Brevet FR2906744A1 — publié le 20080411

La présente invention concerne le domaine technique des machines ou dispositifs d'usinage polyvalents utilisés pour l'usinage de pièces de grandes dimensions. Dans une application préférée mais non exclusive, l'invention se rapporte à l'usinage de pièces de grand diamètre telles que les rotors de turbines hydrauliques comme les turbines Francis ou Kaplan ou encore les rotors de turbines pompes réversibles utilisés pour la production d'électricité. Les rotors des turbines hydrauliques utilisés pour la production d'électricité sont généralement des pièces de grand diamètre de l'ordre de plusieurs mètres qui sont obtenues par l'assemblage mécanosoudé de différents éléments. Afin d'assurer un bon guidage et une certaine étanchéité entre le rotor et le stator qui l'entoure, il est nécessaire après assemblage des éléments constitutifs du rotor de procéder à un usinage des surfaces d'étanchéité. À cet effet, et compte tenu du poids du rotor, il est généralement utilisé un dispositif d'usinage comprenant un support adapté sur le rotor et équipé de moyens d'usinage qui sont adaptés sur le support pour être mobiles par rapport à ce dernier et assurer un usinage d'une surface périphérique externe du rotor. Un tel dispositif permet effectivement l'usinage des régions périphériques, dites labyrinthes d'étanchéité, d'un rotor mais présentent toutefois l'inconvénient de ne pas permettre un travail sur des régions internes du rotor. De plus, les dispositifs connus ne permettent pas d'assurer l'usinage de l'ensemble des régions périphériques du rotor sans qu'il soit nécessaire de procéder à un démontage ou un repositionnement du dispositif d'usinage. Ainsi, il est apparu le besoin d'un nouveau type de dispositif d'usinage qui présente une grande polyvalence et permette d'assurer notamment un usinage des régions internes et externes d'une pièce de grandes dimensions sans qu'il soit nécessaire de procéder au démontage du dispositif. Afin d'atteindre ces objectifs, l'invention concerne un dispositif pour l'usinage d'une pièce de grand diamètre d'axe A disposé sensiblement verticalement, comprenant un support adaptable sur la pièce à usiner, des 2906744 2 moyens d'usinage qui sont adaptés sur le support pour être mobiles par rapport au support et à la pièce à usiner, et une unité de commande des moyens d'usinage. Selon l'invention, le dispositif d'usinage est caractérisé en ce que: 5 ^ le support comprend : ^ une embase annulaire d'axe A' ouverte en son centre et équipée sur sa face inférieure de moyens de fixation sur la pièce à usiner de manière que l'axe A' coïncide sensiblement avec l'axe A, ^ un plateau qui est adapté sur le dessus de l'embase annulaire 10 pour être mobile en rotation d'axe A' et qui est en partie au moins ouvert pour offrir un accès, à une partie au moins des moyens d'usinage, à la région de la pièce à usiner située sous l'ouverture centrale de l'embase annulaire, ^ des moyens d'entraînement en rotation du plateau pilotés par 15 l'unité de commande, ^ les moyens d'usinage comprennent : ^ une poutre adaptée sur le plateau de manière à s'étendre latéralement, en partie au moins, à l'extérieur du plateau, ^ un chariot mobile en translation le long d'une voie de guidage, 20 d'axe X, porté par la poutre et associé à des moyens moteurs pilotés par l'unité de commande, l'axe X étant sensiblement perpendiculaire à l'axe A' et la voie de guidage s'étendant de manière à permettre au chariot de se déplacer entre l'aplomb de l'ouverture du plateau et une région située latéralement en dehors 25 du plateau, ^ un bras mobile ou télescopique en translation d'axe Z porté par le chariot et associé à des moyens moteurs pilotés par l'unité de commande, l'axe Z étant sensiblement parallèle à l'axe A', ^ un ensemble d'usinage équipé d'au moins un outil d'usinage, 30 adapté sur le bras mobile et piloté par l'unité de commande, ^ l'unité de commande est adaptée pour assurer un fonctionnement coordonné des moyens d'entraînement en rotation, des moyens moteurs 2906744 3 et de l'ensemble d'usinage de manière à permettre un usinage d'au moins une région périphérique externe d'axe A de la pièce à usiner ainsi qu'un usinage d'une région interne de la pièce à usiner. La mise en oeuvre d'un support comprenant une embase annulaire et 5 un plateau à jour permet, en combinaison avec l'extension ou le déport de la poutre à l'extérieur du plateau, d'usiner les régions situées à la périphérie de la pièce à usiner ainsi que les régions situées à l'intérieur de cette dernière sous la poutre ou sous la région ouverte de l'embase et du plateau. De manière préférée, la poutre présente des dimensions adaptées pour 10 permettre un usinage d'une région périphérique externe d'axe A de la pièce à usiner. De manière plus particulièrement préférée, la longueur de la poutre permet cet usinage externe sans qu'il soit nécessaire de déplacer en translation la poutre par rapport au plateau. Selon l'invention, le plateau du support peut être réalisé de toute façon 15 appropriée et comprendre par exemple une ouverture uniquement au niveau de la région en regard de laquelle le chariot est susceptible de se déplacer. Toutefois, dans une forme préférée de réalisation selon l'invention, le plateau présente une forme générale annulaire avec éventuellement une traverse de renfort s'étendant diamétralement. 20 Selon une caractéristique de l'invention visant à augmenter la polyvalence de la machine et à permettre pour une longueur de poutre donnée d'usiner des pièces de grand diamètre sans qu'il soit nécessaire d'augmenter la longueur de poutre, le dispositif d'usinage comprend des moyens de fixation de la poutre sur le plateau adaptés pour permettre une 25 translation radiale de la poutre et associés à des moyens moteurs pilotés par l'unité de commande. Selon une autre caractéristique de l'invention visant à augmenter encore la polyvalence du dispositif d'usinage : ^ la poutre est adaptée de manière amovible sur le plateau, 30 ^ le dispositif d'usinage comprend en outre une structure porteuse adaptée pour recevoir de manière amovible la poutre et la supporter à distance du sol, 2906744 4 ^ l'embase du support comprend des moyens de fixation au sol ou sur la structure porteuse de manière à permettre un positionnement du support sous la poutre, ^ le plateau du support est équipé de moyens de maintien d'une pièce à 5 usiner de grand diamètre d'axe A, la pièce à usiner étant positionnée de manière que son axe A coïncide sensiblement avec l'axe A' de rotation du plateau, ^ l'unité de commande est adaptée pour, lorsque la poutre est adaptée sur la structure porteuse et que le plateau du support, séparé de la poutre, 10 porte la pièce à usiner sous la poutre, assurer un fonctionnement coordonné des moyens d'entraînement en rotation, des moyens moteurs et de l'ensemble d'usinage de manière à permettre un usinage d'au moins une région périphérique d'axe A de la pièce à usiner. Ainsi, les ensembles constitutifs du dispositif d'usinage selon l'invention 15 comprennent, d'une part, le support et, d'autre part, la poutre et ses équipements qui peuvent être utilisés en combinaison l'un avec l'autre sans nécessairement être fixés l'un à l'autre. Le dispositif d'usinage selon l'invention est donc alors en mesure d'offrir, selon la nature des pièces à usiner, la meilleure configuration possible pour assurer de manière optimale 20 les travaux souhaités. Selon encore une autre caractéristique de l'invention utilisable tant dans le cas de la fixation du support sur la pièce à usiner que dans le cadre de la fixation du support sur un bâti fixe ou au sol, les moyens de fixation de l'embase sont adaptés pour permettre une correction des défauts 25 dimensionnels de la pièce à usiner ou du sol pour assurer une horizontalité de l'embase ou du plateau selon une tolérance donnée. Selon une autre caractéristique de l'invention visant à corriger de manière dynamique les éventuels défauts géométriques du dispositif d'usinage induit notamment par sa fixation sur la pièce à usiner ou sur un 30 autre support, l'unité de commande est adaptée pour, par le pilotage coordonné des moyens d'entraînement en rotation, des moyens moteurs et de l'ensemble d'usinage, compenser de manière automatique les 2906744 5 déplacements parasites au niveau de l'outil d'usinage qui auraient pu être engendrés par des défauts de planéité de l'embase et/ou par des défauts géométriques de la rotation du plateau. Bien entendu, les différentes caractéristiques de l'invention évoquées 5 ci-dessus peuvent être mises en oeuvre les unes avec les autres selon différentes combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. Par ailleurs, diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui 10 montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La fig. 1 est une perspective schématique montrant un dispositif d'usinage selon l'invention monté sur un rotor de turbine hydraulique. La fig. 2 est une coupe partielle axiale de l'ensemble constitué par le 15 dispositif d'usinage selon l'invention et le rotor tel qu'illustré à la fig. 1. La fig. 3 est une vue schématique d'un exemple de réalisation d'un ensemble d'usinage ou d'une tête d'usinage susceptibles d'équiper le dispositif d'usinage selon l'invention. La fig. 4 est une perspective analogue à la fig. 1 montrant la poutre du 20 dispositif d'usinage équipée à l'une de ses extrémités d'un contrepoids et à l'extrémité opposée d'un bras d'usinage déporté. La fig. 5 est une coupe partielle axiale montrant le dispositif d'usinage selon l'invention adapté sur un bâti ou châssis fixe placé au centre d'une pièce annulaire à usiner. 25 La fig. 6 est une perspective schématique d'une autre configuration de mise en oeuvre du dispositif d'usinage dans laquelle la poutre et ses équipements sont supportés par une structure porteuse tandis que le support porte la pièce à usiner en étant placé sous la poutre. La fig. 7 est une élévation du dispositif d'usinage selon l'invention dans 30 sa configuration telle qu'illustrée à la fig. 6. Un dispositif d'usinage selon l'invention, tel qu'illustré aux fig. 1 et 2 et désigné dans son ensemble par la référence 1, est dans une forme préférée 2906744 6 de mise en oeuvre destinée à être fixé sur la pièce P dont il doit usiner certaines parties. La pièce P est le plus souvent une pièce tournante telle qu'un rotor de turbine qui possède un grand diamètre de l'ordre de plusieurs mètres et dont l'axe A est disposé sensiblement verticalement. 5 Afin de permettre sa fixation sur la pièce P, le dispositif d'usinage 1 comprend un support 2 qui comprend une embase annulaire 3 équipée de moyens de fixation 3' sur la pièce P. Les moyens de fixation 3' sont de préférence adaptés pour permettre d'assurer une bonne horizontalité de l'embase malgré les éventuels défauts de la pièce P. A cet effet, les moyens 10 de fixation 3' sont par exemple associés à des ensembles de vérins à vis. Le support 2 comprend également un plateau 4 qui possède selon l'exemple illustré une forme annulaire correspondant sensiblement à la forme annulaire de l'embase 3, de sorte que l'espace central de l'embase 3 et du plateau 4 est dégagé. Le plateau 4 est adapté sur le dessus de l'embase 3 pour être 15 mobile en rotation selon un axe A'. L'embase 3 est alors adaptée sur la pièce P de manière que l'axe A' de rotation du plateau 4 coïncide sensiblement avec l'axe A. Le support 2 comprend en outre des moyens 5 d'entraînement en rotation du plateau 4. Le support 2 ainsi constitué est, selon l'exemple illustré, destiné à 20 porter les moyens d'usinage 10 du dispositif 1 selon l'invention. Les moyens d'usinage 10 comprennent une poutre 11 qui est adaptée sur le plateau 2 de manière à s'étendre latéralement sur un côté au moins et, selon l'exemple illustré, sur deux côtés à l'extérieur du plateau 4. Dans une forme préférée de réalisation, la poutre possède une longueur 25 supérieure à un mètre et, de manière plus particulièrement préférée, de l'ordre de plusieurs mètres en étant supérieure ou égale au diamètre de la pièce à usiner. Les moyens d'usinage 10 comprennent aussi un chariot 12 mobile en translation le long d'une voie de guidage 13 portée par la poutre 11. La voie 30 de guidage 13 s'étend selon une direction d'axe X sensiblement perpendiculaire à l'axe A'. Le chariot 12 est alors associé à des moyens 2906744 7 moteurs, non représentés, assurant son déplacement le long de la voie de guidage 13. Les moyens d'usinage 10 comprennent également un bras 14 porté par le chariot 12. Le bras 14 est alors mobile en translation verticale d'axe Z 5 sensiblement parallèle à l'axe A'. Le bras 14 est également associé à des moyens moteurs, non représentés, assurant son déplacement selon l'axe Z. Le bras 14 est en outre équipé d'un ensemble d'usinage 15 qui, selon l'exemple illustré, est fixé à l'extrémité inférieure du bras 14. L'ensemble d'usinage 15 peut être réalisé de toute manière appropriée 10 et selon l'exemple illustré comprend comme le montre plus particulièrement la fig. 3 un berceau 20 adapté sur le bras 14 pour être mobile en rotation selon l'axe Z. La rotation du berceau 20 étant assurée par des moyens moteurs non représentés. Le berceau 20 porte alors une tête d'usinage ou une électrobroche 21 qui est mobile en rotation selon un axe R1 15 perpendiculaire à l'axe Z, le mouvement de l'électrobroche 21 étant assuré par des moyens moteurs non représentés. L'électrobroche 21 possède alors une broche 22 de fixation d'un outil d'usinage 23 animé d'un mouvement de rotation selon un axe R2 perpendiculaire à l'axe R1. Afin de pouvoir travailler dans la région axiale de la pièce P, la poutre 20 11 est, de préférence, adaptée sur le plateau 4 de manière que l'axe R2 puisse être placé de manière à coïncider avec l'axe A'. Dans le même sens, la voie de guidage 13 est réalisée pour permettre un tel positionnement ainsi qu'un placement du chariot 12 en déport par rapport au plateau 4. Le dispositif d'usinage 1 comprend enfin l'unité de commande 25 qui 25 est adaptée pour piloter le fonctionnement coordonné des moyens d'entraînement en rotation 5, des moyens moteurs associés au mouvement de translation et de rotation des moyens d'usinage 10 ainsi que de l'électrobroche ou tête d'usinage 21. L'unité de commande 25 permet ainsi de faire fonctionner le dispositif 30 d'usinage 1 de manière à assurer un usinage des surfaces périphériques externes S1 et S2 de la pièce P ainsi que des surfaces internes ou latérales 2906744 8 S3 et S4 de la pièce située sous la région ouverte de l'embase annulaire 3 et du plateau 4. Dans une forme préférée de réalisation, l'unité de commande 25 est adaptée pour corriger ou prévenir les mouvements parasites 10 pouvant être 5 engendrés au niveau de l'outil 23 en réseau d'un défaut de planéité de l'embase 3 et/ou de défauts géométriques de la rotation des moyens d'usinage et notamment de la poutre 11, du bras 14 ou encore de l'électrobroche 21. À cet effet, la mise en oeuvre du dispositif d'usinage selon l'invention fera intervenir une phase d'étalonnage pendant laquelle 10 l'outil 23 est remplacé par une cible. Pendant la phase d'étalonnage, le chariot 12, le bras 14 et l'ensemble d'usinage 15 sont positionnés pour que l'axe de la cible soit confondu avec l'axe A'. La rotation du plateau 24 est alors commandée et les déplacements parasites dans les trois dimensions de la cible sont enregistrés pour ensuite être utilisés par l'unité de commande 15 25 pour modifier le programme d'usinage de manière à annuler les effets de ces déplacements parasites de l'ensemble d'usinage 10. Le dispositif d'usinage selon l'invention peut être utilisé dans différentes configurations. Ainsi la fig. 4 montre une autre configuration d'utilisation dans laquelle la poutre 11 possède à ses extrémités des moyens de fixation, 20 d'une part, d'un contrepoids 26 et d'autre part d'un bras déporté d'usinage 27. La fig. 5 montre un autre mode d'utilisation du dispositif d'usinage selon l'invention, dans lequel l'embase 3 du support est adaptée sur un bâti fixe 30 situé au centre d'une pièce annulaire P' à usiner. Il doit être noté 25 que selon cet exemple de mise en oeuvre le déport de la poutre 11 est augmenté par rapport à celui illustré à la fig. 2. À cet effet, le dispositif d'usinage comprend des moyens de fixation 31 de la poutre sur le plateau 4 adaptés pour permettre une translation radiale de la poutre 11. Les moyens de fixation 31 sont alors associés à des moyens moteurs non représentés 30 pilotés par l'unité de commande 25. Dans une forme préférée de réalisation de l'invention, le support 12 et les moyens d'usinage 10 sont adaptés de manière à pouvoir être utilisés en 2906744 9 combinaison sans que la poutre 10 soit fixée sur le plateau 2. À cet effet, la poutre 11 est adaptée de manière amovible sur le plateau 2. Le dispositif d'usinage comprend alors, comme le montrent les fig. 6 et 7, une structure porteuse 40 adaptée pour recevoir de manière amovible la 5 poutre 11 et la supporter à distance du sol. L'embase 3 est alors fixée sur le sol en dessous de la poutre 11 et le plateau 4 reçoit la pièce P" à usiner. Dans cette configuration, l'unité de commande 25 assure alors un fonctionnement coordonné des moyens d'entraînement en rotation des moyens moteurs et de l'ensemble d'usinage de manière à permettre 10 l'usinage de régions périphérique et latérale ainsi qu' interne de. la pièce à usiner P". Bien entendu, diverses autres modifications peuvent être apportées au dispositif d'usinage 1 sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour l'usinage d'une pièce (P) de grand diamètre d'axe A disposé sensiblement verticalement, comprenant un support (2) adaptable sur la pièce à usiner (P), des moyens d'usinage (10) qui sont adaptés sur le support (2) pour être mobiles par rapport au support et à la pièce à usiner, et une unité de commande (25) des moyens d'usinage (10), caractérisé en ce que : • le support (2) comprend : ^ une embase annulaire (3), d'axe A', ouverte en son centre et équipée sur sa face inférieure de moyens (3') de fixation sur la pièce à usiner de manière que l'axe A' coïncide sensiblement avec l'axe A, ^ un plateau (4) qui est adapté sur le dessus de l'embase annulaire (3) pour être mobile en rotation d'axe A' et qui est en partie au moins ouvert pour offrir un accès, à une partie au moins des moyens d'usinage (10), à la région de la pièce à usiner située sous l'ouverture centrale de l'embase annulaire (3), ^ des moyens d'entraînement en rotation du plateau pilotés par l'unité de commande, ^ les moyens d'usinage comprennent : • une poutre (11) adaptée sur le plateau (4) de manière à s'étendre latéralement, en partie au moins, à l'extérieur du plateau (4), ^ un chariot (12) mobile en translation le long d'une voie de guidage, d'axe X, porté par la poutre (11) et associé à des moyens moteurs pilotés par l'unité de commande, l'axe X étant sensiblement perpendiculaire à l'axe A' et la voie de guidage (13) s'étendant de manière à permettre au chariot (12) de se déplacer entre l'aplomb de l'ouverture du plateau (4) et une région située latéralement en dehors du plateau (4), ^ un bras mobile (14) ou télescopique en translation d'axe Z porté par le chariot (12) et associé à des moyens moteurs pilotés par 2906744 11 l'unité de commande, l'axe Z étant sensiblement parallèle à l'axe A', ^ un ensemble d'usinage (15) équipé d'au moins un outil d'usinage, adapté sur le bras mobile (14) et piloté par l'unité de commande 5 (25), ^ l'unité de commande (25) est adaptée pour assurer un fonctionnement coordonné des moyens d'entraînement en rotation, des moyens moteurs et de l'ensemble d'usinage (15) de manière à permettre un usinage d'au moins une région périphérique externe d'axe A de la pièce à usiner (P) 10 ainsi qu'un usinage d'une région interne de la pièce à usiner. 2 - Dispositif d'usinage selon la revendications 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (31) de fixation de la poutre (11) sur le plateau adaptés pour permettre une translation radiale de la poutre (11) et associé à des moyens moteurs pilotés par l'unité de commande (25). 15 3 - Dispositif d'usinage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que : ^ la poutre (11) est adaptée de manière amovible sur le plateau (4), ^ le dispositif d'usinage comprend en outre une structure porteuse (40) adaptée pour recevoir de manière amovible la poutre et la supporter à 20 distance du sol, ^ l'embase (3) du support (2) comprend des moyens de fixation au sol ou sur la structure porteuse de manière à permettre un positionnement du support sous la poutre, ^ le plateau du support (4) est équipé de moyens de maintien d'une pièce à 25 usiner (P") de grand diamètre d'axe A, la pièce à usiner étant positionnée de manière que son axe A coïncide sensiblement avec l'axe A' de rotation du plateau, ^ l'unité de commande (26) est adaptée pour, lorsque la poutre (11) est adaptée sur la structure porteuse (40) et que le plateau (4) du support 30 (2), séparé de la poutre, porte la pièce à usiner (P") sous la poutre (11), assurer un fonctionnement coordonné des moyens d'entraînement en rotation, des moyens moteurs et de l'ensemble d'usinage de manière à 2906744 12 permettre un usinage d'au moins une région périphérique d'axe 0 de la pièce à usiner (P"). 4 - Dispositif d'usinage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens (3') de fixation de l'embase (3) sont adaptés pour 5 permettre une correction des défauts dimensionnels de la pièce à usiner ou du sol pour assurer une horizontalité de l'embase (3) ou du plateau (4) selon une tolérance donnée. 5 - Dispositif d'usinage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'unité de commande (25) est adaptée pour, par le pilotage 10 coordonné des moyens d'entraînement en rotation, des moyens moteurs et de l'ensemble d'usinage, compenser de manière automatique les déplacements parasites au niveau de l'outil d'usinage (23) qui auraient pu être engendrés par des défauts de planéité de l'embase (3) et/ou par des défauts géométriques de la rotation du plateau (4). 15