FR3001167A1 - Procede preparatoire, par vibrations, a la mise au point d'une gamme de polissage par tribofinition - Google Patents

Abstract

Procédé de mise au point d'une gamme de finition d'une pièce de turbomachine par tribofinition ou smuritropie, ladite gamme comportant l'immersion de ladite pièce dans un bain de cailloux abrasifs et sa mise en vibration par rapport auxdits cailloux, ledit procédé consistant à définir des paramètres à appliquer au cours de la tribofinition ou de la smuritropie, notamment en termes de qualité des cailloux abrasifs, de choix d'un liquide éventuel baignant lesdits cailloux, de fréquence et d'amplitude des vibrations, d'usure de la pièce et de temps à passer par ladite pièce dans ledit bain, caractérisé en ce qu'il comprend une étape préliminaire de réduction des choix possibles pour lesdits paramètres de la tribofinition ou de la smuritropie, par application de plusieurs gammes exploratoires sur des éprouvettes (7) identiques, présentant des formes géométriques simples.

Description

Le domaine de la présente invention est celui de l'usinage des pièces métalliques et, plus particulièrement, celui de la finition des pièces aéronautiques. Les pièces constituant les moteurs aéronautiques, telles que les disques de compresseur ou les disques aubagés monoblocs (DAM), font l'objet d'opérations de finition pour assurer un polissage de leur surface, un ébavurage ou effectuer un rayonnage de leurs arêtes vives en fin de production. Un disque de compresseur nu comporte sur sa périphérie des alvéoles destinés à recevoir les pieds des aubes du compresseur alors que dans un disque aubagé monobloc les aubes sont fabriquées en même temps que le disque, leur pied étant intégré dans la périphérie du disque. Ces pièces sont de grande dimension et présentent des formes généralement complexes, dues principalement aux alvéoles des disques nus et aux aubes pour les disques DAM. Le polissage ou le rayonnage de ces pièces nécessite donc des opérations longues et coûteuses et une des méthodes généralement employées pour effectuer leur finition consiste à réaliser une tribofinition dans une cuve apte à recevoir de telles pièces.

La tribofinition consiste à plonger la pièce dans une cuve remplie d'un liquide, tel que de l'eau, des additifs et des cailloux abrasifs, qui ont pour fonction d'effectuer une abrasion superficielle des surfaces extérieures de la pièce pour effectuer le polissage ou le rayonnage recherché. Ces cailloux sont réalisés classiquement en alumine compactée dont l'assemblage est assuré par un liant organique. Ils ont une forme géométrique simple, telle par exemple que celle d'une pyramide, d'un parallélépipède, d'un losange à faces biseautées ou d'une pastille, et leur taille est choisie en fonction de celle des cavités dans lesquelles ils doivent circuler. La mise en mouvement de l'eau et des cailloux est assurée soit par un mouvement spécifique de la cuve (tribofinition), soit par la mise en mouvement des pièces immergées (smuritropie). Les deux ont pour action de faire circuler ces cailloux de façon qu'ils viennent en contact avec toutes les parties de la pièce et qu'ils l'usent précisément aux endroits voulus. Au besoin, des masquages du type ruban adhésif, sont mis en place sur les parties qu'on veut protéger et ne pas polir. Le problème associé à la mise au point d'une gamme de polissage ou de rayonnage est qu'elle nécessite de préciser un grand nombre de paramètres, pour que les cailloux circulent effectivement dans toutes les cavités à polir ou à rayonner afin d'obtenir, sur la pièce, les caractéristiques dites morphologiques souhaitées, c'est-à-dire les caractéristiques géométriques, l'état de surface, etc. Il s'agit en effet de trouver la forme pour les cailloux abrasifs la mieux adaptée, de choisir la dureté optimale des abrasifs en jouant sur la proportion d'alumine et de liant, de définir le débit d'eau optimal, de choisir la vitesse de rotation à donner au moteur et les inversions de sens de rotation à pratiquer au cours d'un cycle, et enfin de déterminer la durée de l'usinage. Tout ce processus d'optimisation des paramètres de l'usinage est extrêmement complexe du fait du nombre important de paramètres qui entrent en jeu. Par ailleurs les pièces sur lesquelles il est possible de tester ces paramètres pour définir la gamme de polissage ou de rayonnage, sont en nombre très restreint. Dans l'art antérieur la mise au point de la gamme s'effectuait sur des pièces rebutées, qui sont fort peu nombreuses car il s'agit de pièces qui sont allées presque au bout du processus de fabrication et auxquelles il ne le reste plus à subir que l'opération de finition. Réaliser une pièce spécifiquement pour effectuer la mise au point d'une gamme de fabrication reviendrait extrêmement cher et cette option n'est pas envisageable. L'utilisation de pièces non rebutées ne permet ainsi que des évaluations très limitées qui ne peuvent pas porter sur l'ensemble des paramètres de la tribofinition. Une première amélioration a été apportée, qui est détaillée dans la demande de brevet FR2971177 de la demanderesse, en effectuant une partie de la gamme sur des pièces mannequins, c'est à dire sur des pièces qui servent de support à des éléments représentatifs d'une partie seulement de la pièce à usiner par tribofinition. Ainsi il est possible de ne fabriquer que des parties de pièce qui sont testées sur la pièce mannequin, puis de ne tester la gamme complète que sur un ou quelques exemplaires de la pièce à usiner, en utilisant alors, par exemple, une pièce résultant d'un rebut. Il n'en reste pas moins que cette méthode reste encore longue et coûteuse car il faut fabriquer un nombre important de pièces élémentaires et faire subir à chacune l'ensemble de l'opération de tribofinition sur une pièce mannequin. Le déroulement de toutes ces opérations reste donc largement empirique et il conviendrait de réduire encore le nombre d'opérations nécessaires à la mise au point de la gamme d'usinage de la pièce complète. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant une étape préliminaire d'analyse des lois régissant l'usinage par tribofinition, dans le but de réduire les opérations à effectuer sur des pièces expérimentales, pour la mise au point de la gamme de polissage, d'ébavurage ou de rayonnage des pièces de turbomachine de grandes dimensions. A cet effet, l'invention a pour objet procédé de mise au point d'une gamme de finition d'une pièce de turbomachine par tribofinition ou smuritropie, ladite gamme comportant l'immersion de ladite pièce dans un bain de cailloux abrasifs et sa mise en vibration par rapport auxdits cailloux, ledit procédé consistant à définir des paramètres à appliquer au cours de la tribofinition ou de la smuritropie, notamment en termes de qualité des cailloux abrasifs, de choix d'un liquide éventuel baignant lesdits cailloux, de fréquence et d'amplitude des vibrations, d'usure de la pièce et de temps à passer par ladite pièce dans ledit bain. Il est caractérisé en ce qu'il comprend une étape préliminaire de réduction des choix possibles pour lesdits paramètres de la tribofinition ou de la smuritropie, par application de plusieurs gammes exploratoires sur des éprouvettes identiques, présentant des formes géométriques simples.

L'utilisation d'éprouvettes à formes géométriques simples permet de classifier l'effet des abrasifs pour pouvoir ensuite déterminer lequel est le mieux adapté et quelle est la meilleure procédure pour assurer la finition de pièces de grandes dimensions, qu'il serait coûteux de fabriquer pour cette seule mise au point d'une gamme de finition.

Préférentiellement le choix de l'abrasif, et du liquide éventuellement baignant lesdits cailloux, à utiliser pour la finition desdites pièces est effectué à l'issue de ladite étape préliminaire. On réduit ainsi considérablement les opérations ultérieures à effectuer sur des pièces plus coûteuses, du seul fait que l'abrasif est choisi et que la définition de la procédure à appliquer a été dégrossie.

Avantageusement l'éprouvette est portée par un bras porteur circulant au sein d'un bac d'abrasifs et effectuant un mouvement vibratoire d'allers et retours selon une direction rectiligne. Cette procédure permet de connaître l'impact des mouvements vibratoires qui apparaissent dans un bac d'abrasifs lors d'une tribofinition ou d'une smuritropie, et par suite d'en prédire les effets sur une pièce réelle de turbomachine à polir ou rayonner.

Dans un mode particulier de réalisation les éprouvettes ont la forme de cylindres de révolution, leur déplacement s'effectuant dans un plan passant par l'axe de révolution du cylindre. Dans un autre mode particulier de réalisation les éprouvettes ont la forme de pales de turbomachines, leur déplacement s'effectuant selon une direction parallèle à leur bord d'attaque ou leur bord de fuite.

L'invention porte également sur un dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé tel que décrit ci-dessus comprenant un bac apte à recevoir des cailloux abrasifs et un moyen d'entraînement d'un bras porteur conformé pour maintenir une éprouvette au sein dudit bac, caractérisé en ce que ledit moyen d'entraînement déplace le bras porteur par des mouvements vibratoires d'allers et retours selon une direction rectiligne.

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, d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés.

Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue en perspective d'un moyen d'essai pour l'analyse du polissage par vibrations, selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue de face du moyen d'essai de la figure 1, sur lequel est installée une éprouvette de polissage ; - la figure 3 est un schéma de principe décrivant le mécanisme du moyen d'essai de la figure 1 - la figure 4 est une vue en perspective d'une première éprouvette de polissage par vibrations, et - la figure 5 est une vue en perspective d'une seconde éprouvette de polissage par vibrations. En se référant à la figure 1, on voit un moyen d'essai 1 destiné à fournir des indications sur la façon dont des abrasifs agissent sur une éprouvette qui est représentative de l'état topologique et métallurgique d'une pièce aéronautique. Le moyen d'essai 1 comprend un bâti 2 parallélépipédique, dans lequel est installé un bac 3 destiné à être rempli d'un bain d'abrasifs. Le sommet du bâti comporte quatre longerons 4, parallèles deux à deux, et il est ouvert, de façon à laisser l'accès au bac 3 par le haut. Deux de ces longerons forment des glissières selon une direction dite longitudinale X du trièdre associé au bâti 2, et sur ces longerons glissent un cadre carré formé par deux montants longitudinaux 6 orientés selon l'axe longitudinal X et par deux montants transversaux 5, orientés selon l'axe transversal Y. Entre ces deux montants transversaux 5 s'étend également une pièce support disposée selon l'axe X, à égale distance des deux montants longitudinaux 6. Cette pièce support a vocation à porter une éprouvette de polissage et/ou rayonnage, qu'elle plonge dans un bain d'abrasifs par l'intermédiaire d'un bras porteur 8 (visible sur la figure 2) qui s'étend, vers le bas, selon la direction Z, jusqu'à pénétrer dans le bac 3. Un des bras transversaux 5 présente également une forme en glissière, mais orientée transversalement, et il porte un dispositif de pilotage 9 du cadre formé par les deux montants transversaux et les deux montants longitudinaux, qui entraîne ce cadre dans un mouvement alternatif de va-et-vient le long des glissières longitudinales 4. Ce dispositif comprend à une de ses extrémités un dispositif d'accrochage qui est monté en liaison glissante sur la glissière transversale 5, de sorte qu'il ne peut se déplacer que le long de ce bras transversal. Il comporte à son autre extrémité une cavité cylindrique dans laquelle tourne librement un disque 10. Ce disque présente un perçage non concentrique avec le diamètre extérieur, de telle sorte que l'amplitude de vibration correspond, par exemple, à deux fois l'excentration. Un axe relie le perçage du disque 10 à un tambour 12 qui possède des roulements permettant sa rotation, selon l'axe Z, par rapport au bâti 2. La rotation de ce tambour entraîne une rotation du disque 10 et, du fait de son excentricité, un double mouvement de translation alternatif du dispositif de pilotage 9, tout d'abord selon la direction Y avec un glissement le long de la glissière transversale 5 sans déplacement du cadre, et ensuite selon la direction X en entraînant cette fois-ci le cadre et le bras porteur 8 de l'éprouvette. Cette translation s'effectue selon la direction X, de façon alternative, avec un déplacement ayant une amplitude sinusoïdale en fonction du temps.

La figure 2 montre le même moyen d'essai 1, de face et en coupe partielle, en l'absence du bac d'abrasifs 3. On peut ainsi voir le bras porteur 8 qui s'étend depuis le cadre formé par les montants longitudinaux 6 et transversaux 5 et qui porte une éprouvette 7, représentée ici sous sa première forme, cylindrique 7a, qu'il place au centre de la position qu'occupera le bac 3. Par ailleurs la figure 2 montre un moyen d'entraînement du dispositif de pilotage 9 par un moteur électrique 11 positionné parallèlement au bâti 2, qui entraîne le tambour 12 par l'intermédiaire d'une courroie (non représentée). En version alternative l'entraînement du dispositif de pilotage peut être assuré par la broche d'une machine-outil d'un centre d'usinage montée dans le perçage excentré du disque 10 et qui est mise en rotation selon l'axe Z. Tout moyen permettant de déplacer la glissière transversale 5 avec des amplitudes sinusoïdales en fonction du temps, sur les deux axes X et Y, peut par ailleurs convenir. En référence à la figure 3 on voit schématiquement le mécanisme qui permet de transformer la rotation d'un tambour 12 en un mouvement alternatif selon le seul axe X, qui est appliqué au cadre formé par les montants longitudinaux 6 et transversaux 5. La rotation du tambour provoque une rotation du disque 10 qui entraîne, en premier lieu, selon l'axe Y un déplacement du dispositif de pilotage 9 par glissement le long de la glissière transversale 5, sans déplacement longitudinal de celle-ci, et, en second lieu, un déplacement global du cadre selon l'axe X. Le dispositif permet ainsi de transformer la rotation du tambour 12 en un mouvement alternatif, selon le seul axe X, du cadre formé par les deux montants longitudinaux et transversaux. Au final l'éprouvette 7 effectue un mouvement d'aller et retour dans le bac 3 le long d'une direction parallèle à l'axe X avec un déplacement sinusoïdal à fréquence et amplitude imposées. Elle peut donc servir à évaluer l'effet sur une pièce fixe des vibrations qui seraient appliquées à un bain d'abrasifs. Lors des essais les amplitudes et fréquences de vibrations de la pièce doivent correspondre à des valeurs dont l'ordre de grandeur est proche de valeurs mesurées en tribofinition, soit entre 1 et 5 mm et entre 10 et 30 Hz.

La figure 4 représente une première version d'éprouvette 7a pour l'évaluation de l'effet de divers abrasifs sur une pièce qui est animée d'un mouvement relatif par rapport à eux. L'éprouvette a une forme cylindrique avec un corps de cylindre plein 15, qui est surmonté d'une tête de fixation 16. Celle-ci est également cylindrique, d'un diamètre plus petit que celui du corps, avec sur sa face supérieure un trou 17 qui sert à centrer l'éprouvette sur la broche de la machine-outil et deux méplats 18 qui entament la partie circulaire de la tête 16 pour former des surfaces de positionnement circulaire et d'anti-rotation de l'éprouvette dans la broche. La figure 5 montre une seconde version d'éprouvette 7b pour évaluer l'effet de divers abrasifs pour le polissage des bords d'attaque ou bords de fuite d'une pale. Pour cela cette seconde éprouvette a la forme d'une pale 25 s'étendant à partir d'un socle parallélépipédique 26 qui assure sa fixation sur le bras porteur 8 et qui comporte une rainure 27 pour son positionnement et son anti-rotation par rapport à ce bras. Cette seconde éprouvette 7b est montée sur le cadre vibreur du moyen d'essais de façon qu'elle se déplace de façon alternative par rapport aux abrasifs le long de sa longueur. On va maintenant décrire le déroulement d'une étape de caractérisation des effets des abrasifs sur une pièce métallique lors de vibrations de celle-ci dans un bain de cailloux abrasifs. Cette caractérisation a pour but d'être utilisée lors de la définition d'une gamme de tribofinition ou de smuritropie, que ce soit la pièce qui est en mouvement dans un bain d'abrasifs (comme c'est le cas dans l'exemple illustré sur les figures 1 à 3) ou que la pièce reste fixe et que les abrasifs soient mis en vibrations.

Une phase de caractérisation consiste ainsi, en premier lieu, à déterminer quelles sont les caractéristiques topologiques et métallurgiques de la pièce de turbomachine dont on veut assurer la finition par tribofinition, en particulier le type et la texture morphologique du matériau de la pièce ainsi que son état de surface avant les opérations de finition et celui que l'on veut obtenir après cette finition.

L'invention propose alors de réaliser des premières éprouvettes cylindriques 7a, pour l'évaluation de l'effet sur des pièces massives, et des secondes éprouvettes 7b, en forme de pale, pour l'évaluation de l'effet sur les bords d'attaque ou de fuite de ces pales. Elles sont réalisées dans le même matériau, avec la même texture et avec le même état de surface que la pièce définitive, avant finition. Des éprouvettes 7 d'un même type sont montées les unes après les autres, sur la broche d'une machine-outil puis plongées dans le bain d'abrasifs, où elles sont entraînées en vibration dans le bac 3, à des fréquences variables et au cours de durées également variables. Différents types d'abrasifs sont ainsi testés, que ce soit du fait de duretés différentes, de formes ou de tailles différentes pour les cailloux utilisés, de viscosités différentes pour le liquide dans lequel baignent éventuellement les cailloux abrasifs, ou encore de tout autre paramètre pouvant influer sur le polissage ou le rayonnage d'une pièce en matériau métallique. Les résultats en termes d'état de surface obtenu en fonction du temps, et d'usure de l'éprouvette en fin d'opération permettent d'effectuer une première sélection sur le type d'abrasif à utiliser et sur le temps d'opération à mettre en oeuvre.

La mise au point d'une gamme de tribofinition ou de smuritropie passe donc, selon l'invention, par une première étape qui consiste à déterminer sur des éprouvettes de forme géométriques simples (comme des cylindres, représentés sur la figure 4, mais aussi des sphères, des parallélépipèdes rectangles, ... etc.) qui sont entraînées en vibration dans un bac 3 contenant des abrasifs, quel est celui de ces abrasifs qui est le mieux adapté pour atteindre le résultat recherché. Ce dispositif permet aussi de statuer sur l'effet d'une combinaison de plusieurs abrasifs, utilisés simultanément ou successivement. Au cours de cette même étape est également définie une première approche de la procédure à suivre, en choisissant, entre autres, l'amplitude et la fréquence des vibrations appliquées à la pièce ainsi que le temps passé dans la cuve de tribofinition ou de smuritropie. La même démarche vaut également pour définir quel abrasif et quelle procédure de vibrations sont les mieux adaptés pour effectuer un polissage et/ou un rayonnage des pales d'un turboréacteur.

Une fois l'abrasif choisi et la procédure à suivre définie au cours de cette étape préliminaire, la mise au point de la gamme de tribofinition d'une pièce aéronautique se poursuit de la façon habituellement mise en oeuvre, avec une évaluation de cette ébauche de procédure sur des parties de la pièce qui sont fixées sur une pièce mannequin et une adaptation de la procédure pour rendre le résultat plus conforme aux attentes. Enfin une vérification finale et une éventuelle adaptation de cette procédure est effectuée sur une pièce de rebut représentative d'une pièce de production. Une fois ces nécessaires adaptations effectuées la procédure ainsi définie est validée et elle peut être diffusée comme gamme de tribofinition ou de smuritropie des pièces à produire en série. En conclusion l'étape préliminaire de caractérisation de l'abrasif sur des éprouvettes 7 à formes géométriques simples permet, par cette approche de type analytique appliquée sur des pièces bon marché et avec la mise en oeuvre d'un dispositif d'essai simple, de définir pas à pas le processus à suivre pour la finition des pièces, sans que soient utilisées pour cela des pièces qui sont rares et relativement chères.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de mise au point d'une gamme de finition d'une pièce de turbomachine par tribofinition ou smuritropie, ladite gamme comportant l'immersion de ladite pièce dans un bain de cailloux abrasifs et sa mise en vibration par rapport auxdits cailloux, ledit procédé consistant à définir des paramètres à appliquer au cours de la tribofinition ou de la smuritropie, notamment en termes de qualité des cailloux abrasifs, de choix d'un liquide éventuel baignant lesdits cailloux, de fréquence et d'amplitude des vibrations, d'usure de la pièce et de temps à passer par ladite pièce dans ledit bain, caractérisé en ce qu'il comprend une étape préliminaire de réduction des choix possibles pour lesdits paramètres de la tribofinition ou de la smuritropie, par application de plusieurs gammes exploratoires sur des éprouvettes (7) identiques, présentant des formes géométriques simples.
2. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le choix de l'abrasif, et du liquide éventuellement baignant lesdits cailloux, à utiliser pour la finition desdites pièces est effectué à l'issue de ladite étape préliminaire.
3. 3. Procédé selon l'une des revendication 1 ou 2 dans lequel l'éprouvette est portée par un bras porteur (8) circulant au sein d'un bac d'abrasifs (3) et effectuant un mouvement vibratoire d'allers et retours selon une direction rectiligne.
4. 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel les éprouvettes (7a) ont la forme de cylindres de révolution, leur déplacement s'effectuant dans un plan passant par l'axe de révolution du cylindre.
5. 5. Procédé selon la revendication 3 dans lequel les éprouvettes (7b) ont la forme de pales de turbomachines, leur déplacement s'effectuant selon une direction parallèle à leur bord d'attaque ou leur bord de fuite.
6. 6. Dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 5 comprenant un bac (3) apte à recevoir des cailloux abrasifs et un moyen d'entraînement (9, 12) d'un bras porteur (8) conformé pour maintenir une éprouvette au sein dudit bac, caractérisé en ce que ledit moyen d'entraînement est apte à déplacer ladite éprouvette selon un mouvement vibratoire de fréquence et d'amplitude variables.
7. 7. Dispositif selon la revendication 6 dans lequel ledit moyen d'entraînement déplace le bras porteur (8) par des mouvements vibratoires d'allers et retours selon une direction rectiligne.