux bords droits opposés parallèles à l'axe X-X'.

Un deuxième exemple est représenté sur la figure 5.

Le réseau de stries forme des ellipses EL de grandes 5 tailles, de grands axes respectifs parallèles à l'axe de symétrie X-X'. Ces ellipses EL présentent des longueurs supérieures à un quart de la longueur axiale de la paroi interne 11. Les stries peuvent présenter également une forme hybride H représentée sur la figure 5, constituée 10 d'un tronçon de la bande B décrit plus haut présentant une extrémité en demi-disque. Le tronçon ne couvre qu'un quart de la hauteur axiale de la paroi.

Un troisième exemple est illustré sur la figure 6, dans lequel les stries forment sur la paroi interne il à 15 l'intérieur des zones illustrées par l'exemple 4 et 5 des courbes de type sinusode ou apparentées portées par une famille de courbes B, en l'occurrence des paraboles qui peuvent être parallèles. Sur la représentation développée de la figure 6, les courbes B forment des bosses 20 parallèles, se déduisant les unes des autres par translation axiale, de convexités tournées vers un bord axial 111 de la paroi 11. Ces courbes sont symétriques par rapport au plan médian de la développée représentée sur la figure 6.

La période et l'amplitude des sinusodes est petite par rapport au diamètre de la paroi interne cylindrique 11.

Les sinusodes portées par une courbe P s'interpénètrent avec celles qui sont portées par les 30 courbes encadrant ladite courbe P. Ce dernier exemple est particulièrement adapté au mouvement réel du piston dans le cylindre d'un moteur. La zone formée par les stries correspond avec la zone de frottement du piston du fait du décalage entre l'axe de 35 symétrie X-X' du cylindre et la direction de poussée du piston. Le sommet de la bosse, marqué Zl sur la figure 6, correspond à la zone subissant un frottement particulièrement fort en bout de course du piston d'un côté du cylindre. Les bosses sinusodes permettent de bloquer la circulation du lubrifiant lors de la translation du piston et de forcer sont étalement par laminage sur les surfaces 11 entre les courbes.

Le dispositif de l'invention est donc particulièrement avantageux, puisqu'il permet, avec des moyens mécaniquement simples, de réaliser n'importe quel type de stries sur la paroi 11. Ces stries peuvent en 10 particulier suivre exactement les zones sur lesquelles le piston frotte de façon appuyée pendant son déplacement.

La tête optique est également très simple, robuste et peu coteuse.

Un gain important en temps de cycle peut être 15 réalisé car le dispositif permet de ne balayer que les zones à usiner.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de striation par laser d'une paroi 5 interne cylindrique (11) d'une pièce (10), présentant un axe de symétrie (X-X'), par exemple un cylindre de moteur de véhicule automobile, comprenant un générateur (20) générant un faisceau laser (21), une tête (30) projetant et focalisant le faisceau laser (21) sur la paroi interne 10 (11), et un dispositif mécanique (40) apte à déplacer la tête (30) en translation suivant l'axe de symétrie (X-X') et en rotation autour de l'axe de symétrie (X-X'), de telle sorte que le faisceau laser (21) suive une trajectoire sur cette paroi (11) et crée un réseau de 15 stries de forme prédéterminée, caractérisé en ce que le dispositif mécanique (40) comprend un dispositif de commande numérique (41) apte à commander les déplacements de la tête (30) pour que le faisceau laser (21) procède à un balayage non uniforme de la paroi interne (11) du seul 20 fait des déplacements de la tête (30).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de commande numérique (41) est apte à commander les déplacements de la tête (30) pour que le faisceau laser (31) procède à des balayages locaux 25 successifs de zones disjointes de la paroi interne (11) du seul fait des déplacements de la tête (30).

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le faisceau laser (21) projeté sur la paroi (11) par la tête (30) est fixe par rapport à la 30 tête (30).

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de commande numérique (41) comprend des moyens pour déterminer, en chaque point de la dite trajectoire 35 prédéterminée, la vitesse et l'accélération du faisceau.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de commande numérique (41) comprend des moyens pour faire varier des paramètres caractéristiques du faisceau laser (21) , en particulier allumer et éteindre le faisceau.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif mécanique (40) comprend des moteurs de translation et de rotation (42, 43) entraînant la tête (30) respectivement en translation suivant l'axe de 10 symétrie (X-X') et en rotation autour de l'axe de symétrie (X-X'), des variateurs de translation et de rotation (44, 45) recevant des signaux numériques de commande (N) du dispositif de commande numérique (41) et transmettant des signaux électriques de commande (E) 15 respectivement aux moteurs de translation et de rotation (42, 43), des codeurs de position en translation et en rotation (47, 48), le dispositif de commande numérique (41) recevant un signal de position (P) des codeurs et calculant les signaux numériques (N) à l'aide d'un 20 programme d'interpolation.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif mécanique (40) comprend un chariot (50) entraîné en translation suivant l'axe de symétrie (X-X') par le moteur de translation (42), le 25 moteur de rotation (43) étant fixé sur le chariot (50), la tête (30) étant montée à rotation sur le chariot (50).

8. Méthode de striation d'une paroi interne cylindrique (11) d'une pièce (10) à l'aide d'un dispositif de striation par laser selon l'une quelconque 30 des revendications précédentes, les stries étant réparties dans des zones séparées les unes des autres et/ou ne couvrant qu'une faible partie de la paroi interne (11), caractérisées en ce qu'elle comprend les étapes suivantes: 1/ déplacer la tête (30), faisceau éteint, pour que le faisceau (21) soit orienté vers l'intérieur d'une première zone, 2/ allumer le faisceau (21), 3/ balayer la première zone avec le faisceau en déplaçant la tête (30), 4/ éteindre le faisceau (21), 5/ déplacer la tête (30) pour que le faisceau (21) soit orienté vers l'intérieur d'une autre zone, 6/ recommencer les étapes 2/ à 5/ jusqu'à ce que toutes les zones soient traitées.

9. Pièce comprenant une paroi interne (11) 10 cylindrique striée obtenue à l'aide d'un dispositif de striation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le réseau de stries sur la paroi interne (11) de la pièce constitue des zones quelconques et mutuellement disjointes.

10. Pièce comprenant une paroi interne (11) cylindrique striée obtenue à l'aide d'un dispositif de striation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les stries forment sur la paroi interne (11) des familles de courbes non linéaires ou 20 non, situées dans des zones quelconques mutuellement disjointes.