EP3086891B1 - Outillage de forgeage pour la fabrication d'une couronne laminee de forme, notamment pour la fabrication d'un disque de turbomachine - Google Patents

Outillage de forgeage pour la fabrication d'une couronne laminee de forme, notamment pour la fabrication d'un disque de turbomachine Download PDF

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EP3086891B1
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21H—MAKING PARTICULAR METAL OBJECTS BY ROLLING, e.g. SCREWS, WHEELS, RINGS, BARRELS, BALLS
    • B21H1/00—Making articles shaped as bodies of revolution
    • B21H1/06—Making articles shaped as bodies of revolution rings of restricted axial length

Definitions

  • One aspect of the present invention is a forging tool for the manufacture of a shaped rolled-up ring, in particular for the manufacture of a turbomachine disk, made with such a tool.
  • the object of the invention is to improve a roughing stage of manufacture of certain turbomachine discs, which is used forging, and more specifically to a rolling.
  • a blank of the crown disc, heated to a sufficient temperature, is introduced into a tool which reduces its section, while enlarging the radius of the crown. This contributes to obtain discs of relatively large diameter, with large bores in the center.
  • the manufacture of the disc is then continued by other methods.
  • a tool with two mandrels, however, lacking the original features of the invention, is described in DE-299 07 807 U .
  • certain new alloys are envisaged to increase the resistance of the discs.
  • These are, for example, nickel-based alloys or nickel-chromium, such as Rene 65 or AD730 superalloys.
  • the window of temperatures suitable for forging is much smaller for such alloys than for conventional alloys such as Inconel 718, commonly used so far for such applications.
  • the parts, out of the oven and subjected to rolling take little time to cool too much in the air, and then it is observed that cracks can appear in the rolled crown.
  • the quality of the crown is then compromised, since the defects created do not disappear during the subsequent stages of manufacture.
  • the rolling operation is therefore carried out in practice in several steps, between which the blank of the disk is put back to heat to the desired temperature. This can greatly lengthen the manufacturing time, since many of these heat rebates (typically one to three) are in practice necessary. In some embodiments, their number is reduced by accepting a beginning of appearance of the cracks, which are then removed by grinding the blank at their places before resuming heating, then rolling. It is clear, however, that grinding itself consumes time as well as matter.
  • one aspect of the invention is a tool for rolling a piece in the form of a crown, comprising two mandrels rotating about axes parallel to each other and each comprising a circular impression of receiving the crown, the impressions comprising a bottom face and side faces, characterized in that the bottom face of each of the mandrels is connected to the side faces by curved portions having radii of curvature of between 10 and 20 mm.
  • the crowns are from 300 mm to 1500 mm outside diameter leaving this rolling, and are made of an alloy based on nickel or nickel-chromium.
  • the radii of curvature can typically be included preferably from 12 mm to 15 mm.
  • the bottom face is cylindrical or conical, defined by a rectilinear generatrix, and the lateral faces are conical, and defined by rectilinear generators too.
  • the crowns whose section is essentially polygonal and generally quadrangular between the bottom faces defining their inner radius and their outer radius, and the lateral faces defining their lateral sides, normally acquire sharp-angled connections between these faces during rolling achieved with known tools.
  • these connections arrive in front of the curved portions, which crush the sharp corners and maintain the connections to radii of curvature. Cracks forming first at sharp angles, they can not appear, or more easily, with the invention.
  • Another aspect is a method of manufacturing a turbomachine disk, comprising a rolling roughing step where the disk arrives in the form of a ring and a section of which is reduced by rolling, characterized in that said step is accomplished by a tooling according to the above, the ring being of substantially polygonal section and having corners located on the curved portions, and also curved during the process.
  • the invention is part of a method of manufacturing a turbomachine disk, in particular of large diameter, and constitutes a first step of this method, the following, which are not modified, will not be described. It relates to the rolling of a ring 7, which is a blank of the disc, to reduce its section, increasing its diameter. It uses tools that include, as shown in figure 1 , a motor mandrel 1 and a crazy mandrel 2, located side by side, and rotating about axes O1 and O2 parallel, and vertical in the figure.
  • the motor mandrel 1 contains a shaft 3, which belongs to the drive motor not shown and which rotates, while the idler mandrel 2 contains a shaft 4, freely mounted in bearings.
  • the mandrels 1 and 2 each comprise a circular imprint 5 or 6 around the respective axis O1 or O2, the indentations 5 and 6 being located at the same height and therefore having portions coming face to face.
  • the ring 7 to be laminated is retained there between the indentations 5 and 6. It also extends around the idler mandrel 2, and its most opposite part to the in-between of the sleeves 1 and 2, where the rolling occurs. extends at a distance from said idler mandrel 2, whose diameter is smaller, and in a horizontal rabbet 8 delimited between two supports 9 and 10.
  • the figure 2 shows that the indentations 5 and 6 each comprise a bottom face 11, and two lateral faces 12 and 13 connecting to an outer face 14 of the respective mandrel 1 or 2.
  • the bottom faces 11 are cylindrical, and the lateral faces 12 and 13 conical, all these faces being defined by rectilinear generators.
  • the faces of the indentations 5 and 6 could be defined by other shapes, but provided that sharp angles are avoided for reasons which will now be described in detail: according to the invention, the bottom faces 11 are joined to the side faces 12 and 13 by respective connectors 15 and 16, which are portions of surfaces whose sections are curved, concavely opening towards the outside of the indents 5 and 6, and have a radius of curvature that in the application envisaged, it is preferable to choose between 10 and 20 mm, and even more advantageously between 12 and 15 mm, for diameters of blanks, typically between 300 and 1500 mm, at the end of rolling.
  • the connections 15 and 16 provide a transition without angle, and therefore continuously variable slope between the faces they connect.
  • the ring 7 has an approximately polygonal and rectangular section, whose inner and outer faces are tangent to the bottom faces 11, and whose side faces extend in front of the side faces 12 and 13 of the cavities.
  • the connections of the lateral faces to the inner and outer faces should form sharp corners at the corners of the section of the ring 7, but the rolling produced by the mandrels 1 and 2, which tightens the section of the ring 7, also crushes its corners and forces them to shape to the shape of the portions 15 and 16, which gives the appearance of the figure 3 , where the faces of the ring 7 are limited by rounded connections 17.
  • This arrangement avoids forming during the rolling right angles which cool very rapidly, leading locally to deform the material outside of its forgeability window and consequently to create creeks. This arrangement thus prevents cracks from forming and thus ensures good forging quality even at the lower limit of the forgeability temperature range.

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  • Forging (AREA)

Description

  • Un aspect de l'invention présente est un outillage de forgeage pour la fabrication d'une couronne laminée de forme, notamment pour la fabrication d'un disque de turbomachine, accompli avec un tel outillage.
  • L'objet de l'invention est de perfectionner une étape d'ébauche de fabrication de certains disques de turbomachine, où on recourt à un forgeage, et plus précisément à un laminage. Une ébauche du disque en forme de couronne, chauffée à une température suffisante, est introduite dans un outillage qui réduit sa section, tout en agrandissant le rayon de la couronne. On contribue ainsi à obtenir des disques de diamètre relativement grand, avec des alésages importants au centre. La fabrication du disque est ensuite poursuivie par d'autres procédés. Un outillage à deux mandrins, dépourvu toutefois des caractéristiques originales de l'invention, est décrit dans DE-299 07 807 U .
  • L'emploi de certains nouveaux alliages est envisagé pour accroître la résistance des disques. Il s'agit, par exemple, d'alliage à base de nickel ou de nickel-chrome, tels que les superalliages type Rene 65 ou AD730.
  • La fenêtre de températures convenant au forgeage est beaucoup plus réduite pour de tels alliages que pour les alliages classiques tels l'Inconel 718, couramment utilisé jusqu'à présent pour de telles applications. Ainsi, les pièces, sorties du four et soumises au laminage, mettent peu de temps à se refroidir trop à l'air, et on observe alors que des criques peuvent apparaître dans la couronne laminée. La qualité de la couronne est alors compromise, puisque les défauts créés ne disparaissent pas pendant les étapes suivantes de la fabrication.
  • Aujourd'hui, l'opération de laminage s'effectue donc en pratique en plusieurs étapes, entre lesquelles l'ébauche du disque est remise à chauffer à la température souhaitée. Cela peut beaucoup allonger le temps de fabrication, puisque plusieurs de ces remises à chauffer (typiquement de une à trois) sont en pratique nécessaires. Dans certaines variantes, on réduit leur nombre en acceptant un début d'apparition des criques, qu'on enlève alors en meulant l'ébauche à leurs endroits avant de reprendre le chauffage, puis le laminage. Il est toutefois manifeste que le meulage consomme lui-même du temps, ainsi que de la matière.
  • Avec l'invention, on recherche en conséquence à éviter l'apparition de criques, au cours d'un laminage d'une couronne métallique, mais sans devoir procéder à une réchauffe, ou en tout cas avec seulement un nombre de réchauffes plus réduit, et sans devoir procéder à un usinage rectificatif manuel tel qu'un meulage.
  • Pour résumer, un aspect de l'invention est un outillage de laminage d'une pièce en forme de couronne, comprenant deux mandrins tournant autour d'axes parallèles entre eux et comprenant chacun une empreinte circulaire de réception de la couronne, les empreintes comprenant une face de fond et des faces latérales, caractérisé en ce que la face de fond de chacun des mandrins est raccordée aux faces latérales par des portions incurvées ayant des rayons de courbure compris entre 10 et 20 mm.
  • Typiquement, les couronnes ont de 300 mm à 1500 mm de diamètre extérieur en sortant de ce laminage, et sont en un alliage à base de nickel ou de nickel-chrome. Les rayons de courbure peuvent typiquement être compris de façon préférée, de 12 mm à 15 mm. Et selon un mode de réalisation courant de l'invention, la face de fond est cylindrique ou conique, définie par une génératrice rectiligne, et les faces latérales sont coniques, et définies par des génératrices rectilignes elles aussi.
  • L'effet technique essentiel est que les couronnes, dont la section est essentiellement polygonale et généralement quadrangulaire entre les faces de fond définissant leur rayon intérieur et leur rayon extérieur, et les faces latérales définissant leurs côtés latéraux, acquièrent normalement des raccords à angles vifs entre ces faces pendant les laminages accomplis avec les outillages connus. Or, dans l'invention, ces raccords arrivent devant les portions incurvées, qui écrasent les angles vifs et maintiennent les raccords à des rayons de courbure. Les criques se formant d'abord aux angles vifs, elles ne peuvent plus apparaître, ou plus aussi facilement, avec l'invention.
  • Un autre aspect est un procédé de fabrication d'un disque de turbomachine, comprenant une étape d'ébauche par laminage où le disque arrive en forme de couronne et dont une section est réduite par laminage, caractérisé en ce que ladite étape est accomplie par un outillage conforme à ce qui précède, la couronne étant de section essentiellement polygonale et comprenant des coins situés sur les portions incurvées, et incurvés eux aussi pendant le procédé.
  • L'invention sera maintenant décrite de façon plus complète, dans ses différents aspects et de façon purement illustrative, en liaison aux figures suivantes:
    • la figure 1 est une vue générale de l'outillage utilisé ;
    • la figure 2 est un agrandissement de sa partie essentielle ; et
    • la figure 3 est une vue du produit obtenu.
  • L'invention fait partie d'un procédé de fabrication d'un disque de turbomachine, notamment de grand diamètre, et constitue une première étape de ce procédé, dont les suivantes, qui ne sont pas modifiées, ne seront pas décrites. Elle concerne le laminage d'une couronne 7, qui est une ébauche du disque, pour réduire sa section, en augmentant son diamètre. Elle recourt à un outillage qui comprend, comme le montre la figure 1, un mandrin moteur 1 et un mandrin fou 2, situés côte à côte, et tournant autour d'axes O1 et O2 parallèles, et verticaux sur la figure. Le mandrin moteur 1 contient un arbre 3, qui appartient au moteur d'entraînement non représenté et qui le fait tourner, alors que le mandrin fou 2 contient un arbre 4, monté libre dans des paliers. Les mandrins 1 et 2 comprennent chacun une empreinte 5 ou 6 circulaire autour de l'axe O1 ou O2 respectif, les empreintes 5 et 6 étant situées à une même hauteur et ayant donc des portions venant face à face. La couronne 7 à laminer est retenue là entre les empreintes 5 et 6. Elle s'étend par ailleurs autour du mandrin fou 2, et sa partie la plus opposée à l'entre-deux des manchons 1 et 2, où se produit le laminage, s'étend à distance dudit mandrin fou 2, dont le diamètre est plus petit, et dans une feuillure 8 horizontale, délimitée entre deux supports 9 et 10.
  • La figure 2 montre que les empreintes 5 et 6 comportent chacune une face de fond 11, et deux faces latérales 12 et 13 se raccordant à une face extérieure 14 du mandrin respectif 1 ou 2. Les faces de fond 11 sont cylindriques, et les faces latérales 12 et 13 coniques, toutes ces faces étant définies par des génératrices rectilignes. En variante, les faces des empreintes 5 et 6 pourrait être définies par d'autres formes, mais à condition d'éviter les angles vifs pour des raisons qu'on va maintenant détailler : conformément à l'invention, les faces de fond 11 sont jointes aux faces latérales 12 et 13 par des raccords 15 et 16 respectifs, qui sont des portions de surfaces dont les sections sont incurvées, à concavité s'ouvrant vers l'extérieur des empreintes 5 et 6, et possèdent un rayon de courbure qu'on peut choisir, dans l'application envisagée, avantageusement entre 10 et 20 mm, et encore plus avantageusement de 12 à 15 mm, pour des diamètres des ébauches typiquement comprises entre 300 et 1500 mm, à la fin du laminage. Les raccords 15 et 16 ménagent une transition sans angle, et donc à variation continue de pente, entre les faces qu'elles relient.
  • La couronne 7 possède une section approximativement polygonale et rectangulaire, dont les faces intérieure et extérieure sont tangentes aux faces de fond 11, et dont les faces latérales s'étendent devant les faces latérales 12 et 13 des empreintes. Les raccordements des faces latérales aux faces intérieure et extérieure devraient former des angles vifs, aux coins de la section de la couronne 7, mais le laminage produit par les mandrins 1 et 2, qui resserre la section de la couronne 7, écrase aussi ses coins et les force à se modeler à la forme des portions 15 et 16, ce qui donne l'aspect de la figure 3, où les faces de la couronne 7 sont limitées par des raccords arrondis 17. Cette disposition évite de former lors du laminage des angles droits qui se refroidissent très rapidement, conduisant localement à déformer le matériau en dehors de sa fenêtre de forgeabilité et en conséquence à créer des criques. Cette disposition empêche donc les criques de se former et assure donc une bonne qualité de forgeage, même à la limite inférieure de la plage de température de forgeabilité.

Claims (10)

  1. Outillage de laminage d'une pièce en forme de couronne, comprenant deux mandrins (1, 2) tournant autour d'axes (O1, 02) parallèles entre eux et comprenant chacun une empreinte circulaire de réception de la couronne, les empreintes (5, 6) comprenant une face de fond (11) et des faces latérales (12, 13), caractérisé en ce que la face de fond de chacun des mandrins est raccordée aux faces latérales par des portions incurvées (14, 15) ayant des rayons de courbure compris entre 10 mm et 20 mm.
  2. Outillage de laminage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les rayons de courbure sont compris entre 12 mm et 15 mm.
  3. Outillage de laminage selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la face de fond (11) est cylindrique ou conique définie par une génératrice rectiligne, et les faces latérales sont coniques définies par des génératrices rectilignes.
  4. Outillage de laminage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les portions incurvées, qui ont une concavité s'ouvrant vers l'extérieur des empreintes (5, 6), raccordent les faces latérales par un profil dépourvu d'angle.
  5. Procédé de fabrication d'un disque de turbomachine, comprenant une étape d'ébauche par laminage où le disque arrive en forme de couronne (7) dont une section est réduite par laminage, caractérisé en ce que ladite étape est accomplie par un outillage conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, la couronne étant de section essentiellement polygonale et comprenant des coins situés sur les portions incurvées, et incurvés eux aussi pendant le procédé.
  6. Procédé de fabrication d'un disque de turbomachine selon la revendication 5, caractérisé en ce que le disque est un alliage à base de nickel.
  7. Procédé de fabrication d'un disque de turbomachine selon la revendication 6, caractérisé en ce que le disque est un alliage à base de nickel et de chrome.
  8. Procédé de fabrication d'un disque de turbine selon la revendication 7, caractérisé en ce que le disque est un superalliage Rene 65.
  9. Procédé de fabrication d'un disque de turbine selon la revendication 7, caractérisé en ce que le disque est un superalliage AD730.
  10. Procédé de fabrication d'un disque de turbine selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que la couronne a un diamètre compris entre 300 mm et 1500 mm.
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