Brevet FR2749784A1 — publié le 19971219

DESCRIPTION La présente invention concerne une presse-four à multiple effet utilisée dans un procédé de fabrication d'une aube 5 creuse de turbomachine. Les avantages découlant de l'utilisation d'aubes à grande corde pour les turbomachines sont apparus notamment dans le cas des aubes de rotor de soufflante des turboréacteurs à10 double flux. Ces aubes doivent répondre à des conditions sévères d'utilisation et posséder notamment des caractéristiques mécaniques suffisantes associées à des propriétés antivibratoires et de résistance aux impacts de corps étranger. L'objectif de vitesses suffisantes en bout15 d'aube a en outre amené à rechercher une réduction des masses. Ce but est notamment atteint par l'utilisation d'aubes creuses. EP-A-0 700 738 décrit un procédé de fabrication d'une aube creuse de turbomachine, notamment une aube de rotor de soufflante à grande corde. Il est connu dans ce cas selon une première étape (a) de réaliser sur un système de Conception et Fabrication Assistées par Ordinateur / CFAO une simulation numérique, à partir de la définition géométrique d'une aube à obtenir, consistant à calculer pour les pièces constitutives25 de l'aube, de part et d'autre de la fibre centrale, les longueurs des fibres en fonction de leur position par rapport à l'axe 20 de la pièce 19, comme représentée sur la figure 1, les pièces étant mises à plat. On réalise également à ce stade une simulation numérique d'une opération de mise en30 forme de pièces par vrillage à comparer au résultat final. Le procédé de fabrication connu selon EP-A-0 700 738 prévoit le découlé opératoire général selon les étapes suivantes: (b) forgeage sur presse des pièces primaires constituant l'aube par matriçage; (c) usinage des pièces primaires; (d) dépôt de barrières de diffusion suivant un motif prédéfini; 2 2749784 (e) assemblage des pièces primaires suivi du soudage- diffusion en pression isostatique; (f) gonflage sous pression de gaz et formage superplastique; (g) usinage final. Un des buts de l'invention est de permettre de réaliser au cours du découlé opératoire ci-dessus une opération supplémentaire de mise en forme des pièces par vrillage sans risque de provoquer des ondulations de type flambage suivant10 la fibre centrale. Ces ondulations sont générées par des contraintes de compression induites lors de l'allongement des fibres latérales par suite des différences de longueur entre la pièce à plat de départ et la pièce vrillée. Le procédé de fabrication d'une aube creuse de turbomachine15 comportant une opération conforme à l'invention de mise en forme de pièce en utilisant une presse-four à multiple effet conforme à l'invention permet d'éviter les inconvénients des procédés connus antérieurs et d'obtenir des aubes présentant des caractéristiques géométriques et mécaniques améliorées et20 optimisées dans les conditions d'utilisation, en garantissant une qualité répétitive tout en facilitant les conditions de fabrication au moindre coût. Le procédé de fabrication d'une aube creuse de turbomachine conforme à l'invention comporte une opération de formage à25 chaud d'un élément destiné à la fabrication de l'aube par mise en forme isotherme dudit élément en alliage de titane du type TA6V sous presse, à une température comprise entre 700 et 940 C, sous l'action d'au moins deux poinçons et d'un serre-flanc s'exerçant sur l'élément placé sur une empreinte30 de formage, en assurant une vitesse de déformation contrôlée de manière à obtenir une mise à longueur des fibres de l'élément c'est à dire les allongements des différentes fibres de l'élément avec une répartition contrôlée de ces fibres de part et d'autre de la fibre neutre.35 Il est connu d'utiliser pour réaliser des opérations de formage à chaud des moyens particuliers comportant une enceinte de chauffage associée à un moyen de chauffage, une 3 2749784 structure de base de presse associée à un ensemble de puissance à vérins multiples et un outillage de formage. Ces moyens connus se révèlent toutefois insuffisamment adaptés pour la réalisation de l'opération de formage à chaud 5 nécessitée par le procédé de fabrication d'une aube creuse de turbomachine conforme à l'invention. Une presse-four à multiple effet de formage à chaud d'un élément destiné à la fabrication d'une aube creuse de turbomachine suivant ledit procédé est caractérisée en ce que la structure de base de10 presse composée d'une plaque métallique inférieure et d'une plaque métallique supérieure reliées par des colonnes intégrant des tirants précontraints enveloppe ladite enceinte de chauffage, que l'outillage de formage est composé d'une semelle inférieure intégrant une empreinte de formage limitée15 à chaque extrémité respectivement par une encoche, d'un serre-flanc supérieur maintenant la pièce en cours de déformation et d'au moins deux poinçons supérieurs, serre- flanc et poinçons étant déplaçables au moyen desdits vérins. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront20 mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 qui a été précédemment décrite représente schématiquement les résultats d'une simulation numérique d'une opération de mise à longueur des fibres à effectuer sur les pièces constitutives de l'aube creuse assemblée obtenue par le procédé conforme à l'invention; - la figure 2 représente une vue en perspective de l'ensemble soudé de l'aube creuse après vrillage; - la figure 3 représente selon une vue schématique en coupe l'ensemble de presse-four à multiple effet conforme à l'invention utilisée dans le procédé de fabrication d'une aube creuse de turbomachine; - la figure 4 représente selon une vue schématique en coupe transversale l'ensemble de presse-four à multiple effet représenté sur la figure 3; - la figure 5 représente un détail de la liaison entre l'ensemble de puissance et une barre de transmission de l'ensemble de presse-four représenté sur les figures 3 et 4; 4 2749784 - la figure 6 représente un détail analogue à celui de la figure 5 de la liaison entre une barre de transmission et le serre-flanc ou un poinçon de l'ensemble de presse-four représenté sur les figures 3 et 4; 5 - la figure 7 représente selon une vue schématique en perspective le serre-flanc de l'ensemble de presse-four représenté sur les figures 3 et 4; - la figure 8 représente une vue schématique de la mise en place des pions de centrage de l'outillage par rapport à l'ensemble de presse-four; - la figure 9 représente selon une vue schématique en perspective l'outillage de formage disposé à l'intérieur de l'ensemble de presse-four représenté sur les figures 3 et 4; - la figure 10 représente selon une vue schématique en perspective d'un outillage de formage utilisé pour une opération de vrillage après mise à longueur des fibres; - la figure 11 représente une vue schématique d'un exemple de dispositif de chargement.et déchargement permettant la desserte de l'ensemble de four-presse représenté sur les20 figures 3 et 4. On appellera élément destiné à la fabrication d'une aube creuse de soufflante de turbomachine telle que 9, représentée sur la figure 2 à un stade intermédiaire de fabrication, dans l'application préférentielle qui est faite de l'invention,25 soit une peau primaire forgée destinée à constituer la surface d'intrados ou d'extrados de l'aube, soit une tôle centrale destinée à former les raidisseurs reliant les peaux d'intrados et d'extrados de l'aube, soit un ensemble soudé comportant les peaux externes et au moins une tôle centrale30 de l'aube, soit un ensemble non soudé et pré-assemblé comportant les peaux externes et au moins une tôle centrale de l'aube, soit un ensemble soudé comportant,une peau d'intrados et une peau d'extrados. Dans la description qui va suivre, l'exemple non limitatif retenu concerne un ensemble35 soudé 9 dans une étape de fabrication d'une aube creuse de soufflante à grande corde pour turbomachine, cet exemple correspondant à des conditions économiques avantageuses d'application de l'invention. 2749784 Une opération préalable de simulation numérique est effectuée sur un système de Conception et Fabrication Assistées par Ordinateur / CFAO, comme il est connu en soi et notamment par EO-A-0 700 738 précédemment cité. Cette simulation vise à 5 conserver de part et d'autre de la fibre neutre les longueurs des fibres en fonction de leur position par rapport à l'axe de la pièce 19, comme représenté sur la figure 1. La maîtrise visée des allongements de fibres permet d'évaluer l'amincissement de l'ensemble soudé en fonction de la10 répartition des taux d'allongements desdites fibres. Un calcul par traitement informatique permet alors de compenser les variations d'épaisseur des peaux primaires afin d'obtenir l'épaisseur finale désirée après toutes les étapes du procédé de fabrication.15 Sur la base des éléments ainsi prédéterminés, le procédé de fabrication d'une aube creuse de turbomachine et, dans l'exemple décrit, une aube de rotor de soufflante à grande corde 9 comporte, conformément à l'invention, une opération remarquable de formage à chaud de l'ensemble soudé 9 en20 alliage de titane, du type TA6V consistant en une mise en forme isotherme de l'ensemble soudé, sous presse, à une température comprise entre 700 et 940 C, sous l'action d'au moins deux poinçons et d'un serre-flanc s'exerçant sur l'ensemble soudé placé sur une empreinte de formage, en25 assurant une vitesse de déformation contrôlée de manière à obtenir une mise à longueur des fibres de chaque élément de l'ensemble c'est à dire les allongements des différentes fibres de chaque élément avec une répartition contrôlée de ces fibres de part et d'autre de la fibre centrale.30 De manière préférentielle, l'opération est effectuée en conservant l'ensemble soudé dans les conditions de superplasticité de l'alliage de titane utilisé. Les essais réalisés sur un alliage de titane du type TA6V ont ainsi été effectués entre 8800C et 940 C et la vitesse de déformation35 correspondante a été choisie pour respecter cette condition de superplasticité, permettant ainsi d'éviter toute trace de striction sur un élément de l'ensemble soudé 9. En fonction du résultat final de forme d'aube à obtenir suivant les applications particulières, l'opération dite de 6 2749784 mise à longueur des fibres par formage à chaud peut être précédée par une opération de cambrage appliquée au pied et dans la zone de bas de pale de l'aube. En d'autre cas, en fonction des moyens utilisés et/ou du 5 résultat à obtenir, une opération unique de formage à chaud peut permettre d'obtenir à la fois le cambrage du pied et de la zone de bas de pale de l'aube et la mise à longueur des fibres. Selon les mêmes critères d'applications particulières et de10 résultat final de forme d'aube à obtenir, l'opération de mise à longueur des fibres de l'ensemble soudé par formage isotherme peut être suivie par une opération de gonflage sous pression de gaz et formage superplastique assurant les profils recherchés de l'aube.15 En variante, après l'opération de mise à longueur des fibres, une opération complémentaire de mise en forme par vrillage et calibrage peut être nécessaire. Dans ce cas et de manière avantageuse, cette opération de vrillage peut être réalisée en enchainement et sans refroidissement intermédiaire de20 l'ensemble soudé 9 à la suite de l'opération de mise à longueur des fibres. La presse-four à multiple effet de formage à chaud représentée sur les figures 3 et 4 est utilisée pour la réalisation de l'opération de mise à longueur des fibres de25 l'élément d'aube creuse 9 de turbomachine dans le procédé de fabrication conforme à l'invention et qui vient d'être décrite. Cette presse-four est constituée de deux parties distinctes: en partie inférieure une enceinte de chauffage 47, un30 outillage de mise à longueur fibres 21 et la structure de base de la presse, en partie supérieure l'ensemble de puissance composé d'autant de vérins 60 que nécessaire en fonction du type de formage. Cet ensemble de puissance peut être raccordé à la partie basse par un montage en arcade 61, tel schématisé sur la figure 4. La structure de base de la presse est composée de deux plaques métalliques 48, 49 dimensionnées en fonction des efforts à fournir, reliées par quatre colonnes 50 intégrant chacune un tirant précontraint 51. A l'intérieur de cette 7 2749784 structure, un four 47 permet le chauffage à une température comprise entre 700 et 940 de l'outillage 21 de mise à longueur fibres et de la pièce à former, notamment l'ensemble soudé 9 de l'aube creuse de turbomachine. 5 L'outillage de mise à longueur fibres est constitué de trois parties distinctes: une semelle 21 intégrant l'empreinte de mise à longueur fibres, un serre-flanc 45 permettant le cambrage du pied et d'une partie adjacente de la pale, puis le maintien de l'ensemble soudé 9 au cours de l'allongement10 des fibres. L'allongement est obtenu par au moins deux poinçons 46, au nombre de trois dans l'exemple représenté sur les dessins. Dans l'outillage de formage représenté sur la figure 9, la semelle 21, en alliage réfractaire ou en matériau céramique15 intègre l'empreinte de mise à longueur fibres réalisée en CFAO. Cette empreinte comprend, les parties massives du pied 62 et du bout de la pale 63, une ou plusieurs ondes 23-24-25- 26 correspondant aux allongements désirés de l'élément de la figure 1 et les tourillons 40-41 de l'ensemble soudé 9 de la figure 2. De plus la semelle comporte des colonnes de guidage 72 pour assurer le positionnement du serre flanc 45 et des colonnes 71 dans le but de parfaitement positionner l'ensemble soudé sur la semelle avant formage. Le serre-flanc 45 représenté sur la figure 7, est formé d'une pièce de fonderie monobloc constituée d'autant d'alvéoles 73 que de poinçons. Il comporte également deux alésages 74 afin d'assurer le parfait positionnement relatif du serre flanc et des poinçons par rapport à la semelle 21 en recevant les colonnes de guidage 72. De plus la cloison centrale 75 formée par les deux alvéoles latérales, assure pendant le cycle de formage le maintien de l'ensemble soudé 9 suivant la fibre centrale comme le montre la figure 4. Le serre flanc 45 comporte aussi l'empreinte curviligne ou rectiligne du pied35 62 prolongée d'une partie de la pale et en bout de pale l'empreinte 63. L'empreinte 62 permet aussi le cambrage du pied et la partie adjacente de la pale avant d'immobiliser l'ensemble soudé 9 pendant le cycle de mise à longueur. 8 2749784 La semelle 21 est fixée ou simplement posée sur la sole du four 47. Le serre-flanc 45 et les poinçons 46, mobiles, sont reliés à la partie supérieur de puissance par des barres de transmission 54 équipées de liaisons en Té 55 et 59 comme 5 détaillées sur les figures 5 et 6 capables d'encaisser les dilatations différentielles au niveau du serre-flanc 45 et des poinçons 46, puis de l'accrochage aux nez de vérins 60. Ces liaisons en forme de Té assurent aussi une barrière thermique entre les nez des vérins et les barres de10 transmission. De plus les liaisons 59 au niveau du serre- flanc 45 et des barres de transmission 54 assurent par une rotation de 90 le déverrouillage des barres de transmission 54 afin de permettre le chargement de l'outillage de mise à longueur fibres de la figure 8 dans l'enceinte chauffante ou four 47. Afin de rendre unidirectionnelles les dilatations dans le but de simplifier les liaisons en Té, le four 47 et l'outillage 21 de mise à longueur fibres sont judicieusement positionnés par rapport à la partie inférieure de la presse au moyen des pions de centrage 56 comme le montre les figures 3 et 4 et le détail de la figure 8. Ces pions 56 sont positionnés suivant la répartition des poinçons 46, d'une manière générale suivant l'axe longitudinal de la presse, puis en fonction du nombre de25 poinçons, comme schématiquement représenté sur la figure 8. Le guidage de l'ensemble des barres de transmission 54 est assuré par des bagues 58 en composé céramique emmanchées dans la plaque métallique supérieure 48 de la partie inférieure de la presse. La portée de ces bagues 58 est suffisamment longue30 de manière à guider parfaitement l'ensemble des barres de transmission 54 traversant la voûte supérieure du four. Des manchons préformés 57 en composés fibreux, équipés de tubes métalliques en matériau réfractaire assurent le refroidissement des barres de transmission 54 dans le cas35 d'une utilisation temporaire. En utilisation prolongée les barres de transmission 54 sont équipés de canaux permettant une circulation d'un fluide de refroidissement. 9 2749784 Le système de régulation de la presse assure un contrôle fin de la vitesse des poinçons 46 afin de rester en permanence dans le domaine superplastique du matériau tel que l'alliage de titane du type TA6V utilisé pour la réalisation des aubes 5 creuses de turbomachine, en assurant une déformation à vitesse lente. Les vitesses de déformation imposées sont obtenues au moyen d'un ensemble hydraulique 70 adapté au besoin qui permet une gamme de vitesse comprise entre 50mm s 1et 0.05mm s-1. On va maintenant décrire le déroulé d'une opération de mise en forme par mise à longueur des fibres d'un ensemble soudé 9 d'aube creuse de turbomachine, conformément à l'invention. L'enceinte chauffante 47 est maintenue à une température15 supérieure à 880 C pour une application sur un alliage TA6V, le serre-flanc 45 et les poinçons 46 sont en position haute et assurent un espace afin de permettre l'introduction de l'ensemble soudé sur la semelle 21, au moyen d'un dispositif de chargement 79 représenté schématiquement sur la figure 11,20 équipé de deux pinces 80 maintenant l'ensemble soudé 9 par les tourillons 40 et 41 en lui appliquant un effort de traction longitudinal. L'ensemble soudé est positionné sur la semelle 21 par l'intermédiaire des tourillons 40-41 guidés verticalement par25 des colonnes cylindriques 71 de l'embase. A ce stade l'ensemble soudé 9 repose sur la semelle 21, jusqu'à ce qu'il ait atteint la température de formage. Dès que la température est atteinte le processus de formage s'enclenche: descente simultanée du serre-flanc 45 et des poinçons 46, jusqu'à une30 position prédéterminée en vitesse rapide, puis arrêt des poinçons 46. Le serre-flanc 45 continue sa descente en vitesse de formage superplastique jusqu'à la position de fin de course qui autorise la mise à longueur fibres qui est alors réalisée par la descente d'un ou plusieurs poinçons 4635 simultanément ou séparément. Dès que la position fin de course est atteinte par l'ensemble des poinçons 46, le serre- flanc et les poinçons remontent en position haute. Le déchargement de l'ensemble soudé formé s'effectue à l'aide du dispositif 79 précédemment décrit qui grâce à un effort de 1 0 2749784 traction prédéfini évite le flambage de l'ensemble soudé 9 par son propre poids. Dans le cas o une opération de mise en forme par vrillage et calibrage est nécessaire après l'opération de mise à longueur 5 des fibres, l'ensemble soudé 9 peut être placé entre deux outillages de forme adéquate à température isotherme, comprise entre 700 C et 9400C dans l'application à un ensemble soudé en alliage de titane du type TA6V. Un exemple de réalisation d'outillage représenté sur la figure 1010 comporte une semelle 65 et une empreinte de formage 66 limitée à chaque extrémité par des rainures 67 et 68. L'ensemble soudé 9 est positionné dans l'outillage par l'intermédiaire des tourillons 40 et 41 guidés verticalement par des colonnes cylindriques 69 de manière à maintenir15 pendant toute la déformation la fibre centrale matérialisée par les tourillons 40 et 41 dans un plan vertical compris entre les colonnes 69 comme représenté sur les figures 2 et 10. 11 2749784 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une aube creuse de turbomachine, notamment une aube (9) de rotor de soufflante à grande corde, comportant les étapes suivantes: - (a) à partir de la définition d'une aube à obtenir, étude en utilisant les moyens de Conception et Fabrication Assistés par Ordinateur / CFAO et réalisation d'une simulation numérique de la mise à plat des pièces constitutives de10 l'aube; - (b) forgeage sur presse des pièces primaires par matriçage; - (c) usinage des pièces primaires; - (d) dépôt de barrières de diffusion suivant un motif prédéfini; - (e) assemblage des pièces primaires suivi du soudage- diffusion en pression isostatique; (f) gonflage sous pression de gaz et formage super- plastique; - (g) usinage final, comportant en outre une opération de formage à chaud d'un élément (9) destiné à la fabrication de l'aube, par mise en forme isotherme dudit élément (9) en alliage de titane, du type TA6V, sous presse, à une température comprise entre 700 25 et 940 C, sous l'action d'au moins deux poinçons (46) et d'un serre-flanc (45) bloquant l'élément (9) placé sur une empreinte de formage (21), en assurant une vitesse de déformation contrôlée de manière à obtenir une mise à longueur des fibres de l'élément c'est à dire les30 allongements des différentes fibres de l'élément avec une répartition contrôlée de ces fibres de part et d'autre de la fibre centrale. 2. Procédé de fabrication d'une aube creuse selon la revendication 1 dans lequel ladite opération de formage à chaud est effectuée entre 880 et 940 C, domaine o la température et la vitesse de déformation choisie correspondent au domaine de superplasticité de l'alliage de titane utilisé, de manière à éviter les risques de striction. 12 2749784 3. Procédé de fabrication d'une aube creuse selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel ladite opération de mise à longueur des fibres par formage à chaud est effectuée sur 5 chaque pièce primaire forgée. 4. Procédé de fabrication d 'une aube creuse selon, l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel ladite opération de mise à longueur des fibres par formage à chaud est effectuée sur une10 tôle destinée à former la partie interne de l'aube. 5. Procédé de fabrication d'une aube selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel ladite opération de mise à longueur des fibres par formage à chaud est effectuée sur un15 ensemble plat composé des pièces constitutives de l'aube non soudées. 6. Procédé de fabrication d'une aube creuse selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel ladite opération de mise à longueur des fibres par formage à chaud est effectuée sur un ensemble plat obtenu après assemblage des pièces primaires suivi du soudage-diffusion. 7. Procédé de fabrication d'une aube creuse selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel ladite opération de mise à longueur des fibres par formage à chaud est précédée par une opération de cambrage dans la zone de raccordement du pied et de la zone de bas de pale de l'aube. 8. Procédé de fabrication d'une aube creuse selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel ladite opération de formage à chaud permet de réaliser le cambrage du pied de l'aube et la zone de bas de pale de l'aube, puis la mise à longueur des fibres dans le même déroulé opératoire.35 9. Procédé de fabrication d'une aube creuse selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel ladite opération de mise à longueur des fibres par formage à chaud est suivie en 13 2749784 enchaînement et sans refroidissement intermédiaire par une opération de mise en forme par vrillage. 10. Procédé de fabrication d'une aube creuse selon l'une des revendications 1 à 9 dans lequel lors du chargement et du déchargement de l'élément d'aube sur ladite presse-four un maintien en traction de l'élément entre ses deux extrémités est assuré. 11. Presse-four à multiple effet de formage à chaud d'un élément (9) destiné à la fabrication d'une aube creuse de turbomachine suivant le procédé des revendications 1 à 10 comprenant une enceinte de chauffage (47) associée à un moyen de chauffage, une structure de base de presse (48, 49)15 associée à un ensemble de puissance (60) à vérinsmultiples et un outillage de formage (21) caractérisée en ce que la structure de base de presse composée d'une plaque métallique inférieure (49) et d'une plaque métallique supérieure (48) reliées par des colonnes (50) intégrant des tirants (51)20 précontraints enveloppe ladite enceinte de chauffage (47), que l'outillage de formage est composé d'une semelle inférieure (21) intégrant une empreinte de formage limitée à chaque extrémité respectivement par une encoche (62, 63), d'un serre-flanc supérieur (45) maintenant la pièce en cours25 de déformation et d'au moins deux poinçons supérieurs (46), serre-flanc (45) et poinçons (46) étant déplaçables au moyen desdits vérins (60). 12. Presse-four à multiple effet de formage à chaud d'un élément destiné à la fabrication d'une aube creuse de turbomachine selon la revendication 11 dans laquelle le serre-flanc et les poinçons sont reliés à l'ensemble de puissance par des barres de transmission munis de liaisons en Té, à chaque extrémité.35 13. Presse-four à multiple effet de formage à chaud d'un élément (9) destiné à la fabrication d'une aube creuse de turbomachine selon l'une des revendications 11 ou 12 dans laquelle ladite semelle inférieure (21) comporte à chaque 14 2749784 extrémité des colonnes cylindriques (71) guidant verticalement des tourillons (40, 41) disposés aux extrémités de l'élément d'aube (9) et en outre des colonnes de guidage (72) du serre- flanc (45). 14. Presse-four à multiple effet de formage à chaud d'un élément (9) destiné à la fabrication d'une aube creuse de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 11 à 13 dans laquelle le serre-flanc (45) comporte des alvéoles (73) assurant le passage et le guidage des poinçons, (46) le maintien longitudinal de l'élément d'aube est assuré par une paroi (75) des alvéoles et lors du formage, un maintien de la partie centrale sur toute la longueur de l'élément d'aube assurant un blocage de la fibre centrale (20) est obtenu au moyen du serre-flanc (45).