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La présente invention a trait à une méthode permettant d'amé- liorer les propriétés :physiques de matériaux plastiques et métalliques et de leurs soudures et joints, lorsque ces matériaux possédent une limi- te d9élasticité et la propriété de subir sous pression une déformation permanente. L'invention comporte aussi divers types d'appareils pouvant appliquer la dite méthode.
Il est reconnu que les propriétés physiques et mécaniques de métaux constituant des assemblages peuvent être améliorées par divers trai- tements tels que le grenaillages le moletage, la cémentation et la nitru- ration de l'acier, la trempe par induction ou au chalumeau,les traite- ments thermiques, etc... Les domaines d9application de ces divers traite- ments sont fonction de la nature du métal, de la forme géométrique de la piè- ce ainsi que du prix de revient. Une application courante consiste à mole- ter sous une pression relativement élevée la surface entière d'arbres en acier dans le but d'améliorer ses propriétés.
Cette opération n'apporte qu9une faible amélioration des propriétés physiques du métal dont l'arbre est constitué tout en demeurant relativement coûteuse à cause:, des temps supérieurs qui sont requis pour la réaliser.
Nous avons découvert que les propriétés physiques accusent uneramélioration très marquée chez les métaux et autres matériaux plastiques qui possèdent une limite élastique et peuvent se déformer sous pression de façon permanente, ces métaux et matériaux constituant des pièces d'assemblagestelles que -. rails, plaques, barres, tiges9 tubes, ou toutes autres pièces de forme simple ou complexe. Cette amélioration résulte de la création9 à l'intérieur dumatériau, de contraintes résiduelles dont 1'action s'opposera à celle des sollicitations extérieures,avec le résultat que sa durée de service sera accrue ou la charge- permissible augmentée.
Ces contraintes résiduelles apparaissent lors de Inapplication d'une compression En certaines régions de la surface du matériau et destinée à forcer ce dernier à y subir une déformation plastique.locale tout en laissant les régions immédiatement voisines conserver leur caractère élastique normal. De la juxtaposition des zones écroules et de celles ayant conservé leur état élastique normal, ou du moins à peu près normal, il résulte dans ces zones une interaction des contraintes résiduelles qui permet à la pièce traitée de résister' à des charges supérieures ou de présenter une durée de service accrue.
Cette invention comptee aussi pour atteindre son but sur la création de contraintes résiduelles provoquée par la juxtaposition de zones se trouvant dans un état à peu près plastique et de zones ayant subi surtout une déformation élastique. De façon générale le sujet de cette invention est la juxtaposition de zones se trouvant dans un état de déformation plastique Et de zones ayant subi une déformation identique mais à un degré moindre ces zones étant réparties suivant un certain mode. La transition entre ces zones peut être graduelle ou abrupte et les contraintes normales maximums présentes à l'intérieur du métal se trouvent orientées perpendiculaires ment à la direction des zones écrouies c'est-à-dire à la direction du réseau des figures.
La description de cette invention vise surtout son application aux métaux mais des matériaux plastiques, tels que les résines, qui possèdent une limite élastique et sont susceptibles de se déformer sous pression de façon permanente, accusent aussi une amélioration considérable dans leurs propriétés physiques lorsqu'ils sont traités selon la méthode faisant l'objet de cette invention.
Le but de cette invention est d9indiquer une méthode permettant d'améliorer les propriétés physiques de matériaux métalliques ou plastiques soit par moletage, soit par une autre méthode quelconque, de façon à créer
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à leur surface des rayures et/ou impressionsde formes et répartitions di- verses .
Un autre but de cette invention est d'indiquer un appareil qui puisse appliquer la méthode de façon efficace.
L'un des buts de cette invention vise tout particulièrement à l'amélioration des propriétés physiques, principalement la résistance à la fatigue des tiges de sondes, des extrémités d'emmanchement des tigesd de sondes, des tubes guides de sondage, des fleurets, des arbres et autres pièces analogues, ainsi que des organes de raccordement de toutes ces différentes pièces ; cette amélioration s'obtient par la formation d'un ensemble d'étroites rayures ou impressions à l'extrémités d'emmanchement de ses pièces, sur des raccordements vissés, ou, en toutes autre région de la surface de ces pièces.
Dans la description de cette invention on se réfère aux dessins ci-joints.
La figure 1 représente une section d'une pièce métallique exposant, après traitement, des zones ou le métal se trouve dans un état plastique, chacune de ces zones étant juxtaposée à une autre où le métal est demeure dans un état élastique à peu près normal, tel qu'il résulte de l'application de la méthode faisant l'objet de l'invention%
La figure 2 illustre un mode de répartition des zones produites durant le traitement de la surface d'une tige métallique;
Les figures 3, 4, 5, 6, et 8, sont des vues en plan de dessus de divers modes de répartition des zones écrouies ou déformées de façon permanente;
La figure 7 montre une vue de la section indiquée par la ligne 7-7 dans la figure 6;
Les figures 9, 10 et ll.sont des coupes agrandies d'une pièce métallique montrant divers types de rayures et impressions formées à sa surface;
Les figures 12, 13, 13a, b, c, d, e, sont des vues de face partiellement coupées de divers types d'appareils pouvant servir à appliquer la méthode de 1-invention;
Les figures 12a, b: c, d, e, f, g, et h, sont des vues de face de différents modèles de molettes;
La figure 14 est une vue de face partiellement coupée illustrant une autre variante d'un appareil pouvant appliquer la méthode;
La figure 15 est une vue de côté partiellement coupée montrant un autre type d'appareil pouvant appliquer la méthode;
La figure 16 est une vue de face de l'appareil montré à la figure 15; la figure 17 est une coupe transversale suivant la section indiquée par la ligne 17-17 à la figure 15;
La figure 18 montre une coupe d'une virole recouvrant l'extrémité d'emmanchement d'une tige de sonde qui est montrée de face;
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La figure 19 représente une coupe pratiquée suivant la ligne
19-19 de la figure 18;
La figure 20 montre une vue de face d'une tige de sonde et de ses fleuret et virole;
La figure 21 représente la section d'une tige de sonde coupée suivant la ligne 21-21 de la figure 20;
La figure 22 montre une vue en coupe longitudinale à l'extrémi- té d9emmanchement d'une tige de sonde qui est ici recouverte d'une virole et d'un fleuret;et
La figure 22a montre un assemblage identique à celui de la fi- gure 22 mais réalisé par vissage.
Grâce à la formation en surface de rayures ou impressions les propriétés physiques d9assemblages métalliques seront considérablement amé- liorées, particulièrement les résistances à la fatigue, à la fatigue sous corrosion, à la corrosion fissurante sous tension, à la corrosion par frote tement, à l'usure, à l'érosion, ainsi que les résistances statique et dyna- mique, les dites rayures ou impressions étant espacées de façon à laisser intacte, entre deux rayures ou impressions, une zone ou le métal n'aura pas été directement soumis à une déformation.
L'effet obtenu par la méthode décrite se caractérise par la grandeur et la direction des contraintes résiduelles qui sont introduites dans le métal constituant l'assemblage et soumis au traitement, par les diverses combinaisons des pressions appliquées et de leur direction, ainsi que celles des répartitions et profondeur, contour et section des rayures ou impressions.
Les contraintes internes ainsi créées s'opposent à celles qui sont développées par les charges extérieures appliquées à l'assemblage, permettant à celui-ci d'afficher une durée de service accrue et d'opposer une plus grande résistance aux déformations imposées par les charges extérieures.
La forme et la répartition des rayures ou impressions peuvent varier de même que les procédés utilisables pour les former à la surface de pièces métalliques et de leurs joints soudés ou autres. Ces procédés sont nombreux et leur choix dépend de la forme de la pièce dont on veut traiter la surface ;
procédés suivants peuvent être utilisés; moletage, moletage en spirale, extrusion, martelage, estampage, étirage, cissillage, et autres procédés analogueso
Dans le cas de profils métalliques tubulaires, réservoirs à pression, cylindres et autres pièces creuses, la formation des rayures ou impressions peut être effectuée à l'intérieur ou à l'extérieur ou sur les deux surfaces à la fois, et les rayures peuvent servir à guider le mouvement d'autres pièces.
Le dessin de la figure 1 montre sous un grossissement considérable une coupe partielle d'une pièce métallique dont la surface présente un profil onduléo Par suite de l'application d'une pression visant à former des rayures ou impressions, il s'est produit un écoulement plastique dans les régions A cependant que l'état élastique initial n'a guère été modifié dans le métal des régions B. L'interaction des contraintes qui ont été ainsi créées dans le métal lors de son traitement est responsable de l'amélioration considérable des propriétés physiques de la pièce.
La grandeur des contraintes internes de compression est une fonction duddegré d'écrouissage atteint dans le métal des régions A et de la largeur relative des régions B demeurées dans un état plastique mais ayant subi néan--
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moins quelque déformation plastique. Inapplication d'une pression sur la surface entière d'une pièce métallique, comme cela se produit dans le cas du polissage à la molette, ne provoque pas cette interaction des contraintes résiduelles internes telle qu'elle est réalisée sous 1-'influence de la méthode décrite dans le présent brevet.
La figure 2 montre une tige métallique 4 dont la surface présente des rayures ou impressions en spirale 5 et 6 qui ont été formées lors de son traitemento
La surface métallique 7 de la figure 3 montre un réseau de rayures rectilignes obliques, qui peut tout aussi bien représenter un ensemble de rayures en spirale parallèles, cependant qu'à la figure 4 la répartition de ces mêmes rayures acquiert un caractère orthogonal. A la surface 7 apparait un ensemble de rayures ou impressions 11 alignées parallèlement à l'arête de la plaque montrée à la figure 5. Les figures 6 et 7 montrent un ensemble de rayures ou impressions réparties sur la surface 7 d'une pièce métallique, et la figure 8 illustre une série de rayures ou impressions concentriques 13.
De nombreux modes de répartition de rayures ou impressions de forme diverses peuvent être obtenus à la surface de pièces métalli- queso
Les figures 9, 10, et 11, illustrent respectivement les profils de diverses rayures ou impressions 1 en U, en v, rhombohédriques.
L'amélioration des propriétés physiques qui est provoquée par la formation de rayures ou impressions sur des surfaces métalliques dépend aussi de l'angle compris entre l'axe de la rayure ou impression et celui de la pièce soumise au traitement, ou du pas dans le cas du moletage en spi- ralea Afin de consolider une barre devant travailler en flexion rotative, il est essentiel de créer des contraintes internes de compression élevées qui sont de plus orientées parallèlement à l'axe longitudinal de la pièce.
La présence de contraintes internes de compression dans la direction transversale n'est pas requise mais il est recommandé, lorsque le pas des rayures est petit, que les contraintes longitudinales résultent de l'emploi d'un mode de répartition semblable à celui de la figure 2 ou de la figure 5. Ces mesures ont montré que le rapport entre les valeurs des contraintes internes longitudinale et transversale s'élevait à 2 dans ce dernier cas. Les contraintes qui sont développées en flexion par une charge extérieure seront conséquemment réduites d'environ un tiers, rendant ainsi possible une éconnomie de matériel assez considérable.
Pour consolider une pièce devant travailler en torsion cas des ressorts de suspension, tubes guides de sondage, barres et tubes de torsion, arbres, c'est-à-dire sous des conditions ou les efforts de traction-compression sont orientés suivant un angle de 45 par rapport à l'axe de la pièce, il est préférable de prévoir un pas relativement élevé dans la répartition des rayures ou impressionscomme cela est illustré aux figures 3 et 4.
Ainsi, en utilisant un pas égal à Ò fois le diamètre de la pièce et en orientant les rayures suivant un angle de 45 , les contraintes internes de compression supposeront directement aux contraintes dues aux charges extérieures.
Pour que le but de cette invention soit atteint, la profondeur des rayures ou impressions qui sont formées dans un métal durant le traitement doit attendre au moins 0,025 mmo Dans le cas de métaux extrêmement durs les impressions qui sont formées sous l'influence de l'application d'une pression, sont très étroites et leur profondeur doit de préférence varier entre 0,12 mm et 0,4 mm. Il est évident que l'espacement et la profondeur exacte des rayures varient selon la forme même de ces rayures,la première quantité variant de préférence entre 3,2 mm et 0,4 mm quoique la valeur de 1,06 mm soit préférable pour application générale.
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Les exemples rapportés ci-bas illustrent clairement les avantages que peut procurer l'emploi de cette méthode (1) Des plaques d'acier de haute qualité9 d'une épaisseur de 2,4 mm, d'une longueur de 75 mm et d'une largeur de 12 mm, ont été, soumises à une pression de 320 kg dans le but de former sur lune des surfaces un réseau de rayures dont les caractéristiques sont tabulées ci-dessous. La mesure du cintrement des plaques, après le traitement, fournit une évaluation directe de la grandeur des contraintes internes de compression et aussi de l'amélioration des propriétés physiques de l'acier concerné, tel qu'il a été expliqué précédemment.
Cette méthode de mesure se pratique couramment et est connu sous le nom dressai Almena
EMI5.1
<tb>
<tb> Zones <SEP> non <SEP> traitées <SEP> Cintrement <SEP>
<tb> Distance <SEP> ntre <SEP> les <SEP> largeur <SEP> des <SEP> largeur <SEP> Surface <SEP> 1/1000
<tb> rayures¯¯¯¯¯¯¯¯rayures <SEP> mm <SEP> % <SEP> mm
<tb> po. <SEP> mm <SEP> mm
<tb> Témoin <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 100 <SEP> 0
<tb> 1/8 <SEP> 3,17 <SEP> 0,6 <SEP> 2,57 <SEP> 81 <SEP> 15
<tb> 1/16 <SEP> 159 <SEP> 0,6 <SEP> 0,99 <SEP> 62 <SEP> 15
<tb> 1/24 <SEP> 1,06 <SEP> 0,6 <SEP> 0,46 <SEP> 43 <SEP> 27
<tb> 1/32 <SEP> 0,80 <SEP> 0,6 <SEP> 0,20 <SEP> 24 <SEP> 34
<tb>
(2) Des essais réalisés sur un acier SAE 1060 en vue d'étudier les effets du grenaillage et du polissage à figures ont donné les résultats suivants ;
Sous une contrainte de 42 kg/nm2 le métal non traité s'est rompu après 56.000 cycles alors que la pièce grenaillée a pu atteindre 65.000 alternances. Par contre, le polissage à figures a prolongé la durée de l'essai jusqu9à 4650000 cycles avant que la rupture ne se développe.
(3) Les tiges de sondes en acier au Cr-Ni-Mo ont été préalablement soumises à une pression de 320 kg de façon à réaliser un polissage, les rayures produites ayant une profondeur de 0,4 mm et un écartement de 1,06 mm. Les essais réalisés sur ces tiges en flexion rotative ont amené les résultats suivants s
EMI5.2
<tb>
<tb> Charge.
<SEP> Contrainte <SEP> Cycles <SEP> 1 <SEP> la <SEP> fracture <SEP> Augmentation
<tb> kgm <SEP> kg/mm2 <SEP> Non <SEP> traitées <SEP> Traitées <SEP> à <SEP> l'endurance
<tb>
<tb> 80,5 <SEP> 40 <SEP> 350,000 <SEP> Inctact <SEP> 17 <SEP> fois
<tb> à <SEP> 6 <SEP> 106
<tb> 92,1 <SEP> 46 <SEP> 282,000 <SEP> Inctact <SEP> 21,5 <SEP> fois
<tb> à <SEP> 6 <SEP> 106
<tb> 103,5 <SEP> 57,8 <SEP> 80,000 <SEP> Intact <SEP> ,, <SEP> 75 <SEP> fois
<tb> à,6 <SEP> 106
<tb>
<tb>
(4) Un essai identique effectué sur une tige de sonde en acier SAE 1080-, a produit les résultats suivants :
Alternances à la rupture
EMI5.3
<tb>
<tb> Charge <SEP> Contrainte <SEP> Cycles <SEP> à <SEP> la <SEP> rupture <SEP> Augmentation
<tb> kgm <SEP> kg/mm2 <SEP> Témoin <SEP> Traitée <SEP> de <SEP> l'endurance
<tb> 57,5 <SEP> 43,0 <SEP> 90,000 <SEP> 1,055,000 <SEP> 11,5 <SEP> fois
<tb>
<tb>
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(5) Des plaques de 1,65 mm en alliage d9aluminium 24 ST plaqué et en alliage de magnésium "MA" ont été traitées de façon identique à celles de l'exemple 1 mais sous une pression de 22,5. et les résultats des essais effectués sur ces plaques sont tabulés ci-dessous;
EMI6.1
Aluminium à Allia2e 24 ST - P1aouéo
EMI6.2
<tb>
<tb>
<tb> Distance <SEP> entre <SEP> Largeur <SEP> des <SEP> .#Zone <SEP> non <SEP> Cintrement
<tb> rayures <SEP> rayures <SEP> traitées
<tb> po <SEP> mm <SEP> mm <SEP> mm <SEP> % <SEP> 1/000 <SEP> mm
<tb>
EMI6.3
-------------------------------------------------------------------
EMI6.4
<tb>
<tb> Témoin <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 100 <SEP> 0
<tb>
EMI6.5
3/32 2,38 Q9 1,88 I79F 12,7 z 1919 o,5 0,69 58 20,3 1/32 0,80 0,5 0;
30 3697 28,0
EMI6.6
<tb>
<tb>
<tb>
EMI6.7
Masnesium g Alliage "MA"
EMI6.8
<tb>
<tb> Témoin <SEP> ' <SEP> - <SEP> - <SEP> 100 <SEP> 0
<tb>
EMI6.9
3/32 2,38 z6 1,78 !l/.9 L2
EMI6.10
<tb>
<tb> 3/64 <SEP> 1,19 <SEP> 0,6 <SEP> 0,59 <SEP> 49,6 <SEP> 30,5
<tb> 1/32 <SEP> 0,80 <SEP> 0,6 <SEP> 0,2 <SEP> 24,1 <SEP> 45,7
<tb>
EMI6.11
<tb>
<tb>
<tb>
(6) Un traitement identique a été réalisé sur des plaques de résine plastique, d'une épaisseur de 1,65 mm, la pression appliquée s'élevant à 22,5 Kgo Les résultats furent :
Résine Plastique, épaisseur 0.065 po.
EMI6.12
<tb>
<tb>
Témoin <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 100 <SEP> 0
<tb>
EMI6.13
1/24 z$fl6 0,6 0,47 43 63,5
EMI6.14
<tb>
<tb>
<tb>
L9appareil illustré à la figure 12 convient bien à l'application de la méthode décrite précédemment car il peut être intégré à un tour ordinaire ou autre machine-outil. Cet appareil est constitué d'une base 18, d'un bâti fixe 19, et d'un bâti coulissant 20 dont la position sur la base 18 s'ajuste au moyen de la vis-mère 21.
Les vis de serrage 23 retiennent en position les manchons amovibles 22 qui sont inséré dans les bâtis 19 et 20 et à l'intérieur desquels peuvent glisser les supports 24 des molettes 270 Ces derniers supports formant cylindre creux à l'une de leurs extrémités ce qui permet d'y recevoir un ressort 25 qui peut être comprimé au degré voulu au moyen d'une cheville vissée 29. La cote 30 indique un profilé pressé entre deux molettes 27.
Le choix d'un profil et d'un mode de répartition des rayures et/ ou impressions que l'on projette de former à la surface d'une pièce fixe évidemment le contour périphérique des molettes à être employées ; plusieurs modèles de molettes sont présentés aux figures 2 à 11.
La molette peut présenter une surface périphérique unie comme à, la figure 12 ou dentée telle 'que celle indiquée par la cote 31 sur la
EMI6.15
molette 32, aux figures 12a, b, c, à9-e9 f9 g9 et ho
Fige 12b - Molette pour une répartition des rayures identique à celle de la figure 5.
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Figo 12c - Molette pour une répartition en spirale des rayures identique à celle des figures 3 et 4; deux molettes sont nécessaires pour reproduire le réseau de la figure 4 1$une à denture gauche et l'autre, droite.
Fig. 12d - Molette double permettant daugmenter le nombre des rayures dans une répartition parallèle
Figo 12e - Molette double permettant d'augmenter le nombre de rayures dans une répartition oblique identique à celle des figures 12b ou
12c.
Figo 12f - Molette comportant des sections tronconiques et cylin- driques pour faciliter le polissage de la droite vers la gauche ; molet- te est aussi utilisée pour rouler la portée d'emman@hement conique 63 mon- trée à la figure 20.
Fig. 12g - Molette pour une répartition en spirale, d'une seule ou de plusieurs rayures, identique à celle de la.figure 2.
Fig. 12h - Molette pour le polissage de surfaces irrégulières telles que les extrémités d'emanchements de tiges de sondes, identique à celle de la figure 22a.
Grâce à leur élasticité les ressorts permettent aux molettes 27 de marquer de rayures ou d'impressions la surface de pièces possédant des contours irrégulierso
Un autre type d'appareil est montré aux figures 13, 13a, 13b, 13c, et 13d, qui est en tous points semblable à celui de la figure 12 exception faite des pistons cylindriques 34 et leurs chambres 35, l'admission du fluide s9effectuant par la canalisation 360
Les figures 13a, b, c, d, e, illustrant un appareil adapté au traitement de la paroi intérieure d9une pièce cylindrique creuse 30, qui peut communiquer aux molettes 27 le mouvement requis pour l'obtention d'un polissage à figures, soit longitudinal, soit transversal., soit encore en spirale.
La figure 14 présente une variante de l'appareil montré aux figures 12 et 13. L'effort de pression qu'il faut appliquer à la première molette 37 est transmis au moyen d'un ressort et suivant un mécanisme identique à celui de l'appareil de la figure 12 alors que la seconde molette 38 reçoit sa charge par l'intermédiaire d'un bras de levier 41 lui-même relié à un ressort 42, ce dernier arraugement rendant possible l'utilisation d'un ressort moins rigide. La conception de cet appareil prévoit son montage sur un tour ordinaire ou autre machine-outil possédant un plateau à toc 43 et une contre-pointe 44. Les mouvements de rotation de la barre et de translation des molettes permettent de traiter la surface et d'y former un réseau de rayures ou Impressions.
On peut substituer aux ressorts des cylindres hydrauliques tels que ceux montrés à la figure 13.
Une autre variante d'un appareil utilisable apparaît aux figures 15, 16, et 17. Celui-ci est constitué dune base 47 -qui peut être fixée sur le banc d'un tour ordinaire ou d9une autre machine-outil, d'un bâti vertical 48 fixé à la base, et d'un montant coulissant 49 dont la position par rapport au bâti vertical s'ajuste au moyen d'une vis de pression 50. Le montant amovible 49 présente dans la région inférieure un bras d'appui 51 et au sommet un alésage 53. Une extrémité du manchon tubulaire 54 glisse à l'intérieur de l'alésage 53 et sa position est ajustée et maintenue au moyen de vis de pression 57, alors que 1-'autre extrémité sert d'appui à l'axe de la
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molette 56.
La pression exercée sur le ressort 59 est réglée par l'intermédiaire d'un chapeau vissé 58 qui est situé au sommet de l'alésage 53, le ressort faisant contact avec le chapeau 58 et le manchon tubulaire 54. Le bras d'appui 51 supporte un axe 61 sur lequel tourne la seconde molette 60. L9insertion d'une barre ou d9une tige 62 entre les deux molettes 56 et 60 force ces derniers à s'écarter la pression sur la première molette étant transmise par le manchon 54 à 1?extrémité inférieure du ressort 59, tandis que la pression sur l'autre molette est transmise à l'extrémité inférieure du ressort 59 par le montant amovible 49 et le chapeau 58.
On utilise 1 !il appareil décrit ci-haut en le montant sur un tour ordinaire ou autre machine-outil et en fixant au plateau à toc ou au mandrin la barre que l'on désire traiter. Afin d'appliquer sur la barre la pression exigée, les molettes 56 et 60 sont utilisées soit avec le ressort 59, soit avec le dispositif hydraulique 34, 35, et 36, illustré aux figures 13 et 13 b.
Durant la marche du tour, la barre est animée d'un mouvement de rotation et l'on obtient en surface le made de répartition désiré des rayures. Les divers types dappareils qui ont été décrits précédemment peuvent être utilisés pour effectuer des polissages à figures longitudinales, transversales, ou en spirales,pourvu que 1-'on ajuste de façon appropriée la direction des molettes et le mouvement relatif des pièces.
Il faut souligner que les molettes, quelque soit le type d'appareil considéré, n'ont pas nécessairement leurs périphéries en parfait alignement mais qu'elles peuvent être décalées; ce décalage doit toutefois éviter le chevauchement des empreintes formées sur une surface métallique et il variera suivant le pas, le nombre, et le mode de distribution des rayures ou impressions que 19on désire former à la surface d'une pièce métallique.
De plus, il est possible d'employer un ensemble de molettes avec l'un ou lautre des appareils qui ont été décrits précédemment, une ou plusieurs des ces molettes peuvent avoir une surface périphérique unie et servir soit à équilibrer la pression appliquée sur les autres molettes dont la fonction est de former les rayures suivant le mode de répartition désiré, soit à rouler la surface déjà traitée.
Les exemples 3 et 4 cités précédemment mettent particulièrement en évidence la grandeur importance de cette invention lorsqu'elle est appliquée au traitement des tiges de sonde et leurs extrémités d'emmanchement, accessoires de fleurets, tubes guides de sondage, fleurets, arbres, tubes et autres pièces analogues, ainsi que des organes auxiliaires de toutes ces pièces. La tendance à la rupture s'affirme davantage à l'extrémité où semmanche le fleuret ou autre pièce analogue mais Inapplication du présent traitement accroît la durée de service de la tige d'au moins 70%. D'au- tres essais ont révélé que ce chiffre pouvait même atteindre la valeur de 700% et dans bien des cas la fracture se produisait dans une région qui n'avait pas subi de traitement.
Les figures 18 à 22a inclusivement montrent, de même que ses organes auxiliaires, une tige de sonde d'un modèle utilisé couramment.
La surface de la portée d'emmanchement 63 de la tige 64 est moletée sur une distance d'un pouce ou plus de façon à former, suivant la répartition dé- sirés, des rayures ou impressions 65. Une virole métallique 66 peut être emmanchée à force sur la surface qui vient d'être traitée--; cette virole peut être formée d'un métal plaqué ou homogène. Lorsqu'une tige ou toute autre pièce analogue est ainsi revêtue d'une virole et insérée= dans la douille du fleuret ou toute autre pièce appropriée, le métal doux pénètre dans les rayures et prévient le frottage de ces dernières, permettant à la tige de conserver les propriétés physiques acquises lors du traitement.
Il y a avantage en certains cas à traiter une tige de sonde ou autres pièces analogues, en d'autres régions de leur surface comme le montre la figure 20. Ces régions se situent à l'extrémité d'entraînement 68
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de la tige car celle-ci y supporte des surcharges additionnelles 69, de même qu'au voisinage immédiat de la virole 63 et du fleuret; cette der- nière région est généralement désignée sous le nom d9entaille métallurgi- que.
Un autre but de cette invention vise à moleter soit à l'inté- rieur, soit à l'extérieur,la surface entière de tubes guides de sondage, de tiges de sondes et leurs extrémités d'emmanchement, ainsi que les orgà- nes de raccordement de ces pièces, en au moins une région de leur surface, en utilisant des appareils qui ont été décrits dans cette invention. Afin de tirer un maximum de profits d'un polissage én spirales ou d'un polissage à figures réalisé selon l'idée générale de cette invention, la surface de ces pièces devraient être modelée suivant la direction circonférentielle, transverse, c'est-à-dire dans une direction à peu près perpendiculaire à celle des contraintes imposées par les charges extérieures.
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The present invention relates to a method for improving the physical properties of plastic and metallic materials and their welds and joints, when these materials have a limit of elasticity and the property of undergoing permanent deformation under pressure. The invention also includes various types of apparatus capable of applying said method.
It is recognized that the physical and mechanical properties of metals constituting assemblies can be improved by various treatments such as shot blasting, knurling, case hardening and nitriding of steel, hardening by induction or torch, heat treatments, etc ... The fields of application of these various treatments depend on the nature of the metal, the geometric shape of the part and the cost price. A common application is to molten the entire surface of steel shafts under relatively high pressure in order to improve its properties.
This operation provides only a slight improvement in the physical properties of the metal of which the shaft is made while remaining relatively expensive because of the longer times which are required to achieve it.
We have found that the physical properties show a very marked improvement in metals and other plastic materials which have an elastic limit and can deform under pressure permanently, these metals and materials constituting parts of assemblies such as -. rails, plates, bars, rods 9 tubes, or any other simple or complex shape. This improvement results from the creation of residual stresses inside the material, the action of which will oppose that of the external stresses, with the result that its service life will be increased or the permissible load increased.
These residual stresses appear when a compression is not applied to certain regions of the surface of the material and intended to force the latter to undergo a local plastic deformation therein while leaving the immediately neighboring regions to retain their normal elastic character. From the juxtaposition of the collapsed zones and those which have retained their normal elastic state, or at least approximately normal, there results in these zones an interaction of the residual stresses which allows the treated part to withstand higher loads or to present increased service life.
To achieve its aim, this invention also relies on the creation of residual stresses caused by the juxtaposition of zones which are in an approximately plastic state and of zones which have undergone mainly an elastic deformation. In general, the subject of this invention is the juxtaposition of zones which are in a state of plastic deformation and of zones which have undergone an identical deformation but to a lesser degree these zones being distributed in a certain mode. The transition between these zones can be gradual or abrupt and the maximum normal stresses present inside the metal are oriented perpendicular to the direction of the hardened zones, that is to say to the direction of the network of the figures.
The description of this invention is aimed above all at its application to metals, but plastic materials, such as resins, which have an elastic limit and are liable to deform under pressure permanently, also show a considerable improvement in their physical properties when they are are processed according to the method forming the subject of this invention.
The object of this invention is to indicate a method for improving the physical properties of metallic or plastic materials either by knurling or by any other method, so as to create
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stripes and / or impressions of various shapes and distributions on their surface.
Another object of this invention is to indicate an apparatus which can apply the method effectively.
One of the aims of this invention is particularly aimed at improving the physical properties, mainly the resistance to fatigue of the probe rods, of the fitting ends of the probe rods, of the probing guide tubes, of the foils, of the probes. shafts and other similar parts, as well as connecting members of all these different parts; this improvement is obtained by the formation of a set of narrow stripes or impressions at the fitting ends of its parts, on screwed connections, or in any other region of the surface of these parts.
In the description of this invention reference is made to the accompanying drawings.
Figure 1 shows a section of a metal part exposing, after treatment, areas where the metal is in a plastic state, each of these areas being juxtaposed to another where the metal is remains in an almost normal elastic state , as it results from the application of the method forming the subject of the invention%
FIG. 2 illustrates a mode of distribution of the zones produced during the treatment of the surface of a metal rod;
FIGS. 3, 4, 5, 6, and 8 are top plan views of various ways of distributing hardened or permanently deformed areas;
Figure 7 shows a view of the section indicated by line 7-7 in Figure 6;
Figures 9, 10 and 11 are enlarged sections of a piece of metal showing various types of scratches and prints formed on its surface;
Figures 12, 13, 13a, b, c, d, e, are partially cutaway front views of various types of apparatus which can be used to apply the method of the invention;
Figures 12a, b: c, d, e, f, g, and h, are front views of different models of thumbwheels;
Fig. 14 is a partially cutaway front view illustrating another variation of an apparatus capable of performing the method;
Fig. 15 is a partially cut away side view showing another type of apparatus capable of performing the method;
Figure 16 is a front view of the apparatus shown in Figure 15; Figure 17 is a cross section taken on the section indicated by line 17-17 in Figure 15;
Fig. 18 shows a section of a ferrule covering the fitting end of a probe rod which is shown from the front;
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Figure 19 shows a section taken along the line
19-19 of Figure 18;
Figure 20 shows a front view of a probe rod and its foil and ferrule;
Figure 21 shows the section of a probe rod cut along line 21-21 of Figure 20;
Figure 22 shows a longitudinal sectional view at the end of the fitting of a probe rod which is here covered with a ferrule and a foil; and
FIG. 22a shows an assembly identical to that of FIG. 22 but produced by screwing.
Thanks to the formation of scratches or impressions on the surface, the physical properties of metal assemblies will be considerably improved, particularly resistance to fatigue, corrosion fatigue, stress corrosion cracking, frictional corrosion, corrosion. 'wear, erosion, as well as static and dynamic resistance, said scratches or impressions being spaced so as to leave intact, between two scratches or impressions, an area where the metal has not been directly subjected to a deformation.
The effect obtained by the method described is characterized by the magnitude and direction of the residual stresses which are introduced into the metal constituting the assembly and subjected to the treatment, by the various combinations of the pressures applied and their direction, as well as those of the distributions and depth, contour and section of stripes or prints.
The internal stresses thus created oppose those which are developed by the external loads applied to the assembly, allowing it to display an increased service life and to oppose a greater resistance to the deformations imposed by the loads. exterior.
The shape and distribution of the scratches or impressions may vary as well as the methods used to form them on the surface of metal parts and their welded or other joints. These processes are numerous and their choice depends on the shape of the part whose surface is to be treated;
The following methods can be used; knurling, spiral knurling, extrusion, hammering, stamping, drawing, snapping, and the like
In the case of tubular metal profiles, pressure tanks, cylinders and other hollow parts, the formation of scratches or impressions can be carried out inside or outside or on both surfaces at the same time, and the scratches can be used to guide the movement of other parts.
The drawing of figure 1 shows under considerable magnification a partial section of a metal part the surface of which has a wavy profile. As a result of the application of pressure to form scratches or impressions, a plastic flow in regions A however the initial elastic state was hardly changed in the metal of regions B. The interaction of stresses which were thus created in the metal during its processing is responsible for the considerable improvement physical properties of the part.
The magnitude of the internal compressive stresses is a function of the degree of hardening achieved in the metal of the regions A and of the relative width of the regions B which have remained in a plastic state but have nevertheless undergone
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minus some plastic deformation. Failure to apply pressure to the entire surface of a metal part, as occurs in the case of roller polishing, does not cause this interaction of internal residual stresses as is achieved under the influence of pressure. method described in the present patent.
Figure 2 shows a metal rod 4, the surface of which has stripes or spiral impressions 5 and 6 which were formed during its treatment.
The metallic surface 7 of FIG. 3 shows a network of oblique rectilinear stripes, which can equally well represent a set of parallel spiral stripes, while in FIG. 4 the distribution of these same stripes acquires an orthogonal character. On the surface 7 appears a set of stripes or prints 11 aligned parallel to the edge of the plate shown in Figure 5. Figures 6 and 7 show a set of stripes or prints distributed on the surface 7 of a metal part, and figure 8 illustrates a series of concentric stripes or prints 13.
Numerous modes of distribution of stripes or impressions of various shapes can be obtained on the surface of metal parts.
Figures 9, 10, and 11, respectively illustrate the profiles of various stripes or impressions 1 in U, v, rhombohedral.
The improvement in physical properties which is caused by the formation of scratches or impressions on metal surfaces also depends on the angle between the axis of the scratch or impression and that of the part subjected to the treatment, or on the pitch in the the case of spiral knurlinga In order to consolidate a bar which has to work in rotational bending, it is essential to create high internal compressive stresses which are moreover oriented parallel to the longitudinal axis of the part.
The presence of internal compressive stresses in the transverse direction is not required but it is recommended, when the pitch of the grooves is small, that the longitudinal stresses result from the use of a distribution mode similar to that in the figure 2 or of FIG. 5. These measurements have shown that the ratio between the values of the longitudinal and transverse internal stresses was 2 in the latter case. The stresses which are developed in bending by an external load will consequently be reduced by about a third, thus making possible a considerable saving in material.
To consolidate a part that has to work in torsion, in the case of suspension springs, sounding guide tubes, torsion bars and tubes, shafts, that is to say under conditions where the tensile-compressive forces are oriented at an angle of 45 relative to the axis of the part, it is preferable to provide a relatively high pitch in the distribution of scratches or impressions as illustrated in Figures 3 and 4.
Thus, by using a pitch equal to Ò times the diameter of the part and by orienting the scratches at an angle of 45, the internal compressive stresses will directly assume the stresses due to the external loads.
In order for the object of this invention to be achieved, the depth of the scratches or impressions which are formed in a metal during processing should be at least 0.025 mmo In the case of extremely hard metals the impressions which are formed under the influence of application of pressure, are very narrow and their depth should preferably vary between 0.12 mm and 0.4 mm. It is evident that the exact spacing and depth of the scratches vary depending on the actual shape of these scratches, the first amount preferably varying between 3.2 mm and 0.4 mm although the value of 1.06 mm is preferable for application. general.
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The examples reported below clearly illustrate the advantages that can be obtained by using this method (1) High quality steel plates9 with a thickness of 2.4 mm, a length of 75 mm and a width of 12 mm, were subjected to a pressure of 320 kg in order to form on one of the surfaces a network of scratches whose characteristics are tabulated below. The measurement of the bending of the plates, after processing, provides a direct assessment of the magnitude of the internal compressive stresses and also of the improvement in the physical properties of the steel concerned, as explained above.
This method of measurement is widely practiced and is known as dressai Almena
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<tb>
<tb> Areas <SEP> not <SEP> treated <SEP> Bending <SEP>
<tb> Distance <SEP> between <SEP> the <SEP> width <SEP> of <SEP> width <SEP> Surface <SEP> 1/1000
<tb> stripes¯¯¯¯¯¯¯¯ stripes <SEP> mm <SEP>% <SEP> mm
<tb> in. <SEP> mm <SEP> mm
<tb> Witness <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 100 <SEP> 0
<tb> 1/8 <SEP> 3.17 <SEP> 0.6 <SEP> 2.57 <SEP> 81 <SEP> 15
<tb> 1/16 <SEP> 159 <SEP> 0.6 <SEP> 0.99 <SEP> 62 <SEP> 15
<tb> 1/24 <SEP> 1.06 <SEP> 0.6 <SEP> 0.46 <SEP> 43 <SEP> 27
<tb> 1/32 <SEP> 0.80 <SEP> 0.6 <SEP> 0.20 <SEP> 24 <SEP> 34
<tb>
(2) Tests carried out on an SAE 1060 steel in order to study the effects of shot blasting and figure polishing gave the following results;
Under a stress of 42 kg / nm2, the untreated metal broke after 56,000 cycles while the shot-peened part was able to reach 65,000 vibrations. In contrast, figure polishing extended the test time up to 4,650,000 cycles before fracture developed.
(3) The probe rods made of Cr-Ni-Mo steel were previously subjected to a pressure of 320 kg so as to achieve polishing, the scratches produced having a depth of 0.4 mm and a spacing of 1.06 mm. The tests carried out on these rods in rotary bending brought the following results s
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<tb>
<tb> Charge.
<SEP> Stress <SEP> Cycles <SEP> 1 <SEP> the <SEP> fracture <SEP> Increase
<tb> kgm <SEP> kg / mm2 <SEP> No <SEP> treated <SEP> Treated <SEP> to <SEP> endurance
<tb>
<tb> 80.5 <SEP> 40 <SEP> 350,000 <SEP> Inctact <SEP> 17 <SEP> times
<tb> to <SEP> 6 <SEP> 106
<tb> 92.1 <SEP> 46 <SEP> 282,000 <SEP> Inctact <SEP> 21.5 <SEP> times
<tb> to <SEP> 6 <SEP> 106
<tb> 103.5 <SEP> 57.8 <SEP> 80,000 <SEP> Intact <SEP> ,, <SEP> 75 <SEP> times
<tb> to, 6 <SEP> 106
<tb>
<tb>
(4) An identical test carried out on an SAE 1080- steel probe rod produced the following results:
Alternations at break
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<tb>
<tb> Load <SEP> Constraint <SEP> Cycles <SEP> to <SEP> the <SEP> break <SEP> Increase
<tb> kgm <SEP> kg / mm2 <SEP> Control <SEP> Treated <SEP> of <SEP> endurance
<tb> 57.5 <SEP> 43.0 <SEP> 90,000 <SEP> 1,055,000 <SEP> 11.5 <SEP> times
<tb>
<tb>
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(5) 1.65mm plates of plated 24 ST aluminum alloy and "MA" magnesium alloy were processed identically to those of Example 1 but under 22.5 pressure. and the results of the tests carried out on these plates are tabulated below;
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Aluminum at Allia2e 24 ST - P1aouéo
EMI6.2
<tb>
<tb>
<tb> Distance <SEP> between <SEP> Width <SEP> of the <SEP>. # Zone <SEP> no <SEP> Bending
<tb> scratches <SEP> scratches <SEP> processed
<tb> in <SEP> mm <SEP> mm <SEP> mm <SEP>% <SEP> 1/000 <SEP> mm
<tb>
EMI6.3
-------------------------------------------------- -----------------
EMI6.4
<tb>
<tb> Witness <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 100 <SEP> 0
<tb>
EMI6.5
3/32 2.38 Q9 1.88 I79F 12.7 z 1919 o, 5 0.69 58 20.3 1/32 0.80 0.5 0;
30 3697 28.0
EMI6.6
<tb>
<tb>
<tb>
EMI6.7
Masnesium g Alloy "MA"
EMI6.8
<tb>
<tb> Witness <SEP> '<SEP> - <SEP> - <SEP> 100 <SEP> 0
<tb>
EMI6.9
3/32 2.38 z6 1.78! L / .9 L2
EMI6.10
<tb>
<tb> 3/64 <SEP> 1.19 <SEP> 0.6 <SEP> 0.59 <SEP> 49.6 <SEP> 30.5
<tb> 1/32 <SEP> 0.80 <SEP> 0.6 <SEP> 0.2 <SEP> 24.1 <SEP> 45.7
<tb>
EMI6.11
<tb>
<tb>
<tb>
(6) An identical treatment was carried out on plastic resin plates, with a thickness of 1.65 mm, the applied pressure amounting to 22.5 Kgo The results were:
Plastic resin, thickness 0.065 in.
EMI6.12
<tb>
<tb>
Witness <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 100 <SEP> 0
<tb>
EMI6.13
1/24 z $ fl6 0.6 0.47 43 63.5
EMI6.14
<tb>
<tb>
<tb>
The apparatus illustrated in FIG. 12 is well suited to the application of the method described above because it can be integrated into an ordinary lathe or other machine tool. This apparatus consists of a base 18, a fixed frame 19, and a sliding frame 20, the position of which on the base 18 is adjusted by means of the lead screw 21.
The clamping screws 23 retain in position the removable sleeves 22 which are inserted into the frames 19 and 20 and inside which can slide the supports 24 of the knurling wheels 270 These latter supports forming a hollow cylinder at one of their ends which allows a spring 25 to be accommodated therein which can be compressed to the desired degree by means of a screwed pin 29. Dimension 30 indicates a profile pressed between two rollers 27.
The choice of a profile and a mode of distribution of the scratches and / or impressions which it is intended to form on the surface of a part obviously fixes the peripheral contour of the knurls to be used; several models of knurls are shown in Figures 2 to 11.
The wheel may have a smooth peripheral surface as in Figure 12 or toothed such as that indicated by dimension 31 on the
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wheel 32, in figures 12a, b, c, à9-e9 f9 g9 and ho
Fig. 12b - Knob for a distribution of the scratches identical to that in figure 5.
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Figo 12c - Knurling wheel for a spiral distribution of the stripes identical to that of Figures 3 and 4; two knurls are necessary to reproduce the network of FIG. 41, one with left teeth and the other, right.
Fig. 12d - Double wheel allowing to increase the number of scratches in a parallel distribution
Figo 12e - Double wheel to increase the number of scratches in an oblique distribution identical to that of figures 12b or
12c.
Figo 12f - Knurling wheel with frustoconical and cylindrical sections to facilitate polishing from right to left; Knurl is also used to roll the taper saddle seat 63 shown in Figure 20.
Fig. 12g - Wheel for a spiral distribution, of one or more stripes, identical to that of figure 2.
Fig. 12h - Wheel for polishing irregular surfaces such as the ends of probe rods, identical to that of figure 22a.
Thanks to their elasticity, the springs allow the knobs 27 to mark the surface of parts with irregular contours with scratches or impressions.
Another type of apparatus is shown in Figures 13, 13a, 13b, 13c, and 13d, which is in all respects similar to that of Figure 12 except for the cylindrical pistons 34 and their chambers 35, the fluid admission taking place through pipeline 360
Figures 13a, b, c, d, e, illustrating an apparatus suitable for treating the inner wall of a hollow cylindrical part 30, which can impart to the knurling wheels 27 the movement required to obtain a figure polishing, i.e. longitudinal , either transverse., or still spiral.
Figure 14 shows a variant of the apparatus shown in Figures 12 and 13. The pressure force that must be applied to the first wheel 37 is transmitted by means of a spring and according to a mechanism identical to that of the apparatus of FIG. 12 while the second wheel 38 receives its load by means of a lever arm 41 which is itself connected to a spring 42, the latter arresting making possible the use of a less rigid spring. The design of this device provides for its mounting on an ordinary lathe or other machine tool having a toc plate 43 and a tailstock 44. The rotational movements of the bar and translation of the knurls make it possible to treat the surface and to there form a network of stripes or impressions.
The springs can be replaced by hydraulic cylinders such as those shown in figure 13.
Another variant of a usable apparatus appears in Figures 15, 16, and 17. This consists of a base 47 -which can be fixed on the bed of an ordinary lathe or other machine tool, of a frame. vertical 48 fixed to the base, and a sliding upright 49 whose position relative to the vertical frame is adjusted by means of a pressure screw 50. The removable upright 49 has in the lower region a support arm 51 and at the top a bore 53. One end of the tubular sleeve 54 slides inside the bore 53 and its position is adjusted and maintained by means of set screws 57, while the other end acts as a support for the axis of the
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thumbwheel 56.
The pressure exerted on the spring 59 is regulated by means of a screw cap 58 which is located at the top of the bore 53, the spring making contact with the cap 58 and the tubular sleeve 54. The support arm 51 supports an axis 61 on which rotates the second wheel 60. L9insertion of a bar or a rod 62 between the two wheels 56 and 60 forces the latter to move away from the pressure on the first wheel being transmitted by the sleeve 54 to 1? lower end of the spring 59, while the pressure on the other wheel is transmitted to the lower end of the spring 59 by the removable upright 49 and the cap 58.
The apparatus described above is used by mounting it on an ordinary lathe or other machine tool and by fixing the bar which is to be processed to the knockout plate or to the mandrel. In order to apply the required pressure to the bar, the knobs 56 and 60 are used either with the spring 59, or with the hydraulic device 34, 35, and 36, illustrated in figures 13 and 13 b.
During the running of the lathe, the bar is animated by a rotational movement and the desired distribution of the stripes is obtained on the surface. The various types of apparatus which have been described above can be used to effect polishings with longitudinal, transverse, or spiral figures, provided that the direction of the knurls and the relative movement of the parts are properly adjusted.
It should be noted that the knobs, whatever the type of device considered, do not necessarily have their peripheries in perfect alignment but that they can be offset; this offset must, however, avoid the overlap of the imprints formed on a metal surface and it will vary according to the pitch, the number, and the mode of distribution of the scratches or impressions that one wishes to form on the surface of a metal part.
In addition, it is possible to use a set of rolls with one or the other of the devices which have been described above, one or more of these rolls can have a smooth peripheral surface and serve either to balance the pressure applied to the others. wheels the function of which is to form the stripes according to the desired distribution mode, ie to roll the surface already treated.
Examples 3 and 4 cited above particularly demonstrate the great importance of this invention when it is applied to the treatment of probe rods and their fitting ends, drill bit accessories, sounding guide tubes, drill bits, shafts, tubes and other similar parts, as well as auxiliary parts of all these parts. The tendency to break is most evident at the end where the foil or the like is handled, but the application of the present treatment increases the service life of the rod by at least 70%. Further trials have shown that this figure can even reach as high as 700%, and in many cases the fracture occurs in an area that has not been treated.
Figures 18 to 22a inclusive show, together with its auxiliary members, a probe rod of a commonly used model.
The surface of the press-in seat 63 of the shank 64 is knurled a distance of one inch or more so as to form, depending on the desired distribution, scratches or impressions 65. A metal ferrule 66 can be press-fitted. force on the surface which has just been treated -; this ferrule can be formed of a plated or homogeneous metal. When a rod or any other similar part is thus coated with a ferrule and inserted = in the bush of the foil or any other suitable part, the soft metal penetrates into the scratches and prevents the rubbing of the latter, allowing the rod to retain the physical properties acquired during processing.
It is advantageous in some cases to treat a probe rod or other similar parts, in other regions of their surface as shown in Figure 20. These regions are located at the drive end 68
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of the rod because the latter supports additional overloads 69 therein, as well as in the immediate vicinity of the ferrule 63 and the foil; this latter region is generally referred to as the metallurgical notch.
Another object of this invention is to knurl either on the inside or the outside the entire surface of sounding guide tubes, probe rods and their shank ends, as well as the probes. connection of these parts, in at least one region of their surface, using apparatuses which have been described in this invention. In order to derive maximum benefit from spiral polishing or figure polishing carried out in accordance with the general idea of this invention, the surface of such parts should be patterned in the circumferential, transverse direction, i.e. - say in a direction approximately perpendicular to that of the constraints imposed by the external loads.