FR3109326A1 - Procédé de fabrication d’une porte d’aéronef monobloc par matriçage multi-passes - Google Patents
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Abstract
Procédé de fabrication d’une porte d’aéronef cintrée présentant une structure monobloc, comportant les étapes suivantes : - mise en position dans un premier outillage de matriçage de l’ébauche forgée (7) selon un premier positionnement angulaire ; - matriçage partiel d’une première portion de l’ébauche forgée (7) ; - pivotement et mise en position dans un deuxième outillage de matriçage de l’ébauche forgée (7) selon un deuxième positionnement angulaire ; - matriçage partiel d’une deuxième portion de l’ébauche forgée (7), adjacente à la première portion. Figure pour l’abrégé : Fig. 12
Description
L’invention relève du domaine de l’aéronautique et concerne les procédés de fabrication de portes d’aéronef. Ces portes sont par exemple des portes d’embarquement de passagers, les portes d’issue de secours, les portes de soute ou tout autre ouvrant destiné à refermer le fuselage d’un aéronef.
ART ANTÉRIEUR
La fabrication des portes d’aéronef est généralement complexe et onéreuse compte tenu des contraintes propres au domaine de l’aéronautique. Les portes d’embarquement de passagers, par exemple, sont destinées à refermer de larges ouvertures pratiquées dans le fuselage de l’aéronef. Ces portes doivent garantir une tenue mécanique adéquate au niveau de l’ouverture refermée, en prolongement de la structure de l’aéronef. Ces portes doivent également garantir une certaine étanchéité à l’air pour le maintien d’une forte pression différentielle durant le vol entre l’intérieur de la cabine et l’extérieur de l’aéronef. Ces portes embarquent de plus de nombreux éléments tels que des dispositifs de sécurité, des mécanismes de commande, guidage, et verrouillage, ou encore des éléments de finition, ce qui en fait des assemblages lourds et complexes.
Une large majorité des portes d’aéronef actuellement en service sont fabriquées par assemblage de nombreuses pièces séparées. Des poutres structurelles et des cadres de renfort sont assemblés et sont fixés sur une peau extérieure réalisée à partir d’une tôle ou d’une feuille de matériau. D’autres éléments fonctionnels sont rapportés sur cet ensemble, par exemple des butées permettant le verrouillage de la porte. Chaque élément de la porte est produit et contrôlé séparément et l’ensemble fait ensuite l’objet d’un assemblage minutieux par la pose de fixations telles que des rivets ou des vis.
Par exemple, une porte d’embarquement de passagers d’un avion de ligne est typiquement réalisée d’un assemblage de l’ordre de 150 pièces et de 1 500 fixations.
Ces procédés de fabrication classiques des portes d’aéronef permettent de remplir les critères de sécurité propres à l’aéronautique, notamment par la possibilité de contrôle de chacune des pièces et par le suivi rigoureux qui est permis dans ce type d’industrie lors d’un tel assemblage complexe. C’est la raison pour laquelle ce type de procédé d’assemblage et les portes correspondantes sont actuellement largement répandus dans l’aéronautique.
Cependant, ces procédés ont notamment les inconvénients suivants :
- ils nécessitent des moyens de mise en œuvre exigeants, notamment pour la mise en position et le calage des pièces en vue de l’assemblage avec des fixations ;
- le grand nombre d’opérations impliquées pour la préparation à la pose des fixations (perçages, fraisures, etc.) entraine autant de possibilités d’obtenir une non-conformité, ce qui augmente le taux de rebut d’une production ;
- la pose des fixations tels que des rivets est longue et fastidieuse, notamment pour les pièces internes et les recoins peu accessibles ;
- les liaisons mécaniques au niveau des fixations sont des points critiques pour les propriétés mécaniques de l’ensemble. En statique, des phénomènes de cisaillement des fixations et de matage des trous de fixation, relatifs au passage des efforts au niveau de ces points critiques, doivent être palliés. De plus, la présence des trous de fixation impacte défavorablement la résistance à la fatigue, ce qui est lié à la présence de sur-contraintes qui peuvent initier des fissures. Les portes d’aéronef devant répondre à des critères de sécurité élevés, elles font donc l’objet d’un dimensionnement notamment au niveau des fixations, ce qui augmente la masse de la porte.
- ils nécessitent des moyens de mise en œuvre exigeants, notamment pour la mise en position et le calage des pièces en vue de l’assemblage avec des fixations ;
- le grand nombre d’opérations impliquées pour la préparation à la pose des fixations (perçages, fraisures, etc.) entraine autant de possibilités d’obtenir une non-conformité, ce qui augmente le taux de rebut d’une production ;
- la pose des fixations tels que des rivets est longue et fastidieuse, notamment pour les pièces internes et les recoins peu accessibles ;
- les liaisons mécaniques au niveau des fixations sont des points critiques pour les propriétés mécaniques de l’ensemble. En statique, des phénomènes de cisaillement des fixations et de matage des trous de fixation, relatifs au passage des efforts au niveau de ces points critiques, doivent être palliés. De plus, la présence des trous de fixation impacte défavorablement la résistance à la fatigue, ce qui est lié à la présence de sur-contraintes qui peuvent initier des fissures. Les portes d’aéronef devant répondre à des critères de sécurité élevés, elles font donc l’objet d’un dimensionnement notamment au niveau des fixations, ce qui augmente la masse de la porte.
Ces procédés de l’art antérieur sont donc longs, couteux, et conduisent à des portes d’aéronef dont la masse gagnerait à être réduite.
Il existe de nombreuses tentatives d’améliorer la fabrication des portes d’aéronef bien qu’aucune ne se soit véritablement imposée jusqu’à présent.
Par exemple, la demande de brevet US6817574 propose de mouler d’une seule pièce une porte en alliage d’aluminium ou magnésium, par un procédé de moulage au sable. Les formes de la porte, et en particulier sa membrure, ont été adaptées à un tel procédé, notamment pour permettre le retrait des noyaux de moulage. Le procédé décrit dans ce document résout un certain nombre d’inconvénients cités ci-dessus mais impose cependant un procédé qui reste long et délicat par le nombre d’opérations qu’il impose et qui conduit à des portes d’aéronef qui pourraient être optimisées du point de vue des caractéristiques mécaniques et de la masse.
Par ailleurs, la demande de brevet US2007/0007390 décrit une porte d’aéronef faite d’une seule pièce qui est entièrement usinée à partir d’un brut forgé. De même, ce document décrit un procédé de fabrication de porte d’aéronef qui résout un certain nombre des inconvénients listés ci-dessus mais qui conduit cependant à un procédé onéreux par la quantité d’opérations d’usinage qu’il nécessite et conduit à la production d’une porte nécessitant un grand nombre de renforts au niveau de sa membrure pour présenter une rigidité adéquate.
L’invention a pour but d’améliorer les procédés de fabrication de porte d’aéronef de l’art antérieur.
A cet effet, l’invention vise un procédé de fabrication d’une porte d’aéronef cintrée qui présente une courbure déterminée par rapport à un axe de cintrage, cette porte d’aéronef présentant une structure monobloc comprenant d’une seule pièce une peau extérieure et une membrure interne, la membrure interne comportant au moins une poutre saillante transversalement à la peau extérieure, ce procédé comportant les étapes suivantes :
- production d’une ébauche forgée d’épaisseur sensiblement constante, à partir d’un alliage métallique matriçable ;
- cintrage de l’ébauche forgée suivant ladite courbure déterminée ;
- mise en position dans un premier outillage de matriçage de l’ébauche forgée selon un premier positionnement angulaire relativement à l’axe de cintrage, l’outillage de matriçage comportant une matrice inférieure sensiblement lisse et une matrice supérieure comportant au moins une empreinte ;
- matriçage partiel d’une première portion de l’ébauche forgée, entre la matrice inférieure et la matrice supérieure, selon une direction de matriçage ;
- pivotement et mise en position dans un deuxième outillage de matriçage de l’ébauche forgée selon un deuxième positionnement angulaire relativement à l’axe de cintrage, l’outillage de matriçage comportant une matrice inférieure sensiblement lisse et une matrice supérieure comportant au moins une empreinte ;
- matriçage partiel d’une deuxième portion de l’ébauche forgée, adjacente à la première portion, entre la matrice inférieure et la matrice supérieure, selon ladite direction de matriçage.
- production d’une ébauche forgée d’épaisseur sensiblement constante, à partir d’un alliage métallique matriçable ;
- cintrage de l’ébauche forgée suivant ladite courbure déterminée ;
- mise en position dans un premier outillage de matriçage de l’ébauche forgée selon un premier positionnement angulaire relativement à l’axe de cintrage, l’outillage de matriçage comportant une matrice inférieure sensiblement lisse et une matrice supérieure comportant au moins une empreinte ;
- matriçage partiel d’une première portion de l’ébauche forgée, entre la matrice inférieure et la matrice supérieure, selon une direction de matriçage ;
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- matriçage partiel d’une deuxième portion de l’ébauche forgée, adjacente à la première portion, entre la matrice inférieure et la matrice supérieure, selon ladite direction de matriçage.
Le procédé selon l’invention permet la réalisation d’une porte d’aéronef monobloc complète, c’est-à-dire comportant d’une seule pièce une peau extérieure et sa membrure, uniquement par des opérations de matriçage. Le procédé selon l’invention rend compatibles les techniques de matriçage, qui sont adaptées à des productions de grande série à bas cout, avec la fabrication de portes d’aéronef dans le domaine aéronautique.
Les portes d’aéronef monobloc ont la particularité d’être des pièces à la fois massives et complexes. Elles présentent une forme cintrée pour s’adapter au fuselage de l’aéronef et comportent une membrure qui suit le cintrage. Les poutres saillantes transversalement de la peau extérieure sont avantageusement matricées avec des volumes de dépouille minimaux, ce qui requiert un enlèvement moindre de matière lors d’opérations supplémentaires d’usinage, et donc une économie de matière, de temps et de moyens d’usinage.
De plus, le procédé selon l’invention réalise le matriçage d’une porte d’aéronef en plusieurs passes, ce qui permet de diminuer la puissance des presses nécessaires. À titre d’exemple, le matriçage direct d’une porte d’aéronef monobloc dont les dimensions seraient de l’ordre de 2m x 1m nécessiterait une presse d’une puissance aux alentours de 65 000 tonnes. De telles presses sont des équipements industriels extrêmement lourds et très peu répandus dans le monde. Le procédé selon l’invention permettrait dans ce contexte le matriçage d’une porte d’aéronef, par exemple, en trois passes avec une presse de 20 000 tonnes, ce qui correspond à un outil industriel beaucoup plus répandu.
L’emploi d’une technique de fabrication telle que le matriçage avec des moyens industriels relativement communs réduit les couts de fabrication et permet une maitrise plus fine des paramètres de forge qui influent sur les caractéristiques mécaniques de la porte d’aéronef monobloc.
Le procédé de fabrication selon l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles suivantes, seules ou en combinaison :
- le procédé comporte en outre les étapes suivantes : une étape supplémentaire de pivotement et de mise en position dans un outillage supplémentaire de matriçage de l’ébauche forgée selon un autre positionnement angulaire autour de l’axe de cintrage, l’outillage de matriçage comportant une matrice inférieure sensiblement lisse et une matrice supérieure comportant au moins une empreinte ; une étape supplémentaire de matriçage partiel d’une portion supplémentaire de l’ébauche forgée, adjacente à la portion précédemment matricée, entre la matrice inférieure et la matrice supérieure, selon une direction de matriçage ;
- l’étape supplémentaire de pivotement et de mise en position et l’étape supplémentaire de matriçage partiel sont répétées au moins une fois ;
- lors des étapes de matriçage, les empreintes des matrices supérieures définissent des nervures sur la portion correspondante de l’ébauche forgée ;
- lors d’une étape de matriçage, la matrice supérieure réalise le matriçage uniquement d’un flanc d’une nervure d’extrémité, et lors de l’étape de matriçage subséquente, la matrice supérieure suivante réalise le matriçage de l’autre flanc de ladite nervure d’extrémité ;
- les matrices supérieures comportent au moins une empreinte d’extrémité présentant une seule face plane ;
- au moins une matrice supérieure comporte un poinçon de jonction en vis-à-vis de la face plane de l’empreinte d’extrémité ;
- le procédé comporte en outre, pour chaque nervure, une étape d’usinage d’une poutre comportant une âme et une semelle ;
- lors d’une étape de matriçage, la direction de matriçage est sensiblement la moyenne des directions angulaires dans lesquelles s’étendent les âmes des poutres de la portion correspondante de l’ébauche forgée ;
- la largeur maximale de chaque empreinte est inférieure à 5 fois la largeur maximale de la poutre correspondante ;
- la matrice inférieure d’au moins l’un des outillages de matriçage présente une courbure égale à la courbure de la portion correspondante de l’ébauche forgée ;
- les différentes directions de matriçage sont parallèles.
Le procédé de fabrication selon l’invention peut de plus comporter les caractéristiques additionnelles suivantes, seules ou en combinaison :
- la porte d’aéronef présente une structure monolithique comprenant d’une seule pièce une peau extérieure et une membrure interne, la membrure interne comportant au moins un tronçon présentant : une âme rattachée transversalement à la peau extérieure ; et une semelle opposée à la peau extérieure ;
- le procédé comporte les étapes suivantes : - production d’une ébauche forgée d’épaisseur sensiblement constante, à partir d’un alliage métallique matriçable ; - matriçage de l’ébauche forgée entre une matrice inférieure sensiblement lisse et une matrice supérieure définissant des alvéoles, une distance de garde étant maintenue entre la matrice inférieure et la matrice supérieure, et obtention d’une pièce matricée à structure alvéolaire présentant une face ouverte et une face fermée par une paroi dont l’épaisseur correspond à la distance de garde ; - usinage des parois internes de la structure alvéolaire de la pièce matricée pour définir au moins un renfoncement délimité : par une âme reliant la face fermée et la face ouverte ; et par une semelle saillante sensiblement perpendiculairement à l’âme, sur la face ouverte de la pièce matricée ;
- la matrice supérieure comporte des poinçons entourés d’évidements définissant lesdites alvéoles ;
- la matrice inférieure et la matrice supérieure sont cintrées selon une courbure définissant une courbure pour la porte d’aéronef ;
- la structure alvéolaire de la pièce matricée est réalisée par des nervures se croisant ;
- des nervures sont sensiblement perpendiculaires à la direction de courbure, et parmi ces nervures sensiblement perpendiculaires à la direction de courbure, celles situées plus proche du centre de la pièce matricée, dans la direction de courbure, présentent une épaisseur inférieure à celles situées plus loin du centre ;
- parmi lesdites nervures sensiblement perpendiculaires à la direction de courbure, celles situées plus proche du centre de la pièce matricée, selon la direction de courbure, présentent des parois de flanc formant un angle inférieur à l’angle formé par les parois de flanc de celles situées plus loin du centre ;
- l’ébauche forgée est sensiblement plane et est de plus cintrée par l’opération de matriçage ;
- l’ébauche forgée est pré-cintrée selon la même courbure que le cintrage des matrices ;
- l’étape d’usinage comporte une opération d’usinage par une fraise trois tailles usinant simultanément le dessous de la semelle et une portion de l’âme correspondante ;
- l’étape d’usinage comporte une opération d’usinage par une fraise conique d’une portion de l’âme située sous une semelle, l’axe de la fraise étant oblique par rapport au plan de l’âme ;
- durant l’opération de matriçage, des blocs de matière sont formés sur la structure alvéolaire de la pièce matricée, et le procédé comporte une étape d’usinage supplémentaire de ces blocs en butées de verrouillage de la porte d’aéronef.
Ces caractéristiques supplémentaires permettent de réduire drastiquement le nombre d’opérations nécessaires à la production d’une porte d’aéronef. Même par rapport aux procédés alternatifs relatifs aux demandes de brevet citées précédemment, le procédé selon l’invention réduit également le nombre d’opérations et conduit à une fabrication d’un cout inférieur.
De plus, le procédé selon l’invention produit une porte d’aéronef dont les caractéristiques mécaniques sont améliorées. La tenue statique et en fatigue, ainsi que la rigidité de la porte, sont renforcées par la conception en un seul bloc matricé présentant : une face externe constituée de la peau externe ; une face interne constituée des semelles de la membrure ; une jonction entre ces deux faces, constituée par les âmes de la membrure. Les techniques de matriçage permettent une orientation des fibres de l’alliage qui se combinent avec cette conformation.
Le dimensionnement des éléments de la porte d’aéronef peut être ainsi revu à la baisse, en limitant le surdimensionnement et en appliquant des coefficients de sécurité plus faibles lors de la conception.
En plus des caractéristiques mécaniques améliorées, la porte d’aéronef est également plus légère dans un contexte où la réduction de la masse des avions est fortement recherchée pour l’économie de carburant et la réduction des émissions.
Par ailleurs, le procédé selon l’invention permet de jouer sur les paramètres du matriçage et permet ainsi de moduler les caractéristiques mécanique résultant du matriçage, au plus juste du besoin.
PRÉSENTATION DES FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- La figure 1 représente la face interne d’une porte d’aéronef obtenue par un procédé selon l’invention ;
- La figure 2 représente la face externe de la porte d’aéronef de la figure 1 ;
- La figure 3 illustre l’opération de matriçage du procédé de fabrication selon l’invention ;
- La figure 4 est une vue en coupe de la pièce matricée obtenue par l’opération de matriçage de la figure 3 ;
- La figure 5 est une vue en perspective de la pièce matricée de la figure 4 ;
- La figure 6 représente la pièce matricée de la figure 3 avec son profil d’usinage ;
- La figure 7 est une vue en coupe selon un plan horizontal de la porte de la figure 1 ;
- La figure 8 est une vue agrandie d’une coupe selon un plan vertical de la porte de la figure 1 ;
- La figure 9 illustre une opération d’usinage du procédé selon l’invention ;
- La figure 10 illustre une autre opération d’usinage du procédé selon l’invention ;
- La figure 11 représente une variante de la porte de la figure 1 ;
- La figure 12 représente une première étape d’un mode de réalisation particulier de l’opération de matriçage selon l’invention ;
- La figure 13 représente une deuxième étape d’un mode de réalisation particulier de l’opération de matriçage selon l’invention ;
- La figure 14 représente une troisième étape d’un mode de réalisation particulier de l’opération de matriçage selon l’invention.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Les figures 1 et 2 représentent en perspective une porte d’aéronef obtenue par le procédé selon l’invention. Dans le présent exemple, cette porte d’aéronef est une porte d’embarquement de passagers pour un avion de ligne et ses dimensions sont de l’ordre de deux mètres de hauteur pour un mètre de largeur. La figure 1 illustre la face interne de cette porte, c’est-à-dire la face qui est tournée vers l’intérieur de la cabine de l’aéronef. La figure 2 illustre la face externe de la porte. La porte illustrée est une structure mécanique terminée, ne nécessitant pas d’autres éléments structurels, et prête à recevoir les différents équipements et mécanismes rapportés, nécessaires à sa fonction.
La porte des figures 1 et 2 est une porte monolithique, faite d’une seule pièce, ne nécessitant aucun assemblage d’éléments de structure. En variante (voir figure 11 et fin de la description, cette structure monolithique peut optionnellement être hybride et recevoir des éléments complémentaires de structure rapportés).
La porte comprend une peau extérieure qui sera rendue étanche par rapport au fuselage par l’adjonction de joints et de hublots. Cette peau extérieure présente ici une épaisseur allant de quelques millimètres jusqu’à environ un centimètre.
La tenue mécanique de la peau extérieure 1 est assurée par une membrure 2 constituée de poutres horizontales 16 et verticales 18 se croisant, dans le présent exemple, à angle droit, sans aucune pièce de liaison rapportée.
La porte comprend de plus des butées de verrouillage 3 destinées à coopérer avec un mécanisme situé sur l’encadrement de porte pour le verrouillage de la porte en position fermée. La porte comprend également d’autres équipements tels que des supports 4 pour le montage en rotation d’un arbre transversal destiné aux mécanismes qui seront portés par la porte.
Les poutres 16, 18 constituants la membrure 2 comportent chacune une âme 5 formée d’une paroi plane d’une épaisseur prédéterminée (de l’ordre du millimètre jusqu’au demi-centimètre) qui est saillante de la peau extérieure 1. Dans le présent exemple, l’âme 5 est saillante sensiblement perpendiculairement à la peau 1. Les poutres 16, 18 comportent également une semelle 6 s’étendant perpendiculairement à l’âme 5, du côté opposé à la peau 1. Les semelles 6 s’étendent de préférence sensiblement perpendiculairement à la peau 1.
La membrure 2 présente ainsi une face externe connectée à la peau extérieure 1 et une face interne connectée aux semelles 6.
La porte présente par ailleurs, dans cet exemple, une courbure selon un axe horizontal pour s’adapter à la forme cylindrique du fuselage de l’aéronef. En variante, la porte peut également présenter une double courbure, avec une courbure selon un axe vertical, en plus de la courbure selon un axe horizontal, pour s’adapter à un fuselage de forme effilée.
Au niveau des jonctions entre les poutres 16, 18, les âmes 5 des poutres sont rejointes par continuité de matière de même que les semelles 6 qui forment des croisillons. Une porte particulièrement rigide et présentant une importante résistance statique et dynamique est ainsi obtenue.
Les figures 3 à 10 illustrent le procédé de fabrication de la porte des figures 1 et 2.
Une première étape consiste à produire une ébauche forgée sensiblement aplatie par tout moyen de forgeage connu, par exemple par laminage à froid, forge libre, ou roulage à chaud. Cette opération est réalisée sur un alliage matriçable adapté à l’aéronautique, tel qu’un alliage d’aluminium 7050, 7010, ou 2050. L’ébauche forgée peut être par exemple un parallélépipède rectangle correspondant aux dimensions de la porte. Cette ébauche est sensiblement plane, c’est-à-dire que son épaisseur est sensiblement constante, avec éventuellement de légères variations d’épaisseur pour suivre les besoins en matière localement sur la surface de la porte.
Dans une étape suivante, illustrée à la figure 3, l’ébauche forgée 7 est matricée entre une matrice inférieure 8 et une matrice supérieure 9 selon une direction de matriçage 17. La figure 3 est une vue schématique de principe, selon une coupe correspondant à une coupe selon un plan vertical de la porte, avec des formes et des proportions schématisées.
Dans cet exemple, l’ébauche forgée 7 peut être constituée par une forme s’étendant selon un plan (l’ébauche 7 est ici un parallèle rectangle). En variante, l’ébauche 7, tout en présentant une épaisseur sensiblement constante, peut être pré-cintrée pour présenter d’office la courbure correspondant à la courbure de la porte finie.
La matrice inférieure 8 comporte une surface de travail qui est lisse et qui correspond à la surface externe de la peau extérieure 1. La matrice supérieure 9 est destinée à former une structure alvéolée dans l’ébauche 7. La matrice supérieure 9 définit à cet effet des alvéoles en négatif grâce à des poinçons 29 dont la forme correspond, sur la porte finie et suite aux opérations d’usinage, aux espaces vides entre les poutres 16, 18 de la membrure 2. Entre les poinçons 29, la matrice supérieure 9, comporte des évidements 10 destinés à former de nervures correspondant aux poutres 16, 18 de la membrure 2.
La figure 3 montre schématiquement que la largeur des évidements 10 a tendance à augmenter en allant du milieu vers les bords de la porte, selon la direction 25 (qui correspond à la direction verticale de la porte).
La figure 4 illustre le résultat de l’opération de matriçage correspondant à la porte des figures 1 et 2. En pratique, le résultat de la figure 4 pourra être obtenu avec une ou plusieurs opérations de matriçage car il se peut que les formes requises requièrent plusieurs opérations de matriçage avec une augmentation progressive de la finesse des passes.
Le matriçage est réalisé en rapprochant les matrices à la presse jusqu’à une distance de garde entre les matrices, cette distance correspondant à l’épaisseur souhaitée pour la paroi correspondant à la peau extérieure 1. En référence à la figure 4, la pièce matricée 26 obtenue est une structure alvéolaire présentant une face ouverte (la face correspondant à la face interne de la porte) et une face fermée (la face correspondant à la face externe de la porte), qui est fermée par une paroi dont l’épaisseur correspond à la distance de garde et qui correspond à la peau extérieure 1.
Sur la figure 4, la pièce matricée 26 présente huit nervures de matière 11, correspondant aux huit poutres horizontales 16 de la porte.
La pièce matricée est également représentée en perspective à la figure 5. La pièce matricée 26 présentant le cintrage définitif correspondant à la courbure de la porte et comprend les nervures 11 correspondant aux poutres horizontales 16 ainsi que des nervures 12 correspondant aux poutres verticales 18.
La pièce matricée de la figure 5 comporte de plus des blocs de matière 13 situés aux emplacements des butées 3 de la porte, ainsi que des blocs de matière 14 situés aux emplacements des supports 4, et éventuellement d’autres blocs de matière supplémentaires pour tout autre équipement prévu sur la porte.
Toutes les nervures 11, 12 et blocs de matière 13, 14 présentent un angle de dépouille relatif à l’opération de matriçage, par exemple 7º de part et d’autre de la direction de matriçage. Pour les nervures verticales 12, qui s’étendent selon un plan parallèle à la direction de matriçage 17, la courbure de la porte n’interfère pas avec le matriçage et l’angle de dépouille sera simplement appliqué de part et d’autre de la nervure 12.
Pour ce qui est des nervures horizontales 11, le matriçage interfère avec la courbure de porte. La figure 6 illustre la pièce matricée 26 avec, en surimpression, l’illustration du profil 15 de la porte finie. Ce profil 15 comporte donc la peau extérieure 1 ainsi que les huit poutres 16 horizontales de la porte. Cette figure rend compte de la matière à enlever sur chaque nervure 11 pour constituer les poutres 16.
Sur la figure 6, chaque forme de nervure 11 (et donc la forme de chaque évidement 10 de la matrice supérieure 9) est prévue en fonction de l’orientation des poutres 16 souhaitées. Chaque forme de nervure 11 correspond à une forme d’évidement 10 de la matrice supérieure 9.
Par rapport à la direction de matriçage 17, les poutres les plus proches de l’axe horizontal médian de la porte sont quasiment parallèles à la direction de matriçage 17 de sorte que la nervure 11 correspondante entoure sensiblement symétriquement la future poutre 16 et la nervure 11 est donc sensiblement symétrique.
Au fur et à mesure de l’éloignement vers les extrémités haute et basse de la porte, les nervures 11 sont plus épaisses car l’inclinaison de la future poutre 16 entraine une dissymétrie :
- sur un flanc, la nervure 11 vient au plus près de la future poutre 16, sensiblement parallèlement à l’âme 5 ;
- sur l’autre flanc, la nervure 11 s’éloigne de la future poutre 16, avec un angle proche du double de l’angle de dépouille, mesuré à partir de la future poutre 16.
- sur un flanc, la nervure 11 vient au plus près de la future poutre 16, sensiblement parallèlement à l’âme 5 ;
- sur l’autre flanc, la nervure 11 s’éloigne de la future poutre 16, avec un angle proche du double de l’angle de dépouille, mesuré à partir de la future poutre 16.
Ainsi, les nervures 11 situées plus proche du centre (selon la direction de courbure 25) présentent, par rapport aux nervures 11 situées plus loin du centre, c’est-à-dire plus proche des extrémités haute et basse de la porte :
- une épaisseur inférieure ;
- des parois de flanc formant un angle inférieur entre elles.
- une épaisseur inférieure ;
- des parois de flanc formant un angle inférieur entre elles.
La pièce matricée 26 est ensuite usinée pour que les poutres 16, 18 soient produites par enlèvement de matière sur les nervures 11 et 12.
La figure 7 est une vue en coupe de la porte des figures 1 et 2 selon un plan horizontal médian. Cette figure 7 illustre les différentes zones d’usinage nécessaires à la formation des poutres 16, 18. Ces zones d’usinage sont :
- des zones 19 correspondant au flanc de l’âme 5 de la poutre ;
- des zones 20 correspondant au-dessous des semelles 6 ;
- des zones 21 correspondant à la jonction entre les âmes 5 des poutres 16, 18 ;
- des zones 22 correspondant à la jonction entre la membrure 2 et la peau extérieure 1.
- des zones 19 correspondant au flanc de l’âme 5 de la poutre ;
- des zones 20 correspondant au-dessous des semelles 6 ;
- des zones 21 correspondant à la jonction entre les âmes 5 des poutres 16, 18 ;
- des zones 22 correspondant à la jonction entre la membrure 2 et la peau extérieure 1.
Ces zones sont les mêmes pour toutes les poutres 16, 18 de la porte.
La figure 8 est une vue agrandie montrant les zones d’usinage, cette fois-ci en coupe verticale d’une portion de la porte. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, la zone d’usinage 20 s’étend sur le dessous de la semelle 6 et sur une portion des flancs de l’âme 5. L’opération d’usinage de cette zone est réalisée conformément à la figure 9 avec une fraise trois tailles 23 dont le diamètre est adapté à la largeur de la semelle 6 correspondante. La fraise trois tailles 23 usine ainsi le dessous de la semelle 6 et une portion supérieure de l’âme 5 en une passe, avec une accessibilité favorable bien que cette opération soit menée dans un recoin.
Cette opération d’usinage permet ainsi, en une seule passe, de définir un renfoncement délimité d’une part par l’âme 5 et d’autre part par la semelle 6.
Une autre opération d’usinage visant la zone 19 vise ensuite à terminer l’usinage du flanc de l’âme 5. Cette opération d’usinage est menée conformément à la figure 10 par une fraise conique 30 qui favorise également l’accessibilité dans ce contexte. La fraise conique 30 usine la portion de l’âme 5 située sous une semelle 6, l’axe de la fraise étant oblique par rapport au plan de l’âme 5.
Les opérations d’usinage des figures 9 et 10 permettent en deux types simples d’opérations d’usinage de réaliser les formes les plus inaccessibles de la membrure 2, et les plus essentielles pour la constitution de la porte.
Les autres contours de la semelle 6, les buttés 3, et supports 4, peuvent par ailleurs être usinés de manière classique par des fraises, des forets, et tout autre outil classique.
De préférence, la zone 22 d’usinage peut être réalisée par une fraise sphérique parcourant la jonction entre l’âme 5 et la peau extérieure 1.
De préférence, l’usinage de la zone 21 est réalisé par une fraise hémisphérique travaillant verticalement et dont la longueur de la broche est adaptée au problème d’accessibilité.
De plus, les surfaces formant les faces interne et externe de la peau extérieure 1 peuvent être obtenues directement par le matriçage, ou également usinées, en fonction de l’état de surface et des tolérances dimensionnelles souhaitées.
La figure 11 représente une variante de la porte des figures 1 et 2. Selon cette variante, la majorité de la membrure 2 est constituée grâce au procédé selon l’invention. Des poutres supplémentaires 24 sont cependant rapportées sur la membrure par des moyens de fixation connus. Une telle porte combine ainsi des tronçons obtenus selon l’invention et des tronçons rapportés de manière classique.
La porte est ainsi obtenue uniquement par des opérations permettant de bénéficier des propriétés mécaniques favorables apportées par le forgeage depuis la matière première jusqu’au produit fini. La pièce matricée 26 est en effet prévue pour subir ces opérations d’usinage qui n’interfèrent pas avec l’orientation des fibres de la matière. L’opération de matriçage peut de plus être réglée en agissant sur des paramètres tels que la température de matriçage, l’épaisseur et les formes de l’ébauche 7, ou tout autre paramètre des techniques de forge, pour faire varier des caractéristiques mécaniques de l’ensemble de la porte, telles que la limite élastique ou la limite à la rupture.
En variante par rapport aux figures 9 et 10, la semelle 6 peut être centrée sur l’âme 5 plutôt qu’être en porte-à-faux.
Les figures 12 à 14 définissent plus précisément un mode de réalisation de l’opération de matriçage. Ces figures schématiques représentent une ébauche forgée 7 vue en coupe et subissant trois opérations de matriçage successives.
Sur ces trois figures 12 à 14, le profil de la porte finie 15 a été représenté superposé à la coupe de l’ébauche forgée 7 en cours de matriçage, pour montrer la correspondance entre les formes matricées et les formes finales qui seront obtenues après usinage.
La figure 12 illustre une première opération de matriçage réalisée dans un outil de matriçage comportant une matrice inférieure 8A et une matrice supérieure 9A destinées à matricer uniquement une portion d’extrémité de l’ébauche forgée.
Comme représenté sur cette figure 12, l’ébauche forgée 7 a été préalablement cintrée pour présenter une courbure définie, correspondant à la courbure de la porte d’aéronef finie, par tout moyen adapté de forge ou de cintrage mécanique. L’ébauche forgée 7 a été cintrée suivant une courbure déterminée, autour d’un axe de cintrage 31 schématisé sur les figures 12 à 14. La notion de cintrage selon une courbure déterminée, autour d’un axe de cintrage, englobe aussi bien un cintrage transformant l’ébauche forgée 7 en une portion de cylindre dont l’axe est rigoureusement l’axe de cintrage 31, qu’un cintrage irrégulier, ou selon plusieurs courbures différentes, selon des axes parallèles à l’axe de cintrage 31. La porte peut par ailleurs présenter un cintrage à double courbure.
L’ébauche forgée 7 présente une épaisseur qui est qualifiée de sensiblement constante, c’est-à-dire qu’elle résulte d’une opération de forge débitant une ébauche qui est ici de préférence proche d’un parallélépipède rectangle, et qui est une forme globalement aplatie avant son cintrage, l’ébauche forgée 7 ne comportant pas de changements brusques de son épaisseur ou de portions saillantes. L’ébauche forgée 7 comporte cependant des variations douces d’épaisseur en fonction des zones de la porte finie. Dans l’exemple des figures 12 à 14, l’ébauche s’affine sur ses bords correspondant aux extrémités haute et basse de la porte.
L’épaisseur générale de l’ébauche forgée 7 est inférieure à l’épaisseur totale de la porte finie, le profil des poutres 16A de la porte finie s’étendant au-delà de cette épaisseur. La matière présente entre les portions destinées à former ces poutres sera repoussée par l’opération de matriçage et remontera au niveau des nervures 11A qui formeront les poutres 16A après usinage.
La matrice inférieure 8A est sensiblement lisse et est de préférence cintrée de la même courbure que la portion de l’ébauche forgée 7 qui sera matricée.
La matrice supérieure 9A comporte trois évidements 10A formant trois empreintes destinées à constituer trois nervures horizontales 11A correspondant à trois poutres horizontales 16A de la porte finie (le qualificatif d’horizontal se réfère à la position montée de la porte d’aéronef finie).
Pour l’opération de matriçage de la figure 12, l’ébauche forgée 7 est mise en position dans l’outil de matriçage par un dispositif de prise de pièce (non représenté) adapté à orienter et maintenir en position l’ébauche forgée 7. L’ébauche forgée 7 est mise en position dans l’outil de matriçage pour présenter uniquement la portion concernée entre les matrices 8A, 9A (dans cet exemple, il s’agit de la portion d’extrémité gauche sur la figure 12).
L’ébauche forgée 7 est de plus orientée angulairement relativement à l’axe de cintrage 31, c’est-à-dire qu’elle est orientée dans une première position angulaire selon une rotation dont l’axe est l’axe de cintrage 31 ou un axe parallèle. Cette orientation angulaire permet d’orienter les rainures 11A qui vont être réalisées par le matriçage. Cette orientation est choisie en accord avec l’angle moyen des futures poutres 16A définissant les trois nervures 11A qui vont être estampées. L’orientation angulaire de l’ébauche forgée 7 est en effet choisie pour que la direction de matriçage 17A corresponde sensiblement à une moyenne angulaire des directions 32A dans lesquelles s’étendent les profils respectifs des futures poutres 16A (dans cet exemple, la direction 32A est la direction dans laquelle s’étend l’âme de chaque poutre).
Les empreintes 10A de la matrice supérieure 9A peuvent être ainsi dimensionnées au plus proche des futures poutres 16A, de sorte que le matriçage réalise des nervures horizontales 11A qui sont définies au plus proche du profil des futures poutres horizontales 16A. De préférence, les deux faces d’une empreinte 10A sont écartées d’une distance maximale inférieure à 5 fois, et de préférence 2 fois, l’épaisseur maximale de la poutre 16A. Un angle de dépouille est cependant appliqué sur la conception des empreintes 10A (7º dans cet exemple).
L’agencement de la matrice supérieure 9A en ce qui concerne le nombre d’empreintes 10 et leur largeur est choisi afin de matricer une portion de l’ébauche forgée 7 dont la variation d’orientation angulaire des poutres (due au cintrage) reste peu importante. Les futures poutres 16A de cette portion doivent s’étendre transversalement (selon les directions 32A) de préférence en formant entre elles des angles peu accentués.
L’une des empreintes 10A (celle le plus à droite sur la figure 12) est une empreinte d’extrémité qui présente une seule face plane destinée à former un seul flanc de la nervure 11A correspondante lors de l’opération de matriçage.
La matrice supérieure 9A comporte, en plus des empreintes 10A, un poinçon de jonction 33A en vis-à-vis de l’empreinte 10A d’extrémité. Le poinçon de jonction 33A permet simplement d’ébaucher la forme correspondant au flanc externe de la nervure 11A concernée. Ce poinçon de jonction 33A permet de s’assurer que cette dernière nervure 11A ne sera pas perturbée par la deuxième opération de matriçage (décrite ci-après en référence à la figure 13) et en permettant une transition entre les opérations de matriçage sans défauts de jonction sur la surface de la pièce matricée. Le poinçon de jonction permet surtout de réaliser la transition entre deux matriçages de part et d’autre d’un flanc de nervure, ce qui permet de repositionner angulairement l’ébauche forgée 7 entre deux matriçages de la même nervure d’extrémité, l’un forgeant le premier flanc de cette nervure, et l’autre forgeant le deuxième flanc de la nervure.
La figure 13 représente cette deuxième opération de matriçage réalisée sur un deuxième outil de matriçage comportant une matrice inférieure 8B et une matrice supérieure 9B. Le montage de prise de pièce qui met en position l’ébauche forgée 7 est alors déplacé et pivoté pour orienter l’ébauche forgée 7 selon un deuxième positionnement angulaire permettant de matricer une portion centrale de l’ébauche forgée 7 selon une direction de matriçage 17B favorable à la moyenne des orientations des futures poutres 16B concernées.
Or, dans cet exemple, la deuxième opération de matriçage ne concerne qu’une seule nervure 11B qui peut être réalisée entièrement (la nervure 11B de gauche sur la figure 13) si l’on souhaite que la direction de matriçage 17B corresponde à la moyenne des directions 32B dans lesquelles s’étendent les futures poutres 16B. Si la matrice supérieure 9B prévoyait des empreintes 10B pour cette nervure 11B ainsi que pour la nervure 11B suivante (à droite sur la figure 13), ces empreintes devraient être bien plus larges que la simple largeur emmagasinant une poutre 16B, car ces deux nervures sont trop espacées et donc trop inclinées l’une par rapport à l’autre.
Cet exemple de la figure 13 montre le cas où la matrice supérieure 9B comporte :
- une demi-empreinte 10B (à gauche) matriçant le flanc manquant de la nervure 10A d’extrémité précédente ;
- une empreinte complète 10B (au centre) destinée à former une nervure 11B correspondant à une poutre s’étendant transversalement sensiblement suivant la direction de matriçage 17B ;
- une demi-empreinte 10B (à droite) destinée à matricer l’un des flancs, incliné, d’une nervure 11B, tandis que l’autre flanc est simplement ébauché par un poinçon de jonction 33B.
- une demi-empreinte 10B (à gauche) matriçant le flanc manquant de la nervure 10A d’extrémité précédente ;
- une empreinte complète 10B (au centre) destinée à former une nervure 11B correspondant à une poutre s’étendant transversalement sensiblement suivant la direction de matriçage 17B ;
- une demi-empreinte 10B (à droite) destinée à matricer l’un des flancs, incliné, d’une nervure 11B, tandis que l’autre flanc est simplement ébauché par un poinçon de jonction 33B.
La figure 14 illustre une troisième et dernière opération de matriçage de l’ébauche forgée 7. Pour cette troisième opération de matriçage, le montage de prise de pièce est déplacé et pivoté pour placer l’ébauche forgée 7 dans un troisième outil de matriçage comportant une matrice inférieure 8C sensiblement lisse et de courbure adaptée à l’ébauche forgée 7, et une matrice supérieure 9C.
L’ébauche forgée 7 est également mise dans un troisième positionnement angulaire pour lequel la direction de matriçage 17C représente sensiblement une direction moyenne pour les directions 32C dans lesquelles s’étendent les futures poutres 16C des nervures 11C à réaliser.
La matrice supérieure 9C comporte ainsi trois empreintes 10C formant les trois dernières nervures 11C à réaliser ainsi qu’une demi empreinte 10C (la plus à gauche sur la figure 14) qui vient terminer le matriçage du flanc manquant de la nervure 11B d’extrémité de la deuxième opération de matriçage.
La pièce matricée est ainsi obtenue en plusieurs passes adaptées à former des nervures avec peu de matière perdue, même pour les situation peu favorables des nervures d’extrémité de chaque portion compte-tenu de la courbure de la pièce.
Des variantes de réalisation de ce procédé de matriçage peuvent être mises en œuvre sans sortir du cadre de l’invention. Notamment, la fabrication d’une porte d’aéronef monobloc peut comporter au minimum deux opérations de matriçage, et jusqu’à autant d’opérations de matriçage que nécessaire compte tenu des dimensions de la porte à produire, sa courbure, le nombre et la disposition des poutres. Une porte fortement cintrée nécessitera ainsi plus d’opérations de matriçage sur des portions plus réduites, avec l’intervention des poinçons de jonction. La totalité de la membrure peut être obtenue avec ce procédé. y compris les poutres verticales 18.
Claims (12)
- Procédé de fabrication d’une porte d’aéronef cintrée qui présente une courbure déterminée par rapport à un axe de cintrage (31), cette porte d’aéronef présentant une structure monobloc comprenant d’une seule pièce une peau extérieure (1) et une membrure interne (2), la membrure interne (2) comportant au moins une poutre saillante transversalement à la peau extérieure (1), ce procédé étant caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes :
- production d’une ébauche forgée (7) d’épaisseur sensiblement constante, à partir d’un alliage métallique matriçable ;
- cintrage de l’ébauche forgée (7) suivant ladite courbure déterminée ;
- mise en position dans un premier outillage de matriçage de l’ébauche forgée (7) selon un premier positionnement angulaire relativement à l’axe de cintrage (31), l’outillage de matriçage comportant une matrice inférieure (8A) sensiblement lisse et une matrice supérieure (9A) comportant au moins une empreinte (10A) ;
- matriçage partiel d’une première portion de l’ébauche forgée (7), entre la matrice inférieure (8A) et la matrice supérieure (9A), selon une direction de matriçage (17A) ;
- pivotement et mise en position dans un deuxième outillage de matriçage de l’ébauche forgée (7) selon un deuxième positionnement angulaire relativement à l’axe de cintrage (31), l’outillage de matriçage comportant une matrice inférieure (8B) sensiblement lisse et une matrice supérieure (9B) comportant au moins une empreinte (10B) ;
- matriçage partiel d’une deuxième portion de l’ébauche forgée (7), adjacente à la première portion, entre la matrice inférieure (8B) et la matrice supérieure (9B), selon ladite direction de matriçage (17). - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comporte en outre les étapes suivantes :
- une étape supplémentaire de pivotement et de mise en position dans un outillage supplémentaire de matriçage de l’ébauche forgée (7) selon un autre positionnement angulaire autour de l’axe de cintrage (31), l’outillage de matriçage comportant une matrice inférieure (8C) sensiblement lisse et une matrice supérieure (9C) comportant au moins une empreinte (10C) ;
- une étape supplémentaire de matriçage partiel d’une portion supplémentaire de l’ébauche forgée (7), adjacente à la portion précédemment matricée, entre la matrice inférieure (8C) et la matrice supérieure (9C), selon une direction de matriçage (17C). - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l’étape supplémentaire de pivotement et de mise en position et l’étape supplémentaire de matriçage partiel sont répétées au moins une fois.
- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lors des étapes de matriçage, les empreintes (10A, 10B, 10C) des matrices supérieures (9A, 9B, 9C) définissent des nervures (11A, 11B, 11C) sur la portion correspondante de l’ébauche forgée (7).
- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que, lors d’une étape de matriçage, la matrice supérieure (9A, 9B, 9C) réalise le matriçage uniquement d’un flanc d’une nervure d’extrémité (11A, 11B, 11C), et en ce que, lors de l’étape de matriçage subséquente, la matrice supérieure (9A, 9B, 9C) suivante réalise le matriçage de l’autre flanc de ladite nervure d’extrémité (11A, 11B, 11C).
- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les matrices supérieures (9A, 9B, 9C) comportent au moins une empreinte d’extrémité présentant une seule face plane.
- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu’au moins une matrice supérieure (9A, 9B, 9C) comporte un poinçon de jonction (33A, 33B) en vis-à-vis de la face plane de l’empreinte d’extrémité.
- Procédé selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu’il comporte en outre, pour chaque nervure (11A, 11B, 11C), une étape d’usinage d’une poutre (16A, 16B, 16C) comportant une âme (5) et une semelle (6).
- Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que, lors d’une étape de matriçage, la direction de matriçage est sensiblement la moyenne des directions angulaires (32A, 32B, 32C) dans lesquelles s’étendent les âmes (5) des poutres (16A, 16B, 16C) de la portion correspondante de l’ébauche forgée (7).
- Procédé selon l’une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que la largeur maximale de chaque empreinte (10A, 10B, 10C) est inférieure à 5 fois la largeur maximale de la poutre (16A, 16B, 16C) correspondante.
- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matrice inférieure (8A, 8B, 8C) d’au moins l’un des outillages de matriçage présente une courbure égale à la courbure de la portion correspondante de l’ébauche forgée (7).
- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les différentes directions de matriçage (17A, 17B, 17C) sont parallèles.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117602092A (zh) * | 2024-01-23 | 2024-02-27 | 上海上飞飞机装备制造股份有限公司 | 客改货主货舱门装配方法、舱门组装工装及成组工艺装备 |
| CN117602092B (zh) * | 2024-01-23 | 2024-04-12 | 上海上飞飞机装备制造股份有限公司 | 客改货主货舱门装配方法、舱门组装工装及成组工艺装备 |
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| FR3109326B1 (fr) | 2022-04-15 |
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