WO2013093285A1 - Procede de fabrication d'un arbre de turbomachine - Google Patents

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WO2013093285A1
WO2013093285A1 PCT/FR2012/052848 FR2012052848W WO2013093285A1 WO 2013093285 A1 WO2013093285 A1 WO 2013093285A1 FR 2012052848 W FR2012052848 W FR 2012052848W WO 2013093285 A1 WO2013093285 A1 WO 2013093285A1
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insert
billet
blank
bore
forging
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PCT/FR2012/052848
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Inventor
Jonathan LEBLANC
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Snecma
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/06—Making machine elements axles or shafts
    • B21K1/063—Making machine elements axles or shafts hollow
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K3/00—Making engine or like machine parts not covered by sub-groups of B21K1/00; Making propellers or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05D2230/25—Manufacture essentially without removing material by forging
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49229—Prime mover or fluid pump making

Definitions

  • the invention relates to a method for manufacturing a turbomachine shaft, such as a low-pressure turbine shaft of a turbomachine.
  • a low pressure turbine shaft is formed in one piece and comprises a substantially cylindrical elongated portion which is connected at one end to a larger outer diameter journal, the shaft being hollow and having an axial cylindrical bore which extends over the entire axial length of the tree.
  • a BP shaft has a length greater than 1.2 meters, its elongated cylindrical portion having an outer diameter of less than about 20 cm and an internal diameter greater than about 2 cm.
  • a shaft of this type is made from a generally cylindrical metal billet by a process comprising essentially three steps: a hot forging step of the billet to form a blank having an axial dimension larger than that of the billet; a step of drilling or drilling the blank to perform an axial cylindrical bore in the blank; then a machining step of the blank.
  • turbomachines have turbine shafts growing longer and having an internal diameter of smaller and smaller.
  • the turbine shafts are made of increasingly resistant materials that are increasingly difficult to machine.
  • the aforementioned geometrical constraints elongation of the shafts and reduction of their internal diameter combined with the difficulties in machining the shaft materials make the manufacture of the turbine shafts, and in particular the drilling or drilling step mentioned, more and more difficult. to achieve.
  • the object of the invention is a simple, effective and economical solution to this problem of the prior art.
  • a method of manufacturing a turbomachine shaft from a generally cylindrical metal billet comprising a hot forging step of the billet for the formation of a forged blank of greater length than the billet, and a machining step of the blank, characterized in that it comprises: - before the forging step, a step of drilling or drilling the billet to form an axial cylindrical bore at least in through portion, and a step of engaging an insert in this bore, this insert having a substantially cylindrical shape complementary to that of the bore and being made of a material having a flow stress during forging close to that of the material of the billet so that the materials of the insert and the billet have substantially the same behavior during the forging,
  • the method according to the invention differs from the prior art in particular that the drilling or drilling occurs before the forging and not after, so that it is the billet which is pierced and not the forged blank.
  • the billet is shorter in length than the blank.
  • the drilling of the billet is therefore easier to achieve than that of the blank, because this drilling is performed on a shorter length and is achievable with known and reliable means.
  • the method according to the invention also differs from the prior art in that an insert is engaged in the bore of the billet, before it is forged.
  • This insert which has a shape complementary to that of the bore of the billet, is intended to deform at the same time as the billet during forging and has the function of forcing the internal surface of the billet to maintain a substantially cylindrical shape during the forging, so that the bore has after forging a shape and dimensions that could be directly obtained by drilling roughing if this drilling was easily achievable.
  • the method according to the invention thus proposes an alternative to drilling the forged blank to a given diameter D1, by drilling the billet to a diameter D2, inserting an insert of diameter D2 in this billet, and forging the billet so that the diameter of its bore is reduced during the forging and goes from the diameter D2 to the diameter D1.
  • the materials of the insert and the billet have similar behavior during the forging and in particular that they have flow constraints close to each other, for example order of 50 to 250 MPa at 1000 ° C, i.e. they have rheologies similar to the forging temperature.
  • the insert is made of NC19FeNb and the billet is made ofX25NiCoCr1313-6-4 or X1 NiCoMo18-8-5 steel.
  • the insert is releasably engaged in the bore of the billet and its material has a coefficient of thermal expansion different from that of the blank so that the insert can be removed from the blank by heating or cooling the blank and the insert and moving in axial translation the insert in the blank.
  • the cooling subsequent to the forging of the part generates withdrawals of the insert and the blank which, given the differences in the coefficients of expansion of their materials, may be sufficient to allow the insertion of the insert from the bore of the insert. 'draft.
  • the material of the insert has a hardness less than that of the material of the forged blank and the insert is removed by machining, for example during the aforementioned step of machining the blank.
  • the insert is removed by etching of its material.
  • the outer cylindrical surface of the insert is coated with a thin layer of a barrier and / or non-stick product, such as a lubricant, which withstands the forging temperatures of the billet.
  • a barrier product is intended to prevent any contamination of a material by another material at the interface between these materials and a nonstick product has the function of limiting or preventing the adhesion of a material to another material at the level of the material. of their interface.
  • the insert can be engaged in the bore of the billet at room temperature.
  • the insert may be retained axially in the bore of the billet at one or each of its axial ends, for example by welding points between the billet and the insert.
  • the present invention also relates to a forged blank or a billet for the manufacture of a turbomachine shaft, comprising a metal body of elongated cylindrical shape, characterized in that it comprises a through axial cylindrical bore in which is housed a shaped insert. complementary to the bore and whose material has, on the one hand, a flow stress close to that of the material of the billet and, on the other hand, a coefficient of thermal expansion different from that of the material of the blank or billet or hardness less than the material of the blank or billet.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a low pressure turbine shaft of a turbomachine
  • - Figure 2 is a schematic axial sectional view of a metal billet for the formation of a turbomachine shaft
  • - Figure 3 is a schematic axial sectional view of a forged blank for the formation of a turbomachine shaft;
  • FIG. 4 is a schematic axial sectional view of a forged blank and pierced for the formation of a turbomachine shaft
  • FIG. 5 is a schematic axial sectional view of a forged and pierced blank in which is shown a turbomachine shaft which will be obtained after machining of the blank;
  • FIG. 6 is a schematic perspective view of a billet pierced in the bore of which is engaged an insert, and represents a step of performing the method according to the invention.
  • FIG. 7 is a schematic perspective view of a forged blank made from the billet of FIG. 6.
  • FIG. 1 represents a low-pressure turbine shaft 10 of a turbomachine such as an airplane turbojet or turboprop engine, this shaft being made in one piece from a metal alloy such as a steel (for example X25NiCoCr1313- 6-4).
  • the shaft 10 is hollow and comprises an axial cylindrical bore which extends over the entire axial length of the shaft.
  • the shaft 10 comprises an elongated cylindrical portion 12 connected at one axial end to a trunnion 14 of larger external diameter and smaller axial dimension than the portion 12.
  • the shaft 10 has a length greater than 1.2 m, even 2m, its cylindrical portion 12 having an internal diameter greater than 20mm and an outer diameter less than 200mm, and its pin 14 having an outer diameter greater than 200mm.
  • the journal 14 of the shaft 10 comprises an outer annular flange 18 for attachment to a rotor element of the turbine and the cylindrical portion 12 of the shaft 10 comprises, in the vicinity of its end opposite the journal 14, external splines 16 for driving a rotor element of the turbomachine.
  • a turbine shaft of this type is made by a manufacturing process comprising three steps which are schematically represented in Figures 2 to 5.
  • the shaft 10 is made from a metal billet 20 shown in Figure 2, the billet having a generally cylindrical shape of diameter d1 and height or length h1.
  • This billet 20 is intended to be subjected to hot forging to form a forged blank 22 of the type shown in FIG.
  • the blank 20 comprises a cylindrical drum 24 of height h2 and external diameter d2, which is connected at an axial end to a journal 26 of height h3 and external diameter d3, h3 being less than h2 and d3 being greater than d3. h2 + h3 is greater than h1. It is understood that the aforementioned cylindrical portion 12 of the shaft 10 of Figure 1 is intended to be formed in the barrel 24 of the blank 22 and its pin 14 is intended to be formed in the trunnion 26 of the blank.
  • the blank 22 is then subjected to a drilling or drilling step of forming an axial cylindrical bore in the blank, a forged and drilled blank being schematically shown in FIG.
  • the bore 28 passes axially through the blank 22 and is thus produced over the entire length or axial dimension of the blank.
  • the bore 28 is thus produced over a distance h 2 + h 3, which may exceed 1.2 m.
  • the bore 28 is made to a diameter d4.
  • a final manufacturing step involves machining the forged and pierced blank 22 to form the shaft 10 ( Figure 5).
  • the present invention provides a novel method of manufacturing a turbine shaft of a turbomachine, wherein the drilling step is clearly facilitated.
  • the drilling step of the forged blank of the prior art is replaced by a drilling step of the billet. Since the billet has a shorter axial length or dimension than that of the blank, the drilling is performed over a shorter distance and is feasible with simpler and less expensive known means. In the example cited above, the drilling would be performed over a distance h1 (determined to be at most equal to h2 + h3 after forging) instead of a distance h2 + h3 (which is greater than h1, and from order of 1, 2m approximately).
  • the drilling means of the billet comprise for example tools and conventional machining machines (drill, lathe, etc.).
  • the drilling of the billet is carried out at a diameter d5 which is greater than the diameter d4 of the bore pierced in the prior art blank (FIG. 4), for the reasons which will be explained in what follows.
  • FIG. 6 shows a billet 120 according to the invention, this billet having a generally cylindrical shape similar to that of the prior art, and having an external diameter d1 and a height h1.
  • This billet 120 is made of a metal alloy such as steel (for example a steel X25NiCoCr1313-6-4).
  • the billet 120 comprises an axial cylindrical bore 128 of diameter d5, which is obtained by drilling or drilling, as explained above.
  • an insert 130 is engaged in the bore 128 of the billet and is intended to remain in this bore during the forging step and then to be removed from the bore.
  • This insert 130 has a cylindrical shape complementary to that of the bore 128 of the billet 120 and is engaged in the bore by axial translation, for example at room temperature.
  • the insert is intended to occupy the entire internal volume defined by the bore 128 of the billet.
  • the outer cylindrical surface of the insert 130 is advantageously covered with a barrier and / or non-stick product, such as a lubricant (for example the lubricant marketed by Acheson under the trademark FB651.
  • the insert 130 is intended to deform during the forging step, at the same time as the billet 120.
  • the material of the insert 130 has a flow stress close to that of the billet material so that these materials have similar forging behaviors, that is, they deform in the same way as if the insert and the billet were one piece.
  • the insert 130 is intended to maintain its generally cylindrical shape during the forging so as to force the bore 128 of the billet to maintain its cylindrical shape, and to facilitate removal of the insert after forging.
  • the forging of the billet makes it possible to form a forged blank 122 schematically represented in FIG. 7, this blank 122 comprising a bore 128 in which the insert 130 is always engaged, this bore having a diameter d4 'which is smaller than the diameter d5 and substantially equal to the diameter d4 of the bore obtained by drilling in the prior art (FIG. 4).
  • the drilling of the billet is therefore made to a diameter greater than the internal diameter of the forged blank because the forging produces a decrease in the diameter of the bore due to its elongation.
  • the forged blank 122 diagrammatically shown in FIG. 7 may comprise two parts as shown in FIG. 3, a portion called a barrel of diameter d2 and height h2 and a portion called a trunnion of height h3 (less than h2) and of diameter d3 (greater than to d2).
  • the forging of the billet 120 is for example carried out at a pressure of about 500 to 4000 tonnes and at a temperature of about 1000 ° C., by means of a conventional forging system.
  • axial retention means of the insert in the bore of the billet may be provided. It is for example possible to retain the insert in the bore by means of weld points that would be made at one or at each axial end of the insert, between the outer periphery of this end and the inner periphery. corresponding to the billet.
  • the insert 130 is then intended to be removed from the bore 128 of the blank 122.
  • the removal of the insert can be achieved in at least three different ways depending on the properties and characteristics of the material of the insert 130.
  • the insert can be removed from the billet simply by axial translation by heating or cooling the billet and the insert beforehand.
  • the billet and the insert may for example be heated to a temperature of 200 to 800 ° C, the billet whose material would have a coefficient of thermal expansion greater than that of the insert would expand further especially in the radial direction, which allow the removal of the insert. This removal may be forced by a suitable tool for exerting force on the insert along the longitudinal axis of the billet.
  • the material of the insert 130 has a hardness lower than that of the material of the billet 120, it is conceivable to remove the insert by machining. Even if the machining is performed over a large axial distance, it can be used for this conventional means because the material to be machined is less hard than that of the billet.
  • the insert in the case where the material of the insert 130 can be chemically degraded, the insert can be removed by etching. This operation may require blank protection.
  • a chemical such as hydrochloric acid.

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Abstract

Procédé de fabrication d'un arbre de turbomachine à partir d'une billette métallique (120) de forme générale cylindrique, comprenant une étape de perçage de la billette pour y former un alésage cylindrique axial (128) traversant, une étape d'engagement d'un insert cylindrique (130) dans cet alésage, cet insert étant réalisé dans un matériau ayant une contrainte d'écoulement proche de celle du matériau de la billette de sorte que les matériaux de l'insert et de la billette aient sensiblement le même comportement au forgeage, une étape de forgeage à chaud de la billette pour la formation d'une ébauche forgée de plus grande longueur que la billette, une étape de retrait de l'insert, et une étape d'usinage de l'ébauche.

Description

Procédé de fabrication d'un arbre de turbomachine
L'invention concerne un procédé de fabrication d'un arbre de turbomachine, tel qu'un arbre de turbine basse pression d'une turbomachine.
Un arbre de turbine basse pression (BP) est formé d'une seule pièce et comprend une partie allongée sensiblement cylindrique qui est reliée à une extrémité à un tourillon de plus grand diamètre externe, l'arbre étant creux et comportant un alésage cylindrique axial qui s'étend sur toute la longueur axiale de l'arbre. Typiquement, un arbre BP a une longueur supérieure à 1 ,2 mètre, sa partie cylindrique allongée ayant un diamètre externe inférieur à 20 cm environ et un diamètre interne supérieur à 2 cm environ.
Dans la technique actuelle, un arbre de ce type est réalisé à partir d'une billette métallique de forme générale cylindrique par un procédé comprenant essentiellement trois étapes : une étape de forgeage à chaud de la billette pour former une ébauche ayant une dimension axiale supérieure à celle de la billette ; une étape de forage ou de perçage de l'ébauche pour réaliser un alésage cylindrique axial dans l'ébauche; puis une étape d'usinage de l'ébauche.
Les nouvelles générations de turbomachines ont des arbres de turbine de plus en plus long et ayant un diamètre interne de plus en plus petit. De plus, les arbres de turbine sont réalisés dans des matériaux de plus en plus résistants qui sont de plus en plus difficiles à usiner. Les contraintes géométriques précitées (allongement des arbres et réduction de leur diamètre interne) combinées aux difficultés d'usinage des matériaux des arbres rendent la fabrication des arbres de turbine, et en particulier l'étape de forage ou perçage précitée, de plus en plus difficile à réaliser.
On a déjà proposé de nouvelles technologies pour réaliser le forage d'une ébauche forgée sur une grande longueur. Une nouvelle machine d'usinage comprenant un bras longitudinal portant à une extrémité un outil d'usinage a été mise au point. Cependant, cette solution n'est pas entièrement satisfaisante car les risques de désalignement du bras par rapport à l'axe longitudinal de l'ébauche et de déviation du forage sont importants.
L'invention a pour objet une solution simple, efficace et économique à ce problème de la technique antérieure.
Elle propose à cet effet un procédé de fabrication d'un arbre de turbomachine à partir d'une billette métallique de forme générale cylindrique, comprenant une étape de forgeage à chaud de la billette pour la formation d'une ébauche forgée de plus grande longueur que la billette, et une étape d'usinage de l'ébauche, caractérisé en ce qu'il comprend : - avant l'étape de forgeage, une étape de forage ou de perçage de la billette pour y former un alésage cylindrique axial au moins en partie traversant, et une étape d'engagement d'un insert dans cet alésage, cet insert ayant une forme sensiblement cylindrique complémentaire de celle de l'alésage et étant réalisé dans un matériau ayant une contrainte d'écoulement lors d'un forgeage proche de celle du matériau de la billette de sorte que les matériaux de l'insert et de la billette aient sensiblement le même comportement lors du forgeage,
- et, après l'étape de forgeage, une étape de retrait de l'insert.
Le procédé selon l'invention diffère de la technique antérieure notamment en ce que le forage ou perçage intervient avant le forgeage et non pas après, si bien que c'est la billette qui est percée et non pas l'ébauche forgée. La billette a une longueur inférieure à celle de l'ébauche. Le perçage de la billette est donc plus facile à réaliser que celui de l'ébauche, car ce perçage est effectué sur une longueur moins importante et est réalisable avec des moyens connus et fiables.
Le procédé selon l'invention diffère également de la technique antérieure en ce qu'un insert est engagé dans l'alésage de la billette, avant son forgeage. Cet insert, qui a une forme complémentaire de celle de l'alésage de la billette, est destiné à se déformer en même temps que la billette lors du forgeage et a pour fonction de forcer la surface interne de la billette à conserver une forme sensiblement cylindrique lors du forgeage, de façon à ce que l'alésage ait après forgeage une forme et des dimensions qui pourraient être directement obtenues par perçage de l'ébauche si ce perçage était facilement réalisable. Le procédé selon l'invention propose donc une alternative au perçage de l'ébauche forgée à un diamètre D1 donné, par perçage de la billette à un diamètre D2, insertion d'un insert de diamètre D2 dans cette billette, et forgeage de la billette de façon à ce que le diamètre de son alésage se réduise lors du forgeage et passe du diamètre D2 au diamètre D1 .
Pour autoriser ce phénomène, il faut que les matériaux de l'insert et de la billette aient des comportements similaires lors du forgeage et en particulier qu'ils aient des contraintes d'écoulement proches l'une de l'autre, par exemple de l'ordre de 50 à 250 MPa à 1000°C, c'est-à-dire qu'ils aient des rhéologies similaires à la température de forgeage.
Dans un exemple particulier de réalisation de l'invention, l'insert est réalisé en NC19FeNb et la billette est réalisée en acierX25NiCoCr1313-6-4 ou X1 NiCoMo18-8-5.
Dans un premier mode de réalisation de l'invention, l'insert est engagé de manière amovible dans l'alésage de la billette et son matériau a un coefficient de dilatation thermique différent de celui de l'ébauche de sorte que l'insert puisse être retiré de l'ébauche en chauffant ou refroidissant l'ébauche et l'insert puis en déplaçant en translation axiale l'insert dans l'ébauche. Le refroidissement consécutif au forgeage de la pièce engendre des retraits de l'insert et de l'ébauche qui, compte tenu des différences des coefficients de dilatation de leurs matériaux, peuvent suffire à autoriser le retrait de l'insert de l'alésage de l'ébauche.
En variante, le matériau de l'insert a une dureté inférieure à celle du matériau de l'ébauche forgée et l'insert est retiré par usinage, par exemple lors de l'étape précitée d'usinage de l'ébauche. Dans encore une autre variante, l'insert est retiré par attaque chimique de son matériau.
Avantageusement, la surface cylindrique externe de l'insert est revêtue d'une couche mince d'un produit barrière et/ou antiadhésif, tel qu'un lubrifiant, qui résiste aux températures de forgeage de la billette. Un produit barrière est destiné à empêcher toute contamination d'un matériau par un autre matériau à l'interface entre ces matériaux et un produit antiadhésif a pour fonction de limiter ou d'empêcher l'adhésion d'un matériau sur un autre matériau au niveau de leur interface.
L'insert peut être engagé dans l'alésage de la billette à température ambiante.
L'insert peut être retenu axialement dans l'alésage de la billette à l'une ou à chacune de ses extrémités axiales, par exemple par des points de soudure entre la billette et l'insert.
La présente invention concerne également une ébauche forgée ou une billette pour la fabrication d'un arbre de turbomachine, comprenant un corps métallique de forme cylindrique allongée, caractérisée en ce qu'elle comprend un alésage cylindrique axial traversant dans lequel est logé un insert de forme complémentaire de l'alésage et dont le matériau a, d'une part, une contrainte d'écoulement proche de celle du matériau de la billette et, d'autre part, un coefficient de dilatation thermique différent de celui du matériau de l'ébauche ou de la billette ou une dureté inférieure à celle du matériau de l'ébauche ou de la billette.
L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un arbre de turbine basse pression d'une turbomachine ;
- la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale d'une billette métallique pour la formation d'un arbre de turbomachine ; - la figure 3 est une vue schématique en coupe axiale d'une ébauche forgée pour la formation d'un arbre de turbomachine ;
- la figure 4 est une vue schématique en coupe axiale d'une ébauche forgée et percée pour la formation d'un arbre de turbomachine ;
- la figure 5 est une vue schématique en coupe axiale d'une ébauche forgée et percée dans laquelle est représenté un arbre de turbomachine qui sera obtenu après usinage de l'ébauche ;
- la figure 6 est une vue schématique en perspective d'une billette percée dans l'alésage de laquelle est engagé un insert, et représente une étape de réalisation du procédé selon l'invention ; et
- la figure 7 est une vue schématique en perspective d'une ébauche forgée réalisée à partir de la billette de la figure 6.
La figure 1 représente un arbre 10 de turbine basse pression d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, cet arbre étant réalisé d'une seule pièce dans un alliage métallique tel qu'un acier (par exemple X25NiCoCr1313-6-4). L'arbre 10 est creux et comprend un alésage cylindrique axial qui s'étend sur toute la longueur axiale de l'arbre.
L'arbre 10 comprend une partie cylindrique allongée 12 reliée à une extrémité axiale à un tourillon 14 de plus grand diamètre externe et de plus petite dimension axiale que la partie 12. Typiquement, l'arbre 10 a une longueur supérieure à 1 ,2m voire 2m, sa partie cylindrique 12 ayant un diamètre interne supérieur à 20mm et un diamètre externe inférieur à 200mm, et son tourillon 14 ayant un diamètre externe supérieur à 200mm. De façon connue, le tourillon 14 de l'arbre 10 comprend une bride annulaire externe 18 de fixation à un élément du rotor de la turbine et la partie cylindrique 12 de l'arbre 10 comprend, au voisinage de son extrémité opposée au tourillon 14, des cannelures externes 16 d'entraînement d'un élément du rotor de la turbomachine.
Dans la technique antérieure, un arbre 10 de turbine de ce type est réalisé par un procédé de fabrication comprenant trois étapes qui sont schématiquement représentées aux figures 2 à 5.
L'arbre 10 est réalisé à partir d'une billette métallique 20 représentée en figure 2, cette billette ayant une forme générale cylindrique de diamètre d1 et de hauteur ou longueur h1 . Cette billette 20 est destinée à être soumise à un forgeage à chaud pour former une ébauche forgée 22 du type de celle représentée en figure 3.
L'ébauche 20 comprend un fût cylindrique 24 de hauteur h2 et de diamètre externe d2, qui est reliée à une extrémité axiale à un tourillon 26 de hauteur h3 et de diamètre externe d3, h3 étant inférieur à h2 et d3 étant supérieur à d3. h2+h3 est supérieur à h1 . On comprend que la partie cylindrique 12 précitée de l'arbre 10 de la figure 1 est destinée à être formée dans le fût 24 de l'ébauche 22 et son tourillon 14 est destiné à être formé dans le tourillon 26 de l'ébauche.
L'ébauche 22 est ensuite soumise à une étape de forage ou perçage consistant à former un alésage cylindrique axial dans l'ébauche, une ébauche forgée et percée étant schématiquement représentée en figure 4.
Le perçage 28 traverse axialement l'ébauche 22 et est donc réalisé sur toute la longueur ou dimension axiale de l'ébauche. Le perçage 28 est ainsi réalisé sur une distance h2+h3, qui peut dépasser 1 ,2m. Le perçage 28 est réalisé à un diamètre d4.
Dans la technique actuelle, la réalisation de ce perçage est difficile et complexe à mettre en œuvre. Elle exige des moyens de perçage coûteux et augmente le risque de mauvais perçage dû à un désalignement entre les moyens de perçage et l'axe longitudinal de l'ébauche, et donc de mise au rebut de l'ébauche.
Une dernière étape de fabrication consiste à usiner l'ébauche forgée et percée 22 pour former l'arbre 10 (figure 5).
La présente invention propose un nouveau procédé de fabrication d'un arbre de turbine d'une turbomachine, dans lequel l'étape de perçage est nettement facilitée.
L'étape de perçage de l'ébauche forgée de la technique antérieure est remplacée par une étape de perçage de la billette. Comme la billette a une longueur ou dimension axiale plus faible que celle de l'ébauche, le perçage est effectué sur une distance plus courte et est réalisable avec des moyens connus plus simples et moins coûteux. Dans l'exemple cité plus haut, le perçage serait réalisé sur une distance h1 (déterminée pour être au plus égale à h2+h3 après forgeage) au lieu d'une distance h2+h3 (qui est supérieure à h1 , et de l'ordre de 1 ,2m environ).
Les moyens de perçage de la billette comprennent par exemple des outils et des machines conventionnels d'usinage (foreuse, tour, etc.).
Le perçage de la billette est réalisé à un diamètre d5 qui est supérieur au diamètre d4 de l'alésage percée dans l'ébauche de la technique antérieure (figure 4), pour les raisons qui seront expliquées dans ce qui suit.
La figure 6 représente une billette 120 selon l'invention, cette billette ayant une forme générale cylindrique similaire à celle de la technique antérieure, et ayant un diamètre externe d1 et une hauteur h1 . Cette billette 120 est réalisée dans un alliage métallique tel qu'un acier (par exemple un acier X25NiCoCr1313-6-4).
La billette 120 comprend un alésage cylindrique axial 128 de diamètre d5, qui est obtenu par perçage ou forage, comme expliqué dans ce qui précède.
Avant l'étape de forgeage de la billette 120, un insert 130 est engagé dans l'alésage 128 de la billette et est destiné à demeurer dans cet alésage pendant l'étape de forgeage puis à être retiré de l'alésage.
Cet insert 130 a une forme cylindrique complémentaire de celle de l'alésage 128 de la billette 120 et est engagé dans l'alésage par translation axiale, par exemple à température ambiante. L'insert est destiné à occuper l'intégralité du volume interne défini par l'alésage 128 de la billette. La surface cylindrique externe de l'insert 130 est avantageusement recouverte d'un produit barrière et/ou antiadhésif, tel qu'un lubrifiant (par exemple le lubrifiant commercialisé par la société Acheson sous la marque FB651 . L'insert 130 est destiné à se déformer pendant l'étape de forgeage, en même temps que la billette 120. Le matériau de l'insert 130 présente une contrainte d'écoulement proche de celle du matériau de la billette de façon à ce que ces matériaux aient des comportements similaires au forgeage, c'est-à-dire qu'ils se déforment de la même manière comme si l'insert et la billette ne formaient qu'une seule pièce.
L'insert 130 est destiné à conserver sa forme générale cylindrique pendant le forgeage de façon à forcer l'alésage 128 de la billette à conserver sa forme cylindrique, et à faciliter le retrait de l'insert après le forgeage.
Le forgeage de la billette permet de former une ébauche forgée 122 schématiquement représentée en figure 7, cette ébauche 122 comportant un alésage 128 dans lequel est toujours engagé l'insert 130, cet alésage ayant un diamètre d4' qui est inférieur au diamètre d5 et sensiblement égal au diamètre d4 de l'alésage obtenu par perçage dans la technique antérieure (figure 4). Le perçage de la billette est donc réalisé à un diamètre supérieur au diamètre interne de l'ébauche forgée car le forgeage produit une diminution du diamètre de l'alésage du fait de son allongement.
L'ébauche forgée 122 schématiquement représentée en figure 7 peut comprendre deux parties comme représenté en figure 3, une partie appelée fût de diamètre d2 et de hauteur h2 et une partie appelée tourillon de hauteur h3 (inférieure à h2) et de diamètre d3 (supérieur à d2).
Le forgeage de la billette 120 est par exemple réalisé à une pression de 500 à 4000tonnes environ et à une température de 1000°C environ, au moyen d'un système de forge classique.
Pour éviter tout mouvement axial de l'insert 130 vis-à-vis de la billette 120 lors du forgeage, des moyens de retenue axiale de l'insert dans l'alésage de la billette peuvent être prévus. Il est par exemple possible de retenir l'insert dans l'alésage au moyen de points de soudure qui seraient réalisés à l'une ou à chacune des extrémités axiales de l'insert, entre la périphérie externe de cette extrémité et la périphérie interne correspondante de la billette.
L'insert 130 est ensuite destiné à être retiré de l'alésage 128 de l'ébauche 122. Le retrait de l'insert peut être réalisé d'au moins trois manières différentes selon les propriétés et caractéristiques du matériau de l'insert 130.
Dans le cas où le matériau de l'insert 130 a un coefficient de dilatation thermique différent de celui de la billette 120, l'insert peut être retiré de la billette simplement par translation axiale en chauffant ou en refroidissant préalablement la billette et l'insert. La billette et l'insert peuvent par exemple être chauffés à une température de 200 à 800°C, la billette dont le matériau aurait un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui de l'insert se dilaterait davantage en particulier en direction radiale, ce qui autoriserait le retrait de l'insert. Ce retrait peut être forcé par un outil approprié destiné à exercer une force sur l'insert le long de l'axe longitudinal de la billette.
Dans le cas où le matériau de l'insert 130 a une dureté inférieure à celle du matériau de la billette 120, il est envisageable de retirer l'insert par usinage. Même si l'usinage est réalisé sur une distance axiale importante, on peut utiliser pour cela des moyens classiques car le matériau à usiner est moins dur que celui de la billette.
En variante, dans le cas où le matériau de l'insert 130 peut être dégradé par voie chimique, l'insert peut être retiré par attaque chimique. Cette opération peut nécessiter la protection de l'ébauche. Il est par exemple possible d'utiliser un produit chimique comme de l'acide chlorhydrique.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de fabrication d'un arbre de turbomachine à partir d'une billette métallique (120) de forme générale cylindrique, comprenant une étape de forgeage à chaud de la billette pour la formation d'une ébauche (122) de plus grande longueur que la billette, et une étape d'usinage de l'ébauche, caractérisé en ce qu'il comprend :
- avant l'étape de forgeage, une étape de forage ou de perçage de la billette pour y former un alésage cylindrique axial (128) au moins en partie traversant, et une étape d'engagement d'un insert (130) dans cet alésage, cet insert ayant une forme sensiblement cylindrique complémentaire de celle de l'alésage et étant réalisé dans un matériau ayant une contrainte d'écoulement lors d'un forgeage proche de celle du matériau de la billette de sorte que les matériaux de l'insert et de la billette aient sensiblement le même comportement lors du forgeage,
- et, après l'étape de forgeage, une étape de retrait de l'insert.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'insert (130) est engagé de manière amovible dans l'alésage (128) de la billette (120) et son matériau a un coefficient de dilatation thermique différent de celui de l'ébauche de sorte que l'insert est retiré de l'ébauche (122) en chauffant ou refroidissant l'ébauche et l'insert puis en déplaçant en translation axiale l'insert par rapport à l'ébauche.
3. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le matériau de l'insert (130) a une dureté inférieure à celle du matériau de l'ébauche (122) et en ce que l'insert est retiré par usinage.
4. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'insert (130) est retiré par attaque chimique de son matériau.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface cylindrique externe de l'insert (130) est revêtue d'une couche mince d'un produit barrière et/ou antiadhésif, tel qu'un lubrifiant, qui résiste aux températures de forgeage de la billette (120).
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'insert (130) est engagé dans l'alésage (128) de la billette (120) à température ambiante.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'insert (130) est retenu axialement dans l'alésage (128) de la billette (120) à l'une ou à chacune de ses extrémités axiales, par exemple par des points de soudure entre la billette et l'insert.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'insert (130) est réalisé en NC19FeNb et la billette (120) est réalisée en acier X25NiCoCr1313-6-4 ou X1 NiCoMo18-8-5.
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