EP0666142A1 - Procédé et dispositif pour le traitement de surface et la mise en précontrainte de la paroi intérieure d'une cavité - Google Patents

Procédé et dispositif pour le traitement de surface et la mise en précontrainte de la paroi intérieure d'une cavité Download PDF

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EP0666142A1
EP0666142A1 EP95400207A EP95400207A EP0666142A1 EP 0666142 A1 EP0666142 A1 EP 0666142A1 EP 95400207 A EP95400207 A EP 95400207A EP 95400207 A EP95400207 A EP 95400207A EP 0666142 A1 EP0666142 A1 EP 0666142A1
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    • Y10S72/00—Metal deforming
    • Y10S72/71—Vibrating

Definitions

  • a usual shot peening by projection of balls through nozzles oriented towards the part to be treated gives no results on the walls of a cavity as defined above, since the only possible circulation of the balls in the cavity is carried out in a direction substantially parallel to the walls to be treated.
  • the exciter-vibrator is arranged to excite the vibrator at its or at one of its natural frequencies.
  • said tubular part comprises a support flange at its free end.
  • turbine blades 10 are mounted on a disc 11 by means of two nested combs 12 and are made integral with the disc, for example by three pins 13 which are driven into suitable bores made through the disc 11 and the nested combs 12.
  • the bore must be very precise and the condition of the surface is critical, it is necessary to perform a surfacing and a compression stressing of the internal wall of the defined cavity by said bore.
  • This device essentially comprises a vibrator 20 in the form of a pot, one end of which 21 is defined by a tubular element 22 of determined length.
  • a high frequency exciter-vibrator 23 is associated with this vibrator to ensure its excitation.
  • the vibrator 20 and exciter-vibrator 23 assembly is placed at an orifice 25 in this cavity.
  • the tubular element 22 of the vibrator 20 has a diameter slightly smaller than that of the cavity 24 and its end is engaged by a few millimeters in this cavity.
  • the tubular member 22 of the vibrator 20 is provided with a flange 26 of annular shape surrounding the free end of this element. This variant makes it possible to use the vibrator for different diameters of cavities. The flange is pressed against the wall surrounding the orifice 25.
  • FIG. 5 represents the vibrator 20 seen in axial section and makes it possible to understand its operation.
  • This vibrator is excited at its natural frequency or at one of its natural frequencies.
  • the node or one of the vibration nodes 30 occurs in its swollen part 31.
  • the belly or one of the vibration bellies 32 is located at the end of the tubular element 22. The length of this tubular element is determined so as to that a vibrating belly corresponds to its end from where the balls are injected into the cavity.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour traiter la surface et mettre en précontrainte de compression la paroi intérieure d'une cavité, notamment d'une cavité cylindrique de section circulaire. Le dispositif comporte un vibrateur (20) en forme de pot pourvu d'une partie tubulaire (22) agencée pour être engagée dans un orifice (25) d'une cavité (24) à traiter. Elle est associée à un excitateur-vibreur (23) agencée pour exciter le vibrateur à sa fréquence de résonance. Le traitement est obtenu par de la grenaille sous forme de billes (29) qui sont projetées sur les parois de la cavité et renvoyées dans le champ de traitement par un réflecteur (27). Ce procédé s'applique notamment au traitement des trous destinés à recevoir des broches de fixation des pales d'une turbine. <IMAGE>

Description

  • La présente invention concerne un procédé de traitement de surface et de mise en précontrainte de compression de la paroi intérieure d'une cavité comportant au moins un orifice, d'un tube, d'un alésage ou d'un trou usiné dans une pièce de mécanique.
  • Elle concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
  • L'amélioration de l'état de surface d'une cavité, d'un tube, d'un alésage ou d'un trou usiné dans une pièce de mécanique, et la mise en compression de cette surface sont connues de l'homme de métier. A titre d'exemple, on peut pratiquer un sablage ou un corindonage pour atteindre ces objectifs. Toutefois, les effets de ces méthodes sont limités et on utilise plus couramment un grenaillage avec des billes d'acier, de verre ou de céramique. Pour traiter certaines surfaces, en particulier les parois d'une cavité de petites dimensions et notamment les parois d'un tube, d'un alésage ou d'un trou usiné ayant des dimensions longitudinales beaucoup plus importantes que ses dimensions transversales, ces méthodes connues sont inopérantes. Un grenaillage habituel par projection de billes au travers de buses orientées vers la pièce à traiter ne donne aucun résultat sur les parois d'une cavité telle que définie ci-dessus, étant donné que la seule circulation possible des billes dans la cavité s'effectue selon une direction sensiblement parallèle aux parois à traiter. Les impacts des billes sur les parois n'ayant pas lieu, ou du moins pas d'une manière suffisante pour assurer un traitement efficace de la surface, cette méthode ne peut pas être utilisée valablement dans ce cas.
  • Une telle situation se présente notamment dans le domaine de la fabrication de turbines et plus particulièrement lors du montage des aubes de turbines dans les disques d'un rotor. Ce montage consiste à brocher deux peignes imbriqués, soit le peigne de l'aube et le peigne du disque par deux ou trois broches de fixation traversant les peignes imbriqués de part en part.
  • Le montage habituel des aubes consiste à réaliser indépendamment sur l'aube et sur le disque un pré-trou de diamètre inférieur à celui du trou final, avant la mise en place de l'aube sur le disque. La mise à la cote du trou se fait au moyen d'un outil tel que par exemple un alésoir. Toutefois, l'état de surface du trou est de médiocre qualité, et l'outil, en écrouissant tangentiellement le métal, induit des contraintes résiduelles de traction, ce qui entraîne une grande sensibilité à la fissuration sous contrainte et une sensibilité accrue si des corrosions sont possibles. Pour ces raisons, une amélioration de l'état de surface s'impose particulièrement dans ce domaine où une grande fiabilité du montage est requise.
  • Le procédé selon l'invention se propose de pallier les inconvénients de l'art antérieur et permet d'améliorer l'état de surface d'une manière suffisante pour satisfaire aux exigences les plus élevées dans des domaines où la qualité est synonyme de sécurité.
  • Ce but est atteint par le procédé selon l'invention, caractérisé en ce que l'on procède à un grenaillage par ultra-sons en introduisant dans ladite cavité une grenaille composée de billes d'un diamètre déterminé et en mettant ces billes en résonance vibratoire au moyen d'un vibrateur . Le vibrateur, parfois appelé sonotrode est un appareil en forme de pot, réalisé dans un matériau à faible capacité d'amortissement des vibrations (par exemple le titane), destiné à amplifier ou entretenir un mouvement vibratoire disposé à proximité dudit orifice de ladite cavité et excitée par un excitateur-vibreur.
  • De préférence, l'on utilise un vibrateur en forme de pot ayant une partie enflée et une partie tubulaire et l'on excite ledit vibrateur à sa ou à une de ses fréquences propres.
  • Lorsque l'on utilise un tel vibrateur, l'on introduit faiblement l'extrémité libre de ladite partie tubulaire dans ladite cavité.
  • L'on peut également utiliser un vibrateur dont l'extrémité libre de ladite partie tubulaire est pourvue d'un flasque d'appui et dans ce cas l'on plaque ledit flasque contre la matière entourant ledit orifice de ladite cavité.
  • Dans le cas d'une cavité traversante, l'on plaque sur un deuxième orifice, opposé audit orifice à proximité duquel est disposée le vibrateur, un réflecteur agencé pour renvoyer les billes dans la cavité.
  • De préférence l'on utilise comme réflecteur une plaque réalisée en un métal ou un alliage métallique identique à celui du vibrateur.
  • De façon avantageuse, l'on détermine les dimensions du vibrateur de telle manière qu'on obtient un noeud de vibration dans la partie enflée et un ventre de vibration à l'extrémité libre de la partie tubulaire.
  • Dans le cas d'un tube dudgonné, caractérisé en ce que l'on injecte un jet d'air comprimé par un deuxième orifice opposé audit orifice à proximité duquel est disposée le vibrateur, pour limiter le champ de déplacement des billes.
  • Dans ce même but, le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte un vibrateur, un excitateur-vibreur agencé pour exciter le vibrateur, et de la grenaille constituée de billes de diamètre prédéterminé, ces billes étant destinées à se mettre en résonance vibratoire à l'intérieur de ladite cavité, lorsque le vibrateur est monté à proximité de l'orifice de cette cavité et excitée par ledit excitateur-vibreur.
  • Dans la forme de réalisation préférée du dispositif, l'excitateur-vibreur est agencé pour exciter le vibrateur à sa ou à une de ses fréquences propres.
  • Dans cette forme de réalisation, ledit vibrateur comporte une partie enflée et une partie tubulaire et en ce que ses dimensions sont choisies pour qu'un noeud de vibration se forme dans sa partie enflée et qu'un ventre de vibration se forme à l'extrémité libre de sa partie tubulaire.
  • De préférence, ladite partie tubulaire a une extrémité libre dont la dimension transversale est légèrement inférieure à celle de l'orifice de ladite cavité.
  • Dans une variante de réalisation, ladite partie tubulaire comporte un flasque d'appui à son extrémité libre.
  • De façon avantageuse, le dispositif comporte un réflecteur agencé pour être plaqué contre un deuxième orifice de ladite cavité, opposé audit orifice à proximité duquel est disposée le vibrateur.
  • La présente invention sera mieux comprise en référence à la description d'exemples de réalisation et aux dessins annexés dans lesquels :
    • la figure 1 représente une vue en coupe radiale d'un disque de turbine dans lequel est implanté une aube de turbine,
    • la figure 2 représente une vue en coupe selon un plan perpendiculaire à l'axe du disque de turbine de la figure 1,
    • la figure 3 représente une vue en coupe axiale d'une première forme de réalisation du dispositif de l'invention,
    • la figure 4 représente une vue en coupe axiale d'une deuxième forme de réalisation du dispositif de l'invention, et
    • la figure 5 représente une vue en coupe axiale du vibrateur et illustre son principe de fonctionnement.
  • En référence aux figures 1 et 2, des aubes 10 de turbine sont montées sur un disque 11 au moyen de deux peignes imbriqués 12 et sont rendues solidaires du disque, par exemple par trois broches 13 qui sont chassées dans des alésages appropriés ménagés à travers le disque 11 et les peignes imbriqués 12. Comme l'alésage doit être très précis et que l'état de la surface est critique, il est nécessaire d'effectuer un surfaçage et une mise en contrainte de compression de la paroi interne de la cavité définie par ledit alésage.
  • Le dispositif utilisé est représenté dans deux variantes de réalisation par les figures 3 et 4.
  • Ce dispositif comporte essentiellement un vibrateur 20 en forme de pot dont une extrémité 21 est définie par un élément tubulaire 22 de longueur déterminée. Un excitateur-vibreur 23 à haute fréquence est associé à ce vibrateur pour assurer son excitation. Pour obtenir le traitement de surface souhaité de la paroi intérieure de la cavité 24, on place l'ensemble vibrateur 20 et excitateur-vibreur 23 à un orifice 25 de cette cavité. Dans la réalisation représentée par la figure 3, l'élément tubulaire 22 du vibrateur 20 a un diamètre légèrement inférieur à celui de la cavité 24 et son extrémité est engagée de quelques millimètres dans cette cavité. Dans la réalisation représentée par la figure 4, l'élément tubulaire 22 du vibrateur 20 est munie d'un flasque 26 de forme annulaire entourant l'extrémité libre de cet élément. Cette variante permet d'utiliser le vibrateur pour différents diamètres de cavités. Le flasque est plaqué contre la paroi entourant l'orifice 25.
  • Dans l'exemple représenté, la cavité 24 est traversante et un réflecteur 27 est utilisé pour obturer l'orifice 28 opposé à l'orifice 25. Ce réflecteur est constitué par une plaque plane qui est de préférence réalisée dans le même métal que le vibrateur, par exemple en titane ou alliage de titane. Dans le cas d'un tube dudgeonné, le réflecteur peut être remplacé par un jet d'air comprimé envoyé à l'intérieur du tube pour limiter le champ de déplacement des billes. Le traitement de surface proprement dit est fait par des billes 29 de préférence en acier qui sont préalablement placées dans la cavité et qui sont mises en vibration par le vibrateur 20 qui produit une résonance vibratoire sous l'excitation de l'excitateur-vibreur 23. La longueur et le diamètre du vibrateur, et notamment de l'élément tubulaire 22, sont choisis de telle façon que l'une de ses fréquences soit bien déterminée et se situe entre 10 et 30 MHz et de préférence soit environ égale à 20 MHz. Le matériau retenu pour la fabrication du vibrateur est un métal ou un alliage métallique ayant un faible coefficient d'amortissement vibratoire tel que par exemple le titane. Le réflecteur 27 est utilisé pour renvoyer les billes 29 dans le champ à traiter.
  • La figure 5 représente le vibrateur 20 vue en coupe axiale et permet de comprendre son fonctionnement. Ce vibrateur est excité à sa fréquence propre ou à une de ses fréquences propres. Le noeud ou un des noeuds de vibration 30 se produit dans sa partie enflée 31. Le ventre ou un des ventres de vibration 32 est situé à l'extrémité de l'élément tubulaire 22. La longueur de cet élément tubulaire est déterminée de façon à ce qu'un ventre de vibration corresponde à son extrémité d'où les billes sont injectées dans la cavité.
  • Sous l'effet de l'excitation du vibrateur, les billes se mettent en mouvement très violent et viennent heurter les parois à grenailler dans toutes les directions et un grand nombre de fois, ce qui provoque un matage important desdites parois et, de ce fait, un arasage des traces de l'alésoir tout en induisant des contraintes résiduelles de compression sur une épaisseur pouvant être supérieure à celle d'un grenaillage classique.
  • L'intérêt d'un grenaillage par ultra-sons en comparaison avec le grenaillage classique est multiple : on constate une usure bien moins grande des billes qui conservent leur sphéricité beaucoup plus longtemps. Les impacts étant multidirectionnels, alors que dans un grenaillage classique les billes sont projetées selon une seule direction, le champ de contraintes résiduelles de compression est isotrope. En conséquence, grâce au grenaillage par ultrasons, on atteint un meilleur état de surface final et une mise en compression d'une épaisseur supérieure à celle atteinte par un grenaillage classique.
  • La présente invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites ci-dessus, mais peut subir différentes modifications et se présenter sous diverses variantes évidentes pour un homme du métier.

Claims (15)

  1. Procédé de traitement de surface et de mise en précontrainte de compression de la paroi intérieure d'une cavité comportant au moins un orifice, d'un tube, d'un alésage ou d'un trou usiné dans une pièce de mécanique, caractérisé en ce que l'on procède à un grenaillage par ultra-sons en introduisant dans ladite cavité une grenaille composée de billes d'un diamètre déterminé et en les mettant en résonance vibratoire au moyen d'un vibrateur disposé à proximité dudit orifice de ladite cavité et excité par un excitateur-vibreur.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise un vibrateur en forme de pot ayant une partie enflée et une partie tubulaire et en ce que l'on excite ledit vibrateur à sa ou à une de ses fréquences propres.
  3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on introduit faiblement l'extrémité libre de ladite partie tubulaire dans ladite cavité.
  4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on utilise un vibrateur dont l'extrémité libre de ladite partie tubulaire est pourvue d'un flasque d'appui et en ce que l'on plaque ledit flasque contre la matière entourant ledit orifice de ladite cavité.
  5. Procédé selon la revendication 1, appliqué à une cavité traversante, caractérisé en ce que l'on plaque sur un deuxième orifice, opposé audit orifice à proximité duquel est disposé le vibrateur, un réflecteur agencé pour renvoyer les billes dans la cavité.
  6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on utilise comme réflecteur une plaque réalisée en un métal ou un alliage métallique identique à celui du vibrateur.
  7. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on détermine les dimensions du vibrateur de telle manière qu'on obtient un noeud de vibration dans la partie enflée et un ventre de vibration à l'extrémité libre de la partie tubulaire.
  8. Procédé selon la revendication 1, appliqué à un tube dudgeonné, caractérisé en ce que l'on injecte un jet d'air comprimé par un deuxième orifice opposé audit orifice à proximité duquel est disposé le vibrateur, pour limiter le champ de déplacement des billes.
  9. Dispositif de traitement de surface et de mise en précontrainte de compression de la paroi intérieure d'une cavité comportant au moins un orifice, d'un tube, d'un alésage ou d'un trou usiné dans une pièce mécanique, pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un vibrateur (20), un excitateur-vibreur (23) agencé pour exciter le vibrateur, et de la grenaille constituée de billes (29) de diamètre prédéterminé, ces billes étant destinées à se mettre en résonance vibratoire à l'intérieur de ladite cavité (24), lorsque le vibrateur est monté à proximité de l'orifiçe(25) de cette cavité par ledit excitateur-vibreur.
  10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'excitateur-vibreur (23) est agencé pour exciter le vibrateur à sa ou à une de ses fréquences propres.
  11. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit vibrateur (20) comporte une partie enflée (31) et une partie tubulaire (22) et en ce que ses dimensions sont choisies pour qu'un noeud de vibration (30) se forme dans sa partie enflée et qu'un ventre de vibration (32) se forme à l'extrémité libre de sa partie tubulaire.
  12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite partie tubulaire (22) a une extrémité libre (21) dont la dimension transversale est légèrement inférieure à celle de l'orifice (25) de ladite cavité (24).
  13. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite partie tubulaire (22) comporte un flasque d'appui (26) à son extrémité libre (21).
  14. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte un réflecteur (27) agencé pour être plaqué contre un deuxième orifice (28) de ladite cavité (24), opposé audit orifice (25) à proximité duquel est disposé le vibrateur.
  15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit réflecteur (27) est constitué par une plaque réalisée en un métal ou un alliage métallique identique à celui du vibrateur.
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