Brevet FR2947472A1 — publié le 20110107

Procédé et dispositif d'usinage d'une pièce par abrasion La présente invention concerne l'usinage de pièces et plus particulièrement l'usinage de pièces en matériaux composites à matrice 5 céramique. Les matériaux composites à matrice céramique sont généralement désignés par leur acronyme anglais CMC, qui signifie "Ceramic Matrix Composite" (pour Composite à Matrice Céramique). Ces matériaux sont formés 10 d'une matrice céramique, par exemple à base de carbone C ou de carbure de silicium SiC, au sein de laquelle s'étendent des fibres d'un matériau présentant de bonnes caractéristiques de résistance en traction pour reprendre les efforts auxquels est soumis le matériau ; la matrice céramique assure la liaison entre les fibres, garantit leur écartement et leur transmet les efforts auxquels est soumise la 15 pièce en matériau CMC. Les matériaux CMC sont notamment utilisés pour la fabrication de pièces à application dans le domaine aéronautique, en particulier pour la fabrication d'aubes, d'anneaux de turbines, de chambres de combustion, de 20 distributeurs, etc. Les pièces en CMC sont abradables (c'est-à-dire qu'elles sont susceptibles d'être abrasées). Les procédés connus d'usinage des pièces en matériau CMC sont le fraisage, la rectification par meulage, la découpe au jet d'eau, la découpe par faisceau d'électrons ou encore l'usinage à ultrasons. 25 Des problèmes se posent pour l'usinage des pièces formées en matériau CMC, quel que soit le procédé choisi. Les procédés les plus utilisés que sont la rectification et la découpe au jet d'eau soit, sont coûteux, soit ne procurent pas une grande précision d'usinage, ce qui est particulièrement problématique lorsque les pièces sont de formes complexes, d'autant plus dans le domaine aéronautique 30 qui impose des normes avec des tolérances faibles. Par ailleurs, l'utilisation d'un outil tel qu'une meule ou une fraise pour l'usinage d'une pièce en matériau CMC entraîne un encrassement de cet outil, puisque des particules de la pièce en matériau CMC viennent se loger entre les grains du matériau formant l'outil. En outre, la découpe par faisceau d'électrons ou l'usinage à ultrasons sont complexes 35 et onéreux à mettre en oeuvre. L'invention a été développée pour résoudre des problèmes spécifiques aux pièces à usiner en matériau CMC ; elle s'applique donc particulièrement bien à ce type de pièces. Toutefois, la Demanderesse n'entend pas limiter la portée de ses droits à cette seule application et c'est pourquoi l'invention s'applique plus généralement aux pièces composites (par exemple à matrice organique) et plus généralement encore aux pièces destinées à être usinées. C'est ainsi que l'invention concerne un procédé d'usinage d'une pièce par abrasion, dans lequel: - on dispose un pion à une certaine distance de la pièce à usiner, - on entraîne le pion en rotation, - on injecte un liquide abrasif entre le pion en rotation et la pièce pour abraser cette dernière. Grâce à l'invention, le pion sert de support et de moyen d'entraînement au liquide abrasif, qui exerce la fonction d'abrasion. Le pion participe donc indirectement à l'usinage de la pièce par l'intermédiaire du liquide abrasif Le procédé présente ainsi tous les avantages de l'usinage par abrasion, sans en présenter les inconvénients. En particulier, le pion n'étant pas directement utilisé pour l'abrasion de la pièce, il est moins consommé ou encrassé par elle et sa forme reste plus stable, ce qui permet au procédé d'être répétitif avec une bonne constance dans la qualité, seul le liquide étant consommé. Par ailleurs, il est aisé d'adapter le procédé à la pièce à usiner, par adaptation de la nature du liquide abrasif et des différents paramètres qui peuvent être impliqués dans le procédé, au nombre desquels la distance entre la pièce et le pion et donc la pression exercée par le pion sur le liquide et la pièce, la vitesse de rotation du pion, l'éventuelle vitesse de déplacement du pion par rapport à la pièce, la quantité de liquide injectée entre la pièce et le pion, etc. Finalement, le procédé de l'invention comporte des caractéristiques à la fois d'un procédé de fraisage et d'un procédé de rectification par meulage. D'un procédé de fraisage car il met en oeuvre un pion entraîné en rotation. D'un procédé de rectification par meulage car la matière est enlevée de la pièce par abrasion. Ainsi, l'utilisation d'un pion rotatif offre au procédé de l'invention une grande précision et une grande maniabilité dans sa mise en oeuvre, tandis que l'abrasion de la pièce peut se faire de manière très progressive, puisque l'action du liquide abrasif, entraîné par le pion, s'exerce tangentiellement à la surface abrasée de la pièce. Selon une forme de réalisation préférée, on injecte du liquide en continu 5 au cours du procédé, pour garantir la constance de son action sur la pièce. Selon une forme de réalisation préférée, le liquide abrasif comporte un liquide avec une suspension de particules d'un matériau abrasif En particulier, les effets du procédé peuvent être adaptés par modification de la nature du 10 liquide, de la granulométrie desdites particules, de leur concentration, de leur dureté, etc. Préférentiellement les particules abrasives utilisées sont réalisées en carbure de bore. De préférence, le pion étant formé dans un matériau présentant une 15 certaine dureté, la pièce étant formée dans un matériau présentant une certaine dureté, le matériau abrasif du liquide abrasif présente une dureté comprise entre la dureté du pion et la dureté de la pièce. On garantit ainsi que le liquide a un effet abrasif sur la pièce mais pas sur le pion et que ce dernier n'est pas consommé, ce qui améliore la reproductibilité stable du procédé dans le temps. 20 Selon une forme de réalisation, le pion est également entraîné en translation le long de la pièce, par exemple d'une façon similaire à celle d'une opération de fraisage conventionnel latéral. Cela permet d'usiner une plus grande surface de la pièce avec le pion, de manière maniable et précise. Le procédé est particulièrement adapté à l'usinage de pièces réalisées en matériaux du type des CMC. L'invention concerne également un dispositif d'usinage d'une pièce par 30 abrasion, comprenant un pion, des moyens de positionnement du pion par rapport à la pièce, des moyens d'entraînement du pion en rotation et des moyens d'injection d'un liquide abrasif entre le pion en rotation et la pièce pour abraser cette dernière. 35 Le dispositif de l'invention présente les mêmes avantages que le procédé présenté ci-dessus. 25 Selon une forme de réalisation préférée, le dispositif comporte une tige supportant le pion, un châssis supportant la tige et des moyens de positionnement et de fixation de la pièce par rapport au châssis. Selon une forme de réalisation préférée, le pion est formé en matériau non abradable, c'est-à-dire présentant une bonne résistance à l'abrasion. Le pion n'est ainsi pas abrasé par le liquide abrasif et n'est donc que faiblement consommé par le procédé. Selon une forme de réalisation préférée, le pion est formé en matériau non abrasif On garantit ainsi qu'il n'exerce aucune action directe d'abrasion sur la pièce et que cette fonction est intégralement remplie par le liquide abrasif De préférence dans ce cas, le pion est formé en diamant, de préférence en diamant monocristallin, qui présente une dureté très importante. Selon une forme de réalisation préférée, le pion présente une surface extérieure lisse. Il est ainsi garanti qu'il n'exerce pas directement de fonction abrasive. Selon une forme de réalisation préférée, le pion est une pièce de révolution autour d'un axe avec une surface extérieure de forme correspondant à une révolution d'une génératrice autour de l'axe du pion. 25 Selon une forme de réalisation particulière, la pièce à usiner présentant une surface avec une forme particulière en vue de profil de cette surface, le pion présente une surface de révolution dont la génératrice a la forme de ladite forme particulière de la surface de la pièce. Le pion permet ainsi d'usiner directement la pièce à sa forme finale en vue de profil, sans qu'il soit nécessaire de le déplacer le 30 long de ce profil de la pièce. Si la surface de la pièce présente un tel profil sur une certaine longueur, il suffit alors de déplacer le pion le long de cette longueur pour conférer à la pièce le profil souhaité. Cela permet la mise en oeuvre d'un procédé à la fois plus rapide et plus précis, la forme étant garantie par la forme du pion et l'usinage pouvant se faire en une seule passe. 35 L'invention s'applique particulièrement bien à l'usinage de pièces utilisées dans le domaine aéronautique, pour lesquels les exigences et les normes sont très contraignantes. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de la forme de réalisation préférée du procédé et du dispositif de l'invention, en référence aux planches de dessins annexées, sur lesquelles: - la figure 1 représente une vue schématique de la forme de réalisation préférée du dispositif d'usinage de l'invention ; - la figure 2 représente une vue partielle en perspective d'une aube pouvant être usinée à l'aide d'un dispositif du type de celui de la figure 1 et - la figure 3 représente un pion pouvant être utilisé dans le dispositif de la figure 1 spécifiquement pour l'usinage du pied de l'aube de la figure 2. En référence à la figure 1, un dispositif 1 d'usinage par abrasion d'une pièce 2 comporte un pion 3, d'axe A, monté sur une tige 4 s'étendant également selon l'axe A et elle-même supportée par un châssis 5. On peut encore désigner le pion 3 par l'expression de tête rotative 3. La tige 4 est susceptible d'être entraînée en rotation (comme schématiquement représenté par la flèche 6 sur la figure 1) par des moyens d'entraînement en rotation, non représentés et comportant ici un moteur électrique, montés sur le châssis 5 ; la tige 4 entraîne alors en rotation le pion 3 qui lui est solidaire. Le dispositif 1 comporte par ailleurs des moyens non représentés de positionnement et de fixation de la pièce 2 par rapport au châssis 5, de manière connue de l'homme du métier. Le dispositif comporte par ailleurs tous les éléments d'un centre (ou dispositif) d'usinage traditionnel (moteurs, capteurs de position, unité de traitement, etc.) ; il n'est pas nécessaire de les décrire précisément dans la mesure où leur structure et leur fonction sont bien connues de l'homme du métier qui, pour mettre en oeuvre le dispositif et le procédé de l'invention, pourra utiliser un centre d'usinage traditionnel qu'il adaptera pour qu'il comporte les moyens spécifiques aux dispositif et procédé de l'invention. Le pion 3 est une pièce de révolution autour d'un axe A, c'est-à-dire une pièce qui présente une surface extérieure dont la forme est la forme générée par une révolution d'un segment de droite ou de courbe, dénommée génératrice, autour de l'axe A. Le pion 3 de la figure 1 est de forme cylindrique ; sa génératrice est donc une droite parallèle à son axe de révolution A. Le dispositif 1 comporte par ailleurs des moyens d'injection d'un liquide abrasif entre le pion 3 et la pièce 2, comprenant en l'occurrence un système d'injection avec une pompe et une buse 7 d'injection de ce liquide. Le liquide peut ainsi être injecté à l'interface entre le pion 3 et la pièce 2, comme schématisé par la flèche 8 sur la figure 1. Le liquide abrasif comporte en l'espèce de l'eau (qui est le "liquide de base" ou solvant de la solution de liquide abrasif) mélangée à du carbure de bore (qui est le soluté de la solution) ; le carbure de bore est le matériau ou agent abrasif du liquide. Cette solution d'eau mélangée à du carbure de bore a un effet abrasif lorsqu'elle est frottée à un matériau dit abradable, c'est-à-dire susceptible d'être abrasé. En l'espèce, la surface extérieure du pion 3 est lisse ; le pion 3 en tant que tel n'a donc aucun effet abrasif et c'est le liquide abrasif entraîné par le pion 3 qui a un effet abrasif sur la pièce. La dureté de l'agent abrasif du liquide abrasif est en l'espèce comprise entre la dureté de la pièce 2 et la dureté du pion 3. Ainsi, le liquide a un effet abrasif sur la pièce 2 mais pas sur le pion 3. 25 Le pion 3 est en l'espèce en diamant. Ce matériau présente l'avantage d'une grande dureté, ce qui lui permet de ne pas être affecté et donc pas consommé par son contact et frottement avec le liquide abrasif Il s'agit de préférence d'un diamant monocristallin, ce type de diamant présentant une dureté plus importante encore que les diamants polycristallins (qu'il est néanmoins 30 également possible d'utiliser). Le procédé d'usinage va maintenant être décrit, en référence à sa mise en oeuvre avec le dispositif de la figure 1. 35 Le pion 3 est positionné à une certaine distance de la surface à usiner de la pièce 2. Cette distance est déterminée par l'homme du métier et constitue l'un des paramètres du procédé car elle détermine, en fonction de la nature et quantité20 de liquide abrasif injecté, la pression du liquide entraîné entre la surface extérieure du pion 3 et celle de la pièce 2. Le moteur est mis en marche, entraînant ainsi la tige 4 et donc le pion 3 en rotation. Le système d'injection est également mis en marche pour injecter du liquide abrasif sur la surface à usiner de la pièce 2. Le liquide est ainsi entraîné entre le pion 3 en rotation et la surface à usiner de la pièce 2. Ainsi, on forme une pellicule de liquide abrasif sur la pièce 2 et on entraîne le liquide entre le pion rotatif 3 et la pièce 2, ce qui a pour conséquence l'application d'un effet abrasif sur la surface de la pièce 2 en regard de la surface du pion 3 entraînant le liquide, l'effet abrasif étant exercé par le liquide abrasif Autrement dit, le pion 3 étant en vis-à-vis de la pièce 2 au niveau d'une interface entre eux séparant l'espace en deux demi-espaces E1, E2 et le pion 3 tournant, du côté de la pièce 2, d'un demi-espace E1 vers l'autre E2, le liquide abrasif est injecté dans le demi-espace E1 dans lequel la surface extérieure du pion 3 se rapproche dans son mouvement de la pièce 2 pour passer vers l'autre demi-espace E2 ; ainsi, le pion 3 entraîne bien le liquide abrasif le long de la pièce, d'un demi-espace E1 vers l'autre E2 ; du point de vue de la pièce 2, le liquide est entraîné tangentiellement à sa surface et exerce donc un effort d'abrasion tangentiel à sa surface. Le pion 3 exerce par ailleurs une certaine pression sur le liquide et la pièce 2, perpendiculairement à la surface abrasée de cette dernière ; l'effort d'abrasion exercé par le liquide sur la pièce 2 est notamment fonction de la valeur de cette pression combinée à l'entraînement tangentiel. Le pion 3 peut par ailleurs être entraîné en déplacement le long de la surface à usiner de la pièce 2, comme représenté schématiquement par la flèche 9. Le pion 3 se déplaçant de l'amont vers l'aval, il est entraîné en rotation de sorte à ce que sa surface en rotation se déplace, du côté de la pièce 2, de l'aval vers l'amont, tandis que le liquide abrasif est injecté à l'interface entre le pion 3 et la pièce 2 du côté aval du pion 3. Le procédé d'usinage par abrasion permet d'obtenir un usinage de grande précision, puisqu'un pion 3 peut être déplacé le long d'une pièce 2 de manière très précise. Par ailleurs, l'utilisation d'un pion lisse 3 en combinaison avec un liquide abrasif confère un caractère très fin à l'abrasion. La pièce 2 présente donc un très bon état de surface dans la zone qui a été usinée par abrasion, c'est-à-dire que la pièce 2 présente un très bon état de finition. L'effet abrasif étant exercé par le liquide et non pas directement pas le pion 3, ce dernier n'est pas ou que peu abîmé ou consommé par la mise en oeuvre du procédé. Le procédé est d'autant plus régulier et reproductible qu'il est possible d'alimenter en continu en liquide abrasif la zone à abraser, pour que la quantité de liquide par unité de surface soit constante au cours du temps. Différents paramètres peuvent être modifiés pour optimiser le procédé et/ou l'adapter en fonction de la nature de la pièce 2 à usiner et/ou du rendu souhaité. Les principaux paramètres sont, entre autres, les suivants: - la nature du matériau constituant le pion 3 et donc sa dureté ; - l'état de surface du pion 3 (plus ou moins rugueux) ; - la nature du liquide de base utilisé pour la fabrication du liquide abrasif ; - la quantité de liquide injectée entre le pion 3 et la pièce 2 ; - la nature de l'agent abrasif du liquide abrasif ; - la granulométrie de l'agent abrasif du liquide abrasif et sa concentration dans le liquide ; - la distance entre le pion 3 et la pièce 2 et donc la pression appliquée sur 20 la pièce 2 par le pion 3 ; - la vitesse périphérique de rotation du pion 3 ; - la vitesse d'avancement du pion rotatif 3 le long de la pièce 2 et - la nature des déplacements auquel est soumis le pion 3. 25 La forme de la pièce 2 une fois usinée dépend, d'une part de la forme du pion 3, d'autre part de la trajectoire qu'il parcourt le long de la pièce 2. Selon la forme à usiner, le pion 3 peut rester immobile par rapport à la pièce 2. Selon une forme de réalisation particulière, la pièce à usiner présentant 30 une surface avec une forme particulière en vue de profil de cette surface, le pion 3 présente une surface de révolution dont la génératrice a la forme de ladite forme particulière de la surface de la pièce 2 en vue de profil. Un exemple de cette forme de réalisation est décrit en référence aux 35 figures 2 et 3, pour l'usinage d'une aube 2a ; plus précisément, il s'agit d'usiner une aube 2a comportant un pied 2b dit en "sapin", c'est-à-dire dont la surface latérale présente, en vue de profil, une forme incurvée avec au moins deux changements de courbure. Ce type de pied d'aube est bien connu de l'homme du métier de motoriste aéronautique. Sur la figure 3 est représenté un pion 3 présentant une surface extérieure de forme spécialement agencée pour l'usinage du pied 2b en sapin de l'aube 2a. Ainsi, ce pion 3 présente une surface extérieure générée par la révolution, autour de l'axe A du pion 3, d'un segment de génératrice présentant la même forme que le profil du pied 2b de l'aube 2a, à savoir une forme incurvée avec deux changements de courbure, comme on le voit sur la figure 3. Avec un pion 3 présentant la même forme que le profil du pied 2b de l'aube 2a, il est possible d'usiner le pied 2b en une seule passe du pion 3, le pion 3 étant simplement déplacé selon une trajectoire rectiligne parallèle au pied et abrasant ce dernier pour lui donner, en vue de profil, la forme de sa génératrice. Revendications1- Procédé d'usinage d'une pièce (2) par abrasion, dans lequel: - on dispose un pion (3) à une certaine distance de la pièce (2) à usiner, - on entraîne le pion (3) en rotation autour d'un axe (A), - on injecte un liquide abrasif entre le pion (3) en rotation et la pièce (2) pour abraser cette dernière. 2- Procédé selon la revendication 1, dans lequel on injecte du liquide en 10 continu au cours du procédé. 3- Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le liquide abrasif comporte une suspension de particules d'un matériau abrasif 15 4- Procédé selon la revendication 3, dans lequel le pion (3) étant formé dans un matériau présentant une certaine dureté, la pièce (2) étant formée dans un matériau présentant une certaine dureté, le matériau abrasif du liquide abrasif présente une dureté comprise entre la dureté du pion (3) et la dureté de la pièce (2). 20 5- Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le pion (3) est également entraîné en translation le long de la pièce (2). 6- Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il est 25 appliqué à une pièce en composite à matrice céramique (CMC). 7- Dispositif d'usinage d'une pièce (2) par abrasion, comprenant un pion (3), des moyens de positionnement du pion (3) par rapport à la pièce (2), des moyens d'entraînement du pion (3) en rotation autour d'un axe (A) et des moyens 30 d'injection d'un liquide abrasif entre le pion (3) en rotation et la pièce (2) pour abraser cette dernière. 8- Dispositif selon la revendication 7 qui comporte une tige (4) supportant le pion (3), un châssis (5) supportant la tige (4) et des moyens de 35 positionnement et de fixation de la pièce (2) par rapport au châssis (5). 9- Dispositif selon l'une des revendications 7 ou 8, dans lequel le pion (3) est formé en matériau non abradable. 10- Dispositif selon l'une des revendications 7 à 9, dans lequel le pion 5 est formé en matériau non abrasif 11- Dispositif selon l'une des revendications 9 ou 10, dans lequel le pion (3) est formé en diamant, de préférence en diamant monocristallin. 10 12- Dispositif selon l'une des revendications 7 à 11 dans lequel le liquide abrasif comporte des particules en carbure de bore. 13- Dispositif selon l'une des revendications 7 à 12, dans lequel le pion (3) présente une surface extérieure lisse. 14- Dispositif selon l'une des revendications 7 à 13, dans lequel le pion (3) est une pièce de révolution autour d'un axe (A) avec une surface extérieure de forme correspondant à une révolution d'une génératrice autour de l'axe (A) du pion (3). 15- Dispositif selon la revendication 14 dans lequel, la pièce (2) à usiner présentant une surface avec une forme particulière en vue de profil de cette surface, le pion (3) présente une surface de révolution dont la génératrice a la forme de ladite forme particulière de la surface de la pièce (2). 15 20 25