Brevet FR3071077A1 — publié le 20190315

Procédé de modélisation 3D du fibrage d'une pièce métallique DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne le domaine de l'identification de défauts de pièces industrielles métalliques obtenues par forgeage, notamment dans le domaine de l'aéronautique. Plus précisément, l'invention concerne un procédé de modélisation 3D du fibrage d'une pièce métallique. ETAT DE L'ART La connaissance et la maîtrise du fibrage sont des éléments essentiels lors de la conception d'une pièce de turbomachine pour garantir sa tenue mécanique ou sa contrôlabilité aux ultrasons dans le volume de la pièce, les défauts se trouvant dans le volume de la pièce, y compris en surface. Initialement, le métal brut de coulée (sous forme de lingot, de barre, de billette...) est constitué de grains de solidification. Sous l'action des opérations de forgeage, les grains sont brisés et des cellules ou de nouveaux grains apparaissent. Ces microstructures, ainsi que les inclusions, sont alors étirées dans la direction de la déformation. On retrouve alors une structure allongée, matérialisée par un réseau de fibres, qui définit le fibrage. Les demi-produits corroyés tels que les barres présentent généralement un fibrage unidirectionnel. Le forgeage, intervenant normalement après des opérations de corroyage, va modifier le fibrage et son orientation, et l'adapter à la géométrie de la pièce finale que l'on souhaite obtenir. Le fibrage est donc une notion qui traduit l'anisotropie des propriétés mécaniques d'une pièce et permet de visualiser l'écoulement réel (la déformation) de la matière lors d'opérations de forgeage. Par exemple pour une pièce en Titane, le fibrage est l'orientation privilégiée de son réseau cristallin (avant toute déformation à chaud gamme de forgeage). 2 Pour une pièce en base Nickel, le fibrage est l'alignement des précipités ou des éléments d'alliage qui vont s'orienter suivant l'écoulement de la matière. 5 Lors de l'observation de pièces métalliques obtenues par forgeage, on peut identifier des défauts, par exemple de type oeil de perdrix (ou tree rings), traduisant une désorientation de certaines fibres lors du forgeage. La seule identification visuelle de ce type de défaut ne permet pas de les 10 caractériser, ainsi ces défauts peuvent être acceptables suivant leurs natures. Notamment, ces défauts peuvent être issus : - d'accidents de fibrage qui vont fortement impacter les 15 caractéristiques statiques et la tenue en fatigue de la pièce finale. De tels défauts peuvent avoir comme origine une gamme de forgeage peu robuste. Les défauts de cette nature sont donc inacceptables ; - de l'usinage. Dans ce cas, les pièces sont forgées en surépaisseur 20 et sont par la suite usinées afin de respecter des côtes déterminées (les dimensions finales de la pièce). C'est lors de cet usinage que des fibres sont mises à jour, formant des défauts en forme de type oeil de perdrix. Les défauts de cette nature sont le plus souvent acceptables. 25 Pour déterminer la source de ces défauts, et démontrer notamment que ceux-ci sont issus de l'usinage de ladite pièce et que ce sont donc possiblement des défauts acceptables, une solution est donc de modéliser le fibrage et d'observer sa déformation lors du procédé de 30 forgeage selon un ou plusieurs plans de coupe de ladite pièce. De façon connue, pour les pièces de révolution forgées (par exemple les pièces de compresseur ou de turbine telles que les disques ou les 3 arbres), le fibrage est modélisé par un grillage 2D représentant le réseau de fibres. Lors du forgeage de la pièce de révolution, l'hypothèse étant faite que l'écoulement de la matière ne se faisant que dans un seul plan, la 5 modélisation 2D du fibrage permet de visualiser le fibrage après déformation selon le plan de coupe correspondant. Les logiciels de simulation de forgeage, tel que FORGE®, généralement utilisés pour modéliser les gammes de forges permettent de modéliser le 10 fibrage dans des pièces axisymétriques ou non axisymétriques à l'aide d'une grille 2D (voir figure 1A). Dans le cas d'une pièce dite de géométrie simple, cette grille n'est pas amenée à se déformer (GND). Dans le cas d'une pièce dite de géométrie complexe (en particulier non 15 axisymétrique), cette grille peut se déformer (GD) suivant les trois directions de l'espace. Il n'est donc plus possible de faire passer un plan de coupe sur lequel le fibrage pourra être observé après déformation (voir figure 1B). Par conséquent, dans le cas de pièces pour lesquelles les écoulements 20 de la matière se font suivant les trois directions de l'espace, il n'est pas possible de modéliser le fibrage suivant un seul plan choisi arbitrairement au début de la déformation. Un concepteur de la pièce, utilisateur du logiciel de simulation, ne pourra donc pas observer le fibrage de la pièce suivant un plan de découpe qu'il aura choisi compte 25 tenu des déformations subies par le plan de départ. Ainsi comme illustré en figure 1B, lorsqu'on effectue une coupe parallèle à l'axe X (axe longitudinal) d'une pièce complexe 10, il n'est pas possible de visualiser le fibrage en certains points (A et B). En effet, ces points correspondent à une partie du grillage 2D déformé (GD), et ne se 30 trouvant plus dans le plan de coupe, il n'est donc pas possible de visualiser la déformation de ladite grille dans le plan de coupe. 4 Il existe donc un besoin d'améliorer les méthodes de modélisation de fibrage, afin de pouvoir visualiser avec plus de flexibilité le fibrage d'une pièce forgé et ainsi permettre de fiabiliser la caractérisation des défauts des pièces forgées, particulièrement dans le cas de pièces à géométrie 5 complexe. PRESENTATION DE L'INVENTION 10 L'invention met en oeuvre une caractérisation des défauts d'une pièce métallique obtenue par forgeage, par une modélisation 3D du fibrage de ladite pièce forgée. L'invention propose ainsi un procédé de modélisation 3D d'un fibrage d'une pièce métallique, la formation de ladite pièce comprenant au 15 moins une étape de forgeage à partir d'une billette métallique, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : - modélisation d'un fibrage 3D de la billette métallique, le fibrage étant orienté selon une direction longitudinale de ladite billette ; - modélisation d'une gamme de forgeage et/ou d'usinage ; 20 - simulation numérique d'étape(s) de forgeage et/ou d'usinage en appliquant la modélisation de la gamme de forgeage et/ou d'usinage à la modélisation 3D du fibrage de la billette, générant une déformation du fibrage ; et - génération d'une modélisation 3D du fibrage de la pièce métallique 25 forgée. Lors de l'étape de modélisation du fibrage 3D de la billette métallique, le fibrage est modélisé par une pluralité de cylindres coaxiaux s'étendant dans une direction longitudinale de ladite billette. 30 L'invention permet de déterminer de façon fiable si un défaut est acceptable et lié au processus de forgeage sur des pièces de géométrie complexe. 5 L'invention permet ainsi de garantir la tenue mécanique ou la contrôlabilité aux ultrasons d'une pièce forgée à géométrie complexe. L'invention peut comprendre les caractéristiques suivantes : 5 - la pièce métallique comporte une géométrie asymétrique ; - le procédé comporte en outre une étape de détection de défauts identifiants les déformations de la pièce correspondant à des défauts donnés ; - la distance entre deux cylindres contigus est d'environ 5 10 millimètres ; - la billette métallique comporte titane, du nickel, de l'aluminium ou de l'acier; - la pièce métallique est une aube de soufflante ; - ledit fibrage est modélisé par une pluralité de cylindres coaxiaux 15 sur les premiers millimètres d'épaisseur périphériques de la billette ; - le fibrage est modélisé par une pluralité de cylindres coaxiaux sur une épaisseur périphérique de la billette inférieure à environ 6 millimètres, et dans lequel la distance entre 2 cylindres contigus 20 est d'environ 1 millimètre. L'invention concerne aussi un produit programme d'ordinateur, comprenant des instructions de code pour la mise en oeuvre d'un procédé comprenant : 25 - modélisation d'un fibrage 3D d'une billette métallique, le fibrage étant orienté selon une direction longitudinale de ladite billette, et ledit fibrage étant modélisé par une pluralité de cylindres coaxiaux et s'étendant dans une direction longitudinale de ladite billette et ; - modélisation d'une gamme de forgeage et/ou d'usinage pour former 30 une pièce métallique à partir de la billette métallique ; - simulation numérique d'étape(s) de forgeage et/ou d'usinage en appliquant la modélisation de la gamme de forgeage et/ou d'usinage à la 6 modélisation 3D du fibrage de la billette, générant une déformation du fibrage ; et - génération d'une modélisation 3D du fibrage de la pièce métallique forgée ; 5 lorsque celui-ci est mis en oeuvre par des moyens de traitement d'une unité de traitement. PRESENTATION DES FIGURES 10 D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels : - Les figures 1A et 1B, déjà présentées, illustrent une modélisation 15 d'un fibrage en 2D d'une pièce forgée non axisymétrique, selon l'état de l'art, respectivement avant et après déformation ; - La figure 2A illustre un barreau métallique ; - La figure 2B illustre un fibrage initial d'un barreau selon une coupe longitudinale ; 20 - La figure 3 illustre certaines étapes d'un mode de réalisation conforme à l'invention ; - La figure 4 illustre la modélisation d'un fibrage d'un barreau en 3D selon un mode de réalisation conforme à l'invention ; - La figure 5A illustre la modélisation d'un fibrage en 3D d'une pièce 25 forgée selon un mode de réalisation conforme à l'invention ; - La figure 5B illustre un fibrage d'une pièce forgée en correspondance avec ladite modélisation de la pièce illustrée en figure 5A ; - La figure 6 illustre la modélisation d'un fibrage en 3D d'une pièce 30 forgée selon un mode de réalisation conforme à l'invention, ainsi que la modélisation d'un fibrage en 2D selon l'état de l'art. 7 DESCRIPTION DETAILLEE Le procédé de modélisation 3D peut être appliqué à différentes étapes de fabrication d'une pièce métallique forgée 10. 5 Les pièces 10 sur lesquelles les procédés décrits peuvent être mis en oeuvre sont destinées préférentiellement à l'aéronautique. Il s'agit par exemple d'aube de soufflante, de turbine, de disque de rotor, ou encore de pièces de train d'atterrissage. Ladite pièce 10 comprend généralement une géométrie complexe, en 10 particulier non axisymétrique. La figure 2A illustre une barre ou billette 20, à partir de laquelle une pièce est préférentiellement forgée. La billette est le métal de départ qui généralement est un cylindre. 15 Les dimensions d'une barre 20, par exemple d'aube fan vont s'étendre typiquement de 40 à 80 millimètres environ. Les dimensions d'une billette 20 pour disque ou arbre vont s'étendre de 150 à 400 millimètres environ. La billette 20 peut être composée de titane, de nickel, d'aluminium ou 20 d'acier. La plupart du temps, la billette à partir de laquelle la pièce est forgée possède un fibrage composé d'un réseau de fibres. En effet, la billette a pu subir des opérations telles le laminage, le forgeage ou le filage, qui lui confèrent un fibrage dans une direction unidirectionnelle et longitudinale, parallèle à l'axe X, de la billette 20. 25 Ainsi, la coupe selon un plan longitudinal d'une billette 20 avant forgeage permet de visualiser les fibres et leurs orientations unidirectionnelles comme illustrées en figure 2B. La figure 3 représente certaines étapes d'un mode de réalisation d'un 30 procédé de modélisation de fibrage. Une unité de calcul 50 est prévue pour effectuer les traitements informatiques nécessaires à la mise en oeuvre du procédé de modélisation de fibrage selon le mode de réalisation. Ladite unité 8 comprend des moyens de traitement comme un micro-processeur la et une mémoire. Dans une étape 110, on modélise le fibrage de la billette 20. 5 On suppose que le fibrage des barres ou billettes 20 utilisées dans le cadre de la fabrication de pièces pour turbomachine est orienté dans le sens d'une direction parallèle à l'axe X de la barre ou de la billette. La pluralité de fibres de la billette 20 peut être modélisée par une pluralité de cylindres 30 de surfaces cylindriques distinctes. Les cylindres 10 sont de préférence coaxiaux (voir figure 4) et s'étendent dans une direction longitudinale de ladite billette 20. Préférentiellement, les cylindres ont le même axe X que la billette 20. On obtient ainsi une modélisation en 3D du fibrage de la billette 20. Le nombre de cylindres 30, les dimensions de leurs bases et la distance 15 entre deux cylindres contigus sont déterminés de manière empirique afin d'avoir une quantité d'information suffisante, mais acceptable par les capacités de traitement d'un logiciel de modélisation d'éléments finis. Les distances entre les surfaces de deux cylindres contigus sont préférentiellement équivalentes dans la pluralité de cylindres 30. 20 Dans le cas où l'on souhaite modéliser le fibrage sur l'ensemble de la billette 20, la distance entre deux cylindres contigus est préférentiellement d'environ 5 millimètres. Dans un mode de réalisation particulier, par exemple dans le cadre de la modélisation de certaines pièces métalliques telles que des aubes de 25 soufflante, il est possible d'appliquer la modélisation sur une seule partie de la pièce, telle qu'un pied d'aube. Ainsi, dans cet exemple, dans le cadre de la recherche de défauts de type oeil de perdrix, on peut modéliser le fibrage uniquement sur la périphérie de la billette 20. Par conséquent, on ne modélise qu'environ les 6 premiers millimètres 30 d'épaisseur, avec une distance entre deux cylindres contigus de, par exemple, environ 1 millimètre. 9 Dans une étape 120, on procède à la modélisation de la gamme de forgeage et/ou d'usinage appliquée à la billette 20. Les paramètres de modélisations comprennent de façon non exhaustive la géométrie de départ, la géométrie tout au long des déformations, la géométrie finale, 5 les températures appliquées à la barre 20, les mouvements de l'outillage, les échanges thermiques, les refoulages multiples, écrasement, matriçage... Dans une étape 130, on procède à une étape de simulation numérique 10 du procédé de forgeage. Les données de modélisation de la gamme de forgeage et/ou d'usinage déterminées dans l'étape 120 décrite précédemment sont appliquées à la modélisation en 3D du fibrage de la billette 20. La simulation numérique permet de visualiser les déformations subies par le fibrage de la pièce. 15 Ainsi, les cylindres 30 sont déformés en suivant l'écoulement de la matière lors de la modélisation du forgeage. Dans une étape 140, la simulation numérique du forgeage va donc générer une modélisation 3D de la pièce finale 10, modélisée, obtenue 20 après forgeage. Les étapes 120 à 140 peuvent être mise en oeuvre par un logiciel d'éléments finis dédié à la mise en forme des matériaux tel que FORGE®, DEFORMTM, QFORM©, SIMUFACT© ... Ces logiciels permettent de modéliser la mise en forme de matériaux à comportement 25 élastoplastique ou élasto-viscoplastique en grandes déformations. Un utilisateur de logiciel de simulation peut ensuite visualiser la pièce modélisée 10 suivant n'importe quel plan de coupe de son choix et observer le fibrage. 30 Ledit utilisateur peut donc catégoriser les déformations du fibrage obtenues lors du forgeage de la pièce 10. L'utilisateur peut donc identifier les défauts de la pièce 10 issue d'une gamme de forgeage/usinage donnée. Ainsi, par comparaison avec le modèle du 10 fibrage de la pièce modélisée 10, on peut déterminer si un défaut observé sur une pièce forgée correspondant à la pièce modélisée résulte du processus de forgeage ou d'un accident de forgeage. Le procédé de modélisation 3D décrit permet donc de déterminer 5 facilement et de fiabiliser la catégorisation des défauts observés à la surface d'une pièce forgée. La figure 5A représente une telle pièce modélisée selon un mode de réalisation du procédé et permet d'observer selon un plan de coupe, le fibrage de la pièce forgée. En particulier, ledit procédé permet 10 d'observer que le fibrage obtenu par la gamme de forgeage et/ou d'usinage génère un défaut de type oeil de perdrix 40. Dans le but de garantir que le fibrage modélisé correspond au fibrage observé sur pièce, on peut produire spécialement une série de pièces. La 15 gamme de fabrication est adaptée pour qu'une pièce soit découpée pour analyse après chaque étape de la gamme de forgeage/usinage comme illustré en figure 5B. On peut ainsi observer et vérifier le procédé de simulation de fibrage de la pièce. La modélisation du fibrage telle que présentée dans le procédé décrit 20 précédemment permet d'observer le fibrage sur des pièces forgées à géométrie complexe suivant n'importe quel plan de coupe choisi par un utilisateur d'un logiciel de modélisation. Ainsi, contrairement aux pièces axisymétriques pour lesquelles la modélisation de la gamme est réalisée en 2D et pour lesquelles le plan de coupe doit correspondre au plan 2D 25 de la modélisation, le fibrage peut donc être observé suivant le plan de coupe déterminé. La figure 6 représente une coupe selon un plan longitudinal d'une pièce 10. Également, ladite figure représente plus particulièrement le fibrage 30 modélisé en 2D par la grille déformée (GD) modélisée selon des méthodes connues et le fibrage modélisé en 3D (F3D) selon un mode de réalisation du procédé. On observe ainsi qu'il est impossible de 11 déterminer le fibrage à partir de la grille déformée (GD) puisqu'elle n'est pas contenue dans le plan de coupe contrairement au fibrage 3D (F3D) qui peut être coupé suivant n'importe REVENDICATIONS1. Procédé de modélisation 3D d'un fibrage d'une pièce métallique (10), la formation de ladite pièce comprenant au moins une étape de 5 forgeage à partir d'une billette métallique (20), ledit procédé comprenant les étapes suivantes : - modélisation d'un fibrage 3D de la billette métallique (20), le fibrage étant orienté selon une direction longitudinale de ladite billette ; - modélisation d'une gamme de forgeage et/ou d'usinage ; 10 - simulation numérique d'étape(s) de forgeage et/ou d'usinage en appliquant la modélisation de la gamme de forgeage et/ou d'usinage à la modélisation 3D du fibrage de la billette (20), générant une déformation du fibrage ; et - génération d'une modélisation 3D du fibrage de la pièce métallique 15 (10) forgée, caractérisé en ce que lors de l'étape de modélisation du fibrage 3D de la billette métallique (20), le fibrage est modélisé par une pluralité de cylindres coaxiaux (30) s'étendant dans une direction longitudinale de ladite billette (20). 20 2. Procédé de modélisation 3D d'un fibrage d'une pièce métallique (10) selon la revendication précédente dans lequel, la pièce métallique (10) comporte une géométrie asymétrique. 25 3. Procédé de modélisation 3D d'un fibrage d'une pièce métallique (10) selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre une étape de détection des déformations du fibrage de la pièce. 4. Procédé de modélisation 3D d'un fibrage d'une pièce métallique 30 (10) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la distance entre deux cylindres contigus est d'environ 5 millimètres. 13 5. Procédé de modélisation 3D d'un fibrage d'une pièce métallique (10) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la billette métallique (20) comporte du titane, du nickel, de l'aluminium ou de l'acier. 6. Procédé de modélisation 3D d'un fibrage d'une pièce métallique (10) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la pièce métallique est une aube de soufflante. 7. Procédé de modélisation 3D d'un fibrage d'une pièce métallique (10) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit fibrage est modélisé par une pluralité de cylindres coaxiaux (30) sur les premiers millimètres d'épaisseur périphériques de la billette (20). 8. Procédé de modélisation 3D d'un fibrage d'une pièce métallique (10) selon la revendication précédente, dans lequel le fibrage est modélisé par une pluralité de cylindres coaxiaux sur une épaisseur périphérique de la billette (20) inférieure à environ 6 millimètres, et dans lequel la distance entre 2 cylindres contigus est d'environ 1 millimètre. 9. Produit programme d'ordinateur, comprenant des instructions de code pour la mise en oeuvre d'un procédé comprenant des étapes de : - modélisation d'un fibrage 3D d'une billette métallique (20), le fibrage étant orienté selon une direction longitudinale de ladite billette, et ledit fibrage étant modélisé par une pluralité de cylindres coaxiaux (30) et s'étendant dans une direction longitudinale de ladite billette (20) et ; - modélisation d'une gamme de forgeage et/ou d'usinage pour former une pièce métallique (10) à partir de la billette métallique (20) ; - simulation numérique d'étape(s) de forgeage et/ou d'usinage en appliquant la modélisation de la gamme de forgeage et/ou d'usinage à la modélisation 3D du fibrage de la billette (20), générant une déformation du fibrage ; et 14 - génération d'une modélisation 3D du fibrage de la pièce métallique (10) forgée ; lorsque celui-ci est mis en oeuvre par des moyens de traitement d'une unité de traitement (50).