Brevet FR2971442A1 — publié le 20120817

USINAGE DE PIECES EN COMPOSITES A MATRICE ORGANIQUE PAR MEULAGE Le domaine de la présente invention est celui de l'usinage des pièces dures et en particulier celui des pièces en matériaux composites, tels que les composites à matrice organique pour les turbomachines. Les techniques de fabrication des pièces aéronautiques évoluent rapidement et de plus en plus de pièces des turbomachines sont réalisée en matériaux composites. En particulier il devient courant de réaliser des pieds d'aubes de turbine en composites à matrice organique. Ces matériaux sont relativement durs et leur usinage exige la mise en oeuvre de techniques et d'outillages relativement chers. A l'heure actuelle l'usinage d'un pied d'aube s'effectue, soit à l'aide de d'outils de coupe comportant des arêtes de coupe en carbure de silicium ou de bore ou bien en diamant polycristallin (PCD), soit à l'aide d'outils à concrétion diamantées. Un des inconvénients de ces outils de type à concrétions diamantées est qu'il faut leur donner parfaitement la forme de la zone à usiner et que pour cela, leur définition et leur réalisation est relativement longue et couteuse. Par ailleurs l'utilisation de ces outils, qui agissent essentiellement par enlèvement de copeaux plutôt que par abrasion, se traduit par des rugosités élevées de la pièce fabriquée (typiquement supérieures à 2 microns). Il serait souhaitable de disposer d'outils relativement bon marché pour l'usinage de pièces en composites à matrice organique, qui permettent d'obtenir des rugosités nettement inférieures à cette valeur de 2 microns. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé d'usinage de pièces en matériaux composites qui ne reproduise pas certains des inconvénients de l'art antérieur et, en particulier, qui permette de réaliser des pièces de faible rugosité, à l'aide d'outils peu onéreux. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'usinage d'une pièce réalisée en composite à matrice organique caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de : - sélection d'une meule brute, issue du commerce, réalisée par agglomération entre elles de particules abrasives, dont la dureté est inférieure à celle des outils30 diamantés, ladite meule brute ayant une forme dans laquelle peut être découpé le profil recherché pour la pièce à usiner, - montage de ladite meule sur une machine-outil tournante et mise en rotation de la meule autour de l'axe de rotation de ladite machine-outil, - découpe dans une paroi de la meule d'une forme cylindrique ou conique dont la génératrice reproduit en creux la forme de la pièce à réaliser, à l'aide d'un outil (3) ayant la dureté d'un outil diamanté, - retrait de l'outil de découpe et mise en place de la pièce à usiner en regard de ladite meule après sa découpe, - usinage de la pièce à réaliser par meulage jusqu'à obtention de la forme recherchée. L'utilisation d'une meule brute du commerce permet une réduction importante des coûts de fabrication des outillages de réalisation des pièces en matériau composite à matrice organique. Elle permet également, grâce au procédé de meulage, d'obtenir des états de surface de moindre rugosité que ceux obtenus avec des outils de coupe. Dans un premier mode de réalisation les particules abrasives de la meule brute sont des particules de corindon. Dans un autre mode de réalisation les particules abrasives de la meule brute sont des particules en carbure de silicium ou de bore. Avantageusement le procédé comprend en outre une étape de régénération de la forme de la paroi de la meule par une opération de dressage de ladite meule à l'aide de l'outil de découpe, sans démontage de ladite meule de sa machine-outil. L'invention porte également sur une meule constituée par une agglomération entre elles de particules abrasives, dont la dureté est inférieure à celle des outils diamantés, qui est caractérisée en ce qu'une de ses parois a été découpée selon une forme cylindrique ou conique. De façon préférentielle la découpe correspond, en creux, à la forme en pied de sapin d'une aube de turbomachine. 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, de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue schématique de la fabrication d'une meule, selon un premier mode de réalisation de l'invention, destinée à l'usinage d'une pièce en matériau composite à matrice organique ; - la figure 2 est une vue schématique de la meule de la figure 1 et de la pièce fabriquée à l'aide de celle-ci ; - la figure 3 est une vue en perspective d'une opération de fabrication de la meule de la figure 1 ; - la figure 4 est une vue en perspective de l'opération d'usinage d'un pied d'aube à l'aide de la meule de la figure 3 ; - la figure 5 est une vue en perspective de l'opération de redressage de la meule de la figure 3 après l'usinage d'un pied d'aube ; - la figure 6 est une vue schématique de la fabrication d'une meule, selon un second mode de réalisation de l'invention, destinée à l'usinage d'une pièce en matériau composite à matrice organique, et - la figure 7 est une vue schématique de la meule de la figure 6 et de la pièce fabriquée à l'aide de celle-ci. En se référant aux figures 1 et 3, on voit une meule brute 1 de forme cylindrique massive, qui est portée par une tige 2 susceptible d'être montée dans le mandrin d'une machine-outil du type fraiseuse ou tour à commande numérique (non représentée). La meule brute 1 est entraînée en rotation par la machine-outil autour d'un axe passant par la tige 2. Un outil de dressage 3 de la meule, présentant une extrémité du type pointe diamant 4, est positionné en vis-à-vis de la face latérale de la meule brute 1 et animé d'un mouvement de translation. Ce mouvement est complété soit par un mouvement de rotation de l'outil de dressage dans un plan passant par l'axe de rotation de façon que sa pointe terminale 4 décrive un arc de cercle (figure 1), soit par un mouvement de déplacement latéral donné à la meule 1 (figure 3). Le dressage d'une meule est l'opération qui consiste à l'usiner pour lui donner une forme extérieure correspondant aux caractéristiques géométriques recherchées pour la pièce à produire. Sur les figures, du fait de sa rotation, la meule brute 1 est creusée par la pointe diamant 4 sous la forme d'un diabolo, ce qui correspond, en négatif, à la forme que l'on souhaite donner à la pièce en matériau composite à usiner. Une telle forme donnée au flanc de la meule permet, par exemple, de réaliser des pieds d'aube qui présentent différentes pentes et, notamment, des pieds en formes dites de pied de sapin. Les figures 2 et 4 montrent la même meule 1 en cours d'utilisation pour réaliser une pièce 5 en composite à matrice organique, dont la forme extérieure reproduit, en plein, la forme en creux du diabolo de la meule 1. La pièce 5 est déplacée soit longitudinalement, soit transversalement par rapport à la meule 1 pour donner la forme voulue au pied d'aube. La figure 5 montre l'opération de redressage de la meule 1, qui est toujours installée sur sa machine-outil, l'outil de dressage 3 redonnant à celle-ci sa forme initiale après l'usure qu'elle subie au cours de l'usinage du pied d'aube montré sur la figure 4. La figure 6 montre la réalisation d'une autre forme donnée à la meule brute 1, dans un second mode de réalisation. Ici, l'outil de dressage 3 est déplacé en face de la partie terminale de la meule brute 1, de façon que sa pointe diamant 4 donne une forme arrondie à cette partie terminale. Sur la figure 7 on voit une pièce 15 usinée par meulage à l'aide de la partie terminale de la meule 1. Alors que sur la figure 2 la meule 1 travaille par son flanc latéral elle travaille, ici, par sa face terminale ce qui permet de réaliser un surfaçage de la pièce 15. Alors que dans l'art antérieur l'usinage des pièces était effectué par un outil à concrétions diamantées, ce qui avait l'inconvénient d'arracher les fibres formant renfort du matériau composite, l'invention propose d'utiliser des meules classiques du commerce, utilisées de façon courante pour des opérations de rectification. De telles meules 1 sont réalisées à partir d'une forme brute constituée par des particules abrasives agglomérées entre elles par frittage. Les particules sont classiquement en corindon ou en un carbure, de silicium ou de bore, c'est-à-dire en un matériau dont la dureté est supérieure à celle des fibres composant le matériau composite à usiner, mais qui reste nettement inférieure à celle du diamant pour pouvoir permettre son dressage par un outil diamanté. Le liant qui agglomère les particules abrasives est classiquement pris parmi des résines phénoliques, mélamine-formaldéhyde, ou des argiles. L'avantage essentiel apporté par l'utilisation des meules classiques du commerce est leur faible coût, puisque elles sont disponibles sur étagère chez les fabricants de meules, sous des formes géométriques simples. Leur relative faible dureté, par comparaison avec les outils diamantés, permet ensuite de leur donner aisément la forme voulue, sans qu'il soit besoin de développer des outillages complexes et coûteux pour cela. Le processus de mise au point d'un outillage de meulage pour l'usinage des matériaux à matrice organique se présente donc de la façon suivante : Une meule 1 sous sa forme brute, que celle-ci soit une forme massive cylindrique comme sur les figures, une forme plate ou celle d'un boisseau, est positionnée sur un tour à commande numérique et entraînée en rotation. Un outil 3 à pointe diamant est positionné en vis-à-vis de cette forme brute et déplacé de façon à usiner la meule 1 et lui donner, en négatif, la forme que l'on souhaite donner à la pièce à usiner. Cette forme peut être celle d'un diabolo comme illustré sur les figures 1 et 3, une forme convexe comme sur la figure 6 ou toute autre forme adaptée à la pièce que l'on souhaite réaliser. Une fois cette meule 1 ébauchée, elle est transférée sur une perceuse à commande numérique pour la réalisation des pièces à produire. Compte tenu de son mode d'usinage qui consiste à user à la fois les fibres et le liant des matériaux composites, sans arracher ces fibres, on obtient un polissage de la surface de la pièce et donc une rugosité faible. La rugosité obtenue peut être de l'ordre de 0,4 ou 0,5 microns, c'est à dire être très inférieure aux 2 microns obtenus par les procédés classiques et leurs outils de coupe. Du fait que la meule 1 a une dureté inférieure à celle d'un outil diamanté, il est possible de redresser régulièrement la meule 1, c'est à dire de lui redonner la forme exacte que l'on souhaite et ainsi éviter les dérives sur les caractéristiques géométriques de la pièce à usiner 5 ou 15, qui seraient dues à l'usure de la meule 1. Il convient de remarquer que ce redressage, qui est effectué par l'action d'un outil diamanté sur la face travaillante de la meule, peut être effectué in situ, c'est-à-dire sans qu'il soit besoin de démonter la meule 1 de la fraiseuse à commande numérique sur laquelle elle est montée. On évite ainsi les opérations de remontage et de réglage du positionnement de la meule sur la machine-outil après un redressage, ces opérations étant consommatrices de temps et par conséquent coûteuses en production. Les meules utilisées sont des meules du commerce, comme des meules blanches, des meules en corindon ou des meules chargées de silice, qui sont généralement destinées à être utilisées dans des meuleuses ou des rectifieuses. Il s'agit donc de meules ayant des formes standard, qui sont produites en grande série pour ces machines outils et qui, selon l'invention, sont simplement adaptées à l'aide de l'outil à pointe diamant 3 pour leur donner la forme recherchée pour la pièce à produire. De ce fait leur coût d'acquisition est extrêmement bas. Les avantages associés à ce procédé d'usinage des pièces en composites à matrice organique par meulage sont essentiellement : - un très bon état de surface, - une meilleure précision du dessin de l'outil, - une réduction des dispersions due à la suppression des opérations de démontage de l'outil de la machine qui le façonne puis de son remontage sur la machine-outil, - une simplification des positionnements relatifs de l'outil et de la pièce à usiner, et - une simplification du travail par une programmation effectuée directement sur le poste de travail. REVENDICATIONS1. Procédé d'usinage d'une pièce réalisée en composite à matrice organique caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de : - sélection d'une meule brute (1), issue du commerce, réalisée par agglomération entre elles de particules abrasives, dont la dureté est inférieure à celle des outils diamantés, ladite meule brute ayant une forme dans laquelle peut être découpé le profil recherché pour la pièce à usiner, - montage de ladite meule sur une machine-outil tournante et mise en rotation de la meule autour de l'axe de rotation de ladite machine-outil, - découpe dans une paroi de la meule d'une forme cylindrique ou conique dont la génératrice reproduit en creux la forme de la pièce à réaliser, à l'aide d'un outil (3) ayant la dureté d'un outil diamanté, - retrait de l'outil de découpe (3) et mise en place de la pièce à usiner (5, 15) en regard de ladite meule après sa découpe, - usinage de la pièce à réaliser par meulage jusqu'à obtention de la forme recherchée. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel les particules abrasives de la meule brute (1) sont des particules de corindon. 3. Procédé selon la revendication 1 dans lequel les particules abrasives de la meule brute (1) sont des particules en carbure de silicium ou de bore. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 comprenant en outre une étape de régénération de la forme de la paroi de la meule (1) après l'usinage d'une pièce (5, 15), par une opération de dressage de ladite meule à l'aide de l'outil de découpe (3), sans démontage de ladite meule de sa machine-outil. 5. Meule constituée par une agglomération entre elles de particules abrasives, dont la dureté est inférieure à celle des outils diamantés caractérisée en ce qu'une de ses parois a été découpée selon une forme cylindrique ou conique. 6. Meule selon la revendication 5 dans laquelle la découpe correspond, en creux, à la forme en pied de sapin d'une aube de turbomachine.