FR2890878A1 - Procede de fabrication d'aubes de turbomachines par fonderie a la cire perdue. - Google Patents

Abstract

La présente invention porte sur un procédé de fabrication de prototypes d'aubages de turbomachines métalliques présentant un profil théorique déterminé, par fonderie à la cire perdue, comprenant la fabrication d'un modèle en cire de la pièce, par moulage dans un moule à cire, puis d'un moule carapace autour du modèle et la coulée d'un métal en fusion dans la cavité ménagée dans le moule carapace après élimination du modèle, caractérisé par le fait que l'on réalise une ébauche de modèle en cire, par moulage dans un moule à cire simplifié, l'ébauche présentant une surépaisseur par rapport au profil théorique puis on effectue une opération d'usinage de ladite surépaisseur pour obtenir le prototype.

Description

La présente invention porte sur la fabrication de pièces telles que des

aubages métalliques de turbomachines, présentant des cavités internes à géométrie complexe formant notamment des circuits de refroidissement, selon la technique de fonderie à cire perdue.

La fabrication de tels aubages passe par la réalisation d'un modèle en cire ou autre matériau équivalent qui comprend une pièce interne formant un noyau de fonderie et figurant les cavités de l'aubage. On utilise pour former le modèle un moule d'injection pour cire dans lequel on place le noyau et on y injecte la cire. Le modèle en cire est ensuite trempé plusieurs fois dans des barbotines constituées d'une suspension de particules céramiques pour confectionner un moule carapace. On élimine la cire et on cuit le moule carapace. On obtient l'aubage en coulant un métal en fusion qui vient occuper les vides entre la paroi intérieure du moule carapace et le noyau. Grâce à un germe ou un sélecteur approprié et un refroidissement contrôlé, le métal se solidifie selon une structure voulue. Selon la nature de l'alliage et les propriétés attendues de la pièce résultant de la coulée, il peut s'agir de solidification dirigée à structure colonnaire (DS), de solidification dirigée à structure monocristalline (SX) ou de solidification équiaxe (EX) respectivement. Les deux premières familles de pièces concernent des superalliages pour pièces soumises à de fortes contraintes tant thermiques que mécaniques dans le turboréacteur, comme les aubes de turbines HP.

Après solidification de l'alliage, la carapace et le noyau sont décochés. Il en ressort l'aubage désiré.

Les modèles de fonderie en cire utilisés sont constitués d'une matière organique. Des exemples de compositions sont donnés dans les documentations techniques des fournisseurs de cire. Comme cela est rappelé plus haut, on met en forme le modèle de fonderie par moulage en utilisant par exemple une injection à la presse. Une étape de finition ou d'ébavurage est éventuellement nécessaire pour éliminer les traces de plans de joint et obtenir la géométrie du modèle en cire. On utilise dans ce but des fers chauds ou d'autre moyens semblables.

En raison de la géométrie complexe des modèles en cire et donc des bruts de fonderie, à cause de la fonction de positionnement des noyaux, des formes en contre-dépouille par rapport à la direction d'ouverture, des artifices par exemple des futures attaques de coulée et de l'intégration des éléments de grappe, le moule utilisé pour la mise en forme des modèles en cire comprend un nombre parfois important de sous-pièces mobiles.

Cette technique d'injection de cire dans un outillage complexe est couramment pratiquée lorsqu'il s'agit de fabriquer un nombre important de modèles en cire. C'est le cas pour la fabrication des pièces d'un moteur en phase de production en série. Cependant, elle présente des inconvénients lorsqu'un nombre limité de modèles doit être préparé, dans le cadre d'un programme de développement de moteur par exemple ou bien dans le cas d'une modification de produit. Un outillage d'injection présentant un nombre de sous pièces important est obtenu après un délai jugé trop long pour un simple jeu de développement. Son coût est aussi très élevé.

Dans le cadre de moteurs en développement, le procédé d'injection dans une boîte à multiples sous pièces ne permet donc pas de répondre rapidement et de manière économique à des changements de conception de l'aubage. Par ailleurs, les épaisseurs requises au bord de fuite des aubages sont de plus en plus fines. Il devient difficile de les obtenir par le procédé connu.

On connaît un procédé, adapté pour les programmes de développement de moteurs, consistant à former le modèle en cire couche par couche par ajout de strates successives de matière plastique au moyen d'une machine utilisant un laser pour polymériser des particules de matière plastique ou d'une machine comprenant une buse déposant un film de cire. Bien que ces techniques ne mettent pas en oeuvre un outillage d'injection et soient intéressantes pour la production de pièces unitaires, les temps de fabrication des modèles sont trop longs pour la quantité de pièces requises pour la fabrication d'un jeu de développement. En outre les dimensions sont très difficiles à maîtriser, notamment pour les modèles d'aubes mobiles dont le bord de fuite est très fin.

On remédie à ces problèmes, conformément à l'invention, avec un procédé de fabrication de prototypes d'aubages de turbomachines métalliques présentant un profil théorique déterminé, par fonderie à la cire perdue, comprenant la fabrication d'un modèle en cire de la pièce, par moulage dans un moule à cire, puis d'un moule carapace autour du modèle et la coulée d'un métal en fusion dans la cavité ménagée dans le moule après élimination du modèle, caractérisé par le fait que l'on réalise une ébauche de modèle en cire par moulage dans un moule à cire simplifié, l'ébauche présentant une surépaisseur par rapport au profil théorique puis on effectue une opération d'usinage de ladite surépaisseur pour obtenir l'aubage.

Le moule à cire est simplifié et permet la réalisation d'un certain nombre d'aubages qui seront utilisés dans le cadre du développement par exemple. Il est dit simplifié dans la mesure où l'on a supprimé des sous pièces mobiles par rapport au modèle théorique correspondant à la réalisation d'un modèle au profil théorique souhaité. On note qu'il ne s'agit pas nécessairement des sous pièces qui présentent des contre dépouilles. Ce sont en priorité celles qui prennent le plus de temps à fabriquer et à ajuster dans le moule. De préférence le moule simplifié ne comporte aucune sous-pièce mobile. Par extension et pour répondre à l'objectif visé par la présente invention qui est de réduire les durées de mise au point, le moule à cire peut être aussi un moule d'une fabrication en série existant déjà ou provenir d'un développement antérieur mais dont l'application à l'aubage voulu demanderait qu'il soit modifié.

Le moule à cire simplifié est particulièrement avantageux, dans cette application à la réalisation de prototypes en phase de développement, s'il ne comporte qu'une partie supérieure et une partie inférieure creusées pour la pièce, et se rejoignant l'une contre l'autre en travers du plan de joint.

La demanderesse connaît le document EP1361008 qui vise la fabrication d'un rotor de compresseur centrifuge en titane par le procédé de fonderie à la cire perdue comprenant une étape de fabrication d'un modèle en cire sous forme d'ébauche et une étape d'usinage pour obtenir la pièce à la géométrie souhaitée. L'usinage est effectué soit sur l'ébauche elle-même soit sur la pièce brute de fonderie. Les zones à usiner correspondent à celles qui auraient nécessité des contre dépouilles. Ce procédé a pour objet la réalisation économique d'un rotor à la géométrie complexe, en limitant ainsi la complexité de chaque étape et les distorsions imposées aux différentes parties du modèle en cire. Il ne s'intègre toutefois pas dans un processus de développement d'aubages qui vise par un seul moule à obtenir des pièces dont les formes peuvent évoluer au cours de celui-ci.

Pour la suite du procédé selon l'invention, selon une première voie, l'opération d'usinage est effectuée sur ladite ébauche de modèle en cire de manière à obtenir un modèle en cire dont le profil est celui du profil théorique recherché. Cette étape du procédé est de préférence réalisée avant l'opération d'assemblage des modèles sur la grappe, lorsqu'une pluralité de modèles est regroupée en grappe; la formation en grappe est connue de l'homme du métier.

Selon une seconde voie de la suite du procédé de l'invention, l'opération d'usinage est effectuée sur l'ébauche brute de fonderie obtenue à partir de l'ébauche de modèle en cire. Dans ce cas, la pièce sortant du moule carapace à la forme du moule à cire, la mise en forme aux cotes prédéfinies est réalisée non plus sur le modèle en cire mais sur la pièce métallique brute de fonderie.

Dans l'une ou l'autre voie, le modèle peut comprendre au moins un noyau céramique, de manière à obtenir une aube avec un circuit de refroidissement interne.

Grâce à l'invention, on réduit les coûts et les délais d'obtention des modèles de fonderie en cire. Alors que le délai d'obtention d'un modèle par injection dans un moule présentant des contre dépouilles est de seize semaines environ, le délai avec la technique de l'invention peut être ramené à six semaines comprenant le délai, le cas échéant, d'obtention de noyaux selon la technique de prototypage rapide présentée dans la demande de brevet de la demanderesse FR 0452789. La solution permet aussi un gain important en souplesse et réactivité vis-à-vis des changements de conception Avantageusement, pour la voie par usinage du modèle en cire, l'usinage est effectué mécaniquement par fraisage avec enlèvement de copeaux de cire. On a constaté en effet avec surprise que l'on pouvait travailler le modèle après son moulage et avant la fabrication de la carapace selon l'art de la fonderie à la cire perdue. Le modèle en cire, dans cet état, a une consistance plastique et peut être manipulé et travaillé tout en conservant sa forme.

Plus particulièrement, l'usinage est effectué par des passages successifs sur une épaisseur déterminée comprise entre 0,05 et 2 mm, particulièrement entre 0,05 et 1 mm. Avantageusement, l'usinage est réalisé au moyen d'une fraise par enlèvement de matière sur une machine de fraisage à au moins trois axes, et préférentiellement à 4 ou 5 axes. Par ce moyen on réalise l'usinage automatiquement.

Cette technique permet d'usiner un modèle en cire à partir d'un fichier 40 CFAO (conception et fabrication assistée par ordinateur) existant sans être pénalisé par les retraits du modèle en cire au cours de l'étape de refroidissement et de stabilisation qui ne sont pas toujours identiques le modèle a les dimensions du moule dans lequel il est fabriqué. Ainsi les modèles en cire après éjection de l'outillage sont géométriquement identiques.

Ce procédé présente aussi l'avantage d'autoriser une grande liberté en terme de géométrie d'aubage.

Pour l'opération de fraisage on emploie de préférence une fraise dont le diamètre est compris entre 0,3 et 16 mm et comportant un filet de découpe en forme d'hélice dont l'angle est compris entre 40 et 60 degrés. Il est possible d'utiliser des outils standard mais des outils spécifiques, tels qu'en acier rapide, améliorent l'usinage des cires.

Conformément à une autre caractéristique, pendant l'usinage, la cire est maintenue à une température inférieure à la température ambiante, comprise notamment entre 10 C et 15 C et plus particulièrement entre 12 C et 14 C. On usine la cire par exemple sous un flux de fluide réfrigéré ou en maintenant l'ébauche dans un liquide réfrigéré isotherme, notamment de l'eau.

Dans la variante du procédé où c'est l'ébauche brute de fonderie qui est usinée, on procède par enlèvement de matière sur des épaisseurs comprise entre 0,05 et 0,4 mm.

Le procédé s'applique en particulier à une pièce à structure équiaxe, à solidification dirigée ou monocristalline.

D'autres caractéristiques et avantages ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation du procédé de l'invention en référence aux dessins en annexe sur lesquels La figure 1 est une vue en perspective d'une aube de turbine monopale; La figure 2 représente en perspective un élément de distributeur statorique bipale; La figure 3 représente une coupe transversale d'une pale appartenant à une aube monopale; La figure 4 représente une coupe transversale d'un élément bipale; La figure 5 représente un moule à cire susceptible d'être utilisé dans le présent procédé ; La figure 7 représente une ébauche de modèle en cire bipale dans son moule; La figure 8 représente en coupe transversale un modèle monopale avant et après usinage; La figure 9 montre une opération de fraisage de l'ébauche; La figure 10 montre en coupe transversale une pale issue de la fonderie avant et après usinage.

La description qui suit correspond à l'application de l'invention à la fabrication d'aubes de turbine ou de distributeurs statorique haute pression dans un moteur à turbine à gaz pour une utilisation aéronautique ou terrestre. Cette présentation n'est pas limitative.

On a représenté sur les figures 1 et 2 deux exemples de pièces susceptibles d'être fabriquées selon la technique de fonderie à la cire perdue, comme cela est connu. La figure 1 montre une aube de turbine HP 1 qui comprend un pied 10 par lequel elle est attachée au rotor, une plateforme 11 délimitant la veine de gaz et une pale 12 balayée par les gaz chauds issus de la chambre de combustion du moteur. Sur la figure 2, on a représenté un élément 2 de distributeur statorique comprenant un bloc de deux pales 21 et 22 disposée radialement entre une plateforme inférieure 20 et une plateforme supérieure 20'. L'élément 2 comprend selon les moteurs de deux à six pales.

Comme on le voit sur la figure 3 et 4 qui sont des coupes de pales effectuées transversalement entre leur pied et leur sommet, une pale de turbine comprend une surface intrados IN une surface extrados EX, un bord d'attaque BA et un bord de fuite BF. Lorsqu'il s'agit d'une aube de turbine haute pression d'un moteur à turbine à gaz pour une utilisation aéronautique, l'aube comprend des cavités internes, ici 2: 13 et 14. Le bord de fuite comprend éventuellement des ouvertures alimentées depuis une cavité pour l'échappement du fluide de refroidissement qui est de l'air prélevé au compresseur. Les pales 21 et 22 du bloc 2 sont ici représentées avec chacune deux cavités: 211 et 212, 221 et 222 respectivement. Cependant les aubes peuvent ne pas avoir de cavité interne.

La technique connue de fonderie à la cire perdue de ce type de pièce consiste, quelle que soit la complexité de sa géométrie, à préparer un moule La figure 6 représente une ébauche de modèle en cire monopale dans son moule pour le modèle en cire de telle façon que les cotes de ce dernier soient celles de l'aubage définitif. Comme cela l'a été exposé plus haut, le moule doit alors comporter des sous pièces mobiles pour tenir compte de contre dépouilles et permettre l'extraction du modèle après injection de la cire dans le moule. La fabrication de ce type de moule avec sous pièces mobiles est très longue et onéreuse. L'objet de l'invention est la réalisation d'un modèle ayant une structure complexe sans avoir à confectionner un moule de même complexité.

Conformément à l'invention, on confectionne un moule adapté pour réaliser le modèle ébauche; ce moule est simplifié. On voit sur les figures 5 et 6 un tel moule 30 d'injection simplifié pour un aubage monopale. Ce moule 30 comprend un bloc supérieur 31, un bloc inférieur 32 et un plan de joint 33. Une empreinte est creusée dans chacun des deux blocs délimitant ensemble, le cas échéant avec des noyaux en céramique, un volume, pour l'injection de la cire. On injecte dans ce moule la cire pour former un modèle ébauche 35. Dans cet exemple, le modèle comprend un noyau en céramiques 36 pour les cavités de refroidissement dans l'aubage définitif. Il est à noter que le noyau 36 est de préférence aux cotes définitives pour ne pas avoir à reprendre les surfaces internes de cavités de refroidissement venues de fonderie. Cependant le présent procédé n'exclut pas cette possibilité.

De la figure 5 on comprend que le modèle est une ébauche dont les cotes ne sont pas les cotes de l'aubage définitif.

Sur la figure 7, on voit un moule simplifié pour un aubage bipale comme celui de la figure 2. Le moule simplifié 40 comporte un bloc supérieur 41 et un bloc inférieur 42 en contact l'un avec l'autre par un plan de joint 43. Chaque bloc est creusé d'une empreinte. Les deux empreintes définissent ensemble avec les noyaux céramiques 47 et 48 un volume ici occupé par la cire. Ce volume délimite un modèle ébauche à deux pales 45 et 46, et une zone de matière à enlever par usinage 49. Une telle zone offre un dégagement suffisant entre les deux blocs pour permettre l'ouverture du moule après injection de la cire.

Selon une première voie du procédé de l'invention, une fois le modèle ébauche 35 obtenu, on l'usine de manière à éliminer une quantité de matière formant une surépaisseur par rapport au profil du modèle 12M. Le modèle est aux cotes du profil théorique souhaité comme cela est illustré sur la figure 8. Le procédé ne vise pas seulement la pale de l'aubage mais peut aussi s'appliquer à la plateforme 11M.

L'usinage est avantageusement réalisé au moyen d'un outil comme celui montré sur la figure 9. Il s'agit d'une fraise 100 comportant une extrémité 100A de coupe et d'un filet ou bord de coupe en hélice le long de sa tige 100B. On déplace la fraise perpendiculairement à la surface à usiner à une profondeur par rapport à cette surface, comprise, pour une aube de turbine, entre 0,05 et 1 mm. La vitesse de l'outil ainsi que celle de son déplacement sont fixées également. On limite ainsi les efforts sur la matière et on évite que l'outil fléchisse. La tête de l'outil a avantageusement un diamètre compris entre 0,3 et 16 mm, fonction de la largeur de la quantité de matière à enlever. On procède donc en creusant par paliers successifs de profondeurs déterminées. On réserve de préférence une garde pendant cette phase et, on fraise le profil exact à obtenir en faisant travailler la fraise sur sa tige.

On utilise de préférence une machine outil à commande numérique de type à cinq axes de déplacement, par exemple, trois axes pour le positionnement de la fraise dans l'espace et deux axes pour le positionnement de l'ébauche. On peut programmer aisément cette machine pour automatiser l'usinage du profil de l'aube. On définit les paramètres tels que la vitesse de coupe, la vitesse de rotation de l'outil, sa trajectoire et son diamètre.

On décrit ci-après la voie usinage métal Comme pour la voie précédente avec usinage du modèle ébauche, on réalise l'ébauche dans un moule à cire approprié. Au lieu d'usiner cette ébauche, on poursuit le processus de fabrication d'une pièce brute de fonderie en formant un moule carapace autour du modèle ébauche puis en coulant le métal en fusion après avoir éliminé le modèle ébauche de la carapace. Après décochage, on obtient une pièce brute de fonderie dont le profil est l'image du modèle ébauche. L'étape suivante consiste à usiner la pièce brute de fonderie de manière à obtenir l'aubage au profil souhaité.

La figure 10, semblable à la figure 8, montre l'ébauche 70 avec un profil ébauche 71 que l'on usine de manière à éliminer une surépaisseur déterminée et à obtenir le profil théorique définitif 72 de l'aubage. De la même manière on obtient le profil définitif de la plate forme 74 à partir de la forme ébauche 73 de cette dernière.

Le procédé s'applique aussi évidemment au cas d'un bloc multipale.

De préférence, l'usinage est effectué par fraisage comme dans la voie précédente.

Claims (13)

Revendications

1. Procédé de fabrication de prototypes d'aubages de turbomachines métalliques présentant un profil théorique déterminé, par fonderie à la cire perdue, comprenant la fabrication d'un modèle en cire de la pièce, par moulage dans un moule à cire, puis d'un moule carapace autour du modèle et la coulée d'un métal en fusion dans la cavité ménagée dans le moule carapace après élimination du modèle, caractérisé par le fait que l'on réalise une ébauche de modèle en cire, par moulage dans un moule à cire simplifié, l'ébauche présentant une surépaisseur par rapport au profil théorique puis on effectue une opération d'usinage de ladite surépaisseur pour obtenir le prototype.

2. Procédé selon la revendication précédente comprenant une étape de fabrication de moule simplifié, ledit moule étant constitué d'un nombre de pièces inférieur à celui des pièces constituant le moule théorique.

3. Procédé selon la revendication 2 dont le moule simplifié est préparé de manière à ce qu'il ne présente pas de sous pièce mobile.

4. Procédé selon la revendication 1 selon lequel l'opération d'usinage est effectuée sur ladite ébauche de modèle de manière à obtenir un modèle en cire présentant le profil théorique souhaité de la pièce finie.

5. procédé selon la revendication précédente selon lequel on réalise une pluralité de modèles assemblés en une grappe, ledit usinage étant effectué avant l'assemblage en grappe.

6. Procédé selon la revendication 1 selon lequel l'opération d'usinage est effectuée sur l'ébauche brute de fonderie obtenue à partir de l'ébauche de modèle en cire.

7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dont le modèles comprend au moins un noyau céramique.

8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, selon lequel l'usinage est effectué mécaniquement par fraisage avec enlèvement de copeaux.

9. Procédé selon la revendication précédente selon lequel l'usinage est effectué par passages successifs sur une épaisseur déterminée comprise entre 0,05 et 2 mm.

1O.Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, dont l'usinage est réalisé au moyen d'une fraise par enlèvement de matière sur une machine de fraisage à au moins trois axes, et préférentiellement à 4 ou 5 axes.

11.Procédé selon la revendication précédente dont la fraise a un diamètre compris entre 0,3 et 16 mm et un filet de découpe en forme d'hélice dont l'angle est compris entre 40 et 60 degrés.

12.Procédé selon la revendication 2 selon lequel la cire pendant l'usinage est maintenue à une température inférieure à la température ambiante, comprise notamment entre 10 et 15 C.

13.Procédé selon la revendication précédente selon lequel on usine la cire sous un flux de fluide réfrigéré ou en maintenant l'ébauche dans un liquide réfrigéré isotherme, notamment de l'eau.

14.Procédé selon la revendication 4 selon lequel le modèle en cire venu de la boîte d'injection simplifiée est coulé avec une structure équiaxe, à solidification dirigée ou monocristalline pour obtenir une pièce métal ébauche.