Brevet FR2867992A1 — publié le 20050930

La présente invention concerne le domaine du forgeage de pièces métalliques et en particulier de pièces de forme complexe et gauche, telles que des aubes de turbomachines de grande dimension. Pour la fabrication de pièces métalliques, on met en oeuvre préférentiellement des techniques de forgeage quand elles doivent absorber des efforts importants en service. C'est le cas des aubes de compresseur ou de soufflantes de turboréacteur pour lesquels les efforts internes sont engendrés notamment par les vibrations et les forces centrifuges auxquelles elles sont soumises. lo Le forgeage consiste à déformer plastiquement un bloc de métal sous l'effet de chocs ou par l'application d'une pression. On procède généralement par étapes en formant des ébauches successives qui se rapprochent progressivement de la pièce finie. Le cas échéant, on achève le forgeage de la pièce par une phase de calibrage conduisant à des formes plus précises. Plus précisément on forme la pièce en obligeant une ébauche de celle-ci à remplir par choc ou par pression, une empreinte gravée dans une matrice correspondant à la forme de la pièce à obtenir. Dans le cas du titane, sa contrainte d'écoulement dépendant fortement de la température, le forgeage s'effectue à chaud jusqu'à une certaine limite imposée par l'évolution structurale du matériau qui en altère les propriétés mécaniques. Les opérations de matriçage sont généralement effectuées sur des presses mécaniques dont les matrices sont préchauffées. Dans ces conditions, le temps de forgeage est relativement court pour éviter un refroidissement trop rapide de la pièce et un échauffement trop élevé de la matrice par conduction thermique entre la pièce et elle-même, dans la mesure où la température de l'outillage est différente de celle de la pièce. Par ailleurs, en raison du niveau élevé des contraintes qu'elle subit par le contact avec la pièce, on dépose un lubrifiant sur la gravure de la matrice pour faciliter l'écoulement de la matière et pour réduire les efforts de forgeage. La présente invention concerne en premier lieu, la mise au point des 35 outillages tels que les matrices présentées ci-dessus. Le temps de réalisation de l'outillage, selon la méthode habituelle, est assez long car on doit procéder par retouches successives. En effet, l'empreinte de la matrice n'a pas rigoureusement la forme et les dimensions de la pièce brute de forge à obtenir. Elle s'en écarte par des termes correctifs qui compensent les déformations élasto- plastiques des outillages durant le forgeage. On ne sait pas exactement prévoir ces termes correctifs, et il est donc nécessaire de retoucher la matrice suite aux mesures effectuées sur les pièces d'essais obtenues. En forgeage dit de précision , les surépaisseurs sont faibles, par exemple 0,8 mm, afin que la pièce finie puisse être obtenue par un polissage à la bande abrasive de la pièce brute ou, le cas échéant notamment lorsqu'elle est en titane, par la combinaison d'un usinage chimique et d'un polissage par bande abrasive. C'est le cas par exemple de la pale des aubes. La mise au point d'une matrice de forge de précision est par conséquent longue et coûteuse, car elle nécessite de nombreuses retouches séparées par des essais de forgeage de pièces. Lorsque la matrice est mise au point, c'est à-dire lorsque les pièces d'essais brutes de forge obtenues ont la forme et les dimensions recherchées, cette matrice peut être mise en exploitation pour fabriquer des pièces de série. La matrice se dégrade progressivement en exploitation, et il devient nécessaire, par exemple au bout de 1000 à 5000 pièces selon le cas, de restaurer la matrice ou d'en utiliser une autre. La restauration d'une matrice dégradée consiste, selon une première méthode, à recharger les zones où de la matière a été arrachée et à usiner et polir une nouvelle empreinte. Selon une seconde méthode, on reconstitue entièrement par usinage l'empreinte après avoir éliminé la couche nitrurée et enlevé une épaisseur de quelques mm de matière. On désigne cette technique par le terme de relavage. La restauration d'une matrice ou la fabrication d'une nouvelle matrice nécessitent les mêmes mises au point que la matrice initiale. Elles sont donc également longues et coûteuses. L'invention a pour objectif un moyen permettant d'améliorer le contrôle de l'alignement des matrices afin d'optimiser le temps de mise au point pour forgeage de grandes séries de pièces. Conformément à l'invention, la matrice de forgeage comportant sur une face, une demi-empreinte de pièce à forger telle qu'une aube de turbomachine, est caractérisée par le fait qu'elle comporte sur la dite face un moyen formant repère selon deux directions perpendiculaires entre elles par rapport auxquelles la position de ladite empreinte est définie. 2867992 -3- Conformément à une autre caractéristique, le dit moyen est constitué de deux pastilles faisant saillie par rapport à ladite face et comportant chacune deux entailles disposées en croix définissant lesdites deux directions. Conformément à une autre caractéristique, les entailles sont disposées de manière à être parallèles deux à deux. En particulier deux entailles sont alignées. Il s'agit alors de préférence d'entailles parallèles à l'axe principal de l'empreinte. L'invention porte également sur un procédé de contrôle, après usinage des empreintes, de l'alignement de deux demi-matrices. Selon ce procédé, on détermine la position des deux faces latérales de la matrice par rapport au dit moyen formant repère et le cas échéant on rectifie l'une ou l'autre des faces latérales de l'une des matrices. En particulier, on détermine lesdites positions par palpage sur une machine à mesurer tridimensionnelle (MMT). L'invention porte aussi sur l'utilisation des dits moyens formant repère sur les matrices pour contrôler l'alignement des blocs matrices au montage dans la presse de forgeage. Selon une utilisation préférée, on dispose un plot en matière malléable sur chacune des pastilles, on écrase les plots entre les pastilles des deux matrices et on vérifie les marques faites par les entailles sur les plots. On décrit ci-après l'invention plus en détail en référence aux dessins annexés sur lesquels, la figure 1 représente un bloc matrice vu de dessus avec ces moyens formant repères, la figure 2 montre le détail d'une pastille formant repère, la figure 3 montre le montage d'un bloc matrice sur le plateau d'une presse, les figures 4A et 4B montrent les plots de contrôle entre les pastilles après écrasement. On a représenté sur la figure un bloc matrice 10 de forgeage d'une aube de compresseur ou de soufflante d'un turboréacteur. La matrice est en forme de bloc à section rectangulaire dont la face principale 11 comprend ici l'empreinte E d'une demi aube. Cette face principale 11 est bordée par quatre faces latérales 12, 13, 14, 15. La forme de l'empreinte est définie par des moyens de calcul appropriés et est réalisée par usinage ou électroérosion ou tout autre moyen connu de l'homme de l'art. Elle est réalisée par exemple, soit sur un centre d'usinage à commande numérique, soit sur une machine à électroérosion (EDM). Sur le pourtour de l'empreinte une zone périphérique Ep est généralement ménagée pour la formation d'un cordon de bavure comme cela est connu dans le domaine. Le mode de réalisation de l'empreinte ne fait pas partie de l'invention. La gravure comprend un axe principal XX et au moins un point de référence P constituant l'origine d'usinage de l'empreinte. La géométrie de l'empreinte est s ainsi définie par rapport à ces deux références dans l'espace. Les faces latérales longitudinales 12 et 14 sont parallèles à l'axe XX. Les faces transversales 13 et 15 lui sont perpendiculaires. La matrice complète de forgeage de la pièce comprend un deuxième bloc avec 1.0 l'empreinte d'une demi-aube de forme complémentaire à la précédente. Pour le forgeage de la pièce, on place et on fixe les deux blocs dans les plateaux d'une presse. Un plateau inférieur et un plateau supérieur. On dispose l'ébauche de la pièce à forger dans le bloc matrice inférieur et on actionne la presse. En se rapprochant les deux blocs déforment l'ébauche jusqu'à obtenir la pièce à la forme définie par les empreintes, avec le cas échéant des cordons de bavure sur son pourtour. La qualité du forgeage dépend en partie du bon positionnement des deux empreintes l'une par rapport à l'autre au moment de la frappe. Celui-ci dépend à la fois du bon positionnement des empreintes dans leur bloc matrice respectif et du bon positionnement des deux blocs l'un par rapport à l'autre. Le dispositif de l'invention permet de façon simple et efficace de parvenir à ce résultat. Conformément à l'invention, on réalise par gravure, avec l'empreinte E, deux pastilles 21 et 23. Ces deux pastilles sont en saillie par rapport à la face supérieure 11 du bloc. Les deux pastilles sont en forme ici de disque mais elles peuvent avoir une autre forme. On a représenté sur la figure 2 une vue agrandie 3o de la pastille 21, en perspective. Chaque pastille comprend deux entailles à angle droit 21L, 21T, et 23L, 23T respectivement. Les deux entailles longitudinales 21L et 23L sont réalisées parallèlement à l'axe XX de l'empreinte, à une distance prédéterminée. Ici les deux entailles sont à une même distance de l'axe XX. Elles sont donc alignées. Les entailles transverses 21T et 23T sont perpendiculaires aux précédentes et chacune à une distance prédéterminée du point P de référence. Les positions de l'empreinte et des entailles sont ainsi parfaitement définies dans l'espace les unes par rapport aux autres. Ces moyens 21 et 23 permettent d'effectuer, d'une part la vérification de la position l'empreinte sur le bloc matrice et. d'autre part la vérification visuelle du bon alignement des blocs matrices lors des opérations de forgeage. Pour la première vérification, une fois la matrice usinée, on mesure par palpage par exemple sur une machine à mesurer tridimensionnelle MMT, la position des pastilles 21 et 23 par rapport aux faces latérales, 12, 14 et 13, 15. On vérifie ainsi, pour chacun des deux blocs matrices, d'une part que les faces 12 et 14 sont bien parallèles à la direction des o entailles 21L et 23L et à bonne distance de celles ci, d'autre part que les faces 13 et 15 sont bien parallèles à la direction des entailles 21T et 23T et à bonne distance de celles-ci. Si un écart est constaté par rapport à la cote théorique sur l'une des deux matrices, on procède à une rectification sur une ou des faces latérales de l'une des matrices de manière à rendre lesdites distances identiques sur les deux blocs matrices. Si un écart est constaté par rapport à la cote théorique sur chaque matrice, on procède à une rectification sur la matrice dont le défaut est le plus faible. De cette façon on obtient des matrices dont les empreintes sont alignées sans défaut. L'emploi de telles pastilles permet un contrôle rapide avec une grande précision de mesure. Une fois réalisés, les blocs sont montés sur les plateaux porte-outils de la presse. Le montage se fait par serrage des faces latérales des blocs contre des surfaces de butée B1 et B2. On a représenté schématiquement une vue de dessus d'un plateau 100 de presse. Par exemple le positionnement des faces latérales 12 et 14 est réglé par le moyen de cales dites pentées 31 et 32. Ces cales sont en forme de dièdres et sont disposées de manière à avoir deux faces parallèles et deux faces inclinées par rapport à ces dernières, en contact l'une contre l'autre. En déplaçant une cale par rapport à l'autre parallèlement à leur faces parallèles, on écarte ou rapproche ces dernières. Les deux cales sont en appui l'une contre la face latérale 14 du bloc l'autre contre une butée 110 solidaire du plateau. L'autre face latérale 12 du bloc vient en appui contre une butée 120 solidaire du plateau. Ce système à cales pentées permet donc de déplacer le bloc perpendiculairement aux faces 12 et 14; un réglage en position sur le plateau est ainsi possible dans une direction transversale. Des feuillards ou clinquants sont le cas échéant disposés entre la cale 120 et la face latérale 12. Selon un autre mode de réalisation non représenté, on utilise une clavette qui vient plaquer la face 12 du bloc matrice contre la face 120 du porte outils le déplacement transversal des blocs se fait par rajout de feuillards ou clinquants entre les faces 12 et 120. Pour le réglage de la position dans le sens longitudinal, on dispose d'une vis qui s'appuie sur la face 13 et qui repousse le bloc contre une butée 130 solidaire du plateau. On peut ainsi régler aussi la position du bloc matrice dans la direction longitudinale. Un feuillard peut être placé si nécessaire, entre la face latérale 15 et la butée 150. On place la seconde matrice sur le plateau supérieur. En règle générale on ne procède pas au calage du bloc supérieur. Les faces de référence matrice sont en contact avec les faces de référence outillage. Pour contrôler la position respective des deux matrices, on procède de la façon suivante. On dépose un plot PB en plomb ou autre matière malléable sur chacune des deux 20 pastilles de la matrice inférieure et on fait descendre la matrice supérieure jusqu'à écrasement des deux plots. On a représenté sur les figures 4A et 4B les deux plots après écrasement, en position entre les pastilles. L'opérateur peut aisément vérifier que les entailles 21T (ou 23T) des deux pastilles supérieure et inférieure ne sont pas alignées dans l'exemple représenté. En rapportant le plot ainsi déformé dans un appareil de mesure, il peut déterminer avec précision la rectification à apporter dans la position longitudinale. De même il vérifie en observant les entailles 23L (ou 21L) que les deux blocs ne sont pas correctement positionnés transversalement On dispose ainsi de moyens de repérage précis et simples à mettre en oeuvre à partir desquels on peut apporter, le cas échéant, les corrections nécessaires à un bon positionnement des empreintes l'une par rapport à l'autre. Ces moyens permettent de vérifier aussi les effets de rotation des matrices sous la 40 contrainte de forgeage lors de la première utilisation des matrices, en procédant au contrôle avec les plots en même temps que l'on procède à la frappe d'une pièce. On procède à ce contrôle après chaque usinage ou ré-usinage de gravure, et pour 5 chaque début de campagne de forgeage. Les plots permettent enfin de contrôler l'écartement entre les matrices inférieure et supérieure après la frappe par rapport à l'épaisseur du cordon de bavure que l'on souhaite. 2867992 -s- REVENDICATIONS 1. Matrice de forgeage comportant sur une face, une demi-empreinte de s pièce à forger telle qu'une aube de turbomachine, caractérisée par le fait qu'elle comporte sur la dite face un moyen formant repère selon deux directions perpendiculaires entre elles par rapport auxquelles la position de ladite empreinte est définie. 2. Matrice de forgeage selon la revendication 1 dont le dit moyen est constitué de deux pastilles faisant saillie par rapport à ladite face et comportant chacune deux entailles disposées en croix défroissant lesdites deux directions. 3. Matrice selon la revendication 2 dont les entailles sont disposées de manière à être parallèles deux à deux. 4. Matrice selon la revendication 3 dont deux entailles sont alignées. 5. Procédé de contrôle après usinage des empreintes de l'alignement de deux demi-matrices selon lequel on détermine la position des deux faces latérales de la matrice par rapport au moyen formant repère selon l'une des revendications précédentes et le cas échéant on rectifie l'une ou l'autre des faces latérales de l'une des matrices. 6. Procédé selon la revendication précédente selon lequel on détermine lesdites positions par palpage sur une machine à mesurer tridimensionnelle (MMT). 7. Utilisation des moyens formant repère sur les matrices selon l'une des revendications 1 à 4 pour contrôler l'alignement des blocs matrices au montage dans la presse de forgeage. 8. Utilisation selon la revendication précédente d'une matrice selon la revendication 2 à 4 selon laquelle on dispose un plot en matière malléable sur chacune des pastilles, on écrase les plots entre les pastilles des deux matrices et on vérifie les marques faites par les entailles sur les plots.