Brevet FR2468424A1 — publié le 19810508

La présente invention concerne un appareil de forgeage et, en particulier, des assemblages de matrices dans lesquels une billette d'une matière première est amenée à une forme désirée par façonnage à des tempéra- tures élevées. Ces concepts ont été élaborés dans le domaine des turbines à gaz pour la fabrication de rotors à aubage intégral, mais ils trouvent de larges possibilités d'ap- plication dans n'importe quelle industrie dans laquelle on désire réaliser des pièces de configurations analogues et de dimensions précises. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3.519.503 de la Demanderesse, aux noms de Moore et al. et ayant pour titre "Fabrication Method for the High Temperature Alloys" (= procédé de fabrication d'alliages pour hautes températures), on décrit un procédé de for- geage connu à l'échelle internationale sous le nom de la marque déposée "GATORIZING' et mis au point par "Pratt & Whitney Aircraft', division de la "United Technologies Corporation", Hartford, Connecticut, E.U.A. Par le pro- cédé décrit dans ce brevet, des alliages d'une haute ré- sistance et difficiles à forger tels que ceux utilisés dans l'industrie des turbines à gaz peuvent être amenés de l'état d'une billette de matière première à une confi- guration presque définitive d'une géométrie relativement complexe. Bien que, au départ, on ait uniquement forgé des éléments en forme de disques, l'intérêt porté à la formation de disques de rotors à aubage intégral a sus- cité des perfectionnements complémentaires. Un assemblage initial de matrices, ainsi qu'un procédé en vue de former ces rotors à aubage intégral sont décrits et illustrés dans les brevets des Etats- Unis d'Amérique n0 4.051.708 et 4.074.559 demandés tous deux par la Demanderesse aux noms de Beane et al. et ay- ant pour titre "Forging Method" (= procédé de forgeage). Suivant ces concepts, on forge des éléments accessoires solidaires entre plusieurs matrices adjacentes disposées autour de la circonférence des matrices de formation de disques. D'autres progrès encore ont été apportés par les techniques conçues pour séparer les matrices de forma- tion d'éléments accessoires de la pièce forgée définitive. Deux de ces techniques sont décrites dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 4.041.161 au nom de Kelch et ayant pour titre "Apparatus and Method for Removing a Plurality of Blade Dies" (= appareil et procédé en vue d'enlever plusieurs matrices d'aubes", ainsi que dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique Ne 4.150.557 aux noms de Walker et al. ayant pour titre "Forging Apparatus Having Means for Radially Moving Blade Die Segments" (= appareil de forgeage comportant des éléments en vue de déplacer radialement des segments de matrices d'aubes). En dépit des progrès précités réalisés dans le domaine du forgeage, les hommes de science et les ingé- nieurs poursuivent leurs recherches en vue de découvrir de nouveaux concepts et de nouvelles techniques permettant d'améliorer les possibilités de fabrication d'éléments forgés, tout en améliorant la qualité de ces derniers. Suivant la présente invention, un assemblage de matrices destiné à former une structure comportant un dis- que central et de laquelle s'étendent plusieurs éléments accessoires espacés circonférentiellement comprend un groupe cylindrique de matrices prévues pour la formation de ces éléments accessoires et solidarisées rigidement pour les empêcher de basculer l'une par rapport à l'autre. Suivant une forme de réalisation de l'invention, cet assemblage de matrices comprend une matrice fixe et une matrice mobile, entourées toutes deux d'un groupe de matrices de formation d'éléments accessoires, cet assem- blage de matrices comportant également des éléments en vue de solidariser les segments de matrices avec la ma- trice fixe afin d'empêcher les matrices de formation des 246842.4 éléments accessoires de basculer l'une par rapport à V'autre. Suivant une autre forme de réalisation de l'in- vention, deux matrices en bout opposées sont entourées par le groupe de matrices destinées à la formation des éléments accessoires, tandis qu'une couronne est disposée librement en relation de solidarisation avec les matrices de formation des éléments accessoires afin d'empêcher ces dernières de basculer l'une par rapport à l'autre. Une caractéristique principale de l'invention réside dans un engagement de solidarisation tel que celui illustré entre la matrice fixe et les segments de matrices courbes entourant cette matrice fixe et cette matrice mobile. Dans une forme de réalisation, la matrice fixe est entourée d'un collier sur sa circonférence. Ce col- lier est de forme conique afin de pouvoir retirer radiale- ment les segments de matrices courbes des éléments acces- soires formés. Une surface conique prévue à la base du collier est en alignement avec l'axe des éléments acces- soires, ainsi qu'avec le sens dans lequel les segments de matrices sont retirés de ces éléments accessoires. Une autre caractéristique réside dans le canal formé dans la partie inférieure de chaque segment de matrice courbe. Chaque canal est réalisé en une géométrie qui est l'inverse de celle du collier, tandis que ses dimensions sont calcu- lées en relation étroite avec celles de ce collier de fa- çon à assurer une solidarisation stable entre chaque seg- ment de matrice et la matrice fixe. Un fil placé sur la circonférence extérieure des segments de matrices courbes maintient toutes les matrices en un assemblage solidarisé. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, les canaux formés dans les parties supérieures des segments de matrices courbes assurent une solidarisation avec la couronne disposée librement dans laquelle glisse la matrice mobile. Un avantage principal de la présente invention réside dans le fait que l'on peut former plus aisément des pièces comportant des éléments accessoires à toléran- ces étroites. La stabilité des matrices de formation de ces éléments accessoires dans l'assemblage de matrices est assurée. Cet assemblage stable est parfaitement ap- proprié pour des techniques automatiques de forgeage dans lesquelles un assemblage préformé et préchauffé ren- fermant la billette devant être forgée est introduit dans le four de forgeage. Les caractéristiques et avantages ci-dessus de la présente invention, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée en se référant aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une illustration schématique d'un appareil de forgeage automatique du type dans lequel on peut utiliser l'assemblage de matrices suivant la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe transversale de l'assemblage de matrices solidarisé suivant la présente invention; et la figure 3A (technique antérieure) et la figure 3B sont des illustrations comparatives montrant la façon dont les concepts de la présente invention permettent d'améliorer les tolérances de fabrication d'éléments ac- cessoires formés dans l'assemblage de matrices de la pré- sente invention. On sait que l'appareil de la présente invention est d'une grande utilité dans le domaine du forgeage et, en particulier, pour le forgeage de pièces ayant des géo- métries complexes selon les techniques décrites dans le brevet des EtatsUnis d'Amérique n0 3.519.503 aux noms de Moore et al. et ayant pour titre "Fabrication Method for the High Temperature Alloys" (= procédé de fabrication d'alliages pour hautes températures). Le procédé décrit dans ce brevet est parfaitement adapté pour une fabrica- tion automatique telle que celle illustrée dans la repré- sentation simplifiée de la figure 1 d'un appareil de for- geage automatique. Au cours du fonctionnement de l'appareil de for- geage automatique illustré, un assemblage de matrices 10 renfermant une billette d'une matière première à forger, est placé dans un four de préchauffage 12 dans lequel cet assemblage de matrices et cette billette sont portés à peu près à la température à laquelle le procédé de for- geage doit être effectué. Cette billette et cet assembla- ge ainsi chauffés sont ensuite envoyés, via une porte 14, dans une chambre de forgeage 16, pour venir se placer dans une bague d'écartement 18, tandis qu'un deuxième assembla- ge de matrices comportant une billette est chargé dans le four de préchauffage. La billette initialement préchauf- fée est amenée, dans l'assemblage de matrices, à une géo- métrie désirée dans le four de forgeage à une température et sous une pression élevées telles que celles décrites dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3.519.503 mentionné ci-dessus. La billette déformée et l'assemblage de matrices sont ensuite soulevés hors de la bague d'écar- tement et, via la porte 20, ils sont amenés dans un poste d'expansion de matrices 22 et de là, dans une chambre de refroidissement 24. Le second assemblage de matrices est amené dans la chambre de forgeage et l'on poursuit le procédé jusqu'à la formation du nombre désiré de pièces. Les assemblages de matrices de la présente invention peu- vent être transportés dans et hors des chambres respecti- ves sans provoquer des défauts d'alignement intolérables entre les matrices. *Un assemblage de matrices 10 réalisé conformé- ment aux concepts de la présente invention, est illustré en détail dans la coupe transversale partielle de la fi- gure 2 lorsqu'il est installé dans la bague d'écartement 18. Cet assemblage de matrices comporte deux matrices en bout montées sur un axe commun, à savoir la matrice fixe 26 et la matrice mobile 28. Plusieurs segments de matri- ces courbes 30 sont disposés l'un à côté de l'autre en un groupe cylindrique entourant la matrice fixe et la matrice mobile tout en formant, conjointement avec ces dernières, une cavité d'une géométrie inverse par rapport à celle de la pièce désirée, y compris, au besoin, les éléments ac- cessoires. La matrice mobile a une surface cylindrique extérieure 32 et une surface en bout 34. La surface en bout de la matrice mobile est réalisée à une géométrie inverse par rapport à celle d'une face de la pièce à for- mer. La matrice fixe comporte une surface extérieure cy- lindrique 36 et une surface en bout 38. La surface en bout de la matrice fixe est réalisée à une géométrie in- verse par rapport à celle de l'autre face de la pièce à former. Un collier circonférentiel 40 fait saillie vers l'extérieur de la surface cylindrique extérieure de la matrice fixe. Chacun des segments de matrices 30 comporte deux parois latérales circonférentielles 42 profilées de façon à former, conjointement avec les parois latérales des seg- ments adjacents, plusieurs cavités espacées circonféren- tiellement et ayant une géométrie qui est l'inverse de celle des éléments accessoires à former. Chaque segment comporte une surface intérieure courbe 44 en travers de laquelle s'étend un canal 46 as- surant une solidarisation avec le collier 40 de la matrice fixe pour empêcher chacun de ces segments de basculer par rapport à cette dernière. Ce collier 40 comporte au moins une surface latérale conique 48 permettant de reti- rer les segments de matrices du collier le bng d'une li- gne de traction désirée (L) partant des éléments acces- soires. Dans un assemblage de matrices plus détaillé com- portant d'autres concepts de l'invention et qui est égale- ment illustré en figure 2, la surface intérieure courbe 44 de chaque segment 30 comporte un deuxième canal 50 dans la zone de la matrice mobile 28. Chaque canal 50 assure une solidarisation avec une couronne 52 dont les dimen- sions sont calculées à des tolérances étroites vis-à-vis de ce canal de façon à augmenter la résistance au bascu- lement des segments. Tout comme c'est le cas pour le collier précité, cette couronne comporte une surface latérale conique 54 permettant de retirer les segments de cette couronne le long de la ligne de traction désirée (L). Les concepts constitués par ce collier et cette couronne peuvent être adoptés indépendamment ou en combinaison. En outre, chaque segment de matrice 30 comporte une surface extérieure courbe 56 en travers de laquelle s'étend une gorge de façon à former, conjointement avec les gorges des segments adjacents, un canal extérieur 58 s'étendant sur toute la circonférence du groupe cylindri- que de segments. Un fil métallique 60 s'étend à l'inté- rieur du canal extérieur 58 autour des segments de matri- ces afin de maintenir les différents éléments en un assem- blage solidarisé i matrices. L'avantage principal qu'offre la solidarisation des segments de matrices courbes avec un élément commun tel que la matrice fixe 26 ou la couronne 52, est illus- tré dans les figures 3A et 3B. Dans ces figures, on com- pare les matrices de la technique antérieure (figure 3A) avec les matrices de la présente invention (figure 3B). Dans ces figures, on représente des segments de matrices courbes 30 du type utilisé pour former des aubes de rotor à flux axial solidairement avec un disque de rotor. Les cavités 62 dans lesquelles la matière de la billette doit être forgée, sont définies par les parois latérales 42 des segments. Dans l'illustration de la figure 3A (technique antérieure), un léger basculement axial se produisant entre les segments donne lieu à d'importantes variations dans l'épaisseur T des surfaces portantes. En conséquences les surfaces portantes de l'aube de rotor finie peuvent présenter des caractéristiques aérodynamiques imprévisi- bles, ainsi qu'une intégrité structurale insuffisante. Dans la figure 3B qui illustre les concepts de la présente invention, les segments 30 sont solidarisés avec la matrice fixe par le collier 40 et la couronne 52. En conséquence, ces segments sont empêchés de basculer et les épaisseurs T des aubes restent homogènes. Bien que l'invention ait été illustrée et décrite en se référant à certaines de ses formes de réalisation détaillées, lthomme de métier comprendra que diverses mo- difications et omissions peuvent être envisagées tant dans la forme que dans les détails sans pour autant se départir de l'esprit et du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Assemblage de matrices en vue de former une structure en forme de disque central de laquelle s'éten- dent plusieurs éléments accessoires formés solidairement, cet assemblage de matrices comprenant: une matrice fixe d'une géométrie généralement cylindrique comportant une surface extérieure cylindrique et une surface supérieure d'une géométrie qui est l'inver- se de celle d'une face de la structure constituant le dis- que central; une matrice mobile à géométrie généralement cylin- drique comportant une surface extérieure cylindrique et une surface en bout d'une géométrie qui est l'inverse de celle de l'autre face de la structure formant le disque central, cette matrice mobile étant en alignement axial avec la matrice fixe dont elle est écartée; un groupe cylindrique de segments de matrices circonférentiellement adjacents, chaque segment comportant deux parois latérales circonférentielles pla- cées bout à bout par rapport aux parois latérales des seg- ments adjacents et profilées de façon à former, conjointe- ment avec ces dernières, plusieurs cavités espacées cir- conférentiellement et d'une géométrie qui est l'inverse de celle des éléments accessoires à former, ainsi qu' une surface intérieure courbe entrant en contact avec les surfaces extérieures de la matrice fixe et de la matrice mobile, de m9me que des éléments solidarisant ces segments de matrices du groupe cylindrique pour les empê- cher de basculer dans l'assemblage de matrices. 2. Assemblage de matrices suivant la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'un canal traverse la surface intérieure courbe de chaque segment de matrice, tandis que les, éléments destinés à solidariser les segments de matrices comportent un collier circonférentiel faisant saillie vers l'extérieur de la surface extérieure cylin- drique de la matrice fixe et venant se solidariser au canal de chaque segment de matrice pour empêcher ces seg- ments de basculer. 3. Assemblage de matrices suivant la revendica- tion 2, caractérisé en ce qu'un second canal s'étend en travers de la surface intérieure courbe de chaque segment de matrice, tandis que les éléments destinés à solidariser les segments de matrices comportent également une couronne venant se solidariser au second canal de chaque segment de matrice. 4. Assemblage de matrices suivant la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'un canal s'étend en travers de la surface intérieure courbe de chaque segment de ma- trice, tandis que les éléments destinés à solidariser les segments de matrices comportent -une couronne venant se solidariser au canal de chaque segment de matrice pour empêcher ces segments de basculer. 5. Assemblage de matrices suivant l'une quelcon- que des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque segment de matrice courbe comporte une surface extérieure courbe en travers de laquelle s'étend une gorge de façon à former un canal extérieur autour des segments de ma- trices, cet assemblage de matrices comportant également un fil métallique stétendant circonférentiellement autour du groupe de segments dans les gorges des surfaces exté- rieures afin de maintenir les différents éléments en un assemblage solidarisé de matrices.