FR2934797A1 - Procede et outil pour casser un angle. - Google Patents

Abstract

Procédé de cassage d'angle à l'intersection de deux surfaces (36, 38) d'une pièce (39), caractérisé en ce qu'il consiste à enlever, à l'intersection des deux surfaces (36, 38), un volume minimal de matière en donnant une forme incurvée convexe (44, 46) à l'intersection des deux surfaces (36, 38), cette forme incurvée (44, 46) étant à l'extérieur par rapport à la pièce (39), d'un arc de cercle (48) tangent aux deux surfaces (36, 38) aux points de raccordement de la forme incurvée (44, 46) aux deux surfaces (36, 38).

Description

PROCEDE ET OUTIL POUR CASSER UN ANGLE La présente invention se rapporte à un procédé de cassage d'angle ainsi qu'à un outil de mise en oeuvre d'un tel procédé. De nombreuses pièces industrielles comportent des arêtes, par exemple un disque de compresseur ou de turbine de turbomachine qui comprend une pluralité de rainures (alvéoles) réparties sur sa circonférence externe et recevant des pieds d'aubes. Le fond de chaque rainure forme ainsi avec les faces amont et aval du disque une pluralité d'arêtes. On trouve aussi des arêtes au niveau des brides d'assemblage entre disques sur les bords de trous de fixation et les bords de festons. Cette situation peut aussi être observée aux bords de tôles destinées par exemple à rigidifier certaines parties de la turbomachine ou encore au niveau des découchés d'un orifice pratiqué dans une paroi d'une pièce. Ces arêtes comportent en général des bavures qui sont la conséquence de la réalisation de formes particulières (rainures, orifices, découpes, ...) dans la pièce. L'élimination de ces bavures peut être réalisée par exemple par tribofinition ou par cassage d'angle mécanique. A cette fin, il est connu de réaliser un chanfrein sur l'angle raccordant les deux surfaces. II est également connu de réaliser entre les deux surfaces une zone de raccordement de section circulaire et qui est tangente à ses extrémités aux deux surfaces de la pièce. Cette opération permet d'éviter tout risque de blessure lors de la manipulation de la pièce et permet de supprimer les bavures. Les parties de pièces correspondant à ces situations sont des zones à concentration de contraintes soumises à des variations cycliques de chargement mécanique ; elles sont donc sollicitées en fatigue et susceptibles de ruptures prématurées. L'opération de cassage d'angle ou de tribofinition conventionnelle conduit à une configuration géométrique plus ou moins maîtrisée influant 30 sur le niveau de concentration de contraintes dans la zone de raccordement qui est très élevée dans le cas d'une tribofinition ou d'un chanfrein conventionnel (cassage d'angle de 0,1 à 0,4 mm). Cette augmentation de contraintes, sous l'effet des cycles d'efforts, peut conduire à la formation de fissures ou de criques se propageant sur les deux surfaces de la pièce depuis la zone de raccordement. Ces criques peuvent également se propager dans le volume de la pièce. La formation de fissures entraîne une diminution de la durée de vie des pièces et une augmentation des coûts de maintenance, qui peut être élevée lorsque ce type de cassage d'angle est réalisé sur des pièces critiques telles que des disques de rotor d'une turbomachine. Afin de limiter le risque de fissures, il est donc souhaitable de limiter l'élévation du niveau de contraintes dans la zone de raccordement lors du cassage d'angle et donc pour cela de réaliser par usinage une forme rayonnante particulière prenant en compte la géométrie tridimensionnelle locale. Cependant, pour que le cassage d'angle soit correctement réalisé, il n'est pas possible de diminuer le rayon de la zone de raccordement en dessous d'une certaine limite. L'invention propose une solution simple, efficace et économique à l'ensemble de ces problèmes de la technique antérieure.

Elle a pour objet un procédé de cassage d'angle à l'intersection de deux surfaces d'une pièce, caractérisé en ce qu'il consiste à enlever par usinage, à l'intersection des deux surfaces, un volume minimal de matière en donnant une forme incurvée convexe à l'intersection des deux surfaces, cette forme incurvée étant à l'extérieur, par rapport à la pièce, d'un arc de cercle tangent aux deux surfaces aux points de raccordement de la forme incurvée aux deux surfaces. Le procédé selon l'invention permet, pour un rayon donné, de diminuer le volume de matière enlevée par usinage, puisque la zone de raccordement de forme incurvée réalisée par ce procédé est située par rapport à la pièce, à l'extérieur d'une zone de raccordement en arc de cercle réalisée avec la technique antérieure. Ainsi, lorsque pour une pièce, le rayon minimal acceptable pour casser l'angle est atteint, il est possible avec le procédé de réaliser une forme incurvée de cassage d'angle qui minimise le volume de matière enlevée. De cette façon, on réduit le niveau de contraintes au niveau de la zone de raccordement et on limite le risque de formation de fissures ou de criques dans la pièce. Les extrémités de la forme incurvée selon l'invention sont raccordées sensiblement tangentiellement aux deux surfaces de la pièce, ce qui permet de réaliser une jonction lisse entre les extrémités de la surface de raccordement et les deux surfaces de la pièce, et de limiter l'élévation du niveau de contraintes dans la pièce. Avantageusement, la forme incurvée est à section elliptique ou parabolique. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'arc de cercle tangent aux deux points de raccordement a un rayon compris entre 0,4 et 3mm, ce qui permet d'optimiser les zones de pièces tridimensionnelles les plus courantes en utilisant des approches construites par éléments finis et/ou photoélasticimétrie. L'usinage de l'intersection des deux surfaces peut être réalisé par fraisage ou par tournage.

Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé consiste à réaliser, simultanément et au moyen du même outil, le cassage d'angle entre les deux surfaces et un usinage de finition d'une des surfaces. Les opérations d'usinage de finition et de cassage d'angle sont alors réalisées durant une même phase d'usinage, ce qui évite la formation de ressauts lorsque ces opérations sont réalisées l'une après l'autre comme dans la technique antérieure. L'invention propose également un outil de fraisage ou de détourage pour casser un angle à l'intersection de deux surfaces d'une pièce, comprenant un corps s'étendant le long de l'axe de rotation de l'outil et comportant des dents régulièrement réparties autour de cet axe et séparées les unes des autres par des poches à copeaux, caractérisé en ce que chaque dent comprend au moins une paroi incurvée concave qui est située à l'extérieur d'un arc de cercle de concavité tournée vers l'extérieur de l'outil et raccordé à ses extrémités aux extrémités de la paroi incurvée concave.

L'invention propose encore un outil de tournage pour casser un angle à l'intersection de deux surfaces d'une pièce, comprenant une plaquette de coupe comportant une arête de coupe incurvée concave, caractérisé en ce que l'arête de coupe incurvée concave est située, par rapport à la pièce à usiner, à l'extérieur d'un arc de cercle de concavité tournée vers l'extérieur de l'outil et raccordé à ses extrémités aux extrémités de l'arête de coupe. Avantageusement, une extrémité de la paroi ou de l'arête de coupe concave se prolonge par une paroi d'usinage de finition s'étendant axialement. L'adjonction d'une paroi d'usinage de finition à l'outil permet d'effectuer les deux opérations de cassage d'angle et de finition en une seule étape d'usinage. Chaque paroi d'usinage de finition peut se prolonger par une deuxième paroi ou arête de coupe incurvée concave à son extrémité opposée à la première paroi ou arête incurvée concave, cette deuxième paroi ou arête incurvée concave étant située à l'extérieur d'un arc de cercle de concavité tournée vers l'extérieur de l'outil et raccordé à ses extrémités aux extrémités de la deuxième paroi ou arête incurvée concave. Un tel outil permet ainsi en une seule opération d'usinage de casser simultanément deux angles situés aux extrémités d'une même surface et d'effectuer un usinage de finition de la surface située entre les deux angles. Ce type d'outil permet d'éviter tout ressaut d'usinage sur la surface entre les deux angles. Selon une autre caractéristique de l'invention, les parois ou arêtes incurvées concaves des outils sont à section elliptique ou parabolique.

L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un disque de rotor dans une turbomachine ; les figures 2 et 3 sont des vues schématiques en section et perspective d'un orifice formé dans une paroi et d'une tôle, respectivement ; la figure 4 est une vue schématique en coupe de cassages d'angle selon la technique antérieure ; la figure 5 est une vue schématique en coupe du cassage d'angle obtenu grâce au procédé selon l'invention ; la figure 6 est une vue schématique de côté d'un outil de fraisage ou de détourage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; la figure 7 est une vue à plus grande échelle de la zone délimitée en pointillés sur la figure 6 ; la figure 8 est une vue schématique de côté d'une variante d'un outil de fraisage ou de détourage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; la figure 9 est une vue à plus grande échelle de la zone délimitée en pointillés sur la figure 8 ; la figure 10 est une vue schématique en coupe d'une plaquette de détourage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente un disque 10 de rotor dans une turbomachine qui comprend des rainures axiales 12 régulièrement réparties sur sa périphérie externe. Ces rainures 12 sont destinées à recevoir des pieds d'aubes qui sont engagés axialement et retenus radialement dans les rainures 12. La surface de fond 14 de chaque rainure 12 forme ainsi des arêtes à angle droit 16 avec les faces amont 18 et aval du disque 10. Lors de la formation des rainures 12 dans le disque 10, des bavures se forment au niveau des arêtes précitées. Ces arêtes 16 doivent être usinées pour éliminer les bavures et éviter tout risque de blessure lors de la manipulation du disque 10 par un opérateur. D'autres arêtes nécessitent également un usinage, telles que celles 19 formées par l'intersection de la surface interne 20 d'un orifice 22 et des surfaces 24 au niveau desquelles débouche l'orifice (figure 2). La figure 3 représente une tôle 26 dont les faces inférieure 28 et supérieure 30 sont reliées par des parois latérales 32. Les intersections des parois inférieure et supérieure avec les parois latérales forment ainsi une pluralité d'arêtes 34 nécessitant un usinage. Cette opération d'usinage consiste en un cassage de l'angle situé à l'intersection de deux surfaces 36, 38. Pour cela, on réalise au niveau de l'intersection un chanfrein 40 ou une zone de raccordement convexe à section circulaire 42, comme représenté en figure 4. Cependant, ce type de cassage d'angle induit une augmentation du niveau de contraintes dans la zone de raccordement ainsi formée, pouvant conduire à la formation de fissures ou criques dont la propagation pourrait conduire à l'éclatement de la pièce, ce qui doit à tout pris être évité dans le cas de pièces critiques telles que des disques de rotor. Le cassage d'angle par formation d'une zone de raccordement à section circulaire 42 limite l'élévation du niveau de contraintes dans la zone de raccordement par rapport à la réalisation d'un chanfrein, du fait que les extrémités sont tangentes aux surfaces 36, 38 de la pièce et que le volume de matière enlevée est plus faible. Cependant, ce cassage d'angle n'est pas satisfaisant car le rayon de raccordement ainsi formé ne peut pas être plus petit qu'une certaine limite pour assurer un bon cassage d'angle.

L'invention apporte une solution à ces problèmes de la technique antérieure, grâce à un procédé de cassage d'angle permettant d'enlever un volume minimal de matière à l'intersection des deux surfaces 36, 38 d'une pièce 39, ce qui permet de limiter l'augmentation du niveau de contraintes due à l'opération de cassage d'angle (figure 5).

Pour cela, le procédé consiste, à donner une forme incurvée convexe 44, 46 à l'intersection des deux surfaces 36, 38, de telle manière que cette forme incurvée 44, 46 soit située à l'extérieur par rapport à la pièce, d'un arc de cercle 48 tangent aux deux surfaces 36, 38 aux points de raccordement de la forme incurvée 44, 46 aux deux surfaces 36, 38. Ainsi pour un arc de cercle de rayon donné 48, la surface externe de la forme incurvée 44, 46 est située à l'extérieur de cet arc de cercle, ce qui permet d'enlever moins de matière lors de l'opération d'usinage qu'en réalisant une zone de raccordement de forme circulaire 48 ou un chanfrein 40. Les extrémités de la forme incurvée 44, 46 sont raccordées aux surfaces 36, 38 de la pièce aux points où l'arc de cercle de rayon donné 48 est tangent aux surfaces de la pièce 36, 38, ce qui permet d'avoir un raccordement lisse de la forme incurvée 44, 46 avec les surfaces 36, 38 de la pièce 39. Ceci limite ainsi l'augmentation des contraintes au niveau de la zone de raccordement 44, 46 et évite la formation de criques ou fissures.

Cette forme incurvée 44, 46 peut être à section elliptique 44 ou bien parabolique 46 par exemple. L'arc de cercle 48 de rayon donné peut avoir un rayon compris entre 0,4 et 3 mm, de préférence entre 0,4 et 1,6mm. Afin de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, des outils de 20 fraisage, de détourage ou de tournage peuvent être utilisés et sont représentés aux figures 5 à 10. L'outil 50 représenté en figure 4 comprend un corps 52 de forme allongée s'étendant le long de l'axe 54 de rotation. Une extrémité du corps 52 de l'outil 50 est destinée à être fixée par des moyens appropriés sur le 25 mandrin d'une machine-outil, l'autre extrémité comprend une partie active ou utile 55 permettant de réaliser le cassage d'angle. La partie active 55 comporte des dents 56 régulièrement réparties autour de l'axe 54 de l'outil et séparées les unes des autres par des poches à copeaux 58. Chaque dent 56 s'étend sensiblement axialement et comprend une 30 paroi externe 59 cylindrique raccordée à l'extrémité externe d'une paroi sensiblement radiale 60. L'extrémité radialement interne de la paroi radiale 60 est raccordée à une paroi interne 62 sensiblement cylindrique par l'intermédiaire d'une paroi incurvée concave 64. La paroi incurvée concave 64 est située à l'extérieur d'un arc de cercle 66 de concavité tournée vers l'extérieur de l'outil 50 et dont les extrémités sont raccordées aux extrémités de la paroi incurvée concave 66 comme représenté sur la figure 7. De cette manière, lorsque la paroi incurvée concave 64 de l'outil est appliquée sur une arête, l'opération d'usinage permet d'enlever, à rayon donné 66, moins de matière au niveau de l'arête de la pièce.

La paroi interne cylindrique 62 de chaque dent forme une paroi d'usinage de finition destinée à éviter la formation de ressaut à la jonction entre la zone de raccordement convexe 44, 46 formée sur la pièce et la surface de la pièce sur laquelle la paroi d'usinage de finition est appliquée. Dans une autre variante de réalisation d'un outil de fraisage ou de détourage 68, la partie utile 70 comprend une deuxième paroi incurvée concave 72 dont une extrémité est reliée à l'extrémité de la paroi d'usinage de finition 62 qui est opposée à la première paroi incurvée concave 64 (figure 8). L'autre extrémité de la deuxième paroi incurvée concave 72 est reliée à l'extrémité interne d'une paroi sensiblement radiale 74 dont l'extrémité externe est reliée à une deuxième paroi cylindrique externe 76. Cette deuxième paroi incurvée concave 72 est également située à l'extérieur d'un arc de cercle 78 de concavité tournée vers l'extérieur de l'outil. Les extrémités de l'arc de cercle 78 sont raccordées aux extrémités de la deuxième paroi incurvée concave 72 (figure 7).

Cet outil 60 comprend une deuxième partie utile 80 située sur le corps 52 à l'extrémité opposée à la première partie utile 70. Cette deuxième partie utile 80 est destinée à être utilisée lorsque la première partie utile 70 est usée. L'intégration d'une deuxième paroi incurvée concave 72 de cassage d'angle permet de réaliser un usinage simultané de deux arêtes et un usinage de finition de la surface séparant les deux arêtes. A la différence de la technique antérieure où il était nécessaire de réaliser un cassage d'angle pour chaque arête puis un usinage de finition de la surface de séparation, cet outil permet de ne faire qu'une seule opération d'usinage - finition en une seule passe de l'outil sur la pièce.

Cet outil est donc particulièrement bien adapté à l'usinage simultané des arêtes d'intersection entre les parois latérales 32 et les parois inférieure 28 et supérieure 30 d'une tôle 26 (figure 3). La paroi cylindrique interne 62 de l'outil 68 permet de réaliser un usinage de finition des parois latérales 32 et évite tout ressaut sur les parois latérales 32 du fait de la réalisation simultanée du cassage d'angle et de l'usinage de finition. Un tel outil 68 peut également être utilisé pour l'usinage simultané des arêtes d'extrémités 19 d'un orifice 22 (figure 2). Pour cela, il est nécessaire que le diamètre de l'extrémité de la partie utile 70, 80 au niveau de la deuxième paroi cylindrique externe 76 soit inférieur au diamètre de l'orifice 22 pour que l'outil 70, 80 puisse être inséré dans l'orifice 22. La figure 10 représente une plaquette de coupe 82 d'un outil de tournage, comprenant une arête de coupe incurvée concave 84 dont les extrémités sont raccordées à deux bords de la plaquette. L'arête de coupe 84 est située à l'extérieur, par rapport à la pièce à usiner, d'un arc de cercle 86 dont la concavité est tournée vers l'extérieur de l'outil 82 et dont les extrémités sont raccordées aux extrémités de l'arête de coupe 84. En variante, la plaquette de coupe 82 peut comprendre, comme l'outil des figures 8 et 9, deux arêtes de coupe opposées et reliées par une arête de finition.

Les parois ou arêtes incurvées concaves 66, 68, 86 des outils peuvent être à section elliptique ou parabolique. L'invention n'est pas limitée aux seuls modes de réalisation des outils représentés aux dessins et il est possible de modifier les caractéristiques de ces outils. Par exemple, les dents peuvent s'étendre de façon hélicoïdale autour de l'axe de l'outil. Dans la description, le cassage d'angle est réalisé sur une arête formée par l'intersection de deux surfaces perpendiculaires d'une pièce. Toutefois, on comprend que le procédé n'est pas limité au cassage d'angle d'arête à angle droit et peut être utilisé pour casser des arêtes formées à l'intersection de deux surfaces non perpendiculaires.

L'invention n'est pas limité au seul domaine des pièces mécaniques utilisées en aéronautique et peut être utilisée dans d'autres domaines tels que l'automobile où les mêmes problèmes se posent.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de cassage d'angle à l'intersection de deux surfaces (36, 38) d'une pièce (39), caractérisé en ce qu'il consiste à enlever par usinage, à l'intersection des deux surfaces (36, 38), un volume minimal de matière en donnant une forme incurvée convexe (44, 46) à l'intersection des deux surfaces (36, 38), cette forme incurvée (44, 46) étant à l'extérieur par rapport à la pièce (39), d'un arc de cercle (48) tangent aux deux surfaces (36, 38) aux points de raccordement de la forme incurvée (44, 46) aux deux surfaces (36, 38).
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la forme incurvée (44, 46) est à section elliptique ou parabolique.
3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'arc de cercle (48) tangent aux deux points de raccordement a un rayon compris 15 entre 0,4 et 3 millimètres.
4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'usinage de l'intersection des deux surfaces est un fraisage ou un tournage.
5. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il 20 consiste à réaliser, simultanément et au moyen du même outil, le cassage d'angle entre les deux surfaces (36, 38) et un usinage de finition d'une des surfaces.
6. 6. Outil de fraisage, de détourage pour casser un angle à l'intersection de deux surfaces (36, 38) d'une pièce (39), comprenant un corps (52) 25 s'étendant le long de l'axe de rotation (54) de l'outil (50, 68) et comportant des dents (56) régulièrement réparties autour de cet axe (54) et séparées les unes des autres par des poches à copeaux (58), caractérisé en ce que chaque dent (56) comprend au moins une paroi incurvée concave (64) qui est située, à l'extérieur d'un arc de cercle (66) de concavité tournée vers 30 l'extérieur de l'outil et raccordé à ses extrémités aux extrémités de la paroi incurvée concave (64).
7. 7. Outil de tournage pour casser un angle à l'intersection de deux surfaces (36, 38) d'une pièce (39), comprenant une plaquette de coupe (82) comportant une arête de coupe incurvée concave (84), caractérisé en ce que l'arête de coupe incurvée concave (84) qui est située, par rapport à la pièce à usiner, à l'extérieur d'un arc de cercle (86) de concavité tournée vers l'extérieur de l'outil et raccordé à ses extrémités aux extrémités de l'arête de coupe (84).
8. 8. Outil selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'une extrémité de la paroi concave ou de l'arête de coupe (64, 84) se prolonge par une paroi d'usinage de finition (62) s'étendant axialement.
9. 9. Outil selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque paroi d'usinage de finition (62) se prolonge par une deuxième paroi ou arête incurvée concave (72) à son extrémité opposée à la première paroi ou arête incurvée concave (64), cette deuxième paroi ou arête incurvée concave (72) étant également située à l'extérieur d'un arc de cercle (78) de concavité tournée vers l'extérieur de l'outil (68) et raccordé à ses extrémités aux extrémités de la deuxième paroi ou arête incurvée concave (72).
10. 10.Outil selon la revendication 9, caractérisé en ce que les parois ou arêtes incurvées concaves (64, 72, 84) sont à section elliptique ou parabolique.20