Brevet FR2965496A1 — publié le 20120406

OUTILLAGE DE FORME « MULTI-EFFETS » APTE AU FORMAGE A HAUTE TEMPERATURE. La présente invention concerne un outillage de forme « multi-effets » apte au formage à haute température de pièces métalliques telles que par exemple un renfort métallique d'aube composite, ou métallique, de turbomachine. L'outillage de forme « multi-effets », selon l'invention, est particulièrement bien adapté à la mise en forme de pièce de géométrie complexe telle qu'un renfort métallique de bord d'attaque d'aube de turbomachine. Le domaine de l'invention est notamment celui des turbomachines et plus particulièrement celui des aubes de soufflante, en matériau composite ou métallique, de turbomachine et dont le bord d'attaque comporte un renfort structurel métallique. Toutefois, l'invention est aussi bien applicable à la réalisation de toutes pièces de forme géométrique complexe et à la réalisation de renforts métalliques destinés à renforcer un bord d'attaque ou un bord de fuite d'aube de tout type de turbomachine, terrestre ou aéronautique, et notamment un turbomoteur d'hélicoptère ou un turboréacteur d'avion. On rappelle que le bord d'attaque correspond à la partie antérieure d'un profil aérodynamique qui fait face au flux d'air et qui divise l'écoulement d'air en un écoulement d'air d'intrados et en un écoulement d'air extrados. Le bord de fuite correspond à la partie postérieure d'un profil aérodynamique où se rejoignent les écoulements intrados et extrados. Les aubes de turbomachine, et notamment les aubes de soufflante, subissent d'importantes contraintes mécaniques, liées notamment à la vitesse de rotation, et doivent satisfaire à des conditions strictes de poids et d'encombrement. L'une des options envisagées pour alléger les aubes est l'utilisation de matériaux composites pour leur fabrication. Il est connu d'équiper les aubes de soufflante d'une turbomachine, réalisées en matériaux composites, d'un renfort structurel métallique s'étendant sur toute la hauteur de l'aube et au-delà de leur bord d'attaque comme mentionné dans le document EP1908919 déposé par SNECMA. Un tel renfort permet de protéger I'aubage composite lors d'un impact d'un corps étranger sur la soufflante, tel que par exemple un oiseau, de la grêle ou encore des cailloux. En particulier, le renfort structurel métallique protège le bord d'attaque de l'aube composite en évitant des risques de délamination, de rupture de fibre ou encore d'endommagement par décohésion fibre/matrice. De façon classique, une aube de turbomachine comporte une surface aérodynamique s'étendant, selon une première direction, entre un bord d'attaque et un bord de fuite et, selon une deuxième direction sensiblement perpendiculaire à la première direction, entre un pied et un sommet de l'aube. Le renfort structurel métallique épouse la forme du bord d'attaque de la surface aérodynamique de l'aube et s'étend selon la première direction au-delà du bord d'attaque de la surface aérodynamique de l'aube pour épouser le profil de l'intrados et de l'extrados de l'aube et selon la deuxième direction entre le pied et le sommet de l'aube. De façon connue, le renfort structurel métallique est une pièce métallique en titane réalisée entièrement par fraisage à partir d'un bloc de matière. Cependant, le renfort métallique d'un bord d'attaque d'aube est une pièce complexe à réaliser, nécessitant de nombreuses opérations de reprises et des outillages complexes impliquant des coûts de réalisation importants. Dans ce contexte, l'invention vise à résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus, en proposant un outillage de forme « multi-effets » apte au formage de pièces métalliques à haute température, telles qu'un renfort métallique de bord d'attaque ou de bord de fuite d'aube de turbomachine permettant de simplifier la gamme de fabrication et de réduire de manière significative les coûts de réalisation d'une telle pièce en proposant un outillage « multi-effets » mise en oeuvre par une presse simple effet. A cette fin, l'invention propose un outillage de forme « multi-effets » apte au formage à haute température de pièces métalliques, ledit outillage comportant une partie fixe et une partie mobile mise en action par une presse unidirectionnelle, selon une première direction, ledit outillage variant entre une position d'ouverture et une position de fermeture dans laquelle la partie mobile exerce une pression sur ladite partie fixe ; ledit outillage étant caractérisé en ce que ladite partie mobile comporte des moyens mobiles aptes à amorcer une déformation de ladite pièce métallique par translation desdits moyens selon une deuxième direction Y de manière simultanée à la translation des desdits moyens selon ladite première direction lors de ladite fermeture dudit outillage. On entend par presse unidirectionnelle une presse à simple effet ne comportant qu'un axe de travail, généralement l'axe verticale par rapport au plan d'appui de la presse, par opposition aux presses double ou encore triple effets comportant respectivement deux ou trois axes de travail orientés selon des directions différentes. On entend par « multi-effet » une déformation selon plusieurs directions intervenant à plusieurs endroits de la pièce de manière simultanée en opposition à une déformation simple effet résultant d'une seule contrainte appliquée localement selon une seule direction. Grâce à l'invention, il est possible de réaliser une déformation multieffets (Le selon différentes directions de façon simultanée) au moyen d'une presse simple effet, peu onéreuse, dans des conditions de hautes températures, c'est-à-dire des températures nécessaires pour le forgeage des pièces à réaliser. Dans le cas avantageux de la réalisation d'un renfort métallique d'aube de turbomachine, la pièce est déformée et vrillée selon plusieurs directions en une seule opération avec une presse simple effet et à une température supérieure à 850°C (de l'ordre de 940°C pour la réalisation d'un renfort en titane). Ainsi, l'outillage selon l'invention permet de s'affranchir de la réalisation complexe du renfort par un procédé de fraisage dans la masse à partir de méplats nécessitant de grands volumes de matière et par conséquent l'outillage permet de diminuer les quantités de matière premières nécessaire à la réalisation d'un tel renfort métallique. Le renfort métallique de forme complexe est réalisé de façon simple et rapide à partir d'une préforme obtenue à partir d'un simple barreau métallique et d'une succession d'étapes de forge comme décrite notamment dans la demande de brevet SNECMA FR1055066. La préforme est ensuite mise en forme de façon tridimensionnelle à haute température dans l'outillage « multi-effets » au moyen d'une presse simple effet. Ainsi, l'outillage selon l'invention permet de réaliser une déformation multi-effets (Le selon différentes directions de façon simultanée) au moyen d'une presse simple effet peu onéreuse et dans des conditions de hautes températures, c'est-à-dire au-delà de 850°C. L'outillage de forme « multi-effets » selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - ledit outillage est un outillage isotherme apte au formage à une température supérieure à 850°C ; - ladite partie fixe comporte une matrice présentant deux parois inclinées aptes à déplacer lesdits moyens mobiles selon ladite deuxième direction Y lors de ladite fermeture dudit outillage ; - chacun desdits moyens mobiles comporte une face inclinée parallèle à l'une desdites parois inclinées de ladite matrice de la partie fixe ; - lesdits moyens mobiles sont aptes à s'écarter de ladite pièce métallique par translation inverse desdits moyens mobiles, selon ladite deuxième direction Y, de manière simultanée à la translation desdits moyens mobiles selon ladite première direction Z lors de ladite ouverture dudit outillage ; - ladite partie mobile comporte au moins un écarteur solidaire des mouvements de ladite partie mobile apte à écarter lesdits moyens mobiles de ladite pièce selon ladite deuxième direction Y lors de ladite ouverture dudit outillage ; - ladite partie fixe comporte des moyens aptes à former un référentiel permettant de positionner ladite pièce métallique dans l'outillage ; - ledit outillage est apte au formage d'un renfort métallique de bord d'attaque ou de bord de fuite d'aube de turbomachine ; - chacun desdits moyens mobiles comporte une empreinte représentative d'une des faces externes dudit renfort de bord d'attaque ou du bord de fuite de turbomachine à réaliser. L'invention a également pour objet un procédé de forgeage mettant en oeuvre ledit outillage de forme « multi-effets » selon l'invention caractérisé en ce que ledit procédé comporte les étapes consistant à : - une étape de mise en place de ladite pièce métallique préformée dans ledit outillage ; - une étape de fermeture dudit ouillage selon ladite première direction verticale Z, ladite étape de fermeture engendrant une translation desdits moyens mobiles selon ladite deuxième direction Y amorçant une déformation de ladite pièce métallique ; - une étape de maintien de l'outillage sous pression dans sa position fermée à haute température de façon à former ladite pièce métallique dans sa forme finale. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue en perspective de l'outillage de forme selon l'invention illustré dans sa position ouverte ; - la figure 2 est une vue de côté de l'outillage selon l'invention lors d'une phase de fermeture ; - la figure 3 est une vue de côté de l'outillage de forme selon l'invention dans sa position fermée ; - la figure 4 est une vue de coté, de l'outillage de forme selon l'invention, illustrant l'outillage lors d'une phase d'ouverture ; - la figure 5 est une vue de coté, de l'outillage selon l'invention, illustrant l'outillage de forme dans sa position ouverte. Dans toutes les figures, les éléments communs portent les mêmes numéros de référence sauf précision contraire. La figure 1 est une vue en perspective de l'outillage de forme 100 selon l'invention illustré dans sa position ouverte. L'outillage de forme 100 est formé de façon classique par une partie inférieure 110, représentant la partie fixe de l'outillage 100, et une partie supérieure 120, représentant la partie mobile de l'outillage 100. L'ouillage de forme 100 représenté, à titre d'exemple, sur toutes les figures, est un outillage permettant la réalisation d'un renfort en titane de bord d'attaque d'aube de turbomachine. L'outillage est destiné à être monté sur une presse simple effet (non représentée), de type presse de forgeage, comportant un seul axe de travail, généralement l'axe vertical, illustré à la figure 1 par l'axe Z. Selon d'autres modes de réalisation, l'outillage peut également être monté sur tout type d'engin de forgeage par pression comportant un seul axe de travail. D'une façon générale, une pièce forgée est fabriquée en plaçant une préforme ou une ébauche entre deux matrices, une matrice supérieure et une matrice inférieure, comportant chacune une empreinte appropriée, puis en rapprochant les deux matrices l'une vers l'autre avec une pression suffisante pour déformer la préforme jusqu'à l'obtention d'une pièce dont la géométrie correspond à celle des empreintes, l'opération de forge étant réalisée avec l'outillage monté en température, c'est-à-dire à une température supérieure à 850°C pour la réalisation d'une pièce en titane et avantageusement une température de l'ordre de 940°C (plus ou moins 10%). La partie inférieure 110 de l'outillage comporte notamment : - un support inférieur 111 apte à être solidarisé sur la presse simple effet (non représentée) ; - une matrice inférieure 112 présentant une empreinte 113 apte à la fabrication d'un renfort de bord d'attaque ; - deux plaques supports 116 bordant de part et d'autre la matrice inférieure 112 et dont chacune comporte dans sa partie supérieure une encoche 117 apte à former un référentiel pour le positionnement de la préforme 10 avant la fermeture de l'outillage. Sur la figure 2, illustrant une vue de côté de l'outillage de forme selon l'invention illustré dans sa position ouverte, certains éléments, tels que les plaques supports 116, ne sont pas représentés afin de permettre une meilleure visualisation de l'agencement de la matrice inférieure 112. La matrice inférieure 112 est formée par : - une première partie inférieure 112b solidarisée au support 111, par exemple par assemblage par vis comportant au moins deux rainures longitudinales 119, au niveau de sa face supérieure réparties de part et d'autre de la ligne médiane longitudinale de la partie inférieure 112a, illustré par l'axe X ; - une deuxième partie supérieure 112a présentant au niveau de sa face inférieure des pattes de positionnement 118 permettant le positionnement de la partie supérieure 112a dans les rainures 119 de la partie inférieure 112b ; chaque patte 118 ayant la forme complémentaire de la forme des rainures longitudinales 119 de la première partie inférieure 112a. La deuxième partie supérieure 112a est solidarisée à la première partie par des moyens de solidarisation 132 formant des goupilles et traversant à la fois la première partie inférieure 112a au niveau des rainures longitudinales 119 et les pattes de positionnement 118 de la partie supérieure 112b. La matrice inférieure 112 comporte un poinçon 114 dont la partie supérieure forme une empreinte 113 conforme à la géométrie intérieure du bord d'attaque de l'aube de turbomachine. La partie inférieure 112b de la matrice 112 présente un évasement, sensiblement en forme de trapèze isocèle, apte à recevoir la base du poinçon 114, également de forme trapézoïdale, et apte à centrer le poinçon 114 dans la matrice 112. La base du poinçon 114 est emprisonnée entre la partie inférieure 112a et la partie supérieure 112b de la matrice 112, et plus précisément dans un espace 115 bordé d'une part par l'évasement de la partie inférieure 112a et d'autre part par deux pattes horizontales 133 faisant saillies vers l'intérieur de l'outillage 110 en partie supérieure. Ainsi, ces deux pattes horizontales 133 de la partie supérieure 112b réalisent une fonction de butée n'autorisant qu'un certain déplacement vertical (i.e. selon l'axe Z représenté à la figure 1) de la base du poinçon 114 dans l'espace 115 défini. Le jeu ainsi créé autorise avantageusement un déplacement calibré, entre ces différentes pièces de la matrice 112, permettant de réaliser un poinçon 114 flottant dans l'espace 115 apte à faciliter le démoulage de la pièce réalisée dans l'outillage 100. Les autres déplacements, transversaux et longitudinaux, du poinçon 114 sont bloqués respectivement par la forme évasée de la partie inférieure 112a recevant la base du poinçon 114 ainsi que par les plaques supports 116 bordant de part et d'autre le poinçon 114. Les plaques supports 116 sont solidarisées sur la partie inférieure 112a de la matrice 112 par des moyens classiques de solidarisation utilisés dans ce type d'outillage de presse par forgeage. La partie supérieure 120 de l'outillage comporte notamment : - un support supérieur 123 apte à être solidarisé sur la presse simple effet (non représentée) ; - deux matrices supérieures 121 et 122 dont chacune présente une empreinte, respectivement référencée 124 et 125, correspondant à la géométrie extérieure d'une des faces du renfort de bord d'attaque d'aube de turbomachine à réaliser. Les deux matrices supérieures 121 et 122 ont la particularité de générer un mouvement complexe différent du déplacement imposé par la presse simple effet. La figure 2 illustre plus précisément les mouvements respectifs des deux matrices 121, 122, par les flèches référencées 150, lors de la fermeture de la presse, dont le déplacement d'ouverture/fermeture est symbolisé par les flèches verticales 160. En effet, les deux matrices supérieures 121, 122 effectuent une translation selon l'axe Y, lors du déplacement du support supérieur 123 selon l'axe Z. La translation des matrices supérieures 121, 122 lors de la fermeture de la presse est permise par la forme complémentaire des matrices supérieures 121, 122 et de la matrice inférieure 112. La face 131 de la matrice inférieure 112 en regard vers l'intérieur de l'outillage 100 forme une pente sur laquelle les matrices supérieures 121, 122 glissent lors de la fermeture de la presse, en générant un déplacement transversal complémentaire au déplacement vertical selon l'axe Z. Le mouvement transversal des matrices supérieures 121, 122 est guidé relativement par un guide 134, par exemple un axe cylindrique libre, permettant aux deux matrices supérieures 121, 122 d'être guidées lors de la fermeture et lors de l'ouverture de la presse. Dès lors, les deux matrices supérieures 121, 122 amorcent la déformation et éventuellement le vrillage de la préforme 10, introduite dans l'outillage, au cours de la fermeture de l'outillage et dès le début de la phase de fermeture de l'outillage 100. Les matrices supérieures 121 et 122 comportent en partie supérieure une surface d'appui 135, sur laquelle le support 123 transmet la poussée de la presse. Cette surface d'appui est orientée sensiblement de façon perpendiculaire à la direction de la poussée des matrices supérieures 121, 122, illustrée par les flèches 150. L'orientation de cette surface d'appui 135 permet de limiter le couple généré sur les matrices supérieures 121, 122 et ainsi éviter le vrillage des matrices supérieures 121, 122 lors de la fermeture de la presse. La figure 3 illustre l'outillage de forme 100 décrit précédemment en position fermée. Lors de la remontée de la partie supérieure 120 de l'outillage 100, en phase d'ouverture, telle qu'illustrée aux figures 4 et 5, deux écarteurs 141 (un seul étant représenté) solidaires du support supérieur 123 permettent, de par leur forme, d'écarter les deux matrices supérieures 121, 122 de la pièce forgée. Les écarteurs 141 présentent une surface extérieure 136 biseautée formant une pente et réalisant une surface d'appui apte à glisser sur les matrices supérieures 121, 122 lors de l'ouverture de l'outillage 100. Ainsi, lors de la remontée de l'outillage supérieur 120, les écarteurs 141 remontent verticalement, selon la flèche référencée 161, illustrée à la figure 4, entrent en contact avec les matrices supérieures 121, 122 puis poussent de ce fait les matrices supérieures 121, 122 selon une direction transversale, perpendiculaire à la direction de l'ouverture de l'outillage 100. Lorsque les écarteurs 141 sont en contact avec les deux matrices supérieures 121, 122, elles ont une surface 137 en appui sur la surface extérieure 136 des écarteurs 141, de sorte que la remontée des écarteurs 141 écarte, sous l'effet de la gravité, les matrices supérieures 121, 122 par glissement à la fois sur la surface 136 de l'écarteur 141 et sur la face d'appui 131 de la matrice inférieure 112 selon la direction illustrée par la flèche référencée 151. Les figures 4 et 5 illustrent respectivement l'outillage en position basse lors de la phase de remontée de la presse et l'outillage en position haute lors de la phase de remontée de la presse. En position haute, telle qu'illustrée sur la figure 5, les matrices supérieures sont positionnées en appui sur les écarteurs 141 au moyen de butées horizontales 138 et des pentes 137. Ainsi, le dispositif est opérationnel pour la mise en forme de la pièce suivante. Grâce à l'invention, l'écartement automatique (en opposition avec un écartement manuel d'un opérateur) permet de préparer rapidement l'outillage pour le formage d'une pièce suivante sans intervention d'un opérateur et sans refroidissement de l'outillage. De façon à faciliter le démoulage de la pièce réalisée, notamment à froid, l'empreinte 113 peut être constituée par une pluralité de sections mobiles ou amovibles et aptes à se démonter individuellement. Afin de faciliter le démoulage, il est également possible de préparer initialement l'outillage 100 en déposant une couche de protection sur les empreintes 113, 124, 125 de façon à éviter que la pièce forgée ne colle sur l'outillage 100. A titre d'exemple, cette couche de protection peut être une couche d'oxyde d'aluminium L'invention a été particulièrement décrite pour la réalisation d'un renfort métallique d'une aube composite de turbomachine ; toutefois, l'invention est également applicable pour la réalisation d'un renfort métallique d'une aube métallique de turbomachine. L'invention a été particulièrement décrite pour la réalisation d'un renfort métallique d'un bord d'attaque d'aube de turbomachine ; toutefois, l'invention est également applicable pour la réalisation d'un renfort métallique d'un bord de fuite d'une aube de turbomachine. Les autres avantages de l'invention sont notamment les suivants : - réduction des coûts de réalisation ; - réduction du temps de réalisation ; - simplification de la gamme de fabrication ; - réduction des coûts des outillages ; - réduction des coûts matière. REVENDICATIONS1. Outillage de forme « multi-effets » (100) apte au formage à haute température de pièces métalliques (10), ledit outillage (100) comportant une partie fixe (110) et une partie mobile (120) mise en action par une presse unidirectionnelle, selon une première direction (Z), ledit outillage (100) variant entre une position d'ouverture et une position de fermeture dans laquelle la partie mobile (120) exerce une pression sur ladite partie fixe (110) ; ledit outillage (100) étant caractérisé en ce que ladite partie mobile (120) comporte des moyens mobiles (121, 122) aptes à amorcer une déformation de ladite pièce métallique (10) par translation desdits moyens (121, 122) selon une deuxième direction (Y) de manière simultanée à la translation des desdits moyens (121, 122) selon ladite première direction (Z) lors de ladite fermeture dudit outillage (100). 2. Outillage de forme « multi-effets » (100) apte au formage à haute température de pièces métalliques (10) selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit outillage est un outillage isotherme apte au formage à une température supérieure à 850°C. 3. Outillage de forme « multi-effets » (100) apte au formage à haute température de pièces métalliques (10) selon l'une des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que ladite partie fixe (110) comporte une matrice (112) présentant deux parois inclinées (131) aptes à déplacer lesdits moyens mobiles (121, 122) selon ladite deuxième direction Y lors de ladite fermeture dudit outillage (100). 4. Outillage de forme « multi-effets » (100) apte au formage à haute température de pièces métalliques (10) selon la revendication 3 caractérisé en ce que chacun desdits moyens mobiles (121, 122) comporte une face inclinée parallèle à l'une desdites parois inclinées de ladite matrice (112) de la partie fixe (110). 5. Outillage de forme « multi-effets » (100) apte au formage à haute température de pièces métalliques (10) selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que lesdits moyens mobiles (121, 122) sont aptes à s'écarter de ladite pièce métallique (10) par translation inverse desdits moyens mobiles, selon ladite deuxième direction Y, de manière simultanée à la translation desdits moyens mobiles (121, 122), selon ladite première direction (Z), lors de ladite ouverture dudit outillage (100). 6. Outillage de forme « multi-effets » (100) apte au formage à haute température de pièces métalliques (10) selon la revendication 5 caractérisé en ce que ladite partie mobile (120) comporte au moins un écarteur solidaire des mouvements de ladite partie mobile (120) apte à écarter lesdits moyens mobiles (121, 122) de ladite pièce (10) selon ladite deuxième direction (Y) lors de ladite ouverture dudit outillage (100). 7. Outillage de forme « multi-effets » (100) apte au formage à haute température de pièces métalliques (10) selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que ladite partie fixe (110) comporte des moyens (116) aptes à former un référentiel permettant de positionner ladite pièce métallique (10) dans l'outillage. 8. Outillage de forme « multi-effets » (100) apte au formage à haute température de pièces métalliques (10) selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que ledit outillage (100) est apte au formage d'un renfort métallique de bord d'attaque ou de bord de fuite d'aube de turbomachine. 9. Outillage de forme « multi-effets » (100) apte au formage à haute température de pièces métalliques (10) selon la revendication 8 caractérisé en ce que chacun desdits moyens mobiles (121, 122) comporte une empreinte (124, 125) représentative d'une des faces externes dudit renfort de bord d'attaque ou du bord de fuite de turbomachine à réaliser. 10. Procédé de forgeage mettant en oeuvre ledit outillage de forme « multi-effets » (100) selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé 15 en ce que ledit procédé comporte les étapes consistant à : - une étape de mise en place de ladite pièce métallique préformée dans ledit outillage (100) ; - une étape de fermeture dudit ouillage (100) selon ladite première direction verticale Z, ladite étape de fermeture engendrant une 20 translation desdits moyens mobiles (121, 122) selon ladite deuxième direction Y amorçant une déformation de ladite pièce métallique (10) ; - une étape de maintien de l'outillage (100) sous pression dans sa position fermée à haute température de façon à former ladite 25 pièce métallique dans sa forme finale.