[0001] La présente invention concerne les projectiles, dispositifs et installations de grenaillage
par ultrasons ainsi que les pièces ainsi traitées par grenaillage.
[0002] Des procédés et installations de grenaillage par ultrasons sont décrits notamment
dans les brevets français
FR 2 815 280 et
FR 2 815 281, utilisant au moins une sonotrode comportant un corps en titane pour mettre en mouvement
des projectiles destinés à induire des contraintes de compression dans la pièce traitée.
[0004] La demande européenne
EP 1207014 divulgue une dispositif de grenaillage d'alvéoles annulaires dans lequel un déflecteur
est placé au sein de l'enceinte afin d'atténuer l'effet du grenaillage du fond de
l'alvéole.
[0005] La demande
SU 1009735 décrit un déflecteur vissé sur le fond d'un bol, ce fond étant alors mis en vibration
de manière à projeter les billes.
[0006] Les projectiles utilisés et décrits jusqu'à présent dans ces brevets sont principalement
des billes d'acier dont le diamètre est par exemple d'environ 2 mm. L'utilisation
de ces projectiles ne permet pas d'obtenir une intensité de traitement suffisante
sur des surfaces concaves présentant un rayon de courbure plus faible que celui des
projectibles ou dans le fond de certains renfoncements.
[0007] La présente invention vise, selon un premier de ses aspects, à remédier à cet inconvénient,
et elle y parvient grâce à un projectile destiné à être utilisé dans une installation
de grenaillage, notamment une installation de grenaillage par ultrasons dans laquelle
le projectile est propulsé par au moins une sonotrode, le projectile pouvant se caractériser
par le fait qu'il présente :
- une dureté supérieure ou égale à 800 HV, de préférence supérieure ou égale à 1 300
HV,
- une densité supérieure ou égale à 8 g/cm3, mieux supérieure ou égale à 12 g/cm3, et
- une plus grande dimension inférieure ou égale à 1,5 mm.
[0008] L'utilisation d'un tel projectile permet de traiter des zones difficilement accessibles
avec les projectiles conventionnels, ayant de faibles rayons de courbure, notamment
inférieur à 1,5 mm, le projectile étant néanmoins capable d'acquérir une énergie cinétique
suffisamment grande pour générer le niveau de contrainte souhaité dans la pièce et
demeurant compatible avec l'utilisation d'une sonotrode.
[0009] Le projectile est de préférence sensiblement sphérique, notamment avec une tolérance
maximale de plus ou moins 60 µm sur sa sphéricité.
[0010] De préférence, le projectile comporte en surface au moins un matériau non ferreux,
avantageusement du carbure de tungstène (WC). Le projectile peut être réalisé entièrement
en carbure de tungstène.
[0011] Par ailleurs, la présence de fer dans les projectiles conventionnels en acier des
installations de grenaillage connues entraîne la formation sur la pièce traitée d'un
dépôt ferreux et/ou d'incrustations qui doivent ensuite être éliminés sous peine de
s'oxyder, ce qui nécessite de nettoyer la pièce après grenaillage. Cette opération
de nettoyage est également appelée décontamination et elle est réalisée dans des bains.
Par exemple, on utilise des bains d'attaque chimique qui abaissent le niveau des contraintes
résiduelles et réduisent la tenue en fatigue de la pièce.
[0012] L'invention vise, selon un autre de ses aspects, à éviter ce traitement supplémentaire
et par la même occasion maintenir la tenue en fatigue de la pièce traitée.
[0013] Elle y parvient grâce à un projectile destiné à être utilisé dans une installation
de grenaillage, notamment une installation de grenaillage dans laquelle le projectile
est mis en mouvement par au moins une sonotrode, ce projectile étant caractérisé par
le fait qu'il comporte en surface au moins un matériau non ferreux et par le fait
qu'il présente une densité supérieure ou égale à 3 g/cm
3, mieux supérieure ou égale à 12 g/cm
3.
[0014] Le matériau non ferreux est avantageusement du carbure de tungstène (WC).
[0015] L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, indépendamment ou
en combinaison avec ce qui précède, un projectile destiné à être utilisé dans une
installation de grenaillage, notamment une installation de grenaillage par ultrasons
comportant au moins une sonotrode, ce projectile comportant :
- un noyau en au moins un premier matériau, et
- au moins un deuxième matériau différent du premier dans une enveloppe entourant le
noyau.
[0016] Un tel projectile, composite, peut permettre par exemple d'utiliser, pour réaliser
le noyau, un matériau moins noble que celui utilisé pour réaliser l'enveloppe, ce
qui peut contribuer à diminuer les coûts. Cela peut encore permettre d'utiliser pour
le noyau un matériau plus dense mais ne présentant pas une dureté suffisante.
[0017] De préférence, le deuxième matériau présente une dureté supérieure à celle du premier,
notamment une dureté supérieure ou égale à 800 HV, mieux supérieure ou égale à 1300
HV, et de préférence également, le deuxième matériau est un matériau non ferreux,
par exemple du carbure de tungstène (WC).
[0018] L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, individuellement
ou en combinaison avec ce qui précède, un dispositif de grenaillage comportant au
moins une sonotrode pour mettre en mouvement au moins un projectile, notamment un
projectile tel que défini ci-dessus, cette sonotrode présentant au moins une face
destinée à venir au contact du projectile, ce dispositif pouvant se caractériser par
le fait que la sonotrode a un corps métallique, de préférence en titane, revêtu d'un
dépôt d'un matériau plus dur que le métal de base d'une épaisseur supérieure ou égale
à 0,5 mm avantageusement à base de carbure de tungstène.
[0019] Un tel dispositif permet d'obtenir une résistance à l'usure (abrasion) beaucoup plus
grande de la sonotrode, notamment lors de l'utilisation de projectiles présentant
les caractéristiques définies plus haut, sans nuire au fonctionnement acoustique de
la sonotrode.
[0020] L'épaisseur est de préférence supérieure ou égale à 0,75 mm, étant comprise entre
0,9 mm et 1,1 mm par exemple.
[0021] L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, indépendamment ou
en combinaison avec ce qui précède, un dispositif de traitement d'au moins une pièce
par grenaillage, ce dispositif comportant au moins une sonotrode pour mettre en mouvement
au moins un projectile, par exemple un projectile tel que défini ci-dessus, cette
sonotrode comportant un corps réalisé au moins partiellement en titane, ce dispositif
pouvant se caractériser par le fait que le corps est réalisé au moins partiellement,
mieux entièrement, en titane forgé.
[0022] La demanderesse a pu en effet constater que le titane forgé pouvait être utilisé
pour la fabrication d'une sonotrode, ce qui peut permettre par exemple de diversifier
les sources d'approvisionnemcnt en cas de pénurie sur le titane obtenu par laminage,
utilisé jusqu'à présent pour fabriquer les sonotrodes.
[0023] L'invention n'est pas limitée dans cet aspect particulier à des sonotrodes utilisées
pour le grenaillage par ultrasons et peut s'appliquer à des sonotrodes utilisées pour
le soudage par ultrasons. L'invention a ainsi encore pour objet une sonotrode réalisée
au moins partiellement en titane forgé, considérée isolément.
[0024] Selon un autre de ses aspects, l'invention a encore pour objet, indépendamment ou
en combinaison avec ce qui précède, un dispositif de traitement d'au moins une pièce
par grenaillage, ce dispositif comportant au moins une sonotrode et une chambre de
traitement dans laquelle des projectiles sont mis en mouvement par la sonotrode, ce
dispositif étant caractérisé par le fait que la chambre comporte au moins une paroi
ou excroissance venant en appui contre la pièce à traiter.
[0025] Un tel dispositif peut présenter l'avantage de permettre l'utilisation de projectiles
de taille relativement petite sans craindre que ceux-ci s'engagent par exemple dans
une ouverture de la pièce traitée, une telle ouverture étant obturée par la paroi
ou excroissance de la chambre précitée et de délimiter les zones de traitement, ceci
ayant pour avantage d'éviter des opérations de masquage/démasquage.
[0026] L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, indépendamment ou
en combinaison avec ce qui précède, un dispositif de traitement d'au moins une pièce
par grenaillage, ce dispositif comportant au moins une sonotrode et une chambre de
traitement dans laquelle les projectiles peuvent être mis en mouvement par la sonotrode,
ce dispositif étant caractérisé par le fait qu'il comporte un élément de remplissage
dont la forme épouse sensiblement celle d'une face de la pièce à traiter située du
côté opposé à la sonotrode.
[0027] Un tel élément de remplissage peut permettre d'accélérer le retour des projectiles
vers la sonotrode ou d'éviter que certains projectiles ne retournent pas vers la sonotrode.
[0028] L'invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède,
selon un autre de ses aspects, une installation de grenaillage d'une pièce à traiter,
comportant:
- au moins une sonotrode,
- au moins un projectile présentant une surface en un matériau non ferreux, l'amplitude
de vibration de la sonotrode étant choisie de manière à induire dans la pièce à traiter
des contraintes correspondant au minimum à une intensité ALMEN de F8A.
[0029] L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, indépendamment ou
en combinaison avec ce qui précède, un dispositif de grenaillage d'au moins une pièce
à traiter, comportant une sonotrode pour propulser des projectiles sur la pièce à
traiter, cette sonotrode comportant au moins une cavité dans laquelle la pièce à traiter
est engagée partiellement. Ainsi, la pièce à traiter n'est pas engagée à l'intérieur
de cette cavité.
[0030] La cavité est par exemple réalisée sur une face d'extrémité sensiblement plane de
la sonotrode.
[0031] Un tel dispositif permet de traiter plus facilement et plus rapidement des pièces
comportant des parties en saillie, lesquelles peuvent être partiellement engagées
dans la cavité de la sonotrode et réduisant le temps de traitement.
[0032] Le trajet entre la surface vibrante de la sonotrode et la pièce traitée peut être
raccourci et la cavité peut être réalisée par exemple avec des faces inclinées contribuant
à orienter les projectiles vers certaines zones de la pièce à traiter qui autrement
seraient plus difficiles à atteindre et/ou contribuant à réduire l'incidence des projectiles,
augmentant ainsi la force d'impact et réduisant le temps de traitement.
[0033] L'invention a encore pour objet une installation de grenaillage comportant une sonotrode
et au moins un projectile tel que défini précédemment. Dans une telle installation,
la sonotrode est par exemple excitée à une fréquence comprise entre 10 et 60 kHz,
par exemple une fréquence de l'ordre de 15 kHz, 20 kHz ou 40 kHz.
[0034] L'invention a encore pour objet, indépendamment ou en combinaison avec ce qui précède,
une pièce traitée dans une installation de grenaillage utilisant au moins un projectile
tel que défini ci-dessus, présentant une surface grenaillée dépourvue de dépôt ou
d'incrustations ferreuses et comportant au moins une portion concave ayant un rayon
de courbure inférieur ou égal à 1,5 mm, notamment inférieur ou égal à 0,7 mm. La surface
grenaillée présente de préférence un niveau de contrainte d'intensité ALMEN supérieure
ou égale à F8A.
[0035] L'invention a encore pour objet selon un autre de ses aspects, indépendamment ou
en combinaison avec ce qui précède, un dispositif de grenaillage comportant une chambre
de traitement ouverte sur une sonotrode et un déflecteur pour renvoyer des projectiles
présents dans la chambre de traitement et mis en mouvement par la sonotrode vers la
surface à traiter.
[0036] Le déflecteur présente par exemple une forme conique de manière à permettre de traiter
une paroi tubulaire, par exemple un perçage traversant. La chambre de traitement est
définie entre une partie supérieure comportant le déflecteur et une partie inférieure
comportant la sonotrode.
[0037] L'invention a encore pour objet un dispositif de grenaillage d'une pièce cylindrique
munie à une extrémité d'une denture, ce dispositif comportant une sonotrode et une
chambre de traitement traversée par la denture, la pièce étant entraînée en rotation
autour d'un axe perpendiculaire à l'axe longitudinal de la sonotrode, la chambre de
traitement comportant un déflecteur pour renvoyer des projectiles vers le fond des
gorges ménagées entre les dents de la denture.
[0038] Dans une variante, la pièce est entraînée en rotation autour d'un axe sensiblement
parallèle à l'axe longitudinal de la sonotrode et la chambre de traitement comporte
des parois inclinées pour renvoyer des projectiles vers des faces radialement intérieures
et radialement extérieures des dents de la denture.
[0039] Dans une autre variante, la denture est entièrement engagée dans la chambre de traitement,
laquelle peut comporter un déflecteur conique central permettant de renvoyer des projectiles
vers la surface radialement intérieure des dents de la denture et un déflecteur périphérique
permettant de renvoyer des projectiles vers la surface radialement extérieure des
dents de la denture. La pièce peut être entraînée ou non relativement à la sonotrode,
autour d'un axe sensiblement parallèle longitudinal de celle-ci.
[0040] L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui
va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de celle-ci, et à l'examen
du dessin annexé, sur lequel :
- la figure 1 représente de manière schématique un exemple de projectile selon un aspect
de l'invention,
- la figure 2 représente de manière partielle et schématique, en coupe, une pièce ayant
une portion concave présentant un faible rayon de courbure,
- la figure 3 est une coupe transversale dans un plan médian d'un projectile composite
conformément à un autre aspect de l'invention,
- la figure 4 représente de manière schématique et partielle une installation de grenaillage
à titre illustratif et qui n'est pas couverte par la présente demande,
- la figure 5 représente le détail IV de la figure 4,
- la figure 13 représente un exemple d'installation de grenaillage,
- la figure 14 représente de manière schématique et partielle un autre exemple de pièce
à traiter,
- la figure 17 représente un exemple d'installations de grenaillage pouvant être utilisée
pour traiter la pièce de la figure 14, et
Projectiles
[0041] L'invention porte, selon l'un de ses aspects, sur un projectile destiné à être utilisé
dans une installation de grenaillage comportant une sonotrode mise en vibration à
des fréquences ultrasonores par un générateur adéquat. Ce projectile peut se caractériser
par une dureté-supérieure ou égale à 800 HV, une densité supérieure ou égale à 8 g/cm
3, et une plus grande dimension inférieure ou égale à 1,5 mm.
[0042] On a représenté à la figure 1 un projectile 1 répondant à cette définition, de forme
sensiblement sphérique, la plus grande dimension indiquée ci-dessus correspondant
au diamètre
d de la sphère. De préférence, la tolérance sur la sphéricité est meilleure que plus
ou moins 60 µm.
[0043] De préférence, la dureté est supérieure ou égale à 1300 HV et la densité supérieure
ou égale à 12 g/cm
3.
[0044] Le projectile 1 est par exemple réalisé entièrement en carbure de tungstène ou dans
tout autre matériau présentant les dureté et densité requises. Le carbure de tungstène
comporte par exemple un liant cobalt ou nickel.
[0045] De préférence, le matériau utilisé est un non ferreux, ce qui présente les avantages
exposés précédenunent
[0046] Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le projectile 1 est une bille de
diamètre
d égal à 0,91 mm de carbure de tungstène (WC). Un tel projectile est par exemple utilisé
dans une installation de grenaillage par ultrasons et propulsé par la surface vibrante
d'une sonotrode dont l'amplitude de vibration est comprise par exemple de l'ordre
de 60 à 80 µm, de manière ce que l'énergie cinétique du projectile impactant la pièce
à traiter puisse générer des contraintes, au terme du traitement de la pièce, d'intensité
ALMEN d'au moins de F8A.
[0047] La fréquence d'excitation de la sonotrode est par exemple comprise entre 10 et 60
kHz, par exemple 20 kHz. La fréquence peut être choisie en fonction des caractéristiques
de la zone à traiter et des critères de traitement imposés par exemple.
[0048] La petite taille du projectile 12 rend possible de traiter des surfaces concaves
de rayon de courbure
r relativement faible, comme illustré à la figure 2, par exemple de rayon de courbure
r inférieur ou égal à 0,7 mm.
[0049] Selon un autre aspect de l'invention, le projectile 1 peut être composite, ce que
l'on a illustré à la figure 3, avec par exemple un noyau 2 d'un premier matériau et
une enveloppe 3 d'un deuxième matériau, de préférence plus dur que le premier et non
ferreux, la dureté du deuxième matériau étant par exemple supérieure ou égale à 800
HV, mieux supérieure ou égale à 1300 HV, ce deuxième matériau étant préférentiellement
du carbure de tungstène.
[0050] Le noyau peut par exemple être de l'acier, de l'uranium, ou tout autre matériau compatible
avec le dépôt sur celui-ci du deuxième matériau et avec l'obtention de contraintes
de compression générées par grenaillage.
Sonotrodes
[0051] Comme illustré à la figure 4 présentée à titre illustratif et à la figure 5, la sonotrode
11 utilisée pour mettre en mouvement les projectiles 1, notamment ceux en carbure
de tungstène précités, peut comporter un corps 4 en titane, revêtu sur son côté destiné
à être impacté par les projectiles par un dépôt 5 d'un matériau plus dur que le titane,
sur une épaisseur e supérieure ou égale à 0,5 mm. De préférence, la surface extérieure
du dépôt est reprise (rectifiée ou usinée), afin de rendre à la sonotrode sa forme
initiale. Le matériau constituant le dépôt 5 est par exemple du carbure de tungstène
déposé sur le titane par tout procédé adapté, notamment par un procédé mis en oeuvre
par la société française TECHNOGENIA (Saint Joriez). L'épaisseur
e est par exemple supérieure ou égale à 0,75 mm, mieux supérieure ou égale à 0,9 mm,
par exemple de l'ordre de 1 mm.
[0052] Selon un autre aspect de l'invention, le corps 4 de la sonotrode peut être réalisé,
indépendamment de la présence ou non du dépôt 5, au moins partiellement en titane
forgé, par exemple du titane Ti 10.2.3. En effet, le titane forgé résiste aux contraintes
internes induites lors du fonctionnement de la sonotrode par les vibrations ultrasonores.
Installations de grenaillage
[0053] Les installations de grenaillage concernées par l'invention comportent au moins une
sonotrode et au moins un projectile mis en mouvement par la sonotrode de manière à
impacter la pièce à traiter, directement ou après réflexion sur au moins un déflecteur,
lequel peut être constitué par exemple par une paroi de l'enceinte de traitement.
[0054] Ce projectile peut être par exemple l'un de ceux définis précédemment, étant notamment
réalisé en carbure de tungstène ou en acier ou avec une structure composite.
[0055] L'amplitude de vibration de la sonotrode est choisie par exemple de manière à induire
dans la pièce à traiter des contraintes correspondant à une intensité ALMEN supérieure
ou égale à F8A. Cette amplitude est préférentiellement comprise entre 1 µm et 300
µm.
[0056] Selon la nature et notamment la forme de la pièce à traiter, l'installation de grenaillage
peut présenter diverses configurations.
[0057] Le cas échéant, comme illustré à la figure 13, on peut réaliser la chambre de traitement
avec au moins un déflecteur central 52, par exemple de forme conique, de manière à
ce que les projectiles, en rebondissant sur ce réflecteur, puissent atteindre avec
une incidence moins élevée le bord 49.
[0058] Pour traiter une pièce 60 présentant par exemple une forme cylindrique avec en extrémité
une denture 61 appelée également crabot ou curvic, comme illustré à la figure 14,
on peut utiliser par exemple l'installation de la figure 17.
[0059] Dans la configuration de la figure 17, la sonotrode 11 est suffisamment large pour
traiter l'ensemble de la denture 61 à la fois, la chambre de traitement présentant
par exemple en son centre un déflecteur conique 62 permettant de renvoyer les projectiles
vers la face radialement intérieure 69 de la pièce 60.
[0060] La chambre de traitement peut également présenter une paroi périphérique 70 de forme
conique, permettant de renvoyer les projectiles vers la face radialement extérieure
68 de la pièce 60. Cette dernière peut être entraînée ou non en rotation autour d'un
axe confondu avec l'axe longitudinal X de la sonotrode.
[0061] Dans tous les exemples qui précèdent, plusieurs sonotrodes peuvent être utilisées
simultanément pour traiter une même pièce.
[0062] Ces différentes configurations peuvent être appliquées en statique. En revanche,
lorsque la pièce est entraînée en rotation, celle-ci peut l'être en continu ou par
intermittence.
[0063] Un mélange de projectiles de différentes natures et/ou dimensions peut être utilisé,
le cas échéant.
[0064] L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits, et trouve
à s'appliquer à toutes pièces utilisées dans les secteurs de l'aéronautique et de
l'automobile, notamment les aubes, pales, turbines, engrenages, filetages, alvéoles
de réception de pieds de pale, organes de fixation en tous genres, cordons de soudures,
rayons de raccordements, aube/veine, poches inter-disques, etc.
[0065] Dans toute la description, y compris les revendications, l'expression "comportant
un" doit être comprise comme étant synonyme de "comportant au moins un", sauf si le
contraire est spécifié.
[0066] Les caractéristiques des différents exemples de mise en oeuvre de l'invention peuvent
être combinées entre elles.
[0067] En particulier, les projectiles des figures 1 et 3 peuvent être utilisés ou non dans
les exemples des figures 13 et 17.
[0068] La sonotrode de l'exemple des figures 4 à 5 peut être utilisée ou non dans les exemples
des figures 13 et 17.