FR2971442A1

FR2971442A1 - Method for machining organic matrix composite workpiece for blade root of turboshaft engine, involves introducing workpiece opposite to grindstone, and machining workpiece to be produced by grinding until desired shape is obtained

Info

Publication number: FR2971442A1
Application number: FR1151168A
Authority: FR
Inventors: Philippe Marolle; Christophe Gerard Regis Grosbois; Roland Clouet; Herve Irvoas
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2011-02-14
Filing date: 2011-02-14
Publication date: 2012-08-17
Anticipated expiration: 2031-02-14
Also published as: FR2971442B1

Abstract

The method involves selecting a raw grindstone (1) with a gross shape, that is cut into a desired profile for a workpiece. The grindstone is mounted on a machine tool i.e. grindstone raising tool (3), and is rotated about an axis of rotation of the machine tool. A wall of the grindstone is cut in a cylindrical or conical shape using the machine tool having hardness of a diamond tool. The machine tool is removed, and the workpiece is introduced opposite to the grindstone after cutting. A workpiece to be produced is machined by grinding until a desired shape is obtained. The grindstone is a white grindstone, a corundum stone or a silica grindstone. An independent claim is also included for a grindstone.

Description

USINAGE DE PIECES EN COMPOSITES A MATRICE ORGANIQUE PAR MEULAGE MACHINING ORGANIC MATRIX COMPOSITE PARTS BY GRINDING

Le domaine de la présente invention est celui de l'usinage des pièces dures et en particulier celui des pièces en matériaux composites, tels que les composites à matrice organique pour les turbomachines. The field of the present invention is that of the machining of hard parts and in particular that of parts made of composite materials, such as organic matrix composites for turbomachines.

Les techniques de fabrication des pièces aéronautiques évoluent rapidement et de plus en plus de pièces des turbomachines sont réalisée en matériaux composites. The techniques for manufacturing aeronautical parts are evolving rapidly and more and more parts of turbomachines are made of composite materials.

En particulier il devient courant de réaliser des pieds d'aubes de turbine en composites à matrice organique. Ces matériaux sont relativement durs et leur usinage exige la mise en oeuvre de techniques et d'outillages relativement chers. A l'heure actuelle l'usinage d'un pied d'aube s'effectue, soit à l'aide de d'outils de coupe comportant des arêtes de coupe en carbure de silicium ou de bore ou bien en diamant polycristallin (PCD), soit à l'aide d'outils à concrétion diamantées. Un des inconvénients de ces outils de type à concrétions diamantées est qu'il faut leur donner parfaitement la forme de la zone à usiner et que pour cela, leur définition et leur réalisation est relativement longue et couteuse. Par ailleurs l'utilisation de ces outils, qui agissent essentiellement par enlèvement de copeaux plutôt que par abrasion, se traduit par des rugosités élevées de la pièce fabriquée (typiquement supérieures à 2 microns). Il serait souhaitable de disposer d'outils relativement bon marché pour l'usinage de pièces en composites à matrice organique, qui permettent d'obtenir des rugosités nettement inférieures à cette valeur de 2 microns. In particular, it becomes common practice to make turbine blade roots out of organic matrix composites. These materials are relatively hard and their machining requires the implementation of relatively expensive techniques and tools. At present, the machining of a blade root is carried out either with cutting tools comprising cutting edges of silicon carbide or boron or polycrystalline diamond (PCD) or using diamond concretion tools. One of the disadvantages of these diamond-type concretion-type tools is that they must be perfectly shaped to the area to be machined and that for this reason their definition and their realization is relatively long and expensive. Moreover, the use of these tools, which act mainly by chip removal rather than by abrasion, results in high roughness of the fabricated part (typically greater than 2 microns). It would be desirable to have relatively inexpensive tools for machining parts made of organic matrix composites, which make it possible to obtain roughnesses well below this value of 2 microns.

La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé d'usinage de pièces en matériaux composites qui ne reproduise pas certains des inconvénients de l'art antérieur et, en particulier, qui permette de réaliser des pièces de faible rugosité, à l'aide d'outils peu onéreux. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'usinage d'une pièce réalisée en composite à matrice organique caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de : - sélection d'une meule brute, issue du commerce, réalisée par agglomération entre elles de particules abrasives, dont la dureté est inférieure à celle des outils30 diamantés, ladite meule brute ayant une forme dans laquelle peut être découpé le profil recherché pour la pièce à usiner, - montage de ladite meule sur une machine-outil tournante et mise en rotation de la meule autour de l'axe de rotation de ladite machine-outil, - découpe dans une paroi de la meule d'une forme cylindrique ou conique dont la génératrice reproduit en creux la forme de la pièce à réaliser, à l'aide d'un outil (3) ayant la dureté d'un outil diamanté, - retrait de l'outil de découpe et mise en place de la pièce à usiner en regard de ladite meule après sa découpe, - usinage de la pièce à réaliser par meulage jusqu'à obtention de la forme recherchée. L'utilisation d'une meule brute du commerce permet une réduction importante des coûts de fabrication des outillages de réalisation des pièces en matériau composite à matrice organique. Elle permet également, grâce au procédé de meulage, d'obtenir des états de surface de moindre rugosité que ceux obtenus avec des outils de coupe. Dans un premier mode de réalisation les particules abrasives de la meule brute sont des particules de corindon. Dans un autre mode de réalisation les particules abrasives de la meule brute sont des particules en carbure de silicium ou de bore. Avantageusement le procédé comprend en outre une étape de régénération de la forme de la paroi de la meule par une opération de dressage de ladite meule à l'aide de l'outil de découpe, sans démontage de ladite meule de sa machine-outil. L'invention porte également sur une meule constituée par une agglomération entre elles de particules abrasives, dont la dureté est inférieure à celle des outils diamantés, qui est caractérisée en ce qu'une de ses parois a été découpée selon une forme cylindrique ou conique. De façon préférentielle la découpe correspond, en creux, à la forme en pied de sapin d'une aube de turbomachine. The object of the present invention is to remedy these drawbacks by proposing a process for machining parts made of composite materials that does not reproduce some of the drawbacks of the prior art and, in particular, that makes it possible to produce parts of low roughness, using inexpensive tools. For this purpose, the subject of the invention is a method for machining a workpiece made of an organic matrix composite, characterized in that it comprises the steps of: selecting a raw grinding wheel from the trade made by agglomeration between them of abrasive particles, the hardness of which is less than that of the diamond tools, said rough grinding wheel having a shape in which can be cut the desired profile for the workpiece, - mounting of said grinding wheel on a rotating machine tool and rotating the grinding wheel about the axis of rotation of said machine tool, - cutting in a wall of the grinding wheel of a cylindrical or conical shape whose generator reproduces in hollow the shape of the part to be produced, using a tool (3) having the hardness of a diamond tool, - removing the cutting tool and placing the workpiece next to said grinding wheel after it has been cut, - machining the part to be machined. make by grinding up u'à getting the desired shape. The use of a commercial raw grinding wheel makes it possible to significantly reduce the manufacturing costs of tooling for producing parts made of organic matrix composite material. It also allows, thanks to the grinding process, to obtain surface conditions of less roughness than those obtained with cutting tools. In a first embodiment, the abrasive particles of the raw grinding wheel are particles of corundum. In another embodiment, the abrasive particles of the raw grinding wheel are particles of silicon carbide or boron. Advantageously, the method further comprises a step of regenerating the shape of the wall of the grinding wheel by a step of dressing said grinding wheel with the aid of the cutting tool, without dismounting said grinding wheel from its machine tool. The invention also relates to a grinding wheel consisting of an agglomeration between them of abrasive particles, whose hardness is less than that of diamond tools, which is characterized in that one of its walls has been cut into a cylindrical or conical shape. Preferably, the cut corresponds, in hollow, to the shape at the foot of a fir of a turbomachine blade.

L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue schématique de la fabrication d'une meule, selon un premier mode de réalisation de l'invention, destinée à l'usinage d'une pièce en matériau composite à matrice organique ; - la figure 2 est une vue schématique de la meule de la figure 1 et de la pièce fabriquée à l'aide de celle-ci ; - la figure 3 est une vue en perspective d'une opération de fabrication de la meule de la figure 1 ; - la figure 4 est une vue en perspective de l'opération d'usinage d'un pied d'aube à l'aide de la meule de la figure 3 ; - la figure 5 est une vue en perspective de l'opération de redressage de la meule de la figure 3 après l'usinage d'un pied d'aube ; - la figure 6 est une vue schématique de la fabrication d'une meule, selon un second mode de réalisation de l'invention, destinée à l'usinage d'une pièce en matériau composite à matrice organique, et - la figure 7 est une vue schématique de la meule de la figure 6 et de la pièce fabriquée à l'aide de celle-ci. The invention will be better understood, and other objects, details, features and advantages thereof will become more clearly apparent in the following detailed explanatory description of several embodiments of the invention given as examples. purely illustrative and non-limiting examples, with reference to the attached schematic drawings. In these drawings: - Figure 1 is a schematic view of the manufacture of a grinding wheel, according to a first embodiment of the invention, for machining a composite material part organic matrix; FIG. 2 is a schematic view of the grinding wheel of FIG. 1 and the part manufactured using it; FIG. 3 is a perspective view of a manufacturing operation of the grinding wheel of FIG. 1; - Figure 4 is a perspective view of the machining operation of a blade root using the grinding wheel of Figure 3; - Figure 5 is a perspective view of the straightening operation of the wheel of Figure 3 after machining a blade root; FIG. 6 is a schematic view of the manufacture of a grinding wheel, according to a second embodiment of the invention, for machining a piece of organic matrix composite material, and FIG. schematic view of the wheel of Figure 6 and the part manufactured therewith.

En se référant aux figures 1 et 3, on voit une meule brute 1 de forme cylindrique massive, qui est portée par une tige 2 susceptible d'être montée dans le mandrin d'une machine-outil du type fraiseuse ou tour à commande numérique (non représentée). La meule brute 1 est entraînée en rotation par la machine-outil autour d'un axe passant par la tige 2. Un outil de dressage 3 de la meule, présentant une extrémité du type pointe diamant 4, est positionné en vis-à-vis de la face latérale de la meule brute 1 et animé d'un mouvement de translation. Ce mouvement est complété soit par un mouvement de rotation de l'outil de dressage dans un plan passant par l'axe de rotation de façon que sa pointe terminale 4 décrive un arc de cercle (figure 1), soit par un mouvement de déplacement latéral donné à la meule 1 (figure 3). Le dressage d'une meule est l'opération qui consiste à l'usiner pour lui donner une forme extérieure correspondant aux caractéristiques géométriques recherchées pour la pièce à produire. Sur les figures, du fait de sa rotation, la meule brute 1 est creusée par la pointe diamant 4 sous la forme d'un diabolo, ce qui correspond, en négatif, à la forme que l'on souhaite donner à la pièce en matériau composite à usiner. Une telle forme donnée au flanc de la meule permet, par exemple, de réaliser des pieds d'aube qui présentent différentes pentes et, notamment, des pieds en formes dites de pied de sapin. Referring to FIGS. 1 and 3, there is seen a rough grinding wheel 1 of massive cylindrical shape, which is carried by a rod 2 capable of being mounted in the mandrel of a machine tool of the milling machine or numerically controlled lathe type ( not shown). The rough grinding wheel 1 is rotated by the machine tool around an axis passing through the rod 2. A grinding tool 3 of the grinding wheel, having an end of the diamond tip type 4, is positioned facing each other. of the lateral face of the rough grinding wheel 1 and driven by a translation movement. This movement is completed either by a rotational movement of the dressing tool in a plane passing through the axis of rotation so that its end point 4 describes a circular arc (FIG. 1), or by a lateral displacement movement given to the grinding wheel 1 (Figure 3). The dressing of a grinding wheel is the operation of machining it to give it an external shape corresponding to the geometrical characteristics sought for the part to be produced. In the figures, because of its rotation, the rough grinding wheel 1 is hollowed out by the diamond point 4 in the form of a diabolo, which corresponds, in negative, to the shape that one wishes to give to the piece of material composite to be machined. Such a shape given to the side of the grinding wheel makes it possible, for example, to produce blade roots which have different slopes and, in particular, feet in so-called spruce foot shapes.

Les figures 2 et 4 montrent la même meule 1 en cours d'utilisation pour réaliser une pièce 5 en composite à matrice organique, dont la forme extérieure reproduit, en plein, la forme en creux du diabolo de la meule 1. La pièce 5 est déplacée soit longitudinalement, soit transversalement par rapport à la meule 1 pour donner la forme voulue au pied d'aube. FIGS. 2 and 4 show the same grinding wheel 1 in use for producing an organic matrix composite part 5, whose external shape reproduces, in full, the hollow shape of the grinding wheel diabolo 1. Part 5 is displaced either longitudinally or transversely to the grinding wheel 1 to give the desired shape to the blade root.

La figure 5 montre l'opération de redressage de la meule 1, qui est toujours installée sur sa machine-outil, l'outil de dressage 3 redonnant à celle-ci sa forme initiale après l'usure qu'elle subie au cours de l'usinage du pied d'aube montré sur la figure 4. La figure 6 montre la réalisation d'une autre forme donnée à la meule brute 1, dans un second mode de réalisation. Ici, l'outil de dressage 3 est déplacé en face de la partie terminale de la meule brute 1, de façon que sa pointe diamant 4 donne une forme arrondie à cette partie terminale. Sur la figure 7 on voit une pièce 15 usinée par meulage à l'aide de la partie terminale de la meule 1. Alors que sur la figure 2 la meule 1 travaille par son flanc latéral elle travaille, ici, par sa face terminale ce qui permet de réaliser un surfaçage de la pièce 15. FIG. 5 shows the straightening operation of the grinding wheel 1, which is still installed on its machine tool, the dressing tool 3 giving it back its initial shape after the wear it has undergone during machining of the blade root shown in Figure 4. Figure 6 shows the realization of another form given to the rough grinding wheel 1, in a second embodiment. Here, the dressing tool 3 is moved in front of the end portion of the rough grinding wheel 1, so that its diamond tip 4 gives a rounded shape to this end portion. FIG. 7 shows a part 15 machined by grinding with the end portion of the grinding wheel 1. Whereas in FIG. 2 the grinding wheel 1 works by its lateral flank, it works here, by its end face, which allows to perform a surfacing of the part 15.

Alors que dans l'art antérieur l'usinage des pièces était effectué par un outil à concrétions diamantées, ce qui avait l'inconvénient d'arracher les fibres formant renfort du matériau composite, l'invention propose d'utiliser des meules classiques du commerce, utilisées de façon courante pour des opérations de rectification. De telles meules 1 sont réalisées à partir d'une forme brute constituée par des particules abrasives agglomérées entre elles par frittage. Les particules sont classiquement en corindon ou en un carbure, de silicium ou de bore, c'est-à-dire en un matériau dont la dureté est supérieure à celle des fibres composant le matériau composite à usiner, mais qui reste nettement inférieure à celle du diamant pour pouvoir permettre son dressage par un outil diamanté. Le liant qui agglomère les particules abrasives est classiquement pris parmi des résines phénoliques, mélamine-formaldéhyde, ou des argiles. L'avantage essentiel apporté par l'utilisation des meules classiques du commerce est leur faible coût, puisque elles sont disponibles sur étagère chez les fabricants de meules, sous des formes géométriques simples. Leur relative faible dureté, par comparaison avec les outils diamantés, permet ensuite de leur donner aisément la forme voulue, sans qu'il soit besoin de développer des outillages complexes et coûteux pour cela. Whereas in the prior art the machining of the parts was carried out by a tool with diamond concretions, which had the disadvantage of tearing the reinforcing fibers of the composite material, the invention proposes to use conventional commercial grinding wheels. , commonly used for grinding operations. Such grinding wheels 1 are made from a raw form consisting of abrasive particles agglomerated together by sintering. The particles are conventionally corundum or a carbide, silicon or boron, that is to say a material whose hardness is greater than that of the fibers composing the composite material to be machined, but which remains significantly lower than that diamond to allow its dressing by a diamond tool. The binder that agglomerates the abrasive particles is conventionally taken from phenolic resins, melamine-formaldehyde, or clays. The essential advantage brought by the use of conventional commercial grinding wheels is their low cost, since they are available on the shelves of grinding wheel manufacturers in simple geometrical shapes. Their relative low hardness, compared with diamond tools, then allows to easily give them the desired shape, without the need to develop complex tools and expensive for that.

Le processus de mise au point d'un outillage de meulage pour l'usinage des matériaux à matrice organique se présente donc de la façon suivante : Une meule 1 sous sa forme brute, que celle-ci soit une forme massive cylindrique comme sur les figures, une forme plate ou celle d'un boisseau, est positionnée sur un tour à commande numérique et entraînée en rotation. Un outil 3 à pointe diamant est positionné en vis-à-vis de cette forme brute et déplacé de façon à usiner la meule 1 et lui donner, en négatif, la forme que l'on souhaite donner à la pièce à usiner. Cette forme peut être celle d'un diabolo comme illustré sur les figures 1 et 3, une forme convexe comme sur la figure 6 ou toute autre forme adaptée à la pièce que l'on souhaite réaliser. The process of developing a grinding tool for machining organic matrix materials is therefore as follows: A grinding wheel 1 in its raw form, whether it is a massive cylindrical shape as in the figures , a flat shape or that of a bushel, is positioned on a numerically controlled lathe and driven in rotation. A diamond-pointed tool 3 is positioned opposite this raw form and moved so as to machine the grinding wheel 1 and give it, in negative, the shape that it is desired to give to the workpiece. This shape can be that of a diabolo as illustrated in Figures 1 and 3, a convex shape as in Figure 6 or any other form adapted to the part that is desired to achieve.

Une fois cette meule 1 ébauchée, elle est transférée sur une perceuse à commande numérique pour la réalisation des pièces à produire. Compte tenu de son mode d'usinage qui consiste à user à la fois les fibres et le liant des matériaux composites, sans arracher ces fibres, on obtient un polissage de la surface de la pièce et donc une rugosité faible. La rugosité obtenue peut être de l'ordre de 0,4 ou 0,5 microns, c'est à dire être très inférieure aux 2 microns obtenus par les procédés classiques et leurs outils de coupe. Du fait que la meule 1 a une dureté inférieure à celle d'un outil diamanté, il est possible de redresser régulièrement la meule 1, c'est à dire de lui redonner la forme exacte que l'on souhaite et ainsi éviter les dérives sur les caractéristiques géométriques de la pièce à usiner 5 ou 15, qui seraient dues à l'usure de la meule 1. Il convient de remarquer que ce redressage, qui est effectué par l'action d'un outil diamanté sur la face travaillante de la meule, peut être effectué in situ, c'est-à-dire sans qu'il soit besoin de démonter la meule 1 de la fraiseuse à commande numérique sur laquelle elle est montée. On évite ainsi les opérations de remontage et de réglage du positionnement de la meule sur la machine-outil après un redressage, ces opérations étant consommatrices de temps et par conséquent coûteuses en production. Les meules utilisées sont des meules du commerce, comme des meules blanches, des meules en corindon ou des meules chargées de silice, qui sont généralement destinées à être utilisées dans des meuleuses ou des rectifieuses. Il s'agit donc de meules ayant des formes standard, qui sont produites en grande série pour ces machines outils et qui, selon l'invention, sont simplement adaptées à l'aide de l'outil à pointe diamant 3 pour leur donner la forme recherchée pour la pièce à produire. Once this mill 1 rough, it is transferred to a numerically controlled drill for producing parts to produce. Given its machining mode which consists in using both the fibers and the binder of the composite materials, without tearing off these fibers, polishing of the surface of the part and therefore low roughness is obtained. The roughness obtained may be of the order of 0.4 or 0.5 microns, that is to say, be much less than the 2 microns obtained by conventional methods and their cutting tools. Because the grinding wheel 1 has a hardness lower than that of a diamond tool, it is possible to regularly straighten the grinding wheel 1, that is to say to give it the exact shape that one wishes and thus avoid drifts on the geometric characteristics of the workpiece 5 or 15, which would be due to the wear of the wheel 1. It should be noted that this straightening, which is performed by the action of a diamond tool on the working face of the grinding wheel, can be performed in situ, that is to say without the need to disassemble the grinding wheel 1 of the numerically controlled milling machine on which it is mounted. This avoids the operations of reassembly and adjustment of the positioning of the wheel on the machine tool after straightening, these operations being time consuming and therefore expensive in production. The wheels used are commercial grinding wheels, such as white grinding wheels, corundum grinding wheels or silica grinding wheels, which are generally intended for use in grinding machines or grinding machines. It is therefore a question of wheels having standard shapes, which are mass-produced for these machine tools and which, according to the invention, are simply adapted with the aid of the diamond-pointed tool 3 to give them the shape sought for the piece to be produced.

De ce fait leur coût d'acquisition est extrêmement bas. Les avantages associés à ce procédé d'usinage des pièces en composites à matrice organique par meulage sont essentiellement : - un très bon état de surface, - une meilleure précision du dessin de l'outil, - une réduction des dispersions due à la suppression des opérations de démontage de l'outil de la machine qui le façonne puis de son remontage sur la machine-outil, - une simplification des positionnements relatifs de l'outil et de la pièce à usiner, et - une simplification du travail par une programmation effectuée directement sur le poste de travail. As a result, their acquisition cost is extremely low. The advantages associated with this method of machining parts made of organic matrix composites by grinding are essentially: a very good surface state, a better precision of the drawing of the tool, a reduction of dispersions due to the suppression of dismantling operations of the tool of the machine that shapes it and then reassembling it on the machine tool, - a simplification of the relative positioning of the tool and the workpiece, and - a simplification of the work by programming done directly on the workstation.

Claims

REVENDICATIONS1. A method of machining a workpiece made of an organic matrix composite, characterized in that it comprises the steps of: - selecting a raw grinding wheel (1), obtained from the trade, made by agglomerating abrasive particles together, of which the hardness is less than that of the diamond tools, said rough grinding wheel having a shape in which the desired profile for the workpiece can be cut, - mounting of said grinding wheel on a rotating machine tool and rotating the grinding wheel around the axis of rotation of the machine tool, - cutting in a wall of the grinding wheel of a cylindrical or conical shape whose generator reproduces in hollow the shape of the part to be produced, using a tool (3 ) having the hardness of a diamond tool, - removing the cutting tool (3) and placing the workpiece (5, 15) opposite said grinding wheel after cutting, - machining the workpiece. make by grinding until you get the shape sought.

2. Method according to claim 1 wherein the abrasive particles of the raw grinding wheel (1) are particles of corundum.

3. The method of claim 1 wherein the abrasive particles of the raw grinding wheel (1) are particles of silicon carbide or boron.

4. Method according to one of claims 1 to 3 further comprising a step of regenerating the shape of the wall of the grinding wheel (1) after machining a workpiece (5, 15), by a dressing operation of said grinding wheel with the aid of the cutting tool (3), without dismounting said grinding wheel from its machine tool.

5. Grinding wheel consisting of an agglomeration between them of abrasive particles, whose hardness is less than that of diamond tools characterized in that one of its walls has been cut into a cylindrical or conical shape.

6. Grinding wheel according to claim 5 wherein the cutout is recessed in the form of fir tree foot of a turbomachine blade.