Brevet FR2970192A1 — publié le 20120713

Outillage et procédé de forgeage à chaud de tôles La présente invention concerne un outillage et un procédé de forgeage à chaud de tôles destinées à former un renfort métallique destiné à être monté sur le bord d'attaque ou de fuite d'une aube de turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. Afin de réduire le poids et le coût des aubes de soufflante de turbomachine, on les réalise généralement en matériau composite. Les aubes de soufflante doivent résister à des contraintes et des chocs importants, du fait de leur vitesse de rotation et des impacts de particules ou de corps étrangers pouvant pénétrer dans la veine d'air. Pour cela, les aubes en composite sont protégées, au niveau de leurs bords d'attaque et/ou de fuite, par des renforts métalliques collés sur les pales des aubes. Le document EP 1 574 270-A1, au nom de la Demanderesse, décrit un procédé de réalisation d'un tel renfort par soudage par diffusion et formage superplastique ou SPF/DB (Super Plasting Forming / Diffusion Bonding), consistant à : - souder deux tôles l'une à l'autre par soudage diffusion afin d'obtenir une préforme, une partie des tôles étant recouverte d'un produit anti-diffusant afin d'éviter leur soudage dans des zones déterminées ; - cambrer et vriller la préforme, - gonfler la préforme afin qu'elle subisse un formage superplastique, - découper la préforme afin d'obtenir le renfort. Ce procédé ne permet pas de contrôler précisément la forme intérieure de la cavité du renfort. En particulier, les zones de jonction des tôles forment des zones de concentration de contraintes et d'amorce de rupture fragilisant le renfort. Afin d'améliorer la tenue mécanique du renfort, la demande de 30 brevet FR 10/51992, déposée par la Demanderesse et non encore publiée, propose un procédé de réalisation d'un renfort métallique consistant à : - mettre en forme deux tôles pour les rapprocher de la forme définitive du renfort à réaliser, - positionner les deux tôles de part et d'autre d'un noyau reproduisant les formes internes de l'extrados et de l'intrados du renfort, - assembler les deux tôles l'une à l'autre autour du noyau de façon étanche et sous vide, - conformer les tôles sur le noyau par compression isostatique à chaud, - découper les tôles pour séparer le renfort et libérer le noyau. La compression isostatique à chaud des tôles permet de conformer les tôles à la forme du noyau et d'obtenir, dans la zone de jonction des tôles, un grand rayon de raccordement et, par conséquent, d'éviter toute zone de concentration de contraintes ou d'amorce de rupture. La mise en forme des tôles préalablement à leur positionnement autour du noyau est réalisée en plusieurs opérations successives de formage à chaud. Toutefois, il est difficile de contrôler avec précision la forme, les épaisseurs et les états de surface des tôles ainsi formées. En outre, la durée et le coût de telles opérations sont relativement élevés. Enfin, les tôles formées doivent être usinées après formage, ce qui est particulièrement difficile et coûteux quand elles ont un profil en trois dimensions. Il est en effet plus aisé d'usiner des tôles planes, c'est-à-dire avant mise en forme. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, 25 efficace et économique à ces problèmes. A cet effet, elle propose un outillage de forgeage à chaud de tôles destinées à former un renfort métallique monté sur le bord d'attaque ou de fuite d'une aube de turbomachine, comportant des matrices inférieure et supérieure présentant chacune une surface allongée vrillée, destinée à la 30 mise en forme d'une tôle initiale plane, la surface de mise en forme de la matrice inférieure présentant une partie haute, une partie basse et deux zones d'extrémité, caractérisé en ce que la matrice inférieure comporte au moins trois plots de positionnement et de guidage de la tôle, situés en périphérie de la surface de mise en forme correspondante, un premier et un second plots étant positionnés respectivement au niveau de chaque zone d'extrémité de la surface de mise en forme, un troisième plot étant situé au niveau de la partie basse de la surface de mise en forme. La position et le nombre de plots sont définis en fonction des applications. Les plots permettent d'une part de positionner précisément, simplement et rapidement la tôle sur la matrice inférieure, et d'autre part de guider le bord correspondant de la tôle lors de sa déformation, de manière à contrôler sa position tout au long de l'étape de mise en forme. La position et le nombre de plots sont définis en fonction des applications. La mise en forme de la tôle est réalisée en une seule fois et sa déformation peut être contrôlée précisément. La reproductibilité de l'opération permet de déterminer quels sont les usinages préalables à apporter à la tôle plane initiale, afin de générer des zones d'épaisseur choisie. Le profil final de la tôle peut ainsi être au plus proche du profil de la pièce à obtenir, de manière à limiter toute opération coûteuse d'usinage d'une pièce en trois dimensions. Avantageusement, trois des plots sont situés d'un même côté d'un axe longitudinal médian de la surface de mise en forme de la matrice inférieure. En effet, les efforts latéraux générés lors de la déformation étant dirigés vers la partie basse, il n'est pas nécessaire que la tôle puisse prendre appui du côté opposé à la partie basse. Selon une caractéristique de l'invention, la hauteur du troisième plot est au moins égale à la différence de hauteur entre la partie haute et la partie basse de la surface de mise en forme. De cette manière, la tôle peut être guidée par le troisième plot pendant toute la durée de sa déformation. Selon une autre caractéristique de l'invention, au moins un plot s'étend perpendiculairement à la périphérie de la surface de mise en forme et présente une section se rétrécissant vers l'intérieur de la surface de mise en forme, de manière à former une zone d'appui ponctuelle ou linéique pour le bord de la tôle. Préférentiellement, la matrice inférieure comporte un quatrième plot situé au niveau de la partie haute de la surface de mise en forme, dans une zone de plus grande courbure du bord correspondant de la surface de mise en forme. Le quatrième plot permet de maintenir encore plus efficacement la tôle dans la matrice en prévenant un glissement éventuel. L'invention propose également un procédé de fabrication d'une tôle vrillée pour la réalisation d'un renfort métallique destiné à être monté sur le bord d'attaque ou de fuite d'une aube de turbomachine, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à : - découper une tôle plane d'épaisseur sensiblement constante, par exemple par découpage au jet d'eau. - usiner la tôle plane afin de réaliser des zones d'épaisseurs différentes, - chauffer la tôle, - mettre en place la tôle dans un outillage du type précité, la tôle prenant appui par ses bords sur la surface de mise en forme de la matrice inférieure et sur les plots de maintien et de guidage, - mettre en forme la tôle en une seule opération de forgeage par rapprochement des deux matrices de l'outillage, la tôle étant progressivement déformée de façon à se conformer aux surfaces de mise en forme des matrices, le bord de la tôle étant guidé par les plots lors de sa mise en forme. - retirer la tôle hors de l'outillage. De manière préférée, la tôle est en un alliage à base de titane, par exemple en TA6V, et est chauffée à environ 940°C avant sa mise en place dans l'outillage. La tôle peut être refroidie avant son retrait hors de l'outillage. De manière avantageuse, la tôle après l'étape initiale de découpe est pourvue de moyens de préhension à l'une de ses extrémités. Ces moyens de préhension permettent de retirer la tôle de la matrice inférieure après mise en forme. Un usinage final de la tôle peut être réalisé après forgeage dans un bain chimique. 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 de face d'une tôle initiale plane et découpée, avant mise en forme à l'aide d'un outillage selon l'invention, - la figure 2 est une vue en perspective et de dessus, d'une matrice inférieure de l'outillage selon l'invention, - la figure 3 est une vue en perspective et de dessous, d'une matrice supérieure de l'outillage selon l'invention, - la figure 4 représente le positionnement de la tôle plane et découpée de la figure 1 sur la matrice inférieure, avant formage, - la figure 5 est une vue correspondant à la figure 4, montrant la tôle après formage à l'aide de l'outillage selon l'invention, - la figure 6 est une vue de face de l'outillage et de la tôle de la figure 1, avant formage, - la figure 7 est une vue de côté de l'outillage et de la tôle de la figure 1, avant formage. Le procédé selon l'invention consiste tout d'abord à découper une tôle plane d'épaisseur sensiblement constante, par exemple par découpage au jet d'eau. La tôle est en un alliage à base de titane, par exemple en TA6V. La tôle 1 obtenue après découpe est illustrée à la figure 1. Elle est de forme allongée et incurvée ou en S, et présente une périphérie 5 formée de deux extrémités 2, 3 et de deux bords latéraux 4, 5. L'extrémité 2 est pourvue d'une languette plane de préhension 6 s'étendant vers l'extérieur. La tôle 1 peut comporter sur l'une et/ou l'autre de ses faces inférieure et supérieure, des zones 7 d'épaisseurs différentes, bombées ou 10 en creux. Ces zones 7 incurvées ou en S s'étendent sensiblement dans la direction longitudinale de la tôle et sont approximativement parallèles à ses bords latéraux. Ces zones 7 peuvent être obtenues par usinage, par exemple par fraisage, de la tôle 1 à plat. L'usinage de la tôle plane 1 peut être 15 réalisé avant ou après l'opération de découpe. La tôle 1 est ensuite chauffée à environ 940°C avant sa mise en place dans un outillage comportant une matrice inférieure 8 et une matrice supérieure 9, visibles respectivement aux figures 2 et 3. La matrice inférieure 8 présente une empreinte 11 comportant 20 une surface de mise en forme 12 vrillée et présentant une partie haute 13, une partie basse 14 et deux zones d'extrémité 15, 16. L'empreinte 11 est classiquement équipée de croisillons 23 servant à s'assurer du bon positionnement d'une empreinte par rapport à l'autre. Deux renfoncements 17, 18 sont ménagés dans l'empreinte 25 11, au niveau des extrémités 15, 16. Trois plots ou colonnes 19, 20, 21 de positionnement et de guidage de la tôle 1 sont situés en périphérie de la surface de mise en forme 12, un premier et un second plots 19, 20 étant positionnés respectivement au niveau de chaque zone d'extrémité 15, 16 de la surface 30 de mise en forme 12, un troisième plot 21 étant situé au niveau de la partie basse 14 de la surface de mise en forme 12. Le plot 20 est monté dans le renfoncement 18 et fait saillie hors de celui-ci vers le haut. Les plots 19, 20 et 21 sont situés d'un même côté d'un axe longitudinal médian de la surface 12 de mise en forme de la matrice inférieure 8, à savoir du côté de la partie basse 14. Les extrémités supérieures des plots 19, 20, 21 sont chacune situées dans un plan horizontal disposé au-dessus de la partie haute 13 de la surface de mise en forme 12. A titre d'exemple, la longueur de la tôle 1 est comprise entre 700 et 900 mm, sa largeur est comprise entre 200 et 300 mm et son épaisseur est comprise entre 1 et 4 mm, en fonction des zones. Chaque plot 19, 20, 21 s'étend perpendiculairement à la périphérie de la surface de mise en forme 12 et présente une section se rétrécissant vers l'intérieur de la surface de mise en forme 12, de manière à former une zone d'appui ponctuelle ou linéique pour le bord de la tôle 1. Dans l'exemple représenté aux figures, les plots 19, 20, 21 ont chacun une section globalement carrée, la surface 22 des plots tournée du côté de la surface de mise en forme 12 étant bombée ou en pointe. Un quatrième plot 30, de forme cylindrique, est situé en périphérie de la surface de mise en forme, du côté de la partie haute 13. Ce plot 30 est plus particulièrement situé au niveau d'une zone de plus grande courbure du bord correspondant de la surface de mise en forme 12. La matrice supérieure 9 présente également une empreinte 11 équipée de croisillons 23 et comportant une surface de mise en forme vrillée 24, de forme complémentaire à la surface de mise en forme 12 de la matrice inférieure 8. Deux renfoncements 25, 26 sont ménagés dans l'empreinte supérieure 9, au niveau des extrémités de la surface 12. L'empreinte comporte en outre trois logements 27, 28 et 31, lesdits logements 27, 28 et 31, et le renfoncement 26 étant destinés accueillir respectivement les plots 21, 19, 30 et 20 lors du rapprochement des deux matrices 8, 9. Les matrices inférieure 8 et supérieure 9 comportent de plus des trous de guidage 29, destinés au passage de tiges de guidage (non représentées) permettant le positionnement des matrices 8, 9 ainsi que le déplacement de la matrice supérieure 9 mobile, par rapport à la matrice inférieure 8 fixe. Après l'étape de chauffage de la tôle 1 découpée et usinée, celle-ci est montée entre l'empreinte inférieure 8 et l'empreinte supérieure 9 à l'aide de la languette de préhension 6 (Figures 4, 6 et 7). La tôle 1 repose en particulier par son bord périphérique sur la surface de mise en forme 12 de la matrice inférieure 8 (zones de contact sensiblement ponctuelles), ledit bord venant également s'appuyer latéralement sur les surfaces latérales 22 des plots 19, 20, 21, 30 de façon à assurer le positionnement précis de la tôle 1 par rapport à la matrice inférieure 8. La tôle 1 est ensuite mise en forme en une seule opération de forgeage ou matriçage par rapprochement des deux matrices 8, 9 de l'outillage, la tôle 1 étant progressivement déformée de façon à se conformer aux surfaces de mise en forme 12, 24 des matrices (Figure 5). Le bord de la tôle 1 est guidé par les plots 19, 20, 21, 30 tout au long de sa mise en forme, de façon à éviter tout déplacement non souhaité lors de la tôle et garantir que sa forme définitive soit au plus proche de la forme souhaitée. La tôle 1 est ensuite refroidie à l'air libre avant son retrait hors de l'outillage. Enfin, un usinage final de la tôle 1 est réalisé dans un bain chimique. Le procédé et l'outillage selon l'invention permettent ainsi de former des tôles simplement, rapidement et de manière précise. Les tôles ainsi formées ne nécessitent en outre pas d'usinage mécanique après mise en forme. REVENDICATIONS1. Outillage de forgeage à chaud de tôles (1) destinées à former un renfort métallique monté sur le bord d'attaque ou de fuite d'une aube de turbomachine, comportant des matrices inférieure et supérieure (8, 9) présentant chacune une surface allongée vrillée (12, 24), destinée à la mise en d'une tôle initiale plane (1), la surface de mise en forme (12) de la matrice inférieure (8) présentant une partie haute (13), une partie basse (14) et deux zones d'extrémité (15, 16), caractérisé en ce que la matrice inférieure (8) comporte au moins trois plots (19, 20, 21, 30) de positionnement et de guidage de la tôle (1), situés en périphérie de la surface de mise en forme correspondante (12), un premier et un second plots (19, 20) étant positionnés respectivement au niveau de chaque zone d'extrémité (15, 16) de la surface de mise en forme (12), un troisième plot (21) étant situé au niveau de la partie basse (14) de la surface de mise en forme (12). 2. Outillage selon la revendication 1, caractérisé en ce que trois des plots (19, 20, 21) sont situés d'un même côté d'un axe longitudinal médian de la surface de mise en forme (12) de la matrice inférieure (8). 3. Outillage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la hauteur du troisième plot (21) est au moins égale à la différence de hauteur entre la partie haute (13) et la partie basse (14) de la surface de mise en forme (12). 4. Outillage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins un plot (19, 20, 21) s'étend perpendiculairement à la périphérie de la surface de mise en forme (12) et présente une section se rétrécissant vers l'intérieur de la surface de mise en forme, de manière à former une zone d'appui ponctuelle ou linéique pour le bord de la tôle (1). 5. Outillage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la matrice inférieure (8) comporte un quatrième plot (30) situé au niveau de la partie haute (13) de la surface de mise en forme (12), dansune zone de plus grande courbure du bord correspondant de la surface de mise en forme (12). 6. Procédé de fabrication d'une tôle vrillée (1) pour la réalisation d'un renfort métallique destiné à être monté sur le bord d'attaque ou de fuite d'une aube de turbomachine, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à : - découper une tôle plane (1) d'épaisseur sensiblement constante, par exemple par découpage au jet d'eau. - usiner la tôle plane (1) afin de réaliser des zones (7) d'épaisseurs différentes, - chauffer la tôle (1), - mettre en place la tôle (1) dans un outillage selon l'une des revendications 1 à 5, la tôle (1) prenant appui par ses bords sur la surface de mise en forme (12) de la matrice inférieure (8) et sur les plots (19, 20, 21) de maintien et de guidage, - mettre en forme la tôle (1) en une seule opération de forgeage par rapprochement des deux matrices (8, 9) de l'outillage, la tôle (1) étant progressivement déformée de façon à se conformer aux surfaces de mise en forme (12, 24) des matrices (8, 9), le bord de la tôle (1) étant guidé par les plots (19, 20, 21) lors de sa mise en forme. - retirer la tôle hors de l'outillage. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la tôle (1) est en un alliage à base de titane, par exemple en TA6V, et est chauffée à environ 940°C avant sa mise en place dans l'outillage. 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la tôle (1) est refroidie avant son retrait hors de l'outillage. 9. Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la tôle (1) après l'étape initiale de découpe est pourvue de moyens de préhension (6) à l'une de ses extrémités (2). 10. Procédé selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'un usinage final de la tôle (1) est réalisé après forgeage dans un bain chimique.