WO1993020247A1 - Process and device especially for ultrasonic hardening of metallic components - Google Patents

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WO1993020247A1
WO1993020247A1 PCT/FR1993/000341 FR9300341W WO9320247A1 WO 1993020247 A1 WO1993020247 A1 WO 1993020247A1 FR 9300341 W FR9300341 W FR 9300341W WO 9320247 A1 WO9320247 A1 WO 9320247A1
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WO
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transmitter
treatment
emitter
oscillations
speed
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Application number
PCT/FR1993/000341
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French (fr)
Inventor
Patrick Fieffe-Prevost
Anatoly Kulemin
Original Assignee
Teknoson S.A.
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Publication date
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    • 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
    • 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
    • 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 present invention relates to the field of hardening of metals by plastic surface deformation and saturation with metals and non-metallic bodies using concentrated sources of energy, concretely powerful ultrasound, and can be used in the sectors of aviation, automotive, machine tool construction and other machine building sectors.
  • a method of surface hardening of parts is known by treatment using steel balls set in motion by an ultrasonic field in a closed volume, for a predetermined time, with the aim of increasing the quality of the treatment by reducing the roughness. and increasing the regularity of deformation of the treated surfaces (see SU n ° 1 391 135).
  • a disadvantage of the indicated process lies in the limitation of the dimensions of the parts treated and in a relatively low yield of the process.
  • the method does not provide for the treatment of large parts and the displacement by any means of the ultrasonic field on the treated surface.
  • the indicated drawback is partially eliminated when using another process for hardening workpiece surfaces, in particular the internal surface of pipes, comprising treatment using steel balls set in motion by a guide. of ultrasonic waves, with distribution of a powder in a gaseous medium in the working chamber, the part (pipe) being subjected to a translational movement in a direction relative to the waveguide with a given speed, in the aim of increasing technological possibilities by treating very long pipes (SU. N ° 1 655 997).
  • a disadvantage of the process indicated lies in the fact that it does not allow parts having to be treated. complex configurations in space in all directions.
  • the movement of the part relative to the acoustic source is not always possible due for example to the mass and the large dimensions thereof.
  • the speed of movement of the part indicated in the process makes it possible to create a uniform treatment of the interior cavity of a round pipe, but it does not indicate the possibilities of creating a surface with given mechanical and physical properties: roughness, depth hardened layer, reduced vibration noise, wear resistance.
  • the method indicated in the second place does not give the possibility of processing parts such as bodies of revolution, for example shafts.
  • the treatment is provided in an air-filled chamber which has significant resistance to the movement of the balls in the ultrasonic field, which reduces the efficiency of the process.
  • the process indicated in the second place also does not provide for the use of polymer powders, the use of which for coating the parts can give a new surface quality, for example, a reduction in the noise of vibrations in operation.
  • a device for hardening the surfaces of metal parts by ultrasound comprising a magnetostrictive transducer of ultrasonic oscillations, a transmitter made of an alloy of titanium, arranged horizontally and connected to the transducer, a working chamber and a reflector.
  • a drawback of the aforementioned device lies in the fact that it does not make it possible to treat parts of complex configuration and of large spatial dimensions, since a movement of the work area in space along a complex trajectory is not expected.
  • the device has a relatively low efficiency, because, firstly in the device, a magnetostrictive transducer having a relatively low efficiency is used and secondly, the acoustic emitter is made of a titanium alloy without special heat treatment.
  • the acoustic emitters in the second-mentioned device do not make it possible to develop amplitudes of oscillations greater than 100 ⁇ m and are quickly destroyed by fatigue.
  • the device described in the second place is found to be the closest to the device according to the invention from the technical point of view and from the point of view of the result achieved.
  • the aim of the present invention is to increase the yield of the process, to widen the technological possibilities by treating surfaces of large parts and complex profiles, the creation of determined mechanical properties of a surface to be hardened as well as the increase in the coefficient of use of the device by increasing the intensity of the oscillation of the transmitter.
  • the subject of the invention is therefore a process for hardening the surfaces of metal parts by means of of ultrasound, comprising treatment by means of metal balls which receive energy from an ultrasonic field originating in a closed space between the surfaces of an acoustic emitter, a room and a working chamber filled with a determined gaseous medium and a relative displacement between the part and the transmitter ensured in a determined manner, characterized in that in order to increase the efficiency of the process and to widen the technological possibilities of the treatment of the surfaces of parts large dimensions and complex profile, as well as the creation of determined mechanical properties of the surface to be hardened, the relative displacement is ensured by communicating to the transmitter a determined speed in three directions perpendicular to each other.
  • the invention also relates to a device for hardening surfaces of metal parts by ultrasound, comprising a transducer of ultrasonic oscillations of determined type, an acoustic emitter produced and manufactured in titanium alloy and arranged in the space of a determined manner and connected to the transducer by a contact surface of determined value, a working chamber produced in a determined manner and a reflector, characterized in that in order to increase the coefficient of use of the device by increasing the intensity oscillations of the transmitter and the widening of the technological possibilities for processing large parts and complex profiles, the device further comprises a mechanism for moving the transmitter in three dimensions perpendicular to each other, the transducer is made of piezoceramic discs, the transmitter is made of forged parts made of titanium alloy with annealing at high temperature and stabilizers, the connection of the transmitter with the transducer is carried out by means of a contact surface which constitutes at least 85% of the overall contact surface while the working chamber is produced in the form of a hollow tube reproducing by its perimeter the contour of
  • - Fig.1 is a schematic view in partial section of the device for hardening surfaces of metal parts according to the invention applied to the treatment of a mold;
  • - Fig.2 is a schematic perspective view of the hardening device according to the invention applied to a body of revolution of variable section;
  • - Fig.3 is a schematic view of the hardening device according to the invention applied to the treatment of gears.
  • FIGS. 1 to 3 The process for hardening the surfaces of parts using ultrasound according to the invention is shown diagrammatically in FIGS. 1 to 3.
  • the reference number 1 represents a piezoelectric transducer of ultrasonic oscillations
  • the reference number 2 represents an acoustic emitter made of titanium alloy
  • the reference number 3 represents a contact surface between the transducer and the transmitter
  • 4 represents a working chamber formed of rods with elastic return
  • 5 represents a reflector
  • 6 represents a mechanism of displacement of the transmitter in three directions perpendicular to each other with determined speeds
  • 7 represents a groove of the transmitter tor
  • 8 and 9 are recesses for receiving balls
  • the reference 12 represents a part, in FIG. 1, the part is a mold, in FIG. 2 the part is a shaft, in Fig.3, the part is a toothed wheel, for example a pinion.
  • the acoustic transmitter 2 has three degrees of freedom and can move in space along a most complex trajectory by treating parts of practically unlimited dimensions, which constitutes a substantial advantage in comparison with the planned process described in the second place.
  • a fundamental parameter that determines the quality of the cured surface is the speed with which the acoustic emitter is moved along the treated surface.
  • the fundamental parameter which determines the quality of the hardened surface is the regularity of the treatment.
  • L is the distance between the surface of the emitter and the surface of the workpiece in the treatment area
  • So and Sl are the respective surfaces of the working end of the emitter and the treated surface.
  • Ro is the radius of the balls
  • ⁇ 0, 2 is the elastic limit of the material of the part
  • ⁇ is the specific mass of the material of the balls.
  • the speed of movement of the transmitter is greater than Vi, then the surface will not be completely covered with plastic imprints. If the speed of movement is lower than Vi, the surface undergoes an excessive hardening (peeling); in other words in both cases, there is a reduction in the quality of the surface. Compliance with the proposed value of the travel speed Vi of the transmitter makes it possible to obtain good surface hardening of the part.
  • the amplitude of the oscillations of the working end of the transmitter must be equal to:
  • the speed of movement of the transmitter is lower than the speed ViRa, then first there will be a hardening of the surface, (see 2) and secondly the roughness Ra will be higher than that required; if on the contrary, the speed of movement of the transmitter is greater than ViRa, then the roughness will be less than the requested Ra and the surface will not be uniformly hardened.
  • the depth of the hardened ho layer is meant the depth at which the micro-hardness or the surface compressive stress have not decreased more than e times the maximum values of the micro-hardness or of the stresses close to the surface.
  • the amplitude of the transmitter's oscillations must be equal to:
  • the depth of the hardened layer does not reach the value ho on the whole surface and if it is lower, then takes place an excessive hardening and an increase in the depth beyond the requested ho value.
  • the present invention makes it possible to widen the technological possibilities of methods for hardening a surface by ultrasound by treatment of parts of the body of revolution type, for example shafts, discs and the like, which is not assumed in the method. known.
  • Fig. 2 The treatment of bodies of revolution by ultrasound is implemented according to the path shown in Fig. 2.
  • the diagram in Fig. 2 is a special case of the general diagram shown in Fig. 1.
  • Parts, such as parts of revolution can have a constant diameter DO, a stage diameter with sudden passages from a diameter D1 to another D2 and with a progressive variation in diameter D (x) as shown in the Fig. 2.
  • DO is the diameter of the end of the part from which the treatment begins
  • ⁇ (x) is the function of variation of the diameter, for example of the SinKx, e - ⁇ x , Ax and others type, then for a uniform hardening of the entire surface, it is essential to communicate to the transmitter, a translation speed which it is necessary to modify with the variation of the diameter according to the relationship:
  • the modification of the amplitude is easy to regulate or impose using a program for modifying the electrical output power of the generator.
  • the emitter and the part move and rotate respectively with speeds lower than vi (x) and ⁇ (x) then there is an excessive work hardening of the surface and a peeling; if the corresponding velocities are higher than vi (x) and ⁇ (x), then the surface is treated in a non-uniform way and there remain areas not hardened by ultrasound.
  • the active bodies (steel balls) are moved intensively under the action of an ultrasonic field in a gaseous medium filling a working chamber.
  • a gaseous medium filling a working chamber.
  • atmospheric air was used as the aforementioned medium.
  • a ball moving in a gaseous medium with a speed V meets resistance:
  • m is the mass of a ball.
  • ⁇ is the wavelength of the ultrasound in the gas.
  • C 3.31.10 4 cm / s
  • a gas of which c ⁇ 3.31.10 4 cm / s is carbon dioxide (carbon dioxide) as well as a certain number of gases (see table 1).
  • a metal powder of the molybdenum disulphide type was introduced into the working chamber in order to alloy the surface with its lubricant.
  • the introduction of the indicated powder makes it possible to obtain a new physical property, that is to say the reduction of the vibratory noise.
  • the device according to the invention is shown in Fig.1.
  • Fig.1 designates an ultrasonic oscillation transducer, 2 an acoustic emitter, 3, a contact surface between the transducer and the emitter, 4, a working chamber formed of elastically mounted rods, 5, a reflector, 6, a mechanism for moving the transmitter in three directions perpendicular to each other with determined speeds, 7, a groove provided on the transmitter, 8 and 9, recesses for housing steel balls 10 and powder 11.
  • the movement mechanism of the acoustic emitter in the device according to the invention makes it possible, unlike the known device described in the second place, to treat by ultrasound parts of the most diverse surface and of practically unlimited dimensions.
  • the transducer is made of piezoelectric ceramic unlike the magnetostric transducers of the known device and makes it possible to increase the coefficient of use of the device from 1.5 to 2 times, due to lower losses and better quality of the piezoelectric transducers. In addition, piezoelectric transducers do not require water cooling.
  • the transmitter is made of a titanium alloy.
  • the fundamental properties of an acoustic emitter that is to say of a high amplitude of oscillations (greater than 100 ⁇ m) and a high resistance to fatigue, it is essential to make the transmitter in forged titanium alloy parts, these parts must, before forging, undergo isothermal annealing in two stages after which, the transmitter is made oversized and without threading and then annealing is carried out isothermal stabilization and only after these operations, the threading is carried out.
  • the transmitter is made strictly according to the ratings and is polished.
  • the emitters produced in the indicated manner allow an amplitude of oscillations at their working ends to be up to 150 ⁇ m, which increases the efficiency of the hardening process (processing speed) by 2 to 3 times. In addition, the number of cycles before destruction with the indicated amplitudes is increased to 10 8 while it was 10 7 in the known device.
  • One of the most important facts that determine the functioning of ultrasonic systems is the acoustic contact between the transducer and the transmitter. In parts hardening devices using ultrasound, the transmitters are made interchangeable and are connected to the transducers by means of a threaded connection.
  • the contact surface is not less than 80% of the overall contact surface of the transducer and the transmitter. During a contact of less than 85%, an amplitude of oscillation greater than 100 ⁇ m is not reached on the transmitter, which greatly reduces the coefficient of use of the device.
  • a device which makes it possible to treat any surface because the working chamber is produced in the form of a hollow pipe reproducing, along its perimeter, the outline of the working end of the transmitter. with walls produced by means of elastically mounted rods which allow during movement of the emitter, with the working chamber, to reproduce the relief of the surface subjected to hardening.
  • the transmitter In the known device, the hardening of the inner surface of the hollow parts, the transmitter is arranged horizontally and in front of it is placed a reflector. Such a construction is very complex.
  • the balls may not be taken up by the acoustic field and remain partially at the bottom of the internal surface of the part, which greatly reduces the efficiency of the process.
  • the transmitter bends under the effect of its own weight and comes into contact with the treated surface, which causes burns, that is to say a deterioration of the quality of the treatment.
  • the transmitter is arranged vertically.
  • the balls are set in motion for practically any intensity of oscillation and the transmitter does not come into contact with the workpiece, because it does not bend under the effect of its own weight.
  • the depth of the groove is chosen to be between 2 and 3 tenths of the transverse dimensions of the transmitter D o . With a depth greater than 0.3 D o in the throat destruction takes place by fatigue of the transmitter and with a depth of 0.2 D, it is impossible to introduce balls having the necessary mass.
  • the width of the groove is given equal to ⁇ 2 / 2 where ⁇ 2 is the wavelength of the ultrasound in the gaseous medium in which the treatment takes place.
  • a recess to receive an optimal mass of balls.
  • a spherical recess is made for receiving steel balls of a mass:
  • M 2 10 3 ⁇ 2 S o R o / K (18) while the end itself is placed at a distance equal to ⁇ 2 / 2 to create optimal conditions development of radiation currents and pressure.
  • the free volume is constituted by the volume between the working end having a surface S 0 , and the treated surface, that is to say S o ⁇ ⁇ 2 / 2.
  • 60.2 1630 MPa
  • 6B 1960 MPa (hardness limit).
  • the speeds V io and ⁇ O are not suitable for the efficiency of the process, they can be considerably increased by increasing the amplitude of the oscillations A o , for example by 20 ⁇ m as in the previous example, up to 80 ⁇ m . Then the speeds V io and ⁇ 0 will be 2.24 cm / s and 2.56 1 / s respectively.
  • the efficiency of the process can be increased by reducing the distance L, for example from 1.0 cm to 0.5 cm. Then the speeds V io and ⁇ 0 increase twice respectively.
  • the method according to the invention makes it possible to treat, that is to say to harden or to create a determined surface roughness, not only of a shaft of constant section, but also of trees having any variations in cross section, for example conical .
  • the diameter varies according to the length, for example according to the relationship:
  • ⁇ ( ⁇ ) ⁇ (V io ⁇ / l)
  • V io is the translation speed of the source.
  • the ultrasonic treatment in the proposed gases compared to the known process, has the following advantages: - for an identical power of the ultrasonic equipment, a higher intensity of hardening is obtained;
  • the pinions turned under the action of the ultrasonic field due to the offset of the axis of rotation of the pinion (Fig. 3).
  • a fluorinated plastic powder with particle sizes equal to 1 to 60 ⁇ m and an overall mass equal to 0.05 g.
  • the ultrasonic treatment with the introduction into the working chamber of a powder, for example of fluorinated plastic, made it possible to reduce the noise level by 20 decibels, while the offset of the axis of the pinion relative to the emitter at allowed to run without additional device or energy.
  • the working chamber 4 (Fig. 1) is produced by means of rods mounted on springs, 0.5 cm in diameter and having a free stroke of 5.0 cm, which makes it possible to treat surfaces having variations in relief of 5.0 cm.
  • the transmitter is made from titanium alloy forgings which were previously annealed at a temperature of 920 ° C ⁇ 10 ° for 4 to 5 hours, then they were cooled with the oven to 650oC ⁇ 10o and were maintained for two hours and were definitively cooled in the open air.
  • the transmitter was made according to the dimensions but with an increase in dimensions from 0.05 to 0.1 cm on each side and without threading. Then, the transmitter is subjected to an annealing at 540 ° C ⁇ 10 ° for 2 to 2.5 hours after which, it is produced in a precise manner in accordance with its drawing with realization of the threading.
  • the width of this groove is chosen according to the composition of the gaseous medium in which the treatment is carried out.
  • D o (0.6 to 0.9) cm, in this case it is 0.7 cm.
  • this recess is semi-annular with radius:
  • the mass of the balls essential for the treatment of blind holes is:
  • a recess of 0.68 cm 3 of volume must be made.
  • the transmitter diagram is given in Figs. 1 to 3.
  • a die casting mold having dimensions of 34.0 ⁇ 42.0 cm and a relief in projection with height variations of 3.5 cm made of steel of the type given in paragraph 1.
  • balls of overall mass were arranged:
  • the part 12 (mold) is arranged above the transmitter 2, as shown in Fig.1.
  • the stability of the mold increased by 2 to 3 times.
  • the method and the device of the invention are considered to be applied to the surface hardening of metal parts, they can also be used for applications such as cleaning and pickling of parts.

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Abstract

Device comprising an ultrasonic oscillation transducer (1), an acoustic transmitter (2) made from a titanium alloy, disposed in space in a given manner and connected to the transducer (1) by means of a contact surface (3), a work chamber (4) and a reflector (5). The device further comprises a mechanism (6) for displacing the emitter (2) in three dimensions perpendicular to one another. The transducer (1) consists of piezoceramic disks, the transmitter (2) consists of components forged in titanium with high temperature annealing and stabilizers, the transmitter (2) being coupled to the transducer (1) by means of a contact surface (3) of at least 85 % of the global contact surface. The work chamber (4) is in the form of a hollow tube reproducing, by its perimeter, the shape of the operative end of the transmitter (2) with walls formed by spring-mounted rods which, during the displacement of the transmitter (2) with the work chamber (4), reproduce the contour of the surface to be hardened.

Description

Procédé et dispositif notamment de durcissement  Method and device, in particular for curing
par ultrasons de pièces métalliques.  by ultrasound of metallic parts.
La présente invention concerne le domaine du durcissement des métaux par déformation plastique superficielle et saturation par des métaux et des corps non métalliques à l'aide de sources concentrées d'énergie, concrètement de puissants ultrasons, et peut être utilisée dans les secteurs de l'aviation, de l'automobile, de la construction de machines outils et dans d'autres secteurs de la construction de machines.  The present invention relates to the field of hardening of metals by plastic surface deformation and saturation with metals and non-metallic bodies using concentrated sources of energy, concretely powerful ultrasound, and can be used in the sectors of aviation, automotive, machine tool construction and other machine building sectors.
On connaît un procédé de durcissement superficiel de pièces par traitement au moyen de billes d'acier mises en mouvement par un champ ultrasonore dans un volume fermé, pendant un temps prédéterminé, dans le but d'accroître la qualité du traitement par réduction de la rugosité et accroissement de la régularité de déformation des surfaces traitées (voir S.U n° 1 391 135).  A method of surface hardening of parts is known by treatment using steel balls set in motion by an ultrasonic field in a closed volume, for a predetermined time, with the aim of increasing the quality of the treatment by reducing the roughness. and increasing the regularity of deformation of the treated surfaces (see SU n ° 1 391 135).
Un inconvénient du procédé indiqué réside dans la limitation des dimensions des pièces traitées et dans un rendement relativement faible du processus. Le procédé ne prévoit pas le traitement de pièces de grandes dimensions et le déplacement par un moyen quelconque du champ ultrasonore sur la surface traitée.  A disadvantage of the indicated process lies in the limitation of the dimensions of the parts treated and in a relatively low yield of the process. The method does not provide for the treatment of large parts and the displacement by any means of the ultrasonic field on the treated surface.
L'inconvénient indiqué est partiellement supprimé lors de l'utilisation d'un autre procédé de durcissement de surfaces de pièces en particulier de la surface interne de tuyaux, comprenant le traitement à l'aide de billes d'acier mises en mouvement par un guide d'ondes ultrasonores, avec répartition d'une poudre dans un milieu gazeux dans la chambré de travail, la pièce (tuyau) étant soumise à un mouvement de translation dans une direction par rapport au guide d'ondes avec une vitesse donnée, dans le but d'accroître les possibilités technologiques par traitement de tuyaux de grande longueur (SU. N° 1 655 997).  The indicated drawback is partially eliminated when using another process for hardening workpiece surfaces, in particular the internal surface of pipes, comprising treatment using steel balls set in motion by a guide. of ultrasonic waves, with distribution of a powder in a gaseous medium in the working chamber, the part (pipe) being subjected to a translational movement in a direction relative to the waveguide with a given speed, in the aim of increasing technological possibilities by treating very long pipes (SU. N ° 1 655 997).
Un inconvénient du procédé indiqué réside dans le fait qu'il ne permet pas de traiter des pièces ayant des configurations complexes dans l'espace dans toutes les directions. A disadvantage of the process indicated lies in the fact that it does not allow parts having to be treated. complex configurations in space in all directions.
En outre, le déplacement de la pièce par rapport à la source acoustique n'est pas toujours possible en raison par exemple de la masse et des dimensions importantes de celle-ci.  In addition, the movement of the part relative to the acoustic source is not always possible due for example to the mass and the large dimensions thereof.
La vitesse de déplacement de la pièce indiquée dans le procédé permet de créer un traitement uniforme de la cavité intérieure d'un tuyau rond, mais elle n'indique pas de possibilités de créer une surface avec des propriétés mécaniques et physiques données : rugosité, profondeur de la couche durcie, réduction du bruit des vibrations, résistance à l'usure.  The speed of movement of the part indicated in the process makes it possible to create a uniform treatment of the interior cavity of a round pipe, but it does not indicate the possibilities of creating a surface with given mechanical and physical properties: roughness, depth hardened layer, reduced vibration noise, wear resistance.
Le procédé indiqué en second lieu ne donne pas de possibilité d'un traitement de pièces telles que des corps de révolution, par exemple d'arbres.  The method indicated in the second place does not give the possibility of processing parts such as bodies of revolution, for example shafts.
Dans le procédé indiqué en second lieu, on prévoit le traitement dans une chambre remplie d'air qui présente une résistance importante au déplacement des billes dans le champ ultrasonore, ce qui réduit le rendement du processus.  In the method indicated second, the treatment is provided in an air-filled chamber which has significant resistance to the movement of the balls in the ultrasonic field, which reduces the efficiency of the process.
Le procédé indiqué en second lieu ne prévoit pas non plus l'utilisation de poudres de polymères, dont l'utilisation pour recouvrir les pièces peut donner une nouvelle qualité de surface, par exemple, une réduction du bruit de vibrations en exploitation.  The process indicated in the second place also does not provide for the use of polymer powders, the use of which for coating the parts can give a new surface quality, for example, a reduction in the noise of vibrations in operation.
Le procédé indiqué en second lieu, présente néanmoins un plus grand nombre de qualités subtantielles communes et constitue le procédé le plus proche du procédé suivant l'invention en ce qui concerne ses propriétés techniques et le résultat qu'il permet d'atteindre.  The method indicated in the second place, nevertheless presents a greater number of common substantial qualities and constitutes the method closest to the method according to the invention as regards its technical properties and the result which it makes it possible to achieve.
On connaît un dispositif pour le durcissement des surfaces de pièces métalliques par ultrasons comprenant un transducteur magnétostrictif d'oscillations ultrasonores, un émetteur constitué d'un alliage de titane, disposé horizontalement et relié au transducteur, une chambre de travail et un réflecteur. A device is known for hardening the surfaces of metal parts by ultrasound comprising a magnetostrictive transducer of ultrasonic oscillations, a transmitter made of an alloy of titanium, arranged horizontally and connected to the transducer, a working chamber and a reflector.
Un inconvénient du dispositif précité réside dans le fait qu'il ne permet pas de traiter de pièces de configuration complexe et de dimensions spatiales importantes, car un déplacement de la zone de travail dans l'espace selon une trajectoire complexe n'est pas prévu.  A drawback of the aforementioned device lies in the fact that it does not make it possible to treat parts of complex configuration and of large spatial dimensions, since a movement of the work area in space along a complex trajectory is not expected.
Le dispositif présente un rendement relativement faible, car, premièrement dans le dispositif, on utilise un transducteur magnétostrictif ayant un rendement relativement faible et deuxièmement, l'émetteur acoustique est réalisé en un alliage de titane sans traitement thermique spécial.  The device has a relatively low efficiency, because, firstly in the device, a magnetostrictive transducer having a relatively low efficiency is used and secondly, the acoustic emitter is made of a titanium alloy without special heat treatment.
Il en résulte que les émetteurs acoustiques dans le dispositif cité en second lieu, ne permettent pas de développer des amplitudes d'oscillations supérieures à 100μm et sont rapidement détruits par fatigue.  As a result, the acoustic emitters in the second-mentioned device do not make it possible to develop amplitudes of oscillations greater than 100 μm and are quickly destroyed by fatigue.
En outre, lors du traitement de surfaces internes dans le second dispositif, on utilise un réflecteur, ce qui complique la construction et rend impossible de traiter des orifices borgnes (fermés à une extrémité).  In addition, when treating internal surfaces in the second device, a reflector is used, which complicates the construction and makes it impossible to treat blind orifices (closed at one end).
Néanmoins, le dispositif décrit en second lieu, se trouve être le plus proche du dispositif selon l'invention du point de vue technique et du point de vue du résultat atteint.  Nevertheless, the device described in the second place is found to be the closest to the device according to the invention from the technical point of view and from the point of view of the result achieved.
Le but de la présente invention est l'augmentation du rendement du processus, l'élargissement des possibilités technologiques par traitement de surfaces de pièces de grandes dimensions et de profils complexes, la création de propriétés mécaniques déterminées d'une surface à durcir ainsi que l'accroissement du coefficient d'utilisation du dispositif par augmentation de l'intensité de l'oscillation de l'émetteur.  The aim of the present invention is to increase the yield of the process, to widen the technological possibilities by treating surfaces of large parts and complex profiles, the creation of determined mechanical properties of a surface to be hardened as well as the increase in the coefficient of use of the device by increasing the intensity of the oscillation of the transmitter.
L'invention a donc pour objet un procédé de durcissement de surfaces de pièces métalliques au moyen d'ultrasons, comprenant un traitement au moyen de billes de métal qui reçoivent de l'énergie d'un champ ultrasonore prenant naissance dans un espace fermé entre les surfaces d'un émetteur acoustique, d'une pièce et d'une chambre de travail remplie d'un milieu gazeux déterminé et un déplacement relatif entre la pièce et l'émetteur assuré de manière déterminée, caractérisé en ce que dans le but d'accroître le rendement du processus et d'élargir les possibilités technologiques du traitement des surfaces de pièces de grandes dimensions et de profil complexe, ainsi que de la création de propriétés mécaniques déterminées de la surface à durcir, le déplacement relatif est assuré en communiquant à l'émetteur une vitesse déterminée dans trois directions perpendiculaires les unes aux autres. The subject of the invention is therefore a process for hardening the surfaces of metal parts by means of of ultrasound, comprising treatment by means of metal balls which receive energy from an ultrasonic field originating in a closed space between the surfaces of an acoustic emitter, a room and a working chamber filled with a determined gaseous medium and a relative displacement between the part and the transmitter ensured in a determined manner, characterized in that in order to increase the efficiency of the process and to widen the technological possibilities of the treatment of the surfaces of parts large dimensions and complex profile, as well as the creation of determined mechanical properties of the surface to be hardened, the relative displacement is ensured by communicating to the transmitter a determined speed in three directions perpendicular to each other.
L'invention a également pour objet un dispositif pour le durcissement de surfaces de pièces métalliques par ultrasons, comprenant un transducteur d'oscillations ultrasonores de type déterminé, un émetteur acoustique réalisé et fabriqué en alliage de titane et disposé dans l'espace d'une manière déterminée et relié au transducteur par une surface de contact de valeur déterminée, une chambre de travail réalisée de manière déterminée et un réflecteur, caractérisé en ce que dans le but d'accroître le coefficient d'utilisation du dispositif par augmentation de l'intensité des oscillations de l'émetteur et de l'élargissement des possibilités technologiques du traitement de pièces de grandes dimensions et de profil complexe, le dispositif comporte en outre un mécanisme de déplacement de l'émetteur dans trois dimensions perpendiculaires les unes aux autres, le transducteur est réalisé en disques piézocéramiques, l'émetteur est réalisé en pièces forgées en alliage de titane avec des recuits à température élevée et stabilisateurs, la liaison de l'émetteur avec le transducteur est réalisée par l'intermédiaire d'une surface de contact qui constitue au moins 85% de la surface globale de contact tandis que la chambre de travail est réalisée sous forme d'un tube creux reproduisant par son périmètre le contour de l'extrémité de travail de l'émetteur avec des parois formées de tiges montées sur ressorts qui permettent lors du déplacement de l'émetteur avec la chambre de travail de reproduire le relief de la surface à durcir. The invention also relates to a device for hardening surfaces of metal parts by ultrasound, comprising a transducer of ultrasonic oscillations of determined type, an acoustic emitter produced and manufactured in titanium alloy and arranged in the space of a determined manner and connected to the transducer by a contact surface of determined value, a working chamber produced in a determined manner and a reflector, characterized in that in order to increase the coefficient of use of the device by increasing the intensity oscillations of the transmitter and the widening of the technological possibilities for processing large parts and complex profiles, the device further comprises a mechanism for moving the transmitter in three dimensions perpendicular to each other, the transducer is made of piezoceramic discs, the transmitter is made of forged parts made of titanium alloy with annealing at high temperature and stabilizers, the connection of the transmitter with the transducer is carried out by means of a contact surface which constitutes at least 85% of the overall contact surface while the working chamber is produced in the form of a hollow tube reproducing by its perimeter the contour of the working end of the transmitter with walls formed of rods mounted on springs which allow when moving the emitter with the working chamber to reproduce the relief of the surface to be hardened.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :  The invention will be better understood with the aid of the description which follows, given solely by way of example and made with reference to the appended drawings, in which:
- la Fig.1 est une vue schématique en coupe partielle du dispositif de durcissement de surfaces de pièces métalliques suivant l'invention appliqué au traitement d'un moule;  - Fig.1 is a schematic view in partial section of the device for hardening surfaces of metal parts according to the invention applied to the treatment of a mold;
- la Fig.2 est une vue schématique en perspective du dispositif de durcissement suivant l'invention appliqué à un corps de révolution de section variable; et  - Fig.2 is a schematic perspective view of the hardening device according to the invention applied to a body of revolution of variable section; and
- la Fig.3 est une vue schématique du dispositif de durcissement suivant l'invention appliqué au traitement d' engrenages.  - Fig.3 is a schematic view of the hardening device according to the invention applied to the treatment of gears.
Le procédé de durcissement des surfaces de pièces à l'aide d'ultrasons suivant l'invention est représenté schématiquement aux Fig.1 à 3.  The process for hardening the surfaces of parts using ultrasound according to the invention is shown diagrammatically in FIGS. 1 to 3.
Sur les dessins, on a représenté ce qui suit : The drawings show the following:
Le numéro de référence 1 représente un transduc teur piézo-électrique d'oscillations ultrasonores, le numéro de référence 2 représente un émetteur acoustique en alliage de titane, le numéro de référence 3 représente une surface de contact entre le transducteur et l'émetteur, 4 représente une chambre de travail formée de tiges à rappel élastique, 5 représente un réflecteur, 6 représente un mécanisme de déplacement de l'émetteur dans trois directions perpendiculaires les unes aux autres avec des vitesses déterminées, 7 représente une gorge de l'émet teur, 8 et 9 sont des evidements pour la réception de billes, d'acier 10 et d'une poudre 11, la référence 12 représente une pièce, sur la Fig.1, la pièce est un moule, sur la Fig.2 la pièce est un arbre, sur la Fig.3, la pièce est une roue dentée, par exemple un pignon. The reference number 1 represents a piezoelectric transducer of ultrasonic oscillations, the reference number 2 represents an acoustic emitter made of titanium alloy, the reference number 3 represents a contact surface between the transducer and the transmitter, 4 represents a working chamber formed of rods with elastic return, 5 represents a reflector, 6 represents a mechanism of displacement of the transmitter in three directions perpendicular to each other with determined speeds, 7 represents a groove of the transmitter tor, 8 and 9 are recesses for receiving balls, steel 10 and a powder 11, the reference 12 represents a part, in FIG. 1, the part is a mold, in FIG. 2 the part is a shaft, in Fig.3, the part is a toothed wheel, for example a pinion.
Il résulte des figures 1 à 3 que l'émetteur acoustique 2 présente trois degrés de liberté et peut se déplacer dans l'espace selon une trajectoire la plus complexe en traitant des pièces de dimensions pratiquement illimitées, ce qui constitue un avantage substantiel en comparaison avec le procédé prévu exposé en second lieu.  It follows from Figures 1 to 3 that the acoustic transmitter 2 has three degrees of freedom and can move in space along a most complex trajectory by treating parts of practically unlimited dimensions, which constitutes a substantial advantage in comparison with the planned process described in the second place.
Ainsi que l'ont montré les recherches du As shown by research from
Demandeur, un paramètre fondamental qui détermine la qualité de la surface durcie, est la vitesse avec laquelle l'émetteur acoustique est déplacé le long de la surface traitée. Applicant, a fundamental parameter that determines the quality of the cured surface, is the speed with which the acoustic emitter is moved along the treated surface.
En fonction de la vitesse, on peut obtenir soit une rugosité déterminée, soit une profondeur déterminée de la couche durcie. Cependant, le paramètre fondamental qui détermine la qualité de la surface durcie est la régularité du traitement.  Depending on the speed, it is possible to obtain either a determined roughness or a determined depth of the hardened layer. However, the fundamental parameter which determines the quality of the hardened surface is the regularity of the treatment.
La discussion et les déductions qui vont suivre reposent sur le fait qu'une bille, en se déplaçant dans une chambre de travail, reçoit une énergie cinétique de l'émetteur oscillant. Si la fréquence des oscillations est fo et l'amplitude des oscillations Ao, alors la vitesse de déplacement de l'extrémité active de l'émetteur est Vk = - 2π foAo.  The discussion and the following deductions are based on the fact that a ball, while moving in a working chamber, receives kinetic energy from the oscillating transmitter. If the frequency of the oscillations is fo and the amplitude of the oscillations Ao, then the speed of movement of the active end of the transmitter is Vk = - 2π foAo.
Lors de l'entrée en contact d'une bille avec l'extrémité de l'émetteur, elle reçoit une vitesse Vo = -2 Vk à condition que la masse de la bille soit considérablement moins importante que la masse M de l'émetteur, ce qui est pratiquement toujours respecté.  When a ball comes into contact with the end of the transmitter, it receives a speed Vo = -2 Vk provided that the mass of the ball is considerably less than the mass M of the transmitter, which is almost always respected.
Par régularité de traitement de surface, il faut entendre que n'importe quelle partie de cette surface sera recouverte d'empreintes plastiques résultant de chocs de billes, c'est à dire que n'importe quel point de la surface doit avoir été frappé ne serait-ce qu'une seule fois par une bille. By regularity of surface treatment, it is meant that any part of this surface will be covered with plastic imprints resulting from ball impacts, that is to say that any point on the surface must have been struck even once by a ball.
Il a été établi par le Demandeur que le temps pendant lequel toute la surface S1 (Fig.1) de la pièce sera recouverte d'empreintes plastiques résultant de chocs de billes, dont le nombre est n, est donné par la relation:
Figure imgf000009_0002
It has been established by the Applicant that the time during which the entire surface S1 (Fig. 1) of the part will be covered with plastic imprints resulting from impact with balls, the number of which is n, is given by the relation:
Figure imgf000009_0002
dans laquelle L est la distance entre la surface de l ' émetteur et la surface de la pièce dans la zone de traitement, So et Sl sont les surfaces respectives de l ' extrémité de travail de l ' émetteur et de la surface traitée. Ro est le rayon des billes, δ0, 2 est la limite d' élasticité du matériau de la pièce, ρ est la masse spécifique du matériau des billes . where L is the distance between the surface of the emitter and the surface of the workpiece in the treatment area, So and Sl are the respective surfaces of the working end of the emitter and the treated surface. Ro is the radius of the balls, δ0, 2 is the elastic limit of the material of the part, ρ is the specific mass of the material of the balls.
Pour un traitement uniforme d'une région de largeur égale à la largeur de l'émetteur (désignée par la suite par bi) , pour une dimension linéaire ai de la source de rayonnement dans la direction i, il est indispensable que la vitesse Vi soit donnée par la relation :
Figure imgf000009_0001
For a uniform treatment of a region of width equal to the width of the emitter (hereinafter referred to as bi), for a linear dimension ai of the radiation source in the direction i, it is essential that the speed Vi be given by the relation:
Figure imgf000009_0001
Si la vitesse de déplacement de l'émetteur est supérieure à Vi, alors la surface ne sera pas totalement recouverte d'empreintes plastiques. Si la vitesse de déplacement est inférieure à Vi, la surface subit un écrouissage excessif (pelage); en d'autres termes dans les deux cas, il se produit une réduction de la qualité de la surface. Le respect de la valeur proposée de la vitesse de déplacement Vi de l'émetteur permet d'obtenir un bon durcissement superficiel de la pièce.  If the speed of movement of the transmitter is greater than Vi, then the surface will not be completely covered with plastic imprints. If the speed of movement is lower than Vi, the surface undergoes an excessive hardening (peeling); in other words in both cases, there is a reduction in the quality of the surface. Compliance with the proposed value of the travel speed Vi of the transmitter makes it possible to obtain good surface hardening of the part.
Les recherches du Demandeur ont permis d'établir que pour la création d'une rugosité déterminée (pureté), une surface, qui est caractérisée numériquement par un écart constitué par la moyenne arithmétique du profil de la surface Ra, il est indispensable qu'une bille frappe la surface avec une vitesse :
Figure imgf000010_0003
The Applicant's research has established that for the creation of a determined roughness (purity), a surface, which is numerically characterized by a difference constituted by the arithmetic mean of the profile of the surface Ra, it is essential that a ball strikes the surface with a speed:
Figure imgf000010_0003
ceci signifie qu'on doit communiquer à l'émetteur une vitesse de déplacement dans une direction ai égale à :
Figure imgf000010_0002
this means that the speed of movement in a direction ai equal to:
Figure imgf000010_0002
L'amplitude des oscillations de l'extrémité de travail de de l'émetteur doit être égale à :
Figure imgf000010_0001
The amplitude of the oscillations of the working end of the transmitter must be equal to:
Figure imgf000010_0001
Si la vitesse de déplacement de l'émetteur est inférieure à la vitesse ViRa, alors premièrement il y aura un écrouissage de la surface, (voir 2) et deuxièmement la rugosité Ra sera supérieure à celle requise; si au contraire, la vitesse de déplacement de l'émetteur est supérieure à ViRa, alors la rugosité sera inférieure au Ra demandé et la surface ne sera pas durcie de façon uniforme.  If the speed of movement of the transmitter is lower than the speed ViRa, then first there will be a hardening of the surface, (see 2) and secondly the roughness Ra will be higher than that required; if on the contrary, the speed of movement of the transmitter is greater than ViRa, then the roughness will be less than the requested Ra and the surface will not be uniformly hardened.
L'une des caractéristiques les plus importantes de la déformation plastique superficielle est la profondeur de la couche durcie ho. Par cette grandeur, on entend la profondeur à laquelle la micro-dureté ou la contrainte superficielle de compression n'ont pas diminué plus de e fois les valeurs maximales de la micro-dureté ou des contraintes à proximité de la surface.  One of the most important features of plastic surface deformation is the depth of the hardened ho layer. By this quantity is meant the depth at which the micro-hardness or the surface compressive stress have not decreased more than e times the maximum values of the micro-hardness or of the stresses close to the surface.
Des recherches ont établi que pour la création d'une profondeur ho d'une couche durcie, il est indispen sable de communiquer à une bille d'acier de rayon Ro ayant une masse spécifique ρ, une vitesse égale à :
Figure imgf000011_0001
Research has established that for the creation of a ho depth of a hardened layer, it is essential sand to communicate to a steel ball of radius Ro having a specific mass ρ, a speed equal to:
Figure imgf000011_0001
Dans ce cas , il est indispensable de communiquer à l ' émetteur , une vitesse de déplacement dans la direction ai , égale à :
Figure imgf000011_0002
In this case, it is essential to communicate to the transmitter, a speed of movement in the direction ai, equal to:
Figure imgf000011_0002
L'amplitude des oscillations de l'émetteur doit être égale à :
Figure imgf000011_0003
The amplitude of the transmitter's oscillations must be equal to:
Figure imgf000011_0003
Si la vitesse de déplacement de l'émetteur est supérieure à Viho, alors la profondeur de la couche durcie n'atteint pas la valeur ho sur toute la surface et si elle est inférieure, alors a lieu un écrouissage excessif et un accroissement de la profondeur au-delà de la valeur ho demandée.  If the speed of movement of the transmitter is higher than Viho, then the depth of the hardened layer does not reach the value ho on the whole surface and if it is lower, then takes place an excessive hardening and an increase in the depth beyond the requested ho value.
En outre, le rendement du processus diminue et la dépense d'énergie augmente.  In addition, the efficiency of the process decreases and the energy expenditure increases.
La présente invention permet d'élargir les possibilités technologiques des procédés de durcissement d'une surface par ultrasons par traitement des pièces du type corps de révolution, par exemple des arbres, des disques et autres, ce qui n'est pas supposé dans le procédé connu.  The present invention makes it possible to widen the technological possibilities of methods for hardening a surface by ultrasound by treatment of parts of the body of revolution type, for example shafts, discs and the like, which is not assumed in the method. known.
Le traitement de corps de révolution par ultrasons est mis en oeuvre selon le chemin représenté à la Fig.2. En principe, le schéma de la Fig.2 constitue un cas particulier du schéma général représenté à la Fig.1. Des pièces, telles que des pièces de révolution, peuvent avoir un diamètre constant DO, un diamètre étage avec des passages brusques d'un diamètre D1 à un autre D2 et avec une variation progressive de diamètre D(x) comme cela est représenté à la Fig.2. The treatment of bodies of revolution by ultrasound is implemented according to the path shown in Fig. 2. In principle, the diagram in Fig. 2 is a special case of the general diagram shown in Fig. 1. Parts, such as parts of revolution, can have a constant diameter DO, a stage diameter with sudden passages from a diameter D1 to another D2 and with a progressive variation in diameter D (x) as shown in the Fig. 2.
Dans le cas général, si la variation du diamètre le long de la pièce peut être décrite sous forme d'une fonction :  In the general case, if the variation of the diameter along the part can be described as a function:
D(x) = DO ψ(x), (8)  D (x) = DO ψ (x), (8)
dans laquelle DO est le diamètre de l'extrémité de la pièce à partir de laquelle commence le traitement, ψ(x) est la fonction de variation du diamètre, par exemple du type SinKx, e-αx, Ax et autres, alors pour un durcissement uniforme de toute la surface, il est indispensable de communiquer à l'émetteur, une vitesse de translation qu'il est nécessaire de modifier avec la variation du diamètre selon la relation :
Figure imgf000012_0001
in which DO is the diameter of the end of the part from which the treatment begins, ψ (x) is the function of variation of the diameter, for example of the SinKx, e -αx , Ax and others type, then for a uniform hardening of the entire surface, it is essential to communicate to the transmitter, a translation speed which it is necessary to modify with the variation of the diameter according to the relationship:
Figure imgf000012_0001
Il est alors indispensable de faire tourner la pièce en modifiant la vitesse annulaire selon la relation suivante, dans laquelle bi est la dimension linéaire de l'émetteur dans la direction de la rotation :
Figure imgf000012_0002
It is then essential to rotate the part by modifying the annular speed according to the following relation, in which bi is the linear dimension of the transmitter in the direction of rotation:
Figure imgf000012_0002
L'exemple décrit est commode lors du traitement de pièces soit d'un diamètre constant, soit d'un diamètre variable par degré. Lors d'une variation continue du diamètre de la pièce, par exemple ayant la forme d'une droite, d'une exponentielle ou d'autres formes continues, il est plus pratique de procéder par exemple comme le propose le Demandeur, en modifiant de façon continue l'amplitude d'oscillations au cours du processus de traitement selon la relation :
Figure imgf000012_0003
dans laquelle Ao est l'amplitude des oscillations de l'émetteur lors du traitement à l' extrémité de la pièce c'est-à-dire avec x = o (voir Fig.2), Ψ(x) est la fonction de variation du diamètre selon l'axe de la pièce (dans le cas présent l'axe x). En particulier, avec des vitesses constantes de déplacement de la source et de rotation de la pièce, il vient, en remplaçant ψ(x) par 1 dans les relations (9) et (10) : The example described is convenient when processing parts with either a constant diameter or a variable diameter by degree. During a continuous variation of the diameter of the part, for example having the shape of a straight line, an exponential or other continuous shapes, it is more practical to proceed for example as suggested by the Applicant, by modifying continuously the amplitude of oscillations during the treatment process according to the relation:
Figure imgf000012_0003
in which Ao is the amplitude of the transmitter's oscillations during processing at the end of the part, i.e. with x = o (see Fig.2), Ψ (x) is the variation function the diameter along the axis of the part (in this case the x axis). In particular, with constant speeds of displacement of the source and rotation of the part, it comes, by replacing ψ (x) by 1 in relations (9) and (10):
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000013_0001
La modification de l'amplitude est facile à réguler ou à imposer à l'aide d'un programme de modification de la puissance électrique de sortie du générateur.  The modification of the amplitude is easy to regulate or impose using a program for modifying the electrical output power of the generator.
Dans les cas où il est indispensable de conserver constante la vitesse de déplacement de l'émetteur, la vitesse angulaire de rotation et de l'amplitude d'oscillations pour un traitement uniforme d'une pièce de diamètre variable, il est pratique d'adopter la solution technique de la variation de la distance entre la surface de l' extrémité utile de l'émetteur et la surface de la pièce soumise au durcissement, la variation devant être régie par la relation :
Figure imgf000013_0002
In cases where it is essential to keep constant the speed of movement of the transmitter, the angular speed of rotation and the amplitude of oscillations for a uniform treatment of a part of variable diameter, it is practical to adopt the technical solution of the variation of the distance between the surface of the useful end of the transmitter and the surface of the part subjected to hardening, the variation having to be governed by the relation:
Figure imgf000013_0002
dans laquelle LO est la distance entre l'émetteur et la pièce lors du traitement à l'extrémité de la pièce, c'est à dire avec x = 0. in which LO is the distance between the transmitter and the part during processing at the end of the part, i.e. with x = 0.
Si l'émetteur et la pièce se déplacent et tournent respectivement avec des vitesses inférieures à vi(x) et ω(x) alors il se produit un écrouissage excessif de la surface et un pelage ; si les vitesses correspondantes sont supérieures à vi(x) et ω(x), alors la surface est traitée de façon non uniforme et il subsiste des zones non durcies par ultrasons.  If the emitter and the part move and rotate respectively with speeds lower than vi (x) and ω (x) then there is an excessive work hardening of the surface and a peeling; if the corresponding velocities are higher than vi (x) and ω (x), then the surface is treated in a non-uniform way and there remain areas not hardened by ultrasound.
De manière analogue, si l'amplitude des oscillations est supérieure à la valeur
Figure imgf000013_0004
pour une section x donnée, alors la force des chocs des billes est suffisamment importante et il se produit un écrouissage excessif de la surface (pelage); avec une amplitude inférieure à
Figure imgf000013_0003
a(x) = pour une section déterminée x. la force des chocs des billes est relativement faible et la surface est traitée de façon non uniforme. Similarly, if the amplitude of the oscillations is greater than the value
Figure imgf000013_0004
for a given section x, then the impact force of the balls is sufficiently great and there is excessive hardening of the surface (peeling); with an amplitude less than
Figure imgf000013_0003
a (x) = for a given section x. the impact force of the balls is relatively low and the surface is treated in a non-uniform manner.
Pour une faible distance entre la surface d'extrémité de l'émetteur et la surface de la pièce L, c'est à dire inférieure à L(x)=LO 1/ψ(x) pour une section déterminée x, a lieu un écrouissage excessif de la surface (pelage) et pour une valeur supérieure à L(x) pour x=constante donnée, le traitement sera uniforme sur toute la surface en raison de la réduction du nombre de chocs de billes.  For a small distance between the end surface of the transmitter and the surface of the part L, i.e. less than L (x) = LO 1 / ψ (x) for a determined section x, takes place a excessive hardening of the surface (peeling) and for a value greater than L (x) for x = given constant, the treatment will be uniform over the entire surface due to the reduction in the number of ball impacts.
Dans le processus de traitement ultrasonore, les corps actifs (billes d'acier) sont déplacés de façon intensive sous l'action d' un champ ultrasonore dans un milieu gazeux remplissant une chambre de travail. Dans le procédé connu, comme milieu précité, on utilisait l'air atmosphérique.  In the ultrasonic treatment process, the active bodies (steel balls) are moved intensively under the action of an ultrasonic field in a gaseous medium filling a working chamber. In the known method, as the aforementioned medium, atmospheric air was used.
Une bille en se déplaçant dans un milieu gazeux avec une vitesse V rencontre une résistance :  A ball moving in a gaseous medium with a speed V meets resistance:
F1 = -V.6πμRo = -24π2μRofoAo (13) où μ est la viscosité du gaz. F 1 = -V.6πμR o = -24π 2 μR o f o A o (13) where μ is the viscosity of the gas.
De la relation (13), il résulte que moins la viscosité du milieu est importante, plus est petite la force qui agit sur la bille. La réduction de la vitesse lors du déplacement d'une bille pendant un temps τ0 est déterminée par l'expression : From relation (13), it follows that the lower the viscosity of the medium, the smaller the force which acts on the ball. The reduction in speed when moving a ball for a time τ0 is determined by the expression:
Figure imgf000014_0001
Figure imgf000014_0001
où m est la masse d'une bille. where m is the mass of a ball.
Ainsi, pour augmenter la vitesse de déplacement d'une bille dans une chambre, il est nécessaire de la remplir de gaz ayant une viscosité inférieure à celle de l'air qui remplit la chambre dans le procédé connu et qui a une viscosité μ = 185 μP (micropoise).  Thus, to increase the speed of movement of a ball in a chamber, it is necessary to fill it with gas having a viscosity lower than that of the air which fills the chamber in the known process and which has a viscosity μ = 185 μP (micropoise).
Des courants acoustiques et une pression de rayonnement déplacent les billes dans le volume, et leur communiquent une vitesse complémentaire. La force maximale de la pression de rayonnement agissant sur une bille est égale à :
Figure imgf000015_0002
Acoustic currents and radiation pressure move the balls in the volume, and communicate an additional speed to them. Maximum strength of the radiation pressure acting on a ball is equal to:
Figure imgf000015_0002
dans laquelle pO est la masse spécifique du gaz, λ est la longueur d'onde, de l'ultrason dans le gaz. in which pO is the specific mass of the gas, λ is the wavelength of the ultrasound in the gas.
Il résulte de la relation (15) que plus la masse spécifique ρ est importante, plus la force F2 l'est. Par conséquent, il est logique de remplir la chambre d'un gaz ayant une masse spécifique aussi importante que possible. Dans le procédé connu, il s'agit de l'air et ρ = 1,29.10-3 g/cm3 et par conséquent pour accroître l'intensité de durcissement, il est indispensable de remplir la chambr d'un gaz dont la masse spécifique ρ répond à la relatio p>1,29.10-3 g/cm3. Comme cela est indiqué par le Demandeur, la valeur de la vitesse maximale des courants acoustiques est : It follows from equation (15) that the greater the specific mass ρ, the more the force F2 is. Therefore, it makes sense to fill the chamber with a gas having as large a specific mass as possible. In the known process, it is air and ρ = 1.29.10 -3 g / cm3 and therefore to increase the intensity of hardening, it is essential to fill the chamber with a gas whose specific mass ρ responds to the relatio p> 1.29.10 -3 g / cm3. As indicated by the Applicant, the value of the maximum speed of the acoustic currents is:
Figure imgf000015_0001
Figure imgf000015_0001
dans laquelle C est la vitesse du son dans le milieu gazeux. in which C is the speed of sound in the gaseous medium.
De la relation (16), on tire que plus la vitess du son est faible, plus la vitesse des courants est forte. Par conséquent, pour l'augmentation de l'intensité du durcissement, il est indispensable de remplir la chambre d'un gaz ayant une vitesse du son aussi faible que possible.  From relation (16), we derive that the lower the speed of the sound, the higher the speed of the currents. Therefore, for increasing the intensity of hardening, it is essential to fill the chamber with a gas having a speed of sound as low as possible.
Dans le procédé connu, C = 3,31.104 cm/s, il est alors logique de remplir la chambre d'un gaz dont c<3, 31.104 cm/s. Comme l'ont montré les recherches, un gaz satisfaisant aux relations μ <185 μP, p>1,29.10-3 g/cm3 et C<3,31.104 cm/s est le bioxyde de carbone (gaz carbonique) ainsi qu'un certain nombre de gaz (voir tableau 1). In the known process, C = 3.31.10 4 cm / s, it then makes sense to fill the chamber with a gas of which c <3.31.10 4 cm / s. As research has shown, a gas satisfying the relations μ <185 μP, p> 1.29.10 -3 g / cm3 and C <3.31.10 4 cm / s is carbon dioxide (carbon dioxide) as well as a certain number of gases (see table 1).
Ainsi, le traitement des pièces en milieu gazeux avec les propriétés indiquées permet d'accroître le rendement du processus de durcissement.  Thus, the treatment of parts in a gaseous medium with the properties indicated makes it possible to increase the yield of the hardening process.
Dans le procédé connu, on introduisait dans la chambre de travail, une poudre métallique de type bisulfure de molybdène dans le but d'allier la surface avec son lubrifiant.  In the known method, a metal powder of the molybdenum disulphide type was introduced into the working chamber in order to alloy the surface with its lubricant.
Dans le procédé suivant l'invention, il est proposé d'introduire dans la chambre une poudre d'un composé du type Téflon® une matière plastique fluorée et autres pour revêtir la surface en vue de réduire le bruit des vibrations lors de l'utilisation des pièces de type roue dentée et pignon. In the process according to the invention, it is proposed to introduce into the chamber a powder of a compound of the type Teflon ® fluoroplastic and the like to coat the surface in order to reduce vibration noise when using gear and pinion type parts.
Dans le cas présent, l'introduction de la poudre indiquée permet d'obtenir une propriété physique nouvelle, c'est à dire la réduction du bruit vibratoire.  In the present case, the introduction of the indicated powder makes it possible to obtain a new physical property, that is to say the reduction of the vibratory noise.
Le dispositif suivant l'invention est représenté à la Fig.1. Ici 1, désigne un transducteur d'oscillations ultrasonores, 2 un émetteur acoustique, 3, une surface de contact entre le transducteur et l'émetteur, 4, une chambre de travail formée de tiges montées élastiquement, 5, un réflecteur, 6, un mécanisme de déplacement de l'émetteur dans trois directions perpendiculaires les unes aux autres avec des vitesses déterminées, 7, une gorge prévue sur l'émetteur, 8 et 9, des evidements pour loger des billes d'acier 10 et de la poudre 11.  The device according to the invention is shown in Fig.1. Here 1, designates an ultrasonic oscillation transducer, 2 an acoustic emitter, 3, a contact surface between the transducer and the emitter, 4, a working chamber formed of elastically mounted rods, 5, a reflector, 6, a mechanism for moving the transmitter in three directions perpendicular to each other with determined speeds, 7, a groove provided on the transmitter, 8 and 9, recesses for housing steel balls 10 and powder 11.
Le mécanisme de déplacement de l'émetteur acoustique dans le dispositif suivant l'invention permet contrairement au dispositif connu décrit en second lieu, de traiter par ultrasons des pièces de surface les plus diverses et de dimensions pratiquement illimitées.  The movement mechanism of the acoustic emitter in the device according to the invention makes it possible, unlike the known device described in the second place, to treat by ultrasound parts of the most diverse surface and of practically unlimited dimensions.
Le transducteur est réalisé en céramique piézo- électrique à la différence des transducteurs magnétostric tifs du dispositif connu et permet d'accroître le coefficient d'utilisation du dispositif de 1,5 à 2 fois, en raison de plus faibles pertes et d'une meilleure qualité des transducteurs piézo-électriques. En outre, les transducteurs piézo-électriques ne nécessitent pas de refroidissement à l'eau. The transducer is made of piezoelectric ceramic unlike the magnetostric transducers of the known device and makes it possible to increase the coefficient of use of the device from 1.5 to 2 times, due to lower losses and better quality of the piezoelectric transducers. In addition, piezoelectric transducers do not require water cooling.
Bien que l'utilisation des transducteurs piézoélectriques ultrasonores soit largement connue, dans les dispositifs pour le durcissement superficiel du typ décrits plus haut, cette utilisation est nouvelle.  Although the use of ultrasonic piezoelectric transducers is widely known, in the devices for surface hardening of the typ described above, this use is new.
Dans les descriptions connues de dispositifs de durcissement des pièces par ultrasons, on ne donne aucune recommandation pour la réalisation des émetteurs acoustiques. Dans le dispositif décrit en second lieu, on indique que l'émetteur est réalisé en un alliage de titane. Cependant, il a été établi par le Demandeur que pour présenter les propriétés fondamentales d'un émetteur acoustique, c'est à dire d'une forte amplitude d'oscillations (supérieure â 100 μm) et une forte résistance à la fatigue, il est indispensable de réaliser l'émetteur en pièces forgées d'alliage de titane, ces pièces devant, avant le forgeage, subir un recuit isothermique en deux stades après quoi, l'émetteur est réalisé surdimensionné et sans pratiquer de filetage et ensuite on réalise un recuit isothermique de stabilisation et seulement après ces opérations, on réalise le filetage. L'émetteur est réalisé strictement selon les cotes et est poli.  In the known descriptions of devices for hardening parts by ultrasound, no recommendation is given for the production of acoustic emitters. In the device described secondly, it is indicated that the transmitter is made of a titanium alloy. However, it has been established by the Applicant that in order to present the fundamental properties of an acoustic emitter, that is to say of a high amplitude of oscillations (greater than 100 μm) and a high resistance to fatigue, it is essential to make the transmitter in forged titanium alloy parts, these parts must, before forging, undergo isothermal annealing in two stages after which, the transmitter is made oversized and without threading and then annealing is carried out isothermal stabilization and only after these operations, the threading is carried out. The transmitter is made strictly according to the ratings and is polished.
Les émetteurs réalisés de la manière indiquée permettent d'atteindre une amplitude d'oscillations à leurs extrémités de travail pouvant aller jusqu'à 150 μm, ce qui accroît le rendement du processus de durcissement (vitesse de traitement) de 2 à 3 fois. En outre, le nombre de cycles avant la destruction avec les amplitudes indiquées, est augmenté jusqu'à 108 alors qu'il était de 107 dans le dispositif connu. L'un des faits, les plus importants qui déterminent le fonctionnement des systèmes ultrasonores est le contact acoustique entre le transducteur et l'émetteur. Dans les dispositifs de durcissement des pièces à l'aide d'ultrasons, les émetteurs sont réalisés interchangeables et sont reliés aux transducteurs au moyen d'une liaison filetée. Pour la transmission de la puissance acoustique nécessaire de l'ordre de 1-2 KW, ainsi que l'ont montré les recherches du Demandeur, il est indispensable que la surface de contact (d'applications) ne soit pas inférieure à 80% de la surface globale de contact du transducteur et de l'émetteur. Lors d'un contact inférieur à 85%, on n'atteint pas sur l'émetteur une amplitude d'oscillations supérieure à 100 μm, ce qui réduit fortement le coefficient d'utilisation du dispositif. The emitters produced in the indicated manner allow an amplitude of oscillations at their working ends to be up to 150 μm, which increases the efficiency of the hardening process (processing speed) by 2 to 3 times. In addition, the number of cycles before destruction with the indicated amplitudes is increased to 10 8 while it was 10 7 in the known device. One of the most important facts that determine the functioning of ultrasonic systems is the acoustic contact between the transducer and the transmitter. In parts hardening devices using ultrasound, the transmitters are made interchangeable and are connected to the transducers by means of a threaded connection. For the transmission of the necessary acoustic power of the order of 1-2 KW, as the researches of the Applicant have shown, it is essential that the contact surface (of applications) is not less than 80% of the overall contact surface of the transducer and the transmitter. During a contact of less than 85%, an amplitude of oscillation greater than 100 μm is not reached on the transmitter, which greatly reduces the coefficient of use of the device.
Lors du déplacement de l'émetteur selon un relief complexe d'une surface d'une pièce, il est nécessaire de disposer d'une chambre de travail fermée de façon étanche.  When moving the transmitter along a complex relief of a surface of a part, it is necessary to have a sealed working chamber.
Dans les dispositifs connus, le traitement de motifs plans ou dans l'espace, était assuré sans déplacement de l'émetteur, c'est à dire en position statique de ce dernier. Pour chaque zone, il était indispensable de réaliser une chambre de travail sous forme d'un tuyau creux à l'une des extrémités duquel était ménagé un relief reproduisant la forme de la surface soumise au traitement, ce qui pour des surfaces importantes et de relief complexe était très compliqué et quelquefois pratiquement irréalisable.  In known devices, the treatment of planar patterns or in space was ensured without displacement of the transmitter, that is to say in the static position of the latter. For each zone, it was essential to make a working chamber in the form of a hollow pipe at one end of which was formed a relief reproducing the shape of the surface subjected to the treatment, which for large and relief surfaces complex was very complicated and sometimes practically impractical.
Dans la présente invention, on propose un dispositif qui permet de traiter n'importe quelle surface du fait que la chambre de travail est réalisée sous forme d'un tuyau creux reproduisant selon son périmètre le contour de l'extrémité de travail de l'émetteur avec des parois réalisées au moyen de tiges montées élastiquement qui permettent lors du déplacement de l'émetteur, avec la chambre de travail, de reproduire le relief de la surface soumise au durcissement. In the present invention, a device is proposed which makes it possible to treat any surface because the working chamber is produced in the form of a hollow pipe reproducing, along its perimeter, the outline of the working end of the transmitter. with walls produced by means of elastically mounted rods which allow during movement of the emitter, with the working chamber, to reproduce the relief of the surface subjected to hardening.
Dans le dispositif connu, le durcissement de la surface intérieure des pièces creuses, l'émetteur est disposé de façon horizontale et en face de lui on place un réflecteur. Une telle construction est très complexe. En outre, lors du traitement de pièces creuses de grands diamètres, les billes peuvent ne pas être reprises par le champ acoustique et rester partiellement à la partie inférieure de la surface interne de la pièce, ce qui réduit fortement le rendement du processus. De plus, lors du traitement de pièces relativement longues avec des orifices minces, l ' émetteur plie sous l ' effet de son propre poids et entre en contact avec la surface traitée, ce qui entraîne des brûlures, c'est à dire une détérioration de la qualité du traitement.  In the known device, the hardening of the inner surface of the hollow parts, the transmitter is arranged horizontally and in front of it is placed a reflector. Such a construction is very complex. In addition, when processing hollow parts with large diameters, the balls may not be taken up by the acoustic field and remain partially at the bottom of the internal surface of the part, which greatly reduces the efficiency of the process. In addition, when treating relatively long parts with thin orifices, the transmitter bends under the effect of its own weight and comes into contact with the treated surface, which causes burns, that is to say a deterioration of the quality of the treatment.
Selon la présente invention, l'émetteur est disposé de façon verticale. Dans ce cas, les billes sont mises en mouvement pour pratiquement n'importe quelle intensité d'oscillations et l'émetteur n'entre pas en contact avec la pièce, car il ne plie pas sous l'effet de son propre poids.  According to the present invention, the transmitter is arranged vertically. In this case, the balls are set in motion for practically any intensity of oscillation and the transmitter does not come into contact with the workpiece, because it does not bend under the effect of its own weight.
En outre, il est proposé de relier en une seule pièce, l'émetteur et le réflecteur en réalisant des gorges à l'extrémité de travail de l'émetteur, à une distance de cette extrémité égale à 4 à 5 centièmes de la longueur d'onde λ1 de l'ultrason dans le matériau de l'émetteur.  In addition, it is proposed to connect in one piece, the transmitter and the reflector by making grooves at the working end of the transmitter, at a distance from this end equal to 4 to 5 hundredths of the length d λ1 wave of the ultrasound in the material of the transmitter.
Si la distance à l'extrémité est inférieure à 0,04 λ1, alors a lieu une destruction rapide de la barrière, tandis que si cette distance est supérieure à 0,05 λ1, les contraintes de signes variables qui se produisent dans la section réduite, entraînent une destruction par la fatigue du matériau à l'emplacement de la gorge. La profondeur de la gorge est choisie comprise entre 2 et 3 dixièmes des dimensions transversales de l'émetteur Do. Avec une profondeur supérieure à 0,3 Do dans la gorge a lieu une destruction par la fatigue de l'émetteur et avec une profondeur à 0,2 D, il est impossible d'introduire des billes ayant la masse nécessaire. La largeur de la gorge est donnée égale à λ2/2 où λ2 est la longueur d'ondes de l'ultrason dans le milieu gazeux dans lequel a lieu le traitement. If the distance to the end is less than 0.04 λ1, then a rapid destruction of the barrier takes place, while if this distance is greater than 0.05 λ1, the constraints of variable signs which occur in the reduced section , lead to fatigue destruction of the material at the location of the groove. The depth of the groove is chosen to be between 2 and 3 tenths of the transverse dimensions of the transmitter D o . With a depth greater than 0.3 D o in the throat destruction takes place by fatigue of the transmitter and with a depth of 0.2 D, it is impossible to introduce balls having the necessary mass. The width of the groove is given equal to λ2 / 2 where λ2 is the wavelength of the ultrasound in the gaseous medium in which the treatment takes place.
Avec une colonne de gaz égale à λ2/2 se créent des conditions optimales pour le développement de courants acoustiques et d'une pression de rayonnement.  With a gas column equal to λ2 / 2, optimal conditions are created for the development of acoustic currents and radiation pressure.
Au fond de la gorge est ménagé un evidement pour recevoir une masse optimale de billes.  At the bottom of the groove is provided a recess to receive an optimal mass of balls.
Le Demandeur a établi que si le volume libre de la chambre de travail est VO, alors la masse optimale de billes sera Mo = 2VoRo/αAo où α=(1,7à2,3 × 102 cm3/g, coefficient de proportionalité. The Applicant has established that if the free volume of the working chamber is VO, then the optimal mass of beads will be M o = 2V o R o / αA o where α = (1.7 to 2.3 × 10 2 cm3 / g, coefficient of proportionality.
Etant donné que dans l'émetteur proposé, le volume libre est constitué par le volume de la gorge, alors :
Figure imgf000020_0001
Since in the proposed transmitter, the free volume is made up of the throat volume, then:
Figure imgf000020_0001
où K = 1,7 à 2,3.102cm4/g. Ici, on prend Ao = 10.10-4 cm, ce qui est l'amplitude minimale pour laquelle le processus de durcissement a lieu. where K = 1.7 to 2.3.10 2 cm4 / g. Here, we take A o = 10.10 -4 cm, which is the minimum amplitude for which the hardening process takes place.
Les dispositifs connus ne permettent pas de traiter des orifices borgnes.  Known devices do not allow blind holes to be treated.
Dans le dispositif suivant l'invention, à l'extrémité de travail de l'émetteur, est réalisé un evidement sphérique pour la réception de billes d'acier d'une masse :  In the device according to the invention, at the working end of the transmitter, a spherical recess is made for receiving steel balls of a mass:
M2 = 103 λ2SoRo/K (18) tandis que l'extrémité proprement dite est placée à une distance égale à λ2/2 pour créer des conditions optimales de développement des courants et de la pression de rayonnement. M 2 = 10 3 λ 2 S o R o / K (18) while the end itself is placed at a distance equal to λ2 / 2 to create optimal conditions development of radiation currents and pressure.
Dans ce cas, le volume libre est constitué par le volume entre l'extrémité de travail ayant une surface S0, et la surface traitée c'est à dire So × λ2/2. In this case, the free volume is constituted by the volume between the working end having a surface S 0 , and the treated surface, that is to say S o × λ2 / 2.
On va maintenant exposer un exemple concret de mise en oeuvre de l'invention.  We will now present a concrete example of implementation of the invention.
On demande par exemple de traiter la surface d'une pièce en acier 35XN2MFA-CH (appellation russe) ayant subi un traitement thermique jusqu'à une dureté HRC 50-51 (trempe à 860"C dans de l'huile et revenu à 200°C pendant deux heures). Après le traitement thermique, on obtient un acier ayant les propriétés mécaniques suivantes :  We ask for example to treat the surface of a piece of steel 35XN2MFA-CH (Russian name) having undergone a heat treatment up to a hardness HRC 50-51 (quenching at 860 "C in oil and returned to 200 ° C for two hours) After the heat treatment, a steel having the following mechanical properties is obtained:
60,2 = 1630 MPa, 6B = 1960 MPa (limite de dureté).  60.2 = 1630 MPa, 6B = 1960 MPa (hardness limit).
Le traitement a été réalisé à l'aide de billes de rayon R0 = 0,05 cm, avec une amplitude de déplacement A0 ≈ 20μm = 2.10"3 cm avec une fréquence d'oscillations fo = 17,5 KHz, L = 1,0 cm, So ≈ Sl = 38 cm2. Le diamètre de l'émetteur est D = 7,0 cm ou bien cet émetteur est de section carrée ayant un côté ai =6,2 cm, n = 103 billes. The treatment was carried out using balls of radius R 0 = 0.05 cm, with a displacement amplitude A 0 ≈ 20 μm = 2.10 " 3 cm with a frequency of oscillations f o = 17.5 KHz, L = 1.0 cm, S o ≈ S l = 38 cm 2. The diameter of the transmitter is D = 7.0 cm or else this transmitter is of square section with one side a i = 6.2 cm, n = 10 3 marbles.
Conformément à l'expression analytique 2 pour le traitement régulier, il est indispensable de communiquer à l'émetteur une vitesse Vi =
Figure imgf000021_0001
In accordance with analytical expression 2 for regular processing, it is essential to communicate to the transmitter a speed Vi =
Figure imgf000021_0001
Une vérification expérimentale montre qu'e effet avec la vitesse indiquée, on obtient un traitemen régulier d'une bande de 7,0 cm de largeur dans l'acie indiqué.  An experimental verification shows that in effect with the indicated speed, a regular treatment of a band of 7.0 cm in width is obtained in the indicated steel.
Il est ensuite nécessaire de créer une rugosit Ra = 1,0 μm = 10-4 cm. Selon l'expression analytique (4), il est indispensable pour se faire de communiquer au radiateur une vitesse égale à :
Figure imgf000022_0001
It is then necessary to create a roughness Ra = 1.0 μm = 10 -4 cm. According to analytical expression (4), it is essential to communicate to the radiator a speed equal to:
Figure imgf000022_0001
L'amplitude des oscillations doit alors être égale :
Figure imgf000022_0004
The amplitude of the oscillations must then be equal:
Figure imgf000022_0004
Ainsi que l'a montré une vérification expérimentale, pour la création d'une rugosité, Ra ≡ 1,0μm à la surface d'une pièce réalisée dans l'acier indiqué plus haut, il était indispensable de communiquer au rad-fcateorr une vitesse de l'ordre de 2,7 cm/s et à son extrémité de travail, une amplitude d'oscillations de 20μm  As shown by an experimental verification, for the creation of a roughness, Ra ≡ 1.0μm on the surface of a part made of the steel indicated above, it was essential to communicate to the rad-fcateorr a speed of the order of 2.7 cm / s and at its working end, an amplitude of oscillations of 20 μm
On suppose exiger ensuite la création d'une couche durcie ayant une profondeur de par exemple ho = 150μm = 1,5.10-2cm. It is then supposed to require the creation of a hardened layer having a depth of for example ho = 150 μm = 1.5 × 10 -2 cm.
Alors, selon l'expression analytique (6), il est indispensable de communiquer au radiateur une vitesse :
Figure imgf000022_0002
Then, according to analytical expression (6), it is essential to communicate to the radiator a speed:
Figure imgf000022_0002
L'amplitude des oscillations devant alors être:
Figure imgf000022_0003
The amplitude of the oscillations must then be:
Figure imgf000022_0003
Ainsi qu'il en résulte des valeurs numériques obtenues, pour la création d'une profondeur relativement importante de la couche durcie à l'aide de billes aussi petites (Ro = 0,05 cm) sur un acier très dur, une amplitude d'oscillations et une vitesse de déplacements importantes sont exigées. Une vérification expérimentale a confirmé l'exactitude de la déduction analytique des paramètres de traitement. As a result of the numerical values obtained, for the creation of a relatively large depth of the hardened layer using such small balls (R o = 0.05 cm) on a very hard steel, an amplitude d 'Significant oscillations and speed of movement are required. An experimental verification confirmed the accuracy of the analytical deduction of the treatment parameters.
On suppose ensuite qu'il y ait lieu de traiter une surface d'un arbre de diamètre constant  We then suppose that there is reason to treat a surface of a tree of constant diameter
Do = 30 cm réalisé en acier du type indiqué plus haut. Les paramètres de traitement seront pris identiques à ceux utilisés dans les opérations précédentes. D o = 30 cm made of steel of the type indicated above. The processing parameters will be taken identical to those used in the previous operations.
Ainsi qu'il résulte des expressions analytiques (9) et (10), pour un durcissement uniforme de toute la surface de l'arbre, il est indispensable de communiquer au radiateur une vitesse de translation :
Figure imgf000023_0001
, , As follows from the analytical expressions (9) and (10), for a uniform hardening of the entire surface of the shaft, it is essential to communicate to the radiator a translation speed:
Figure imgf000023_0001
,,
et de faire tourner la pièce avec une vitesse angulaire :
Figure imgf000023_0002
and rotate the part with an angular speed:
Figure imgf000023_0002
Si les vitesses Vio et ωO ne conviennent pas pour le rendement du processus, elles peuvent être considérablement accrues par augmentation de l'amplitude d'oscillations Ao, par exemple de 20 μm comme dans l'exemple précédent, jusqu'à 80 μm. Alors les vitesses Vio et ω0 seront respectivement de 2,24 cm/s et de 2,56 1/s. If the speeds V io and ωO are not suitable for the efficiency of the process, they can be considerably increased by increasing the amplitude of the oscillations A o , for example by 20 μm as in the previous example, up to 80 μm . Then the speeds V io and ω0 will be 2.24 cm / s and 2.56 1 / s respectively.
Le rendement du processus peut être accru en réduisant la distance L, par exemple de 1,0 cm à 0,5 cm. Alors les vitesses Vio et ω0 augmentent respectivement deux fois. The efficiency of the process can be increased by reducing the distance L, for example from 1.0 cm to 0.5 cm. Then the speeds V io and ω0 increase twice respectively.
Le procédé suivant l'invention permet de traiter, c'est à dire de durcir ou de créer une rugosité superficielle déterminée, non seulement d'arbre de section constante, mais également d'arbres présentant des variations de section transversale quelconques, par exemple coniques. Dans ce cas, le diamètre varie selon la longueur par exemple d'après la relation :  The method according to the invention makes it possible to treat, that is to say to harden or to create a determined surface roughness, not only of a shaft of constant section, but also of trees having any variations in cross section, for example conical . In this case, the diameter varies according to the length, for example according to the relationship:
D(x)=Do(1-x/l) = Do ψ(x) où 1 est la longueur axiale du cône, ψ(x) = (1-x/l) est une fonction sans dimension, Do est le diamètre à l'extrémité du cône, pour x = 0. D (x) = D o (1-x / l) = D o ψ (x) where 1 is the axial length of the cone, ψ (x) = (1-x / l) is a dimensionless function, D o is the diameter at the end of the cone, for x = 0.
Si par exemple, Do = 30 cm et 1 = 100 cm, alors lors du traitement pour Ao = 20μm et Ro = 0,05 cm, les vitesses Vio = 0,14 cm/s et ω0 = 0,16 1/s sont données constantes et l'amplitude d'oscillations est réduite en fonction de la distance de l'extrémité X = 0 selon la relation
Figure imgf000024_0003
D'une manière analogue, en laissant constants A0=20μm, Vio = 0,14 cm/s, ωo = 0,16 1/s et Lo = 1,0 cm pour un traitement régulier du cône, il est possible d'accroître la distance entre l'émetteur et la pièce selon la relation ;If for example, D o = 30 cm and 1 = 100 cm, then during the treatment for A o = 20 μm and R o = 0.05 cm, the speeds V io = 0.14 cm / s and ω0 = 0.16 1 / s are given constant and the amplitude of oscillations is reduced as a function of the distance from the end X = 0 according to the relation
Figure imgf000024_0003
Similarly, leaving constant A0 = 20μm, V io = 0.14 cm / s, ω o = 0.16 1 / s and L o = 1.0 cm for regular treatment of the cone, it is possible increase the distance between the transmitter and the part according to the relationship;
Figure imgf000024_0002
Figure imgf000024_0002
mais dans des limites raisonnables, sans discontinuité mathématique ; c'est à dire par exemple à partir de la dernière expression, il s'ensuit que pour x = 100, la distance doit être accrue à l'infini. Simplement, il faut tenir compte du fait que le rayon final du cône, n'est pratiquement jamais égal à 0. but within reasonable limits, without mathematical discontinuity; that is to say for example from the last expression, it follows that for x = 100, the distance must be increased to infinity. You just have to take into account that the final radius of the cone is almost never equal to 0.
Il y a lieu de remarquer que lors du traitement de corps de révolution de section variable, il est possible de programmer l'amplitude d'oscillations A ou la distance L, non pas d'après la distance x, mais d'après le temps et sous la forme des relations :  It should be noted that during the treatment of bodies of revolution of variable section, it is possible to program the amplitude of oscillations A or the distance L, not according to the distance x, but according to time and in the form of relations:
ψ(τ) = ψ(Vioτ/l) ψ (τ) = ψ (V io τ / l)
où Vio est la vitesse de translation de la source. Pour un cône, par exemple :
Figure imgf000024_0001
where V io is the translation speed of the source. For a cone, for example:
Figure imgf000024_0001
Pour la vérification du point relatif à l'admission des gaz dans la chambre de travail, on a réalisé un traitement par ultrasons d'échantillons en acier indiqué plus haut. Après traitement, on a pratiqué des épreuves de résistance à la fatigue par chocs successifs avec une fréquence de 620 chocs/mn et un coefficient d'asymétrie du cycle r = 0 avec une pression cyclique de 2100 MPa. La mise sous contrainte était réalisée sous la forme d'une courbure unilatérale de l'échantillon disposé sur deux appuis au moyen d'une charge concentrée. On utilisait des échantillons avec une entaille ouverte, l'angle d'ouverture étant de 90°. To verify the point relating to the admission of gases into the working chamber, an ultrasound treatment of the steel samples indicated above was carried out. After treatment, impact fatigue resistance tests were carried out successive with a frequency of 620 shocks / min and a cycle asymmetry coefficient r = 0 with a cyclic pressure of 2100 MPa. Stressing was carried out in the form of a unilateral curvature of the sample placed on two supports by means of a concentrated load. Samples were used with an open cut, the opening angle being 90 °.
Régime de traitement des échantillons :  Sample processing regime:
Ro = 0,05 cm, fo = 17,5 KHz, n = 1000 pièces, Ao = 60 μm, L = 1,0 cm. R o = 0.05 cm, f o = 17.5 KHz, n = 1000 pieces, A o = 60 μm, L = 1.0 cm.
Dans une chambre de travail sous une pression de In a working chamber under a pressure of
1,2 ATM, on introduisait divers gaz; de l'air, du gaz carbonique (bioxyde de carbone), du propane ou de l'argon. 1.2 ATM, various gases were introduced; air, carbon dioxide (carbon dioxide), propane or argon.
Les résultats des expériences sont présentés dans le tableau annexé.  The results of the experiments are presented in the appended table.
De ce tableau, il résulte que la durée de vie de l'acier 35XN2MFA précité après traitement dans une atmosphère de gaz carbonique est supérieure de 20 à <40% à celle résultant du traitement dans une atmosphère d'air, en outre le temps de traitement est réduit de 20 à 50%, c'es à dire que le rendement du traitement augmente.  From this table, it follows that the service life of the aforementioned 35XN2MFA steel after treatment in an atmosphere of carbon dioxide is 20 to <40% greater than that resulting from treatment in an air atmosphere, in addition the time of treatment is reduced by 20 to 50%, ie the yield of the treatment increases.
Des résultats analogues mais moins importants, sont observés lors du traitement dans un mélange air-gaz carbonique, dans lequel ρ>1,29.10-3 g/cm3, μ<185μP, C<3,31 10-4 cm/s. Similar but less significant results are observed during treatment in an air-carbon dioxide mixture, in which ρ> 1.29.10 -3 g / cm 3 , μ <185μP, C <3.31 10 -4 cm / s.
Lors du traitement dans du propane ou de l'argon, dont la viscosité est supérieure à celle du gaz carbonique et de l'air, il y a également réduction du temps de traitement et on observe une certaine augmenta- tion de la durée de vie des pièces. Cependant, ces gaz sont plus onéreux et certains sont dangereux du fait de leur caractère explosif (propane).  When treated with propane or argon, whose viscosity is higher than that of carbon dioxide and air, there is also a reduction in the treatment time and a certain increase in the service life is observed. pieces. However, these gases are more expensive and some are dangerous because of their explosive nature (propane).
Ainsi, le traitement ultrasonore dans les gaz proposés, présente par rapport au procédé connu, les avantages suivants : - pour une puissance de l'équipement ultrasonore identique, on obtient une intensité plus importante du durcissement; Thus, the ultrasonic treatment in the proposed gases, compared to the known process, has the following advantages: - for an identical power of the ultrasonic equipment, a higher intensity of hardening is obtained;
- pour une intensité de durcissement identique, une amplitude moindre est exigée à la sortie de l'émetteur, ce qui assure une dépense moindre d'énergie, une meilleure fiabilité et une durée de vie accrue des systèmes ultrasonores, étant donné qu'ils fonctionnent avec des contraintes cycliques moins importantes.  - for an identical curing intensity, a smaller amplitude is required at the output of the transmitter, which ensures less energy expenditure, better reliability and a longer service life of the ultrasonic systems, since they operate with less cyclical constraints.
On a procédé à un traitement d'engrenages à dents obliques et à dents droites, en acier 30X13,45 et 40X. Avant le traitement ultrasonore, les engrenages étaient réalisés (mécaniquement) et traités thermiquement conformément à une documentation de construction et de technologie, c'est à dire que le traitement ultrasonore constituait une finition.  A treatment of gears with oblique teeth and with straight teeth, in steel 30X13.45 and 40X, was carried out. Before the ultrasonic treatment, the gears were produced (mechanically) and heat treated in accordance with construction and technology documentation, that is to say that the ultrasonic treatment constituted a finish.
Le schéma du traitement des pignons est représenté à la Fig.3.  The scheme for processing the pinions is shown in Fig. 3.
Les régimes de traitement correspondaient aux régimes décrits dans les exemples précédents :  The treatment regimes corresponded to the regimes described in the previous examples:
fo = 17,5 KHz, Ao = 60 μm, Ro =0,05 cm, L = 1,0 cm. f o = 17.5 KHz, A o = 60 μm, R o = 0.05 cm, L = 1.0 cm.
Les pignons tournaient sous l'action du champ ultrasonore du fait du décalage de l'axe de rotation du pignon (Fig.3). Dans la chambre était ajoutée une poudre de matière plastique fluorée de dimensions de particules égales à 1 à 60μm et de masse globale égale à 0,05g.  The pinions turned under the action of the ultrasonic field due to the offset of the axis of rotation of the pinion (Fig. 3). In the chamber was added a fluorinated plastic powder with particle sizes equal to 1 to 60 μm and an overall mass equal to 0.05 g.
Après traitement ultrasonore, les pignons étaient assemblés dans le réducteur d'une pompe. La mesure du bruit global des vibrations a montré un niveau de  After ultrasonic treatment, the pinions were assembled in the reducer of a pump. The measurement of the overall vibration noise showed a level of
60 dB (décibels). Sans traitement ultrasonore, le niveau de bruit était de 80 dB. Ainsi, le traitement ultrasonore avec introduction dans la chambre de travail d'une poudre par exemple de matière plastique fluorée a permis de réduire le niveau de bruit de 20 décibels, alors que le décalage de l'axe du pignon par rapport à l'émetteur a permis de le faire tourner sans dispositif supplémentaire, ni énergie. 60 dB (decibels). Without ultrasonic treatment, the noise level was 80 dB. Thus, the ultrasonic treatment with the introduction into the working chamber of a powder, for example of fluorinated plastic, made it possible to reduce the noise level by 20 decibels, while the offset of the axis of the pinion relative to the emitter at allowed to run without additional device or energy.
La chambre de travail 4 (Fig.1) est réalisée au moyen de tiges montées sur des ressorts, de 0,5 cm de diamètre et ayant une course libre de 5,0 cm, ce qui permet de traiter des surfaces ayant des variations de relief de 5,0 cm.  The working chamber 4 (Fig. 1) is produced by means of rods mounted on springs, 0.5 cm in diameter and having a free stroke of 5.0 cm, which makes it possible to treat surfaces having variations in relief of 5.0 cm.
L'émetteur est réalisé à partir de pièces forgées en alliage de titane qui étaient au préalable recuites à une température de 920°C ± 10° pendant 4 à 5 heures, puis elles étaient refroidies avec le four jusqu'à 650ºC ± 10º et étaient maintenues pendant deux heures et étaient définitivement refroidies à l'air libre.  The transmitter is made from titanium alloy forgings which were previously annealed at a temperature of 920 ° C ± 10 ° for 4 to 5 hours, then they were cooled with the oven to 650ºC ± 10º and were maintained for two hours and were definitively cooled in the open air.
L'émetteur était réalisé selon les cotes mais avec une augmentation de dimensions de 0,05 à 0,1 cm de chaque côté et sans réalisation de filetage. Ensuite, l'émetteur est soumis à un recuit à 540°C ± 10° pendant 2 à 2,5 heures après quoi, il est réalisé de façon précise conformément à son dessin avec réalisation du filetage.  The transmitter was made according to the dimensions but with an increase in dimensions from 0.05 to 0.1 cm on each side and without threading. Then, the transmitter is subjected to an annealing at 540 ° C ± 10 ° for 2 to 2.5 hours after which, it is produced in a precise manner in accordance with its drawing with realization of the threading.
Par exemple, il est indispensable de réaliser un émetteur de diamètre Do = 3,0cm. Dans ce cas, à une distance de son extrémité de travail 1 = (0,04 à 0,05)λ1 = 1,16 à 1,45 cm,où λ1 = 29,0 cm est la longueur d'ondes de l'ultrason d'une fréquence de 17,5 KHz dans un alliage de titane, on réalise une gorge. La largeur de cette gorge est choisie en fonction de la composition du milieu gazeux dans lequel est conduit le traitement. Dans le cas présent, le traitement est conduit dans un milieu de bioxyde de carbone (gaz carbonique) dans lequel λ2 = 1,6 cm, de sorte que la largeur de la gorge est de 0,5 cm. La profondeur de la gorge doit être comprise dans les limites (0,2 à 0,3) Do = (0,6 à 0,9) cm, dans le cas présent, elle est de 0,7 cm. Pour la détermination de l'evidement dans la partie inférieure de la gorge, on utilise l'expression analytique (17) étant donné que le traitement est réalisé au moyen de billes de rayons Ro = 0,05 cm, leur masse se trouvant dans l'evidement est :
Figure imgf000028_0001
For example, it is essential to make a transmitter with a diameter D o = 3.0cm. In this case, at a distance from its working end 1 = (0.04 to 0.05) λ 1 = 1.16 to 1.45 cm, where λ 1 = 29.0 cm is the wavelength of ultrasound with a frequency of 17.5 KHz in a titanium alloy, a groove is produced. The width of this groove is chosen according to the composition of the gaseous medium in which the treatment is carried out. In the present case, the treatment is carried out in a carbon dioxide (carbon dioxide) medium in which λ2 = 1.6 cm, so that the width of the groove is 0.5 cm. The depth of the groove must be within the limits (0.2 to 0.3) D o = (0.6 to 0.9) cm, in this case it is 0.7 cm. For the determination of the recess in the lower part of the throat, the analytical expression (17) is used since the treatment is carried out by means of balls with radii R o = 0.05 cm, their mass located in the recess is:
Figure imgf000028_0001
le nombre de billes indispensable pour le traitement est::
Figure imgf000028_0002
the number of beads required for treatment is:
Figure imgf000028_0002
où ml = 4/3 πR0 3 ρ est la masse d'une bille. where ml = 4/3 πR 0 3 ρ is the mass of a ball.
Le volume global occupé par 575 billes de rayon R0 = 0,05 cm est : The overall volume occupied by 575 balls of radius R 0 = 0.05 cm is:
Vl = n.8Ro 3 = 0,57 cm3 V l = n.8R o 3 = 0.57 cm 3
Ainsi, le volume global de. l'evidement .doit être de 0,57 cm3. So the overall volume of. the recess. must be 0.57 cm 3 .
Dans le cas présent, cet evidement est semi-annulaire de rayon : In the present case, this recess is semi-annular with radius:
Figure imgf000028_0003
Figure imgf000028_0003
Pour la détermination de l'evidement dans l'extrémité de travail de l'émetteur, on utilise la relation analytique (18).  For the determination of the recess in the working end of the transmitter, the analytical relation (18) is used.
La masse des billes indispensable pour le traitement d'orifices borgnes est :
Figure imgf000028_0004
The mass of the balls essential for the treatment of blind holes is:
Figure imgf000028_0004
et le nombre de billes n = 675 billes. and the number of balls n = 675 balls.
Le volume global occupé par ces billes est V2 = 0,68 cm3. The overall volume occupied by these balls is V 2 = 0.68 cm 3 .
Ainsi, à l'extrémité de travail de la source de rayonnement, doit être pratiqué un evidement de 0,68 cm3 de volume. L'evidement le plus pratique est un evidement sphérique dont le rayon est égal au rayon de l'émetteur, en l'occurence Do = 3,0 cm avec une flèche de segment h = 0,3 cm. Le schéma de l'émetteur est donné aux Fig.1 à 3. Thus, at the working end of the radiation source, a recess of 0.68 cm 3 of volume must be made. The most practical recess is a spherical recess whose radius is equal to the radius of the emitter, in this case D o = 3.0 cm with a segment arrow h = 0.3 cm. The transmitter diagram is given in Figs. 1 to 3.
On a traité un moule de moulage sous pression ayant des dimensions de 34,0 × 42,0 cm et un relief en saillie avec des variations de hauteur de 3,5 cm réalisé en un acier du type donné au paragraphe 1. A die casting mold having dimensions of 34.0 × 42.0 cm and a relief in projection with height variations of 3.5 cm made of steel of the type given in paragraph 1.
Régime de traitement : fo = 17,5 KHz, Ro = 0,05 cm, Ao = 60.10-4 cm, milieu gazeux bioxyde de carbone, L = 0,8 cm, diamètre de l'émetteur Do = 7,0 cm. Treatment regime: f o = 17.5 KHz, R o = 0.05 cm, A o = 60.10 -4 cm, gaseous carbon dioxide, L = 0.8 cm, diameter of the emitter D o = 7 . 0 cm.
Le traitement était conduit de la manière suivante :  The treatment was carried out as follows:
Dans la chambre de travail 4 de la Fig.1, étaient disposées des billes de masse globale :
Figure imgf000029_0001
In the working chamber 4 of FIG. 1, balls of overall mass were arranged:
Figure imgf000029_0001
soit un nombres n = 625 pièces.  or a number n = 625 pieces.
La pièce 12 (moule) est disposée au-dessus de l'émetteur 2, comme cela est représenté à la Fig.1.  The part 12 (mold) is arranged above the transmitter 2, as shown in Fig.1.
Le système ultrasonore comprenant le transducteur 1 et l'émetteur 2 est accordé pour une fréquence de résonance de 17,5 KHz selon, le maximum du courant de sortie du générateur d'ultrasons. Ensuite, par régulation de la puissance électrique de sortie du générateur, on établit une amplitude d'oscillations Ao = 60.10-4 cm, après quoi, on communique à l'émetteur, au moyen du mécanisme 6, une vitesse dans la direction de traitement (2) : The ultrasonic system comprising the transducer 1 and the transmitter 2 is tuned for a resonant frequency of 17.5 KHz depending on the maximum of the output current of the ultrasonic generator. Then, by regulating the electrical output power of the generator, an amplitude of oscillations is established A o = 60.10 -4 cm, after which, a speed in the direction of is communicated to the transmitter, by means of mechanism 6 treatment (2):
Figure imgf000029_0002
Figure imgf000029_0002
Etant donné que le moule présente une longueur de 34cm, le traitement d'une bande d'une largeur Do = 7,0 cm et de 42 cm de longueur prend un temps τ = 42cm/14,0 cm/s = 3,0s. Ensuite, à l'aide du mécanisme 6, l'émetteur passe sur le secteur de 7 cm suivant. En résultat, on a réalisé 34,0 cm/7,0 cm = 5 bandes, et tout le traitement du moule a pris 15 secondes. Since the mold has a length of 34 cm, the processing of a strip with a width D o = 7.0 cm and 42 cm in length takes a time τ = 42cm / 14.0 cm / s = 3, 0s. Then, using mechanism 6, the transmitter passes over the next 7 cm sector. As a result, we have made 34.0 cm / 7.0 cm = 5 strips, and all processing of the mold took 15 seconds.
Après le traitement ultrasonore, à l'aide du dispositif suivant l'invention, la stabilité du moule s'est accrue de 2 à 3 fois.  After the ultrasonic treatment, using the device according to the invention, the stability of the mold increased by 2 to 3 times.
Bien que dans la description qui précède, on utilise des billes d'acier, il est également possible d'envisager l'emploi de billes en un autre métal de duretè appropriée.  Although in the above description, steel balls are used, it is also possible to envisage the use of balls made of another metal of suitable hardness.
Par ailleurs, bien que dans les exemples décrits précédemment, le procédé et le dispositif de l'invention soient considérés comme appliqués au durcissement superficiel de pièces métalliques, ils peuvent également être utilisés pour des applications telles que le nettoyage et le décapage de pièces. Furthermore, although in the examples described above, the method and the device of the invention are considered to be applied to the surface hardening of metal parts, they can also be used for applications such as cleaning and pickling of parts.
Figure imgf000031_0001
Figure imgf000031_0001

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de durcissement de surfaces de pièces métalliques au moyen d'ultrasons, comprenant un traitement au moyen de billes de métal (10) qui reçoivent de l'énergie d'un champ ultrasonore prenant naissance dans un espace fermé entre les surfaces d' un émetteur acoustique (2), d'une pièce (12) et d'une chambre de travail (4) remplie d'un milieu gazeux déterminé et un déplacement relatif entre la pièce (12) et l'émetteur (2) assuré de manière déterminée, caractérisé en ce que dans le butt d'accroître le rendement du processus et d'élargir les possibilités technologiques du traitement des surfaces de pièces de grandes dimensions et de profil complexe, ainsi que de la création de propriétés mécaniques déterminées de la surface à durcir, le déplacement relatif est assuré en communiquant à l'émetteur (2 ) une vitesse déterminée dans trois directions perpendiculaires les unes aux autres.  1. A method of hardening surfaces of metal parts by means of ultrasound, comprising a treatment by means of metal balls (10) which receive energy from an ultrasonic field originating in a closed space between the surfaces of an acoustic emitter (2), a part (12) and a working chamber (4) filled with a determined gaseous medium and a relative displacement between the part (12) and the emitter (2) ensured of determined manner, characterized in that in the butt to increase the yield of the process and to widen the technological possibilities of the treatment of the surfaces of parts of large dimensions and complex profile, as well as the creation of determined mechanical properties of the surface to harden, the relative movement is ensured by communicating to the transmitter (2) a determined speed in three directions perpendicular to each other.
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lors du traitement de surfaces essentiellement planes, dans le but d'améliorer la qualité par création d'une couche durcie uniforme sur toute la surface de la pièce, on communique à l'émetteur (2) une vitesse de valeur :
Figure imgf000032_0001
2. Method according to claim 1, characterized in that during the treatment of essentially flat surfaces, with the aim of improving the quality by creating a uniform hardened layer over the entire surface of the part, the transmitter is communicated (2) a speed of value:
Figure imgf000032_0001
où i = 1,2,3 sont les numéros des directions perpendiculaires selon les plans, ai est la dimension linéaire de la source de rayonnement dans la direction i (cm), Ro est le rayon des billes (cm), Ao est l'amplitude des oscillations de la surface de l'émetteur, fo est la fréquence d'oscillations de la source de rayonnement, δ0.2 est la limite d' élasticité du matériau delà pièce traitée en kgf/cm2, ρ est la masse spécifique du matériau d'une bille (10) en g/cm3, n est le nombre de billes dans le champ ultrasonore (nombre sans dimension), So est la valeur de la surface oscillante de l'émetteur (2) se trouvant dans la chambre de travail (cm2), S. est la valeur de la surface de la pièce (12) se trouvant immédiatement au-dessus de l'émetteur (cm2), L est la distance entre la surface rayonnante et la surface de la pièce (cm). where i = 1,2,3 are the numbers of the perpendicular directions according to the planes, a i is the linear dimension of the radiation source in the direction i (cm), R o is the radius of the balls (cm), A o is the amplitude of the oscillations of the surface of the emitter, f o is the frequency of oscillations of the radiation source, δ 0.2 is the elastic limit of the material of the part treated in kgf / cm 2 , ρ is the specific mass of the material of a ball (10) in g / cm 3 , n is the number of balls in the ultrasonic field (dimensionless number), S o is the value of the oscillating surface of the emitter (2) found in the working room (cm 2 ), S. is the value of the surface of the room (12) located immediately above the emitter (cm 2 ), L is the distance between the radiating surface and the surface of the room (cm ).
3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que dans le but de créer une rugosité déterminée de la surface, on communique à l'émetteur (2) une vitesse égale à :
Figure imgf000033_0001
3. Method according to claim 2, characterized in that in order to create a determined roughness of the surface, the transmitter (2) is communicated with a speed equal to:
Figure imgf000033_0001
l'amplitude des oscillations de l'émetteur (2) étant rendue égale à :
Figure imgf000033_0002
the amplitude of the oscillations of the transmitter (2) being made equal to:
Figure imgf000033_0002
où Ra est l'écart arithmétique moyen du profil de la surface-rugosité (cm). where R a is the mean arithmetic deviation of the surface-roughness profile (cm).
4. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que dans le but d * obtenir une profondeur déterminée de la couche durcie, on communique à l'émetteur (2) une vitesse égale à : 4. Method according to claim 2, characterized in that in order to obtain a determined depth of the hardened layer, a speed equal to: is communicated to the emitter (2)
J J
Figure imgf000033_0003
Figure imgf000033_0003
l'amplitude des oscillations de l'émetteur étant rendue égale à :
Figure imgf000033_0004
the amplitude of the transmitter's oscillations being made equal to:
Figure imgf000033_0004
où h0 est la profondeur de consigne de la couche durcie (cm). where h 0 is the set depth of the hardened layer (cm).
5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lors du traitement de surfaces de pièces, essentiellement de corps de révolution, dans le but d'améliorer la qualité par création d'une couche durcie uniforme sur toute la surface de la pièce, on communique à l'émetteur (2) une vitesse de translation en modifiant sa valeur le long de l'axe selon la relation : 5. Method according to claim 1, characterized in that during the treatment of surfaces of parts, essentially bodies of revolution, with the aim of improving the quality by creating a uniform hardened layer over the entire surface of the part, a speed of translation is communicated to the transmitter (2) by modifying its value along the axis according to the relationship:
L l L l
Figure imgf000033_0005
la pièce étant entraînée en rotation en modifiant sa vitesse angulaire selon la relation :
Figure imgf000034_0001
Figure imgf000033_0005
the part being driven in rotation by modifying its angular speed according to the relation:
Figure imgf000034_0001
où D = Doψ(x) est le diamètre variable de la pièce le long de son axe x, Do est le diamètre de l'extrémité à partir de laquelle commence le traitement c'est-à-dire pour where D = D o ψ (x) is the variable diameter of the part along its x axis, D o is the diameter of the end from which the treatment begins, i.e. for
x = 0, ψ(x) est une fonction sans dimension de variation du diamètre, bi est la dimension linéaire de l'émetteur (2 ) dans la direction de la rotation (cm). x = 0, ψ (x) is a dimensionless function of variation of the diameter, b i is the linear dimension of the emitter (2) in the direction of rotation (cm).
6. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le traitement est assuré avec des vitesses constantes de déplacement de la source et de rotation de la pièce respectivement :  6. Method according to claim 5, characterized in that the treatment is ensured with constant speeds of displacement of the source and rotation of the part respectively:
Figure imgf000034_0002
Figure imgf000034_0002
tandis que dans le processus de traitement on modifie l'amplitude des oscillations en fonction de la distance x par rapport à l'extrémité de la pièce selon la relation:while in the treatment process we modify the amplitude of the oscillations as a function of the distance x from the end of the part according to the relation:
Figure imgf000034_0003
Figure imgf000034_0003
où A0 est l'amplitude des oscillations de l'émetteur (2), lors du traitement à l'extrémité de la pièce c'est-à-dire x = 0. where A 0 is the amplitude of the oscillations of the transmitter (2), during processing at the end of the part, that is to say x = 0.
7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le traitement est assuré avec des vitesses constantes de déplacement de la source Vio, de rotation ωo et une amplitude d'oscillations Ao tandis que dans le processus de traitement on modifie la distance entre la surface de l'extrémité de travail de l'émetteur (2) et la surface de la pièce selon la relation :
Figure imgf000034_0004
où Lo est la distance entre l'émetteur (2) et la pièce (12) lors du traitement à l'extrémité de la pièce c'est-à-dire pour x = 0. 7. Method according to claim 6, characterized in that the treatment is ensured with constant speeds of displacement of the source V io , of rotation ω o and an amplitude of oscillations A o while in the treatment process one modifies the distance between the surface of the working end of the transmitter (2) and the surface of the workpiece according to the relationship:
Figure imgf000034_0004
where L o is the distance between the transmitter (2) and the part (12) during processing at the end of the part, that is to say for x = 0.
8. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que dans le but d'accroître le rendement du processus par accroissement de rayonnement acoustique et de la vitesse des courants acoustiques dans la chambre de travail ( 4 ) ainsi que par réduction de la résistance au déplacement des billes (11) dans le milieu gazeux, le traitement ultrasonore est réalisé avec introduction d'un milieu gazeux ayant une masse spécifique supérieure à 1,29.10-3g/cm3, une viscosité inférieure à 185 μP et une vitesse du son inférieure à 3,31.104 cm/s, par exemple du bioxyde de carbone. 8. Method according to claim 1, characterized in that in order to increase the efficiency of the process by increasing acoustic radiation and the speed of the acoustic currents in the working chamber (4) as well as by reducing the resistance to displacement of the balls (11) in the gaseous medium, the ultrasonic treatment is carried out with the introduction of a gaseous medium having a specific mass greater than 1.29.10 -3 g / cm 3 , a viscosity less than 185 μP and a speed of sound less than 3.31.10 4 cm / s, for example carbon dioxide.
9. Procédé suivant la revendication 1 , caractérisé en ce que lors du traitement essentiellement de roues dentées, dans le but d'accroître la qualité par réduction du bruit de vibration pendant l'utilisation et de réduire l'énergie utilisée lors du traitement, le traitement ultrasonore est réalisé avec admission dans la chambre de travail (4) d'une poudre (11) finement dispersée de polymères par exemple de matière plastique fluorée tandis que l'axe de rotation de la roue dentée est décalé par rapport à l'axe de l'émetteur.  9. Method according to claim 1, characterized in that during the treatment essentially of toothed wheels, in order to increase the quality by reducing the vibration noise during use and to reduce the energy used during the treatment, the ultrasonic treatment is carried out with admission into the working chamber (4) of a finely dispersed powder (11) of polymers, for example of fluorinated plastic, while the axis of rotation of the toothed wheel is offset from the axis of the transmitter.
10. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les billes (10) sont en acier.  10. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the balls (10) are made of steel.
11. Dispositif pour le durcissement de surfaces de pièces métalliques par ultrasons, comprenant un transducteur (1) d'oscillations ultrasonores de type déterminé, un émetteur acoustique (2) réalisé et fabriqué en alliage de titane, disposé dans l'espace d'une manière déterminée et relié au transducteur (1) par une surface de contact (3) de valeur déterminée, une chambre de travail (4) réalisée de manière déterminée et un réflecteur (5), caractérisé en ce que dans le but d'accroître le coefficient d'utilisation du dispositif par augmentation de l'intensité des oscillations de l'émetteur (2) et de l'élargissement des possibilités technologiques du traitement de pièces de grandes dimensions et de profil complexe, le dispositif comporte en outre un mécanisme (6) de déplacement de l'émetteur (2) dans trois dimensions perpendiculaires les unes aux autres, le transducteur (1) est réalisé en disques piézocéramiques, l'émetteur (2) est réalisé en pièces forgées en alliage de titane avec des recuits à température élevée et stabilisateurs, la liaison de l'émetteur (2) avec le transducteur (1) est réalisée par l'intermédiaire d'une surface de contact (3) qui constitue au moins 85% de la surface globale de contact tandis que la chambre de travail (4) est réalisée sous forme d'un tube creux reproduisant par son périmètre le contour de l'extrémité de travail de l'émetteur (2) avec des parois formées de tiges montées sur ressorts qui permettent lors du déplacement de l'émetteur (2) avec la chambre de travail (4) reproduisent le relief de la surface à durcir. 11. Device for hardening surfaces of metal parts by ultrasound, comprising a transducer (1) of ultrasonic oscillations of a determined type, an acoustic emitter (2) made and made of titanium alloy, arranged in the space of a determined manner and connected to the transducer (1) by a contact surface (3) of determined value, a working chamber (4) produced in a determined manner and a reflector (5), characterized in that with the aim of increasing the coefficient of use of the device by increasing the intensity of the oscillations of the transmitter (2) and the widening of the technological possibilities of processing large and profile parts complex, the device also includes a mechanism (6) for moving the transmitter (2) in three dimensions perpendicular to each other, the transducer (1) is made of piezoceramic discs, the transmitter (2) is made of forgings made of titanium alloy with annealing at high temperature and stabilizers, the connection of the emitter (2) with the transducer (1) is carried out via a contact surface (3) which constitutes at least 85 % of the overall contact surface while the working chamber (4) is produced in the form of a hollow tube reproducing by its perimeter the contour of the working end of the transmitter (2) with walls formed es of rods mounted on springs which allow during movement of the transmitter (2) with the working chamber (4) reproduce the relief of the surface to be hardened.
12. Dispositif suivant la revendication 11, caractérisé en ce que lors du durcissement principalement d'une surface intérieure de pièces creuses, dans le but de simplifier la construction du dispositif, l'émetteur (2) est disposé de façon verticale, l'émetteur (2) et le réflecteur (5) sont réalisés comme un tout en ménageant à l'extrémité supérieure de l'émetteur (2), à une distance de son extrémité de travail égale à 4 à 5 centièmes de la longueur d'onde λ1 de l'ultrason dans le matériau de l'émetteur, une gorge (7) de largeur égale à la moitié de la longueur d'onde λ2/2 de l'ultrason dans le milieu gazeux, de profondeur égale à 2 à 3 dixièmes des dimensions transver-sales de l'émetteur (2) et ayant dans son fond un évidement (9) pour loger des billes d'acier (10) de masse :
Figure imgf000037_0002
12. Device according to claim 11, characterized in that during the hardening mainly of an inner surface of hollow parts, in order to simplify the construction of the device, the transmitter (2) is arranged vertically, the transmitter (2) and the reflector (5) are made as a whole while providing at the upper end of the transmitter (2), at a distance from its working end equal to 4 to 5 hundredths of the wavelength λ 1 of the ultrasound in the emitter material, a groove (7) of width equal to half the wavelength λ 2/2 of the ultrasound in the gaseous medium, of depth equal to 2 to 3 tenths of the transverse-dirty dimensions of the transmitter (2) and having at its bottom a recess (9) for housing steel balls (10) of mass:
Figure imgf000037_0002
où K « (1,7 à 2,3) -102 cmVg where K "(1.7 to 2.3) -10 2 cmVg
est un coefficient de proportionnalité. is a coefficient of proportionality.
13. Dispositif suivant la revendication 12, caractérisé en ce que lors du durcissement principalemen d'une surface intérieure d'une pièce creuse borgne, l'extrémité supérieure de l'émetteur est ménagé un évide ment sphérique (8) pour la réception de billes d'acie 13. Device according to claim 12, characterized in that during the hardening mainly of an inner surface of a blind hollow part, the upper end of the transmitter is provided with a spherical recess (8) for receiving balls of acie
(10) d'une masse -
Figure imgf000037_0001
(10) of a mass -
Figure imgf000037_0001
PCT/FR1993/000341 1992-04-06 1993-04-05 Process and device especially for ultrasonic hardening of metallic components WO1993020247A1 (en)

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