Brevet FR2924634A1 — publié le 20090612

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne la réalisation de volumes ou de pièces tridimensionnelles qui présentent une face ou une forme de révolution et dont la structure est constituée d'une pluralité de cavités séparées par des parois de faible épaisseur. Elle concerne plus particulièrement l'usinage de structures formées de corps creux à parois minces pour réaliser de telles pièces. La fabrication de telles pièces, comme par exemple des structures de garnissage pour colonnes d'échange de fluide, comprend la réalisation d'une structure ou d'un bloc formé d'un assemblage de corps creux à paroi mince (par exemple des tubes, des alvéoles, etc.) puis l'usinage de ce bloc à la forme et aux dimensions de la pièce finale à réaliser. Toutefois, l'usinage de ce type de structure est problématique. En effet, en raison de la faible épaisseur des parois, les outils d'usinage traditionnels tels que les meules ou similaires ne sont pas adaptés. L'effort de coupe produit par ces outils est trop important et conduit à la déformation et/ou la destruction des parois empêchant ainsi la formation de la pièce finale. Le jet d'eau sous pression peut apporter une solution à ce problème car il permet d'éviter un contact direct avec le matériau à attaquer et n'engendre pas ainsi d'effort de coupe sur ce dernier. Cependant, le jet d'eau est principalement utilisé comme outil de découpe pour des matériaux pleins et non pour des corps creux. En effet, il est connu que la découpe d'un corps creux au jet d'eau est très imprécise et entraîne l'apparition de dépouilles et de bavures importantes. La figure 1 illustre la découpe au jet d'eau d'une structure 10 formée de deux tubes 11 et 12 juxtaposés. La découpe de cette structure est réalisée en projetant, à grande vitesse et à partir d'une buse 1, un jet d'eau 2 qui vient frapper en premier lieu la partie supérieure 12a de la paroi du tube 12. On constate que le jet dévie et diverge après avoir traversé la partie supérieure 12a de la paroi du tube 12. L'attaque de la paroi suivante, à savoir la partie inférieure 12b du tube 12, devient alors imprécise tant en ce qui concerne la position de la découpe que la taille de celle-ci. Cette imprécision d'attaque s'aggrave au fur et à mesure des parois successivement rencontrées par le jet d'eau, ici les parties supérieures et inférieures 11a, llb de la paroi du tube 11. Comme illustrée sur la figure 1, lors de l'usinage de structures formées de cavités à parois minces, chaque paroi traversée joue le rôle d'un diaphragme pour le jet d'eau projeté si bien qu'il est impossible d'obtenir une ligne de découpe précise sur l'ensemble des parois successives à découper. La direction et la ligne de découpe avec un jet d'eau ne peuvent être maîtrisées qu'avec des matériaux pleins. En outre, dans le cas d'une découpe au jet d'eau de corps creux, la divergence du jet d'eau entraîne une perte d'énergie de ce dernier. La force de coupe du jet peut être alors insuffisante pour attaquer les parois suivantes, ce qui conduit à une découpe incomplète de la structure attaquée. Une autre solution pour usiner des structures formées de corps creux consiste à utiliser des outils de coupe à très haute vitesse. Toutefois ce type d'outil est utilisé essentiellement pour l'usinage de précision sur des petites dimensions. Son utilisation n'est pas adaptée pour l'usinage de pièces de révolution de dimensions relativement importantes notamment en raison des coûts que ce type d'outil implique (remplacement fréquent des outils de coupe nécessaire). Objet et résumé de l'invention La présente invention a pour but de proposer une méthode permettant d'usiner des pièces avec au moins une face de révolution dans des structures ou des blocs formés d'une pluralité de corps creux à paroi mince, et ce sans détérioration des parois et/ou des liaisons entre les parois des corps creux tout en assurant une précision de découpe fiable de la structure pour obtenir la forme finale. Ce but est atteint du fait que, conformément à l'invention, la partie de révolution de la pièce est directement usinée au jet d'eau dans une structure formée d'une pluralité de corps creux à parois minces, la structure étant attaquée avec un jet d'eau sous pression orienté tangentiellement par rapport à l'enveloppe externe de la partie de révolution à réaliser. Ainsi, le procédé de fabrication de l'invention offre une solution pour usiner au jet d'eau des structures formées de corps creux à parois fines en évitant les problèmes d'imprécision de découpe jusqu'ici rencontrés lors des découpes de corps creux au jet d'eau. En effet, en attaquant la structure avec un jet d'eau orienté tangentiellement à l'enveloppe externe de la partie de révolution de la pièce à réaliser, le jet d'eau est toujours dirigé vers l'extérieur de la forme de la pièce à réaliser. Par conséquent, même en cas de déviation ou de divergence du jet après son point d'attaque, le jet d'eau ne peut pas attaquer la matière utile de la structure usinée, à savoir le volume destiné à constituer la partie de révolution de la pièce à réaliser. En outre, en attaquant la structure avec un jet orienté de manière tangentielle par rapport à l'enveloppe externe de la forme de révolution à réaliser, le procédé de l'invention permet d'utiliser le jet d'eau comme un véritable outil d'usinage alors qu'il est habituellement utilisé 20 uniquement comme outil de découpe. En effet, avec cette orientation, le jet d'eau attaque chaque paroi de la structure avec un point de découpe et non suivant une ligne de découpe impossible à maîtriser après l'attaque de la première paroi (divergence), ce qui permet de générer de façon précise dans la structure la forme à réaliser. En d'autres termes, le 25 procédé de l'invention permet de réaliser un usinage dit "par travail d'enveloppe", c'est-à-dire un usinage dans lequel c'est le point de coupe du jet d'eau qui travaille et qui constitue le point générateur de la forme recherchée. L'usinage par travail d'enveloppe est habituellement mis en oeuvre avec des outils de coupe mécaniques (par exemple une fraise) qui 30 ne génère pas de ligne de découpe et non avec des outils de projection comme le jet d'eau. Selon un aspect de l'invention, les parois des corps creux présentent une épaisseur inférieure à 1 Selon un autre aspect de l'invention, la structure est formée d'une pluralité de tubes orientés suivants plusieurs directions, les tubes étant liés entre eux au niveau de leur portion de contact. Les tubes peuvent être en matériau composite, ou en métal, ou en matériau thermoplastique, ou en matériau thermodurcissable. Dans le cas où les tubes sont en matériau composite, ceux-ci peuvent être notamment en carbone-carbone, carbone-céramique ou céramique. Le procédé selon l'invention peut être utilisé pour fabriquer des pièces qui présentent, par exemple, une enveloppe externe cylindrique de révolution mais également pour des pièces qui présentent une ou plusieurs faces de révolution. Pour réaliser l'usinage d'une pièce comprenant au moins une face de révolution à partir d'une structure formée d'une pluralité de corps creux comprenant des parois ayant une épaisseur inférieure à 1 mm, on peut utiliser notamment les paramètres suivants: Pression jet d'eau en sortie de buse comprise entre 1500 et 5000 bars; Eau pure ou chargée en abrasifs suivant la nature du matériau des parois à attaquer; Vitesse de coupe comprise entre 0.8 et 1.5 m/ n; Diamètre de buse compris entre 0.1 et 2 mm. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1, déjà décrite, illustre schématiquement la déviation et la dispersion d'un jet d'eau sous pression lors de la découpe de plusieurs parois simultanément; - la figure 2 est une vue en perspective d'une pièce brute à usiner constituée d'un assemblage ordonné de tubes; - les figures 3 et 4 sont des vues schématiques en perspective montrant deux ébauches successives réalisées lors d'étapes de dégrossissage de la pièce brute de la figure 2; - la figure 5 est une vue schématique en perspective d'une machine-outil utilisée pour mettre en oeuvre l'usinage tangentiel d'une pièce constituée de corps creux à parois minces conformément à l'invention; - les figures 6 et 7 sont des vues en coupe montrant l'usinage tangentiel réalisé sur la machine-outil de la figure 5; - la figure 8 est une vue en perspective d'une pièce cylindrique obtenue conformément au procédé de fabrication de l'invention; et la figure 9 est une vue en perspective d'une autre pièce comportant une face de révolution également obtenue conformément au procédé de fabrication de l'invention. Description détaillée d'un mode de réalisation La présente invention s'applique à l'usinage de formes de révolution dans des structures ou blocs constitués de corps creux à parois minces tels que des tubes ou des nids d'abeille par exemple. On entend ici par "parois minces" des parois présentant une épaisseur inférieure à 1 mm. Les formes de révolution à réaliser peuvent concerner seulement une partie de la pièce, comme une face par exemple, ou toute la périphérie externe de la pièce. On décrit, en relation avec les figures 2 à 6, un procédé de fabrication d'une pièce conforme à un mode de réalisation de l'invention. Plus précisément, dans cet exemple de mise en oeuvre, le procédé de l'invention est utilisé pour réaliser une pièce de forme cylindrique à partir d'un bloc formé d'un assemblage de tubes. La pièce à réaliser peut être destinée par exemple à former un élément de garnissage pour une colonne d'échange de fluide. Comme représenté sur la figure 2, on cherche à réaliser une pièce finale 120 à partir d'un bloc sensiblement parallélépipédique 100 constitué d'un assemblage ordonné de tubes 101 orientés suivants quatre directions distincts. La technique de construction d'un tel bloc est décrite en détail dans les documents US 4 168 337 et US 2007/0096347. Les tubes 101 peuvent être réalisés en matériau composite tel que du carbone ou de la céramique (SIC), ou bien encore en matériau métallique, thermoplastique ou thermodurcissable. Les tubes présentent de préférence une épaisseur de paroi aussi mince que possible et au moins inférieure à 1 mm. Dans le cas de tubes en matériau composite (ex. tubes carbone ou SiC), les tubes peuvent être formés, par exemple, à partir de tresses, d'enroulements filamentaires, de bandes enroulées ou de tubes pultrudés ou non qui sont maintenus en forme sur une tige support et consolidés par voie liquide, c'est-à-dire en imprégnant la tresse avec une résine cokéfiable et infiltrable, telle qu'une résine phénolique, et en réticulant la résine par traitement thermique. Les parois des tubes peuvent en outre comporter de multiples ouvertures ou perforations. Dans le présent exemple, les tubes sont formés en matériau composite carbone/carbone et présente une épaisseur d'environ 0,2 mm. La liaison entre les tubes est réalisée seulement au niveau des portions de contact entre les tubes. Par conséquent, le bloc 100 présente une structure relativement fragile à la fois au niveau des tubes en raison de leur faible épaisseur de paroi et au niveau de leur liaison avec les tubes adjacents. La figure 2 montre le gabarit de la pièce 120 qui doit être extrait du bloc 100. Dans l'exemple décrit ici, le bloc 100 présente une forme et des dimensions initiales relativement différentes de celles de la pièce 120 à réaliser. Dans ce cas, le procédé de l'invention comprend des étapes préalables qui consistent à dégrossir le bloc 100 de manière à se rapprocher de la forme définitive de la pièce à réaliser avant d'attaquer l'usinage tangentiel conformément à l'invention. La figure 3 montre une première étape de dégrossissage dans laquelle une première ébauche de section polygonale 102 est formée dans le bloc 100. La figure 4 montre une seconde étape de dégrossissage dans laquelle on usine une seconde ébauche de section polygonale 103 à partir de la première ébauche 102 usinée précédemment. L'ébauche 103 est considérée comme ayant une forme et des dimensions suffisamment proches de la pièce à réaliser pour pouvoir procéder à l'usinage final de la pièce. La formation des ébauches 102, 103 lors du dégrossissage peut être réalisée par découpe au jet d'eau ou éventuellement avec des outils de coupe à grande vitesse tels qu'une meule. En effet, l'enlèvement de matière lors de ces étapes de dégrossissage se fait suffisamment loin de la forme définitive de la pièce à réaliser. D'une manière générale, le nombre d'étapes de dégrossissage dépend de la forme et des dimensions de la structure de départ ainsi que des capacités de l'outil d'usinage au jet d'eau utilisé pour l'usinage final. Une fois les étapes de dégrossissage terminées, c'est-à-dire lorsque la pièce dégrossie présente une forme et des dimensions tellement proches de la pièce finale à réaliser qu'il n'est plus possible de réaliser de découpe de matière sans risque d'attaquer la matière utile de la pièce finale, on procède à l'usinage tangentiel de la pièce à réaliser. A cet effet, comme représenté sur la figure 5, la pièce dégrossie ou ébauche 103 est placée dans une machine-outil 200 comprenant une tête de découpe par jet d'eau sous pression 210 comprenant une buse 211 montée sur un chariot 215 apte à se déplacer suivant une direction X sur un rail 213 lui- même mobile suivant une direction Y. La pièce dégrossie 103 est maintenue, d'un côté, par un mandrin d'entraînement en rotation 201 et, de l'autre côté, par un support de maintien 202 libre en rotation. Conformément à l'invention, la pièce dégrossie 103 est attaquée avec un jet d'eau sous pression 212 dirigé tangentiellement par rapport à l'enveloppe externe de la pièce 120 à réaliser. En fonction de la nature du matériau à usiner, un abrasif 214 peut être en outre introduit via un conduit 213 disposé en amont de la sortie de la buse pour permettre le mélange de l'abrasif avec l'eau avant sa sortie. Lors d'une passe, la buse 211 se déplace suivant la direction X à partir de l'extrémité de la pièce située du côté du support de maintien 202 jusqu'à l'autre extrémité de la pièce située du côté du mandrin 201 tandis que la pièce est entraînée en rotation suivant la direction R indiquée sur la figure 5. Lors de la passe suivante, la buse 211 est déplacée suivant la direction Y vers l'intérieur de la pièce afin de repositionner le jet d'eau sous pression 212 sur la matière (les tubes) à attaquer. Conformément à l'invention et comme représenté sur les figures 6 et 7, le jet d'eau sous pression 212 attaque successivement les parois des tubes de la pièce avec un point d'attaque dirigé tangentiellement par rapport à l'enveloppe de la pièce 120 à réaliser. De cette façon, le jet 212 attaque toujours un seul tube 101a à la fois (figure 7) et les parois des tubes situées après celle du tube attaqué en premier sont en dehors de l'enveloppe de la pièce finale 120 à réaliser. Le nombre de passes dépend principalement de l'épaisseur de matière à enlever en fonction de la profondeur de passe. Les figures 5 à 7 montrent l'opération d'usinage lors de la dernière passe, c'est-à-dire après avoir réalisé un nombre n de passes illustrées en pointillées sur la figure 6 de sorte que le jet d'eau sous pression 212 attaque une dernière fois la paroi des tubes au plus près de l'enveloppe externe de la pièce 120 à réaliser. Une fois cette dernière passe réalisée, on obtient, comme illustrée sur la figure 8, la pièce 120 définitive qui est constituée d'une pluralité de tubes 101 et qui présente une forme cylindrique. Comme décrit précédemment, le procédé de l'invention peut être appliqué à la réalisation de pièces de forme de révolution (forme cylindrique, ovale, en obus, etc.). Toutefois, le procédé selon l'invention peut également être mis en oeuvre pour former des pièces comprenant une ou plusieurs faces de révolution. La figure 9, illustre une pièce 220 formée d'une pluralité de tubes 201 similaires aux tubes 101 décrit précédemment et comportant des faces sensiblement planes à l'exception de la face 221 qui présente une forme de révolution. Conformément à l'invention, la face de révolution 221 a été usinée de la même façon que celle décrite précédemment pour former la paroi cylindrique de la pièce 120 mais en limitant, à chaque passe, la rotation de la pièce à usiner sur la machine-outil de manière à n'attaquer que la portion du bloc correspondant à la face 221 à réaliser. 10 Comme expliqué précédemment, dans la présente invention, la structure de corps creux est travaillée avec un point d'attaque et non avec une ligne de découpe. Les paramètres tels que la pression du jet n'ont besoin d'être réglés que pour permettre l'attaque d'une seule paroi à la fois. Pour réaliser l'usinage d'une pièce comprenant au moins une face de révolution à partir d'une structure formée d'une pluralité de corps creux comprenant des parois ayant une épaisseur inférieure à 1 mm, on utilise les paramètres suivants: Pression jet d'eau en sortie de buse comprise entre 1500 et 5000 bars; Eau pure ou chargée en abrasifs suivant la nature du matériau des parois à attaquer; Vitesse de coupe comprise entre 0.8 et 1. 5 m/mn; - Diamètre de buse compris entre 0.1 et 2 mm. 15 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une pièce (120) comprenant au moins une face de révolution à partir d'une structure (100) formée d'une pluralité de corps creux (101) à parois minces, caractérisé en ce que la pièce est usinée au jet d'eau dans ladite structure, et en ce que, lors de l'usinage, la structure est attaquée avec un jet d'eau sous pression (212) orienté tangentiellement par rapport à l'enveloppe externe de ladite au moins face de révolution à réaliser. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parois des corps creux (101) présentent une épaisseur inférieure à 1 mm. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le jet d'eau sous pression (212) est chargé avec au moins un matériau abrasif (214). 4. Procédé selon l'une quelconques des revendications 1 à 3, caractérisé en que la structure est formée d'une pluralité de tubes (101 ; 201) orientés suivants plusieurs directions. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les tubes (101 ; 201) sont liés entre eux au niveau de leur portion de contact. 6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les tubes (101 ; 201) sont en matériau composite, ou en métal, ou en matériau thermoplastique, ou en matériau thermodurcissable. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les 0 tubes (101 ; 201) sont en matériau composite carbone-carbone, carbone-céramique ou céramique. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que les parois des tubes (101 ; 201) comportent une multiplicité de perforations. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la pièce (120) usinée dans la structure présente une enveloppe externe cylindrique de révolution.