Brevet FR2979273A1 — publié le 20130301

Arrière-plan de l'invention L'invention concerne un procède pour le fraisage dune obauche lors de la fabrication dune aube de turbin-, qui. à l'état final. présente au moins un pied d'aube pour la fixation à un support ainsi qu'une pale s'étendant en direction longitudinale et se raccordant a celui-ci. Les aubes de turbines sont constituées de matériaux appelés superalliages, en raison des contraintes thermiques et mécaniques élevées auxquelles elles doivent résister. Ceux-ci se caractérisent par une très haute résistance, par exemple supérieure à 1000 N/mm2 et une résistance élevée à la température. Les outils, et en particulier les outils de fraisage destinés à l'usinage de tels superalliages, subissent dès lors usuellement une très forte usure. De plus, la vitesse d'usinage est nettement réduite par rapport à des aciers plus doux. Pour la fabrication de telles aubes de turbine, qui présentent un pied d'aube à suspendre dans un support, une ébauche monolithique, donc une pièce massive, qui présente usuellement une forme sensiblement parallélépipédique, est soumise à un usinage par fraisage. La pale de l'aube de turbine présente usuellement, vue en section transversale, un contour sensiblement en forme d'aile. Dans le document EP 1 034 865 Al, on peut trouver un procéda de fraisage pour l'usinage d une ébauche, dans lequel la fraise ost menée sensiblement en spirale autour de rCballCi10 et enlève ainsi la matiere successive jusqua ce que le contour final devin: soit atteint. Le temps d'usinage dans ce procède est relativement long. But de l'invention Dans ces conditions, le but de l'invention est do procurer un procédé amélioré pour I'LlSinaCle par fraisage d'une ébauche pour la fabrication d'une aube de turbine. on particulier en un superalliage. Résolution du problème Le problème est résolu selon l'invention par un procédé pour le fraisage d'une ébauche lors de la fabrication d'une aube de turbine qui. à I état final, présente au moins un pied d aube pour la fixation à un support ainsi qu'une pale s'étendant en direction longitudinale et se raccordant à celui-ci, dans lequel l'ébauche est encastrée du côté du pied dans une monture et est ensuite usinée au moyen d'une fraise, caractérisé en ce que, pour un usinage de dégrossissage, la fraise est déplacée dans une direction d'avance et un mouvement circulaire est superposé à ce mouvement d'avance selon un procédé de fraisage trochoïdal. Le procédé sert pour la fabrication d'une aube de turbine à partir d'un bloc monolithique en une seule pièce, dans lequel l'aube de turbine présente au moins un pied d'aube ainsi qu'une pale s'étendant en direction longitudinale et se raccordant à celui-ci. L'ébauche est ainsi encastrée du côté du pied, donc au pied d'aube dans une monture et est ensuite usinée à l'aide d'une fraise. Pour un usinage de dégrossissage. il est en l'occurrence prévu que la fraise soit déplacée dans une direction d'avance et qu'un mouvement circulaire soit superpose a ce mouvement d'avance selon un procédé de fraisage trochoïdal. Un aspect essentiel réside dans le fait qu'avec une telle ébauche. ufl LiSi nage de dégrossissage est executé au moyen d'un procède de fraisage trochdidal pour la fabrication d une aube de turbine. Ainsi. avantageusement. l'ébauche est !sine° dans la région de ta paie à l'aide ou procédé de fraisage trochoidal. Dans le procedé trochoïdai un mouvement circulaire est géneralenviat superpose', au mouvement d'avance. L avantage du fraisage trochoïdal est que u fraise nest que faiblement chargee. ce qui est particulierement avantageux lors de l'usinage de superalliages. Dans le procédé de fabrication d'aubes de turbine décrit ici à partir d'une ébauche monolithique. celle-ci est serrée usuellement par ses faces frontales opposons clans un dispositif de maintien approprié. Les faces disponibles pour le serrage sont cependant très petites. de sorte que I on ne peut exercer que de faibles forces de maintien. En particulier. pour les grandes aubes de turbine dune longueur supérieure à 50 cm jusqu'a une longueur de 200 cm. fe problème est que. dan., un procédé de fraisage conventionnel. on exerce cies efforts élevés. La charge reste faible dans le cas du procédé trochoïdal. 10 De même, l'usure de l'outil est nettement plus faible par comparaison aux procédés de fraisage conventionnels. La durée de vie des outils de fraisage est en définitive nettement accrue. Dans une configuration particulièrement appropriée, il est prévu que l'ébauche soit 15 usinée dans la région de la pale à l'aide du procédé de fraisage trochoïdal. Précisément pour l'usinage de l'ébauche dans la région de la pale, donc largement à distance des montures disposées du côté frontal, le fraisage trochoïdal présente ici un avantage décisif en raison de sa charge qui reste faible. 20 De préférence, il est en l'occurrence prévu que la direction d'avance de la fraise soit la direction longitudinale, la fraise est dès lors conduite le long de la pale, dans la direction longitudinale de celle-ci, à partir du pied d'aube. Avantageusement. l'aube de turbine présente une longueur supérieure à 40 cm. 25 en particulier supérieur t 50 cm, et comprise en particulier' dans la plage de 100 cm a 200 cm. Le procédé de traisad, trochoidal particulieremon. pou; aubes de turbine. On peut atteindre !ci des gains de r i donc. d'out 30 importants par rapport aUX procédas conventionnels de fraisage pour des aubes de turbine. De manière appropriée. l'enlèvement de matière total lors de l'usinage de dégrossissage est effectué de préférence en une seule opération. c'est-à-dire avec un seul déplacement de la fraise sur la zone à usiner. Il n'est dés lors pas nécessaire la différence des procédés de fraisage conventionnels -de déplacer fraise plusieurs reprises sur la zone à usiner pour atteindre enlèvement de matière désiré. Dans le procède c.e fraisage trochoïdal décrit ici. la profondeur de coupe dite axiale. donc la profondeur avec laquelle la fraise pénètre dans la pièce dans la direction de son axe longitudinal de fraise, correspond dés lors à l'enlèvement de matière désiré. donc à la profondeur de matière à enlever. Avantageusement. avec l'usinage de dégrossissage. l'ébauche est fraisée en une seule étape jusqu'à une cote théorique et l'épaisseur de matière à enlever correspond e une profondeur de coupe axiale, la fraise présentant au moins un tranchant avec une longueur de tranchant, qui est amené en prise. au moins sur une grande partie de sa longueur de tranchant, avec l'ébauche à usiner. Avantageusement, plus de 80 % de la longueur de tranchant sont amenés en prise avec l'ébauche à usiner. Pour atteindre une usure de l'outil aussi faible que possible, il est en l'occurrence préférable que cette profondeur de coupe axiale corresponde à une grande partie d'une longueur de tranchant d'un tranchant de la fraise. On entend par là que la fraise est en prise avec la pièce (ébauche) par au moins 70 - 80 '0 de sa longueur de tranchant. De cette manière, le tranchant entier est au total uniformément charge et ainsi aussi uniformément use. A la différence des 25 procédés de fraisage conventionnels. dans lesquels. en particulier lors de l'usinage de superalliages. in fraise respective n'est en prise avec la pièce due sur une fraction de sa longueur de tranchant. on obtient ainsi au total une usure de nettement moindre. 30 profondeur de coupe axiale st en I occurrence do préférence su péri n :4 mm. et vaut par exemple de l'ordre do 5 rrim. Avantageusement, un diamètre du mouvement circulaire superpose correspond a une largeur à usiner de I ébauche. Dans [optique é un procédé d'usinage aussi économique que possible. il est prévu que le diamètre du mouvement circulaire lors du fraisage trochoidal corresponde à la largeur de l'ébauche. La face totale de [ébauche nest dès lors parcourue qu'une seule fois dans la direction d'avance. aucun retour de la fraise n'est dès lors nécessaire pour produire plusieurs passes de fraisage juxtaposées. La fraise présente à cet effet de préférence un diamètre compris dans la plage de 4Q O0 à 70 °. de la largeur à usiner de [ébauche. Pour l'usinage dans la région de la pale. on utilise, dans un mode de réalisation approprié, une fraise à surfacer munie de plaquettes de coupe, avantageusement amovibles. On entend par là une fraise qui présente typiquement une tête de fraise sensiblement cylindrique, dont la surface périphérique antérieure porte des plaquettes de coupe remplaçables, qui sont saillantes aussi bien côté périphérique que côté frontal au-delà d'un support. L'usinage de l'ébauche dans la région de la pale avec cette fraise à surfacer est un usinage purement de dégrossissage, dans lequel on n'usine pas encore la forme d'aile de la section transversale caractéristique pour les aubes de turbine. Pour cet usinage du contour final, on exécute de manière adéquate un procédé de fraisage complementaire. par exemple le procedé de fraisage décrit dans le document EP 1 034 865 Al. En combinant le procédé de degrossissage au moyen du fraisage trochordal avec le deuxième procede de fraisage de ,erllour, on procure au total un procédé d usinage alliant l'efficience et le gain de temps pour la fabrication d une aube de turbine en un superalliage. Avantageusement, a la suite de l'usinage de degrossissage. l'ebauche prepiuce par I usinage de ciegressissage est usinee avec un autre procecie de fraisace aces la region de la paie jusqu a son contour final. De préférence. le procédé d'usinage total de l'ébauche jusqu'à l'aube de turbine se déroule sans démontage ou remontage de la pièce. Les différents procédés do fraisage sont dés lors exécutés avec une seule machine d'usinage. il se produit tout au plus un échange de l'outil et une autre commande technique de la fraise. En complément à l'usinage de la pale à l'aide du procédé de fraisage trochoïdol. le pied daube est également usiné avec un tel procédé de fraisage. pour fraiser des rainures de maintien dans la région du pied daube. Ici également. la rainure de maintien totale est fraisée de préférence en une seule opération. c'est-à-dire que la profondeur de rainure à fraiser correspond à la profondeur de coupe axiale de la fraise et que la largeur de la rainure correspond diamètre du mouvement circulaire lors du fraisage trochoïdaL Pour l'usinage de la rainure, on utilise ici de manière appropriée une fraise dite .1 queue, qui présente des tranchants s'étendant par exemple aussi en spirale dans sa région antérieure lesquels sont usinés de préférence à partir d'une ébauche de matière pleine. En particulier, on emploie à cet effet une fraise à queue conventionneiie avec une géométrie de tranchant positive. Par géométrie de tranchant positive, on entend un tranchant se terminant en pointe. Le tranchant est donc formé en angle aigu ra la différence d'une geometrie de tranchant dite négative. dans laquelle le tranchant est réalisé avec un angle obtus. donc avec un angle supérieur a 90 . Avec de telles géométries de tranchant négatives. on ne realise pas une coupe mals plutôt 1..1r1 raclage. Avantagouseinent. la totalite du fraisage lors de la fabrication de l'aube do turbine: est effectuée sans aUCLM remontage de l'ebauche. Description des dessins Un ?xenlpin de réalisation oc l'invention est explique plus en detall ci-dessous I des dessins. Dans ces representations schématiques et fort Si 1 H'fides: La Figure 1 est une vue en plan d'une ébauche encastrée sur laquelle une fraise à surfacer est indiquée: La Figure 2 est une représentation latérale partiel!e agrandie de ébauche avec la fraise a surfacer: La Figure 3 est une illustration schématique du trajet dune fraise us du fraisage eh oïd I: La Figure 4 représente une aube de turbine, en une vue latérale, avec des pieds d aube disposés aux deux extrémités et une fraise a queue pour le fraisage des rainures de maintien: La Figure 5 est une représentation latérale d'une fraise à queue pour le fraisage des rainures de maintien. Dans les figures, des pièces équivalentes sont désignées par les mémes repères numériques. Description de l'exemple de réalisation Selon la Figure 1, une ébauche 2 est encastrée dans un support composé de deux mâchoires de maintien 4A, 4B, dans une station d'usinage non représentée ici de façon plus détaillée, L'ébauche 2 est un bloc monolithique usuellement parallélépipédique en un sup alliage. L'ébauche 2 est destirieeala fabrication d une ;tube do turbine 6. qui est représente° dans la Figure 4 s état presque termine. Laube de turbine 6 présente u chacune de ses deux extrémités un pied d aube 8. entre lesquels s'etend une paie 10. Dans etat usiné final, la paie 10 présente usuellement une face de section transversale en forme d'aile. L'aube de turbine 6 et des lors aussi l'ébauche 2 sétendent dans une direction longitudinale 12. Dans l'ébauche 2 de la Figure 1, on a indique deux regions do pied a ainsi qu'une région do pale 10 disposee au milieu. Dans la région de pied 8 , on a usine au s cours de l'usinage par fraisage les deux pieds d aube et dans la région de pale 0' la pale 10. L'aube de turbine 6 présente au total une longueur supérieur"-, à 50 cm jusque 2 ni. Ce sont donc ici des aubes de turbine 6. qui sont utilisées dans de grosses turbines. par exemple dans des centrales thermiques peur le production d'énergie ou aussi dans de grosses turbines de propulseurs d avions. La ! rgeur B de la pale se situe typiquement dans une plage supérieure à environ 10 cm. Dans une première étape du procédé. l'ébauche 2 est d'abord soumise -1 un usinage de dégrossissage. A cet effet. on déplace une fraise à surfacer 14A dans une direction d'avance 16 sur une face à usiner de l'ébauche 2. La fraise à surfacer 14A est en l'occurrence commandée de façon correspondante en un mode de déplacement trochoïdal, dont le trajet est représenté dans la Figure 3. Comme on peut le voir ici, un mouvement circulaire est superposé au mouvement d'avance dans la direction d'avance 16, de telle manière qu'il en résulte au total un mouvement spiral se propageant dans la direction d'avance 16 à l'intérieur d'un plan d'usinage à deux dimensions. La fraise 14A, B représentée de façon schématique dans la Figure 3 pénètre ainsi généralement de façon successive dans la pièce à usiner, jusqu'à ce qu'une profondeur d'avance dite radiale ne soit atteinte. La pénétration progressive permet de produire au total un usinage doux. La profondeur d'avance radiale correspond à la distance entre deux passes spirales successives dans le direction d'avance 16. La profondeur d'avance radiale ae vaut. par exemple lors de l'usinage- de la région dt, pale 10; a l'aide de la fraise a surfacer 14A. environ 0,5 a 1,5 mm, et se situe en particulier dans une plage de l'ordre de 1.0mm, Avec I ti nage par fraisage tr0 ioidat. on produit une passe ;age largeur correspond au diarnotre D du mouvement circulaire tFgure 3). En complément. la fraise a surfacer 14A est avances dans la direction de son oxo longitudinal de fraise 18 d'une profondeur d'avance axiale ap. La profondeur d'avance axiale ap correspond dès lors à la profondeur de matière à enlever l'ébauche 2. Comme cela est indiqué dans la Figure 1. la direction d'avance 16 correspond a 1 direction longitudinale 12. La fraise à surfacer 14A est déplacée de la région c pied droite 8 vers la région de pied gauche 8'. Par côté de l'ébauche 2 à usiner, on n'effectue en occurrence qu'une seule étape de procédé. La largeur de la passe. donc le diamètre du cercle D. correspond à la largeur B1 de [ébauche 2 et la profondeur de matière à enlever correspond à la profondeur d avance axiale ap. Celle-ci se situe par exemple dans une plage entre 3 and 8 mm. en particulier dans une plage de l'ordre de 5 mm. Le diamètre d de la fraise à surfacer 14A est au contraire plus petit. La fraise à surfacer 14A est une fraise munie de plaquettes de coupe amovibles 20. Les plaquettes de coupe amovibles 20 présentent chacune un tranchant actif 24, qui est amené en prise avec l'ébauche 2. Le tranchant actif 24 se trouve en l'occurrence pratiquement sur toute sa longueur L en prise avec la pièce (ébauche 2). En d'autres termes, la profondeur d'avance axiale ap correspond par exemple à 70 % à 80 % de la longueur du tranchant 24. Dans l'exemple de réalisation décrit ici avec les profondeurs d'avance axiale et radiale choisies. l'avance du tranchant 24 se situe de préférence dans la plage de 0,3 à 0.4 mm. Comme vitesse de coupe on a réglé une vitesse comprise par exemple dans la plage de 250 e 320 m/min. Avec le fraisage trochoidal décrit ici de la rc,,gion de pale 1 on procure un procécie particulièrement efficient. offrant un gain de temps et de cout et qui menage l'outil. Il est extremement important en I occurrence que tout le cète de [ebaijone 2 soit realise avec Uniquement un seul passage. Par comparaison avec des procédés de dégrossissage conventionnels, dans lesquels n faut usuellement plusieurs avances successives en direction axiale (profondeur d avance axiale), un fraisage nettement plus rapide est possible de cette manieru. il faut aussi. dans les procédés de fraisage conventionnels, plusieurs passes de fraisage pour usiner toute la largeur de l'outil. Des essais ont montré que. par comparaison avec un procédé de fraisage conventionnel. dans lequel une fraise n'est déplacée que dans la direction d avance 16 sans superposition d un mouvement circulaire. le temps d usinage total pour l'usinage de dégrossissage peut titre pratiquement réduit de moitié. Dans les procedés de fraisage conventionnels, il faut dans une telle situation jusqu'à 6 étapes de fraisage pour atteindre ia profondeur axiale désirée de i enlèvement de matiére de 5 mm par exemple. En complément. la durée de vie des plaquettes de coupe amovibles utilisées 20 était nettement accrue. parce que celles-ci sont à présent en prise pratiquement sur toute leur longueur, à la différence du procédé conventionnel, dans lequel seule une fraction du tranchant est chargée et doit en conséquence fournir une puissance d'usinage accrue, ce qui conduit à une usure prématurée. A la fin de l'opération de dégrossissage, l'ébauche 2 alors usinée présente un contour de section transversale sensiblement parallélépipédique, de préférence avec un profilage préalable tendant vers le profil d'aile. A la suite de l'usinage de dégrossissage, la pale 10 est - d'une façon non représentée ici - fraisée à son contour final avec le profil d'aile caractéristique. Enfin, comme autre étape d'usinage par fraisage. on fraise encore des rainures dites de maintien 26 dans les pieds d'aube 8. Les aubes de turbine 6 sont suspendues dans des supports correspondants au moyen de ces rainures de maintien 26 et y sont fixées. L'usinage des rainures de maintien 26 est effectué ( préférence avec une fraise à queue 143 r presentée dans la Figure 5. Le procede de fraisage trochoïdal est egalement utilise pour le fraisage des rainures de maintien 26. La largeur 32 des rainures correspond en l'occurrence à la largeur de trace de la passe Ue fTaisage. donc au diamètre du cercle D. La profondeur C avance axiale corresp,,nd a la profondeur de rainure. Comme fraise 14B. on 30 utilise notais vent u le fraise standard usuelle avec une geometr:e de tranchant positive. dans laquelle les tranchants sont donc réalisés respectivement en ang aigu à la manière d un coin. L'usinage par fraisage total de l'ébauche 2, donc l'usinage de dégrossissage de la région de pale 10'. l'usinage final ultérieur au contour de section transversale en forme dalle ainsi que notamment aussi l'usinage des rainures de maintien 26 est effectué en particulier sur une seule machine d usinage sans qu'il soit nécessaire de proceder REVENDICATIONS1 Procède pour le fraisage d'une ébauche (2) lors de la fabrication d'une aube de turbine (6) qui. e l'état final, présente au moins un pied daube (8) pour la fixaton e un support ainsi qu'une pale (10) s'étendant en direction longitudinale (12) et se raccordant e celui-ci, dans lequel l'ébauche (2) est encastrée du côté du pied dans une monture (4A. 4B) et est ensuite usinée au moyen dune fraise (14A, 14B). caractérisé en ce que. pour un usinage de dégrossissage. la fraise (14A, 14B) est déplacée dans une direction d'avance (16) et un mouvement circulaire est superposé à ce mouvement d'avance selon un procédé de fraisage trochoïdal. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ébauche (2) est usinée dans la région (10') de la pale (10) à l'aide du procédé de fraisage trochoïdal. . Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la direction d'avance (16) est la direction longitudinale (12). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aube de turbine (6) présente une longueur (L) supérieure à 40 cm. en particulier supérieure à 50 cm, et comprise en particulier dans la plage de 100 cm à 200 cm. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. caractérisé en ce que. avec l'usinage de dégrossissage. l'ébauche (2) est fraisée an une SeLliG °tape jusque une cote theonque et Ilepaisseur de matière enlever correspond e une profondeur de coupe axiale (ap). dans lequel (14A. 14B) pi esente au moins un tranchant (24) avec une °rigueur tranchant (L). qui est Ï..1rneie el prise. au moins sur rance partie de sa longueur ce tranchant (L). avec i ebauche e usiner (2).6. Procédé selon la revendication 5. caractérisé en ce que plus de 80 Qo de la longueur de tranchant (L) sont amenés en prise avec I ébauche à usiner (2). 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6. caractérisé en ce que la profondeur de coupe axiale (ap) est supérieure a 4 mm. 8. Procédé selon rune quelconque des revendications précédente-s. caractérisé en ce qu'un diametre (D) du mouvement circulaire superposé correspond à une largeur (B1, B2) à usiner de l'ébauche. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. caractérisé en ce qu'un diamètre (d) de la fraise (14A. 14B) se situe dans la plage de 40 `)/0 à 70 d'une largeur à usiner de l'ébauche. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. caractérisé en ce que l'on utilise comme fraise (14B) pour l'usinage dans la région (10') de la pale (10) une fraise à surfacer (14A) munie de plaquettes de coupe (20). 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que. à la suite de l'usinage de dégrossissage, l'ébauche (2) préparée par l'usinage de dégrossissage est usinée avec un autre procédé de fraisage dans la région (10') de la pale (10) jusqu'à son contour final. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. caractérisé en ce que l'on fraise des rainures de maintien (26) dans la région (8') du pied d'aube (8) e laide du procéde de fraisage trochoïdal. 13. Prose-an selon la revendication 1 2. caracterise en que. poui e fraisage des ennuies de maintien (26). on utilise une fraise a queue conventionnelle 14B) dont lus tranchants (24) présentent bine geoméric Je tranchant positivo.14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. caractérisé en ce que la totalité du fraisage lors de la fabrication de l'aube de turbine (6) est effectuée sans aucun remontage de l'ébauche (2).