Brevet FR2860611A1 — publié le 20050408

PROCEDE DE CONCEPTION ET DE FABRICATION D'UN RACCORD DE TUYAUX, NOTAMMENT POUR AERONEF DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE Le sujet de cette invention est avant tout un procédé permettant de concevoir et de fabriquer un raccord de tuyaux, et notamment dans un aéronef. Plus particulièrement, elle concerne un procédé de conception et de fabrication d'un tel raccord dans lequel un usinage à grande vitesse est réalisé. Des raccords des tuyaux dans un aéronef sont des pièces métalliques permettant de raccorder entre elles deux longueurs de tuyaux comme des tuyaux de carburant rigides et droits. Ces raccords comportent généralement un ou plusieurs moyens de fixation sur la structure de l'aéronef. Ils peuvent être en forme de coude, de T, etc. avec une surface interne de forme complexe. De façon connue, de tels raccords peuvent être fabriqués par moulage. Ce procédé de fabrication présente plusieurs inconvénients. L'épaisseur minimale de paroi est de l'ordre de 2,3 à 2,6 mm pour des raccords fabriqués en aluminium à cause des caractéristiques mécaniques du matériau et des tolérances de fabrication. Un allégement important des raccords, vivement souhaitable dans l'industrie aéronautique, est difficile. Après le moulage, les embouts de raccordement des tuyaux doivent être usinés pour leur donner un état de surface assez lisse pour SP 22838 JCI 2860611 2 donner une étanchéité suffisante. L'usinage supplémentaire complique le procédé. Il faut vérifier chaque raccord par un essai en pression après la fabrication à cause du risque d'apparition de bulles ou de porosité dans la paroi de ce raccord lors du moulage. Une forme en dépouille de l'extérieur est obligatoire pour démouler les raccords, ce qui nuit à l'écoulement en accroissant les pertes de charge et les turbulences. Un autre inconvénient important est la nécessité de devoir fabriquer les moules de fabrication, avec ici aussi des opérations de fabrication qui enchérissent le coût du raccord. Enfin, il est fréquent qu'un raccord doive être modifié pour l'adapter à d'autres conditions de raccordement, mais il est malaisé d'appliquer un tel changement même modeste car le moule doit être refait. L'invention concerne un procédé différent pour concevoir et fabriquer les raccords de tuyaux. Son but est à la fois d'alléger la tâche des concepteurs du plan du raccord et de son usinage et de produire un meilleur raccord. Les résultats intermédiaires obtenus sont autant que possible exploités directement dans les étapes suivantes du procédé, grâce à un choix judicieux des méthodes de conception et de fabrication. Le moulage est délaissé. Le raccord sera en général mieux conçu et plus rapidement, grâce à des possibilités plus grandes offertes par la nouvelle façon de la fabriquer et à une plus grande sûreté du produit fini redevable à une conception et une fabrication mieux maîtrisées: un raccord plus léger pourra ainsi être obtenu. Le procédé comprend les étapes suivantes: SP 22838 JCI 2860611 3 définition de fonctions et de contraintes, notamment dimensionnelles, du raccord; - élaboration d'un plan du raccord à partir desdites fonctions et contraintes; - vérification de fabrication possible du raccord, et révision du plan en cas de diagnostic de défaut à la vérification; définition d'un programme d'usinage du raccord, comprenant une sélection d'outils, de trajectoires des outils et de paramètres de coupe par un logiciel à partir du plan; - simulation du programme, et révision du programme en cas de diagnostic d'erreur à la simulation; et - fabrication du raccord par application du programme d'usinage sur une masse serrée sur une machine-outil à commande numérique et pilotée par le programme d'usinage. Dans un mode préféré de mise en oeuvre du procédé objet de l'invention, ladite machine-outil à commande numérique est une machine à cinq axes, notamment une machine-outil mobile dans trois translations et deux rotations relativement à la pièce usinée. Cela sera mieux compris, comme d'autres aspects de l'invention, des figures suivantes: - la figure 1 est un raccord; - la figure 2 est un fragment d'un autre raccord; - la figure 3 illustre quelques outils; - la figure 4 illustre une vérification; - et la figure 5 représente l'usinage du raccord. SP 22838 JCI 30 2860611 4 L'invention sera maintenant décrite en référence aux figures et d'abord à la figure 1. Elle représente un raccord de tuyaux d'un genre classique qu'il s'agira de construire au moyen de l'invention. Il porte la référence 1 et relie deux tuyaux 2 et 3 placés à angle droit à des distances L et 1. La conception se fait en considérant d'abord les fonctions et contraintes de conception du raccord. Il s'agit notamment d'éléments dimensionnels comme les positions et diamètres des tuyaux à raccorder et les positions et caractéristiques des jonctions du raccord à d'autres endroits de la structure environnante: comme il est usuel, le raccord 1 a aussi une fonction de soutien des tubes 2 et 3, ici par une potence 4 et une tige 5 dont les extrémités opposées, qui ne sont pas représentées, sont fixées à la carlingue de l'aéronef; enfin, des tresses de mise à la masse électrique 7 et 8 relient des colliers 9 et 10 enserrés autour des tuyaux 2 et 3 au raccord 1 et, respectivement, à la potence 4 et à la tige 5. Les tuyaux 2 et 3 sont ainsi portés au même potentiel que la carlingue de l'avion. La conception du raccord 1 doit donc être complétée par l'addition de fixations à la potence 4 et à la tige 5. La pression du fluide dans le raccord est aussi une contrainte à considérer. L'opérateur crée une première version du raccord 1. Il détermine de façon optimisée les positions des conduits reliant les tuyaux, les épaisseurs de matière entourant ces conduits, les formes et les dimensions des portions de raccordement à la structure environnante, et les caractéristiques locales du raccord 1. Il peut utiliser certains SP 22838 JCI 2860611 5 logiciels simples de calcul, pour obtenir les rayons de courbure du conduit ou les épaisseurs du raccord d'après le trajet du fluide et sa pression. Le raccord existe alors sous forme d'un modèle défini par ses paramètres, qui sont entrés dans un logiciel de CFAO (conception fabrication assistée par ordinateur). Ici le raccord 1 a une forme générale de coude arrondi, et il comprend encore une bride 11 proche du tuyau 2 et en forme de collerette circulaire, et une nervure 12 à l'extrados du coude. La bride 11 et la nervure 12 sont munies de perçages pour l'insertion des vis de fixation et pour la réception des tresses 7 et 8. Les paramètres fournis sont couramment au nombre de plusieurs dizaines pour définir complètement les limites du raccord 1. Ils comprennent notamment, du côté du tuyau 2, les longueurs Li d'une extrémité en surépaisseur du raccord 1, L2 d'une partie rectiligne du raccord 1, L3 séparant la bride 11 du bout du raccord 1; du côté du tuyau 3, les longueurs 11 d'une autre extrémité en surépaisseur du raccord 1, et 12 d'une autre partie rectiligne du raccord 1; les diamètres internes du conduit du raccord 1, estimés d'après les diamètres externes d2 et d3 des tuyaux 2 et 3; les épaisseurs et les surépaisseurs, telles que e, du raccord 1 à ses différentes portions; le rayon et l'épaisseur de la bride 11, le contour de l'épaisseur de la nervure 12, et les positions de leur perçages d'après la position de la partie tubulaire du raccord 1 et celles de la potence 4 et de la tige 5. Les tronçons du raccord 1 sont aussi modélisés par leurs directions, ou les angles qu'ils font. Les coudes peuvent être modélisés soit comme arrondis, avec SP 22838 JCI 2860611 6 des rayons de courbures et des angles d'extension, soit comme des successions de tronçons rectilignes avec des longueurs et des directions différentes. Le fichier de paramètres est avantageusement rendu plus maniable si les paramètres sont indépendants - autant que possible - pour faciliter les reprises de conception par l'opérateur. Les longueurs L1 et L3 définissant la position de la bride 11 sur la portion rectiligne peuvent ainsi devoir être modifiées si la potence 4 est déplacée latéralement dans la conception finale de l'aéronef, sans que la longueur L2 change. Il est alors conseillé de faire partir toutes les longueurs L1, L2 et L3 d'une origine commune telle qu'un bout ou un point fixe du raccord 1 pour les rendre indépendantes. Il faut s'attendre, en général, à des changements de longueur ou d'échelle du raccord 1 avant sa fabrication. Le logiciel de CFAO peut exprimer ensuite à volonté le modèle du raccord 1 par un ensemble de points, pour une modélisation en éléments finis par exemple. Une vérification du raccord 1 est ensuite entreprise par l'opérateur. Elle est de nature empirique et permet de vérifier qu'aucune impossibilité de conception n'a été introduite. L'opérateur modifie les paramètres associés aux régions défectueuses du raccord. Un exemple sera donné pour une situation usuelle, pour un raccord à embranchement 7 comme celui de la figure 2: il faut s'assurer que la jonction entre le tube principal 15 et l'embranchement 16 se fait avec des rayons de courbure supérieurs à une valeur déterminée. L'étape consisterait alors à casser SP 22838 JCI 2860611 7 le raccord à angle vif pour le remplacer par les raccordements arrondis représentés en pointillé 17. Un autre genre de vérification auquel on peut procéder est celui de la résistance mécanique. Le modèle du raccord est divisé en éléments finis et analysé d'après les efforts auxquels on suppose qu'il sera soumis. Si des zones de contraintes excessives sont remarquées, des surépaisseurs sont ajoutées, ou des nervures telles la nervure 18 de la figure 1 entre la bride 11 et la partie tubulaire du raccord 1. De telles nervures se déploieront souvent entre des portions formant un angle sur le raccord, comme des portions en embranchement; une nervure 19 pourra ainsi éventuellement être ajoutée entre les portions 15 et 16 du raccord de la figure 2. Pour cette vérification, le calcul sera fait automatiquement avec une modélisation en éléments finis du raccord, dont la structure pourra ensuite être reprise par l'opérateur par un ajustement de paramètres existant (l'épaisseur, etc.) ou par l'addition de nouveaux éléments de structure, définis par de nouveaux paramètres. Ces étapes de vérification sont en général itératives, chaque nouveau modèle devant être vérifié jusqu'à ce qu'un modèle complètement satisfaisant soit obtenu. Elles peuvent devenir relativement nombreuses si on essaie de réduire le poids du raccord en diminuant les épaisseurs, ce qui est très désirable mais antagoniste des vérifications précédentes, qui amènent plutôt à ajouter de la matière. L'étape suivante est une définition d'un programme d'usinage. Tout le raccord 1 devant être usiné, les conditions d'usinage doivent être prévues SP 22838 JCI 2860611 8 aussi bien pour la surface externe que la surface interne. Les outils seront généralement des fraises à usinage tangentiel à cause de la prédominance des surfaces courbes. De façon préférée, l'outil sera choisi pour permettre l'usinage à grande vitesse sur une machine à commande numérique afin de réduire le temps d'usinage et le coût de fabrication tout en offrant une meilleure qualité de la surface grâce à une diminution des vibrations. Il sera préféré de n'utiliser que peu d'outils pour tout l'usinage; si cependant on détermine, par exemple à l'étape suivante, qu'un outil ne permettra pas de tout usiner sur le raccord 1, un ou plusieurs outils supplémentaires seront ajoutés dans le programme d'usinage. Les outils seront définis dans une bibliothèque qui indiquera leurs caractéristiques, notamment dimensionnelles. Si aucun outil existant dans la bibliothèque ne convient, d'autres pourront être ajoutés. Des genres d'outils différents 20, 21 et 22 représentés à la figure 3 permettent des usinages en dépouille, en contre-dépouille ou les deux au moyen de parties coupantes 23 chanfreinées du côté de la queue 24, du côté opposé ou des deux côtés. Le logiciel possédant la définition géométrique du raccord 1 envisagé et celle des outils détermine donc une série de trajectoires d'usinage nécessaires pour usiner tout le raccord 1 par les outils choisis. L'étape suivante est une vérification du programme d'usinage, qui est simulé numériquement à l'aide des dimensions des outils choisis. Les vérifications auxquelles on procède sont du genre de la figure 4: l'outil 25 est introduit dans l'ébauche du SP 22838 JCI 2860611 9 raccord 1 et la surface latérale de sa tête d'usinage 26 est active et fraise la surface interne de la partie tubulaire près du coude. Le programme détermine alors s'il est possible de placer l'outil 25 de façon à éviter une collision de la queue 27 avec les parties pleines du raccord. Si une collision est détectée, le programme cherche une position convenable de l'outil 25 pour permettre de continuer l'usinage, sinon un autre outil est proposé en remplacement. L'usinage interne du raccord est plus souvent critique, mais la vérification concerne l'usinage de toutes les surfaces. Quand un jeu de trajectoires satisfaisant a été trouvé pour toute la surface du raccord 1, il est mémorisé par le logiciel avec le modèle du raccord. Le programme d'usinage comprend en réalité non seulement ces trajectoires de finition, mais des trajectoires d'ébauche dont l'utilité apparaîtra ci-dessous. Nous abordons maintenant la description du procédé d'usinage au moyen de la figure 5. La machine- outil utilisée est à commande numérique et comprend une paire de mâchoires 28 entre lesquelles l'ébauche du raccord à usiner est enserrée. Il s'agit d'abord d'un bloc 29 dans la masse duquel le raccord sera façonné. On a représenté ici l'usinage à un instant intermédiaire, dans lequel la forme du raccord 1 est à la fois reconnaissable et partiellement dégagée du reliquat du bloc 29. On préconise de travailler en escalier dans une phase d'ébauche, c'est-à-dire de fraiser le bloc 29 par passes successives parallèles de façon à former des gradins 30 par lesquels la surface extérieure du raccord 1 est ébauchée. L'outil est guidé en fonction du fichier de points du modèle du raccord 1 SP 22838 JCI 2860611 10 qu'on a obtenu aux étapes précédentes et en fonction du fichier des trajectoires. Quand une quantité de matière suffisante a été ôtée par ce moyen, un usinage de finition ou de demi-finition du tube est entrepris sur des lignes parallèles et intermédiaires aux précédentes pour obtenir une meilleure égalisation de la surface en gradins et converger vers la surface externe requise. Un usinage ultérieur de finition peut être ajouté pour obtenir une surface bien lisse. L'intérieur du tube est aussi usiné par passes successives, qui comprennent en général des fraisages tangentiels. Ces usinages à fraisage tangentiel sont aussi appliqués à la finition des parties courbes du raccord, qu'elles soient à l'intérieur ou à l'extérieur, selon le schéma de la figure 4. Les zones de raccordement aux tuyaux 2 et 3 sont reprises si nécessaire par des outils spécifiques pour assurer la qualité de surface aussi lisse que voulu. Enfin, le cordon de raccordement 31 que l'on a laissé subsister entre l'ébauche du raccord et le reliquat du bloc 29 est découpé pour séparer le raccord d'un talon restant fixé à la machine. Un usinage final de ce cordon peut être entrepris d'une autre façon, par exemple au moyen d'une scie hors de la machine-outil à commande numérique. Le raccord 1 entièrement usiné avec précision, sans démontage intermédiaire, a des cotes parfaitement connues. Un seul exemplaire d'une série doit être vérifié pour s'assurer qu'il tienne à la pression du fluide, étant donné que la matière dans laquelle les raccords de cette série sont usinés est contrôlée par le fournisseur pour l'absence de porosité, de bulles, etc. avant l'usinage. Des conduits mieux adaptés à SP 22838 JCI 2860611 11 l'écoulement, et notamment à section constante et parfaitement arrondis, peuvent être percés. Une épaisseur plus faible des parois, de 1,5 mm environ au lieu de 2,3 à 2,6 mm exigés pour le moulage, est devenue possible et conduit à des gains de masse d'environ 30%. SP 22838 JCI 2860611 12 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un raccord de tuyau, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes. - définition de fonctions et de contraintes, notamment dimensionnelles, du raccord; - élaboration d'un plan du raccord (1) à partir desdites fonctions et contraintes; - vérification de fabrication possible du raccord, et révision du plan en cas de diagnostic de défaut à la vérification; - définition d'un programme d'usinage du raccord, comprenant une sélection d'outils, de trajectoires des outils et de paramètres de coupe par un logiciel à partir du plan; - simulation du programme, et révision du programme en cas de diagnostic d'erreur à la simulation; et fabrication du raccord par application du programme d'usinage sur un bloc (29) serré sur une machine-outil à commande numérique pilotée d'après le programme d'usinage. 2. Procédé de fabrication d'un raccord de tuyaux d'aéronef selon la revendication 1, caractérisé en ce que la machine-outil à commande numérique est une machine à cinq axes. 3. Procédé de fabrication d'un raccord de tuyaux d'aéronef selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la fabrication comprend des ébauches de tubes par passes successives en gradins, des usinages à l'intérieur des tubes par un fraisage tangentiel, des finitions à ajustement de rayon de courbure par fraisage tangentiel, et une découpe finale SP 22838 JCI 2860611. 13 du. raccord par séparation dudit raccord et d'un talon du bloc, qui reste serré sur la machine-outil. 4. Procédé de fabrication d'un raccord de tuyaux d'aéronef selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la vérification comprend une vérification de résistance mécanique du raccord. 5. Procédé de fabrication d'un raccord de tuyaux d'aéronef selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la simulation comporte des vérifications de collision des outils et des queues des outils avec le raccord. 6. Raccord de tuyau d'aéronef obtenu par un procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est limité exclusivement par des surfaces usinées. 7. Aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte un raccord conforme à l'une quelconque des revendications précédentes. SP 22838 JCI