FR2989610A1 - Support d'usinage pour aube mobile de turbomachine - Google Patents

Abstract

L'invention porte sur un support (50) d'usinage d'une aube mobile de turbomachine comprenant une embase avec une face plane agencée pour la fixation du support au plateau d'une machine outil à commande numérique et un moyen de fixation de l'aube sur l'embase, caractérisé par le fait que le moyen de fixation comprend un mors fixe (51) solidaire de l'embase et un mors (52) amovible libre, le mors fixe présentant une surface d'appui apte à recevoir une face de la pale de ladite aube et qui est conformée au profil théorique de ladite pale.

Description

Domaine technique La présente invention concerne la fabrication d'aubes mobiles de turbomachines et plus particulièrement le domaine de l'usinage de finition de telles pièces issues de la fonderie. Exposé du problème L'amélioration des performances des moteurs à turbine à gaz passe par la réalisation d'aubages au profil aérodynamique optimisé. En particulier on cherche à obtenir des aubes présentant un bord de fuite, BF, d'épaisseur aussi faible que possible compte tenu de contraintes de tenue mécanique et de fabrication. Ainsi, dans le domaine aéronautique, pour un moteur à turbine à gaz à double corps, tel qu'un turboréacteur multiflux, un objectif est la fabrication d'aubes mobiles pour les étages de la turbine à basse pression dont l'épaisseur du bord de fuite est aussi faible que 0,2 mm. Pour les aubes formant les distributeurs des étages à basse pression, l'épaisseur visée est 0,5 mm. Les aubages mentionnés ci-dessus sont généralement fabriqués par fonderie et coulée de métal dans un moule selon la technique dite à la cire perdue qui permet d'obtenir directement la forme souhaitée de la pale sans passer par la mise en oeuvre d'étapes d'usinage pour parvenir à la pièce finie. Cependant, les procédés de fonderie en l'état actuel de la technique ne permettent pas d'obtenir des aubages avec des bords de fuite aussi fins. Par fonderie, on obtient au mieux des aubages ayant une épaisseur de bord de fuite de l'ordre de 0,7 mm pour les alliages à base nickel ou cobalt. Ainsi, face aux besoins en amélioration des performances aérodynamiques des turbomachines, les techniques de fonderie ont atteint leurs limites quant à la finesse des bords de fuite. Un usinage complémentaire est nécessaire. Cependant un simple usinage du bord de fuite de manière à réduire son épaisseur ne permettrait pas de parvenir à la finesse souhaitée car les pièces brutes issues de fonderie - ainsi que cela l'a été révélé par des mesures sans contact des épaisseurs - présentent des déformations le long du bord de fuite de la pale. L'examen de ces déformations a permis de constater qu'elles présentent une forme comparable à celle qui résulterait d'un flambage de la pale. Partant de ces constatations, la demanderesse s'est fixé comme objectif la mise au point 30 d'un support et d'un procédé permettant de fabriquer des aubages mobiles de turbomachine dont la finesse du bord de fuite satisfait aux exigences actuelles d'amélioration de leurs performances aérodynamiques. Exposé de l'invention La présente invention parvient à la réalisation de cet objectif avec un support d'usinage d'une aube mobile de turbomachine comprenant une embase agencée pour la fixation du support au plateau d'une machine outil à commande numérique et un moyen de fixation de l'aube sur l'embase, caractérisé par le fait que le moyen de fixation comprend un mors fixe solidaire de l'embase et un mors amovible, le mors fixe présentant une surface d'appui apte à recevoir la pale de ladite aube et qui est conformée au profil théorique de ladite pale. Le support présente en particulier les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : De préférence les surfaces usinées du BF sont parallèles à l'axe de l'outil d'usinage tel qu'une broche. Pour une machine à commande numérique, ceci permet d'éviter les erreurs de positionnement des axes rotatifs (4ème et Sème axes) de la machine. Le support est conformé de manière à ménager une zone libre d'usinage le long du bord de fuite de la pale. Le support est conformé de manière à ménager une zone libre d'usinage le long et de part et d'autre du bord de fuite de la pale.

Le support comprend des moyens de guidage en translation du mors amovible. Le support comprend des moyens de serrage du mors libre sur le mors fixe avec interposition d'une pale, aptes à redresser la pale de l'aube, lorsque celle-ci comprend des déformations telles que de flambage. L'aube présentant une plateforme entre le pied et la pale, le support présente une butée parallèle à l'axe du profil théorique de la pale, apte à recevoir en appui la plateforme de pied d'aube. L'invention porte également sur un procédé de fabrication d'une aube de turbomachine, l'aube présentant un modèle théorique numérique de son profil, comprenant la fabrication d'une ébauche issue de fonderie avec une surépaisseur le long de son bord de fuite par rapport au profil théorique, caractérisé par le fait que l'on dispose l'aube entre les mors du support selon l'une des revendication précédentes et on enlève ladite surépaisseur par un usinage adaptatif, sur une machine outil à commande numérique avec un trièdre d'usinage, l'usinage étant effectué avec enlèvement de matière dans l'une des directions du trièdre d'usinage. Plus particulièrement l'usinage adaptatif, comprend les étapes suivantes : Acquisition par palpage en un nombre déterminé de points sur une première face de l'ébauche, le long du bord de fuite, de la position desdits points dans le repère de référence, Détermination des écarts de position selon une direction avec les points correspondants du modèle théorique, Elaboration de carreaux d'usinage sur ladite première face de l'ébauche, les sommets des carreaux étant déterminés à partir desdits points palpés, Détermination de la quantité de matière à enlever à la surface des carreaux, celle-ci étant une fonction de la position des points du carreau par rapport aux sommets des carreaux et desdits écarts de position, et son usinage. Le procédé de l'invention permet d'effectuer les opérations de finition sur une machine outil à commande numérique, notamment à cinq axes, assurant une grande précision de l'usinage et un profil satisfaisant aux contraintes aérodynamiques. En particulier aucun ressaut n'apparaît entre la portion de surface usinée et la surface adjacente sur la face traitée. L'usinage est dit adaptatif car la trajectoire de l'outil d'usinage s'adapte à la géométrie de la pièce en cours d'usinage. Conformément à une autre caractéristique, la surépaisseur à usiner est ménagée sur l'extrados, sur l'intrados et/ou sur la corde. En particulier une première surépaisseur est éliminée sur l'extrados qui constitue la première face. Lorsque la surépaisseur s'étend sur les deux faces, on utilise la correction mesurée en chaque point de la première face, pour déterminer la correction à usiner sur la face opposée. Cette correction est égale en valeur et opposée en direction. Enfin on réduit, le cas échéant, la corde de l'aube le long du bord de fuite pour parvenir au profil du bord de fuite de l'épaisseur souhaitée. Le nombre de points palpés est au minimum de trois. Ils sont répartis entre les deux plateformes pour un secteur de distributeur ou entre la plateforme du pied et le sommet de la pale pour une aube mobile. Ils sont disposés parallèlement au bord de fuite. Notamment les sommets des carreaux d'usinage comprennent les points palpés et des points dont la position s'en déduit par translation le long de la corde passant par les points palpés.

L'usinage est effectué de préférence par un fraisage en roulant, c'est-à-dire que la matière est enlevée par la paroi périphérique coupante d'un outil cylindrique et non par l'extrémité distale de celui-ci. D'autres moyens d'usinage entrent dans le cadre du procédé de l'invention. Par exemple il peut s'agir d'un polissage adaptatif par bande au moyen d'une machine de polissage ou robot de polissage. II peut s'agir d'un usinage adaptatif par meulage ou rectification. Il peut s'agir encore d'un usinage par robot de fraisage et non par machine outil. Plus généralement l'invention couvre tout procédé et outil d'enlèvement de matière adaptatif. Brève description des figures L'invention sera mieux comprise et d'autres buts et détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement avec la description explicative détaillée qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés, sur lesquels : La figure 1 représente une aube de turbine ; La figure 2 représente un secteur de distributeur de turbine ; La figure 3 représente un secteur de distributeur monté sur un support amovible avec indication des points constituant les carreaux d'usinage définissant la zone de correction adaptative en bord de fuite ; La figure 4 illustre comment le calcul de la position de l'outil d'usinage est déterminé ; La figure 5 montre l'outil d'usinage en action le long du bord fuite d'une pale ; La figure 6 montre un support pour aube isolée, mobile ; La figure 7 montre le support de la figure 6 avec une aube entre les mors ainsi que la tige et la bille d'un palpeur à différentes positions de palpage ; La figure 8 montre le support pour secteur de distributeur de turbine. Description détaillée de l'invention La figure 1 montre une aube 1 de turbine basse pression vue du côté de son extrados.

S'agissant d'une aube mobile, celle-ci est individuelle et comprend un pied 3 par lequel elle est montée sur un rotor de turbine, une plateforme 4 entre le pied 3 et la pale 2. Une seconde plateforme 5 est formée au sommet de l'aube 1. La pale 2 s'étend, entre les deux plateformes également le long de sa corde entre le bord d'attaque BA et le bord de fuite BF plus fin. L'axe de rotation du rotor de turbine sur lequel l'aube est montée est parallèle à l'axe du pied de l'aube.

La figure 2 montre un secteur 10 de distributeur de turbine basse pression, monobloc, obtenu par coulée de métal. Ce secteur comprend une pluralité de pales 11 à 15 disposées rayonnantes en secteur de disque entre une plateforme intérieure 17 et une plateforme extérieure 18 toutes deux en arc de cercle. Un tel secteur 10 de distributeur à basse pression, comme les aubes mobile basse pression, est fabriqué selon la technique de fonderie à la cire perdue connue en soi. Malgré la précision obtenue, cette technique ne permet pas d'atteindre les faibles épaisseurs requises au niveau des bords de fuite. Un usinage est donc nécessaire. L'invention fournit un procédé permettant de réaliser une telle finition, en tenant compte des déformations de la pale.

On décrit le procédé appliqué à la finition des pales 11 à 16 d'un secteur de distributeur 10 monobloc à six pales. Ce procédé s'applique de la même façon à une aube mobile. Le secteur est d'abord monté sur un support amovible 20 comme on le voit sur la figure 3. Il s'agit d'un montage isostatique selon les trois axes d'un trièdre rectangle, notamment du trièdre de référence du secteur avec un maintien en translation selon les trois axes du trièdre de référence, par la bride 21 disposée du côté de la plateforme extérieure 18 au centre de celle-ci et qui assure le calage selon les trois directions du trièdre, et trois appuis de blocage en rotation par les brides 22, 23 aux extrémités de la plateforme intérieure 17 et l'appui 24 au centre non visible sur la figure 3. Le montage comprend en outre deux étriers d'amortissement des vibrations 25 et 26 disposés de part et d'autre de la bride 21.

L'angle du plan du secteur est choisi de manière à tenir compte de celui du plan de la zone du bord de fuite par rapport à ce même plan. Il est préférable que les surfaces usinées du BF soient parallèles à l'axe de l'outil d'usinage tel qu'une broche. Dans le cas d'une machine à commande numérique, ceci permet d'éviter les erreurs de positionnement des axes rotatifs (4ème et Sème axes).

Le support 20 est lui-même monté sur le plateau 30 de la machine à commande numérique, non représentée, par l'intermédiaire d'un socle 31. Une fois le support 20 monté sur le plateau de la machine outil, on procède au calage au mieux du trièdre d'usinage par rapport à la pale à usiner. Dans ce but, on effectue l'acquisition, par palpage au moyen d'un appareil approprié, de la position d'un certain nombre de points sur la pale et un logiciel approprié, par exemple utilisant la méthode des moindres carrés, permet de calculer les corrections à apporter au trièdre de référence du montage sur la machine d'usinage. Cette correction est réalisée à l'aide de 3 rotations autour des axes X, Y, Z et d'une translation de l'origine dans les directions X, Y, Z (axes linéaires de la machine). Le trièdre d'usinage coïncide avec les axes principaux de la pale, 11 à 16 respectivement, à usiner. La définition du trièdre est liée à la configuration de la machine ainsi qu'à la possibilité de palper selon 3 axes (dans le cas d'une machine à cinq axes, les axes de rotation étant désactivés). Le positionnement de la zone usinée de la pale parallèlement à l'axe de la broche a induit que l'axe X est l'axe radial de la pale par rapport à l'axe moteur, l'axe Z est l'axe de rotation du plateau perpendiculaire au plan du plateau, l'axe Y complète le trièdre direct. Le plan XY est constitué de la face d'appui du plateau. Il est à noter que le calage du trièdre d'usinage doit être effectué pour chacune des pales du secteur de distributeur. Une fois le calage effectué, on procède à l'usinage dit adaptatif du bord de fuite BF. Cette technique d'usinage est décrite dans la demande de brevet FR 11 55 424 du présent déposant. Elle comprend l'acquisition, par palpage au moyen d'un appareil de palpage approprié avec ou sans contact, de la position d'un certain nombre de points le long du bord de fuite BF de la pale à usiner. Ces points sont ceux définis sur le modèle théorique 3D de la pale dans le logiciel CFAO. Le repère de référence est celui du trièdre d'usinage. Ici, on mesure la position des points N2 à N6, figure 3, répartis entre la plateforme intérieure 17 et la plateforme extérieure 18 à un mm (un mm correspond une cotation fonctionnelle sur le plan : référence pour la mesure de l'épaisseur du BF) et le long du bord de fuite BF de la pale 14 ébauche à usiner. Le nombre de points est de préférence au moins de trois. A partir de ces points dont la position a été mesurée, on définit une pluralité de points induits. L'ensemble des points de contact outils/pièce définissant l'usinage de l'intrados et de l'extrados doit être contenu dans des carreaux, on ajoute donc le point N1 et le point N7 puis les points N8 à N14. Ces derniers sont à l'intersection de la corde passant par les points palpés et le bord de fuite. Les points N1 et N7 qui sont trop près de la plateforme pour pouvoir être palpés sont obtenus par translation des points N2 et N6 adjacents. Les points N1 à N14 délimitent ainsi les sommets de carreaux d'usinage, Cl à C6. Pour chacun des points N1 à N14, on calcule alors la valeur des écarts delta (N) entre la position mesurée ou induite et la position sur le modèle théorique. En raison du calage des axes de référence, cet écart est mesuré le long de l'axe principal X. Pour chaque carreau d'usinage et en chaque zone de contact de l'outil avec la surface de l'aube à l'intérieur des carreaux, la quantité de matière à enlever est définie d'une part par la position du contact de l'outil dans le carreau et la valeur des écarts delta(N) mesurés sur chaque sommet du carreau concerné.

On décrit plus précisément le mode de détermination de la quantité de matière à enlever par usinage en référence à l'exemple de la figure 4. Dans cet exemple, les carreaux sont des polygones à quatre côtés, ils pourraient cependant avoir un nombre de côtés différents. Chaque point P est défini par rapport aux sommets ou noeuds du carreau dans lequel il se trouve à l'aide de quatre coefficients, dits coefficients pondérateurs CPi (i étant le numéro de référence du noeud en question). Chaque coefficient pondérateur correspond au poids dont il faut affecter le noeud correspondant pour que le point P soit le barycentre de ces quatre noeuds. En d'autres termes plus le point P est proche d'un noeud, plus le coefficient, affecté à ce noeud, est élevé et, inversement, les noeuds les plus éloignés se voient affectés d'un coefficient faible. Afin de rendre unique la définition de ces coefficients pondérateurs, ils sont réduits proportionnellement les uns aux autres pour que leur somme soit égale à 1. A titre d'exemple si le point P est au centre du carreau les quatre coefficients sont égaux à 0,25 ; s'il est proche d'un des noeuds, tel qu'on le voit sur la figure 4, le coefficient CP1 sera égal à 0,5 alors que les trois autres seront respectivement égaux à 0,35 pour CP2, 0,10 pour CP7 et 0,05 pour CP8. Le fichier constitué par les pondérations des points P à balayer par l'outil d'usinage et par les orientations correspondantes de l'axe de l'outil est alors converti en un format compréhensible par la machine à commande numérique et chargé dans son logiciel. L'étape suivante consiste à définir un écart de positionnement delta pour tous les points de contact entre la pièce et l'outil lors de l'usinage de finition. Pour cela le calcul de ce delta prend en compte les coefficients pondérateurs du point P calculés précédemment et les écarts delta(Ni) des noeuds du carreau dans lequel se trouve le point P. Le delta au point P, c'est-à-dire la correction à apporter au point P de la surface de la pale, est défini comme étant égal à la somme des valeurs obtenues en multipliant chaque delta d'un noeud par le coefficient pondérateur qui lui est associé. Dans l'exemple du point P situé dans le carreau formé par les quatre noeuds N1, N2, N7 et 20 N8, la valeur de delta(P) est égale à CP1*delta (N1) + CP2*delta (N2) + CP7*delta (N7) + CP8*delta (N8). Plus généralement, on peut l'exprimer par la formule, Delta(P)= /CPi*delta(Ni) pour i correspondant à l'indice des sommets des carreaux d'usinage. 25 Cet écart de position delta(P), qui s'étend selon l'axe X du trièdre d'usinage au point P, détermine la composante de la correction à appliquer aux coordonnées cartésiennes données au programme qui pilote le positionnement de l'outil lors de l'usinage de finition. Dans le cas présent, la correction est apportée selon l'axe X seul. L'usinage s'effectue ainsi de préférence par une machine-outil à commande numérique 5 30 axes pour laquelle la position de l'outil est à tout instant corrigée de la valeur issue des deltas des noeuds du carreau considéré et des coefficients pondérateurs du point où se trouve ledit outil. De préférence l'usinage est effectué par fraisage en roulant ; c'est-à-dire par la paroi périphérique coupante de la fraise. Une fois que l'on a usiné la première face pour amener sa position à celle de la surface du 35 modèle théorique, on procède à la détermination de la correction d'usinage sur la face opposée à la première, c'est à dire ici la face intrados. On part comme dans l'extrados des points initiaux N2 à N6. Le palpeur ne pouvant pas accéder entre les pales, on corrige de la même façon que l'on a corrigée sur l'extrados. On utilise les mêmes carreaux qu'à l'extrados et seuls les points de contacts outils/pièces sont différents.

Un exemple de déroulé des opérations de fraisage des pales d'un secteur de distributeur est le suivant : -fraisage ébauche de la corde de chaque pale, une pale après l'autre, ce fraisage vise à conserver une surépaisseur, -fraisage ébauche de l'intrados de chaque pale, une pale après l'autre, fraisage semi-finition et finition de l'extrados de chaque pale, une pale après l'autre, -fraisage finition de l'intrados de chaque pale, une pale après l'autre, -fraisage finition de la corde de chaque pale, une pale après l'autre.

L'épaisseur enlevée lors de l'usinage d'ébauche est de l'ordre de quelques dixièmes de mm voire quelques mm (en fonction de la surépaisseur de fonderie). L'épaisseur enlevée lors de l'usinage de finition est de l'ordre de quelques centièmes de MM. La valeur de la correction est de quelques dixièmes de mm.

On a représenté sur la figure 5, la position d'une fraise 40 usinant l'extrados de la pale 16 en roulant le long du bord de fuite. L'outil est monté sur un porte-outil mobile selon cinq axes par exemple. Les figures 6 et 7 montrent le montage d'une aube mobile sur un support 50 conforme à l'invention. Le support comprend un mors fixe 51 dont la surface 51a de contact avec l'aube mobile est conformée de manière à recevoir l'extrados de la pale mobile. La figure 6 montre le mors fixe seul 51. Celui-ci est fixé sur le plateau 30 et présente une inclinaison déterminée. Cette inclinaison est choisie de manière à permettre l'orientation de l'outil d'usinage selon une direction telle que celle de l'axe parallèle à l'axe de la broche. La figure 7 montre l'aube mobile maintenue entre le mors 51 et un mors amovible 52 de manière à laisser libre la région du bord de fuite de la pale. On a représenté aussi les différentes positions du palpeur S avec sa sphère au contact de la surface de la zone du bord de fuite. Le montage permet au palpeur de se positionner en chacun des points dont on souhaite mesurer la position.

Cette disposition permet à l' outil d'usiner en roulant les deux faces, intrados et extrados de la pale ainsi que la corde. Les deux mors sont serrés par les vis 53. Le déplacement de serrage du mors mobile contre le mors fixe est assuré par un guidage le long de pions de guidage 54. Les vis permettent un serrage suffisant pour réduire la déformation de la pale.

Le mors fixe 51 comprend une butée 55 pour la plateforme de pied d'aube permettant le calage en position axiale de celle-ci. La figure 8 montre le support 20 pour secteur de distributeur sans la pièce. On voit les éléments de la fixation isostatique avec d'un côté la bride d'attache 21 pour une immobilisation dans les trois directions. De l'autre côté on voit les trois appuis pour une immobilisation en rotation autour des trois axes. Les étriers 25 et 26 d'amortissement des vibrations sont disposés de part et d'autre de la bride 21. Ces étriers sont fixés par des vis à l'embase et comportent des coussinets d'appui venant en appui contre les faces de la plateforme empêchant la plateforme de vibrer.

En résumé, 'invention permet l'obtention de bords de fuite fins par usinage adaptatif d'un aubage brut coulé à partir de seuls points palpés sur une face et avec une correction des déformations de pale.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS1. Support (50) d'usinage d'une aube mobile de turbomachine comprenant une embase avec une face plane agencée pour la fixation du support au plateau d'une machine outil à commande numérique et un moyen de fixation de l'aube sur l'embase, caractérisé par le fait que le moyen de fixation comprend un mors fixe (51) solidaire de l'embase et un mors (52) amovible libre, le mors fixe présentant une surface d'appui apte à recevoir une face de la pale de ladite aube et qui est conformée au profil théorique de ladite pale.
2. 2. Support selon la revendication précédente dont l'axe correspondant à l'axe de rotation de l'aube présentant ledit profil théorique est parallèle au plan de l'embase.
3. 3. Support selon la revendication précédente conformé de manière à ménager une zone libre d'usinage le long du bord de fuite de la pale.
4. 4. Support selon la revendication précédente conformé de manière à ménager une zone libre d'usinage le long et de part et d'autre du bord de fuite de la pale.
5. 5. Support selon la revendication précédente dont la zone d'usinage est perpendiculaire à la face plane de l'embase.
6. 6. Support selon l'une des revendications 1 à 5 comprenant des moyens de guidage en translation du mors libre.
7. 7. Support selon l'une des revendications 1 à 6 comprenant des moyens de serrage du mors libre sur le mors fixe avec interposition d'une pale, aptes à redresser la pale de l'aube, lorsque celle-ci comprend des déformations telles que de flambage.
8. 8. Support selon l'une des revendications 1 à 7 présentant une butée parallèle à l'axe du profil théorique de la pale, apte à recevoir en appui la plateforme de pied d'aube.
9. 9. Procédé de fabrication d'une aube de turbomachine, l'aube présentant un modèle théorique numérique de son profil, comprenant la fabrication d'une ébauche issue de fonderie avec une surépaisseur le long de son bord de fuite par rapport au profil théorique, caractérisé par le fait que l'on dispose l'aube entre les mors du support selon l'une des revendication précédentes et on enlève ladite surépaisseur par un usinage adaptatif, sur une machine outil à commande numérique avec un trièdre d'usinage, l'usinage étant effectué avec enlèvement de matière dans l'une des directions du trièdre d'usinage.
10. 10. Procédé selon la revendication précédente dont l'usinage comprenant les étapes suivantes : a. Acquisition par palpage en un nombre déterminé de points (Ni) sur une première face de l'ébauche, le long du bord de fuite, de la position desdits points, b. Détermination des écarts de position delta(Ni) selon une direction avec les points correspondants du modèle théorique, c. Elaboration de carreaux d'usinage sur ladite face de l'ébauche, les sommets des carreaux étant déterminés à partir desdits points (Ni), d. Détermination de la quantité de matière à enlever à la surface des carreaux, celle-ci étant une fonction de la position des points (Nc) du carreau par rapport aux sommets des carreaux et desdits écarts, et e. usinage de la pale.
11. 11. Procédé selon la revendication précédente dont la surépaisseur à usiner est ménagée sur l'extrados et sur l'intrados et/ou la corde.
12. 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes comprenant l'usinage de la face opposée à la première face, la quantité de matière enlevée étant déterminée par la position par rapport aux sommets des carreaux d'usinage de la première face.