FR3139740A1 - Procédé de fabrication d’un dôme sans soudure de grandes dimensions, et dôme correspondant - Google Patents

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Abstract

Procédé de fabrication d’un dôme sans soudure de grandes dimensions, et dôme correspondant Le procédé comprend les étapes suivantes : • fourniture d’un demi-produit (11) ; • forgeage à chaud par refoulement du demi-produit (11) pour former une galette (13) de surface développée supérieure à celle du demi-produit (11) et inférieure à la surface développée de la paroi (3) du dôme ; • mise en forme à chaud de la galette (13) pour créer une préforme (15) ayant une surface développée inférieure ou égale à la surface développée de la paroi (3), la préforme (15) comprenant au moins deux portions (19, 21) successives s’étendant radialement dans le prolongement les unes des autres à l’écart de l’axe central (A-A), de sorte que pour l’ensemble des portions (19, 21), les épaisseurs moyennes et/ou les convexités de deux portions (19, 21) successives soient distinctes ; • déformation à chaud de la préforme (15) sous une presse entre une matrice et un poinçon pour former la paroi (3). Figure pour l'abrégé : 2

Description

Procédé de fabrication d’un dôme sans soudure de grandes dimensions, et dôme correspondant
La présente invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce creuse en forme de dôme de grande dimension.
Certains réservoirs à pression de grandes dimensions sont constitués de deux dômes assemblés par soudage ou avec l’ajout d’une couronne cylindrique entre les deux. Les extrémités sont constituées par des fonds ou des couvercles en forme de dôme, fixés par boulonnage ou par soudage sur un corps cylindrique.
Ces réservoirs à pression sont par exemple des réservoirs cryogéniques haute pression de gaz liquéfiés tel que de l’hydrogène liquide, de l’oxygène liquide ou de l’azote liquide, pour des applications dans le domaine des lanceurs spatiaux, du stockage terrestre ou mobile ou dans le domaine aéronautique.
Pour fabriquer de telles pièces, il est connu de mettre en forme plusieurs tôles usinées par emboutissage pour former des pétales, qui sont ensuite assemblés pour former une corolle, puis soudées les unes aux autres pour former la pièce.
Cette technique présente l’inconvénient de nécessiter une succession d’opérations coûteuses. En particulier, l’assemblage par soudure requiert un équipement spécial de grande dimension. En outre, un contrôle rigoureux par ultrasons des soudures doit être réalisé pour assurer la bonne tenue et l’absence de défaut des zones de soudure.
Des pièces monobloc en forme de dômes peuvent également être fabriquées par matriçage. Cette technique a l’avantage de ne nécessiter qu’une opération de mise en forme mais présente l’inconvénient d’être limitée à des pièces de dimension restreintes, du fait des dimensions limitées des presses de forgeage existantes et des efforts très importants qui sont nécessaires pour déformer la matière et remplir la pièce finale.
Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de fabrication d’une pièce en forme de dôme telle qu’un dôme de réservoir cryogénique, qui ne nécessite pas de soudure, et qui puisse être réalisé sur des presses de forgeage disponibles dont les dimensions et/ou les capacités en termes d’efforts sont limitées.
A cet effet, l’invention a pour objet un procédé de fabrication d’une pièce creuse comprenant une paroi d’un seul tenant sans soudure en forme de dôme s’étendant autour d’un axe central, la paroi étant réalisée en un matériau constitué d’un alliage métallique, la paroi ayant une épaisseur moyenne inférieure à 50 mm et une plus grande dimension, orthogonalement à l’axe central, comprise entre 1500 mm et 3700 mm, le procédé comprenant les étapes consécutives suivantes :
• fourniture d’un demi-produit dudit matériau ;
• forgeage à chaud par refoulement du demi-produit pour former une galette de surface développée supérieure à celle du demi-produit et inférieure à la surface développée de la paroi ;
• mise en forme à chaud de la galette pour créer une préforme ayant une surface développée inférieure ou égale à la surface développée de la paroi, la préforme comprenant au moins deux portions successives s’étendant radialement dans le prolongement les unes des autres à l’écart de l’axe central, de sorte que pour l’ensemble des portions, les épaisseurs moyennes et/ou les convexités de deux portions successives soient distinctes ;
• déformation à chaud de la préforme sous une presse entre une matrice et un poinçon pour former la paroi.
De préférence, le procédé selon l’invention peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible :
- les portions comprennent une portion centrale et au moins une portion annulaire intermédiaire, la portion centrale et la portion annulaire intermédiaire étant de convexités distinctes.
- les portions comprennent en outre une portion annulaire périphérique, la portion annulaire périphérique ayant une convexité distincte de la convexité de la portion annulaire intermédiaire adjacente ;
- la surface développée de la préforme est sensiblement égale à la surface développée de la paroi ;
un ratio entre la surface projetée de la préforme sur un plan transversal et la surface développée de la préforme est inférieur à 90%, et la plus grande dimension de la surface projetée de la préforme sur un plan transversal est inférieure ou égale à 150% de la plus grande dimension du poinçon orthogonalement à l’axe central ;
- l’étape de déformation de la préforme sous la presse comprend un dépliage de la préforme entre la matrice et le poinçon de telle sorte qu’à l’issue du dépliage, les surfaces des portions faisant face au poinçon soient concaves ;
- la surface de la portion centrale faisant face au poinçon a une forme concave ;
- l’étape de mise en forme à chaud de la galette comprend :
• Une première phase de mise en forme par matriçage à chaud de la galette pour produire une première ébauche concave ;
• Une deuxième phase de mise en forme par matriçage à chaud de la première ébauche concave pour produire la préforme ;
- la deuxième phase de mise en forme comprend une première phase intermédiaire de mise en forme par matriçage à chaud de la première ébauche concave pour produire une deuxième ébauche comprenant une partie centrale concave et une partie périphérique convexe s’étendant radialement dans le prolongement de la partie centrale, et une deuxième phase intermédiaire de mise en forme à chaud par matriçage de la deuxième ébauche pour produire la préforme ;
- les portions comprennent une portion centrale et au moins une portion annulaire intermédiaire, les épaisseurs moyennes de la portion centrale et de la portion annulaire intermédiaire étant distinctes, la surface développée de la préforme étant inférieure à la surface développée de la paroi ;
- les portions comprennent en outre une portion annulaire périphérique, et la portion annulaire intermédiaire est une portion surépaissie, l’épaisseur moyenne de la portion annulaire intermédiaire étant supérieure à l’épaisseur moyenne de la portion centrale et à l’épaisseur moyenne de la portion annulaire périphérique ;
- l’étape de déformation de la préforme comprend une phase de mise en forme lors de laquelle au moins une partie de la portion annulaire intermédiaire est mise en contact avec la matrice par le poinçon, et une phase de matriçage correspondant à une expansion lors de laquelle au moins une partie de la préforme n’est pas en contact avec le poinçon ;
- lors de la phase d’expansion, la portion annulaire intermédiaire surépaissie de la préforme est comprimée entre la matrice et le poinçon, au moins une partie de la portion centrale et/ou de la portion annulaire périphérique n’étant pas en contact avec le poinçon, de telle sorte que le matériau s’écoule plastiquement depuis la portion annulaire intermédiaire vers la portion centrale et la portion annulaire périphérique puis au-delà de la portion annulaire périphérique pour augmenter la surface développée de la préforme et former la paroi ;
- le matériau est un alliage d’aluminium, notamment un alliage 2XXX ou 7XXX.
L’invention a également pour objet une pièce creuse comprenant une paroi d’un seul tenant sans soudure en forme de dôme, la paroi s’étendant autour d’un axe central, la paroi étant réalisée en un matériau constitué d’un alliage métallique, la paroi ayant une épaisseur moyenne inférieure à 50 mm et une plus grande dimension, orthogonalement à l’axe central, comprise entre 1500 mm et 3700 mm.
De préférence, la paroi présente un fibrage homogène autour de l’axe central, l’orientation des grains dudit alliage métallique étant telle que dans tout plan transversal, l’angle formé entre la direction d’allongement d’un grain présent dans ce plan transversal et la tangente à la paroi en ce grain est sensiblement constant.
L’invention a également pour objet un réservoir cryogénique comprenant une pièce telle que définie ci-dessus ou fabriquée par un procédé tel que défini ci-dessus.
La est une vue schématique en perspective d’une pièce creuse en forme de dôme selon un mode de réalisation ;
La illustre schématiquement un procédé selon un mode de réalisation ;
La est une vue schématique d’une section selon un plan axial d’une préforme selon un premier mode de réalisation ;
La illustre schématiquement une étape de mise en forme d’une galette pour former la préforme de la ;
La est une vue schématique en perspective d’une préforme selon un deuxième mode de réalisation, avant sa déformation à chaud sous une presse ;
La est une vue schématique d’une section selon un plan axial d’une phase initiale d’une étape de déformation à chaud de la préforme de la ;
La illustre l’orientation des grains dans la pièce creuse de la .
On a représenté sur la une pièce creuse 1 en forme de dôme, selon un mode de réalisation, selon une section axiale.
La pièce creuse 1 comprend une paroi 3 d’un seul tenant, sans soudure, en forme de dôme. Par paroi, on désigne une pièce dans toute son épaisseur, par opposition au terme « surface » ou « face ».
La paroi 3 comprend une surface extérieure convexe, orientée vers l’extérieur du dôme, et une surface intérieure concave.
La paroi 3 est dépourvue de soudure, et est ainsi réalisée d’un seul tenant, en étant venue de matière.
La pièce creuse 1 est par exemple destinée à former un dôme d’extrémité d’un réservoir à pression de forme généralement cylindrique.
La paroi 3 s’étend autour d’un axe central A-A, entre deux plans orthogonaux à l’axe central A-A, ces deux plans délimitant axialement la paroi 3.
Dans la suite, on considèrera, comme c’est le cas sur les Figures, une direction axiale orientée de telle sorte que, vue du haut vers le bas, la paroi est de forme concave. Par ailleurs, on appellera « transversal » un plan orthogonal à l’axe central A-A et « axial » un plan comprenant cet axe central A-A.
Ainsi, en référence à la , la paroi 3 s’étend entre un plan transversal inférieur 5 et un plan transversal supérieur 7.
La paroi 3 a par exemple une forme de révolution, c’est à dire telle que la section de la paroi 3 par tout plan axial A est de forme constante.
La paroi 3 est par exemple de forme sensiblement hémisphérique ou sous forme de calotte sphérique.
En variante, la paroi 3 est sous forme de calotte ellipsoïdale, ou sous forme de dôme de Cassini, de calotte de Cassini, ou plus généralement sous forme de calotte ovoïdale.
La paroi 3 présente une section transversale (c’est à dire dans un plan orthogonal à l’axe central A-A), de forme courbe, par exemple de forme circulaire, ovale, notamment ovale de Cassini, ou de forme elliptique.
Selon un mode de réalisation, la paroi 3 comprend une partie incurvée telle qu’une calotte ellipsoïdale, un dôme de Cassini, une calotte de Cassini, ou une calotte ovoïdale, et une partie cylindrique ou en forme de tronc de cône dans le prolongement de la partie incurvée.
La paroi 3 est réalisée en un matériau constitué d’un alliage métallique.
L’alliage métallique est par exemple un alliage d’aluminium, notamment un alliage 2XXX tel que l’alliage 2050 ou l’alliage 2219, ou un alliage 7XXX tel que l’alliage 7020.
En variante, l’alliage métallique est un alliage de titane ou un acier.
La paroi 3 a une épaisseur moyenne inférieure à 50 mm, et généralement supérieure à 25 mm, en particulier supérieure à 30 mm.
La paroi 3 a une plus grande dimension, orthogonalement à l’axe central A-A, comprise entre 1500 mm et 3700 mm. Par plus grande dimension, on entend la plus grande dimension dans tout plan transversal, c’est à dire dans l’exemple représenté à la la plus grande dimension dans le plan transversal supérieur 7.
Par exemple, si la paroi 3 présente une section transversale de forme circulaire, la plus grande dimension de la paroi 3 est le diamètre du cercle extérieur dans le plan transversal supérieur 7. Si la paroi 3 a une section transversale de forme elliptique, la plus grande dimension de la paroi 3 est le grand diamètre de l’ellipse extérieure dans le plan transversal supérieur 7.
La paroi 3 comprend optionnellement des fonctionnalités disposées sur la paroi 3. Ces fonctionnalités sont par exemple destinées au raccordement d’équipements tels que des tuyaux. Ces fonctionnalités comprennent par exemple des ouvertures, des reliefs sur la surface extérieure de la paroi 3, des appendices, des renflements, des bossages, des piquages et/ou des nervures. Ces fonctionnalités sont de préférence intégrées à la paroi 3, en étant venues de matière avec la paroi, donc réalisées lors de la fabrication de la paroi 3.
En particulier, la paroi 3 comporte de préférence, dans sa partie inférieure, une fonctionnalité telle qu’une ouverture tubulaire 9 centrée sur l’axe central A-A. L’ouverture 9 est par exemple de forme à section circulaire, elliptique ou ovoïdale.
L’ouverture 9 est par exemple délimitée par des bords d’épaisseur supérieure à l’épaisseur moyenne de la paroi 3.
On va maintenant décrire, en référence aux Figures 2 à 6, un procédé de fabrication d’une telle pièce creuse 1 selon un mode de réalisation de l’invention.
Le procédé comprend tout d’abord une étape de fourniture d’un demi-produit 11 du matériau dans lequel est réalisé la pièce creuse 1.
Le demi-produit 11 (est par exemple une billette ou une plaque dudit matériau (telle que vue de dessus sur la ). Le demi-produit 11 est par exemple obtenu par coulée dudit matériau.
Le procédé comprend ensuite une étape de forgeage à chaud par refoulement du demi-produit 11 pour former une galette 13. Par exemple, dans l’exemple de la , la galette 13 sensiblement circulaire est formée à partir du demi-produit 11 en exerçant une pression entre les faces inférieure et supérieure du demi-produit 11.
La galette 13 présente une surface développée supérieure à celle du demi-produit 11 et inférieure à la surface développée de la paroi 3 à fabriquer.
L’étape de forgeage à chaud est réalisée à une température qui dépend du matériau utilisé. Par exemple, si le matériau est un alliage d’aluminium, l’étape de forgeage à chaud est généralement réalisée à une température comprise entre 300°C et 500°C. Si le matériau est un alliage de titane, l’étape de forgeage à chaud est généralement réalisée à une température comprise entre 700°C et 1300°C.
Si la pièce creuse 1 à fabriquer comprend une ouverture 9 telle que décrite ci-dessus, lors de cette étape, une ouverture circulaire 14 est réalisée dans la galette 13.
La galette 13 est alors mise en forme à chaud pour créer une préforme 15.
L’étape de mise en forme à chaud est réalisée à une température qui dépend du matériau utilisé. Par exemple, si le matériau est un alliage d’aluminium, l’étape de mise en forme à chaud est généralement réalisée à une température comprise entre 300°C et 500°C. Si le matériau est un alliage de titane, l’étape de mise en forme à chaud est généralement réalisée à une température comprise entre 700°C et 1300°C.
La préforme 15 a une surface développée qui est soit inférieure, soit égale à la surface développée de la paroi 3.
La préforme 15 comprend au moins deux portions successives s’étendant radialement dans le prolongement l’une de l’autre à l’écart de l’axe central A-A, de sorte que pour l’ensemble des portions, les épaisseurs moyennes d’une première et d’une deuxième portions successives soient distinctes et/ou la première portion est convexe, concave ou plane, tandis que la deuxième portion est, respectivement, concave ou plane, convexe ou plane, ou convexe ou concave (c’est à dire si la première portion est convexe, la deuxième portion est concave ou plane ; si la première portion est concave, la deuxième portion est convexe ou plane ; si la première portion est plane, la deuxième portion est convexe ou concave).
Comme décrit ci-après, la préforme 15 est ensuite déformée à chaud sous une presse entre une matrice et un poinçon pour former la paroi 3 de la pièce creuse 1.
Par convexe ou concave, on désigne une portion telle que la surface de la portion considérée destinée à faire face au poinçon lors de la déformation à chaud est convexe, respectivement concave, la surface opposée étant concave, respectivement convexe.
Par ailleurs, on considèrera par la suite que deux portions sont de convexités distinctes si l’une des portions est concave et l’autre est convexe, ou si l’une des portions est plane et l’autre est convexe, ou l’une des portions est concave et l’autre est plane.
La préforme 15 comprend donc au moins deux portions successives, s’étendant radialement dans le prolongement l’une de l’autre à l’écart de l’axe central A-A, de sorte que pour l’ensemble de ces portions, les épaisseurs moyennes et/ou les convexités de deux portions successives soient distinctes.
Par épaisseurs moyennes distinctes, on entend que l’épaisseur moyenne d’une première portion selon au moins une coupe axiale et l’épaisseur moyenne d’une deuxième portion selon cette coupe axiale sont telles que le ratio entre l’épaisseur moyenne la plus grande et l’épaisseur la plus faible est supérieur ou égal à 1,2, de préférence supérieur ou égal à 1,3, mieux supérieure ou égal à 1,5, voire supérieur ou égal à 2. Généralement, ce ratio est inférieur ou égal à 5. En d’autres termes, l’épaisseur moyenne la plus grande est supérieure ou égale à 120%, de préférence 130%, mieux 150% voire 200% de l’épaisseur la plus faible, mais reste inférieure ou égale à 500% de l’épaisseur la plus faible.
Ainsi, la préforme 15 comprend une portion centrale 19 et au moins une portion annulaire 21 s’étendant radialement dans le prolongement l’une de l’autre à l’écart de l’axe central A-A, la portion centrale 19 et la portion annulaire 21 étant de convexités distinctes et/ou d’épaisseurs moyennes distinctes.
Si la portion centrale 19 et la portion annulaire 21 sont de convexités distinctes, la portion centrale 19 est généralement concave, la portion annulaire adjacente 21 étant convexe.
Si la portion centrale 19 et la portion annulaire 21 sont d’épaisseurs moyennes distinctes, la portion centrale 19 est généralement d’épaisseur moyenne inférieure à l’épaisseur moyenne de la portion annulaire 21 adjacente.
Si la pièce creuse 1 à fabriquer comprend une ouverture 9, la portion centrale 19 est une portion annulaire. La portion centrale 19 comprend ainsi un évidement 22. Cet évidement 22 est destiné à former l’ouverture 9 de la pièce creuse 1.
De préférence, la préforme 15 comporte une pluralité de portions 19, 21, 23… successives s’étendant radialement dans le prolongement les unes des autres à l’écart de l’axe central A-A, de sorte que pour l’ensemble des portions, les épaisseurs moyennes et/ou les convexités de deux portions successives soit distincte(s).
La portion centrale 19 a généralement une surface développée comprise entre 5% et 90% de la surface développée de la préforme 15.
Si la préforme comprend seulement deux portions, la portion annulaire 21 a donc une surface développée comprise entre 10% et 95% de la surface développée de la préforme 15.
En outre, si N est le nombre de portions constituant la préforme 15, avec N≥3, chaque portion annulaire a une surface développée comprise entre 10%/(N-1) et 100%/(N-1) de la surface développée de la préforme 15.
Chaque portion considérée diffère de chaque portion adjacente en ce que l’épaisseur moyenne de la portion considérée est distincte de l’épaisseur moyenne de cette portion adjacente et/ou en ce que la convexité de la portion considérée est distincte de la convexité de cette portion adjacente.
Par exemple, les portions présentent des convexités successives distinctes.
De préférence, la préforme 15 comporte alors une succession d’au moins trois portions 19, 21, 23 alternativement concaves et convexes, qui forment un motif en forme de vagues ou ondelettes. Dans ce cas, la portion centrale a de préférence une surface développée comprise entre 10% et 90% de la surface développée de la préforme 15, et chaque portion annulaire a une surface développée de préférence comprise entre 10%/(N-1) et 50%/(N-1) de la surface développée de la préforme 15.
Selon un autre exemple, les portions présentent des épaisseurs moyennes successives distinctes.
Selon encore un autre exemple, au moins une portion présente une convexité identique à la convexité d’une première portion adjacente, mais une épaisseur moyenne distincte de l’épaisseur moyenne de la première portion adjacente, et présente une convexité distincte de la convexité d’une deuxième portion adjacente, mais une épaisseur moyenne identique à l’épaisseur moyenne de la deuxième portion adjacente.
Notamment, la préforme comprend une portion centrale 19, une portion annulaire intermédiaire 21 s’étendant radialement dans le prolongement de la portion centrale 19 à l’écart de l’axe central A-A, et une portion annulaire périphérique 23 s’étendant radialement dans le prolongement de la portion annulaire intermédiaire 21 à l’écart de l’axe central A-A, la portion annulaire intermédiaire 21 présentant une épaisseur moyenne différente des épaisseurs moyennes de la portion centrale 19 et de la portion annulaire périphérique 23, et/ou une convexité différente de la convexité de la portion centrale 19 et de la portion annulaire périphérique 23.
Dans un premier mode de réalisation, dont la illustre un exemple, la préforme 15 est telle que les portions comprennent une portion centrale 19 et au moins une portion annulaire intermédiaire 21, la portion centrale 19 et la portion annulaire intermédiaire 21 étant de convexités distinctes.
De préférence, comme illustré sur la , les portions comprennent en outre une portion annulaire périphérique 23, la portion annulaire périphérique 23 ayant une convexité distincte de la convexité de la portion annulaire intermédiaire 21 qui lui est adjacente. La préforme 15 comporte alors une succession d’au moins trois portions alternativement concaves et convexes, qui forment un motif en forme de vagues ou ondelettes.
Dans l’exemple illustré sur la , la préforme 15 comprend une unique portion annulaire intermédiaire 21.
Ainsi, la portion centrale 19, la portion annulaire intermédiaire 21 et la portion annulaire périphérique 23 s’étendent radialement dans le prolongement les unes des autres, à l’écart de l’axe central A-A, la portion centrale 19 étant adjacente à la portion annulaire intermédiaire 21 et la portion annulaire intermédiaire 21 étant adjacente à la portion centrale 19 et à la portion annulaire périphérique 23.
La portion centrale 19 a par exemple une surface développée comprise entre 50% et 90% de la surface développée de la préforme 15.
La portion annulaire intermédiaire 21 a par exemple une surface développée comprise entre 5% et 25% de la surface développée de la préforme 15.
La portion annulaire périphérique 23 a par exemple une surface développée comprise entre 5% et 25% de la surface développée de la préforme 15.
Dans cet exemple, la portion centrale 19 est une portion annulaire et comporte un évidement 22.
Dans une variante, la préforme comprend au moins deux portions annulaires intermédiaires. Dans ce premier mode de réalisation, pour l’ensemble des portions, les convexités de deux portions successives sont distinctes. Par exemple, si la préforme comprend une portion centrale, une première portion annulaire intermédiaire, une deuxième portion annulaire intermédiaire et une portion annulaire périphérique successives s’étendant radialement dans le prolongement les unes des autres à l’écart de l’axe central A-A, la première portion annulaire intermédiaire a une convexité distincte de la convexité de la portion centrale et de la deuxième portion annulaire intermédiaire, et la portion annulaire périphérique a une convexité distincte de celle de la deuxième portion annulaire intermédiaire.
De préférence, dans ce premier mode de réalisation, et comme illustré sur la , la surface de la portion centrale 19 faisant face au poinçon (c’est à dire vue du haut vers le bas) a une forme concave.
Dans l’exemple illustré par la , la portion annulaire intermédiaire 21 est convexe, tandis que la portion centrale 19 et la portion annulaire périphérique 23 sont concaves.
Dans cet exemple, les épaisseurs moyennes de la portion centrale 19, de la portion annulaire intermédiaire 21 et de la portion annulaire périphérique 23 sont sensiblement identiques, c’est à dire telles que le ratio entre l’épaisseur moyenne la plus grande et l’épaisseur la plus faible est inférieur à 1,2.
Dans ce premier mode de réalisation, la surface développée de la préforme 15 est généralement sensiblement égale à la surface développée de la paroi 3.
Ainsi, la déformation à chaud de la préforme 15 pour former la paroi 3 est réalisée sans variation d’épaisseur, et nécessite donc des efforts limités.
En outre, en raison de l’alternance de portions concaves et convexes, la surface projetée de la préforme 15 sur un plan transversal est inférieur à la surface développée de la préforme 15.
Le ratio entre la surface projetée de la préforme 15 sur un plan transversal et la surface développée est généralement inférieur à 90%, de préférence inférieur à 80%, de préférence inférieur à 50%, et la plus grande dimension de la surface projetée de la préforme sur un plan transversal est inférieure ou égale à 150% de la plus grande dimension du poinçon orthogonalement à l’axe central A-A, notamment inférieure ou égale à 135% de la plus grande dimension du poinçon orthogonalement à l’axe central A-A, de préférence inférieure ou égale à 120% de la plus grande dimension du poinçon orthogonalement à l’axe central A-A.
Dès lors, il est possible de réaliser une pièce creuse 1 de grande dimension au moyen d’une presse de taille limitée, en particulier au moins 10%, de préférence au moins 20%, encore mieux au moins 50% inférieure à la taille qui aurait été nécessaire pour emboutir une préforme plane de surface développée égale à la surface développée de la paroi 3.
On a illustré sur la une étape de mise en forme de la galette 13 pour former la préforme 15 selon ce premier mode de réalisation.
Dans l’exemple illustré par la , l’étape de mise en forme à chaud de la galette pour former la préforme 15 comprend une première phase de mise en forme par matriçage ou estampage à chaud de la galette 13 pour produire une première ébauche concave 27.
Cette première phase de mise en forme est de préférence une phase de mise en forme par refoulement de la matière vers la périphérie de la galette 13, de telle sorte que la surface développée de la première ébauche concave 27 est supérieure à la surface développée de la galette 13.
L’étape de mise en forme à chaud comprend ensuite une deuxième phase de mise en forme par matriçage ou estampage à chaud de la première ébauche concave 27 pour produire la préforme 15.
Lors de cette étape, une partie périphérique de la première ébauche concave 27 est déformée pour former la portion annulaire intermédiaire 21 et la portion annulaire périphérique 23.
De préférence, lors de cette deuxième phase de mise en forme, la matière est à nouveau refoulée, vers la périphérie de la première ébauche concave 27 de telle sorte que la surface développée de la préforme 15 est supérieure à la surface développée de la première ébauche concave 27.
De préférence, les premières et deuxièmes phases de mise en forme sont mises en œuvre au moyen d’une première presse auxiliaire 29 et d’une deuxième presse auxiliaire 37 respectivement.
Comme illustré sur la , la première presse auxiliaire 29 comprend une première matrice 33 et un premier poinçon 31.
La première phase de mise en forme est de préférence mise en œuvre par matriçage ou estampage à chaud de la galette 13 entre la première matrice 33 et le premier poinçon 31.
La deuxième phase de mise en forme est mise en œuvre dans la deuxième presse auxiliaire 37 entre une deuxième matrice 35 et un deuxième poinçon 39.
Les formes de la deuxième matrice 35 et du deuxième poinçon 39 sont adaptées pour la mise en forme de la préforme 15, en particulier des portions annulaires intermédiaire 21 et périphérique 23.
La deuxième phase de mise en forme est alors mise en œuvre par matriçage ou estampage de la première ébauche concave 27 entre la deuxième matrice 35 et le deuxième poinçon 39.
Selon une variante, la deuxième phase de mise en forme comprend une première phase intermédiaire de mise en forme par matriçage ou estampage à chaud de la première ébauche concave pour produire une deuxième ébauche comprenant une partie centrale concave et une partie périphérique convexe s’étendant dans le prolongement de la partie centrale, et une deuxième phase intermédiaire de mise en forme à chaud par matriçage ou estampage de la deuxième ébauche pour produire la préforme.
On a illustré sur la un exemple de préforme 15 selon un deuxième mode de réalisation. Cette Figure représente une portion seulement de la préforme 15, selon une vue en perspective. En outre, sur cette , on a représenté la presse 47, incluant la matrice 49 et le poinçon 51, juste avant que la préforme 15 soit déformée à chaud.
Dans ce deuxième mode de réalisation, la préforme 15 est telle que les portions comprennent une portion centrale 19 et au moins une portion annulaire intermédiaire 21, les épaisseurs moyennes de la portion centrale 19 et de la portion annulaire intermédiaire 21 étant distinctes.
La surface développée de la préforme 15 est inférieure à la surface développée de la paroi 3.
En outre, un ratio entre la surface projetée de la préforme 15 sur un plan transversal et la surface développée de la préforme 15 est généralement supérieur à 90%. Par ailleurs, la plus grande dimension de la surface projetée de la préforme 15 sur un plan transversal est inférieure ou égale à 150% de la plus grande dimension du poinçon 51, de préférence inférieure ou égale à 120% de la plus grande dimension du poinçon 51 orthogonalement à l’axe central A-A.
Les portions comprennent au moins une portion surépaissie destinée à fournir un surplus de matière qui sera utilisé, lors de l’étape de déformation à chaud pour augmenter par écoulement plastique la surface développée de la préforme 15.
De préférence, comme illustré sur la , les portions comprennent en outre une portion annulaire périphérique 23, la portion annulaire périphérique 23 ayant une épaisseur moyenne distincte de l’épaisseur moyenne de la portion annulaire intermédiaire 21 qui lui est adjacente. La préforme 15 comporte alors une succession d’au moins trois portions d’épaisseurs moyennes successives distinctes.
Dans l’exemple illustré sur la , la préforme 15 comprend une unique portion annulaire intermédiaire 21.
Ainsi, la portion centrale 19, la portion annulaire intermédiaire 21 et la portion annulaire périphérique 23 s’étendent radialement dans le prolongement les unes des autres, à l’écart de l’axe central A-A, la portion centrale 19 étant adjacente à la portion annulaire intermédiaire 21 et la portion annulaire intermédiaire 21 étant adjacente à la portion centrale 19 et à la portion annulaire périphérique 23.
La portion centrale 19 a par exemple une surface développée comprise entre 5% et 90% de la surface développée de la préforme 15.
La portion annulaire intermédiaire 21 a par exemple une surface développée comprise entre 5% et 50% de la surface développée de la préforme 15.
La portion annulaire périphérique 23 a par exemple une surface développée comprise entre 5% et 50% de la surface développée de la préforme 15.
Dans cet exemple, la portion centrale 19 est une portion annulaire et comporte un évidement 22.
En outre, dans cet exemple, la portion annulaire intermédiaire 21 présente une épaisseur moyenne distincte de l’épaisseur moyenne de la portion centrale 19 et de l’épaisseur moyenne de la portion annulaire périphérique 23.
En particulier, la portion annulaire intermédiaire 21 est une portion surépaissie, c’est à dire d’épaisseur moyenne supérieure à l’épaisseur moyenne de la portion centrale 19 et de l’épaisseur moyenne de la portion annulaire périphérique 23.
Dans cet exemple, les épaisseurs moyennes de la portion centrale 19, de la portion annulaire intermédiaire 21 et de la portion annulaire périphérique 23 sont telles que le ratio entre l’épaisseur moyenne la plus grande et l’épaisseur la plus faible est supérieur ou égal à 1,2, de préférence supérieur ou égal à 1,3, mieux supérieur ou égal à 1,5, voire supérieur ou égal à 2. De préférence, ce ratio est inférieur ou égal à 5.
La mise en forme de la galette 13 pour former la préforme 15 est par exemple réalisée par formage par refoulement, au moyen de frettes ou disques plats.
Après l’étape de mise en forme à chaud de la galette 13 pour créer la préforme 15, le procédé comprend une étape de déformation à chaud de la préforme 15 sous une presse 47 entre une matrice 49 et un poinçon 51 pour former la paroi 3.
L’étape de déformation à chaud est réalisée à une température qui dépend du matériau utilisé. Par exemple, si le matériau est un alliage d’aluminium, l’étape déformation à chaud est généralement réalisée à une température comprise entre 300°C et 500°C.Si le matériau est un alliage de titane, l’étape de déformation à chaud est généralement réalisée à une température comprise entre 700°C et 1300°C.
Généralement, la matrice 49 a un plus grand diamètre inférieur au plus grand diamètre de la surface développée de la paroi 3.
L’étape de déformation à chaud comprend un emboutissage et optionnellement un matriçage de la préforme 15 pour former la paroi 3.
Lors de l’emboutissage, la forme de la préforme 15 est modifiée pour épouser les contours de la matrice 49 et/ou du poinçon 51 sans variation significative d’épaisseur.
Lors du matriçage, la paroi 3 est modelée, les épaisseurs locales et moyennes étant modifiées.
Dans le premier mode de réalisation décrit ci-dessus, dans lequel la préforme 15 comprend au moins deux portions de convexités distinctes, l’étape de déformation à chaud comprend un emboutissage.
Notamment, si la surface développée de la préforme 15 est égale à la surface développée de la paroi 3, l’étape de déformation à chaud consiste en un emboutissage.
En particulier, l’étape de déformation à chaud comprend un dépliage de la préforme 15 entre la matrice 49 et le poinçon 51 de telle sorte qu’à l’issue du dépliage, les surfaces des portions convexes de la préforme faisant face au poinçon 51 deviennent concaves.
Notamment, dans l’exemple illustré sur la , la préforme 15 est dépliée lors de l’étape de déformation à chaud de telle sorte que la surface de la portion annulaire intermédiaire 21 faisant face au poinçon 51 devienne concave.
Si la préforme 15 a une surface développée égale à la surface développée de la paroi 3, cette étape de déformation à chaud n’implique aucun changement d’épaisseur. Ainsi, une telle étape nécessite des efforts de presse réduits.
En outre, la surface projetée de la préforme 15 sur un plan transversal étant inférieure à la surface développée de la préforme 15, il est possible, lors de cette étape, de réaliser une pièce creuse 1 de grande dimension au moyen d’une presse de taille limitée, en particulier au moins 50% inférieure à la taille qui aurait été nécessaire pour emboutir une préforme plane de surface développée égale à la surface développée de la paroi 3.
On a représenté schématiquement sur la , à titre d’exemple, une phase initiale d’une étape de déformation à chaud de la préforme 15 de la .
Comme illustré sur cette Figure, l’étape de déformation comprend une phase initiale de mise en contact du poinçon 51 avec la préforme 15, en particulier avec la portion centrale 19.
Le poinçon 51 poursuit alors sa course, entrainant un dépliage de la préforme 15, de telle sorte que la convexité de la portion annulaire intermédiaire 21 est inversée, la portion annulaire intermédiaire 21 devenant concave. A l’issue de la course du poinçon, les surfaces de la paroi 3 en contact avec le poinçon sont concaves.
Dans le deuxième mode de réalisation décrit ci-dessus, dans lequel la préforme 15 comprend au moins deux portions d’épaisseurs moyennes distinctes, l’étape de déformation à chaud comprend par exemple un emboutissage et un matriçage de la préforme 15 entre la matrice 49 et le poinçon 51.
En particulier, l’emboutissage de la préforme 15 comprend une phase de mise en forme lors de laquelle la préforme 15 est mise en contact avec la matrice 49 par le poinçon 51.
A l’issue de cette phase, par exemple, les surfaces inférieures d’au moins une portion de la préforme 15, de préférence de toutes les portions de la préforme, est en contact avec la matrice 49, et la surface supérieure d’au moins une portion n’est pas en contact avec le poinçon 51. De préférence, à l’issue de cette phase, au moins une partie de la portion annulaire intermédiaire 21 est en contact avec la matrice 49 et le poinçon 51.
En variante, à l’issue de cette phase, les surfaces supérieures d’au moins une portion de la préforme 15, de préférence de toutes les portions de la préforme 15, est/sont en contact avec le poinçon 51, et la surface inférieure d’au moins une portion n’est pas en contact avec la matrice 49.
Le matriçage est une phase d’expansion, lors de laquelle la matière est refoulée jusqu’à ce que la matière épouse les surfaces du poinçon 51 et de la matrice 49.
Selon un mode de réalisation, lors de cette phase, tant que l’expansion n’est pas finie, au moins une portion de la préforme 15 n’est pas en contact avec le poinçon 51.
Ainsi, les efforts devant être exercés par la presse sont réduits. En outre, la surface projetée de la préforme 15 sur un plan transversal étant inférieure à la surface développée de la préforme 15, il est possible de réaliser une pièce creuse 1 de grande dimension au moyen d’une presse de taille limitée, en particulier au moins 50% inférieure à la taille qui aurait été nécessaire pour emboutir une préforme plane de surface développée égale à la surface développée de la paroi 3.
Dans l’exemple illustré sur la , lors de la phase d’expansion, la portion annulaire intermédiaire 21 surépaissie de la préforme 15 est comprimée entre la matrice 49 et le poinçon 51, au moins une partie de la portion centrale 19 et/ou de la portion annulaire périphérique 23 n’étant pas en contact avec le poinçon 51. Ainsi, le matériau s’écoule plastiquement depuis la portion annulaire intermédiaire 21 vers la portion centrale 19 et la portion annulaire périphérique 23 puis au-delà de la portion annulaire périphérique 23 pour augmenter la surface développée de la préforme 15 et former la paroi 3.
Le procédé selon l’invention permet ainsi de fabriquer une pièce en forme de dôme de grande dimension, telle qu’un dôme de réservoir cryogénique, qui ne nécessite pas de soudure, qui peut être réalisé sur des presses de forgeage disponibles dont les dimensions sont limitées et notamment de plus grand diamètre inférieur au plus grand diamètre de la surface développée de la paroi 3, et/ou les capacités en terme d’efforts sont limitées.
En outre, il est possible de réaliser par ce procédé une pièce dont le fibrage est homogène, de telles sortes que les caractéristiques mécaniques de la pièce sont homogènes autour de l’axe central A-A et le long de la paroi 3, depuis le plan transversal inférieur 5 vers le plan transversal supérieur 7, tel qu’illustré sur la .
En particulier, l’orientation des grains est homogène, à la fois autour de l’axe central, dans tout plan axial comprenant l’axe A-A et dans tout plan transversal à l’axe A-A.
Généralement, dans tout plan transversal, l’angle α formé entre la direction d’allongement des grains (sens long) présents dans ce plan transversal et la tangente à la surface de la paroi en ce grain, tel qu’illustré sur la , est sensiblement constant (par exemple +/- 10°).
Généralement, la direction d’allongement des grains est comprise dans le plan transversal et tangente à la surface de la paroi 3 (c’est à dire l’angle α formé entre la direction d’allongement des grains présents dans ce plan transversal et la tangente à la surface de la paroi en ce grain est sensiblement nul).
En ce qui concerne le fibrage, le sens tangentiel est plus marqué que le sens axial, et le sens axial est plus marqué que le sens radial. Par « sens radial », on entend ici généralement un sens qui s’étend à travers l‘épaisseur de la paroi, ou autrement dit, selon l'épaisseur, perpendiculaire à un plan tangent à la paroi (et donc non nécessairement perpendiculaire à l’axe A-A).
Les caractéristiques mécaniques de la pièce obtenue sont plus élevées dans le sens tangentiel, ce qui est le mode de sollicitation le plus élevé pour ce type de pièce.
Les grains sont de préférence axisymétriques autour de l’axe central A-A.
D’une façon générale, l’homme du métier pourra adapter la géométrie de la préforme et les dimensions des différentes portions de celles-ci, en particulier les diamètres et les épaisseurs, ainsi que le nombre de portions, en fonction de la forme et des dimensions de la paroi à fabriquer, et en fonction des dimensions et capacités maximales de la presse.
En outre, le procédé n’est pas limité à la fabrication de dômes de grande dimension destinés à des réservoirs de pression. Il peut être adapté à toute pièce de grande dimension susceptible d’être fabriquée par emboutissage/matriçage.
La pièce qui peut être fabriquée par ce procédé est en général, mais non nécessairement, une pièce de révolution. La paroi peut en outre comprendre des fonctionnalités supplémentaires, notamment des ouvertures, des reliefs sur la surface, notamment des bossages, des piquages, des nervures.
Par ailleurs, les deux modes de réalisation décrits ci-dessus peuvent être combinés. Notamment, en référence au premier mode de réalisation, au moins une portion a une épaisseur moyenne distincte de l’épaisseur moyenne d’une autre portion.

Claims (15)

  1. Procédé de fabrication d’une pièce creuse (1) comprenant une paroi (3) d’un seul tenant sans soudure en forme de dôme s’étendant autour d’un axe central (A-A), la paroi (3) étant réalisée en un matériau constitué d’un alliage métallique, la paroi (3) ayant une épaisseur moyenne inférieure à 50 mm et une plus grande dimension, orthogonalement à l’axe central (A-A), comprise entre 1500 mm et 3700 mm, le procédé comprenant les étapes consécutives suivantes :
    • fourniture d’un demi-produit (11) dudit matériau ;
    • forgeage à chaud par refoulement du demi-produit (11) pour former une galette (13) de surface développée supérieure à celle du demi-produit (11) et inférieure à la surface développée de la paroi (3) ;
    • mise en forme à chaud de la galette (13) pour créer une préforme (15) ayant une surface développée inférieure ou égale à la surface développée de la paroi (3), la préforme (15) comprenant au moins deux portions (19, 21) successives s’étendant radialement dans le prolongement les unes des autres à l’écart de l’axe central (A-A), de sorte que pour l’ensemble des portions (19, 21), les épaisseurs moyennes et/ou les convexités de deux portions (19, 21) successives soient distinctes;
    • déformation à chaud de la préforme (15) sous une presse (47) entre une matrice (49) et un poinçon (51) pour former la paroi (3).
  2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que les portions comprennent une portion centrale (19) et au moins une portion annulaire intermédiaire (21), la portion centrale (19) et la portion annulaire intermédiaire (21) étant de convexités distinctes.
  3. Procédé de fabrication selon la revendication 2, caractérisé en ce que les portions comprennent en outre une portion annulaire périphérique (23), la portion annulaire périphérique (23) ayant une convexité distincte de la convexité de la portion annulaire intermédiaire (21) adjacente.
  4. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 2 à 3, caractérisé en ce qu’un ratio entre la surface projetée de la préforme (15) sur un plan transversal et la surface développée de la préforme (15) est inférieur à 90%, et la plus grande dimension de la surface projetée de la préforme (15) sur un plan transversal est inférieure ou égale à 150% de la plus grande dimension du poinçon (51) orthogonalement à l’axe central (A-A)
  5. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l’étape de déformation de la préforme (15) sous la presse comprend un dépliage de la préforme (15) entre la matrice (49) et le poinçon (51) de telle sorte qu’à l’issue du dépliage, les surfaces des portions faisant face au poinçon (51) soient concaves.
  6. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la surface de la portion centrale (19) faisant face au poinçon (51) a une forme concave.
  7. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que les portions comprennent une portion centrale (19) et au moins une portion annulaire intermédiaire (21), les épaisseurs moyennes de la portion centrale (19) et de la portion annulaire intermédiaire (21) étant distinctes, la surface développée de la préforme (15) étant inférieure à la surface développée de la paroi (3).
  8. Procédé de fabrication selon la revendication 7, caractérisé en ce que les portions comprennent en outre une portion annulaire périphérique (23), et en ce que la portion annulaire intermédiaire (21) est une portion surépaissie, l’épaisseur moyenne de la portion annulaire intermédiaire (21) étant supérieure à l’épaisseur moyenne de la portion centrale (19) et à l’épaisseur moyenne de la portion annulaire périphérique (23).
  9. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que l’étape de déformation de la préforme (15) comprend une phase de mise en forme lors de laquelle au moins une partie de la portion annulaire intermédiaire (21) est mise en contact avec la matrice (49) par le poinçon (51), et une phase de matriçage correspondant à une expansion lors de laquelle au moins une partie de la préforme (15) n’est pas en contact avec le poinçon (51).
  10. Procédé de fabrication selon la revendication 9, caractérisé en ce que lors de la phase d’expansion, la portion annulaire intermédiaire (21) surépaissie de la préforme (15) est comprimée entre la matrice (49) et le poinçon (51), au moins une partie de la portion centrale (19) et/ou de la portion annulaire périphérique (23) n’étant pas en contact avec le poinçon (51), de telle sorte que le matériau s’écoule plastiquement depuis la portion annulaire intermédiaire (21) vers la portion centrale (19) et la portion annulaire périphérique (23) puis au-delà de la portion annulaire périphérique (23) pour augmenter la surface développée de la préforme et former la paroi (3).
  11. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le matériau est un alliage d’aluminium, notamment un alliage 2XXX ou 7XXX.
  12. Pièce creuse (1) comprenant une paroi (3) d’un seul tenant sans soudure en forme de dôme, la paroi (3) s’étendant autour d’un axe central (A-A), la paroi (3) étant réalisée en un matériau constitué d’un alliage métallique, la paroi ayant une épaisseur moyenne inférieure à 50 mm et une plus grande dimension, orthogonalement à l’axe central (A-A), comprise entre 1500 mm et 3700 mm.
  13. Pièce creuse selon la revendication 12, caractérisée en ce que la paroi (3) présente un fibrage homogène autour de l’axe central (A-A), l’orientation des grains dudit alliage métallique étant telle que dans tout plan transversal, l’angle formé entre la direction d’allongement d’un grain présent dans ce plan transversal et la tangente à la paroi (3) en ce grain est sensiblement constant.
  14. Pièce selon l’une quelconque des revendications 12 ou 13, caractérisée en ce que le matériau est un alliage d’aluminium, notamment un alliage 2XXX ou 7XXX.
  15. Réservoir cryogénique comprenant une pièce (1) selon l’une quelconque des revendications 12 à 14 ou fabriquée par un procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 11.
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