WO2026068909A1 - Procede de fabrication d'un arbre de turbine en acier haute resistance - Google Patents

Procede de fabrication d'un arbre de turbine en acier haute resistance

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WO2026068909A1
WO2026068909A1 PCT/FR2025/050857 FR2025050857W WO2026068909A1 WO 2026068909 A1 WO2026068909 A1 WO 2026068909A1 FR 2025050857 W FR2025050857 W FR 2025050857W WO 2026068909 A1 WO2026068909 A1 WO 2026068909A1
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WO
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drilling
forged blank
manufacturing
semi
turbine shaft
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PCT/FR2025/050857
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English (en)
Inventor
Carlos CAETANO
Patrick Didier Michel Lestoille
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Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Safran Aircraft Engines SAS
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Publication date
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/06—Making machine elements axles or shafts
    • B21K1/063—Making machine elements axles or shafts hollow
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K3/00—Making engine or like machine parts not covered by sub-groups of B21K1/00; Making propellers or the like
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/28—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for plain shafts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C3/00—Shafts; Axles; Cranks; Eccentrics
    • F16C3/02—Shafts; Axles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/006—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass turbine wheels

Definitions

  • the present description relates to the field of turbomachinery, for example turboprops or turbojets. More particularly, the invention relates to the manufacture of a turbine shaft for a turbomachine, and more specifically to the manufacture of a turbine shaft for a turbomachine made of high-strength steel.
  • a turbine shaft for a turbomachine is manufactured from a metal billet which undergoes several transformation steps in order to form the desired turbine shaft in one piece.
  • a conventional process for manufacturing a turbine shaft for a turbomachine includes a hot forging step of the billet to obtain a cylindrical forged metal blank. This forged blank then undergoes various heat treatments to give the metal the desired mechanical properties for the shaft. Typically, in the case of high-strength steel, the blank undergoes a quenching and tempering treatment.
  • the forged blank is then drilled, or bored, to a constant internal diameter.
  • Drilling is a machining technique that combines linear displacement and rotation of the tool.
  • Several parameters must be taken into account in the machined surface finish: cutting speed, depth of cut, feed rate, tool life, lubrication, etc.
  • Such drilling makes it possible to machine the inside of the shaft by removing material while guaranteeing a constant web thickness, that is, a constant shaft wall thickness.
  • drilling makes it possible to create evolving internal shapes that are inaccessible with standard tools. For example, a first borehole is drilled with a constant diameter and a second borehole is This is achieved using a drill head, meaning a tool that can deploy cutters to change the cutting diameter. Different internal diameter profiles for the shaft can thus be obtained depending on whether the sections are machined only during the first drilling operation or both during the first and second drilling operations. These drilled profiles, which are constant and cylindrical, can be either blind or through. In both cases, the cutting tool is moved along the blank to perform the internal machining.
  • the hardness of high-strength steel is a source of significant vibrations during drilling, these vibrations causing relative movements between the forged blank and the drilling tools. In other words, these vibrations can lead to drilling defects and the rejection of the forged blank.
  • the conventional turbine shaft manufacturing process is therefore not suitable for manufacturing high-strength steel turbine shafts.
  • One idea underlying the invention is to enable the manufacture of turbine shafts for turbomachinery made of high-strength steel.
  • one idea underlying the invention is to provide a simple and reliable method for manufacturing turbine shafts for turbomachinery made of high-strength steel.
  • the invention provides a method for manufacturing a turbine shaft from high-strength steel, the method comprising the steps of:
  • the method according to the invention allows drilling on the forged blank while the latter exhibits mechanical properties, and in particular a hardness, compatible with the tool life.
  • the method according to the invention allows a drilling step in a steel whose machinability is sufficiently high to perform this drilling without requiring replacement of the cutting tools or a complex assembly process for sections of shaft made of high-strength steel.
  • the manufacturing process according to the invention may include one or more of the following features, taken alone or in combination.
  • the process further comprises the step of providing a metal billet, preferably made of steel.
  • the process comprises a step of cutting said metal billet.
  • the first state of mechanical properties includes a first hardness.
  • the second state of mechanical properties includes a second hardness, said second hardness being greater than the first hardness.
  • the process further comprises a step of removing the outer crust from the forged blank prior to the drilling step.
  • This removal consists of removing the outer crust of the forged blank. The aim is to obtain surfaces with adequate dimensional tolerances in order to perform the drilling.
  • the forged blank comprises a barrel and a trunnion.
  • the barrel is cylindrical.
  • the barrel prior to the drilling stage, and where applicable, the deburring stage, the barrel is a solid cylinder of revolution and, after the drilling stage, and where applicable, the deburring stage, the barrel is a hollow cylinder of revolution.
  • the forged blank has, prior to the drilling stage, a length-to-external-diameter ratio greater than 10.
  • the drilling step of the forged blank comprises a first drill hole and a second drill hole.
  • the first drill hole is made at a constant diameter.
  • this first drill hole is made at a first diameter over all or part of the length of the forged blank.
  • the second drill hole includes a step of modifying the internal diameter of the forged blank.
  • the second drill hole is made over all or part of the forged blank so that the semi-finished part obtained at the end of the drilling process has a finished internal profile corresponding to the geometry and thickness of the shaft.
  • this internal finished profile may include a first internal diameter on a first portion of said semi-finished part, this first diameter resulting from the first drilling, and a second internal diameter, greater than the first internal diameter, on a second portion of said semi-finished part, this second internal diameter resulting from both the first drilling and the second drilling.
  • the use of high-strength steels due to their mechanical properties, makes it possible to obtain a turbine shaft with the desired mechanical properties.
  • the web thickness of a high-strength steel turbine shaft can be reduced.
  • the shaft has a web thickness of less than 1 centimeter. Such a web thickness with high-strength steel is sufficient to meet the mechanical and weight requirements, despite the web thickness being considered thin.
  • the process further comprises a shot peening step of the finished part.
  • This shot peening step is performed after the second heat treatment, and preferably after the machining step. Such shot peening increases the service life of the turbine shaft.
  • the process includes a rectification step, i.e., the creation of reference diameters on the shaft, after the shot peening step.
  • This rectification step after the shot peening step compensates for any deformations resulting from the shot peening, these deformations being more likely to occur when the thickness of the fabric is thin.
  • this rectification after the shot peening step ensures that the shaft has the desired diameters at the end after all the hardening treatments, including shot peening.
  • the process further comprises a pre-finishing step of the semi-finished part.
  • this pre-finishing step precedes the second heat treatment.
  • the terms “longitudinal”, “lower”, “upper” and their derivatives are defined with respect to the principal direction of, depending on the stage of the process, the billet, the blank, the forged blank, the semi-finished part, the finished part or the turbine shaft.
  • the terms “axial”, “radial”, “tangential”, “inner”, “outer” and their derivatives are defined with respect to the principal axis of, depending on the stage of the process, the billet, the blank, the forged blank, the semi-finished part, the finished part or the turbine shaft.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a turbine shaft for a turbomachine
  • FIG. 2 Figure 2 represents a process diagram for manufacturing a turbine shaft for the turbomachine of Figure 1;
  • Figure 3 is a cross-sectional view of a turbine shaft for a turbomachine according to an alternative embodiment of Figure 1.
  • Figure 1 shows a cross-sectional view, along a vertical plane passing through its longitudinal axis X, of a turbine shaft 1 for a turbomachine, for example, a low-pressure turbine shaft 1 for a turbojet or aircraft turboprop.
  • This shaft 1 is made in one piece from a metallic alloy such as steel.
  • this shaft 1 is hollow and includes a through bore extending along its entire length.
  • the shaft 1 has a length, measured along its longitudinal axis X, on the order of a few meters.
  • the tree 1 has a central tubular portion 2, a first end 3 and a second end 4 opposite the first end 3.
  • the first end 3 has a trunnion 5.
  • This trunnion 5 has an annular flange 6 intended to be fixed to a first element of the turbine rotor (not shown).
  • the second end 4 has grooves intended to cooperate in drive with a second element of the turbine rotor (not shown).
  • the central portion 2 comprises a first cylindrical portion 7 and a second cylindrical portion 8.
  • the first cylindrical portion 7 is axially intercalated between the first end 3 and the second cylindrical portion 8.
  • the second cylindrical portion 8 is axially intercalated between the second end 4 and the first cylindrical portion 7.
  • the central portion 2 has a profile that varies along the axial direction.
  • the central portion 2 comprises sections 23 with a reduced internal diameter and sections 24 in which the internal diameter is, on the contrary, increased.
  • this central portion may comprise sections 25 with a reduced external diameter and sections 26 with an increased external diameter. It will be understood that the concepts of reduced or increased diameter are relative to the diameters of the portions axially framing said portions of reduced or increased diameter.
  • the central portion 2 could have a single internal diameter extending over its entire length.
  • the shaft 1 is made from a metal billet (not shown), this metal billet having a generally cylindrical shape.
  • Figure 2 schematically illustrates the different stages of formation of the shaft 1 from the metal billet.
  • the billet is subjected to hot forging to form a forged blank.
  • This forging step 9 comprises a first sub-step 10 of forging during which a first portion of the billet is drawn out to form a shaft of the blank.
  • the shaft thus formed has a length greater than the initial length of the billet.
  • this shaft also has a diameter smaller than the initial diameter of the billet.
  • This shaft is intended to form the central portion 2 of the shaft 1.
  • a second sub-step 11 of the forging step 9 involves drawing out a second portion of the billet, this second portion being separate from and contiguous to the first portion of the billet used to produce the barrel. Drawing out this second portion allows a pre-trunk to be formed.
  • a third sub-step 12 of the forging step 9 involves forging the pre-trunnion to form the trunnion 5 of the shaft 1.

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Abstract

Procédé de fabrication d'arbre (1) de turbine en acier haute résistance, le procédé comportant les étapes de : - forgeage (9) d'une ébauche métallique de manière à obtenir une ébauche forgée, - réalisation d'un premier traitement thermique (13) sur l'ébauche forgée de manière à ce que ladite ébauche forgée présente un premier état de propriétés mécaniques, - forage (16) de l'ébauche forgée présentant le premier état de propriétés mécaniques de manière à obtenir une pièce semi-finie, - réalisation d'un deuxième traitement thermique (17) sur la pièce semi-finie de manière à ce que ladite pièce semi-finie présente un deuxième état de propriétés mécaniques distinct du premier état de propriétés mécaniques, - usinage (22) de la pièce semi-finie en fonction de dimensions cible de manière à obtenir une pièce finie, caractérisé en ce que l'étape de forage (16) est réalisée préalablement à l'étape de deuxième traitement thermique (17).

Description

Description
Titre de l'invention : Procédé de fabrication d'un arbre de turbine en acier haute résistance
Domaine Technique
[0001] Le présent exposé concerne le domaine des turbomachines, par exemples les turbopropulseurs ou les turboréacteurs. Plus particulièrement, l’invention se rapporte à la fabrication d’un arbre de turbine pour turbomachine, et plus spécifiquement encore à la fabrication d’un arbre de turbine pour turbomachine en acier haute résistance.
Technique antérieure
[0002] Un arbre de turbine pour turbomachine est fabriqué à partir d’une billette métallique qui subit plusieurs étapes de transformation afin de former l’arbre de turbine souhaité d’une seule pièce.
[0003] Dans un premier temps, un procédé conventionnel de fabrication d’arbre de turbine pour turbomachine comporte une étape de forgeage à chaud de la billette afin d’obtenir une ébauche forgée cylindrique métallique. Cette ébauche forgée subit ensuite différents traitements thermiques afin de donner au métal les propriétés mécaniques souhaitées pour l’arbre. Typiquement, dans le cas d’un acier haute résistance, l’ébauche subit un traitement de trempe et de revenu
[0004] Une fois ces traitements thermiques réalisés, l’ébauche forgée est alors forée, ou percée, selon un diamètre interne constant. Le forage est une technique d’usinage qui combine un mouvement de déplacement linéaire et de rotation de l’outil. Plusieurs paramètres sont à prendre en compte dans l’état de surface usiné : la vitesse de coupe, la profondeur de passe, la vitesse d’avance, la durée de vie de l’outil, la lubrification etc. Un tel forage permet d’usiner l'intérieur de l’arbre par enlèvement de matière tout en garantissant une épaisseur de toile, c’est-à-dire une épaisseur de paroi de l’arbre, constante.
[0005] Selon les techniques employées, le forage permet de réaliser des formes internes évolutives non accessibles avec des outils standards. Par exemple, un premier forage est réalisé avec un diamètre constant et un deuxième forage est réalisé avec une tête de forage, c’est à dire avec un outil qui peut déployer des couteaux pour modifier le diamètre de découpe. On peut ainsi obtenir différents profils de diamètre interne pour l’arbre selon que les portions sont usinées uniquement lors du premier forage ou à la fois lors du premier et du deuxième forage. Ces profils forés, qui sont constants et cylindriques, peuvent être soit borgne ou débouchant. Dans les deux cas, l’outil de coupe est déplacé le long de l’ébauche pour en assurer l’usinage interne.
[0006] Cependant, dans le cadre d’arbres de turbine en aciers haute résistance, le forage est complexe du fait de la dureté matériau qui impacte directement la longévité des outils coupants. En effet, de tels aciers haute résistance présentent un taux d’usinabilité, déterminé en mesurant les moyennes pondérées de la vitesse de coupe normale, de la finition de surface et de la durée de vie de l'outil pour chaque matériau, très faible.
[0007] Ainsi, dans le cadre d’un forage dans un acier haute résistance, le matériau de l’ébauche forgée est difficilement perçable avec une seule plaquette d’usinage du fait que cette plaquette se dégrade rapidement. Cette difficulté est accrue lorsque l’ébauche forgée à forer présente une longueur importante.
[0008] Un changement de plaquette d’usinage sur une même surface génère des imperfections (ressauts) pouvant générer des amorces de rupture. Il est indispensable de réaliser le profil intérieur sans ressaut. Autrement dit le changement de plaquette en cas d’usure prématurée n’est pas envisageable.
[0009] En outre, la dureté de l’acier haute résistance est source de vibrations importantes lors du forage, ces vibrations engendrant des mouvements relatifs entre l’ébauche forgée et les outils de forage. Autrement dit, ces vibrations peuvent engendrer des défauts de forage et le rebus de l’ébauche forgée.
[0010] Le procédé de fabrication d’arbre de turbine conventionnel n’est donc pas adapté à la fabrication d’arbres de turbine en acier haute résistance.
[0011] Afin de permettre la fabrication d’arbres de turbines en aciers haute résistance, un procédé de soudage par friction a été développé. Ce procédé consiste à préparer deux parties distinctes via des usinages conventionnels et à les assembler par soudage friction inertiel. Ce procédé de soudage consiste à mettre deux portions distinctes de l’arbre en rotation grande vitesse et de les assembler en appliquant une forte pression afin que le frottement d’une portion sur l’autre génère suffisamment de chaleur pour que la matière se liquéfie et se lie entre les deux portions.
[0012] Cependant, ce procédé est complexe et coûteux. Il nécessite des investissements lourds (machine spéciale), des phases de réglages machine importantes pour assurer une soudure précise et des phases d’usinage pour la reprise des cordons de soudure une fois les deux parties de l’arbre assemblées.
[0013] Il existe donc un besoin en un procédé de fabrication d’arbres de turbines pour turbomachine en acier haute résistance qui soit simple et fiable. En particulier, il existe un besoin pour un tel procédé de fabrication permettant l’obtention d’un tel arbre selon les dimensions souhaitées sans présenter de faiblesse structurelle ni nécessiter de procédé complexe pour cela.
Exposé de l’invention
[0014] Une idée à la base de l’invention est de permettre la fabrication d’arbres de turbines pour turbomachines en acier haute résistance. En particulier, une idée à la base de l’invention est de fournir un procédé de fabrication d’arbre de turbine pour turbomachine en acier haute résistance qui soit simple et fiable.
[0015] Pour cela, l’invention fournit un procédé de fabrication d’arbre de turbine en acier haute résistance, le procédé comportant les étapes de :
- forgeage d'une ébauche métallique de manière à obtenir une ébauche forgée,
- réalisation d'un premier traitement thermique sur l'ébauche forgée de manière à ce que ladite ébauche forgée présente un premier état de propriétés mécaniques,
- forage de l'ébauche forgée présentant le premier état de propriétés mécaniques de manière à obtenir une pièce semi-finie,
- réalisation d'un deuxième traitement thermique sur la pièce semi-finie de manière à ce que ladite pièce semi-finie présente un deuxième état de propriétés mécaniques distinct du premier état de propriétés mécaniques,
- usinage de la pièce semi-finie en fonction de dimensions cibles de manière à obtenir une pièce finie, dans lequel l'étape de forage est réalisée préalablement à l'étape de deuxième traitement thermique.
[0016] Le procédé selon l’invention permet le forage sur l’ébauche forgée alors que celle-ci présente des propriétés mécaniques, et en particulier une dureté, compatible de la durée de vie des outils coupants. Autrement dit, le procédé selon l’invention permet une étape de forage dans un acier dont le taux d’usinabilité est suffisamment élevé pour réaliser ce forage sans nécessiter de remplacement des outils de coupe ni un procédé complexe d’assemblage de portions d’arbre en acier haute résistance.
[0017] Selon différents modes de réalisation, le procédé de fabrication selon l’invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prises seules ou en combinaison.
[0018] Selon un mode de réalisation, le procédé comporte en outre l’étape de fournir une billette métallique, de préférence en acier. Selon un mode de réalisation, le procédé comporte une étape de découpe de ladite billette métallique.
[0019] Selon un mode de réalisation, le premier état de propriétés mécaniques comporte une première dureté.
[0020] Selon un mode de réalisation, le deuxième état de propriétés mécaniques comporte une deuxième dureté, ladite deuxième dureté étant supérieure à la première dureté.
[0021] Selon un mode de réalisation, le procédé comporte en outre une étape d’écroutage de l’ébauche forgée préalablement à l’étape de forage. Cet écroutage consiste à retirer la croûte extérieure de l’ébauche forgée. Le but étant d’obtenir des surfaces adéquates en tolérances dimensionnelles afin de réaliser le forage.
[0022] Selon un mode de réalisation, l’ébauche forgée comporte un fût et un tourillon. Selon un mode de réalisation, le fût est cylindrique de révolution. Ainsi, préalablement à l’étape de forage, et le cas échéant d’écroutage, le fût est un cylindre de révolution plein et, postérieurement à l’étape de forage, et le cas échéant d’écroutage, le fût est un cylindre de révolution creux. [0023] Selon un mode de réalisation, l'ébauche forgée présente, préalablement à l'étape de forage, un ratio de longueur sur diamètre externe supérieur à 10.
[0024] Selon un mode de réalisation, l’étape de forage de l’ébauche forgée comporte un premier forage et un deuxième forage. De préférence, le premier forage est réalisé à diamètre constant. De préférence, ce premier forage est réalisé à un premier diamètre sur tout ou partie de la longueur de l’ébauche forgée. Selon un mode de réalisation, le deuxième forage comporte une étape de modification du diamètre interne de l’ébauche forgée. Ainsi, selon un mode de réalisation, le deuxième forage est réalisé sur tout ou partie de de l’ébauche forgée de manière à ce que la pièce semi-finie obtenue à l’issue de l’ensemble du forage présente un profil fini interne correspondant à la géométrie et l'épaisseur de l'arbre. Par exemple, ce profil fini interne peut comporter un premier diamètre interne sur une première portion de ladite pièce semi-finie, ce premier diamètre résultant du premier forage, et un deuxième diamètre interne, supérieur au premier diamètre interne, sur une deuxième portion de ladite pièce semi-finie, ce deuxième diamètre interne résultant à la fois du premier forage et du deuxième forage.
[0025] L’utilisation d’aciers haute résistance du fait des propriétés mécaniques desdits aciers haute résistance, permet d’obtenir un arbre de turbine présentant les propriétés mécaniques souhaitées. Afin de limiter le poids de l’arbre de turbine, l’épaisseur de toile d’un arbre de turbine en acier haute résistance peut être réduite. Ainsi, selon un mode de réalisation préférentiel, l’arbre présente une toile d’une épaisseur inférieure à 1 centimètre. Une telle épaisseur de toile avec un acier haute résistance suffit à répondre aux besoins mécaniques et de masse malgré une épaisseur de toile considérée comme fine.
[0026] Selon un mode de réalisation, le procédé comporte en outre une étape de grenaillage de la pièce finie. Cette étape de grenaillage est postérieure au deuxième traitement thermique, et de façon préférentielle, postérieure à l’étape d’usinage. Un tel grenaillage permet d’augmenter la durée de vie de l’arbre de turbine.
[0027] Toutefois, des arbres de turbine en aciers haute résistance présentant une épaisseur de toile fine peuvent être endommagés par déformation lors de l’étape de grenaillage. [0028] Ainsi, selon un mode de réalisation, le procédé comporte une étape de rectification, c’est-à-dire de réalisation de diamètres de référence sur l’arbre, postérieurement à l’étape de grenaillage. L’étape de rectification postérieurement à l’étape de grenaillage permet de pallier les éventuelles déformations résultant du grenaillage, ces déformations étant d’autant plus susceptibles d’être présentes que l’épaisseur de la toile est fine. Autrement dit, cette rectification postérieurement à l’étape de grenaillage permet de s’assurer que l’arbre présente les diamètres souhaités à la fin après l’ensemble des traitements de durcissement, grenaillage compris.
[0029] Selon un mode de réalisation, le procédé comporte en outre une étape de pré-finition de la pièce semi-finie. De préférence, cette étape de pré-finition est préalable au deuxième traitement thermique.
[0030] Dans le présent exposé, les termes « longitudinal », « inférieur », « supérieur » et leurs dérivés sont définis par rapport à la direction principale de, selon l’avancement du procédé, la billette, l’ébauche, l’ébauche forgée, la pièce semi-finie, la pièce finie ou l’arbre de turbine. Les termes « axial », « radial », « tangentiel », « intérieur », « extérieur » et leurs dérivés sont définis par rapport à l’axe principal de, selon l’avancement du procédé, la billette, l’ébauche, l’ébauche forgée, la pièce semi-finie, la pièce finie ou l’arbre de turbine.
[0031] Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés.
Brève description des dessins
[0032] Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l’exposé. Sur ces dessins, d’une figure à l’autre, et dans la description ci-dessous, des éléments (ou parties d’élément) identiques ou remplissant la même fonction sont repérés par les mêmes signes de référence. [Fig. 1] La figure 1 est une vue en coupe d’un arbre de turbine pour turbomachine ;
[Fig. 2] La figure 2 représente un diagramme de procédé de fabrication d’un arbre de turbine pour turbomachine de la figure 1 ; [Fig. 3] La figure 3 est une vue en coupe d’un arbre de turbine pour turbomachine selon une variante de réalisation de la figure 1 .
Description des modes de réalisation
[0033] La figure 1 représente une vue en coupe, selon un plan vertical passant par son axe longitudinal X, un arbre 1 de turbine pour turbomachine, par exemple un arbre 1 de turbine basse pression pour turboréacteur ou turbopropulseur d’aéronef. Cet arbre 1 est réalisé d’une seule pièce dans un alliage métallique tel qu’un acier. Par ailleurs, cet arbre 1 est creux et comprend un alésage traversant s’étendant sur toute la longueur de l’arbre 1 . L’arbre 1 présente une longueur, prise selon son axe longitudinal X, de l’ordre de quelques mètres.
[0034] L’arbre 1 présente une portion centrale 2 tubulaire, une première extrémité 3 et une deuxième extrémité 4 opposée à la première extrémité 3.
[0035] La première extrémité 3 comporte un tourillon 5. Ce tourillon 5 comporte une bride annulaire 6 destinée à être fixée à un premier élément du rotor de la turbine (non représenté).
[0036] La deuxième extrémité 4 présente des cannelures destinées à coopérer en entrainement avec un deuxième élément du rotor de la turbine (non représenté).
[0037] Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1 , la portion centrale 2 comporte une première portion cylindrique 7 et une deuxième portion cylindrique 8.
[0038] La première portion cylindrique 7 est intercalée axialement entre la première extrémité 3 et la deuxième portion cylindrique 8. La deuxième portion cylindrique 8 est intercalée axialement entre la deuxième extrémité 4 et la première portion cylindrique 7.
[0039] Dans la variante de réalisation illustrée sur la figure 3, la portion centrale 2 présente un profil qui varie selon la direction axiale. Ainsi, la portion centrale 2 comporte des portions 23 dont le diamètre interne est réduit et des portions 24 dans lesquelles le diamètre interne est au contraire augmenté. De même, cette portion centrale peut comporter des portions 25 au diamètre externe réduit et des portions 26 au diamètre externe augmenté. On comprendra que les notions de diamètre réduit ou augmenté sont relatives aux diamètres des portions encadrant axialement lesdites portions de diamètre réduit ou augmenté.
[0040] A l’inverse, dans un mode de réalisation non illustré, la portion centrale 2 pourrait présenter un unique diamètre interne s’étendant sur toute sa longueur.
[0041] L’arbre 1 est réalisé à partir d’une billette métallique (non illustrée), cette billette métallique ayant une forme générale cylindrique. La figure 2 illustre schématiquement les différentes étapes de formation de l’arbre 1 à partir de la billette métallique.
[0042] Lors d’une première étape du procédé de fabrication de l’arbre 1 , appelée par la suite étape de forgeage 9, la billette est soumise à un forgeage à chaud pour former une ébauche forgée.
[0043] Cette étape de forgeage 9 comporte une première sous étape 10 de forgeage au cours de laquelle une première portion de la billette est étirée pour former un fût de l’ébauche. Du fait de cet étirement, le fût ainsi formé présente une longueur supérieure à la longueur initiale de la billette. En outre, ce fût présente également un diamètre inférieur au diamètre initial de la billette. Ce fût est destiné à former la portion centrale 2 de l’arbre 1 .
[0044] Une deuxième sous étape 11 de l’étape de forgeage 9 comporte l’étirage d’une deuxième portion de la billette, cette deuxième portion étant distincte et jointive de la première portion de la billette ayant permis de réaliser le fût. L’étirement de cette deuxième portion permet de former un pré-tourillon.
[0045] Enfin, une troisième sous étape 12 de l’étape de forgeage 9 comporte un matriçage du pré-tourillon pour former le tourillon 5 de l’arbre 1 .
[0046] Typiquement, l’étape de forgeage 9 permet de déformer la billette pour donner à l’ébauche forgée la forme générale de l’arbre 1 .
[0047] À la suite de cette étape de forgeage 9, le procédé selon l’invention comporte une étape de premier traitement thermique 13. Ce premier traitement thermique 13 est réalisé sur l’ébauche forgée issue de l’étape de forgeage 9. Ce premier traitement thermique 13 comporte une trempe 14 et un premier revenu 15. La trempe 14 est par exemple réalisée en chauffant l’ébauche à une température élevée puis en refroidissant l’ébauche. Le premier revenu 15 est réalisé en réchauffant l’ébauche à la suite de la trempe 14.
[0048] Afin de rendre l’arbre 1 creux, il est nécessaire de réaliser une étape de préusinage 27 sur l’ébauche forgée. L’étape de pré-usinage 27 comprend une étape de forage 16 qui permet d’usiner l'intérieur de l’ébauche forgée pour former une pièce semi-finie, ou ébauche semi-finie, de l’arbre 1 .
[0049] Cependant, dans le cas des arbres de turbine en aciers haute résistance, le forage devient complexe du fait de la dureté du matériau qui impacte directement la longévité des outils coupants. En outre, cette dureté du matériau peut engendrer des vibrations indésirables entre l’outil de forage et l’ébauche forgée, ces vibrations pouvant amener à un forage non satisfaisant et au rebus de l’ébauche semi-finie ainsi obtenue. Ce forage est d’autant plus difficile et incertain que la longueur de l’ébauche forgée est importante.
[0050] Afin de ne pas avoir à réaliser de forage dans un acier haute résistance, le procédé selon l’invention prévoit de réaliser l’étape de forage 16 avant que l’ensemble des traitements permettant d’obtenir un tel acier haute résistance n’aient été réalisés.
[0051] En particulier, la demanderesse a constaté que le taux d’usinabilité de l’ébauche forgée diminue fortement après un deuxième traitement thermique, typiquement un deuxième revenu 17.
[0052] Par exemple, la demanderesse a constaté qu’avec un acier ayant une composition comportant 0.03% de Carbone, 18% de Nickel, 8% de Cobalt, 5% de Molybdène et 0.5% de Titane (acier de type M250), le taux d’usinabilité est de 40% avant le deuxième revenu 17 et passe à 15% après le deuxième revenu 17. De même, la demanderesse a constaté qu’avec un acier ayant une composition comportant 0.23% de Carbone, 13% de Nickel, 6% de Cobalt, 3.25% de Chrome, 1 .5% de Molybdène, 1 .5% d’Aluminium et 0.25% de Vanadium (Acier de type ML340), le taux d’usinabilité est de 20 à 25 % avant le deuxième revenu 17 et passe à 10% après le deuxième revenu 17.
[0053] Ainsi, dans le procédé de fabrication selon l’invention, l’étape de pré-usinage 27, et donc l’étape de forage 16, est avantageusement réalisé préalablement à l’étape de deuxième traitement thermique, typiquement au deuxième revenu 17. Par exemple, l’étape de forage 16 est réalisée directement à la suite du premier traitement thermique 13, après le premier revenu 15.
[0054] Le forage 16 préalable au deuxième revenu 17 permet de réaliser des diamètres internes de l’arbre 1 sur une grande longueur, typiquement avec un ratio longueur/diamètre supérieur à 10, de manière simple et fiable, sans engendrer d’usure prématurée de l’outil de coupe ni ne nécessiter de changement de l’outil de coupe ou de procédé complexe d’assemblage de plusieurs portions de l’arbre 1 .
[0055] Le forage 16 peut être continu, c’est-à-dire avec un diamètre interne constant, ou en plusieurs étapes. Typiquement, un forage continu permet d’obtenir un diamètre interne constant sur toute la longueur de l’arbre 1 . A l’inverse, un forage en plusieurs étapes permet d’obtenir un arbre 1 présentant différents diamètres internes, par exemple tel qu’illustré sur la figure 3.
[0056] Par exemple, dans le cadre de l’arbre 1 illustré sur la figure 1 , un premier forage permet de pré-usiner l’ébauche forgée selon un premier diamètre interne constant sur toute la longueur de l’ébauche forgée. Ce premier diamètre interne correspond au diamètre interne de la deuxième portion cylindrique 8. Un deuxième forage est ensuite réalisé avec une tête de forage adaptée, c’est à dire avec un outil qui peut déployer des couteaux pour modifier le diamètre de découpe et faire différents profils. Ce deuxième forage permet de pré-usiner la première portion cylindrique 7 avec un deuxième diamètre interne de sorte que le diamètre interne de la première portion cylindrique 7 soit supérieur au diamètre interne de la deuxième portion cylindrique 8.
[0057] Le pré-usinage 27 de l’ébauche forgée peut en outre comporter une étape de d’écroutage 18 de l’ébauche forgée, telle qu’illustrée sur la figure 2. Cette étape d’écroutage 18 permet le retrait d’une croûte de matière formée sur l’ébauche forgée à la suite du premier traitement thermique 13. Cet écroutage 18 permet également de retirer un maximum de matière afin de se rapprocher du profil fini de la pièce. Il est donc réalisé postérieurement au premier traitement thermique 13.
[0058] Le pré-usinage 27 de l’ébauche forgée peut également comporter une étape de demi-finition 19. Lors de cette étape de demi-finition 19, l’ébauche forgée est usinée de manière à préparer les surfaces de référence pour la réalisation des dimensions finales souhaitée de l’arbre 1. Cette étape de demi-finition 19 peut comprendre par exemple une étape de ré-alésage interne et d’autres étapes d’usinage. Cette demi-finition 19 permet d’obtenir une pièce semi-finie dont les dimensions correspondent aux dimensions souhaitées de l’arbre 1 à 1 ou 2 mm près, c’est-à-dire qu’il demeure une couche de 1 ou 2 mm à retirer pour obtenir les dimensions souhaitées de la pièce finie destinée à former l’arbre 1 .
[0059] Lorsque l’étape de pré-usinage 27 ne comporte pas d’écroutage 18, le forage 16 est réalisé directement après le premier traitement thermique 13, typiquement après le premier revenu 15. Lorsque l’étape de pré-usinage 27 comporte un écroutage 18, ledit écroutage 18 est réalisé directement après le premier traitement thermique 13, typiquement après le premier revenu 15, préalablement au forage 16. Lorsque l’étape de pré-usinage 27 ne comporte pas d’étape de demi-finition 19, le deuxième revenu 17 est réalisé directement après le forage 16. Lorsque l’étape de pré-usinage 27 comporte l’étape de demi-finition 19, le deuxième revenu 17 est réalisé directement après ladite étape de demi-finition 19.
[0060] Ce deuxième revenu 17 permet de donner à l’acier formant l’arbre 1 la dureté finale souhaitée. Une étape d’usinage 22, aussi appelée étape de finition 22, permet d’usiner le profil fini à la suite de ce deuxième revenu 17 aux dimensions souhaitées, autrement dit d’obtenir une pièce finie aux dimensions souhaitées.
[0061] Le procédé selon l’invention peut également comporter une étape de grenaillage 20. Ce grenaillage 20, ou grenaillage de précontrainte, consiste à bombarder la pièce finie obtenue suite à l’étape de finition 22 avec un média tel que des billes d’acier, de céramique, de verre ou autres. Ce bombardement permet la mise en compression de la surface extérieure de l’arbre 1 afin d’améliorer sa durée de vie.
[0062] Cependant, le grenaillage 20 génère des contraintes importantes sur les surfaces et peut générer des déformations plus ou moins importantes suivant l’épaisseur de matière impactée par ce grenaillage 20.
[0063] Or, dans le cadre d’un arbre 1 en acier haute résistance, l’épaisseur de matière formant la portion centrale 2, aussi appelée épaisseur de toile, peut-être relativement fine. En effet, du fait de la haute résistance de l’acier, il est possible de diminuer l’épaisseur de toile afin de minimiser le poids de l’arbre 1 tout en conservant des propriétés mécaniques satisfaisantes pour l’utilisation prévue de l’arbre 1 .
[0064] Pour s’assurer que l’arbre 1 présente bien les dimensions désirées à la fin du procédé de fabrication, le grenaillage 20 est réalisé après le deuxième revenu 17. De préférence, le grenaillage 20 est réalisé après l’étape de finition 22 et une étape de rectification 21 est réalisée après le grenaillage 20. Cette étape de rectification 21 permet de compenser les éventuelles déformations résultant du grenaillage. Cette étape de rectification 21 est réalisée en fonction des dimensions de référence afin de s’assurer que l’arbre 1 conserve les dimensions souhaitées après l’ensemble des traitements de durcissement réalisés lors du procédé de fabrication de l’arbre 1 .
[0065] Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Procédé de fabrication d'arbre (1) de turbine en acier haute résistance, le procédé comportant les étapes de :
- forgeage (9) d'une ébauche métallique de manière à obtenir une ébauche forgée,
- réalisation d'un premier traitement thermique (13) sur l'ébauche forgée de manière à ce que ladite ébauche forgée présente un premier état de propriétés mécaniques,
- forage (16) de l'ébauche forgée présentant le premier état de propriétés mécaniques de manière à obtenir une pièce semi-finie,
- réalisation d'un deuxième traitement thermique (17) sur la pièce semi-finie de manière à ce que ladite pièce semi-finie présente un deuxième état de propriétés mécaniques distinct du premier état de propriétés mécaniques,
- usinage (22) de la pièce semi-finie en fonction de dimensions cible de manière à obtenir une pièce finie, caractérisé en ce que l'étape de forage (16) est réalisée préalablement à l'étape de deuxième traitement thermique (17), le premier traitement thermique (13) comportant une trempe (14) et un premier revenu (15), le deuxième traitement thermique comportant un deuxième revenu (17).
[Revendication 2] Procédé de fabrication d'arbre (1) de turbine selon la revendication 1, dans lequel le premier état de propriétés mécaniques comporte une première dureté et le deuxième état de propriétés mécaniques comporte une deuxième dureté, ladite deuxième dureté étant supérieure à la première dureté.
[Revendication 3] Procédé de fabrication d'arbre (1) de turbine selon la revendication 1 ou 2, comportant en outre une étape d'écroutage (18) de l'ébauche forgée préalablement à l'étape de forage (16).
[Revendication 4] Procédé de fabrication d'arbre (1) de turbine selon l'une des revendications 1 à 3, comportant en outre une étape de pré-finition (19) de la pièce semi-finie préalablement à l'étape de deuxième traitement thermique (17).
[Revendication 5] Procédé de fabrication d'arbre de turbine selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'ébauche forgée présente, préalablement à l'étape de forage (16), un ratio de longueur sur diamètre externe supérieur à 10.
[Revendication 6] Procédé de fabrication d'arbre de turbine selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'étape de forage (16) de l'ébauche forgée comporte un premier forage et un deuxième forage, le premier forage étant réalisé à un premier diamètre sur tout ou partie de la longueur de l'ébauche forgée, le deuxième forage étant réalisé sur tout ou partie de l'ébauche forgée de manière à ce que la pièce semi-finie obtenue à l'issue de l'ensemble du forage présente un profil fini interne correspondant à la géométrie et l'épaisseur de l'arbre.
[Revendication 7] Procédé de fabrication d'arbre (1) de turbine selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel l'arbre (1) présente une toile d'une épaisseur inférieure à lcentimètre.
[Revendication 8] Procédé de fabrication d'arbre (1) de turbine selon l'une des revendications 1 à 7, comportant une étape de grenaillage (20) de la pièce finie.
[Revendication 9] Procédé de fabrication d'arbre de turbine selon la revendication 8, comportant une étape de rectification (21) postérieurement à l'étape de grenaillage (20).
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140352146A1 (en) * 2011-12-23 2014-12-04 Snecma Method of fabricating a turbine engine shaft
KR20190140764A (ko) * 2018-06-12 2019-12-20 박정원 상이한 내경을 갖는 샤프트 가공방법 및 장치

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140352146A1 (en) * 2011-12-23 2014-12-04 Snecma Method of fabricating a turbine engine shaft
KR20190140764A (ko) * 2018-06-12 2019-12-20 박정원 상이한 내경을 갖는 샤프트 가공방법 및 장치

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JEAN BARRALIS ET AL: "Pr�contraintes et traitements superficiels", 10 December 1999, pages: M 1 180 - 1, XP055299749 *
YONG WANG ET AL: "Effect of machining processes on the quenching and tempering surface layer of ultra-high strength steel", vol. 473, 1 November 2023 (2023-11-01), NL, pages 129985, XP093270234, ISSN: 0257-8972, Retrieved from the Internet <URL:https://pdf.sciencedirectassets.com/271621/1-s2.0-S0257897223X00206/1-s2.0-S0257897223007600/main.pdf?hash=63d0fe76e338f1bc9957f7e37bf8c2497375537ae52e2c3eaf62044ac471bfe4&host=68042c943591013ac2b2430a89b270f6af2c76d8dfd086a07176afe7c76c2c61&pii=S0257897223007600&tid=spdf-91141a9c-1fa2-4758-9d79-72e> [retrieved on 20250415], DOI: 10.1016/j.surfcoat.2023.129985 *

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