FR3067272B1 - Piece de test pour la simulation de l'usure d'une dent de broche destinee au brochage d'alveoles et procede correspondant - Google Patents

Abstract

La présente invention se rapporte notamment à une pièce de test (1) pour la simulation de l'usure d'une dent (8) de broche (9) destinée au brochage d'alvéoles, notamment pour des pièces tournantes de turbomachine telles que des disques de rotor (4) ou de compresseur, caractérisée par le fait qu'elle affecte la forme d'un tube cylindrique (10) d'axe de révolution (A), et que dans la paroi du tube (10) est formée une pluralité de rainures (13) débouchant au niveau de la tranche (12) dudit tube (10), ces rainures (13) étant équidistantes angulairement, séparées deux à deux par une languette (14), et orientées selon une direction qui forme un angle aigu non nul (ab) appelé angle de brochage" avec une direction radiale dudit tube (10)

Description

DOAAAINE DE L'INVENTION

La présente invention est relative aux tests d’usure de broches, en particulier de broches destinées au brochage d’alvéoles pour des pièces telles que des disques de rotors de turbines ou des disques de compresseurs de turbomachine.

ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION

Classiquement, un turbomoteur ou turbopropulseur d’aéronef comprend une partie compresseur et une turbine rotative. Cette turbine comprend elle-même un disque de rotor qui présente des attaches périphériques (alvéoles dites en forme de « pieds de sapin » ou de « bulbes ») qui sont réparties sur sa circonférence et qui reçoivent et maintiennent les pieds des pales de ladite turbine. Certains disques de compresseurs comportent également de telles attaches.

Ces attaches sont généralement usinées dans un disque de turbomachine par brochage. À cet effet, chaque broche d’un ensemble de broches (également appelé « train de broches ») va réaliser une passe pour usiner une alvéole. Et c’est cet ensemble de broches qui va permettre d’obtenir la géométrie finale de l’alvéole.

Le brochage de telles alvéoles est un procédé long et onéreux. Les paramètres de coupe principaux (angle de coupe, avance par dent, angle de dépouille, pas, etc.) sont inclus dans l'outil lors de sa fabrication, de sorte que seule la vitesse de coupe est modifiable.

Pour réaliser une campagne expérimentale, il devient alors nécessaire d'avoir à disposition une broche par condition de coupe (mais tout en tenant compte du fait que la vitesse de coupe peut changer). C’est ce qu’illustrent les figures 1 et 2 dans lesquelles est représentée une broche 9 destinée à usiner des alvéoles dans un disque de turbomachine 4.

Cette broche 9 comporte plusieurs dents 8, deux dents 8 successives étant séparées deux à deux par une âme 5.

La broche 9 est par exemple en carbure de tungstène ou en acier au tungstène, qui est un alliage de fer-carbone additionné de tungstène, cobalt, manganèse, chrome, vanadium, molybdène. Il est communément appelé "acier rapide spécial ".

Lors du brochage d’une alvéole « pied de sapin », chaque broche 9 réalise une passe et la succession de plusieurs broches va permettre d’obtenir la géométrie voulue. On notera toutefois qu’il est possible de réaliser une ou plusieurs passes avec la même broche pour les machines de grandes dimensions.

Les principaux paramètres de brochage sont : l’angle de coupe y, l’angle de dépouille a, le pas P entre deux dents, - le rayon de goujure (rsoujure), la profondeur de chambre à copeau (c), l’avance par dent (f), le rayon d'arête (rB).

Pour réaliser des essais, il est nécessaire de procéder à un arrêt de la production d’une machine. De plus, il s’agit d’un procédé lent avec un temps de montage et de réglage non négligeable. Enfin, les essais sur moyen de production sont très coûteux. L’usinage d’une pièce est décomposé en deux phases : une partie descente de la broche, durant laquelle l’outil usine, et une partie remontée de la broche durant laquelle l’outil n’usine pas et ne fait que revenir à son point de départ pour préparer le prochain usinage.

Un rapide calcul permet de déterminer le temps nécessaire à la réalisation d’essais de brochage dans les conditions suivantes de production :

Pour une broche ayant une vitesse de coupe de 20 mètres/minute, le temps de cycle d’usinage (descente et remontée de l’outil) est de 30 secondes (relation (1) ci-dessous).

Si la pièce à usiner a une épaisseur de 15 mm, pour simuler une longueur brochée de 30 m, il faut donc réaliser 2000 cycles (relation (2) ci-dessous). D’après les données précédentes, la durée totale d’usinage est de 16,7h pour réaliser cet essai (relation (3) ci-dessous). (1) 30 secondes par cycle pour Vc =20m/min ; (2) 15 mm par pièce donne 2000 cycles pour 30 m brochés ; (3) 2000 cycles*30 sec par cycle/3600 sec = 16,7 heures.

Bien que cette technique de test soit proche des conditions réelles d'utilisation (puisque les moyens d'essai et les moyens industriels sont identiques), tester une broche 9 sur une pièce destinée à être brochée implique la destruction de cette pièce. Or, notamment dans le cas de disques de rotors de turbines ou de disques de compresseurs de turbomachine, ces pièces sont très coûteuses.

De plus, les machines sont rarement disponibles et la production ne peut pas être bloquée trop longtemps pour des essais. Par ailleurs, des manipulations sont parfois nécessaires pour modifier les conditions expérimentales, ce qui n’est que difficilement réalisable pour des brocheuses de production.

Il a déjà été proposé de simuler l’usinage des broches 9 en usinant des pièces de test en forme de disque 20 avec un outil de tournage 3, la partie active 2 de cet outil de tournage 3 usinant la périphérie 200 du disque 20. C’est ce qu’illustre la figure 3a.

Cette solution n'est pas satisfaisante car l’angle de dépouille entre l’outil de tournage 3 est la périphérie 200 du disque 20 n’est pas constant (figure 3b).

Ceci est visible sur la figure 4 dans laquelle les arcs de cercle C1; C2 et C3 schématisent la variation de diamètre du disque 20 lors de l’usinage.

Comme illustré sur la figure 3c, il a également été proposé de simuler l’usinage des broches 9 en usinant des pièces de test en forme de tube 30 avec des outils de tournage 3 comportant une partie active 2 identique à la dent 8 de la broche 9 à tester, l’outil de tournage 3 usinant la tranche 300 du tube 30. Ces essais sur tube permettent de garder un angle de dépouille constant, ainsi que le montre la ligne DC en traits discontinus de la figure 4.

En revanche, ils ne permettent pas de reproduire la discontinuité de coupe du brochage, ni de reproduire l'angle de la pièce brochée.

Encore une autre technique est décrite dans le document FR-A-3 036 049 qui détaille une solution de simulation de brochage en tournage. Elle est illustrée sur la figure 5 annexée.

Dans ce cas, la pièce de test 10 a une forme générale de cylindre de révolution autour d’un axe A avec deux bases d’extrémité 14a, 14b perpendiculaires à l’axe A, et une surface périphérique cylindrique 11.

Une pluralité de rainures latérales 12 sont réparties à la périphérie de la pièce 10. Ces rainures latérales 12 s’étendent toutes à partir de la même base 14a, parallèlement à l’axe A et sur une profondeur constante.

Comme illustré sur la figure 5, au cours de l’étape de tournage simulant le brochage, la partie active 2 usine dans la pièce de test 10 une gorge annulaire frontale cylindrique 13 centrée sur l’axe A et d’un diamètre légèrement inférieur à celui du diamètre périphérique de la pièce 10. À cet effet, la pièce 10 est mise en rotation autour de son axe A, tandis que l’outil de tournage 3 est progressivement avancé dans la pièce de test 10, parallèlement à l’axe A pour former progressivement la gorge 13.

La combinaison de mouvement entre le déplacement de l’outil de tournage 3 et la rotation de la pièce de test 10 enlève la matière constitutive de la pièce de test 10 de manière à creuser la gorge annulaire frontale 13. Lors de la coupe, la matière de la pièce 10 en interférence avec la trajectoire de l’outil de tournage 3 est détachée par usinage du reste de la pièce et se transforme en copeaux.

Cette solution donne globalement satisfaction. Toutefois, les outils nécessaires à l’usinage de cette pièce doivent être conçus sur mesure et avec précision.

Par ailleurs, l’impact de la température n’est pas négligeable. En effet, le refroidissement qui agit sur les broches durant la phase de remontée de l’outil n’est pas simulé lors de l’usinage de cette pièce.

Ainsi, la température produite va croître constamment et être décuplée en raison du caractère confiné de l’arête de coupe. Une mesure de la température de cette dernière n’est pas possible avec cette pièce. Or, une température élevée peut avoir un rôle non négligeable sur les résultats obtenus (efforts, mécanismes d’usure, intégrité de surface...).

Enfin, il s’agit d’une pièce complexe, difficile à fabriquer, nécessitant des réglages très précis en vue de l’usinage afin ne pas casser l’outil avant et pendant les essais.

RESUME DE L'INVENTION

La présente invention vise donc à remédier à ces inconvénients. Ainsi, elle a pour principal objet une pièce de test pour la simulation de l'usure d'une dent de broche destinée au brochage d'alvéoles, notamment pour des pièces tournantes de turbomachine telles que des disques de rotor ou de compresseur, caractérisée par le fait quelle affecte la forme d'un tube cylindrique d'axe de révolution, et que dans la paroi du tube est formée une pluralité de rainures débouchant au niveau de la tranche dudit tube, ces rainures étant équidistantes angulairement, séparées deux à deux par une languette, et orientées selon une direction qui forme un angle aigu non nul appelé "angle de brochage" avec une direction radiale dudit tube.

Selon des caractéristiques avantageuses et non limitatives de cette pièce : - ledit tube cylindrique est pourvu d’un fond, de sorte que cette pièce affecte la forme d’une cloche ; - lesdites rainures présentent toutes les mêmes dimensions ; - lesdites rainures présentent des flancs qui forment entre-eux un angle compris entre 0 et 45° ; - le nombre de rainures est au moins égal à dix.

Un autre aspect de l’invention se rapporte à un procédé qui consiste à animer ladite pièce conforme à l'une des caractéristiques précitées en rotation autour de son axe de révolution et à déplacer un outil de tournage comportant une partie active identique à la dent de ladite broche contre ladite tranche, de manière à interférer avec lesdites rainures et lesdites languettes qui les séparent.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d’un mode de réalisation préféré de l’invention. Cette description est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - les figures 1 et 2, déjà discutées, représentent des broches destinées à l’usinage d’alvéoles en pieds de sapin ; - la figure 3a, également déjà discutée, illustre l’usinage d’une pièce de test en forme de disque par un outil de tournage comportant une partie active, la figure 3b étant quant à elle une vue agrandie de la figure 3a autour de la partie active de l’outil de tournage ; - la figure 3c illustre l’usinage d’une pièce de test en forme de tube par un outil de tournage comportant une partie active, la figure 3d étant quant à elle une vue agrandie de la figure 3c autour de la partie active de l’outil de tournage ; - la figure 4 est un schéma destiné à illustrer l'éventuelle variation de la dépouille selon que l'on a affaire à la pièce de la figure 3a ou 3c ; - la figure 5 représente l’usinage d’une pièce de test selon l'état de la technique additionnelle décrite plus haut ; - la figure 6 est une vue en perspective d'une pièce de test conforme à la présente invention ; - la figure 7 illustre l’usinage de la pièce de test de la figure 6 par un outil de tournage ; - la figure 8 représente une galette d’essai représentant le disque d’une turbomachine dans lequel est ménagée une alvéole ; - la figure 9 est une vue rapprochée autour de l’alvéole de la galette de la figure 8 ; - la figure 10 est une vue analogue à la figure 6 ; - la figure 11 est une vue rapprochée autour de deux languettes et d'une rainure de la pièce de test de la figure 10 ; - la figure 12 est une vue frontale de la pièce de test de la figure 10; - la figure 13 est une vue analogue à la figure 6 ; - la figure 14 est une vue de détail de la figure 13 ; - la figure 15 est une vue en coupe longitudinale de la pièce de test de la figure 13.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

Dans la description qui suit, on décrit en référence aux figures 6 et suivantes, la structure d'une pièce de test 1 conforme à l'invention permettant de simuler l'usure d'une broche 9 du type de celle illustrée aux figures 1 et 2 et comportant une série de dents 8.

Cette pièce de test 1 est tout particulièrement visible aux figures 6 et 7. Cette pièce de test est par exemple en alliage nickel, en fonte, en alliage aluminium ou en alliage titane.

Elle affecte la forme d'une cloche, ce qui signifie quelle est constituée d'un tube cylindrique 10 pourvu d'un fond 11. Ce fond peut être d'une pièce avec le tube 10 ou rapporté à ce dernier. Ce fond contribue à conférer de la rigidité à la pièce, de manière à ce que le tube ne se déforme pas lorsque l'on positionne et on enserre la pièce 1 à l’aide de mors de tournage. Sa surépaisseur sert à assurer un bon maintien de la pièce et à limiter les battements lors de l’usinage en réduisant la prise de mors.

Toutefois, dans un mode de réalisation illustré, ce fond peut être ouvert de sorte que la pièce est alors uniquement tubulaire. A la figure 6, l'axe de révolution du tube 10 est référencé A, tandis que sa tranche est référencée 12.

Dans la paroi du tube 10 est formée une pluralité de rainures 13, que l'on peut également désigner sous le vocable "encoches". Elles sont ici au nombre de dix. Toutefois, il s'agit d'un simple exemple de réalisation, de sorte qu'on peut envisager que ce nombre soit différent, c'est à dire supérieur ou inférieur à dix.

Conformément à l'invention, ces rainures 13 sont équidistantes angulairement et séparées deux à deux par une région formant languette" 14, c'est à dire une région dans laquelle le matériau du tube 10 est présent.

Avantageusement, ces rainures 13 présentent toutes les mêmes dimensions. Egalement de manière avantageuse, il existe un léger angle, par exemple de l’ordre de 12,7°, entre les deux flancs 130 successifs d’une rainure 13, permettant d’obtenir l’angle de brochage voulu. Cet angle, dans d’autres modes de réalisation peut avoir une valeur comprise entre 0 et 45°.

Ici, le fond 131 des rainures 13 est conformé en arc de cercle. Toutefois, en fonction de la stratégie d’usinage et de l’outil employé, ce fond sera conformé en arc de cercle ou sera rectiligne, avec un congé égal au rayon de la fraise, permettant le lien entre flancs 130 et fond 131.

Toujours selon une caractéristique de l'invention, et en se reportant plus spécifiquement aux figures 10 et 11, ces rainures 13 sont orientées selon une direction qui forme un angle aigu non nul ab avec une direction radiale du tube 10.

Cette orientation ou inclinaison des rainures 13 vise à simuler l'inclinaison du disque lors de son brochage en production.

Ainsi, à la figure 8, on a représenté un disque 4 de turbomachine avec une seule "tranchée" 51, tandis qu'à la figure 9 est représentée une vue agrandie de la région de la tranchée 51 avec une représentation de l'angle de brochage ab.

En revenant aux figures 10 et 11 où cette dernière est une vue agrandie de la région repérée sur la figure 10, on note effectivement l'existence d'un angle aigu ab non nul que forme la direction de la rainure 13 représentée avec une direction radiale R du tube.

Toujours selon l'invention, on propose un procédé de simulation de l'usure d'une dent de broche destinée au brochage d'alvéoles, notamment pour disques de rotor ou de compresseur de turbomachine, qui consiste à animer la pièce 1 (telle que décrite ci-dessus) en rotation autour de son axe de révolution A et à déplacer un outil de tournage comportant une partie active identique à la dent de ladite broche contre ladite tranche, de manière à interférer avec les rainures 13 et les languettes 14 qui les séparent.

Ceci est représenté à la figure 7 sur laquelle un outil de tournage 3 est visible, lequel porte une partie active 2 qui a une forme identique à une dent 8 d'une broche 9 à tester.

Ainsi, la solution proposée selon l'invention, qui fait usage de rainures 13 dans une cloche, permet de réaliser une "coupe aux chocs", ce qui signifie que ces rainures 13 permettent de reproduire artificiellement les chocs dus à la succession de phases d’usinage et de repositionnement qui sont caractéristiques du brochage d’alvéoles. La présence de rainures 13 permet de simuler une coupe discontinue et donc de se rapprocher du cas du brochage.

Par ailleurs, Tutilisation d’une cloche permet de se placer dans la configuration « coupe sur tube » illustrée à la figure 3c, entraînant un contact en dépouille constant lors de l’usinage.

La pièce de tournage constituée par la cloche permet donc de simuler au mieux une opération de brochage, c'est à dire en essayant de conserver le plus de caractéristiques de cette opération.

Ainsi, Tutilisation de la configuration « coupe sur tube » permet d’obtenir un contact en dépouille constant durant tout l’usinage. Pour simuler la discontinuité du brochage, les rainures 13 sont présentes sur la pièce (Figure 6). Pour simuler l’inclinaison du disque lors du brochage en production, les rainures 13 sont inclinées et ainsi peuvent reproduire la même entrée progressive de l’outil dans la pièce.

La longueur d’une alvéole brochée peut avantageusement être représentée par la longueur d’une languette 14.

Comme mentionné plus haut, on a représenté ici une pièce 1 qui comporte dix rainures 13, de sorte qu'à chaque rotation, il est possible de simuler le brochage de dix alvéoles.

Par ailleurs, l’usinage avec une arête libre permet de maximiser le contact du lubrifiant sur l’outil et donc de réduire la température dans la zone de coupe. En d'autres termes, la partie active 2 de l'outil de tournage travaille dans une zone non confinée, qui est facile à lubrifier et dont la température peut être gérée au mieux.

En effet, le lubrifiant peut atteindre simplement et concentrer son action sur la partie centrale « usinante ».

Le nombre de rainures, leur taille et leur angle d’inclinaison sont choisis en fonction de l’opération de brochage voulue à simuler. Le calcul de ces caractéristiques est expliqué à titre d’exemple comme suit, en référence à la figure 12 :

Pour une largeur de brochage de 3 mm et un diamètre nominal Dnom de 74mm.

Dnom = 74mm ;

Le diamètre maximal Dmax est alors de :

Dmax = 77mm ;

Et le diamètre minimal Dmin de :

Dmin = 71mm.

Par suite, le périmètre issu du diamètre nominal P est: P = Dnom*n = 74n mm.

Il est alors possible de déterminer la longueur C entre deux languettes 14 successives, en fonction de P, de la longueur lB à brocher d’une alvéole (lB = 15mm) et du nombre de languettes (ici égale à 10). C = P/10 - lB; C= (Dnom*n)/10 - lB = 8,25mm L’angle de brochage ab est simulé par l’inclinaison des surfaces d’entrée et de sortie des rainures 13 par rapport à la direction radiale R de la pièce 1. La bonne inclinaison de ces rainures 13 par l’utilisation d’angles calculés précisément permet de simuler une opération de brochage (mouvement rectiligne de l’outil 3) en tournage (mouvement circulaire de la pièce 1). Cependant, la différence de diamètre entre le maximum et le minimum va entraîner une variation de vitesse sur l’arête de coupe. Cette variation est quantifiée comme suit :

Pour une vitesse de coupe nominale Vnom = 20 m/min appliquée sur le diamètre nominal Dnom usiné de 74 mm, ceci implique une vitesse de rotation de la pièce N = 86 tours/min.

En effet, N = (1000 * Vnom)/(Dnom*n), soit approximativement 86. A partir de cette vitesse N de rotation, il est possible de calculer les vitesses de coupe Vmax et Vmin pour les diamètres Dmax et Dmin :

Vmax = (N* Dmax*n)/1000, soit 20,8 m/min ;

Vmin = (N* Dmin*Ti)/1000, soit 19,2 m/min

Et donc, dans cet exemple une variation de vitesse AV égale à 8,1%. AV = Vmax - Vmin/Vnom, soit approximativement 8,1.

La figure 13, et plus particulièrement la figure 14 annexée identifie ces 3 vitesses.

Le principal avantage de la pièce de test et du procédé selon l'invention réside dans la rapidité et la facilité de réalisation d’essais de coupe par rapport au brochage usuel.

En effet, à partir d’une profondeur d’usinage axial lt de 20 mm (comme montré à la figure 15) et pour une avance (prise de copeau entre chaque tour) f de 0.1 mm/tour, on obtient une longueur brochée lu de 30 m :

A partir des paramètres déterminés précédemment, on obtient une vitesse d’avance par minute Vf :

Il est donc possible de calculer le temps d’usinage tu en fonction de la longueur usinée lt et de la vitesse d’avance Vf.

Dans le cadre de cet exemple, la simulation dure donc 2,3 minutes contrairement aux essais réels qui, eux, durent 16,7 heures. Cette solution permet donc de réaliser des essais 436 fois plus rapidement qu’en réalisant un brochage. L’apport de la présente invention permet, en quelque sorte, de transformer le mouvement de translation nécessaire au brochage en un mouvement de rotation sur un tour.

La pièce 1 décrite ici permet de simuler en un tour l’usinage de dix alvéoles.

La mise en œuvre du procédé est relativement simple avec un temps de réglage très réduit par rapport à la technique de brochage. Par conséquent, les coûts liés à ces essais de test sont largement minimisés.

De plus, un tour est un dispositif commun qui est présent dans de nombreux centres de recherche. La réalisation d’essais sur cet appareil est donc plus simple que sur une brocheuse, appareil très spécifique, généralement présent uniquement dans les unités de production.

De plus, un tour est un système versatile facilement modifiable pour tester différentes conditions expérimentales (lubrification orientée différemment, modification de la prise de mors...).

Ainsi, la présente invention permet de tester toutes sortes de géométries, de revêtements, de matériaux et préparation d’arêtes sur les outils de coupe, ceci en un temps record.

Enfin, la pièce 1 permet d’intégrer les spécificités du brochage qui sont : - une coupe discontinue ; - une longueur à brocher correspondant au brochage simulé ; - un angle d’inclinaison de la pièce (angle de brochage) ; - une facilité de mise en œuvre ; - un contrôle simplifié des paramètres d'influence.

Claims (6)

1. REVENDICATIONS

   1. Pièce de test (1) pour la simulation de l'usure d'une dent (8) de broche (9) destinée au brochage d'alvéoles, notamment pour des pièces tournantes de turbomachine telles que des disques de rotor (4) ou de compresseur, caractérisée par le fait quelle affecte la forme d'un tube cylindrique (10) d'axe de révolution (A), et que dans la paroi du tube (10) est formée une pluralité de rainures (13) débouchant au niveau de la tranche (12) dudit tube (10), ces rainures (13) étant équidistantes angulairement, séparées deux à deux par une languette (14), et orientées selon une direction qui forme un angle aigu non nul (ab) appelé "angle de brochage" avec une direction radiale dudit tube (10).
2. 2. Pièce de test (1) selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit tube cylindrique (10) est pourvu d’un fond (11), de sorte que cette pièce affecte la forme d’une cloche.
3. 3. Pièce de test (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que lesdites rainures (13) présentent toutes les mêmes dimensions.
4. 4. Pièce de test selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que lesdites rainures (13) présentent des flancs (130) qui forment entre-eux un angle compris entre 0 et 45°.
5. 5. Pièce de test selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le nombre de rainures (13) est au moins égal à dix.
6. 6. Procédé de simulation de l'usure d'une dent (8) de broche (9) destinée au brochage d'alvéoles, notamment pour des pièces tournantes de turbomachine telles que des disques de rotor ou de compresseur, caractérisé par le fait qu'il consiste à animer ladite pièce (1) conforme à l'une des revendications 1 à 5 en rotation autour de son axe de révolution (A) et à déplacer un outil de tournage (3) comportant une partie active (2) identique à la dent (8) de ladite broche (9) contre ladite tranche(12), de manière à interférer avec lesdites rainures (13) et lesdites languettes (14) qui les séparent.