Brevet FR2956598A1 — publié le 20110826

Procédé d'usinage d'une pièce en matériau monocristallin La présente invention concerne un procédé d'usinage d'une pièce en matériau monocristallin, par exemple d'un secteur de distributeur de turbine haute pression d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. Les matériaux monocristallins, tels que les superalliages à base de nickel, sont utilisés en raison de leurs très bonnes propriétés mécaniques (en traction, fatigue, fluage) à de hautes températures et en raison de leur résistance à l'oxydation. De telles pièces ne sont pas usinées par fraisage conventionnel car il a été constaté et communément admis que l'énergie calorifique dégagée lors de l'usinage est transmise dans des proportions importantes à la pièce, provoquant la recristallisation du matériau et, ainsi, des dégradations importantes de ses propriétés mécaniques. Ces pièces ont un coefficient d'usinabilité très faible (inférieur à 10 %) ce qui a amené à choisir des techniques de rectification et d'électroérosion pour leur usinage. Dans le cas d'un secteur de distributeur, pas moins de 10 opérations sur 5 machines différentes sont alors nécessaires. Dans une même opération, plusieurs surfaces peuvent être usinées, le passage d'une opération à une autre étant défini par le fait que la pièce montée sur une table ou un bâti d'une machine outil doit être démontée, repositionnée puis remontée sur la même machine ou sur une machine différente. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème. A cet effet, elle propose un procédé d'usinage d'une pièce en matériau monocristallin, caractérisé en ce qu'il est réalisé entièrement par fraisage en usinage à grande vitesse (U.G.V.). L'usinage de la pièce peut ainsi être réalisée sur une seule machine. Le fraisage en usinage à grande vitesse limite les dégradations du matériau de la pièce. En effet, lors d'un tel usinage, les copeaux sont formés de manière différente et l'énergie dégagée par la coupe du matériau s'évacue à plus de 80% dans les copeaux. Plus particulièrement, en usinage conventionnel et pour les métaux, les copeaux sont formés principalement par déformation plastique alors que, en usinage à grande vitesse, des fragments de copeaux se détachent par propagation de fissure. Bien que des énergies plus importantes soient mises en jeu, les échanges thermiques entre les copeaux et la pièce n'ont pas le temps d'avoir lieu, de sorte que la pièce reste pratiquement à température ambiante. On évite ainsi la recristallisation du matériau et les dégradations de ses caractéristiques mécaniques. On rappelle qu'il est aujourd'hui possible d'usiner des pièces avec différentes vitesses de coupe. Selon le matériau utilisé, la plage de vitesses varie, mais il est toujours possible de distinguer trois zones de vitesses de coupe distinctes, à savoir : - une zone de vitesses de coupe correspondant aux vitesses de coupe de l'usinage conventionnel, - une zone de vitesses inexploitables, dans laquelle les conditions de coupe sont dégradées (usure rapide de l'outil, mauvais état de surface, - une zone de vitesses de coupe correspondant à l'usinage à grande vitesse. Selon une caractéristique de l'invention, la pièce est en un alliage à base de nickel et la vitesse de coupe lors du fraisage est comprise entre 50 et 200 m/mn. Cette plage de vitesses correspond à l'usinage à grande vitesse pour les alliages à base de nickel. Avantageusement, la vitesse de rotation de la broche lors du fraisage est comprise entre 50 et 10 000 tours par minute, l'avance par dent étant comprise entre 0,02 et 1 mm. Selon une possibilité de l'invention, le procédé comporte une phase d'approche de la fraise préalable au fraisage de la surface de la pièce, lors de laquelle la fraise approche de la zone à usiner suivant une direction formant un angle avec la direction de coupe de la fraise qui est de l'ordre de 60°. L'approche progressive ainsi réalisée permet d'améliorer encore les conditions de coupe et l'état de surface de la pièce usinée. La trajectoire de l'outil comporte ainsi deux parties, respectivement une partie d'approche du point de départ de l'usinage et une partie de fraisage proprement dit de la surface à usiner, la partie d'approche étant oblique par rapport à la partie de fraisage. Ces deux parties peuvent être reliées par une section courbe, de manière à ce que l'outil approche tangentiellement la partie de fraisage. Dans une application préférée de l'invention, la pièce est un secteur de distributeur de turbine haute pression d'une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. Selon une autre caractéristique de l'invention, la pièce est maintenue sur une table d'une fraiseuse avec application sur la pièce de moyens d'amortissement des vibrations. La réduction des vibrations dans la pièce lors de l'usinage permet d'améliorer encore l'état de surface de la pièce usinée. De manière avantageuse, les moyens d'amortissement comportent au moins un bras dont une extrémité est reliée à la table et dont l'autre extrémité comprend au moins un plot en matériau élastique appliqué contre la pièce à usiner. Selon une forme de réalisation de l'invention, la pièce est maintenue de façon hyperstatique sur la table, da façon mieux résister aux contraintes mécaniques engendrées par l'usinage. Dans un mode de réalisation préféré, le procédé consiste à fixer la pièce sur une table d'une fraiseuse dans une première position au moyen d'un premier outillage et à réaliser une première série de fraisages en usinage à grande vitesse sur la pièce, puis à fixer la pièce sur la table dans une seconde position au moyen d'un second outillage et à réaliser une seconde série de fraisages sur la pièce en usinage à grande vitesse pour terminer l'usinage de la pièce. L'usinage complet de la pièce est ainsi réalisé en seulement deux montages différents de la pièce sur une fraiseuse. Selon une possibilité de l'invention, les fraisages sont réalisés avec des outils coupants à base de carbure. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue en perspective d'une partie du premier outillage ; la figure 2 est une vue en perspective du premier outillage ; la figure 3 est une vue en perspective du secteur de distributeur ; - la figure 4 est une vue montrant une opération de la première série de fraisages, à l'aide du premier outillage ; la figure 5 est une vue en perspective du second outillage ; la figure 6 est une vue correspondant à la figure 3, dans laquelle un secteur de distributeur est monté dans le second outillage ; la figure 7 est une autre vue en perspective du secteur de distributeur ; la figure 8 est une vue montrant une opération de la seconde série de fraisages, à l'aide du second outillage. Les figures 1 et 2 représentent un premier outillage 1 de fixation d'une pièce 2 sur une table mobile 3 d'une fraiseuse, comportant un support 4 vissé sur la table 3 et comprenant une surface plane 5 à partir de laquelle s'étendent trois plots d'appui 6. Le support est équipé de deux butées 7, 8 s'étendant chacune perpendiculairement à la surface plane et écartées l'une de l'autre, l'une 7 des butées présentant un renfoncement délimitant un crochet 9. Un bras 10 est en outre monté sur la butée 7 équipée du crochet, par l'intermédiaire d'une vis de serrage 11, le bras comportant une extrémité libre comportant un plot 12 en matériau élastique. Des brides latérales 13 sont en outre fixées sur le support 4 à l'aide de vis. Le premier outillage 1 sert au montage d'un secteur de distributeur 2 de turbine haute pression d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, dont la structure est visible en figure 3. Celui-ci comporte classiquement des pales 14 dont les extrémités sont reliées par des plateformes 15, 16. Le secteur 2 est réalisé en alliage monocristallin à base de nickel, en particulier du type NiTa$Cr8CoWA1, également connu sous la référence AMI. Le secteur 2 est obtenu par l'assemblage de deux parties identiques, réalisées en fonderie et comportant chacune une pale 14, qui sont percées au laser, puis assemblées par brasage. Le montage de ce secteur 2 dans le premier outillage 1 est visible en figure 4. Le secteur de distributeur 2 est en appui contre les plots 6, l'une des pales 14 étant maintenue par le crochet 9. Le secteur 2 est en outre maintenu en position par les butées 8, 9, le plot en matériau élastique 12 du bras 10 venant de plus en appui contre la surface de la pale 14 retenue par le crochet 9. Les brides latérales 13 maintiennent en outre le secteur de distributeur 2, en s'appuyant sur des nervures 17 des plateformes 15, 16. Le secteur de distributeur 2 est ainsi maintenu de façon hyperstatique sur la table 3, les différents éléments du premier outillage 1 présentant plus de contacts que nécessaire pour immobiliser le secteur 2. Un second outillage 18 est représenté aux figures 5 et 6. Celui-ci comporte un support 19 fixé sur la table 3 et équipé de brides latérales 20. Des cales 21 sont montées sur le support 19, en regard des brides 20. Lors du montage du secteur 2 sur le second outillage 18, des nervures 22 des plateformes 15, 16 sont serrées entre les brides 20 et les cales correspondantes 21, de manière à immobiliser complètement le secteur 2 sur le support 19. Le procédé d'usinage du secteur de distributeur va maintenant être décrit plus en détail. Celui-ci consiste tout d'abord à fixer la pièce, c'est-à-dire le secteur de distributeur 2, sur la table 3 de la fraiseuse dans une première position à l'aide du premier outillage 1, puis à réaliser une première série d'environ 50 fraisages en usinage à grande vitesse sur le secteur. Toutes les faces fonctionnelles à usiner et accessibles sont alors fraisées. Seul le fraisage de l'une des surfaces 23 du secteur 2 est représenté à la figure 6. L'ensemble des opérations de la gamme d'usinage ne sera pas détaillé ici. Les fraisages consistent en la réalisation de surfaces planes ou encore en la réalisation de rainures à l'aide de fraises adaptées. Les fraises 24 sont des outils coupants à base de carbure. Le bras 10 équipé du plot élastique 12 permet d'amortir les vibrations générées lors de l'usinage. Pour une pièce en un alliage à base de nickel, la vitesse de coupe lors du fraisage est comprise entre 50 et 200 m/mn, la vitesse de rotation de la broche 25 lors du fraisage est comprise entre 50 et 10 000 tours par minute, et l'avance par dent est comprise entre 0,02 et 1 mm. Préalablement à chaque fraisage, la fraise 24 est approchée de la surface de la pièce à usiner 2 suivant une direction formant un angle de l'ordre de 60° avec la direction générale de coupe de la fraise 24 lors du fraisage proprement dit. La trajectoire de l'outil 24 comporte ainsi deux parties, respectivement une partie d'approche du point de départ de l'usinage et une partie de fraisage proprement dit de la surface à usiner, la partie d'approche étant oblique par rapport à la partie de fraisage. Ces deux parties peuvent être reliées par une section courbe, de manière à ce que l'outil 24 approche tangentiellement la partie de fraisage. Après que toutes les surfaces accessibles à usiner aient été fraisées, le secteur 2 est retiré du premier outillage 1 puis fixée à la table à l'aide du second outillage 18, suivant une autre orientation ou autre position. Cela permet d'accéder aux surfaces qui n'étaient avant pas accessibles. On réalise ensuite une seconde série d'une vingtaine de fraisages environ sur la pièce en usinage à grande vitesse pour terminer l'usinage de la pièce, suivant les mêmes paramètres que ceux décrits précédemment. De même que précédemment, seul le fraisage de l'une des surfaces 26 du secteur 2 est représenté à la figure 8. L'ensemble de la gamme d'usinage ne sera pas détaillé ici. A titre d'exemple, les première et seconde séries d'usinages comportent respectivement 58 et 22 opérations successives de fraisage. REVENDICATIONS1. Procédé d'usinage d'une pièce (2) en matériau monocristallin, caractérisé en ce qu'il est réalisé entièrement par fraisage en usinage à grande vitesse (U.G.V.). 2. Procédé d'usinage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce (2) est en un alliage à base de nickel et la vitesse de coupe lors du fraisage est comprise entre 50 et 200 m/mn. 3. Procédé d'usinage selon la revendication 2, caractérisé en ce que la vitesse de rotation de la broche (25) lors du fraisage est comprise entre 50 et 10 000 tours par minute, l'avance par dent étant comprise entre 0,02 et 1 mm. 4. Procédé d'usinage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une phase d'approche de la fraise (24) préalable au fraisage de la surface de la pièce (2), lors de laquelle la fraise (24) approche de la zone à usiner (23, 26) suivant une direction formant un angle avec la direction de coupe de la fraise (24) qui est de l'ordre de 60°. 5. Procédé d'usinage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la pièce est un secteur de distributeur (2) de turbine haute pression d'une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. 6. Procédé d'usinage selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la pièce (2) est maintenue sur une table (3) d'une fraiseuse, des moyens d'amortissement des vibrations (10, 12) étant appliqués contre la pièce (2). 7. Procédé d'usinage selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens d'amortissement comportent au moins un bras (10) dont une extrémité est reliée à la table (3) et dont l'autre extrémité comprend au moins un plot (12) en matériau élastique appliqué contre la pièce à usiner (2). 8. Procédé d'usinage selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la pièce (2) est maintenue de façon hyperstatique sur la table (3). 9. Procédé d'usinage selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il consiste à fixer la pièce (2) sur une table (3) d'une fraiseuse dans une première position au moyen d'un premier outillage (1) et à réaliser une première série de fraisages en usinage à grande vitesse sur la pièce (2), puis à fixer la pièce (2) sur la table (3) dans une seconde position au moyen d'un second outillage (18) et à réaliser une seconde série de fraisages sur la pièce (2) en usinage à grande vitesse pour terminer l'usinage de la pièce (2). 10. Procédé d'usinage selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les fraisages sont réalisés avec des outils coupants (24) à base de carbure.