FR3120813A1 - Procédé de fabrication d’un disque de soufflante avec partie en fabrication additive - Google Patents

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Abstract

Procédé de fabrication d’un disque de soufflante avec partie en fabrication additive Le procédé de fabrication d’un disque de soufflante (3) d’un turbomoteur (1) selon l’invention, est caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : une étape FO de forgeage d’une première forme cylindrique (60) d’axe X,une étape U d’usinage de la première forme cylindrique (60) pour obtenir une deuxième forme cylindrique (61),une étape FA d’ajout par fabrication additive d’au moins un élément en relief (33, 31, 350) sur la deuxième forme cylindrique (61). Figure à publier avec l’abrégé : Figure 6

Description

Procédé de fabrication d’un disque de soufflante avec partie en fabrication additive
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
Le domaine technique de l’invention est celui des turbomoteurs aéronautique, en particulier les turbomoteurs à très fort taux de dilution et plus particulièrement le disque de soufflantes équipant lesdits moteurs.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
Le disque de soufflante est situé dans la partie amont du turbomoteur et porte les aubes. Sa fonction principale est de transmettre le couple de l’arbre de compresseur basse pression jusqu’aux aubes.
Les aubes sont montées sur la périphérie du disque par engagement des pieds des aubes dans des alvéoles formées en périphérie du disque sous forme de rainures pour la retenue radiale des pieds des aubes. Ce disque est notamment décrit dans les documents EP 1 400 698, FR 3 081 520, FR 3 048 997. Il comporte une pluralité de rainures sensiblement axiales et régulièrement réparties angulairement et destinées à recevoir une pluralités d'aubes amovibles qui s'étendent radialement vers l'extérieur à la périphérie dudit disque, chaque aube comportant un pied d'aube logeant dans une rainure. Il a également plusieurs tétons troués en saillie sur sa périphérie arrière qui complètent la fixation des aubes. Deux viroles internes en relief sont également prévues à l’avant et à l’arrière pour la fixation avant des aubes et pour la fixation du disque de soufflante sur l’arbre de transmission. Ces différents éléments doivent être usinés à partir d’une pièce brute.
La soufflante est soumise à des efforts importants, il est donc nécessaire d’utiliser des matériaux avec des propriétés améliorés qui sont obtenus grâce à un procédé de forgeage.
Les méthodes de fabrications actuelles utilisent des moyens de fabrications conventionnels (fraiseuse, tour, …) pour la réalisation du disque de soufflante. Ces méthodes imposent un pré-usinage ainsi qu’un brut de grande taille englobant toute la pièce, c’est à dire que le brut a une enveloppe qui couvre toutes les aspérités de la pièce finie. Les pré-usinés sont lourds et chers car de grandes dimensions, ils nécessitent un cycle d’usinage prolongé et une perte de copeaux importantes, d’où beaucoup de matière perdue et un cout de fabrication élevé.
L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en réduisant fortement la taille du brut et du pré-usiné, en diminuant les coûts d’obtentions du brut et du pré-usiné qui sont de forme plus simple tout en offrant à la fois la possibilité de changer le matériau et, potentiellement, gagner en masse sur la pièce finie, et de réaliser des formes nouvelles non fabricables avec des moyens conventionnels pour les fonctions secondaires.
L’objet de l’invention est de réaliser le disque en partie par fabrication additive.
Le procédé de fabrication d’un disque de soufflante d’un turbomoteur selon l’invention est caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes :
  • une étape de forgeage d’une première forme cylindrique d’axe X,
  • une étape d’usinage de la première forme cylindrique pour obtenir une deuxième forme cylindrique,
  • une étape d’ajout par fabrication additive d’au moins un élément en relief sur la deuxième forme cylindrique.
La première forme cylindrique est une pièce brute simplifiée qui englobe les parties principales du disque sans les différentes parties en relief, en particulier celles de petites tailles, tels que les tétons et les viroles, elle est donc plus petite et de forme plus simple que la pièce brute de l’état de la technique. Elle est donc moins lourde et moins volumineuse, donc moins chère.
La deuxième forme cylindrique réalisée à partir de la première forme cylindrique est une pièce semi-finie qui ne comprend pas les éléments en relief. Elle est également moins lourde et moins encombrante. La pièce est moins chère car non seulement il y a moins de matière mais en plus on perd moins de matière au moment de l’usinage.
Les différents éléments en relief sont ajoutés par fabrications additive dans les zones qui ont été simplifiées. Mais des éléments en reliefs peuvent être placés où l’on souhaite et avoir des formes nouvelles non réalisables avec des moyens conventionnels. Les zones simplifiées, qui peuvent correspondre à des fonctions de contraintes n’ayant pas besoin des mêmes caractéristiques matériaux que le corps principal, sont rajoutés par un procédé de fabrication additive en utilisant le même matériau ou un autre ayant des propriétés plus intéressantes par rapport aux besoins (densité plus faible, meilleur tenue à la traction, …).
Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le procédé selon l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
Avantageusement, la deuxième forme cylindrique a une face extérieure et une face intérieure, et l’élément en relief est situé sur la face extérieure de la deuxième forme cylindrique. L’élément en relief est ajouté par fabrication additive sur la face extérieure de la deuxième forme cylindrique, il peut y en avoir un seul ou plusieurs, ils peuvent être continus ou discontinus.
Avantageusement, la deuxième forme cylindrique a une face extérieure et une face intérieure et l’élément en relief est situé sur la face intérieure de la deuxième forme cylindrique. L’élément en relief est ajouté par fabrication additive sur la face intérieure de la deuxième forme cylindrique, il peut y en avoir un seul ou plusieurs, ils peuvent être continus ou discontinus
Avantageusement, l’élément en relief est circulaire d’axe X. Il peut être situé à l’intérieur ou à l’extérieur de la deuxième forme cylindrique, à l’avant ou à l’arrière de celle-ci. Il pourra comprendre des éléments de fixation et donc être perforé. Cet élément peut par exemple constituer une virole.
Avantageusement, l’élément en relief est un téton. Le téton est en saillie et de forme semi-circulaire relié à la deuxième forme cylindrique.
Avantageusement, le téton est percé selon un axe X’. Le trou sert à la fixation de l’aube et il pourra aussi être taraudé.
Avantageusement, l’axe X’ est parallèle à l’axe X.
Avantageusement, plusieurs tétons sont ajoutés sur l’extérieur de la deuxième forme cylindrique. De préférence, on aura au moins autant de tétons que d’aubes.
Avantageusement, les tétons sont disposés de façon circulaire sur la deuxième forme. Les tétons vont, par exemple, permettre la fixation arrière de chaque aube.
L’invention concerne également un disque de soufflante obtenu par le procédé selon avec au moins une des caractéristiques précédentes.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.
est une coupe de l’avant d’un turbomoteur avec un disque de soufflante de l’état de la technique ;
montre le détail II-II de la montrant le pièce brute et la pièce finie réalisée avec un procédé de l’état de la technique ;
est une vue en perspective d’un autre disque de soufflante de l’état de la technique ;
est une coupe d’une partie de la soufflante de la montrant la pièce brute et la pièce finie réalisée avec un procédé de l’état de la technique ;
est une coupe de la pièce de la montrant la pièce brute et la pièce finie réalisé avec un procédé selon l’invention ;
est une coupe de la pièce de la montrant la pièce brute et la pièce finie réalisé avec un procédé selon l’invention
montre les étapes du procédé selon l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE
Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.
Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.
Dans toute la description on appellera « avant » la partie amont du turbomoteur dans le sens de l’écoulement de l’air selon la flèche A et « arrière », la partie aval. On appellera « intérieur », la partie située vers l’intérieur de la partie cylindrique et « extérieur », sur la partie extérieure.
Le turbomoteur 1 comprend des aubes 2 et un disque de soufflante 3 sur lequel sont disposés les aubes 2. Le turbomoteur 1 et le disque de soufflante 3 ont un axe commun X. Le disque de soufflante 3 est creux de forme cylindrique.
On peut voir sur un autre exemple de disque est montré en perspective à la , qui montre que ce disque a une forme très complexe et présente un nombre important d’aspérités à la fois à l’extérieur, à l’intérieur, à l’avant et à l’arrière.
Pour une meilleure compréhension, seul un coté de la coupe du disque de soufflante 3 est représenté sur les figures 2, 4, 5 et 6, l’axe X étant un axe de symétrie.
Sur la coupe de la , la forme du brut 4 est représenté par la ligne continue tandis que le profil du disque de soufflante 3 est en pointillé. Le disque de soufflante 3 comprend sur sa surface extérieure des tétons 33 et sur sa partie avant une virole avant 31 et sur sa partie arrière une virole arrière 32, ainsi que des pieds 34 à l’intérieur. Les tétons 33 et la virole avant 31 servent à la fixation des aubes 2, tandis que la virole arrière 32 est fixée à l’arbre 5. Tous ces éléments en relief doivent être contenus dans le brut 4 pour obtenir une pièce monobloc apte à répondre aux différentes contraires subies par les aubes 2.
La réalisation du disque de soufflante 3 à partir du brut 4 selon l’état de le technique est le suivant :
  • réalisation d’un brut 4 de forme annulaire par forgeage enveloppant grossièrement toute la pièce finale et,
  • usinage du brut 4 par l’extérieur pour réaliser précisément les aspérités extérieures tels que les tétons 33, mais aussi des rainures 36 sur la surface extérieure 301,
  • usinage du brut 4 par l’intérieur pour réaliser précisément les aspérités intérieures tels que les pieds 34 sur la surface intérieure 300,
  • usinage du brut 4 par l’avant et à l’arrière pour réaliser précisément les aspérités avant telle que la virole avant 31 et arrière telle que la virole arrière 32.
On comprend que le brut 4 ne pouvant pas avoir de forme ni complexe, ni être trop découpé, il doit toujours être usiné pour respecter les dimensions et les formes nécessaires à la réalisation de la pièce finale. En effet, la pièce finale doit respecter certaines tolérances incompatibles avec les pièces forgées. Les étapes d’usinage sont d’autant plus longues et complexes que le disque de soufflante 3 est découpé et présente quantité d’aspérités.
Ainsi, comme on peut le voir sur l’exemple illustré à la , la pièce brute 4 est délimitée par un trait épais représentant une première forme cylindrique 40 tandis que la pièce finale est délimitée par un trait pointillé 30. L’écart entre les deux traits représente toute la matière perdue par l’usinage qui est importante. On peut aussi voir la complexité des formes à réaliser par usinage, en particulier les parties fines telles que les tétons 33 perforés selon un axe X’, et les viroles avant 31 et arrière 32, ces dernières ayant en plus des profils particulièrement compliqués à élaborer.
Dans le deuxième exemple des figures 3 et 4, le profil du disque de soufflante 3 est différent dans sa partie intérieure et sa partie arrière. Ainsi le disque de soufflante 3 présente des tétons 33 perforés selon un axe X’, une virole avant 31 et un bras intérieur 35 destiné à fixer le disque de soufflante 3 sur l’arbre 5. Ce bras intérieur 35 forme un U avec la surface intérieure 300 du disque de soufflante 3. Mais le procédé de fabrication est identique.
A la , le brut 4 est délimité par un trait continu représentant une première forme cylindrique 40 et le disque de soufflante 3 par un trait continu 30 avec l’intérieur hachuré. L’écart entre les traits montre la matière perdue par usinage qui est également importante. Ici encore, les formes à réaliser sont très découpées et complexes à réaliser par usinage. En particulier, les tétons 33 sont d’abord formés extérieurement par un premier usinage puis ils sont perforés selon un axe X’, puis éventuellement taraudés par un deuxième usinage.
Avec le procédé selon l’invention, les disques de soufflante 3 sont réalisées différemment, puisqu’il consiste à utiliser trois différentes techniques : le forgeage, l’usinage et la fabrication additive.
La première étape indiqué par la référence FO sur la , est une étape de réalisation par forgeage d’un brut 6 peu élaboré présentant un profil simple en une première forme cylindrique plus petite que celle du procédé connu.
La deuxième étape consiste en une opération d’usinage référencé U sur la , cette étape U permet de réaliser la forme générale du disque de soufflante 3 sans ses aspérités en une deuxième forme cylindrique. Cette étape U est plus simple que celle de l’état de la technique puisqu’il y a moins de formes à réaliser par usinage et qu’elles sont moins complexes.
La troisième étape référencée FA à la , permet de réaliser toutes les aspérités manquantes pour obtenir la forme finale du disque de soufflante 3. Ces aspérités peuvent avoir des formes plus complexes que celles réalisées par simple usinage comme dans le procédé de l’état de la technique.
Ainsi, comme on peut le voir sur l’exemple illustré à la , la pièce brute 6 est délimitée par un trait épais représentant une première forme cylindrique 60 tandis que la pièce finale est délimitée par un trait pointillé 30. On peut voir que la forme finale représenté par le trait pointillé 30 se décompose en deux partie : une première partie 302 disposée à l’intérieur de la première forme cylindrique 60 et une deuxième partie 303 disposée à l’extérieur de la première forme cylindrique 60. L’écart entre le premier trait 302 et la première forme cylindrique 60 représente toute la matière perdue par l’usinage qui moindre que celle de la .
A la , le brut 4 est délimité par un trait continu représentant une première forme cylindrique 60 et le disque de soufflante 3 par un trait continu 30 avec l’intérieur hachuré. On peut voir que la forme finale représenté par le trait continu 30 se décompose en deux partie : une première partie 302 disposée à l’intérieur de la première forme cylindrique 60 et une deuxième partie 303 disposée à l’extérieur de la première forme cylindrique 60. L’écart entre le trait 302 et la première forme cylindrique 60 montre la matière perdue par usinage qui est également plus faible que celle de la .
L’étape FO de forgeage consiste donc à réaliser le brut 6 selon une première forme cylindrique 60.
L’étape U d’usinage consiste à éliminer la matière entre la forme cylindrique 60 et la première partie 302 du trait 30, afin de réaliser une deuxième forme cylindrique 61.
La dernière étape FA de fabrication additive, permet de réaliser toutes les aspérités non contenues dans la deuxième forme cylindrique 61. Cette deuxième forme cylindrique 61 a une face interne 610 et une face externe 611.
Ainsi pour la forme de disque de soufflante 3 illustrée , la pièce forgée se présente sous la forme du brut 6 n’enveloppant qu’une partie de la pièce finale, en effet la première forme cylindrique 60 n’englobe pas les parties en saillie telles que les tétons 33 et la virole avant 31. Une fois l’usinage du brut 6 réalisé on obtient une deuxième forme cylindrique 61 délimité par le trait en pointillés 302. Sur cette deuxième forme cylindrique 61 on ajoute les tétons 33 et la virole avant 31 par fabrication additive jusqu’au trait 303.
Pour l’exemple de la , de la même façon on réalise un brut 6 par forgeage, ce brut constituant une première forme cylindrique 60 n’englobe pas ni les tétons 33, ni la vérole avant 31, ni l’extrémité 350 du bras 35. Puis on réalise l’usinage qui permet d’aboutir à la deuxième forme cylindrique 61 délimitée par la partie hachurée et le trait 302. Les parties en saillie sont ensuite réalisées par fabrication additive jusqu’au trait 303.
Deux exemples de disque de soufflante ont été représentés, mais il est possible grâce au procédé selon l’invention de réaliser plus de formes en saillies et de forme différentes de celles représentées.

Claims (10)

  1. Procédé de fabrication d’un disque de soufflante (3) d’un turbomoteur (1), caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes :
    • une étape FO de forgeage d’une première forme cylindrique (60) d’axe X,
    • une étape U d’usinage de la première forme cylindrique (60) pour obtenir une deuxième forme cylindrique (61),
    • une étape FA d’ajout par fabrication additive d’au moins un élément en relief (33, 31, 350) sur la deuxième forme cylindrique (61).
  2. Précédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième forme cylindrique (61) a une face extérieure (611) et une face intérieure (610) et que l’élément en relief (33) est situé sur la face extérieure (611) de la deuxième forme cylindrique (61).
  3. Précédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la deuxième forme cylindrique (61) a une face extérieure (611) et une face intérieure (610) et que l’élément en relief (350) est situé sur la face intérieure (610) de la deuxième forme cylindrique (61).
  4. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’élément en relief (31, 350) est circulaire d’axe X.
  5. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’élément en relief est un téton (33).
  6. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le téton (33) est percé selon un axe X’.
  7. Procédé selon la revendication 6, caractérisée en ce que l’axe X’ est parallèle à l’axe X.
  8. Procédé selon une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que plusieurs tétons (33) sont ajoutés sur l’extérieur de la deuxième forme cylindrique (61).
  9. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les tétons (33) sont disposés de façon circulaire sur la deuxième forme cylindrique (61).
  10. Disque de soufflante (3) obtenu par le procédé selon une des revendications précédentes.
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