FR2670149A1

FR2670149A1 - Procede de meulage d'une surface d'une piece, notamment pour la reparation d'augets de turbines et appareil correspondant.

Info

Publication number: FR2670149A1
Application number: FR9015425A
Authority: FR
Inventors: Clement Philippe; Girard Claude
Original assignee: Electricite de France SA
Current assignee: Electricite de France SA
Priority date: 1990-12-10
Filing date: 1990-12-10
Publication date: 1992-06-12
Anticipated expiration: 2010-12-10
Also published as: WO1992010796A1; FR2670149B1; AU9130291A

Abstract

Dispositif et procédé permettant de meuler rapidement une surface irrégulière. Le procédé consiste à mesurer par rapport à la modélisation de la surface à l'état fini les surépaisseurs en un certain nombre de points de modélisation et à adapter la vitesse d'avance, la vitesse de rotation et la pression de la meule en fonction des surépaisseurs. Le système presseur de la meule (20) comprend un vérin pneumatique (30) et un vérin hydraulique (31) passif servant d'amortisseur de manière à adapter l'effort d'usinage aux variations de surépaisseurs entre les points de modélisation, ce qui aplanit rapidement le relief de la surface. Application en particulier aux surfaces internes des augets de turbines Pelton après un rechargement de matière par des cordons de soudure.

Description

PROCEDE DE MEULAGE D'UNE SURFACE D'UNE PIECE,
NOTAMMENT POUR LA REPARATION D'AUGETS DE TURBINES
ET APPAREIL CORRESPONDANT
DESCRIPTION
L'invention se rapporte à un procédé de meulage d'une surface d'une pièce qui peut notamment s'intégrer à un procédé de réparation d'augets de turbines ainsi qu'à un appareillage adapté à l'exécu- tion de ce procédé.

Elle se situe dans le même domaine technique que Les inventions décrites dans les demandes de brevets français 87 18479 (numéro de publication 2 625 458) et 89 00108. Toutefois, l'objet de la première de ces inventions antérieures était avant tout de pouvoir réparer des augets de turbines en utilisant un appareillage automatisé, et celui de la seconde était de reconna#tre le profil de la surface à meuler avec précision dans le système de coordonnées du bras de robot portant la meule, alors qu'on recherche ici principalement à obtenir une bonne qualité de surface de la surface meulée sans nécessiter des passes trop nombreuses pour arriver aux cotes de finition.

L'invention permet de reconna#tre rapidement et plus simplement que dans la seconde demande mentionnée la position de la surface à traiter dans les coordonnées de L'outil utilisé, qui est donc la meule pour l'étape de meulage ou l'appareil à souder dans le cas d'un auget de turbine sur la surface interne duquel les cordons de soudure sont déposés pendant une étape dite de rechargement où la matière arrachée par l'abrasion, les chocs et la cavitation est remplacée.

Le meulage conformément à l'invention d'une surface d'une pièce par une meule rotative appliquée sur la surface par un moyen presseur consiste à faire une modélisation de la surface en relevant les coordonnées de points de la surface et à mesurer les surépaisseurs de la pièce aux points de modélisation, et à faire parcourir à la meule des trajectoires de meulage sur la surface calculées à partir des points de modélisation ; il est caractérisé en ce qu'il consiste à modifier au cours des trajectoires, en fonction des valeurs des surépaisseurs, la force d'application de la meule sur la surface, la vitesse de rotation de la meule et la vitesse d'avance de la meule le long des trajectoires.

Dans le cas où le meulage est précédé d'une étape de rechargement, il est avantageux que les trajectoires de rechargement le long desquelles les cordons de soudure sont déposés soient déterminées par une seconde modélisation, différant de la première, où les coordonnées de points de la surface interne sont relevées.

Il est également avantageux que les modélisations soient effectuées par des capteurs de forme identique à la meule, ou le cas échéant à L'outil de soudage, fixés sur le bras de robot utilisé également pour faire parcourir les trajectoires de meulage ou de rechargement. Les modélisations comprennent dans ce cas l'orientation du capteur au point de modélisation, qui est également facile à déterminer à l'aide des codeurs mesurant les mouvements aux articulations du bras de robot.

L'appareil spécialement adapté à l'objet principal de l'invention comprend un support de la meule déplace le long des trajectoires de meulage et est caractérisé en ce qu'il comprend, entre le support et la meule, un système de pressage de La meule sur la surface constitué d'un vérin pneumatique actif, créant la force de pressage, et d'un vérin hydraulique passif.

On va maintenant décire l'invention à l'aide des figures suivantes annexées à titre illustratif et non limitatif :
- la figure 1 représente un bras de robot utilisable pour le meulage,
- la figure 2 représente un exemple d'évolution des paramètres de L'usinage,
- les figures 3A et 3B représentent un support d'outil de meulage,
- la figure 4 représente un calibre de vérification de L'usure des meules,
- la figure 5 représente un engin pour dévisser Les meules de la broche,
- la figure 6 représente un magasin de meules neuves,
- les figures 7A et 78 illustrent le mode de modélisation des trajectoires de meulage et
- la figure 8 illustre le mode de modélisation des trajectoires de rechargement.

On se reporte tout d'abord à la figure 1.

Un bras de robot 1 comprend une colonne 2 sur laquelle un premier tronçon 3 coulisse le long d'un axe vertical
X2 ; la colonne 2 pivote sur un socle Il autour d'un autre axe vertical X1. Un deuxième tronçon 4 tourne à L'extrémité libre du précédent autour d'un axe vertical X3. IL porte un troisième tronçon 5 horizontal qui pivote autour de son axe X4. Un poignet 6 est installé à l'extrémité libre du troisième tronçon 5 et tourne autour d'un axe X5, perpendiculairement à l'axe précédent X4. Enfin, une base mobile 7 située sur le poignet 6 pivote autour d'un axe X6 perpendiculaire à l'axe X5. La base mobile 7 porte selon le cas une meule ou un outil de soudage.Chacune des articulations du bras de robot 1 est équipée de moteurs et de codeurs de déplacement qui permettent, après un traitement approprié de conversion de coordonnées, de déduire la position et l'orientation de la base mobile 7 et de l'outil porté à ce moment.

On a également représenté un auget de turbine
Pelton 9 dont la surface interne 10 a reçu des cordons de soudure afin de remplacer la matière qui a été arrachée en service. Ce mode de rechargement entrain toutefois des surépaisseurs qui peuvent être très variables sur la surface interne 10. La remise de
L'auget 9 au profil initial nécessite donc traditionnellement de nombreuses passes de meulage qui impliquent des temps d'usinage très longs.

Le nombre de passes peut être très réduit si les paramètres d'usinage sont sans cesse corrigés suivant des lois expérimentales en fonction de la surépaisseur locale. Les graphiques illustratifs d'une meule particulière sont représentés à la figure 2.

La surépaisseur équivaut à la profondeur de passe voulue. L'échelle est commune aux différents graphiques avec les facteurs correctifs indiqués. On constate que la vitesse d'avance souhaitée de la meule le long des trajectoires de meulage diminue progressivement, mais que la pression avec laquelle la meule devrait être appliquée sur La surface interne 10 et la vitesse de rotation idéale de la meule augmentent en fonction de la profondeur de passe. Toutefois, alors que Les deux premiers paramètres varient suivant des lois à peu près linéaires sur la plus grande partie de
L'étendue des profondeurs de passe considérées, la vitesse de rotation varie suivant une loi qui se rapproche d'une exponentielle.

On passe maintenant aux figures 3A et 38 pour décrire la manière dont la meule est supportée sur le bras de robot. La meule 20 représentée est cylindro-sphérique et comporte une face arrière 21 plane, taraudée de manière à pouvoir être fixée sur l'extrémité filetée 22 d'une broche 23. La broche 23 tourne dans un palier 24, et un moteur 25 fixé au palier 24 la meut en rotation. Des emplacements de raccordements 26 reçoivent les conduits flexibles ou les câbles nécessaires à l'alimentation du moteur 25.

On se reporte à la figure 3B. Une plaque de support 27 est munie de deux arceaux parallèles 28 portant en leur centre une articulation 29 autour de laquelle le palier 24 peut pivoter, ce qui déplace la broche 23 et la meule 20 latéralement.

Les rotations du palier 24 sont commandées par deux vérins 30 et 31 qui sont identiques quant à leur forme et à leur montage : chacun d'entre eux est articulé à une extrémité 32 à La plaque de support 27 et à L'autre extrémité 33 à une patte 34 qui fait partie du palier 24. Leurs emplacements sont symétriques par rapport au plan dans lequel la broche 23 se déplace.

L'un des vérins 30 est pneumatique et a un rôle actif de réglage de la force ou de la pression avec laquelle la meule 20 est appliquée sur la surface interne 10. L'autre vérin 31 est hydraulique, purement passif et joue un rôle d'amortisseur, c'est-à-dire que ses deux chambres communiquent par un circuit 35 comprenant un étranglement 36 qui limite La rapidité de l'écoulement. Un système de régulation 37 comprenant notamment une vis de réglage de la charge d'un clapet fait varier à volonté l'ouverture de l'étranglement 36 et donc la résistance à l'écoulement.

La plaque de support 27 est vissée sur la base mobile 7. Quand la meule 20 parcourt les trajec toires sur la surface interne 10 de l'auget 9, la pression régnant dans le vérin pneumatique 30 est constamment réglée de manière à obtenir la pression d'application souhaitée, compte tenu de la surépaisseur locale mesurée précédemment. Le vérin hydraulique 31 permet de corriger l'influence des variations de surépaisseur aux espaces entre les points des modélisations : si par exemple la surépaisseur s'accroFt brusquement sur une petite largeur de trajectoire, le vérin hydraulique 31 s'oppose dans une large mesure au recul de la meule 20, c'est-à-dire qu'il provoque momentanément une augmentation de la pression d'appui et que La crête est attaquée plus fortement.Les accidents de relief provoqués notamment par les cordons de soudure s'aplanissent donc à chaque passe de meulage, ce qui permet d'obtenir rapidement une surface interne 10 lisse.

Les meules 20 s'usent rapidement au cours de leur service, ce qui nécessite leur changement périodique. Dans le premier des deux brevets cités de l'art antérieur, des mesures des dimensions des meules étaient effectuées indirectement au cours de diamantages périodiques de ces meules par l'intermédiaire des jauges de l'outil de diamantage et de sa position par rapport à la broche porte-meule bloquée dans une position fixe. Les trajectoires de meulage étaient ensuite recalculées pour tenir compte de l'usure des meules.

Il n'est cependant pas nécessaire de passer par une opération de diamantage pour évaluer la dimension des meules 20. La figure 4 représente un calibre 40 vissé à un petit bâti 41. Le calibre 40 comprend essentiellement une enveloppe 42 cylindrique avec un rebord 43 interne supérieur. Un piston 44 se déplace à l'intérieur de l'enveloppe 42 et est repoussé vers le rebord 43 à l'aide d'un ressort 45.

La meule 20 est introduite dans l'ouverture d'une collerette 48 disposée sur le piston 44 et qui dépasse de L'enveloppe 42 de manière à repousser le piston 44 à une profondeur constante, déterminée par une butée 47. Un capteur inductif 46 vérifie que le mouvement de descente du piston 44 est entièrement accompli. La taille de la meule 20 à ce moment peut être déduite de la position des articulations du bras de robot 1 pour parvenir à cet état de butée. Dans la présente invention, le calibre 40 sert uniquement à déterminer si les meules 20 doivent être remplacées : il n'y a pas de correction des trajectoires de meulage, car le vérin pneumatique 30 compense l'usure des meules 20 en les plaquant de toute façon sur la surface interne 10 avec la pression souhaitée.

Les figures 5 et 6 montrent que les opérations de changement de meule peuvent également être effectuées avec un dispositif simplifié par rapport à celui du premier brevet cité, où on utilisait en particulier un mécanisme de transfert mobile muni d'un mandrin pour serrer les meules avant de visser ou de dévisser celles-ci. La figure 5 représente un dispositif de dévissage 50 comprenant en particulier une enveloppe 51 qui contient un vérin 52 dont l'extrémité mobile 53 comporte une face avant concave 54.

Un rebord 55 en arc de cercle est fixé à l'enveloppe 51 par une virole 56. L'opération de dévissage consiste à placer la meule 20 entre l'extrémité mobile 53 et le rebord 55, la broche 23 passant dans le creux de ce dernier. L'extrémité mobile 53 est alors avancée de manière à plaquer la face arrière 21 de la meule 20 sur le rebord 55 et à bloquer ainsi la meule 20, la face avant concave pressant fermement l'avant de la partie sphérique de la meule 20. La broche 23 peut alors être mise en rotation. Quand le dévissage a été effectué, le recul de L'extrémité mobile 53 libère la meule dévissée et la laisse tomber dans une décharge.

Sur la figure 6, un magasin de meules neuves 60 est représenté, qui comprend en particulier une enveloppe cylindrique 61 ayant une face arrière 62 à laquelle est fixé un vérin 63. L'extrémité mobile 64 du vérin 63 comporte une face avant concave 65.

L'extrémité avant 66, opposée au vérin 63, de l'enveloppe 61 comporte une découpe supérieure 67 et la face avant 68 forme un rebord d'extrémité évidé en arc de cercle près de la découpe supérieure 67. Suivant une disposition qui peut également être adoptée, quoiqu'elle n'ait pas été représentée, pour L'outil de dévissage 50, l'enveloppe cylindrique 61 est fixée par sa partie inférieure à une plaque de support 69 qui porte également deux paires de tiges obliques 70 de contact ponctuel. Les tiges obliques 70 de chaque paire se font face. Quand la broche 23 est posée sur les quatre tiges obliques 70, sa hauteur et son orientation sont parfaitement définies : elle est coaxiale au vérin 63, qui est alors mis en action de manière à repousser les meules présentes dans l'en- veloppe cylindrique 61 vers la face avant 68.Quand la face arrière 21 plane d'une meule 20 bute contre la face avant 68 avec une force empêchant de la déplacer, la broche 23 est avancée dans le creux de la face avant 68 et son extrémité filetée 24 vient se visser sur La meule 20. Le vérin 63 peut alors être relâché et la broche 23 est dégagée vers le haut ; la meule qui lui est maintenant fixée passe par la découpe 67.

Les figures 7A et 78 représentent le mode de détermination des paramètres du meulage. Sur la figure 7A, la surface interne 10 de L'auget 9 est sillonnée de trajectoires T calculées à partir des points de modélisation P qui peuvent être une centaine pour un auget 9 de turbine Pelton. Les points de modélisation P sur la surface interne 10 peuvent être déterminés automatiquement par des logiciels en fonction du bras de robot 1, des meules 20 et des augets 9, ainsi que les trajectoires T. Ils peuvent également être choisis manuellement par l'utilisateur par une mesure préliminaire sur un auget de référence dont la surface interne est au profil de finition.

Les mesures comprennent le relevé des coordonnées des points de modélisation P et de points de référence PR par rapport au bras de robot 1. La broche 23 porte alors une boule conductrice 80 en cuivre reliée à une borne d'une batterie 81, L'auget 9 à mesurer étant relié à l'autre borne de cette batterie 81.

Dès que L'auget 9 est touché par La boule conductrice 80, du courant passe dans le circuit électrique qui vient d'être formé. Un appareil de mesure 82 mesure la présence de ce courant et le signale à un appareil convertisseur 83 qui recueille par ailleurs des informations des capteurs reliés aux articulations du bras de robot 1. Ces informations sont converties en coordonnées cartésiennes dans un repère fixe. L'orientation de la broche 23 et de la base mobile 7 dans ce repère fixe est également relevée.

Parmi les points de référence PR, certains
PR1 sont situés sur le plan d'auget PA qui constitue le bord supérieur entourant la surface interne 10 de l'auget 9. D'autres PR2 sont situés sur le plan de taquets PT sur lequel se trouvent plusieurs surfaces planes à l'extrémité radialement extérieure de l'auget 9. Enfin, d'autres PR3 appartiennent à L'arête médiane
AM au centre de La surface interne 10.

Les points de référence PR sont choisis suffisamment nombreux pour que la position globale de l'auget 9 soit connue avec de faibles incertitudes.

Comme les plans d'auget PA, de taquets PT et L'arête médiane AM restent à peu près inaltérés au cours de l'existence de l'auget 9 et de la roue à laquelle il appartient, la comparaison des coordonnées des points de modélisation P, dont le relevé est ensuite entrepris de la même manière, avec celles des points de référence PR permet d'obtenir la position de la surface interne 10 par rapport à L'auget 9.

On se réfère maintenant à la figure 7B.

Les surépaisseurs d'un auget 9 où les rechargements par cordons de soudure ont été effectués par rapport à un auget à L'état fini sont mesurées en calculant la distance entre la surface interne 10 à meuler et la surface interne à obtenir 10'. On cherche pour cela à amener la boule conductrice 80 en contact avec chaque point de modélisation P' de la surface interne à obtenir 10'. La broche 23 conserve l'orientation décidée par le logiciel, ou par l'utilisateur si une mesure préliminaire des points de modélisation P' a été concrètement effectuée sur un auget à l'état fini, et la boule conductrice 80 touche la surface interne 10 au point de modélisation P. La surépaisseur correspond à la distance entre les points P et P'.

Les points de modélisation P' de la surface interne à obtenir 10' sont mesurés ou obtenus par un calcul une fois pour toutes et sont identiques pour tous les augets 9 d'une roue. Il faut au contraire effectuer une mesure de la position des points de modélisation P de la surface interne 10 réelle avant chaque passe de meulage. Le meulage d'un auget 9 est terminé quand sa surface interne 10 est suffisamment proche de la surface interne à obtenir 10'.

La figure 8 représente enfin le mode d'obtention des trajectoires TO de rechargement. Le principe de la figure 7A est conservé en ce qu'on utilise pour jauger la surface interne 10 l'outil même qui sera utilisé pour le rechargement, à savoir une torche de soudage MIG 84 dont le fil 85 a été tronqué à une longueur déterminée et se trouve relié à la batterie 81.

La surface interne 10 de l'auget 9 est reconnue en la touchant par le fil 85 à des points de modélisation PO de rechargement. On en déduit ainsi la position de la torche de soudage 84 le long des trajectoires TO de rechargement. Des mesures de position des points de référence PRO1, PR02, PR03 analogues à ceux PRI, PR2, PR3 de la figure 7A fournissent la position globale de l'auget 9 à recharger. Cependant, aucune mesure de surépaisseur n'est faite ici. La mesure des points de modélisation PO peut donc être effectuée à partir d'une mesure préliminaire sur un auget 9 dont la surface interne 10 est à un état quelconque et reste valable pour tous les augets 9 de même espèce. Par ailleurs, les points de modélisation PO sont beaucoup moins nombreux que dans le cas du meulage, car la plupart des trajectoires TO de rechargement sont en fait calculées par interpolation entre des points de modélisation PO appartenant à des trajectoires TO différentes. Il résulte de ceci que des imprécisions plus importantes sont produites, mais elles demeurent parfaitement acceptables si les portions de la surface interne TO entre les points de modélisation PO sont à peu près planes.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de meulage d'une surface (10) d'une pièce (9) par une meule (20) rotative appliquée sur la surface par un moyen presseur (30, 31), consistant à faire une modélisation de la surface en relevant les coordonnées de points (P) de la surface et à mesurer les surépaisseurs (PP') de la pièce aux points de modélisation, et à faire parcourir à la meule des trajectoires de meulage sur la surface calculées à partir des points de modélisation, caractérisé en ce qu'il consiste à modifier au cours des trajectoires (T), en fonction des valeurs des surépaisseurs, la force d'application de la meule sur la surface, la vitesse de rotation de la meule et la vitesse d'avance de la meule (20) le long des trajectoires.

2. Procédé de réparation d'augets de turbines comprenant une étape de meulage selon le procédé de la revendication 1, la surface de la pièce étant la surface interne d'un auget, et comprenant également, avant de meuler, une étape de rechargement de la surface interne des augets en y déposant des cordons de soudure par le parcours d'un outil de soudage (84) le long de trajectoires de rechargement, caractérisé en ce que les trajectoires de rechargement sont déterminées par une seconde modélisation en relevant les coordonnées de points de la surface interne de l'auget.

3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les modélisations comprennent des points de référence sur des parties de la pièce éloignées des trajectoires.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la modélisation est effectuée par un capteur (80) de forme identique à la meule et fixé sur un bras de robot (1) utilisé également pour faire parcourir à la meule (20) les trajectoires de meulage, la modélisation comprenant également l'orientation du capteur aux points de modélisation.

5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la seconde modélisation est effectuée par L'outil de soudage (84) fixé sur un bras de robot (1) utilisé également pour faire parcourir à l'outil de soudage les trajectoires de rechargement, la seconde modélisation comprenant également l'orientation de l'outil de soudage aux points de modélisation.

6. Appareil de meulage pour la mise en oeuvre du procédé de meulage selon L'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un support de la meule déplacé le long des trajectoires de meulage, caractérisé en ce qu'il comprend, entre le support (7) et la meule, un système de pressage de la meule sur la surface constitué d'un vérin pneumatique actif (30), créant la force de pressage, et d'un vérin hydraulique (31) passif.

7. Appareil de meulage selon la revendication 6, comportant un système de dévissage (50) des meules (20), caractérisé par un rebord en arc de cercle (55) destiné à recevoir la face arrière (21) des meules (20) et par un doigt mobile (53) vers le rebord (55) destiné à s'appuyer sur la surface avant des meules.

8. Appareil de meulage selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, comportant un magasin de meules neuves (60) caractérisé par un rebord d'extrémité (68) et par un doigt mobile (64) repoussant les meules du magasin vers le rebord d'extrémité, les faces arrière des meules du magasin étant dirigées vers le rebord d'extrémité.

9. Appareil de meulage selon L'une quelconque des revendications 6 à 8, comportant un dispositif de mesure de L'usure des meules caractérisé par un piston mobile (44) vers un état de butée et muni d'une collerette (48) d'appui des meules.