WO2001036692A1 - Procede de grenaillage par ultrasons de surfaces annulaires de grandes dimensions sur des pieces minces - Google Patents

Procede de grenaillage par ultrasons de surfaces annulaires de grandes dimensions sur des pieces minces Download PDF

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WO2001036692A1
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Catherine Dominique Béatrice DUQUENNE
Véronique Christiane Raymonde GIFFARD
Gérard Michel Roland Gueldry
Claude Marcel Mons
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Snecma Moteurs
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
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    • Y10T29/479—Burnishing by shot peening or blasting

Definitions

  • the invention relates to a shot blasting process called "ultrasonic" using a mist of microbeads inside an enclosure and more particularly to a shot blasting process of large annular surfaces on thin parts
  • microbeads are commonly beads rolling palhers They are usually made of ceramic or steel with a diameter of 0.2mm to 4mm. The blasting is carried out inside a closed cabin using nozzles supplied simultaneously with compressed gas and microbeads, the gas tablet ensuring the propulsion of the microbeads
  • Patent FR 2 689 431 discloses a blasting process known as improperly "ultrasonic” consisting in maintaining a "mist" of microbeads inside an enclosure, the maintenance being carried out using an active vibrator at frequencies of the order of 20 KH, the enclosure being open, the part being applied against the opening of the enclosure, the blasting being ensured by the impacts of the microbeads on the part, the enclosure and the part being animated by a relative movement aiming to pass the enclosure over the entire surface of the part to be shot blasted
  • the patent also shows how to grenadier circular pieces such as trees
  • fog is used by analogy with fogs formed from tiny water droplets.
  • the microbeads are driven by random speeds in modulus and in direction, which makes them ricochet with each other, against the walls of the enclosure and against the surface of the part in contact with the fog. microbeads
  • a first problem to be solved is to peel thin and circular parts without deforming them, the dimensions of which are greater than those of the peening chamber.
  • a second problem to be solved is to guarantee a homogeneous shot blasting over the entire surface to be shot
  • the invention provides a method of ultrasonic blasting of large annular surfaces on thin pieces, said method consisting in passing the surface to be blasted in front of the opening of a blasting chamber, said chamber containing a "mist" of microbeads maintained by a vibrator inside the enclosure, said microbeads coming to impact the portion of the surface to be blasted presented in front of the opening, said impacts causing blasting, said enclosure and said part being animated by a relative movement of rotation to pass the entire surface to be shot blasted in front of the enclosure opening during shot blasting.
  • the blasting is carried out in N passages in front of the opening of the enclosure, each point of the surface to be blasted passing N times in front of the opening of the enclosure, each passage bringing a fraction substantially equal to 1 / N of total shot peening to be carried out
  • the effect of such a method is to improve the homogeneity of shot blasting over the entire surface to be shot blasted during the actual execution of shot blasting. It has been found that this homogeneity reduces the deformations of the part during shot blasting as well as the residual deformations of the workpiece when shot peening is finished This result could be explained by the fact that the stresses imposed on the piece during shot peening remain substantially uniform over the entire shot blasted surface. Thus the first problem is solved.
  • Vi Ai / To
  • Vi being the speed of movement of the enclosure on the workpiece
  • Ai being the width of the vibrating surface which substantially merges with the width of the enclosure when viewed of figure 1
  • To being the duration of the exposure of the surface to shot peening, this time being given by a formula on page 7 line 7.
  • the speed parameter Vi is here important because it is necessary to blast exactly the entire periphery of the part in a single turn or in a very small number of turns, in order to respect the duration To during which each part of the surface must be exposed to blasting.
  • this speed parameter is of no importance, provided of course that it remains low in comparison with the speed of the microbeads impacting the part
  • the part 1 is a drive cone on an aircraft turbine engine.
  • the part 1 is constituted by a thin wall and has a circular shape of revolution around a geometric axis. 2
  • the part 1 comprises a barrel. 3 frustoconical whose end of larger diameter is extended radially by a flange 4, said flange 4 itself comprising a bearing surface 5 for blasting, said bearing surface 5 being annular, planar and radial
  • An enclosure 10 is used inside of which a mist of microbeads 11 is maintained, said enclosure being delimited laterally by a wall 12, said enclosure comprising an opening 13 whose edges are referenced 14
  • a vibrator 20 is also used, consisting of a sonotrode 21 brought into resonance by one of its ends by a vibration generator 22 which is usually quartz, the other end of the sonotrode 21 comprising a vibrating and substantially planar surface 23, said vibrating surface 23 being placed at the bottom of the enclosure 10 and being opposite the opening 13
  • the vibration generator 22 brings the sonotrode 21 into longitudinal resonance
  • the vibrating surface 23 thus excited transmits energy to the microbeads which bounce on the surface to be shot 5 opposite the opening 13 and on the walls of the enclosure 12, said microbeads then gradually losing energy, said microbeads arr also living on the vibrating surface 23 which gives them a new energy.
  • the microbeads move inside the enclosure at random speeds in size and direction, these microbeads thus forming a true "fog"
  • the part 1 is positioned so as to bring the surface to be shot 5 in front of the opening 13 with a clearance E relative to the edges 14 of the opening 13, said clearance E being less than the diameter of the microbeads, • the part is put 1 rotating along its geometric axis 2
  • An advantage of the process is that the peening is carried out without contact between the part 1 and the enclosure 10, which makes it possible to avoid any degradation of the surface of the part. Despite this, the microbeads are retained inside the enclosure 10 because the clearance E is less than the diameter of said microbeads.
  • This arrangement also has the advantage of avoiding the use of wear pads on the enclosure 10
  • the total duration T during which the part is exposed to shot blasting is given by the formula:
  • T To x ⁇ x D / L in which To is the duration of the exposure to shot blasting of each element of the surface to be shot 5, D is the average diameter of said surface 5 and L is the width of the enclosure 10 taken tangentially to the movement of said surface 5 in front of the opening 13, that is to say perpendicular to the plane of the single figure.
  • the edges 14 of the enclosure 10 will be given a shape complementary to said surface, in order to maintain the clearance E.

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Abstract

L'invention propose un procédé de grenaillage dit 'par ultrasons' pour grenailler des surfaces (5) annulaires de grandes dimensions sur des pièces (1) minces. Un tel procédé est remarquable en ce que la surface à grenailler (5) effectue au moins N=cinq révolutions devant l'ouverture (13) de l'enceinte de grenaillage (10) pendant le grenaillage, afin de réduire les déformations de la pièce (1).

Description

Procédé de grenaillage par ultrasons de surfaces annulaires de grandes dimensions sur des pièces minces
Description
L'invention se rapporte à un procédé de grenaillage dit "par ultrasons" mettant en oeuvre un brouillard de microbilles à l'intérieur d'une enceinte et plus particulièrement à un procédé de grenaillage de surfaces annulaires de grandes dimensions sur des pièces minces
Il est connu de grenailler la surface de pièces métalliques par projection de microbilles En impactant la surface de la pièce avec un angle d'incidence faible par rapport à la perpendiculaire à cette surface et avec une énergie cinétique suffisante, les microbilles provoquent une mise en compression permanente de la surface sur une faible épaisseur Cette mise en compression s'oppose à l'apparition et à la progression des fissures à la surface de la pièce et permet ainsi d'en améliorer la résistance à la fatigue Les microbilles sont couramment des billes de palhers a roulement Elles sont habituellement en céramique ou en acier avec un diamètre de 0,2mm a 4mm Le grenaillage est effectue a l'intérieur d'une cabine fermée a l'aide de buses alimentées simultanément en gaz comprime et en microbilles, le gaz comprime assurant la propulsion des microbilles
On produit en aéronautique des pièces minces et de grandes dimensions dont le grenaillage pose quelques difficultés
• Les grandes pièces exigent de grandes cabines,
• Le grenaillage est souvent léger pour ne pas déformer les pièces minces Celles-ci en effet ne peuvent pas reprendre sans se déformer les sollicitations provoquées par les contraintes de compression résultant d'un grenaillage important, cette compression s'étendaπt alors en profondeur sous la surface grenaiilee
• L'exposition de la pièce au grenaillage passe par un optimum qui donne a cette pièce la meilleure résistance Un tel grenaillage est cependant difficile a assurer car les buses de grenaillage sont délicates a régler et ne sont pas stables Ainsi, un grenaillage insuffisant ne donne pas la résistance prévue, mais il est encore possible d'atteindre l'optimum en effectuant un grenaillage complémentaire Au contraire, un grenaillage excessif provoque une dégradation superficielle irrécupérable de la pièce avec un abaissement de sa résistance
On connaît par le brevet FR 2.689 431 un procédé de grenaillage dit improprement "par ultrasons" consistant à entretenir un "brouillard" de microbilles à l'intérieur d'une enceinte, l'entretien étant réalisé à l'aide d'un vibrateur agissant à des fréquences de l'ordre de 20 KH, l'enceinte étant ouverte, la pièce étant appliquée contre l'ouverture de l'enceinte, le grenaillage étant assuré par les impacts des microbilles sur la pièce, l'enceinte et la pièce étant animés d'un mouvement relatif visant à faire passer l'enceinte sur toute la surface de la pièce à grenailler Le brevet montre aussi comment grenadier des pièces circulaires telles des arbres
Le terme "brouillard" est utilisé par analogie avec les brouillards formés de minuscules gouttelettes d'eau. En effet, dans le procédé de grenaillage par ultrasons, les microbilles sont animées de vitesses aléatoires en module et en direction, ce qui les fait ricocher entre elles, contre les parois de l'enceinte et contre la surface de la pièce au contact du brouillard de microbilles
Ce brevet donne des exemples de pièces massives capables de reprendre sans se déformer les sollicitations résultant du grenaillage Ce procédé ne permet pas cependant de grenailler des pièces circulaires minces, car celles-ci commencent a se déformer très tôt pendant le grenaillage même Même si la surface est uniformément grenaillée, ces déformations ne sont que partiellement résorbées à la fin du grenaillage car la mise en contrainte s'effectue par la déformation plastique et non linéaire de la matière De plus, le procédé exige que le grenaillage soit arrêté avec précision lorsque la pièce a fait un tour si on veut obtenir un grenaillage homogène En effet, un arrêt tardif du grenaillage produira un excès localisé de grenaillage sur une zone de recouvrement alors qu'un arrêt prématuré produira un manque localisé de grenaillage qu'il sera difficile de compléter sans provoquer un grenaillage excessif juste à cote
Un premier problème a résoudre est de grenailler sans les déformer les pièces minces et circulaires dont les dimensions sont supérieures a celles de l'enceinte de grenaillage
Un second problème a résoudre est de garantir un grenaillage homogène sur toute la surface a grenailler L'invention propose un procède de grenaillage par ultrasons de surfaces annulaires de grande dimensions sur des pièces minces, ledit procédé consistant à faire passer la surface à grenailler devant l'ouverture d'une enceinte de grenaillage, ladite enceinte renfermant un "brouillard" de microbilles entretenu par un vibrateur à l'inténeur de l'enceinte, lesdites microbilles venant impacter la portion de la surface à grenailler présentée devant l'ouverture, lesdits impacts provoquant le grenaillage, ladite enceinte et ladite pièce étant animées d'un mouvement relatif de rotation pour faire passer toute la surface à grenailler devant l'ouverture de l'enceinte pendant le grenaillage. Un tel procédé est remarquable en ce que la surface a grenailler effectue pendant le grenaillage au moins N = cinq révolutions devant l'ouverture de l'enceinte
En d'autres termes, le grenaillage est effectué en N passages devant l'ouverture de l'enceinte, chaque point de la surface à grenailler passant N fois devant l'ouverture de l'enceinte, chaque passage apportant une fraction sensiblement égale à 1/N du grenaillage total à effectuer
Un tel procédé a pour effet d'améliorer l'homogénéité du grenaillage sur toute la surface à grenailler pendant l'exécution même du grenaillage II a été constaté que cette homogénéité réduit les déformations de la pièce pendant le grenaillage ainsi que les déformations résiduelles de la pièce lorsque le grenaillage est achevé Ce résultat pourrait s'expliquer par le fait que les sollicitations imposées a la pièce pendant le grenaillage restent sensiblement uniformes sur toute la surface grenailiée Ainsi est résolu le premier problème
De plus, il n'est plus nécessaire d'arrêter le grenaillage avec précision lorsque la pièce aura fait N passages devant l'enceinte de grenaillage, car l'excès ou le manque de grenaillage résultant de cette imprécision sera au plus égale a 1/N du grenaillage total, ce qui résout le second problème
L'inventeur considère que le résultat obtenu est acceptable a partir de N = 5 révolutions Ce résultat sera évidemment meilleur avec un nombre de révolutions plus important, par exemple 20 ou 100 Un nombre N important s'impose pour grenailler des pièces très minces Un avantage du procède est de permettre de permettre un grenaillage important et poussé jusqu'à l'optimal sur des pièces minces sans les déformer, puisque pendant tout le grenaillage, les sollicitations imposées à la pièce restent uniformes
Le procédé objet de la présente demande de brevet d'invention ne saurait être confondu avec le procédé divulgué dans le brevet cité et ne nous paraît non plus être suggéré par ce brevet. Bien que le brevet ne dise pas explicitement que le grenaillage est effectué en un seul passage, il le sous-entend. En effet.
En page 7 ligne 20 est donnée la formule Vi = Ai / To, Vi étant la vitesse de déplacement de l'enceinte sur la pièce, Ai étant la largeur de la surface vibrante qui se confond sensiblement avec la largeur de l'enceinte au vu de la figure 1 et To étant la durée de l'exposition de la surface au grenaillage, cette durée étant donnée par une formule en page 7 ligne 7. Si le grenaillage était effectué en N passages, il aurait fallu écrire Vi = N x Ai / To afin que chaque partie de la surface grenaillée soit bien exposée pendant la durée To. Donc, N = 1 est la seule façon d'interpréter ce brevet.
Par ailleurs, il est dit notamment en page 7 lignes 24 à 34 qu'une vitesse supérieure conduit à un grenaillage insuffisant alors qu'une vitesse inférieure conduit à un "écrouissage excessif". Le paramètre vitesse Vi est ici important car il faut grenailler exactement toute la périphérie de la pièce en un seul tour ou en un très petit nombre de tours, afin de respecter la durée To pendant laquelle chaque partie de surface doit être exposée au grenaillage Avec la présente invention au contraire, ce paramètre vitesse est sans importance, à condition évidemment qu'il reste faible en comparaison de la vitesse des microbilles venant impacter la pièce
L'invention sera mieux comprise et les avantages qu'elle procure apparaîtront plus clairement au vu d'un exemple détaillé de réalisation et de la figure unique annexée illustrant le grenaillage de la surface d'appui de la bride d'un cône d'entraînement de turbomoteur pour aéronef
On se reportera à la figure unique La pièce 1 est un cône d'entraînement sur un turbomoteur pour aéronef La pièce 1 est constituée par une paroi mince et a une forme circulaire de révolution autour d'un axe géométrique 2 La pièce 1 comporte un fût 3 tronconique dont l'extrémité de plus grand diamètre est prolongée radialement par une bride 4, ladite bride 4 comportant elle-même une surface d'appui 5 a grenailler, ladite surface d'appui 5 étant annulaire, plane et radiale
On utilise une enceinte 10 a l'intérieur de laquelle est entretenu un brouillard de microbilles 11 , ladite enceinte étant délimitée latéralement par une paroi 12, ladite enceinte comportant une ouverture 13 dont les bords sont référencés 14 On utilise également un vibrateur 20 constitué par une sonotrode 21 mise en résonance par l'une de ses extrémités par un générateur 22 de vibrations qui est habituellement a quartz, l'autre extrémité de la sonotrode 21 comportant une surface 23 vibrante et sensiblement plane, ladite surface vibrante 23 étant placée au fond de l'enceinte 10 et étant en regard de l'ouverture 13 Le générateur de vibrations 22 met en résonance longitudinale la sonotrode 21 La surface vibrante 23 ainsi excitée transmet de l'énergie aux microbilles qui rebondissent sur la surface a grenailler 5 en regard de l'ouverture 13 et sur les parois de l'enceinte 12, lesdites microbilles perdant alors progressivement de l'énergie, lesdites microbilles arrivant également sur la surface vibrante 23 qui leur redonne une nouvelle énergie Ainsi, les microbilles se meuvent a l'intérieur de l'enceinte a des vitesses aléatoires en grandeur et en direction, ces microbilles formant ainsi un véritable "brouillard" de microbilles a l'intérieur de l'enceinte 10
Pour grenailler le surface 5
• on met une dose de microbilles dans l'enceinte
• on positionne la pièce 1 de façon a amener la surface a grenailler 5 devant l'ouverture 13 avec un jeu E par rapport aux bords 14 de l'ouverture 13, ledit jeu E étant inférieur au diamètre des microbilles, • on met la pièce 1 en rotation selon son axe géométrique 2
• on active le générateur de vibrations 23 pendant une durée préétablie T ladite vitesse de rotation étant calculée simplement pour que la pièce fasse au moins N = 5 tours pendant la durée T
• on arrête le générateur de vibration 23 au bout du temps T et on retire la pièce 1
Un avantage du procède est que le grenaillage est effectue sans contact entre la pièce 1 et l'enceinte 10, ce qui permet d'éviter toute dégradation de la surface de la pièce Malgré cela, les microbilles sont retenues à l'intérieur de l'enceinte 10 car le jeu E est inférieur au diamètre desdites microbilles.
Cette disposition a aussi l'avantage d'éviter l'utilisation de patins d'usure sur l'enceinte 10
La durée totale T pendant laquelle la pièce est exposée au grenaillage est donnée par la formule :
T = To x π x D / L dans laquelle To est la durée de l'exposition au grenaillage de chaque élément de la surface à grenailler 5, D est le diamètre moyen de ladite surface 5 et L est la largeur de l'enceinte 10 prise tangentiellement au déplacement de ladite surface 5 devant l'ouverture 13, c'est à dire perpendiculairement au plan de la figure unique.
Si la surface 5 à grenailler n'est pas plane, on donnera aux bords 14 de l'enceinte 10 une forme complémentaire à ladite surface, afin de maintenir le jeu E.

Claims

Revendications
1. Procédé de grenaillage par ultrasons de surfaces annulaires de grandes dimensions sur des pièces minces, ledit procédé consistant à faire passer la surface à grenailler (5) devant l'ouverture (13) d'une enceinte (10) de grenaillage par ultrasons, ladite enceinte (10) renfermant un "brouillard" de microbilles (11) entretenu par un vibrateur (20) à l'intérieur de l'enceinte (10), lesdites microbilles venant impacter la portion de la surface à grenailler (5) présentée devant l'ouverture (13), lesdits impacts provoquant le grenaillage, ladite enceinte (10) et ladite pièce (1) étant animée d'un mouvement relatif de rotation pour faire passer toute la surface à grenailler devant l'ouverture (13) pendant le grenaillage, caractérisé en ce que la surface à grenailler (5) effectue au moins N = cinq révolutions devant l'ouverture (13) pendant le grenaillage.
2. Procédé selon la revendication 1 , l'ouverture (13) comportant des bords (14), caractérisé en ce que la surface à grenailler (5) est positionnée devant l'ouverture (13) avec un jeu E, ledit jeu E étant inférieur au diamètre des microbilles utilisées.
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