Brevet FR2946552A1 — publié le 20101217

Le domaine de la présente invention est celui de l'usinage des matériaux et plus particulièrement celui des matériaux de grande dureté tels que les composites à matrice céramique (CMC) ou à matrice organique (CMO). Les concepteurs de turbomachines modernes, et en particulier des turbomachines aéronautiques, utilisent de plus en plus des matériaux en composite à matrice céramique ou à matrice organique pour les pièces qui nécessitent de grandes durée de vie malgré un fonctionnement dans un environnement particulièrement hostile (forte température, contraintes mécaniques élevées, etc. ...). Si ces matériaux présentent d'excellentes caractéristiques de tenue mécanique, ils génèrent en revanche des difficultés sérieuses pour leur élaboration. Du fait de leur dureté, leur usinage est extrêmement délicat et nécessite des outils et des gammes de fabrication particulièrement élaborés. Étant réputés pour leur difficulté à être usinés et leur action abrasive sur les outils qui tentent de les usiner, peu de matériaux de coupe, à l'exception du diamant, sont capables de les usiner correctement tout en ayant des durées de vie suffisantes. Le diamant le plus couramment utilisé dans les outils de coupe est le diamant sous une forme polycristalline, ou PCD (Diamant Polycristallin). Les PCD sont obtenus par frittage de particules de diamant avec un liant chimico-mécanique, tel que du cobalt, sous forte pression et à haute température. Comme pour les carbures, différentes tailles de particules, allant du micron à quelques dizaines de microns (11,tm à 401,tm), sont utilisées pour la fabrication. Le liant cobalt permet la cohésion des grains de diamant et l'association des deux confère des propriétés de coupe intéressantes au produit final. On retrouve généralement le diamant sous la forme d'une plaquette, formant surface de coupe, qui est brasée sur le corps d'un outil. Celle-ci peut présenter deux surfaces de coupe lorsque la plaquette est d'une largeur supérieure à celle de l'outil sur lequel elle est montée. Dans l'état actuel de l'art, des pièces telles que des aubes de turbine pour moteurs aéronautiques ne sont pas réalisées en série en matériaux composites du type CMC ou CMO, essentiellement du fait de la difficulté qu'il y a à les produire. Compte tenu de l'apport technologique fourni par ces matériaux, la présente invention a pour but 2 de remédier à ces inconvénients en proposant un outil susceptible d'élaborer de telles pièces par usinage, en mettant en oeuvre un procédé qui soit applicable industriellement et relativement simple à mettre en oeuvre. A cet effet, l'invention a pour objet un outil rotatif pour l'usinage d'une pièce en composite à matrice céramique CMC ou à matrice organique CMO, ledit outil comportant une surface de coupe formée par une plaquette, positionnée radialement par rapport à l'axe de rotation de l'outil et munie de grains en diamant polycristallin sur sa face extérieure, caractérisé par le fait que la surface de coupe est constituée par des plaquettes en un nombre supérieur à 2, réparties régulièrement sur la circonférence de l'outil. L'augmentation du nombre de plaquettes améliore la qualité de l'usinage en supprimant les phénomènes vibratoires et les risques de délaminage du matériau qui constitue la pièce ; elle permet en outre un usinage plus rapide. De façon préférentielle le nombre de plaquettes est au moins égal à 8. Dans un mode particulier de réalisation les plaquettes comportent des grains d'une taille comprise entre 2 et 20 �m. De façon préférentielle la taille des grains est sensiblement égale à 10 �m. Dans un autre mode de réalisation les plaquettes comportent 25 des grains de tailles différentes. L'invention concerne également un procédé d'usinage par passes successives d'une pièce en composite à matrice céramique ou à matrice organique à l'aide d'un outil tel que décrit ci-dessus dont la vitesse d'avancement de l'outil est comprise entre 500 et 2000 mm/min. 30 Avantageusement la profondeur de chaque passe est comprise entre 0,05 et 1 mm. Avec les caractéristiques ci-dessus on arrive à usiner des matériaux en CMC ou CMO avec des outils en diamant polycristallin sans usure excessive de l'outil. 3 De façon préférentielle l'outil a un diamètre sensiblement égal à 10 mm et est entraîné à une vitesse de rotation comprise entre 10 000 et 30 000 tr/min. De façon alternative l'outil a un diamètre sensiblement égal à 3 5 mm et est entraîné à une vitesse de rotation comprise entre 20 000 et 50 000 tr/min. La vitesse de rotation retenue pour la fraise-lime est fonction de son diamètre et augmente quand le diamètre diminue, la puissance absorbée par la machine outil restant sensiblement constante. 10 L'invention porte également sur une aube de turbine pour turbomachine en matériau CMC ou CMO produite à l'aide d'un procédé tel que décrit ci-dessus et sur une turbomachine comportant au moins 15 une telle aube de turbine. L' invention sera mieux comprise, et d' autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et 20 non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue en perspective d'une fraise-lime selon l'invention, munie de plaquettes PCD pour l'usinage de pièces en CMC ou CMO ; 25 - la figure 2 est une vue schématique décrivant une première étape d'un procédé mettant en oeuvre l'outil objet de l'invention ; - la figure 3 est une vue schématique décrivant la première partie d'une seconde étape d'un procédé mettant en oeuvre l'outil objet de l'invention ; 30 - la figure 4 est une vue schématique décrivant la deuxième partie de cette seconde étape ; - la figure 5 est une vue schématique décrivant l'étape finale du procédé de réalisation d'une aube de turbine en CMC ou CMO. En se référant à la figure 1, on voit un outil 1, du type fraise- 35 lime, comportant une partie cylindrique 2 servant de support de l'outil, qui est destinée à être fixée dans le mandrin d'une machine-outil et une 4 partie formant surface de coupe. La surface de coupe est constituée par une série de plaquettes 3 disposées radialement par rapport à cette partie cylindrique et qui sont brasées dans le support de l'outil. Ces plaquettes comportent une face extérieure 4 recouverte de particules de diamant polycristallin. L'outil est entraîné en rotation puis mis en contact avec la pièce en CMC que les plaquettes 3 usinent grâce à leur face extérieure 4. Les outils les plus proches, connus dans l'art antérieur, sont essentiellement des fraises-limes présentant deux plaquettes, formant des surfaces de coupe qui sont diamétralement opposées sur la fraise. Lors de la rotation d'une telle fraise-lime on constate que l'outil ne progresse pas de façon régulière et qu'il est influencé par la texture du matériau et ses fibres qui sont orientées dans toutes les directions de l'espace. Il s'ensuit un phénomène de martèlement répété par les deux plaquettes qui provoque des micro-délaminages des fibres et donc produit un usinage imparfait. Pour améliorer cette situation l'invention propose d'augmenter le nombre de plaquettes sur l'outil pour augmenter le nombre de surfaces de coupe qui agissent à chaque tour de l'outil. Dans la version représentée la fraise-lime a un diamètre de 10 mm et comporte 10 plaquettes régulièrement réparties sur sa circonférence. Celles-ci portent des particules de diamant polycristallin dont le grain a une taille de 10 �m. Sa vitesse de rotation nominale se situe entre 10 et 30 000 tr/min. Dans cette configuration on obtient une réduction des effets de choc constatés auparavant avec des fraises-limes à deux plaquettes, et la suppression des phénomènes de résonance vibratoire de l'outil qui y étaient associés. Au final cela se traduit par une progression plus régulière de l'outil et donc un meilleur contrôle de la coupe. On peut alors augmenter la vitesse de rotation et la vitesse d'avancement de l'outil et ainsi effectuer l'usinage du matériau dans de meilleures conditions et dans des temps plus courts. En se référant aux figures 2 et 3 on voit le déroulement de la première étape d'usinage d'une aube de turbine BP 5 pour turbomachine. Les plans A et B indiquent le cheminement que suit l'outil 1 pendant la première étape du procédé d'usinage, qui a pour but de désépaissir la pièce brute en CMC, qui sort de fabrication avec des surépaisseurs. Les plans A et B sont disposés sensiblement parallèlement à la corde de l'aube, c'est-à-dire à la direction qui relie son bord d'attaque à son bord de fuite. En se référant à la figure 4 on voit le déroulement de la seconde étape d'usinage de l'aube de turbine 5, qui aboutit à l'extraction du profil de l'aube. La surface S entoure l'aube définitive et indique le cheminement que suit l'outil pendant cette étape. En se référant à la figure 5 on voit un outil 1 différent du précédent en ce que la fraise-lime ne comporte plus de plaquettes brasées mais est constituée par une surface hémisphérique de diamètre réduit, recouverte de particules de diamant polycristallin. L'outil a un diamètre de 3 mm et tourne à une vitesse comprise entre 20 et 50 000 tr/min. Il est utilisé pour usiner le rayon de raccordement 6 entre le profil de l'aube 5 et le pied 7 de celle-ci. On va maintenant décrire l'utilisation d'une fraise-lime selon l'invention pour l'usinage d'une aube de turbine en CMC ou CMO, à partir d'une pièce brute présentant des surépaisseurs. La fraise-lime 1 est montée sur une machine outil, de préférence à commande numérique pour une meilleure précision de l'usinage, qui est commandée pour venir dans le plan A situé du côté de l'intrados de l'aube à usiner. Elle est lancée en rotation à une vitesse comprise entre 10 et 30 000 tr/min puis déplacée, en balayage, contre la pièce brute tout en restant dans le plan A. Compte tenu de la dureté de la pièce en CMC ou CMO les caractéristiques retenues pour cet usinage sont des passes d'épaisseurs comprises entre 0,05 mm et 1 mm et des vitesses d'avancement comprises entre 500 et 2000 mm/min, avec une lubrification de l'outil pendant son travail. Le plan A est rapproché de la surface de l'aube à chaque fois qu'un plan d'usinage a été réalisé, pour une nouvelle opération d'usinage en balayage. Une fois que la cote d'épaisseur voulue est atteinte la fraise-lime est déplacée le long du plan B, situé du côté de l'extrados de l'aube 5, et la même opération de désépaississement est pratiquée, avec les mêmes caractéristiques d'usinage. Une seconde étape de l'usinage est alors pratiquée, dans le but d'obtenir le profil définitif pour l'aube 5. La même fraise-lime 1, de diamètre 10 mm, est utilisée, avec les mêmes caractéristiques d'usinage en ce qui concerne la profondeur des passes et la vitesse d'avancement de l'outil. A la différence de l'étape précédente l'outil est déplacé en mode de balayage pour les parties rectilignes et en mode de contournage pour les parties incurvées, afin de suivre les courbes attendues pour le profil de l'aube. La troisième étape de l'usinage a pour but de dégager le rayon de raccordement 6 du profil de l'aube à son pied 7. La fraise-lime utilisée lors de cette étape est nécessairement changée afin de tenir compte de l'espace réduit dans lequel elle doit évoluer. La fraise-lime choisie a une forme hémisphérique, avec un diamètre de 3 mm, et est lancée en rotation à une vitesse comprise entre 20 et 50 000 tr/min. Elle est utilisée, comme précédemment, en mode de balayage ou de contournage selon le profil recherché pour le raccordement. Du fait de la dureté de la pièce à usiner les mêmes caractéristiques d'usinage sont retenues, à savoir des passes d'épaisseurs comprises entre 0,05 mm et 1 mm et des vitesses d'avancement comprises entre 500 et 2000 mm/min, avec une lubrification de l'outil pendant son travail. D'autres variantes sont possibles, en ce qui concerne la définition de la surface de coupe de la fraise-lime, qui peut être de forme hémisphérique ou torique, en fonction de la forme recherchée pour la pièce à usiner. De même elle peut comporter un nombre variable de dents supérieur à 2, comme par exemple 4, 6 ou 8. Un meilleur résultat est obtenu lorsque le nombre de plaquettes 3 est élevé, c'est-à-dire en pratique, supérieur ou égal à 8. Enfin la granulométrie des plaquettes PCD peut varier, avec des grains allant de 5 à 20 �m. Dans une version alternative les plaquettes peuvent être bimodales, c'est-à-dire comporter un mélange de grains de diamant de deux tailles différentes, comme par exemple 2 et 30 �m. Bien que l'invention ait été décrite en relation avec un mode de réalisation particulier, il est bien évident qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Outil rotatif pour l'usinage d'une pièce en composite à matrice céramique CMC ou à matrice organique CMO, ledit outil comportant une surface de coupe formée par une plaquette (3), positionnée radialement par rapport à l'axe de rotation de l'outil et munie de grains en diamant polycristallin sur sa face extérieure (4), caractérisé par le fait que la surface de coupe est constituée par des plaquettes (3) en un nombre supérieur à 2, réparties régulièrement sur la circonférence de l'outil. 2. Outil rotatif selon la revendication 1 dans lequel le nombre de plaquettes (3) est au moins égal à 8. 3. Outil rotatif selon l'une des revendications 1 ou 2 dans 15 lequel les plaquettes (3) comportent des grains d'une taille comprise entre 2 et 20 �m. 4. Outil rotatif selon la revendication 3 dans lequel la taille des grains est sensiblement égale à 10 �m. 5. Outil rotatif selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel 20 les plaquettes (3) comportent des grains de tailles différentes. 6. Procédé d'usinage par passes successives d'une pièce en composite à matrice céramique ou à matrice organique à l'aide d'un outil selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel la vitesse d'avancement de l'outil (1) est comprise entre 500 et 2000 mm/min. 25 7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel la profondeur de chaque passe est comprise entre 0,05 et 1 mm. 8. Procédé selon la revendication 6 dans lequel l'outil (1) a un diamètre sensiblement égal à 10 mm et est entraîné à une vitesse de rotation comprise entre 10 000 et 30 000 tr/min. 30 9. Procédé selon la revendication 6 dans lequel l'outil (1) a un diamètre sensiblement égal à 3 mm et est entraîné à une vitesse de rotation comprise entre 20 000 et 50 000 tr/min. 10. Aube de turbine pour turbomachine en matériau CMC ou CMO produite à l'aide d'un procédé selon l'une des revendications 6 à 9. 35 11. Turbomachine comportant au moins une aube de turbine selon la revendication précédente.