Brevet FR3094048A1 — publié le 20200925

Description Titre de l'invention : Elément de liaison, et procédé de fabrication d'une bague pour un tel élément de liaison Domaine technique de l'invention [0001] La présente invention concerne un ensemble de liaison pourvu d'une bague multi- matière, tel un ensemble de roulement avec cage de type écureuil, ou « squirrel cage » en anglais, par exemple pour des applications dans des turbines à gaz, ou une liaison d'articulation, par exemple de type rotule. Enfin, l'invention concerne également un procédé de fabrication d'une telle bague multi-matière. Etat de la technique antérieure [0002] Dans l'industrie aéronautique, il est connu d'utiliser une liaison d'articulation de type rotule métallique pour immobiliser deux organes, tels qu'une bielle et une pièce de structure, en translation l'un par rapport à l'autre, tout en permettant un mouvement relatif en rotation de ces organes. [0003] Une telle rotule comprend classiquement une bague intérieure et une bague ex- térieure métalliques. Une surface interne de la bague intérieure est adaptée pour être montée sur un arbre, alors que sa surface externe est sensiblement sphérique et apte à coopérer avec une surface interne correspondante de la bague extérieure. La bague intérieure et la bague extérieure possèdent ainsi trois degrés de liberté mutuels en rotation, tout en étant assujetties l'une à l'autre en translation. [0004] La bague extérieure peut comprendre une collerette de fixation s'étendant ra- dialement vers l'extérieur, ladite collerette étant destinée à être solidarisée à un support fixe, par exemple au moyen de vis traversantes. Une telle bague extérieure est formée d'un seul tenant. Toutefois, les caractéristiques et performances demandées à une bague extérieure sont dichotomiques : une dureté importante et une haute résistance à la fatigue due au contact de roulement pour la surface interne en mouvement relatif de contact avec la bague intérieure ; une certaine flexibilité et une haute tenue aux efforts pour la collerette de fixation. [0005] Une problématique similaire est rencontrée pour les ensembles de roulement équipés de cage de type écureuil, ou « squirrel cage » en anglais, par exemple pour des applications dans des turbines à gaz. [0006] Un tel ensemble de roulement comprend une bague intérieure pourvue d'une piste de roulement interne, une bague extérieure pourvue d'une piste de roulement externe, et une pluralité d'éléments roulants logés entre lesdites pistes de roulement interne et externe. La bague extérieure est en outre pourvue d'une cage écureuil s'étendant axialement depuis ladite bague extérieure, la bague extérieure et la cage écureuil étant 2 formées d'un seul tenant. La cage écureuil est pourvue d'un rebord de fixation sur un support fixe, par exemple au moyen de vis traversantes. La cage écureuil comprend en outre une portion intermédiaire axiale avec une pluralité de fenêtres réparties circonférentiellement de manière à assurer une certaine flexibilité de la cage afin de supporter différents modes de vibration de l'ensemble. 11 est également connu de pourvoir un film de lubrifiant entre la bague extérieure et une surface du support fixe, ledit film étant logé dans une chambre étanche entre deux joints, afin de filtrer les vibrations. [0007] Aujourd'hui, un compromis est trouvé en utilisant des matériaux ayant des propriétés satisfaisant aux exigences techniques et structurelles de telles bagues pour des ensembles de liaison. Par exemple, de telles bagues peuvent être formées en M50NiL, les pistes de roulement étant en outre cémentées. Résumé de l'invention [0008] La présente invention vise à remédier à ces inconvénients susmentionnés. [0009] Plus particulièrement, la présente invention vise à prévoir un élément de liaison avec une bague pourvue d'une piste de roulement aux propriétés spécifiques améliorées, avec également une portion de fixation aux propriétés spécifiques améliorées, sans compromis entre elles, ledit élément de liaison étant moins onéreux, facile à produire, et de poids réduit. [0010] L'invention concerne un élément de liaison comprenant une première bague, une seconde bague, les deux bagues étant en rotation relative autour d'un axe central. La première bague comprend une portion de contact pourvue d'une surface de contact coopérant avec la seconde bague pour ladite rotation relative, et une portion de fixation destinée à être solidarisée sur un support. [0011] Conformément à l'invention, ladite portion de contact est formée d'un premier matériau et ladite portion de fixation est formée d'un second matériau différent du premier matériau. Le premier matériau a une dureté strictement supérieure à celle du second matériau. Le second matériau aune tenue en fatigue structurelle strictement supérieure à celle du premier matériau. [0012] Selon d'autres caractéristiques avantageuses mais non obligatoires de l'invention, un tel élément de liaison est une liaison d'articulation, et peut également inclure les caractéristiques suivantes, mises isolément ou avec toute combinaison techniquement admissible: La surface de contact de la portion de contact de la première bague est en contact de glissement direct contre une surface de contact de la seconde bague. Les surfaces de contact sont sphériques. L'élément de liaison est une rotule. 3 Le premier matériau est l'un parmi la liste suivante : bronze, acier, alliage de cobalt, alliage de titane, alliage de nickel. Le second matériau est l'un parmi la liste suivante : alliage de titane, alliage d'aluminium, alliage de nickel. La portion de fixation de la première bague consiste en une collerette annulaire. La collerette s'étend radialement. La portion de fixation de la première bague comprend une pluralité d'ouvertures traversantes destinées chacune à recevoir une vis de fixation pour être solidarisée sur un support. [0013] Selon d'autres caractéristiques avantageuses mais non obligatoires de l'invention un tel élément de liaison est un roulement à éléments roulants, et peut également inclure les caractéristiques suivantes, prises isolément ou avec toute combinaison techniquement admissible : Au moins une rangée d'éléments roulants est interposée entre la surface de contact de la portion de contact de la première bague et une surface de contact de la seconde bague. Le premier matériau est l'un parmi la liste suivante : 10006, aciers rapides supérieurs M50. ASP 2060, M62. Le second matériau est l'un parmi la liste suivante : acier à faible ou moyenne teneur en carbone, alliage de titane, alliage d'aluminium, M50NiL, 32CVD13, INCONEL7i8. La première bague est une bague extérieure, et la seconde bague est une bague intérieure. La portion de fixation de la première bague est une cage de type écureuil. La cage de type écureuil comprend un rebord de fixation et une portion pourvue d'une pluralité de fenêtres réparties circonférentiellement. Le rebord s'étend radialement. La portion pourvue d'une pluralité de fenêtres réparties circonférentiellement s'étend essentiellement axialement. La portion de fixation de la première bague comprend une pluralité d'ouvertures traversantes destinées chacune à recevoir une vis de fixation pour être solidarisée sur un support. [0014] La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'une première bague d'un élément de liaison selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents. Le procédé de fabrication comprend les étapes suivantes : a. La portion de contact est usinée à partir d'une barre ou d'une méthode additive du premier matériau, et est pourvue d'une surface de contact. b. La portion de contact est montée dans un support fixe, de telle sorte qu'une partie de sa surface extérieure est libre. c. Le second matériau est stocké sous forme de poudre, la portion de fixation étant formée sur ladite partie libre de la portion de contact avec ladite poudre. d. La portion de fixation a ses dimensions finalisées par usinage. [0015] Selon d'autres caractéristiques avantageuses mais non obligatoires de l'invention, l'étape (c) d'un tel procédé est réalisée par une méthode d'impression en trois dimensions. [0016] Selon cc mode particulier du procédé, la portion de contact est montée à l'étape (h) dans un support fixe de telle sorte que seule la surface sur laquelle la portion de fixation sera formée affleure à une surface de montage dudit support. Pour cela, la portion de fixation peut être logée dans un évidement dudit support. Selon un mode particulièrement avantageux, ladite partie de surface extérieure peut être rectifiée de façon à parfaitement affleurer à ladite surface de montage du support. [0017] Ainsi assemblés, la portion de contact et le support sont installés dans une im- primante à trois dimensions. Lors de l'étape (c) du procédé, des couches successives du second matériau sont déposées sur la surface libre de la portion de contact, jusqu'à former la portion de fixation. [0018] Selon d'autres caractéristiques avantageuses mais non obligatoires de l'invention, un moule ayant la forme de la portion de fixation est monté sur la portion de contact, de telle sorte que seule la surface sur laquelle la portion de fixation sera formée est libre à l'intérieur du moule. [0019] Lors de l'étape (c) du procédé, la portion de fixation est formée par injection de la poudre dans le moule clos, sous vide. La forme ainsi obtenue est solidifiée par pressage isostatique à chaud, « Hot Isostatic Pressing » (ou HIP) en anglais. [0020] Alternativement, la poudre du second matériau peut être fusionnée par procédé de fusion par faisceau d'électrons, « electron beam melting » en anglais, par fusion sélective par laser, « selective laser melting » en anglais, ou encore par dépôt par fusion directe, « direct metal deposition » en anglais. [0021] Selon d'autres modes de réalisation, le procédé de fabrication de la bague peut également inclure une étape de dépôt d'un revêtement de surface. Brève description des figures [0022] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif. [0023] La description est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : [0024] [fig.]] est une représentation schématique en coupe transversale d'une rotule selon un mode de réalisation de l'invention, montée sur un arbre ; et [0025] [fig.2] est une représentation schématique en demi-coupe transversale d'un élément de roulement à cage de type écureuil selon un mode de réalisation de l'invention. Description détaillée de l'invention [0026] Sur la Fleure 1 est représenté un élément de liaison de type rotule, référencée 1 dans son ensemble et d'axe central Xl. [0027] La rotule 1 comprend une bague intérieure 2 et une bague extérieure 3. [0028] La bague intérieure 2 comporte une surface interne 4 sensiblement cylindrique, prévue pour être disposée contre la périphérie extérieure d'un arbre 5 cylindrique correspondant. La bague intérieure 2 comporte également une surface externe 6 présentant un profil sphérique, plus spécifiquement en tronçons de sphère. Les surfaces interne 4 et externe 6 de la bague intérieure 2 sont reliées l'une à l'autre par des parois latérales 7. Selon un mode de réalisation non illustré, la bague intérieure 2 peut en outre disposer d'un manchon cylindrique interposé entre sa surface interne 4 et la périphérie extérieure de l'arbre 5. Cc manchon peut être réalisé en bronze, par exemple. [0029] La bague intérieure 2 est constituée d'un alliage de titane, par exemple de type TA6V. Alternativement, cette bague est constituée d'un alliage de nickel, ou d'acier. [0030] La bague extérieure 3 comprend une surface externe 8 sensiblement cylindrique. La bague extérieure 3 comprend également une surface interne 9 sphérique, plus spécifiquement en tronçons de sphère, correspondant à celui de la surface externe 6 de la bague intérieure 2. La bague intérieure 2 et la bague extérieure 3 possèdent ainsi, l'une par rapport à l'autre, trois degrés de liberté en rotation. Le surfaces interne 9 se raccorde à la surface externe 8 par des parois latérales 10. Les parois latérales 7 de la bague intérieure 2 font saillie, en coupe axiale, de part et d'autre des parois latérales 10 de la bague extérieure 3 dans la position de la Figure 1, dans laquelle la surface cylindrique 4 est coaxiale à l'arbre 5. [0031] La bague extérieure 3 comprend en outre une collerette annulaire 11 en saillie depuis la surface extérieure 8 et s'étendant selon une direction radiale opposée à l'axe central Xl. La collerette annulaire est pourvue d'au moins un trou traversant 12 prévu pour recevoir une vis de fixation pour solidariser ladite bague extérieure 3 à un support. [0032] Conformément à l'invention, la bague extérieure 3 est formée de deux matériaux différents. La bague extérieure 3 comprend une portion de contact 3-1 prévue pour venir en contact glissant contre la bague intérieure 2 et formée d'un premier matériau. La bague extérieure comprend en outre une portion de fixation 3-2 formée d'un second matériau différent du premier matériau. [0033] La portion de contact 3-1 comprend les surfaces externe 8 et interne 9, et les parois 6 latérales 10. La portion de contact 3-1 est formé d'un matériau ayant une dureté strictement supérieure à celle du second matériau. Ainsi la portion de contact 3-1 est formée d'un matériau spécifique pour remplir la fonction de rotulage par glissement direct contre la bague intérieure 2. Le premier matériau est l'un parmi la liste suivante : bronze, acier, alliage de cobalt. [0034] La portion de fixation 3-2 consiste en la collerette 11 et est formée d'un matériau ayant une élasticité strictement supérieure à celle du premier matériau. Ainsi la portion de fixation 3-2 est formée d'un matériau spécifique pour supporter des efforts et des vibrations. Le second matériau est l'un parmi la liste suivante : titane, alliage de titane, alliage d'aluminium, alliage de nickel. [0035] Un autre avantage de la présente invention est que le matériau utilisé pour la portion de fixation 3-2 est moins onéreux que celui de la portion de contact 3-1, ou même que celui d'une bague extérieure formée d'un seul tenant et étant formée d'un matériau en compromis avec les contraintes. De plus, le matériau utilisé pour la portion de fixation 3-2 est de poids réduit par rapport à celui de la portion de contact 3-1, ou même que celui d'une bague extérieure formée d'un seul tenant et étant formée d'un matériau en compromis avec les contraintes. Il en résulte ainsi une bague de rotule assurant chacune des deux fonctions de rotulage et de fixation de manière optimisée, pour un coût moindre et un poids réduit. [0036] Un second mode de réalisation de l'invention est illustré en Figure 2, dans lequel l'élément de liaison consiste en un élément de roulement à éléments roulants, référencé 20 dans son ensemble et d'axe central X20. [0037] Le roulement 20 comprend une bague intérieure 21, une bague extérieure 22, et une pluralité d'éléments roulants 23. [0038] La bague intérieure 21 est pourvue d'une surface interne 24 sensiblement cy- lindrique, une surface externe 25 cylindrique et formant une piste de roulement interne pour les éléments roulants 23, et des parois latérales 26 raccordant les surfaces interne 24 et externe 25. [0039] La bague intérieure 21 est formée en acier, par exemple en M50. [0040] La bague extérieure 22 est pourvue d'une surface externe 27 sensiblement cy- lindrique, une surface interne 28 cylindrique et formant une piste de roulement externe pour les éléments roulants 23, et des parois latérales 29 raccordant les surface externe 27 et interne 28. [0041] Avantageusement, la surface externe 27 comprend deux rainures circonférentielles 30, 31 aptes à recevoir chacune un joint torique d'étanchéité (non représenté), un film de fluide étant pourvu axialement entre les deux joints logés dans lesdites rainures 30, 31, ledit film étant coincé radialement entre ladite surface externe 27 et une surface d'un support fixe (non représenté) afin de former un moyen d'atténuation des vi- 7 brations. [0042] Les éléments roulants 23 sont logés entre lesdites pistes de roulement interne 25 et externe 28. Dans l'exemple illustré en Figure 2, les éléments roulants 23 sont des rouleaux cylindriques d'axe parallèle à l'axe central Xl. De manière alternative, les éléments roulants peuvent être d'autres types, par exemple des billes ou des rouleaux coniques. [0043] Selon le mode de réalisation illustré en Figure 2, la bague extérieure 22 est en outre pourvue d'une cage écureuil 32 s'étendant axialement depuis une paroi latérale 29 de ladite bague extérieure 22. [0044] La cage écureuil 32 est pourvue d'un rebord de fixation 33 s'étendant essentiellement radialement et destiné à être fixé solidairement sur un support fixe (non représenté), par exemple au moyen de vis filetées passant par des trous traversants 34 et venant se loger dans des ouvertures taraudées correspondantes dudit support. La cage écureuil 32 comprend en outre une portion intermédiaire 35 essentiellement axiale avec une pluralité de fenêtres 36 réparties circonférentiellement de manière à assurer une certaine flexibilité de la cage 32 afin de supporter différents modes de vibration de l'ensemble. Selon le mode de réalisation illustré en Figure 2, la portion intermédiaire 35 comprend deux portions axiales 35-1, 35-2, chacun pourvu de fenêtres 36, la portion axiale 35-2 étant de diamètre supérieur à celui de la portion axiale 35-1. Les deux portions axiales 35-1, 35-2 sont connectées par une portion de repli 35-3. Le rebord de fixation 33 s'étend radialement depuis une extrémité libre de la portion axiale 35-2 de diamètre supérieur. [0045] Conformément à l'invention, la bague extérieure 22 est formée de deux matériaux différents. La bague extérieure 22 comprend une portion de contact 22-1 prévue pour venir en contact de roulement contre les éléments roulants 23 et formée d'un premier matériau. La bague extérieure 22 comprend en outre la cage écureuil 32 formée d'un second matériau différent du premier matériau. [0046] La portion de contact 22-1 comprend les surfaces externe 27 et interne 28, et les parois latérales 29. La portion de contact 22-1 est formé d'un matériau ayant une dureté strictement supérieure à celle du second matériau. Ainsi la portion de contact 22-1 est formée d'un matériau spécifique pour remplir la fonction de support de roulement direct pour les éléments de roulement 23. Le premier matériau est un acier parmi la liste suivante : 10006, ASP 2060, M50, M62. [0047] La cage écureuil 32 est formée d'un matériau ayant une élasticité strictement su- périeure à celle du premier matériau Ainsi la cage écureuil 32 est formée d'un matériau spécifique pour supporter des efforts et des vibrations. Le second matériau est l'un parmi la liste suivante : acier à faible ou moyenne teneur en carbone, alliage de titane, alliage d'aluminium, M50NiL, 32CVD13, INCONEL718. 8 [0048] Les bagues 3 et 22 des deux modes illustrés en Figure 1 sont toutes deux formées de deux matériaux différents. Conformément à l'invention, les bagues 3 et 22 sont fabriquées par un procédé comprenant les étapes suivantes. [0049] La portion de contact 3-1, 22-1 est usinée à partir d'une barre du premier matériau, et est pourvue d'une surface de contact 9, 28, respectivement. La forme et les dimensions définitives de la portion de contact 3-1, 22-1 peuvent être fabriquées dès cette étape. [0050] Ensuite, la portion de contact 3-1, 22-1 ainsi obtenue est montée dans un support fixe, de telle sorte qu'une partie de sa surface extérieure est libre. Cette partie de surface extérieure correspond à la surface sur laquelle va être accrochée et formée la portion de fixation lors des étapes suivantes. Ainsi la surface extérieure de la paroi latérale 10 de la portion de contact 3-1 est laissée libre, et la surface extérieure de la paroi latérale 29 de la portion de contact 22-1 est laissée libre. Selon un mode particulier de ce procédé, la portion de contact est montée dans un support fixe de telle sorte que seule la surface de paroi latérale 10, 29 affleure à une surface de montage dudit support. Pour cela, la portion de fixation 3-1, 22-1 peut être logée dans un évidement dudit support. Selon un mode particulièrement avantageux, ladite partie de surface extérieure 10, 29 peut être rectifiée de façon à parfaitement affleurer à ladite surface de montage du support. [0051] Selon un premier mode de réalisation du procédé, la portion de contact 3-1, 22-1 et le support sont installés dans une imprimante à trois dimensions. Le second matériau est stocké sous forme de poudre, et la forme de la portion de fixation 3-2, 32 est imprimée sur la portion de contact 3-1, 22-1, respectivement. Plus précisément, des couches successives du second matériau sont déposées sur la surface libre de la paroi latérale 10, 29 de la portion de contact 3-1, 22-1, jusqu'à former la portion de contact 3-2, 22. [0052] Selon un second mode de réalisation, un moule ayant la forme de la portion de fixation est monté sur la portion de contact 3-1, 22, de telle sorte que seule la surface de la paroi latérale 10, 29 sur laquelle la portion de fixation sera formée est libre à l'intérieur du moule. [0053] La portion de fixation 3-2, 32 est formée par injection de poudre dans le moule clos, sous vide. La forme ainsi obtenue est consolidée par pressage isostatique à chaud, Hot Isostatic Pressing » (ou HIP) en anglais. [0054] Selon d'autres modes de réalisation, la poudre du second matériau peut être fusionnée par procédé de fusion par faisceau d'électrons, « electron beam melting » en anglais, par fusion sélective par laser, « selective laser melting » en anglais, ou encore par dépôt par fusion directe, « direct metal deposition » en anglais. [0055] Enfin, la portion de fixation 3-2, 22 a ses dimensions finalisées par usinage. Le procédé de fabrication de la bague 3, 22 peut également inclure une étape de dépôt d'un revêtement de surface, en particulier sur les pistes 9, 28. 9 [0056] En outre, les caractéristiques techniques des différents modes de réalisation peuvent être, en totalité et seulement pour certaines d'entre elles, combinées entre elles. Ainsi, la rotule peut être adaptée en termes de coûts, de performance et de simplicité de mise en oeuvre. [0057] La présente invention a été décrite pour une pièce d'articulation de type rotule et pour un élément de roulement à titre d'exemples de réalisation. La présente invention peut être appliquée à toute sorte d'élément de liaison. 10