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La présente invention est relative à un procédé de nettoyage permettant
d'extraire des corps étrangers (poussière, sable, résidu de matière...) et
salissures de l'intérieur d'enceintes rigides creuses dont la forme complexe
et
sinueuse ne permet pas d'accéder aisément aux zones à nettoyer. Elle vise plus
particulièrement un procédé de nettoyage de pièces métalliques destinées
avantageusement à l'industrie automobile ou aéronautique, comme par exemple
des carters de boîte de vitesse, des culasses, des blocs moteurs, des
collecteurs,
des corps de pompe ou toute autre pièce.
Ces pièces sont généralement obtenues par fonderie et elles
nécessitent dans la majorité des cas l'utilisation de noyaux.
L'évolution technique de ces procédés de fonderie tend à utiliser des
pièces de formes de plus en plus fines et complexes nécessitant alors
l'augmentation de la densité des noyaux à base de sable, de céramique ou
de verre, ou d'utiliser des modèles fusibles tels que notamment le
polystyrène.
Que ce soit à base de noyau ou de modèle perdu, après la phase de
démoulage de l'extérieur de la pièce, la complexité des conduits internes
entraîne une solidarité du noyau dans son intégralité ou des résidus de ce
modèle, dans les cavités de cette pièce.
Etant donné que ces pièces sont issues de fonderie, il demeure des
résidus de noyaux ou de modèles perdus, des scories ou encore des copeaux
d'usinage à l'intérieur des conduits de lubrification ou de refroidissement,
qui sont
extrêmement difficiles à éliminer, mëme par des techniques de vibrations à
basse
fréquence ou par cavitation de Liquide dans une cuve à ultrasons,
particulièrement
le liquide n'est plus en cavitation au sein des petits conduits.
Les procédés traditionnels de nettoyage de pièce utilisent diverses
techniques, comme par exemple les vibrations à basse fréquence, le débourrage
par secouage à partir de moteur à balourd ou par martelage pneumatique,
hydraulique et méme mécanique, ou encore la circulation de fluides à haute
pression, la cavitation d'un liquide par cuves à ultrasons (la pièce ayant été
préalablement déposée dans la cuve), le grenaillage par des billes d'acier ou
de
glace, ou par des médias plastiques, ou encore une méthode manuelle à l'aide
d'un écouvillon ou d'une brosse.
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Ainsi,une technique connue consiste par exemple à utiliser le procédé
d'excitation d'une pièce selon les dispositions du brevet FR-2 755 038, cette
pièce ayant été au préalable placée dans une enceinte de liquide.
Dans le cas du nettoyage de pièces métalliques massives à base
essentiellement d'aluminium ou d'alliages d'aluminium et ne présentant pas une
dureté similaire à celle de la fonte ou de l'acier, les techniques de
grenaillage
risquent de détériorer la pièce et de plus la grenaille ne peut atteindre les
extrémités des conduits de faible section, qui sont en nombre conséquent dans
une culasse de moteur par exemple.
On comprend facilement que les techniques manuelles ne sont pas
industriellement transférables pour une production de pièces en série.
La présente invention vise donc à pallier ces inconvénients en
proposant un procédé industriel qui offre un excellent rendement de
nettoyage, même au sein des infractuosités d'une pièce massive de fonderie
et qui a pour but de décoller, de fluidifier et d'extraire tout agglomérat
prisonnier dans les conduits internes de la pièce à nettoyer telle que
notamment une pièce réalisée en fonderie à partir de noyaux ou de modèles
perdus, garantissant les avantages indéniables d'un nettoyage à sec.
A cet effet, le procédé de nettoyage ou de débourrage d'une pièce de
fonderie se caractérise en ce que, séparément ou en combinaison
- on excite éventuellement ladite pièce par une source vibratoire
ultrasonore, permettant de décoller des résidus de matière en contact des
parois de ladite pièce, cette pièce étant en appui sur une pluralité
d'enclumes placées sur des moyens vibrants supportant la pièce et en
contact avec une pluralité de sonotrodes,
- on martèle éventuellement ladite pièce à très basse fréquence afin
de provoquer une fissuration des résidus internes de grosses dimensions
tels que notamment un noyau à base de sable,
- on imprime éventuellement à cette pièce, par l'intermédiaire des
moyens vibrants, une vibration linéaire à basse fréquence, de manière à
désintégrer et fluidifier les morceaux fissurés,
- on extrait éventuellement les matériaux issus de ladite pièce à l'aide
d'un courant de fluide gazeux.
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D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront
de la description faite ci-après.
Selon un mode préféré de réalisation du procédé objet de l'invention,
celui-ci consiste à mettre en oeuvre séparément ou en combinaison les
étapes suivantes
- on excite la pièce par une source vibratoire sinuso'idale de
fréquence ultrasonore dans une gamme de fréquence moyenne de l'ordre
par exemple de 10 à 30 kHz, préférentiellement 15 à 20 kHz, afin de décoller
les résidus de matière en contact des parois internes de la pièce, celle-ci
ayant été obtenue par un procédé de moulage à partir de noyau à base de
sable ou de céramique, ou modèle perdu ("Lost Foam"), cette pièce est
notamment placée sur des moyens vibrants tels que notamment un plateau.
- on frappe la pièce par des moyens de martelage pneumatiques ou
mécaniques à très basse fréquence de l'ordre par exemple de 0,1 à 5 Hz
pour provoquer une fissuration des résidus internes de grosses dimensions
tels que notamment un noyau à base de sable,
- on fait vibrer la pièce à l'aide d'une source électromagnétique dans
une gamme de fréquences moyennes de l'ordre par exemple de 100 à 250
Hz permettant de désintégrer et de fluidifier les morceaux fissurés,
- on extrait les résidus fluides à l'aide d'un flux, tel que par exemple
de l'air, par convoyage maîtrisé à l'intérieur des conduits.
II va de soi que ces quatre étapes, correspondant en fait à quatre
technologies différentes, peuvent être utilisées de façon combinée en
simultanée ou en alternance dans leur globalité ou de façon partielle en
fonction de l'état rhéologique des résidus de matériau du noyau à extraire.
Les sources d'excitation ultrasonore sont réalisées à partir de
sonotrodes de QS 10 à 60 mm en titane ou en acier, accordées à une
fréquence de 10 à 30 kHz pour une amplitude de 40 à 150 Nm crête/crête,
fixées sur des ensembles boosters - transducteurs piezo-électriques ou
magnétostrictifs et animées en mouvement par des générateurs de
fréquence ultrasonore.
De plus, afin d'optimiser la transmission du mouvement vibratoire au
travers de la pièce, et étant donné que celle-ci dépend essentiellement de la
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nature du contact établi entre chacune des sonotrodes et la pièce à nettoyer,
il est nécessaire de piloter le couplage sonotrode-pièce à travers une
variation de l'effort de pression ainsi qu'à travers une variation d'amplitude
du mouvement vibratoire ultrasonore. Ce balayage de pression et
d'amplitude garantit entre autres d'obtenir périodiquement le passage par
une mise en vibration optimale de la pièce malgré les différences de
comportement vibratoire d'une série de pièces, liées aux écarts de
fabrication.
On peut ainsi piloter les sonotrodes au contact de la pièce, en
imprimant à celles-ci une oscillation ou une pulsation à fréquence inférieure
à la source ultrasonore de l'amplitude de vibration de ces sonotrodes.
A titre d'exemple, on a obtenu d'excellents résultats en pilotant les
sonotrodes au contact de la pièce, en imprimant à celles-ci une oscillation à
basse fréquence de l'ordre de 0,5 Hz de l'effort de pression entre deux
seuils compris entre 100 à 1000 N préalablement établis par tests de
capacité d'énergie vibratoire de la pièce. Cette transmission de mouvement
vibratoire de la pièce sur la fréquence ultrasonore d'excitation et sur ces
fréquences propres de vibration, nécessite de plus des excitations
ponctuelles judicieusement placées.
Pour cela, il est indispensable de placer des enclumes métalliques,
avec une faible surface de contact, en opposition au point d'impact de la
source ultrasonore et ce, avec un entrefer le plus faible possible afin de
garantir une excitation ponctuelle tout en conservant la majeure partie des
parois, de la pièce à faire vibrer, libre de tout mouvement vibratoire. Afin
de
ne pas transmettre la vibration à la structure de la machine et afin de
conserver ce caractère de liberté de vibration, ces enclumes doivent ëtre
isolées du chassis à l'aide d'un élément légèrement élastique tel qu'une
pièce en polyuréthane ou un vérin pneumatique, au même titre que
l'ensemble acoustique sonotrodelboosterl transducteur.
En variante, on peut également piloter la variation de pression
nécessaire au couplage en fréquences de la pièce, en imprimant une
oscillation aux enclumes.
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Toutes les conditions évoquées ci-dessus sont nécessaires à
l'obtention d'une parfaite désolidarisation du noyau dans sa globalité ou
sous forme de résidus, par une mise en mouvement vibratoire des parois de
la pièce à nettoyer.
Les soûrces d'excitation à basse fréquence nécessaires à la
fissuration des masses importantes de noyau, telles que notamment dans le
cas des noyaux en sable, sont réalisées à partir de système de martelage
pneumatique de très basse fréquence de l'ordre de 0,1 à 5 Hz.
Le résultat dans le cas présent dépend essentiellement de l'onde de
choc fournie à la pièce ce qui implique donc de définir les conditions du
contact entre le marteau et la pièce, telles que notamment la vitesse de
collision et la masse embarquée, cette masse embarquée étant définie de
façon proportionnelle à la masse propre de la pièce à nettoyer avec son
noyau ou ses résidus de noyau.
Le martelage peut être imprimé à la pièce par au moins une des
sonotrodes ou au moins une des enclumes supportant ladite pièce.
Une réalisation judicieuse pour générer ce mouvement nécessaire à
la fissuration est d'utiliser les ensembles pneumatiques des sources
ultrasonores ou de leurs enclumes pour obtenir le martelage souhaité par
pilotage alternatif de la commande du ou des distributeurs pneumatiques
avec ajustement des régulateurs de pression et de débit.
La source de vibration nécessaire à la désintégration des résidus
jusqu'à une fluidification autorisant l'extraction est réalisée à partir d'une
vibration linéaire de fréquence comprise entre 100 et 250 Hz, d'amplitude 1
à 4 mm crête/crëte, obtenue à l'aide d'un système mécanique accordé sur la
fréquence choisie et excité alternativement par deux électroaimants à
travers un générateur basse fréquence.
Cette vibration linéaire, peut ëtre orientée suivant un axe horizontal
ou un axe vertical en fonction de la forme de la pièce et de l'écoulement des
conduits.
La pièce doit donc être fixée de façon solidaire à l'élément vibrant par
le dessus ou par une des faces latérales afin de favoriser un écoulement par
gravité, c'est-à-dire par le dessous. Compte tenu de la masse parfois très
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importante du noyau, notamment pour les noyaux à base de sable, il est
indispensable de doter le générateur de fréquence d'un contrôle
automatique de fréquence permettant dans un premier temps une
syntonisation de ce dernier sur la fréquence mécanique de l'ensemble
vibrant avec la masse de la pièce à vibrer et, dans un deuxième temps, de
suivre en temps réel l'augmentation de cette fréquence proportionnellement
à la perte de masse due à l'écoulement du matériau progressivement libéré,
et cela dans le but d'optimiser le rendement lié au transfert de l'énergie
électromagnétique en énergie mécanique.
Le flux de convoyage du matériau des résidus de noyau désintégrés
est obtenu à l'aide d'un système combiné de soufflage et d'aspiration
garantissant le type d'écoulement désiré. Pour cela, il convient par exemple
d'utiliser une centrale d'aspiration garantissant une vitesse d'écoulement
supérieure par exemple à 20 m/s, et notamment comprise dans la foûrchette
de 20 à 80 m/s, pour un débit correspondant aux sections des conduits à
nettoyer, que l'on complétera de façon judicieuse par un système de
soufflage alimenté en air comprimé en installant des buses calibrées à
l'entrée de chaque orifice opposé à la ou aux sorties connectées à
l'aspiration.
Cet apport d'air comprimé a pour rôle de compenser les pertes de
charges liées aux trajectoires parfois tortueuses des conduits et doit être
contrôlé en amont en pression et en section de passage afin d'être
équivalent au débit d'extraction par aspiration pour éviter tout refoulement.
Ces systèmes d'aspiration et de soufflage doivent être installés au
plus près des orifices des conduits afin de limiter au maximum les volumes
intermédiaires pour garantir un minimum de perte de charge et sont par
exemple situés dans une enceinte enveloppant la pièce seule ou avec les
moyens de vibration, les sources ultrasonores, les moyens de martelage,
notamment pneumatiques ou mécaniques, le plateau vibrant. Cette enceinte
maintenue sous une atmosphère en dépression, garantit l'évacuation des
résidus provenant de la pièce de fonderie. Dans le cas de pièce
volumineuse, il est nécessaire de réduire le volume soumis à la dépression,
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en limitant le passage du flux à un espace de quelques millimètres
recouvrant toute l'enveloppe tridimensionnelle externe de la pièce.
A noter qu'il peut être très utile d'augmenter la température de l'air en
circulation, proche d'une température comprise dans un intervalle de
50°C à
200°C, préférentiellement voisine de 80°C, dans le cas où les
résidus
seraient encore dans un état humide en fonction des différents traitement
préventifs, afin d'optimiser la qualité de l'écoulement de ces résidus.
La présente invention telle que décrite précédemment offre de
multiples avantages car, en associant des phases,d'excitation par ultrasons,
de martelage, de mise en vibration et d'évacuation des résidus par un fluide,
elle garantit l'obtention d'un nettoyage ou d'un débourrage optimal de la
pièce, tout en conciliant les impératifs liés à une production industrielle de
moyenne et grande série.
Ce procédé est de même applicable en tant que procédé de contrôle
permettant de vérifier la qualité de nettoyage obtenue à partir de techniques
classiques.
II demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux
exemples de réalisation décrits et représentés ci-dessus, mais qu'elle en
englobe
toutes les variantes.
