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Page 1/5 LA MESURE DE FREQUENCE DE RESONANCE APPLIQUEE

AUX CONTROLES DE PIECES DE GRANDES SERIES

THE RESONANCE FREQUENCY MEASUREMENT APPLIED TO THE

TESTING OF PARTS PRODUCED IN LARGE SERIES

P. BOUVET

44, av. de la Division Leclerc, 92318 SEVRES Cedex, France

RESUME

La mesure de fréquence de résonance est une méthode de contrôles non destructifs peu connue et peu employée. Pourtant, elle possède de nombreux atouts et peut s"intégrer dans une ligne de production de pièces métalliques en grandes séries.

La méthode par mesure de fréquence de résonance est dérivée de l"ancienne technique de

contrôle sonore qui consistait à vérifier l"intégrité d"une pièce en frappant celle-ci avec un

marteau, puis en écoutant le son réémis. Le principe est qu"une pièce fissurée sonne différemment. Les systèmes aujourd"hui reprennent ce principe en analysant le spectre des fréquences de résonance acoustique. Il s"agit d"une méthode globale de contrôles non destructifs applicable pour le tri de pièces défectueuses en raison d"une structure non conforme ou de la présence de fissures. Elle est utilisée industriellement en fonderie pour contrôler, en ligne de production, la nodularité des fontes à graphite sphéroïdal. L"article fera le point des intérêts et limites de cette méthode et des perspectives comme

alternative au ressuage et à la magnétoscopie. La mesure de la fréquence de résonance est

une des méthodes décrites dans le guide COFREND : choix d"alternatives au ressuage ou à la magnétoscopie.

ABSTRACT

Resonance frequency measurement is a non-destructive method which is little known and little used. However, it has many assets and can be integrated into a mass production line of metal parts. The method of resonance frequency measurement is derived from the old sound control technique which consisted in checking the integrity of a part by hitting it with a hammer and then listening to the re-emitted sound. The principle is that a cracked part sounds differently. Today"s systems adopt this principle by analyzing the spectrum of acoustic resonance frequencies. This is an overall non-destructive testing method applicable to the sorting of defective parts due to a not complying structure or due to the presence of cracks. It is used industrially in the foundry industry to check, in production, the nodularity of the spheroidal graphite castings. The article will outline the advantages and limitations of this method and the prospects as an alternative to the penetrant and the magnetic particle inspections. The measurement of the resonant frequency is one of the methods described in the COFREND guide: Selection of alternatives to the penetrant inspection and to the magnetic particle inspection. JOURNEES COFREND 2017 More info about this article: http://www.ndt.net/?id=21319

Page 2/5 INTRODUCTION

Certaines méthodes de contrôles non destructifs sont très connues et très répandues, d"autres sont confidentielles et peu exploitées. La méthode de contrôle par analyse des fréquences de résonance fait partie de la seconde catégorie. Pourtant, elle peut avoir un intérêt certain lorsque de grandes cadences de contrôles sont recherchées, par exemple dans le cadre de la production de pièces en grande série. Après une description de la méthode et de sa mise en oeuvre, les intérêts et les limites de ces technologies sont présentées.

PRINCIPE DE LA METHODE

Le principe de la méthode par mesure de fréquence de résonance est dérivé de l"ancienne

technique de contrôle sonore qui consistait à vérifier l"intégrité d"une pièce en frappant celle-

ci avec un marteau, puis en écoutant le son réémis. Le principe est qu"une pièce fissurée

sonne différemment. Les systèmes, aujourd"hui, reprennent ce principe en analysant informatiquement le spectre des fréquences de résonance. L"analyse du spectre des fréquences de résonance acoustique est une méthode globale de contrôles non destructifs applicable pour le tri de pièces défectueuses en raison d"une structure non conforme ou de la présence de fissures.

La présence de fissures ou de modifications de propriétés de la matière influe directement

sur les fréquences propres de résonance de la pièce. Ces fréquences propres dépendent de

la géométrie de la pièce, de sa masse volumique et des caractéristiques intrinsèques du

matériau telles que le module d"élasticité. Une pièce fissurée ou ayant un module d"élasticité

plus faible que celui attendu pourra être identifiée. Par comparaison avec une pièce saine,

des différences sur le spectre de fréquences peuvent donc révéler une pièce non conforme.

La technique dite "PCRT" (Process Compensated Resonance Testing) est dérivée de la

méthode "ART" (Acoustic Resonance Testing). Elle intègre une analyse statistique réalisée à

partir d"une population de bonnes et mauvaises pièces afin de tenir compte des variations

des paramètres du procédé de fabrication et de leur influence sur les valeurs de fréquences

de résonances [1], [2] . Cette analyse est le plus souvent basée sur la méthode Mahalanobis - Taguchi [3]. L"addition d"une mesure en continu de la température de contrôle et de la

correction induite sur la fréquence de résonance peut aider à la fiabilité de la méthode.

MISE EN OEUVRE

La pièce, placée sur un support qui l"isole acoustiquement, est excitée de manière répétable

selon les équipements par un émetteur EMAT ou par un choc mécanique. Les signaux acoustiques, dus aux ondes mécaniques qui se propagent dans la pièce, sont relevés par un microphone ou par vibrométrie laser [4]. Ces signaux sont ensuite traités par un logiciel d"analyse modale pour en déduire les fréquences de résonance.

Cette méthode peut être mise en oeuvre pour des pièces ayant des formes géométriques qui

se prêtent bien aux phénomènes de résonance. C"est une méthode de contrôle non destructif globale qui nécessite des pièces témoins "bonnes" et "mauvaises". Le spectre de

Page 3/5 fréquences de résonance est comparé à ceux des pièces témoins pour accepter ou refuser la pièce. Pour des applications en fonderie avec plusieurs pièces au moule, il faut tenir compte du numéro d"empreinte, la comparaison devant se faire pour une même empreinte. La principale difficulté de mise en oeuvre réside dans l"isolation acoustique de la pièce afin de ne pas perturber le signal. Il convient également de bien choisir la zone d"excitation et de mesure car chaque pièce possède des noeuds et des ventres de vibration en fonction des modes de vibration (transversal, longitudinal ou de torsion). Des systèmes de simulation permettent d"optimiser la position des capteurs [4].

Contrôle d"étriers de frein par fréquence de résonance - Crédit Photo NKE Instrumentation

INTERETS ET LIMITES

L"avantage de cette méthode réside essentiellement dans la vitesse de contrôle. La cadence de mesure est très rapide, de quelques mesures par seconde à plusieurs dizaines de mesures par seconde. La méthode peut indiquer la présence de fissures, en paroi interne ou dans des zones de variations géométriques, difficilement détectables par les techniques visuelles ou télévisuelles. Les applications concernent donc le contrôle de production de

pièces de grandes séries [5],[6]. La mesure de fréquence de résonance est relativement peu

sensible aux états de surface.

Page 4/5 La méthode paraît relativement simple mais sa mise au point est longue et délicate car il faut

étudier le support "acoustique" de la pièce et les positions des capteurs. La fiabilité de la

méthode dépend également de la taille de l"échantillon statistique utilisé pour fixer les

critères de rejet et d"acceptation de pièce. Il s"agit d"une méthode globale de contrôle par

comparaison "en tout ou rien". La sensibilité de détection dépend de nombreux facteurs, et,

en premier lieu, de la maitrise du procédé de fabrication. En effet, les résultats sont fonction

des caractéristiques géométriques et de la masse de la pièce. Plus celles-ci sont répétables,

meilleure est la sensibilité de contrôle. Une analyse statistique par la méthode Mahalanobis-

Taguchi des variations des paramètres de production couplée à celle des fréquences de résonance améliore la fiabilité des systèmes automatisés de contrôle. Par ailleurs, toutes les pièces ne peuvent pas être mises facilement en résonance. Par

exemple, des carters, des couronnes, des billes ou des étriers de frein se prêtent bien à ce

type de contrôle. Pour des applications conventionnelles de contrôle de production de pièces métalliques, cette méthode ne sera sensible qu"à la détection de fissures longues et surtout profondes. De ce point de vue, elle n"est pas comparable à la méthode par ressuage qui a une

sensibilité bien supérieure. Souvent les fissures détectées auraient pu être identifiées en

visuel direct.

La méthode de fréquence de résonance est également utilisée pour mesurer indirectement

le module d"élasticité d"un matériau. Cet essai est effectué couramment à CTIF sur un barreau géométrique de longueur beaucoup plus grande que le diamètre (ou la largeur et l"épaisseur). La mesure est indirecte mais très fiable (à +/- 1 GPa).

CONCLUSIONS

La méthode de mesure par fréquence de résonance ne peut concurrencer le ressuage ou la

magnétoscopie que dans des cas particuliers (grandes séries, pièces adaptées, pièces très

homogènes). Elle a un intérêt pour la production de pièces de grandes séries, soit pour

détecter la présence de fissures "majeures", soit pour vérifier le matériau. Une des plus

importantes utilisations industrielles concerne le contrôle de nodularité des pièces en fonte à

graphite sphéroïdal. Bien que la mise au point des techniques de contrôle s"avère longue et

délicate, cette méthode peut être envisagée pour des besoins de forte cadence de contrôle

si la géométrie des pièces se prête bien à des phénomènes de résonance.

BIBLIOGRAPHIE

32-34
[2] Process Compensated Resonance Testing : Whole Body Surface NDT for Ceramic Balls -

05/2014 Page 178-181.

Page 5/5 [3] Process Compensated Resonant Testing in Manufacturing Process Control - Jim Schwarz, Jay Saxton and Leanne Jauriqui - Materials Evaluation July 2005 Page 736-739. [4] Acoustic Resonance Analyse using FEM and laser scanning for defect characterization in In-Process NDT - Ingolf HERTLIN, RTE Pfinztal Germany - ECNDT 2006. [5] Acoustic resonance analysis for safety parts in mass production - Ingolf HERTLIN, RTE

Pfinztal Germany - WCNDT 2004.

[6] Low Cost Inline NDT System For Internal Defect Detection In Automotive Components Using Acoustic Resonance Testing - Vivek Hari Sankaran - Sri Venkateswara College of Engineering Sriperumbudur, Tamil Nadu [India] - NDE India 2011.quotesdbs_dbs46.pdfusesText_46

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