Grenaillage de précontrainte des surfaces ou shot peening

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La précontrainte ou Shot-Peening

Introduction
Le grenaillage de précontrainte appelé aussi "Shot-peening" est une technique moderne d'écrouissage superficiel de pièces métalliques, largement répandue dans les industries aéronautique et automobile.
Ce traitement mécanique des surfaces ne doit pas être confondu avec les autres applications courantes du grenaillage, toutes orientées sur le nettoyage, la préparation ou la finition des surfaces. La précontrainte doit être considérée comme une véritable opération d'usinage qui améliora la durée de vie des pièces.

But de l'opération
Le shot-peening est un martelage à la grenaille sphérique, qui a pour but de créer des contraintes résiduelles en surface des pièces métalliques ou écrouissables, permettant ainsi d'augmenter leurs qualités mécaniques.

Principe
La technique consiste à projeter à grande vitesse et en continu, des petites billes d'acier, de verre ou de céramique, sur la surface des pièces à traiter. Sous l'action du martelage répété des billes, la surface, ayant dépassé la limite d'élasticité, subit une déformation plastique sur une profondeur qui varie entre quelques centièmes et plusieurs dixièmes de millimètre, suivant l'intensité du grenaillage et la dureté de la pièce. Au dessous de cette zone d'écrouissage superficiel, le métal subit aussi une déformation, qui toutefois demeure élastique et s'oppose à la déformation permanente de la couche supérieure. Cette force emprisonnée, qui ne demande qu'à se libérer, crée des contraintes de compression.

Résultat
L'équilibre entre ces deux forces opposées, qui créé des tensions superficielles, améliorent considérablement la durée de vie des pièces mécaniques. En augmentant notamment:
- la résistance à la fatigue,
- la résistance à la corrosion,
- le coefficient de frottement.

Applications
Les applications sont assez nombreuses dans l'industrie. La précontrainte ou "Shot-peening" s'applique à toutes les fabrications de pièces soumises à des sollicitations dynamiques et répétées telles que:
- barres de torsion,
- ressorts à lames ou hélicoïdaux,
- pignons et arbres de transmissions,
- vilebrequins, bielles, soupapes et culbuteurs,
- éléments d'avion, trains d'atterrissage, etc..
Chaque fois que des caractéristiques mécaniques optimales seront demandées à une pièce, le choix du shot-peening se révélera judicieux. Car c'est un procédé souple et économique.

Mise en œuvre
Le résultat étant essentiellement dépendant de l'intensité du martellage, il faudra parfaitement contrôler à partir des facteurs suivants: (voir rubrique paramètres)
- l'efficacité du projectile, (dureté et propreté des billes, granulométrie, forme),
- la vitesse de projection, (choix du procédé),
- l'angle d'attaque, (compris entre 85° et 45°)
- le débit de la grenaille,
- le taux de couverture,
- le temps d'exposition.
Il sera indispensable que les installations soient équipées d'appareillages nécessaires au triage et à l'élimination les grains difformes ou cassés. Afin d'éviter de polluer la surface par l'apport de carbone, un séparateur magnétique sera installé pour l'utilisation de projectiles non métalliques, comme les billes de céramique ou de verre. Ces dernières sont employées pour des opérations de précontrainte très délicates.

La projection
La machine à turbine est généralement utilisée pour le traitement de pièces en grandes séries. La machine à air comprimé étant plutôt réservée aux traitements localisés. Quel que soit le procédé, (voir procédé Stressonic) la vitesse de projection doit être suffisante pour déformer plastiquement le matériau traité.

Le formage ou Peen-Forming

Principe du formage
Il est identique au shot-peening, mais s'applique à des pièces métalliques de faible épaisseur. Le traitement d'une seule face d'un panneau ou d'une tôle mince, a pour effet d'allonger les fibres superficielles et déformer la pièce traitée.

Résultat
Il en résulte un cambrage de la face bombardée, qui est utilisé indifféremment pour des opérations de redressage, ou pour des opérations formage. C'est le "Peen-forming", procédé largement utilisé en aéronautique pour le formage des ailes d'avion.
Les machines utilisées, les projectiles employés et les moyens de contrôle, figurent dans la norme AFNOR NFL 06 831 (02-1990) amendée par la directive BNAE L 06 832. Ce document a été édité à l'usage des industries "Aéronautiques et de l'Espace".

Nota: Les "Shot-peening" et "Peen-forming" étant des opérations délicates à mettre en œuvre, il sera toujours préférable de s'attacher les services d'un spécialiste expérimenté. Ceci afin d'éviter les risques d'endommagement de la surface traitée (micro-fissures), soumise à une trop forte fatigue.

Les contrôles

Contrôle de la précontrainte
Comme indiqué ci dessus, tous les paramètres étant difficiles à contrôler, on s'intéressera plutôt à leur résultante, l'intensité de grenaillage.

Le moyen
Le système utilisé depuis longtemps et qui fait l'objet d'une norme est la méthode "Almen" du nom de son inventeur J.O ALMEN (U.S.A)

Principe
Une éprouvette plane normalisée type N, A ou C (utilisée suivant la norme AFNOR NFL 06-832), fixée sur un support normalisé, est soumise aux mêmes conditions de grenaillage que la pièce à traiter. Après libération de son support, cette éprouvette présente une déformation sous forme de flèche, qui résulte des contraintes résiduelles introduites.

Mesures
Au moyen d'un comparateur spécifique, on mesure la déformation de l'éprouvette appelée "flèche Almen". Outre la flèche, le taux de recouvrement est le second paramètre à prendre en compte. Il doit toujours être égal ou supérieur à 100% pour que toute la surface soit concernée par le traitement. Sa mesure se fait par examen optique, directement sur la pièce traitée.

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