EP2179069A2 - Piece mecanique comportant un insert en materiau composite - Google Patents

Piece mecanique comportant un insert en materiau composite

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EP2179069A2
EP2179069A2 EP08830550A EP08830550A EP2179069A2 EP 2179069 A2 EP2179069 A2 EP 2179069A2 EP 08830550 A EP08830550 A EP 08830550A EP 08830550 A EP08830550 A EP 08830550A EP 2179069 A2 EP2179069 A2 EP 2179069A2
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EP
European Patent Office
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mechanical part
insert
revolution
winding
container
Prior art date
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Granted
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EP08830550A
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German (de)
English (en)
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EP2179069B1 (fr
Inventor
Patrick Dunleavy
Jean-Michel Franchet
Gilles Klein
Richard Masson
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Safran Landing Systems SAS
Original Assignee
Messier Dowty SA
SNECMA SAS
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Publication date
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Publication of EP2179069B1 publication Critical patent/EP2179069B1/fr
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/02—Pretreatment of the fibres or filaments
    • C22C47/06—Pretreatment of the fibres or filaments by forming the fibres or filaments into a preformed structure, e.g. using a temporary binder to form a mat-like element
    • C22C47/062—Pretreatment of the fibres or filaments by forming the fibres or filaments into a preformed structure, e.g. using a temporary binder to form a mat-like element from wires or filaments only
    • C22C47/064—Winding wires
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/02—Pretreatment of the fibres or filaments
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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    • Y10T428/2933—Coated or with bond, impregnation or core
    • Y10T428/2935—Discontinuous or tubular or cellular core

Definitions

  • the present invention relates to a mechanical part comprising an insert of composite material of the type consisting of ceramic fibers in a metal matrix, as well as a method of manufacturing this mechanical part and a winding device designed for implementing the manufacturing process. .
  • the invention applies to any type of mechanical part whose function is to transmit a traction force and / or compression mainly unidirectional.
  • some mechanical parts may comprise an insert made of composite material with a metal matrix, such parts being able to be monobloc.
  • a composite material comprises a matrix of metal alloy, for example titanium alloy Ti, within which fibers extend, for example ceramic fibers of SiC silicon carbide.
  • Such fibers have a much higher tensile and compressive strength than titanium. It is therefore mainly the fibers that take up the efforts, the metal alloy matrix ensuring a binder function with the rest of the part, as well as protection and insulation of the fibers, which must not come into contact with each other. others.
  • the ceramic fibers are resistant to erosion, but must necessarily be reinforced with metal.
  • the composite materials as described above are known to be used, in the aeronautical field, for the manufacture of disks, shafts, bodies of jacks, housings, spacers or as reinforcements of single-piece parts such as blades.
  • SUBSTITUTE SHEET ( ⁇ k ⁇ 26) A technique for manufacturing these parts is described in document FR 2886290, representative of the technological background of the invention, in which one of the essential manufacturing steps consists in winding a beam or a sheet of threads coated around a piece of circular revolution perpendicular to the axis of rotation thereof.
  • the described parts thus obtained are of circular type and are particularly suitable for producing circular parts such as shafts, cylinder bodies, housings or discs.
  • connecting rods essentially oblong shape, whose function is to transmit a tensile force and / or unidirectional compression.
  • the invention particularly relates to a method of manufacturing a mechanical part comprising at least one composite material insert of the type consisting of ceramic fibers in a metal matrix capable of transmitting tensile forces and / or unidirectional compression between its ends .
  • the invention relates to a method of manufacturing a mechanical part comprising at least one insert made of metal matrix composite material within which ceramic fibers extend, the composite material insert being obtained from a plurality of coated wires each having a ceramic fiber coated with a metal sheath, the method comprising producing an insert blank with a step of winding a bundle or a bonded web of coated wires around a a piece of revolution.
  • the method comprises:
  • a step of inserting the insert blank into a first container A hot isostatic compaction step of the first container; and
  • a step of hot isostatic compaction of the second container and a step of machining the second container to form a mechanical part.
  • the mechanical part thus obtained for example a connecting rod, advantageously makes it possible to transmit unidirectional traction and / or compression forces.
  • the invention also relates to a winding device specially designed for implementing the manufacturing method according to the invention.
  • FIG. 1 represents a perspective view of an example of a mechanical part according to the prior art
  • FIG. 2 represents a perspective view of an exemplary winding device according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 3 represents a perspective view of an example of an insert blank obtained according to the manufacturing method of the invention.
  • FIG. 4 shows an example of an insert blank, of a first container intended to receive the blank of insert and metal lid intended to cover said container and the insert blank in a sealed manner;
  • FIG. 5 represents a perspective view of an example of an intermediate piece obtained during a step of the manufacturing method according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 6 represents an example of an insert, of a second container intended to receive the blank of insert and of metal lid intended to cover said container and the insert in a sealed manner;
  • FIG. 7 represents a perspective view of an example of a mechanical part obtained according to the manufacturing method of the invention
  • FIG. 8 represents a variant of the manufacturing method of the invention
  • FIG. 9 represents a sectional view of an example of a mechanical part obtained according to the variant of the manufacturing method of the invention.
  • FIG. 10 represents a perspective view of the example of a mechanical part obtained according to the variant of the manufacturing method of the invention.
  • FIG. 11 represents a schematic view of an insert blank according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 12 represents a schematic view of an insert blank according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 13 represents a schematic view of an insert blank according to a third embodiment of the invention
  • FIG. 14 represents a perspective view of an example of a winding device according to a third embodiment of the invention.
  • Figure 15 shows a perspective view of an undercarriage comprising a mechanical part according to the invention.
  • FIG. 1 represents an example of a mechanical part such as a rod 1 whose shape is generally oblong, that is to say of elongated shape. It has two ends 13 and 14.
  • the function of a connecting rod 1 is to transmit a movement, and / or tensile forces T and / or compression C, between two parts articulated at its ends along parallel axes Z1 and Z2 .
  • the connecting rod 1 has at each of its ends 13 and 14 a cylindrical recess 11 or 12 whose axes correspond to the parallel axes Z1 and Z2.
  • This type of connecting rod 1 can be used, for example, in the design of the undercarriages or in that of turbomachines comprising rods of recovery of thrust force.
  • FIG. 2 represents an example of a winding device 20 according to a first embodiment of the invention.
  • the winding device 20 is particularly suitable for producing an insert 3 for a mechanical part 10 or 110 such as a connecting rod.
  • This winding device 20 comprises a hollow part of revolution 2 of oblong shape acting as a mandrel and two flanges 21 and 22 of oblong and substantially identical shape.
  • the piece of revolution 2 has a geometry of revolution, that is to say a geometry describing a closed structure most often curved.
  • the dimensions of the flanges 21 and 22 are greater than the dimensions of the part of revolution 2 so that the periphery 27 of each flange 21 and 22 extends beyond the periphery of the part of revolution 2.
  • the piece of revolution 2 is sandwiched between the flanges 21 and 22.
  • the son 32 are wound on the part of revolution 2 when the winding device 20 is rotated along the winding axis Z.
  • the flanges 21 and 22 retain axially the son coatings 32 and guide them.
  • the winding device 20 belongs to an assembly forming a winding system.
  • the winding system further comprises means for rotating the winding device 20 and means for providing a bundle or a bonded sheet of coated threads 32.
  • the part of revolution 2 comprises two rectilinear winding portions 24. These rectilinear winding portions 24 are oriented perpendicularly to the winding axis Z. Thus, at least a part of the winding of the wires 32 around the piece of revolution 2 s' performs in a rectilinear direction.
  • the winding of the coated threads 32 is carried out perpendicularly to the winding axis Z, that is to say the coated son 32 are substantially oriented perpendicular to the winding axis Z.
  • these rectilinear winding portions 24 are parallel and interposed between two circular portions 25. It is possible to vary the dimensions of the part of revolution 2, in particular its thickness in the axial direction Z, the length of the rectilinear winding portions 24 and the radius of curvature of the circular pieces 25, depending on the dimensions of the desired insert 3.
  • the circular pieces 25 may also have different radii. Thus, the portions of rectilinear windings 24 may not be parallel.
  • the winding around the part of revolution 2 having rectilinear winding portions 24 makes it possible to generate in a short time an insert blank 33 comprising at least one rectilinear generator consisting of a large number of parallel and unidirectional coated wires 32.
  • the blank 33 of insert 3 once wound, can be removed from the winding device 20 by separating the flanges 21 and 22 from one another.
  • the shape of the blank 33 of insert 3 thus formed must be fixed to prevent the son 32 lose their orientation. Several techniques can be implemented for this purpose.
  • a first technique for maintaining the blank 33 of insert 3 consists in providing, at the beginning of winding, a step of winding a first metallic tinsel of attachment of the inner part of insert blank 33 3 and, at the end of winding, a step of winding a second metal glue 28 hooking the outer portion of the insert blank 33 3.
  • the first metal foil is the piece of revolution 2.
  • Coated son 32 are thus between the foils 2 and 28 as shown in Figure 3.
  • each flange 21 and 22 has notches 23 on its periphery 27.
  • Each notch 23 of the flange 21 is disposed opposite a notch 23 of the flange 22, thus forming a pair of notches 23.
  • the fixing of the metal straps 31 is facilitated by the dimensions of the notches 23 extending inwardly of the flanges 21 and 22 to a depth d.
  • the depth d of the notches 23 must be such that it is possible to access the hollow interior 29 of the part of revolution 2 which is arranged around a hub of the winding device 20, not visible in FIG. 2, comprising an alternation of notches and teeth, the notches of the hub being in phase with the notches 23 of the flanges 21 and 22.
  • the depth d extends beyond the winding surface of the part of revolution 2.
  • Each pair of notches 23 is intended to allow the attachment of a metal strap 31.
  • the metal straps 31 are made of a metallic material identical to that of the containers 4 and 104, described in connection with FIGS. 4 and 6, and The metal straps 31 are fixed around the insert blank 33 by a contact welding process. The metal straps 31 are arranged at regular intervals on the blank 33 wound insert 3.
  • Figure 3 An example of a draft 33 of insert 3 thus obtained is shown in Figure 3. It consists of a piece of oblong revolution having two rectilinear portions 34 and parallel interposed between two circular portions 35.
  • a second technique for maintaining the shape of the blank 33 of insert 3, which does not require the use of straps 31, consists in providing a part of revolution 2 forming an oblong mandrel comprising at least one radial flange, for example with section transverse L-shaped or U-shaped, on which the wires 32 are wound.
  • a bonded sheet of coated threads 32 is used, it is possible to secure it to the piece of revolution 2 on which it is wound and to the sheet of the lower layer by means of a contact welding process between two electrodes and passage of a medium frequency current.
  • the wires 32 are thus welded as winding progresses so that, when the blank 33 of insert 3 is extracted from the winding device 20, it forms a part integral with the part of revolution 2.
  • the blank 33 of the insert 3 is then inserted into a first container 4, as shown in FIG. 4.
  • the container 4 comprises for this purpose a groove 41 of shape complementary to the insert blank 33 and in which the cover blank 33 is lodged.
  • a cover 5 is attached to the container 4 by electron beam welding, evacuated, and then compacted by a hot isostatic compaction process.
  • the part thus obtained, shown in FIG. 5, contains the blank 33 of the insert 3.
  • the parts that most effectively contribute to transmitting tensile forces and / or unidirectional compression are the straight portions
  • the hot isostatic compaction method is followed by a machining step for extracting at least one rectilinear portion 34 forming an insert 3.
  • a machining step for extracting at least one rectilinear portion 34 forming an insert 3.
  • the inserts 3 obtained after machining are then inserted into a second container 104.
  • the second container
  • the inserts 3 are arranged in the second container 104 in parallel. It is also possible to arrange them in a non-parallel manner depending on the shape of the desired final mechanical part. It is also possible to insert only one insert 3 into a container 104 depending on the dimensions of the desired final mechanical part.
  • the assembly is then machined to obtain the final mechanical part 10: a connecting rod 10, shown in FIG. 7.
  • the connecting rod 10, of identical shape to the connecting rod 1 of FIG. 1, furthermore comprises a plurality of material inserts. composite 3, whose son 32 are oriented in a rectilinear direction. This rectilinear direction is perpendicular to the axes Z1 and Z2.
  • This link 10 advantageously allows to transmit the unidirectional traction and / or compression forces. All the son of an insert 3 are oriented in the same rectilinear direction.
  • the invention applies to any type of mechanical part whose function is to transmit a traction force and / or compression mainly unidirectional and is therefore not limited only to connecting rods that are only an example of application.
  • the mechanical part may be of more complex shape and comprise a plurality of inserts 3, each insert 3 having threads 32 oriented in a rectilinear direction.
  • the manufacturing method is modified by using a second container 104 comprising on either side of two of its opposite faces 42 grooves 41 intended to receive inserts 3.
  • the mechanical part 110 obtained is that represented in FIG. 9 and thus comprises inserts 3.
  • the inserts 3 are positioned on either side of a median plane P1 of the mechanical part 110. They are positioned in planes P2 and P3 forming an angle ⁇ not zero between them.
  • Figure 10 shows, in perspective, a mechanical part 110 thus obtained.
  • This mechanical part 110 may also include recesses 15 intended to reduce the mass.
  • a part of revolution 2 comprising rectilinear winding portions 24 longer than those of the first embodiment, is used.
  • the blank 133 is cut by extracting several inserts 3 on the same rectilinear portion 34 of the blank 133.
  • Figure 11 corresponds to the first embodiment of the invention.
  • a large number of inserts 3 can be obtained by using a polygon-shaped piece of revolution 233, that is to say a piece of revolution 220 comprising a plurality of rectilinear winding portions 224.
  • FIG. 13 shows an example of blank 233 of inserts 3 obtained according to this third embodiment.
  • the polygon-shaped blank 233 shown by way of example, is a hexagon with six portions rectilinear 34 and twelve cutting planes 36. It is possible to obtain a number of different inserts of six using a polygon having a number of sides less than or greater than six.
  • winding device 220 comprising a piece of revolution 202 in the form of a polygon
  • this piece of revolution 202 may preferably be sandwiched into two flanges 221 and 222 in form of polygon.
  • the winding device 220 of the third embodiment according to the invention, shown in FIG. 14, has common characteristics with the winding device 20 of the first embodiment of the invention by the presence of the notches 223 on its periphery 227. and the hollow interior 229 of the revolution piece 202 in the form of a polygon, its operation being identical.
  • Such mechanical parts 10 or 110 are perfectly suitable for aeronautical applications, for example for undercarriages or for turbomachines intended for an aircraft.
  • An undercarriage 6 comprises a casing 61 constituting the major structural part, and arms 62.
  • the arms 62 are intended to transmit a mainly unidirectional traction and / or compression force.
  • the arms 62 may therefore constitute mechanical parts according to the invention without forming rods 110.
  • the inserts 3 are contained in the arms 62.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce mécanique (10, 110) comportant au moins un insert (3) en matériau composite à matrice métallique au sein de laquelle s'étendent des fibres céramiques, l'insert (3) en matériau composite étant obtenu à partir d'une pluralité de fils enduits (32) comportant chacun une fibre céramique enrobée d'une gaine métallique, le procédé comprenant la fabrication d'une ébauche (33) d'insert (3) avec une étape de bobinage d'un faisceau ou d'une nappe liée de fils enduits (32) autour d'une pièce de révolution (2, 202). Selon l'invention, au moins une partie du bobinage s'effectue selon au moins une direction rectiligne. En outre, le procédé comprend : une étape d'insertion de l'ébauche (33) d'insert (3) dans un premier conteneur (4); une étape de compaction isostatique à chaud du premier conteneur (4); et une étape d'usinage du premier conteneur (4) pour former un insert (3) rectiligne. L'invention concerne également une pièce mécanique (10) ainsi obtenue et un dispositif de bobinage (20) conçu pour la mise en œuvre du procédé de fabrication selon l'invention.

Description

Pièce mécanique comportant un insert en matériau composite
La présente invention concerne une pièce mécanique comportant un insert en matériau composite du type constitué de fibres céramiques dans une matrice métallique, ainsi qu'un procédé de fabrication de cette pièce mécanique et un dispositif de bobinage conçu pour la mise en œuvre du procédé de fabrication. L'invention s'applique à tout type de pièce mécanique dont la fonction est de transmettre un effort de traction et/ou de compression principalement unidirectionnel.
Dans le domaine aéronautique, notamment, un objectif constant est l'optimisation de la résistance des pièces mécaniques pour une masse et un encombrement minimaux. Ainsi, certaines pièces mécaniques peuvent comporter un insert en matériau composite à matrice métallique, de telles pièces pouvant être monoblocs. Un tel matériau composite comporte une matrice d'alliage métallique, par exemple d'alliage de titane Ti, au sein de laquelle s'étendent des fibres, par exemple des fibres céramiques de carbure de silicium SiC. De telles fibres présentent une résistance en traction et en compression bien supérieure à celle du titane. Ce sont donc principalement les fibres qui reprennent les efforts, la matrice d'alliage métallique assurant une fonction de liant avec le reste de la pièce, ainsi que de protection et d'isolation des fibres, qui ne doivent pas entrer en contact les unes avec les autres. En outre, les fibres céramiques sont résistantes à l'érosion, mais doivent nécessairement être renforcées par du métal.
Les matériaux composites tels que décrits ci-dessus sont connus pour être utilisés, dans le domaine aéronautique, pour la fabrication de disques, d'arbres, de corps de vérins, de carters, d'entretoises ou comme renforts de pièces monoblocs telles que des aubes.
FEUILLE DE REMPLACEMENT (Ëkφ 26) Une technique de fabrication de ces pièces est décrite dans le document FR 2886290, représentatif de l'arrière plan technologique de l'invention, dans lequel une des étapes essentielles de fabrication consiste à effectuer un bobinage d'un faisceau ou d'une nappe de fils enduits autour d'une pièce de révolution circulaire perpendiculairement à l'axe de rotation de celle-ci. Les pièces décrites ainsi obtenues sont de type circulaire et conviennent particulièrement pour la réalisation de pièces circulaires telles que des arbres, des corps de vérins, des carters ou des disques.
Toutefois, certaines pièces mécaniques requièrent des propriétés différentes de celles présentées par les pièces circulaires. C'est le cas notamment des bielles, de forme essentiellement oblongue, dont la fonction est de transmettre un effort de traction et/ou de compression unidirectionnel.
L'invention a notamment pour objet un procédé de fabrication d'une pièce mécanique comportant au moins un insert en matériau composite du type constitué de fibres céramiques dans une matrice métallique capable de transmettre des efforts de traction et/ou de compression unidirectionnels entre ses extrémités.
A cet effet, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce mécanique comportant au moins un insert en matériau composite à matrice métallique au sein de laquelle s'étendent des fibres céramiques, l'insert en matériau composite étant obtenu à partir d'une pluralité de fils enduits comportant chacun une fibre céramique enrobée d'une gaine métallique, le procédé comprenant la fabrication d'une ébauche d'insert avec une étape de bobinage d'un faisceau ou d'une nappe liée de fils enduits autour d'une pièce de révolution. Selon l'invention, au moins une partie du bobinage s'effectue selon au moins une direction rectiligne. En outre, le procédé comprend :
• une étape d'insertion de l'ébauche d'insert dans un premier conteneur ; • une étape de compaction isostatique à chaud du premier conteneur ; et
• une étape d'usinage du premier conteneur pour former un insert rectiligne.
Après la fabrication de l'insert, le procédé de fabrication d'une pièce mécanique est suivi des étapes suivantes :
• une étape d'insertion de l'insert dans un second conteneur ;
• une étape de compaction isostatique à chaud du second conteneur ; et • une étape d'usinage du second conteneur pour former une pièce mécanique.
La pièce mécanique ainsi obtenue, par exemple une bielle, permet avantageusement de transmettre des efforts de traction et/ou de compression unidirectionnels.
L'invention se rapporte également à un dispositif de bobinage spécialement conçu pour la mise en œuvre du procédé de fabrication selon l'invention.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description détaillée qui suit en référence aux figures annexées sur lesquelles :
• la figure 1 représente une vue en perspective d'un exemple de pièce mécanique selon l'art antérieur ; • la figure 2 représente une vue en perspective d'un exemple de dispositif de bobinage selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
• la figure 3 représente une vue en perspective d'un exemple d'ébauche d'insert obtenu selon le procédé de fabrication de l'invention ;
• la figure 4 représente un exemple d'ébauche d'insert, d'un premier conteneur destiné à accueillir l'ébauche d'insert et de couvercle métallique destiné à recouvrir de manière étanche ledit conteneur et l'ébauche d'insert ;
• la figure 5 représente une vue en perspective d'un exemple d'une pièce intermédiaire obtenue au cours d'une étape du procédé de fabrication selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
• la figure 6 représente un exemple d'insert, d'un second conteneur destiné à accueillir l'ébauche d'insert et de couvercle métallique destiné à recouvrir de manière étanche ledit conteneur et l'insert ;
• la figure 7 représente une vue en perspective d'un exemple de pièce mécanique obtenue selon le procédé de fabrication de l'invention ; • la figure 8 représente une variante du procédé de fabrication de l'invention ;
• la figure 9 représente une vue en coupe d'un exemple de pièce mécanique obtenue selon la variante du procédé de fabrication de l'invention ; et • la figure 10 représente une vue en perspective de l'exemple de pièce mécanique obtenue selon la variante du procédé de fabrication de l'invention.
• la figure 11 représente une vue schématique d'une ébauche d'insert selon un premier mode de réalisation de l'invention ; • la figure 12 représente une vue schématique d'une ébauche d'insert selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
• la figure 13 représente une vue schématique d'une ébauche d'insert selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; « la figure 14 représente une vue en perspective d'un exemple de dispositif de bobinage selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; et
• la figure 15 représente une vue en perspective d'un atterrisseur comportant une pièce mécanique selon l'invention.
Les techniques de fabrication d'une pièce mécanique, comportant un insert en matériau composite, décrites dans le document FR 2886290 sont utilisables dans le cadre de la présente invention. Ainsi, l'enseignement de ce document doit être considéré comme étant incorporé dans la présente demande, par exemple, et de manière non limitative, la structure des fils enduits, leur fabrication, la fabrication d'une nappe liée de fils enduits, la solidarisation de cette nappe soit sur le support métallique sur lequel elle est enroulée soit à la nappe de couche inférieure, le soudage des fils par laser ou par contact entre deux électrodes, la compaction isostatique à chaud et l'usinage.
La figure 1 représente un exemple de pièce mécanique telle qu'une bielle 1 dont la forme est généralement oblongue, c'est-à-dire de forme allongée. Elle comporte deux extrémités 13 et 14. La fonction d'une bielle 1 est de transmettre un mouvement, et/ou des efforts de traction T et/ou de compression C, entre deux pièces articulées à ses extrémités suivant des axes parallèles Zl et Z2. La bielle 1 comporte à chacune de ses extrémités 13 et 14 un évidement cylindrique 11 ou 12 dont les axes correspondent aux axes parallèles Zl et Z2. Ce type de bielle 1 peut être utilisé, par exemple, dans la conception des atterrisseurs ou dans celle des turbomachines comportant des bielles de reprise d'effort de poussée.
La figure 2 représente un exemple de dispositif de bobinage 20 selon un premier mode de réalisation de l'invention. Dans cet exemple, le dispositif de bobinage 20 est particulièrement adapté pour la réalisation d'un insert 3 pour une pièce mécanique 10 ou 110 telle qu'une bielle. Ce dispositif de bobinage 20 comporte une pièce de révolution 2 creuse de forme oblongue jouant le rôle de mandrin et deux flasques 21 et 22 de forme oblongue et sensiblement identiques. La pièce de révolution 2 est à géométrie de révolution, c'est-à-dire une géométrie décrivant une structure fermée le plus souvent courbe. Les dimensions des flasques 21 et 22 sont supérieures aux dimensions de la pièce de révolution 2 de sorte que la périphérie 27 de chaque flasque 21 et 22 s'étende au-delà de la périphérie de la pièce de révolution 2. La pièce de révolution 2 est prise en sandwich entre les flasques 21 et 22. Les fils 32 s'enroulent sur la pièce de révolution 2 lorsque le dispositif de bobinage 20 est mis en rotation selon l'axe de bobinage Z. Les flasques 21 et 22 retiennent axialement les fils enduits 32 et les guident.
Le dispositif de bobinage 20 appartient à un ensemble formant un système de bobinage. Le système de bobinage comprend en outre des moyens pour mettre en rotation le dispositif de bobinage 20 et des moyens de fourniture d'un faisceau ou d'une nappe liée de fils enduits 32.
La pièce de révolution 2 comporte deux portions de bobinage rectilignes 24. Ces portions de bobinage rectilignes 24 sont orientées perpendiculairement à l'axe de bobinage Z. Ainsi, au moins une partie du bobinage des fils 32 autour de la pièce de révolution 2 s'effectue selon une direction rectiligne. Le bobinage des fils enduits 32 s'effectue de manière perpendiculaire à l'axe de bobinage Z, autrement dit les fils enduits 32 sont sensiblement orientés perpendiculairement à l'axe de bobinage Z.
Dans l'exemple représenté sur la figure 2, ces portions de bobinage rectilignes 24 sont parallèles et intercalées entre deux portions circulaires 25. Il est possible de faire varier les dimensions de la pièce de révolution 2, notamment son épaisseur selon la direction axiale Z, la longueur des portions de bobinage rectilignes 24 et le rayon de courbure des pièces circulaires 25, en fonction des dimensions de l'insert 3 souhaité. Les pièces circulaires 25 peuvent également comporter des rayons différents. Ainsi, les portions de bobinages rectilignes 24 peuvent ne pas être parallèles.
Le bobinage autour de la pièce de révolution 2 comportant des portions de bobinage rectilignes 24 permet de générer en peu de temps une ébauche 33 d'insert 3 comportant au moins une génératrice rectiligne constituée d'un grand nombre de fils enduits 32 parallèles et unidirectionnels.
L'ébauche 33 d'insert 3, une fois bobiné, peut être retiré du dispositif de bobinage 20 en désolidarisant les flasques 21 et 22 l'un de l'autre. La forme de l'ébauche 33 d'insert 3 ainsi formé doit être figée pour éviter que les fils 32 perdent leur orientation. Plusieurs techniques peuvent être mises en œuvre dans ce but.
Une première technique de maintien en forme de l'ébauche 33 d'insert 3 consiste à prévoir, en début de bobinage, une étape de bobinage d'un premier clinquant métallique d'accrochage de la partie interne de l'ébauche 33 d'insert 3 et, en fin de bobinage, une étape de bobinage d'un second clinquant 28 métallique d'accrochage de la partie externe de l'ébauche 33 d'insert 3. Dans cet exemple, le premier clinquant métallique constitue la pièce de révolution 2. Les fils enduits 32 se trouvent donc ainsi entre les clinquants 2 et 28, comme représenté sur la figure 3.
Par ailleurs, comme illustré sur la figure 2, chaque flasque 21 et 22 comporte des encoches 23 sur sa périphérie 27. Chaque encoche 23 du flasque 21 est disposée en vis-à-vis d'une encoche 23 du flasque 22, formant ainsi une paire d'encoches 23. La fixation des sangles métalliques 31 est facilitée par les dimensions des encoches 23 s'étendant vers l'intérieur des flasques 21 et 22 sur une profondeur d. La profondeur d des encoches 23 doit être telle qu'il soit possible d'accéder à l'intérieur creux 29 de la pièce de révolution 2 laquelle est disposée autour d'un moyeu du dispositif de bobinage 20, non visible sur la figure 2, comprenant une alternance d'encoches et de dents, les encoches du moyeu étant en phase avec les encoches 23 des flasques 21 et 22. La profondeur d s'étend au-delà de la surface de bobinage de la pièce de révolution 2.
Chaque paire d'encoches 23 est destinée à permettre la fixation d'une sangle métallique 31. Les sangles métalliques 31 sont constituées d'un matériau métallique identique à celui des conteneurs 4 et 104, décrit en liaison avec les figures 4 et 6, et de la pièce de révolution 2. Les sangles métalliques 31 sont fixées autour de l'ébauche 33 d'insert 3 par un procédé de soudage par contact. Les sangles métalliques 31 sont disposées à intervalles réguliers sur l'ébauche 33 d'insert 3 bobiné.
Une fois l'ébauche 33 d'insert 3 bobiné et les sangles métalliques 31 mises en place, celle-ci peut être retirée du dispositif de bobinage 20 en désolidarisant les flasques 21 et 22 l'un de l'autre. Un exemple d'ébauche 33 d'insert 3 ainsi obtenue est représentée en figure 3. Elle consiste en une pièce de révolution de forme oblongue comportant deux portions rectilignes 34 et parallèles intercalées entre deux portions circulaires 35.
Une deuxième technique de maintien en forme de l'ébauche 33 d'insert 3, ne nécessitant pas l'utilisation de sangles 31, consiste à prévoir une pièce de révolution 2 formant un mandrin oblong comportant au moins un rebord radial, par exemple à section transversale en L ou en U, sur lequel s'enroulent les fils 32. Lorsqu'une nappe liée de fils enduits 32 est utilisée, il est possible de la solidariser à la pièce de révolution 2 sur laquelle elle est enroulée et à la nappe de la couche inférieure au moyen d'un procédé par soudage par contact entre deux électrodes et passage d'un courant moyenne fréquence. Les fils 32 sont ainsi soudés au fur et à mesure du bobinage de sorte que, lorsque l'ébauche 33 d'insert 3 est extraite du dispositif de bobinage 20, elle forme une pièce solidaire avec la pièce de révolution 2.
L'ébauche 33 d'insert 3 est ensuite insérée dans un premier conteneur 4, comme représenté sur la figure 4. Le conteneur 4 comporte à cet effet une rainure 41 de forme complémentaire à l'ébauche 33 d'insert 3 et dans laquelle vient se loger l'ébauche 33 d'insert 3. Un couvercle 5 est rapporté sur le conteneur 4 par soudage par faisceau d'électrons, mis sous vide, puis compacté par un procédé de compaction isostatique à chaud. La pièce ainsi obtenue, représentée sur la figure 5, contient l'ébauche 33 d'insert 3. Dans l'ébauche 33 d'insert 3 décrivant une révolution, les parties contribuant le plus efficacement à transmettre des efforts de traction et/ou de compression unidirectionnels sont les portions rectilignes
34 de fils enduits 32. Le procédé de compaction isostatique à chaud est suivi par une étape d'usinage visant à extraire au moins une portion rectiligne 34 formant un insert 3. Comme représenté sur la figure 6, les inserts 3 obtenus après usinage sont ensuite insérés dans un second conteneur 104. Le second conteneur
104 comporte à cet effet des rainures 141 de forme complémentaire aux inserts 3 et dans lesquelles viennent se loger les inserts 3. Un couvercle
105 est rapporté sur le conteneur 104 par soudage par faisceau d'électrons, mis sous vide, puis compacté par un procédé de compaction isostatique à chaud. Sur la figure 6, les inserts 3 sont disposés dans le second conteneur 104 de manière parallèle. Il est également possible de les disposer de manière non parallèle selon la forme de la pièce mécanique finale souhaitée. Il est également possible de n'insérer qu'un seul insert 3 dans un conteneur 104 en fonction des dimensions de la pièce mécanique 10 finale souhaitée.
L'ensemble est ensuite usiné pour obtenir la pièce mécanique 10 finale : une bielle 10, représentée sur la figure 7. La bielle 10, de forme identique à la bielle 1 de la figure 1, comporte en outre une pluralité d'insert en matériau composite 3, dont les fils 32 sont orientés selon une direction rectiligne. Cette direction rectiligne est perpendiculaire aux axes Zl et Z2. Cette bielle 10 permet avantageusement de transmettre les efforts de traction et/ou de compression unidirectionnels. Tous les fils d'un insert 3 sont orientés selon une même direction rectiligne.
L'invention s'applique à tout type de pièce mécanique dont la fonction est de transmettre un effort de traction et/ou de compression principalement unidirectionnel et ne se limite donc pas uniquement aux bielles qui ne constituent qu'un exemple d'application.
Selon une variante de l'invention, la pièce mécanique peut être de forme plus complexe et comporter une pluralité d'inserts 3, chaque insert 3 comportant des fils 32 orientés selon une direction rectiligne. Dans l'exemple représenté en figure 8, le procédé de fabrication est modifié en utilisant un second conteneur 104 comportant de part et d'autre de deux de ses faces opposées 42 des rainures 41 destinées à accueillir des inserts 3. Après compaction isostatique à chaud et usinage, la pièce mécanique 110 obtenue est celle représentée en figure 9 et comporte ainsi des inserts 3. Les inserts 3 sont positionnés de part et d'autre d'un plan médian Pl de la pièce mécanique 110. Ils sont positionnés dans des plans P2 et P3 formant un angle α non nul entre eux. La figure 10 montre, en perspective, une pièce mécanique 110 ainsi obtenue. Cette pièce mécanique 110 peut également comporter des évidements 15 destinés à en diminuer la masse.
Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, représenté à la figure 12, une pièce de révolution 2, comportant des portions de bobinage rectilignes 24 plus longues que celles du premier mode de réalisation, est utilisée. De cette manière, il est possible d'extraire et de fabriquer un plus grand nombre d'inserts 3. Pour ce faire, l'ébauche 133 est découpée en extrayant plusieurs inserts 3 sur une même portion rectiligne 34 de l'ébauche 133.
La figure 11 correspond au premier mode de réalisation de l'invention.
Selon le troisième mode de réalisation de l'invention, un grand nombre d'inserts 3 peut être obtenu par l'utilisation d'une pièce de révolution 233 en forme de polygone, c'est-à-dire une pièce de révolution 220 comportant une pluralité de portions de bobinage rectilignes 224. La figure 13 représente un exemple d'ébauche 233 d'inserts 3 obtenue selon ce troisième mode de réalisation. L'ébauche 233 en forme de polygone, représenté à titre d'exemple, est un hexagone comportant six portions rectilignes 34 et douze plans de découpe 36. Il est possible d'obtenir un nombre d'inserts différents de six en utilisant un polygone comportant un nombre de côtés inférieur ou supérieur à six.
Pour obtenir une telle ébauche, il est nécessaire d'utiliser un dispositif de bobinage 220 comportant une pièce de révolution 202 en forme de polygone, cette pièce de révolution 202 pouvant, de préférence, être prise en sandwich en deux flasques 221 et 222 en forme de polygone. Le dispositif de bobinage 220 du troisième mode de réalisation selon l'invention, représenté sur la figure 14, présente des caractéristiques communes avec le dispositif de bobinage 20 du premier mode de réalisation de l'invention par la présence des encoches 223 sur sa périphérie 227 et l'intérieur creux 229 de la pièce de révolution 202 en forme de polygone, son fonctionnement étant identique.
De telles pièces mécaniques 10 ou 110 conviennent parfaitement pour les applications aéronautiques, par exemple pour les atterrisseurs ou pour les turbomachines destinés à un aéronef.
Un exemple d'atterrisseur 6 est représenté en figure 15. Un atterrisseur 6 comporte un caisson 61, constituant la pièce structurale majeure, et des bras 62. Les bras 62 sont destinés à transmettre un effort de traction et/ou de compression principalement unidirectionnel. Les bras 62 peuvent donc constituer des pièces mécaniques conformes à l'invention sans pour autant former des bielles 110. Dans ce cas, les inserts 3 sont contenus dans les bras 62.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'une pièce mécanique (10, 110) comportant au moins un insert (3) en matériau composite à matrice métallique au sein de laquelle s'étendent des fibres céramiques, l'insert (3) en matériau composite étant obtenu à partir d'une pluralité de fils enduits (32) comportant chacun une fibre céramique enrobée d'une gaine métallique, le procédé comprenant la fabrication d'une ébauche (33) d'insert (3) avec une étape de bobinage d'un faisceau ou d'une nappe liée de fils enduits (32) autour d'une pièce de révolution (2, 202), caractérisé en ce que au moins une partie du bobinage s'effectue selon au moins une direction rectiligne, et en ce que le procédé comprend en outre :
• une étape d'insertion de l'ébauche (33) d'insert (3) dans un premier conteneur (4) ;
• une étape de compaction isostatique à chaud du premier conteneur (4) ; et • une étape d'usinage du premier conteneur (4) pour former un insert (3) rectiligne.
2. Procédé de fabrication d'une pièce mécanique (10, 110) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes suivantes :
• une étape d'insertion de l'insert (3) dans un second conteneur (104) ; une étape de compaction isostatique à chaud du second conteneur (104) ; et • une étape d'usinage du second conteneur (104) pour former une pièce mécanique (10).
3. Procédé de fabrication d'une pièce mécanique (10, 110) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la pièce de révolution
(2, 202) comporte au moins une portion de bobinage rectiligne (24).
4. Procédé de fabrication d'une pièce mécanique (10, 110) selon la revendication 3, caractérisé en ce que la pièce de révolution (2) comporte deux portions de bobinage rectilignes (24).
5. Procédé de fabrication d'une pièce mécanique (10, 110) selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deux portions rectilignes (24) sont intercalées entre deux portions circulaires (25).
6. Procédé de fabrication d'une pièce mécanique (10, 110) selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux portions circulaires (25) ont des rayons différents.
7. Procédé de fabrication d'une pièce mécanique (10, 110) selon l'une revendications 4 à 5, caractérisé en ce que les deux portions rectilignes (24) sont parallèles.
8. Procédé de fabrication d'une pièce mécanique (10, 110) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le bobinage s'effectue autour d'une pièce de révolution (202) en forme de polygone.
9. Pièce mécanique (10, 110, 62) comportant au moins un insert (3) en matériau composite à matrice métallique, au sein de laquelle s'étendent des fibres céramiques, l'insert (3) en matériau composite étant obtenu à partir d'une pluralité de fils (32) enduits comportant chacun une fibre céramique enrobée d'une gaine métallique, caractérisée en ce que l'insert (3) comporte des fils (32) orientés selon une direction rectiligne.
10. Pièce mécanique (110) selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux inserts (3) positionnés de part et d'autre d'un plan médian (Pl) de la pièce mécanique (10).
11. Pièce mécanique (110) selon la revendication 10, caractérisée en ce que les deux inserts (3) sont positionnés dans des plans (P2, P3) formant un angle (α) entre eux.
12. Pièce mécanique (10, 110) selon l'une des revendications 9 à 11 caractérisé en ce qu'elle constitue une bielle.
13. Atterrisseur (6) comportant au moins une pièce mécanique (10, 110, 62) selon l'une des revendications 9 à 12.
14. Turbomachine comportant au moins une pièce mécanique (10, 110) selon l'une des revendications 9 à 12.
15. Aéronef comportant une pièce mécanique selon l'une des revendications 9 à 12, un atterrisseur selon la revendication 13 ou une turbomachine selon la revendication 14.
16. Dispositif de bobinage (220) comportant une pièce de révolution (202) d'axe (Z) autour de laquelle peuvent s'enrouler des fils (32) caractérisé en ce que la pièce de révolution (202) possède une forme de polygone.
17. Dispositif de bobinage (220) selon la revendication 16 caractérisé en ce qu'il comporte deux flasques (221, 222) en forme de polygone, la pièce de révolution (202) en forme de polygone étant prise en sandwich entre les deux flasques (221, 222).
18. Dispositif de bobinage (220) selon la revendication 17 caractérisé en ce que chaque flasque (221, 222) comporte des encoches (223) sur sa périphérie (227).
19. Dispositif de bobinage (220) selon la revendication 18 caractérisé en ce que la pièce de révolution (202) comporte un intérieur creux (229), la profondeur des encoches (223) permettant d'accéder à l'intérieur creux (229) de la pièce de révolution (202).
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