Brevet FR3124749A1 — publié le 20230106

Machine (20) d’usinage d’alvéole(s) (34) dans une pièce métallique (24), cette machine comportant : - un bâti (22) de support de la pièce métallique (24) à usiner, - un outil d’usinage (26) qui est porté par un support (28) et qui a une forme générale allongée le long d’un axe d’usinage (LL), et - des organes de déplacement (30) configurés pour déplacer la pièce (24) relativement à l’outil (26), ou inversement, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre : - une cuve (42) remplie d’un liquide diélectrique (44) et dans lequel est destinée à être immergée ladite pièce (24), et en ce que l’outil d’usinage (26) comprend une portion longitudinale amont (26a) qui comprend une électrode (46) d’usinage par électroérosion et qui est destinée à être immergée avec la pièce (24) dans le liquide diélectrique (44), et une portion longitudinale aval (26b) qui comprend une broche (48) d’usinage par brochage. Figure pour l'abrégé : Figure 8 MACHINE ET PROCEDE D’USINAGE D’ALVEOLE(S) DANS UNE PIECE METALLIQUE Domaine technique de l'invention La présente invention concerne une machine et un procédé d’usinage d’alvéole(s) dans une pièce métallique, telle qu’un disque de rotor pour une turbomachine d’aéronef. Arrière-plan technique Un disque de rotor d’une turbomachine d’aéronef comprend à sa périphérie des alvéoles qui sont destinées à recevoir par emmanchement mâle-femelle des pieds d’aubes de rotor. Les pieds et les alvéoles ont donc des formes complémentaires qui sont par exemple en queue d’aronde ou en sapin. L’usinage de ce type d’alvéole peut être réalisé par brochage ou par électroérosion par enfonçage. Le brochage est une technique d’usinage soustractive de matière appartenant à la famille de l’usinage conventionnel par enlèvement de copeaux. Cette opération permet l’obtention de formes plus ou moins complexes à l’aide d’une unique translation rectiligne d’un outil de brochage, se rapprochant de la coupe orthogonale sur de nombreux aspects. La vitesse de translation est appelée vitesse de coupe. Ces formes peuvent être réalisées à l’intérieur d’une pièce aussi bien qu’à l’extérieur d’une pièce. Des exemples de formes réalisables par brochage sont montrés à la . La cinématique de l’opération de brochage est simple et permet l’obtention d’une forme en un seul mouvement linéaire ayant des caractéristiques dimensionnelles et géométriques dans des intervalles de tolérances réduits de façon répétable. De même, ce type d’usinage offre une bonne productivité et un coût par pièce correct malgré le coût élevé des broches en comparaison à d’autres types d’usinage et de réalisation de formes complexes. Pour obtenir la forme souhaitée, une succession d’outils appelés éléments de broche, et constituant un jeu de broches, est utilisé. Chaque élément d’un jeu de broches à une forme différente et permet de réaliser l’usinage d’une partie de la forme souhaitée. Un élément de broche est illustré à la . Comme pour toute opération d’usinage, il existe différentes stratégies de brochage. La différence majeure par rapport aux autres procédés d’usinage conventionnels est que cette stratégie n’est pas définie par la trajectoire d’usinage, mais par les choix d’évolution de la forme des éléments de broche successifs conduisant à des enlèvements de matière dans différentes zones permettant d’obtenir la forme souhaitée. Par exemple, la présente les différentes étapes permettant l’obtention d’une alvéole de type sapin. Chaque numéro noté sur cette figure correspond au profil usiné par chaque élément du jeu de broches de manière chronologique. Dans l’exemple donné, les éléments notés de 1 à 4 sont des éléments simples à arêtes rectilignes droites permettant de réaliser l’ébauche de la forme à usiner (réalisation d’une gorge) alors que les éléments 5 à 7 sont des éléments de formes plus complexes permettant d’obtenir la forme finale souhaitée en sapin. Pour chacun de ces éléments, une stratégie de progression est sélectionnée afin de garantir au mieux le bon déroulement de l’opération de brochage. Un élément de broche est constitué d’une succession d’arêtes coupantes distantes les unes des autres d’une certaine distance appelée pas (P) et étagées entre elles d’une valeur nommée progression à la dent (h) comme illustré à la . La quantité de matière enlevée (copeau 8) dans la pièce 9, d’une dent 10 à l’autre, est dépendante de ces deux paramètres ( ). Ainsi, le nombre de dents 10 et la longueur totale d’un élément de broche, et par extension du jeu de broches, est influencé par ces paramètres. Suivant les matériaux à usiner, les paramètres P et h sont limités pour garantir la tenue mécanique de l’outil et la précision de la forme obtenue. Ainsi, la réalisation d’une alvéole de disque de turbine ou de soufflante nécessite un jeu de broche d’une longueur variant de 2 mètres à plus de 20 mètres pour des alvéoles de grandes dimensions. La réalisation d’une opération de brochage se réalise sur une machine dédiée à ce type d’opération. En règle générale, les machines sont dites « horizontales », permettant le déplacement de l’outil, ou de la pièce, suivant une direction horizontale. En raison de la longueur totale d’un jeu de broches, les machines utilisées sont de très grandes dimensions. Il existe des machines de brochage dites « verticales », où le déplacement du jeu de broches s’effectue du haut vers le bas, permettant de réduire l’empreinte au sol, mais qui nécessitent une hauteur verticale conséquente liée au nombre d’éléments de broche à utiliser. L’électroérosion ou l’usinage par étincelage est une technique d’enlèvement de matière provoquée par un phénomène d’érosion thermique généré par des étincelles issues de décharges électriques contrôlées entre une électrode (outil) et la pièce immergée dans un liquide diélectrique. Une tension polarisée supérieure à la tension de claquage du diélectrique est appliquée entre l’outil et la pièce permettant des décharges électriques initiées au point ou la distance pièce/électrode est la plus faible. Ainsi les étincelles successives provoquent la fusion puis la vaporisation du matériau afin de créer une cratérisation des surfaces usinées. La montre une représentation d’une machine d’électroérosion par enfonçage, avec ses principaux composants : - des organes de déplacement de l’électrode 11 vis-à-vis de la pièce 12 à usiner, - un système de commande numérique, - un générateur 13 de courant continu (polarisé), relié d’une part à la pièce 12 et d’autre part à l’électrode 11, - un bac de travail 14 ou une cabine étanche, contenant un liquide diélectrique 15 dans lequel sont immergées la pièce 12 et l’électrode 11, et - un système 16 de filtration du liquide diélectrique équipé d’une pompe. Le générateur 13 doit assurer plusieurs fonctions : - amorcer les décharges électriques 17, - maintenir la tension et l’intensité pendant la décharge, - assurer un temps de pause entre deux décharges successives, et - fournir une répétition des décharges. Le système de commande numérique assure l’asservissement des organes de déplacement pendant l’usinage en s’efforçant de maintenir constante la distance entre l’outil (électrode 11) et la pièce 12 qui dépend principalement de la tension de Gap programmée. La réalisation d’une forme par enfonçage consiste à utiliser un outil de forme complémentaire et à le déplacer selon une direction. La matière est enlevée progressivement, et l’électrode outil reproduit petit à petit sa forme dans la pièce, en négatif, avec une légère différence de cotes liée au jeu J entre la pièce 12 et l’outil. Cette technique nécessite la fabrication préalable d’une ou de plusieurs électrodes. Elle a été la première utilisée en EDM ( Electrical Discharge Machining ), et son intérêt principal est de reporter la difficulté d’usinage direct de la pièce, liée au matériau ou à la forme à produire, sur l’usinage de l’électrode, qui est plus aisé. D’une part, le matériau de l’électrode (par exemple cuivre ou graphite) est choisi de manière à être plus facile à usiner que celui d’un outil coupant, et d’autre part, sa forme est plus simple que celle d’un tel outil coupant. Cependant, les opérations de brochage et d’électroérosion par enfonçage présentent des inconvénients. Dans le cas du brochage, la taille de la forme à brocher influe directement sur le nombre d’éléments de broche et la longueur totale du jeu de broches. Afin d’obtenir la forme souhaitée, il est indispensable de régler et d’aligner plusieurs éléments de broche les uns avec les autres (typiquement de 9 à 15 éléments). Au cours de sa vie, un outil pouvant être réaffuté, le positionnement relatif de chaque élément par rapport aux autres varie entre chaque montage. Ainsi, la procédure de montage et de réglage des éléments de broche est longue et fastidieuse. Pour les formes brochées les plus grandes, il est parfois impossible de faire tenir l’ensemble des éléments du jeu broches sur la même ligne car la longueur totale du jeu de broches dépasse la capacité de la machine. Cela implique donc de réaliser le brochage en plusieurs fois avec parfois des étapes de montage et démontage d’éléments de broche suivant le type de machine utilisé. Cela a pour conséquence d’augmenter la durée de l’opération et le risque de non-conformité finale. Enfin, d’une manière générale, les machines de brochage ont de très grandes dimensions, occupent une surface importante au sein d’un atelier et ne sont pas déplaçables facilement, ce qui réduit la flexibilité des ateliers dans lesquels elles sont implantées. En conclusion, la dimension des machines, ainsi que la complexité et le coût des outils utilisés et leur réglage constituent les principales difficultés de mise en œuvre d’une opération de brochage. En ce qui concerne l’électroérosion, ce procédé d’usinage, par son principe de fusion et de vaporisation du matériau pendant la décharge ainsi que de son refroidissement brutal lors de la coupure de la décharge, va générer une couche affectée thermiquement en surface associée à des contraintes résiduelles de traction et éventuellement à la génération de microcriques. L’ensemble de ces évènements conduisent inévitablement à un abattement des propriétés en fatigue du matériau proportionné à l’épaisseur de la couche perturbée en surface et sous la surface, pouvant atteindre 50% (en contrainte). La performance de l’électroérosion est aussi limitée. Le débit de matière est limité par l'énergie mise en jeu par chaque décharge et par le principe même (fusion-vaporisation-éjection). Il peut atteindre 1 cm3/min en ébauche (énergie de l'ordre de 1 Joule). Il est de quelques mm 3 /min en finition (énergie de 10 -5 à 10 -4 Joule). Il dépend principalement de l’intensité du courant et de la durée de l’impulsion. Le débit de matière est aussi limité par l’évacuation des particules érodées, qui est souvent difficile. En ce qui concerne les consommables lors d’une opération d’électroérosion, le phénomène d’usinage ayant lieu aux deux électrodes, l’électrode dite outil subit aussi un enlèvement de matière, traduit en production par une usure relative : volume de matière perdu sur l’outil, rapporté au volume de matière enlevé sur la pièce. L’usure est minimisée grâce à l’utilisation de matériaux performants pour les électrodes : matériaux à haut point de fusion ou vaporisation (graphite ou tungstène), matériaux aptes à évacuer l’énergie par conduction (cuivre ou alliages cuivreux), ou une combinaison des deux (graphite avec lamelles ou poudre de cuivre). Cependant, l’usure n’est pas nulle : elle est inférieure à 0,5 % en ébauche et elle peut atteindre 30 à 50 % en finition. La vitesse d’enfoncement de l’électrode d’électroérosion dépend de la section de matière à enlever et des conditions opératoires. Des conditions opératoires agressive permettent de réduire le temps nécessaire mais ont un impact important sur la pièce et provoquent une usure importante de l’électrode, tandis que des conditions moins agressives réduisent l’impact sur la pièce et l’usure de l’électrode, mais augmentent fortement la durée de l’opération. Par exemple dans le cas de l’usinage d’un acier avec une électrode en graphite : - pour un état de surface final Ra 3 /min pour une usure volumétrique de l’électrode de l’ordre de 2,5%, - pour un état de surface final Ra = 11 µm, les conditions opératoires à appliquer (Durée d’impulsion = 50 µs ; Intensité = 64 A) permettent un taux d’enlèvement de 400 mm 3 /min pour une usure volumétrique de l’électrode de l’ordre de 1%. En conclusion, l’opération d’électroérosion induit sur et sous la surface de la pièce une zone affectée thermiquement (ZAT), qui peut induire une diminution des caractéristiques mécaniques du matériau qui peut être incompatible avec son utilisation. Par ailleurs, l’usure de l’électrode ne permet pas toujours d’obtenir une précision dimensionnelle suffisante au regard des tolérances admises. L’invention propose une solution simple, efficace et économique qui permet de résoudre tout ou partie des problèmes des opérations d’usinage de la technique antérieure. L’invention propose à cet effet une machine d’usinage d’alvéole(s) dans une pièce métallique, cette machine comportant : - un bâti qui est configuré pour porter la pièce métallique à usiner, - un outil d’usinage qui est porté par un support et qui a une forme générale allongée le long d’un axe d’usinage, et - des organes de déplacement configurés pour déplacer la pièce relativement à l’outil, ou inversement, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre : - une cuve remplie d’un liquide diélectrique et dans lequel est destinée à être immergée ladite pièce, et en ce que l’outil d’usinage comprend une portion longitudinale amont qui comprend une électrode d’usinage par électroérosion et qui est destinée à être immergée avec la pièce dans le liquide diélectrique, et une portion longitudinale aval qui comprend une broche d’usinage par brochage. La solution technique proposée a pour objectif de tirer parti des avantages des deux technologies d’usinage, l’électroérosion par enfonçage et le brochage. Cette solution technique consiste à la réalisation d’une machine permettant de réaliser l’usinage d’une alvéole à l’aide d’une opération d’ébauche par électroérosion par enfonçage avec une électrode spécialement conçue pour minimiser l’énergie nécessaire, suivie d’une opération de finition par brochage, l’ensemble étant réalisé en un seul déplacement de l’outil d’usinage vis-à-vis de la pièce à usiner ou de la pièce à usiner vis-à-vis de l’outil d’usinage. Pour cela, l’outil d’usinage comprend, à la suite l’une de l’autre, d’abord une portion amont (par référence à la direction de déplacement ou d’usinage le long dudit axe) qui comprend l’électrode d’usinage par électroérosion, et ensuite une portion aval qui comprend la broche ou le jeu de broches d’usinage par brochage. La machine selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres, ou en combinaison les unes avec les autres : l’axe d’usinage est vertical ; on comprend donc que l’encombrement de la machine au sol est limité ; l’outil d’usinage est fixe et les organes de déplacement sont configurés pour déplacer la pièce relativement à l’outil selon un premier axe vertical, selon un second axe horizontal, voire aussi autour dudit premier axe ; ladite portion aval comprend au plus trois éléments de broche consécutifs, et de préférence au plus deux éléments de broche consécutifs ; le nombre d’éléments de broche de l’outil d’usinage est donc limité et beaucoup plus faible que les broches de la technique antérieure, ce qui permet de réduire de manière significative la longueur ou la hauteur de l’outil d’usinage ; ladite portion amont comprend un porte-électrode de support de l’électrode, cette portion amont étant fixée au support par l’intermédiaire du porte-électrode ; l’outil d’usinage comprend une cale intercalaire disposée entre lesdites portions amont et aval ; la cale intercalaire a une dimension le long dudit axe d’usinage, qui est supérieure à une dimension de l’alvéole à usiner dans la pièce le long de cet axe ; -- la cuve contient un volume de liquide diélectrique tel que le niveau supérieur de ce liquide dans la cuve passe par la cale intercalaire ; la portion amont de l’outil située sous ce niveau est immergée dans le liquide, et la portion aval de l’outil est située au-dessus de ce niveau ; ladite portion amont comprend un conduit interne de circulation de liquide diélectrique, ce conduit ayant une forme allongée le long dudit axe d’usinage et débouchant aux deux extrémités longitudinales opposées de la portion amont ; la cale intercalaire comprend un canal interne de circulation de liquide diélectrique dont une première extrémité est raccordée de manière étanche à une des extrémités débouchantes dudit conduit, et dont une seconde extrémité opposée est configurée pour être raccordée par une pompe, voire également un filtre, à ladite cuve ; la machine comprend en outre au moins une buse de projection de liquide de coupe sur ladite portion aval de l’outil d’usinage, ladite au moins une buse étant raccordée par une pompe, voire également un filtre, à ladite cuve ; on comprend donc que le liquide de coupe qui est configuré pour lubrifier l’outil d’usinage et limiter sa montée en température est le même que le liquide diélectrique ; autrement dit, le liquide diélectrique qui est utilisé pour l’usinage par électroérosion est également utilisé comme liquide de coupe lors de l’usinage par brochage ; le liquide projeté par la ou les buses sur l’outil d’usinage est destiné à s’écouler ensuite dans la cuve en vue de son recyclage. La présente invention concerne également un procédé d’usinage d’alvéole(s) dans une pièce métallique, au moyen d’une machine telle que décrite ci-dessus, cette pièce métallique étant un disque de rotor pour une turbomachine d’aéronef, et l’outil d’usinage étant utilisé pour réaliser des alvéoles à la périphérie externe du disque de rotor qui sont destinées à recevoir des pieds d’aubes. Avantageusement, le profil de l’électrode est choisi afin de conserver une surépaisseur de matière au niveau de la zone à usiner de chaque alvéole, destinée à être enlevée par brochage. Cette surépaisseur permet de garantir que l’intégralité de la zone affectée par l’électroérosion sera enlevée lors de l’usinage par brochage. Brève description des figures D’autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit d’un mode de réalisation non limitatif de l’invention en référence aux dessins annexés sur lesquels : la est une vue schématique en coupe transversale de plusieurs alvéoles et formes qui peuvent être obtenues par une opération d’usinage par brochage ; la est une vue schématique en perspective d’un élément de broche pour une opération d’usinage par brochage ; la est une vue schématique en coupe transversale d’une alvéole en sapin et montre des étapes successives d’enlèvement de matière par brochage pour l’obtention de cette alvéole ; la est une vue schématique en coupe axiale d’un outil de brochage et montre deux dents successives de cet outil ; la est une vue similaire à celle de la et montre l’enlèvement de matière et la formation d’un copeau lors de l’usinage d’une pièce par les dents de l’outil ; la est une vue schématique d’une machine d’électroérosion par enfonçage selon la technique antérieure ; la est une vue schématique d’une machine d’usinage d’alvéole(s) selon un mode de réalisation de l’invention, vue de haut ; la est une vue schématique de la machine d’usinage de la , vue de face ; la est une vue similaire à celle de la et montre une étape d’un procédé selon l’invention d’usinage d’alvéole(s) dans une pièce métallique ; la est une vue schématique de la machine d’usinage de la , vue de côté, et montre l’étape de la ; la est une vue similaire à celle de la et montre une autre étape du procédé, avec une vue de détail agrandie ; la est une vue similaire à celle de la et montre l’autre étape du procédé, avec une vue de détail agrandie ; la est une vue schématique partielle en perspective d’un outil d’usinage de la machine selon l’invention ; la est une vue schématique en coupe transversale d’une portion amont de l’outil d’usinage ; la est une vue schématique partielle de l’outil d’usinage ; et la est une vue schématique partielle et avec arrachement partiel de l’outil d’usinage. Machine (20) d’usinage d’alvéole(s) (34) dans une pièce métallique (24), cette machine comportant : - un bâti (22) qui est configuré pour porter la pièce métallique (24) à usiner, - un outil d’usinage (26) qui est porté par un support (28) et qui a une forme générale allongée le long d’un axe d’usinage (LL), et - des organes de déplacement (30) configurés pour déplacer la pièce (24) relativement à l’outil (26), ou inversement, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre : - une cuve (42) remplie d’un liquide diélectrique (44) et dans lequel est destinée à être immergée ladite pièce (24), et en ce que l’outil d’usinage (26) comprend une portion longitudinale amont (26a) qui comprend une électrode (46) d’usinage par électroérosion et qui est destinée à être immergée avec la pièce (24) dans le liquide diélectrique (44), et une portion longitudinale aval (26b) qui comprend une broche (48) d’usinage par brochage. Machine (20) selon la revendication 1, dans laquelle l’axe d’usinage (LL) est vertical. Machine (20) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l’outil d’usinage (26) est fixe et les organes de déplacement (30) sont configurés pour déplacer la pièce (24) relativement à l’outil selon un premier axe vertical, selon un second axe horizontal, voire aussi autour dudit premier axe. Machine (20) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle ladite portion aval (26b) comprend au plus trois éléments de broche consécutifs, et de préférence au plus deux éléments de broche consécutifs. Machine (20) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle ladite portion amont (26a) comprend un porte-électrode (50) de support de l’électrode (46), cette portion amont (26a) étant fixée au support (28) par l’intermédiaire du porte-électrode (50). Machine (20) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle l’outil d’usinage (26) comprend une cale intercalaire (54) disposée entre lesdites portions amont et aval (26a, 26b). Machine (20) (20) selon la revendication précédente, dans laquelle la cale intercalaire (54) a une dimension (U1) le long dudit axe d’usinage (LL), qui est supérieure à une dimension (U2) de l’alvéole à usiner dans la pièce (24) le long de cet axe. Machine (20) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle ladite portion amont (26a) comprend un conduit interne (51) de circulation de liquide diélectrique (44), ce conduit (51) ayant une forme allongée le long dudit axe d’usinage (LL) et débouchant aux deux extrémités longitudinales opposées de la portion amont (26a). Machine (20) selon la revendication précédente, en dépendance de la revendication 6 ou 7, dans laquelle la cale intercalaire (54) comprend un canal interne (56) de circulation de liquide diélectrique (44) dont une première extrémité est raccordée de manière étanche à une des extrémités débouchantes dudit conduit (51), et dont une seconde extrémité opposée est configurée pour être raccordée par une pompe (56), voire également un filtre (58), à ladite cuve (42). Machine (20) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle elle comprend en outre au moins une buse (60) de projection de liquide de coupe sur ladite portion aval (26b) de l’outil d’usinage (26), ladite au moins une buse (60) étant raccordée par une pompe (56), voire également un filtre (58), à ladite cuve. Procédé d’usinage d’alvéole(s) (34) dans une pièce métallique (24), au moyen d’une machine (20) selon l’une des revendications précédentes, cette pièce métallique (24) étant un disque de rotor pour une turbomachine d’aéronef, et l’outil d’usinage (26) étant utilisé pour réaliser des alvéoles (34) à la périphérie externe du disque de rotor qui sont destinées à recevoir des pieds d’aubes.