Brevet FR3014342A1 — publié le 20150612

Procédé d'usinage de pièce de forme complexe et de faible épaisseur La présente invention concerne le domaine de l'usinage de pièces de forme complexe et de faible épaisseur. L'invention trouve une utilité particulière pour l'usinage de pièces entrant dans la fabrication d'échangeur thermique haute performance pouvant être mis en oeuvre dans certaines installations nucléaires. La conception d'installation nucléaire doit tenir compte de multiples contraintes. Les systèmes et composants intervenants dans l'installation doivent répondre à des cahiers des charges particulièrement ambitieux. Ils doivent satisfaire des réglementations toujours plus exigeantes en matière de sûreté. Des composants peuvent être exposés à des conditions sévères en termes de température ou de pression, auxquelles peuvent être associées des exigences élevées de durée de vie ou de fiabilité. Pour la fabrication d'échangeur de chaleur dans une installation nucléaire particulière, il est envisagé la réalisation d'ensemble mécano- soudés de faible encombrement exposés à des conditions de pression et de température élevées, typiquement de l'ordre de 80 bars pour 550°C. On cherche en particulier à réaliser et souder des pièces de faibles épaisseurs et de formes complexes, telle que représentée sur la figure 1 a. Dans cet exemple, la pièce 10 présente une faible épaisseur selon un axe principal Z typiquement inférieure à 1 mm. Elle décrit une forme complexe dans un plan P perpendiculaire à l'axe principal Z, et présente de grandes dimensions dans ce plan, typiquement jusqu'à 70 cm x 70 cm. Comme représenté sur la figure 1 b, la pièce 10 à réaliser est une pièce mâle destinée à être soudée à un corps femelle 11, en formant un ensemble de canaux 12 par lesquels peut circuler un fluide caloporteur. Pour assurer une qualité de soudure satisfaisante (soudure étanche, résistante aux chocs thermiques, sans défaut d'oxidation ni fissure) et donc une étanchéité parfaite aux canaux, des tolérances d'ajustement ambitieuses sont recherchées, typiquement de l'ordre de H7g6 comme représentées sur la figure 1 c. La réalisation d'une telle pièce, de forme complexe et de faible épaisseur, respectant les tolérances d'ajustement, est malaisée. Son usinage par des techniques connues implique par exemple le recours à des moyens de bridage complexes et coûteux. Il est souvent nécessaire de déplacer ces moyens de bridage au cours d'usinage. Il peut aussi être nécessaire de retourner les pièces en cours de réalisation. On a également tenté de réaliser 5 la pièce par fraisage d'une tôle plaquée sur un plateau magnétique assurant le maintien de la pièce. Mais à mesure que l'usinage progresse, la surface magnétisée de la pièce diminue. La tôle, entrainée par l'outil de coupe peut alors glisser de sorte qu'il devient difficile de maintenir une vitesse de coupe satisfaisante, ou de respecter les tolérances recherchées. Cette solution est 1 0 aussi inadaptée pour l'usinage de matière amagnétique. La figure 2 illustre un autre exemple de procédé d'usinage d'une pièce de forme complexe selon l'état connu de la technique. La solution proposée consiste à fragmenter la pièce 10 en plusieurs morceaux 13 que l'on soude ultérieurement, après ajustement sur le corps 11. Ce procédé 15 n'est pas satisfaisant. La fabrication, l'assemblage et le maintien des nombreux morceaux 13 sur le corps 11 sont délicats, allongeant la durée de fabrication. L'étape de soudure supplémentaire génère aussi un risque supplémentaire de fuite. 20 Il reste donc souhaitable de disposer d'un procédé d'usinage de pièces de forme complexe et de faible épaisseur palliant les inconvénients des procédés de fabrication aujourd'hui envisagés. En particulier, la présente invention vise un procédé d'usinage simple, peu coûteux, satisfaisant aux exigences de tolérance mécanique, et permettant des cadences de 25 production élevées. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'usinage de pièce comprenant au moins deux étapes suivantes : - une première étape consistant à enlever de la matière dans un bloc de 30 matière, selon une direction principale et sur une course supérieure à une épaisseur cible de la pièce, - une seconde étape consistant à séparer une pièce du bloc par une découpe par fil dans un plan perpendiculaire à la direction principale, positionné de sorte que la pièce séparée présente une épaisseur égale à 35 l'épaisseur cible. Avantageusement, la pièce est constituée d'un alliage métallique. Avantageusement, la première étape consiste à enlever de la matière par fraisage. Avantageusement, la seconde étape consiste à séparer la pièce par électroérosion par fil. Avantageusement, l'électroérosion par fil est réalisée au moyen 10 d'un fil de cuivre de diamètre compris entre 0.25 et 0.4 mm. Avantageusement, la pièce présente une épaisseur inférieure à 1 MM. 15 Avantageusement, le procédé comprend une étape ultérieure consistant à nettoyer la pièce par ultrasons. Avantageusement, la première étape est configurée pour enlever de la matière sur une course supérieure à deux fois l'épaisseur cible de la 20 pièce, et la seconde étape est répétée au moins deux fois successivement de manière à séparer au moins deux pièces du bloc de matière. L'invention porte également sur une pièce obtenue par le procédé d'usinage selon l'une des revendications précédentes. 25 L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée des modes de réalisation donnés à titre d'exemple sur les figures suivantes. Les figures I a, 1 b et lc, déjà présentées, représentent une pièce 30 de forme complexe et de faible épaisseur que l'on cherche à réaliser, la figure 2, déjà présentée, illustre un procédé d'usinage de pièce de forme complexe et de faible épaisseur selon l'état connu de la technique, les figures 3a, 3b, 3c, 3d et 3e illustrent un exemple de procédé d'usinage selon l'invention d'une pièce de forme complexe et de faible 35 épaisseur. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. Le procédé illustré par les figures 3a à 3e permet de réaliser une pièce similaire à celle décrite en préambule et représentée sur la figure 1a. La pièce 10 que l'on cherche à réaliser présente une faible épaisseur selon un axe principal Z. La pièce comprend deux surfaces principales planes 10a et 10b sensiblement parallèles entre elles et perpendiculaires à l'axe principal Z. La surface 10a, contenue dans le plan P perpendiculaire à l'axe Z, est délimitée par un contour 20a de forme complexe. La pièce 10 comprend également une surface courbe 10c, définie par un ensemble de génératrices, par exemple parallèles à l'axe principal Z, joignant les contours des surfaces principales 10a et 10b. Les surfaces principales 10a et 10b présente une forme générale de serpentin, de faible largeur et de grande longueur. Les dimensions extérieures typiques du serpentin sont de l'ordre de 70 cm x 70 cm. La longueur des contours des surfaces principales sont de l'ordre de 45 m. L'épaisseur typique de la pièce est comprise entre 0.3 mm et 1 mm. La forme et les dimensions particulières de la pièce représentée sur les figures rendent sa fabrication particulièrement délicate. Il est toutefois bien entendu que le procédé selon l'invention ne se limite pas à cette pièce particulière. Le procédé selon l'invention porte plus largement sur l'usinage de pièce de toute forme. Le procédé trouve une utilité particulière pour la réalisation de pièce de faible épaisseur selon un axe principal et de forme complexe dans un plan perpendiculaire à cet axe. L'idée générale de la présente invention consiste à réaliser la pièce en deux étapes principales : - une première étape consistant à enlever de la matière d'un bloc de matière selon une direction principale, et sur une course supérieure à l'épaisseur cible de la pièce à réaliser, et - une seconde étape consistant à séparer du bloc une pièce par une découpe par fil dans un plan perpendiculaire à la direction principale ; ledit plan étant positionné de sorte à séparer une pièce d'épaisseur égale à l'épaisseur cible.35 Nous allons détailler les deux étapes principales respectivement au moyen des figures 3a et 3b. La première étape du procédé, illustrée par la figure 3a, consiste à enlever de la matière d'un bloc de matière 30, par exemple de forme parallélépipédique, selon une direction principale. La pièce 5 à réaliser est préférentiellement constituée d'un alliage métallique, par exemple de l'acier inoxydable. Plusieurs procédés permettant d'enlever de la matière du bloc sont envisagés par l'invention. Le fraisage est notamment envisagé. Une face 31 du bloc de matière 30 est ainsi fraisée dans une direction principale de coupe, référencée 33, perpendiculaire à la face 31 du 10 bloc. L'étape de fraisage est paramétrée de manière à respecter les contours de la pièce à réaliser. La surface non usinée de la face 31 correspond à la surface principale 10a de la pièce à réaliser. La surface générée par le fraisage correspond à la surface 10c. La direction principale de coupe 33 correspond à l'axe principal Z de la pièce à réaliser. 15 Cette étape d'usinage dans la masse de la forme complexe de la pièce est particulièrement avantageuse. La pièce reste solidaire du bloc pendant toute la durée de l'étape de fraisage. Le recours à des techniques de bridages fastidieuses n'est donc plus nécessaire. Le procédé s'affranchit également du risque de glissement rencontré dans le cas du fraisage d'une 20 tôle maintenue sur une plaque magnétique. Il devient possible de respecter des tolérances d'usinage très précises. La figure 3b illustre la seconde étape du procédé consistant à séparer une pièce du bloc de matière par une découpe par fil dans un plan 25 perpendiculaire à la direction principale. Le plan de la découpe est préférentiellement parallèle à la face 31 du bloc de matière. Le plan est positionné à une distance de la face 31 égale à l'épaisseur cible, de sorte à séparer une pièce d'épaisseur égale à l'épaisseur cible. La découpe par fil permet avantageusement de réaliser des pièces de très faibles épaisseurs, 30 par exemple de l'ordre de 0.3 mm. Dans le cas d'un alliage métallique, il est envisagé une découpe par fil par électroérosion. Avantageusement, l'électroérosion par fil est réalisée au moyen d'un fil de cuivre de diamètre compris entre 0.25 et 0.4 mm. Des précisions de l'ordre de 50 lm pour un état de surface de 0.1 lm 35 de Ra ont ainsi été obtenues par découpe au fil de cuivre de 0.25 mm ou 0.35mm de diamètre. La capacité de découpe est élevée, typiquement de l'ordre de 325 mm2/minute. La combinaison des deux étapes selon l'invention est donc particulièrement avantageuse. Elle permet de découpler les deux contraintes 5 de fabrication particulières des pièces envisagées : une grande précision d'usinage de la forme complexe dans un plan, et une faible épaisseur de pièce perpendiculairement au plan. La première étape permet un usinage dans la masse très précis de la forme complexe, compatible avec les tolérances mécaniques recherchées. La seconde étape permet une 10 séparation précise et fiable de pièces de très faibles épaisseurs. Les deux étapes sont en outre simples, peu coûteuses et adaptées à des cadences de production relativement élevées. Les figures 3c, 3d et 3e illustrent des étapes ultérieures de 15 procédé pouvant être appliquées à la pièce. La figure 3c représente la pièce 10 obtenue à l'issue des deux premières étapes du procédé. A l'issue de l'étape de séparation de la pièce du bloc de matière, le procédé peut comprendre une étape de nettoyage. Cette étape de nettoyage peut consister à toiler à la main le coté électro-érodé afin de décoller les particules 20 de cuivre ou d'oxyde générées lors de la découpe. Un nettoyage par ultrasons est également envisagé. Cette étape peut aussi comprendre une sous-étape de dégraissage. La figure 3d représente la pièce 10 et un corps 11 en cours d'assemblage. Dans une mise en oeuvre particulière, mentionnée en 25 préambule, la pièce 10 obtenue par le procédé est une pièce mâle destinée à être soudée à un corps femelle 11 pour former un ensemble de canaux 12 par lesquels peut circuler un fluide caloporteur. Dans ce cas, le procédé peut aussi comprendre des étapes de positionnement et de maintien de la pièce 10 en regard de cavités 11a de la pièce 11. 30 La figure 3e représente la pièce 10 et le corps 11 après assemblage. Diverses techniques de soudure sont possibles pour assurer une liaison étanche le long du contour de la pièce 10. La soudure laser est notamment envisagée. La grande précision d'usinage de la pièce, rendue possible par le procédé selon l'invention, permet une jointure précise de la 35 pièce 10 et du corps 11 tout le long du contour. Une soudure étanche et homogène, sans défaut de jointure ou d'écartement partiel le long du contour de la forme complexe de la pièce, devient possible. Dans une mise en oeuvre avantageuse du procédé, plusieurs 5 pièces peuvent être réalisées à partir d'un même bloc de matière. Les étapes principales, d'usinage dans la masse et de séparation par découpe par fil, pourront être répétées successivement dans un même bloc. Pour cela, le procédé peut comprendre une étape supplémentaire consistant à rétablir une face plane en surface du bloc de matière entre les opérations successives 10 d'usinage et de séparation, par exemple par une étape supplémentaire de découpe par fil. Il est aussi envisagé de répéter l'étape de découpe par fil de sorte à produire plusieurs pièces entre chaque étape d'usinage dans la masse. Pour cela, on pourra avantageusement configurer la première étape pour 15 enlever de la matière sur une course importante, au moins égale à deux fois l'épaisseur cible de la pièce, et répéter la seconde étape au moins deux fois de sorte à séparer au moins deux pièces du bloc de matière. L'invention porte aussi sur une pièce obtenue au moyen d'un 20 procédé ayant les caractéristiques précédemment décrites. REVENDICATIONS1. Procédé d'usinage de pièce (10), caractérisé en ce qu'il comprend deux étapes : - une première étape consistant à enlever de la matière dans un bloc de matière (30), selon une direction principale (33) et sur une course supérieure à une épaisseur cible de la pièce (10), - une seconde étape consistant à séparer une pièce (10) du bloc (30) par une découpe par fil (32) dans un plan perpendiculaire à la direction 10 principale (33), positionné de sorte que la pièce séparée (10) présente une épaisseur égale à l'épaisseur cible. 2. Procédé d'usinage selon la revendication 1, dont la pièce (10) est constituée d'un alliage métallique. 15 3. Procédé d'usinage selon l'une des revendications 1 ou 2, dont la première étape consiste à enlever de la matière par fraisage. 4. Procédé d'usinage selon l'une des revendications 1 à 3, dont la 20 seconde étape consiste à séparer la pièce (10) par électroérosion par fil. 5. Procédé d'usinage selon la revendication 4, dont l'électroérosion par fil est réalisée au moyen d'un fil de cuivre de diamètre compris entre 0.25 et 0.4 mm. 25 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dont la pièce (10) présente une épaisseur inférieure à 1 mm. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, 30 comprenant une étape ultérieure consistant à nettoyer la pièce (10) par ultrasons. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dont la première étape est configurée pour enlever de la matière sur une course 35 supérieure à deux fois l'épaisseur cible de la pièce (10), et dont la seconde étape est répétée au moins deux fois successivement de manière à séparer au moins deux pièces (10) du bloc de matière (30). 9. Pièce obtenue par le procédé d'usinage selon l'une des revendications précédentes.