FR3131235A1 - Wall machining process for a turbomachine - Google Patents
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Abstract
Le présent document concerne un procédé d’usinage d’une paroi (302) en matériau composite à matrice céramique comprenant une première face (305) et une seconde face (303) opposées, le procédé comprenant au moins les étapes : déposer une couche sacrificielle (304) sur au moins une partie de la première face (305), usiner ladite paroi (302) avec un outil d’usinage (312) au travers la seconde face (305) de sorte que l’outil d’usinage (312) traverse la couche sacrificielle (304), retirer la couche sacrificielle (304), et dans lequel la couche sacrificielle (304) est agencée pour empêcher une désagrégation de la paroi (302) au cours de l’usinage de ladite paroi (302). Figure à publier avec l’abrégé : [Fig. 3]This document relates to a method for machining a wall (302) made of composite material with a ceramic matrix comprising a first face (305) and a second face (303) opposite each other, the method comprising at least the steps: depositing a sacrificial layer (304) on at least part of the first face (305), machining said wall (302) with a machining tool (312) through the second face (305) so that the machining tool (312 ) passes through the sacrificial layer (304), removing the sacrificial layer (304), and wherein the sacrificial layer (304) is arranged to prevent disintegration of the wall (302) during machining of said wall (302) . Figure to be published with abstract: [Fig. 3]
Description
Le présent document concerne un procédé d’usinage d’une pièce de turbomachine, en particulier d’une pièce en composite à matrice céramique.This document concerns a process for machining a turbomachine part, in particular a ceramic matrix composite part.
On connait le turboréacteur ou turbomachine d'aéronef, représenté à la
Le turboréacteur à gaz d'aéronef 10 comprend une partie centrale, formant le moteur 12 à turbine à gaz, montée à l'intérieur d'un ensemble 14 de nacelle de moteur, comme cela est typique d'un aéronef conçu pour un fonctionnement subsonique. Le turboréacteur peut notamment être un turboréacteur à double flux. L'ensemble 14 de nacelle comprend généralement une nacelle de moteur 16 et une nacelle de soufflante 18 entourant une soufflante 20 située axialement en amont du moteur 12.The aircraft gas turbojet engine 10 includes a central portion, forming the gas turbine engine 12, mounted within an engine nacelle assembly 14, as is typical of an aircraft designed for subsonic operation . The turbojet can in particular be a double-flow turbojet. The nacelle assembly 14 generally comprises an engine nacelle 16 and a fan nacelle 18 surrounding a fan 20 located axially upstream of the engine 12.
Le moteur 12 comprend, axialement en partie aval, au moins une turbine qui peut être une turbine basse pression et, en aval de cette turbine, un carter d’échappement 22 métallique et comprenant une virole annulaire interne 22a et une virole annulaire externe 22b délimitant entre elles une partie aval de la veine annulaire primaire 24 dans laquelle circulent les gaz de combustion, issus de la chambre de combustion du moteur 12, selon le flux F.The engine 12 comprises, axially in the downstream part, at least one turbine which may be a low pressure turbine and, downstream of this turbine, a metallic exhaust casing 22 comprising an internal annular shroud 22a and an external annular shroud 22b delimiting between them a downstream part of the primary annular vein 24 in which the combustion gases, coming from the combustion chamber of the engine 12, circulate according to the flow F.
La virole annulaire interne 22a est reliée, à son extrémité aval, au cône d'éjection 1, lequel peut comprendre une partie amont 1a, de forme sensiblement cylindrique, et une partie aval 1b de forme conique. La virole annulaire interne 22a est alignée avec la paroi externe du cône d’éjection 1 pour former une veine d’écoulement homogène de l’air en sortie du moteur 12.The internal annular ferrule 22a is connected, at its downstream end, to the ejection cone 1, which may comprise an upstream part 1a, of substantially cylindrical shape, and a downstream part 1b of conical shape. The internal annular ferrule 22a is aligned with the external wall of the ejection cone 1 to form a homogeneous flow path for the air leaving the engine 12.
La paroi externe du cône d’éjection peut être réalisée en composite à matrice céramique (CMC) pour résister aux températures des gaz en sortie du moteur 12 tout en réduisant la masse globale du turboréacteur. Cependant, la caractéristique fibreuse de ce matériau le rend complexe à usiner. En effet, la paroi en CMC est fortement sujette à la délamination. Dans ces matériaux, un usinage est susceptible d’engendrer une amorce de délaminage, en particulier sur la face de sortie de l’outil d’usinage. Ce délaminage va naturellement se propager de proche en proche, du fait de l’absence d’effet texture du matériau. En outre, la paroi en CMC est fréquemment sujette à des brisures lors de son usinage, en raison de sa faible résistance mécanique. Ces inconvénients subsistent malgré l’usinage de la paroi en CMC en l’accolant à un support de maintien, également appelé « contre-forme ». En effet, les surfaces des pièces en CMC ne sont généralement pas planes et régulières, si bien que la surface d’appui de la contre-forme peut difficilement être ajustée pour épouser finement la surface de la paroi en CMC venant en appui sur cette contre-forme.The external wall of the ejection cone can be made of ceramic matrix composite (CMC) to resist the temperatures of the gases leaving the engine 12 while reducing the overall mass of the turbojet. However, the fibrous characteristic of this material makes it complex to machine. Indeed, the CMC wall is highly subject to delamination. In these materials, machining is likely to cause the start of delamination, particularly on the exit face of the machining tool. This delamination will naturally propagate step by step, due to the lack of texture effect of the material. In addition, the CMC wall is frequently subject to breakage during its machining, due to its low mechanical resistance. These disadvantages persist despite the machining of the CMC wall by attaching it to a holding support, also called a “counterform”. Indeed, the surfaces of the CMC parts are generally not flat and regular, so that the bearing surface of the counter-form can hardly be adjusted to finely match the surface of the CMC wall bearing on this counter. -shape.
Il existe donc un besoin de remédier à ces inconvénients.There is therefore a need to remedy these disadvantages.
Le présent document propose un procédé d’usinage d’une paroi en matériau composite à matrice céramique comprenant une première face et une seconde face opposées, le procédé comprenant au moins les étapes :This document proposes a method for machining a wall made of composite material with a ceramic matrix comprising a first face and a second opposite face, the method comprising at least the steps:
déposer une couche sacrificielle sur au moins une partie de la première face,deposit a sacrificial layer on at least part of the first face,
usiner ladite paroi avec un outil d’usinage depuis la seconde face de sorte que l’outil d’usinage traverse la paroi et la couche sacrificielle,machine said wall with a machining tool from the second face so that the machining tool passes through the wall and the sacrificial layer,
retirer la couche sacrificielle, etremove the sacrificial layer, and
dans lequel la couche sacrificielle est agencée pour empêcher une désagrégation de la paroi au cours de l’usinage de ladite paroi.in which the sacrificial layer is arranged to prevent disintegration of the wall during the machining of said wall.
Ainsi, la couche sacrificielle permet de maintenir les fibres de la paroi en CMC lors du passage de l’outil d’usinage, en particulier au niveau du débouché de l’outil d’usinage sur la première face. Le procédé permet de maintenir l’intégrité de la paroi en CMC et évite son délaminage lors de l’usinage. En outre, la couche sacrificielle étant retirée après usinage, la masse de la paroi CMC n’est pas impactée par le procédé d’usinage.Thus, the sacrificial layer makes it possible to maintain the fibers of the CMC wall during the passage of the machining tool, in particular at the level of the outlet of the machining tool on the first face. The process maintains the integrity of the CMC wall and prevents its delamination during machining. In addition, the sacrificial layer being removed after machining, the mass of the CMC wall is not impacted by the machining process.
La paroi peut être réalisée en composite à matrice céramique en oxyde-oxyde. La paroi peut présenter des fibres unidirectionnelles.The wall can be made of an oxide-oxide ceramic matrix composite. The wall may have unidirectional fibers.
Selon un mode de réalisation, la couche sacrificielle peut être agencée pour présenter une résistance mécanique supérieure à la pression exercée par l’outil d’usinage sur la paroi selon une direction normale à ladite paroi. Par « résistance mécanique », on entend la valeur limite de contrainte hors plan, également appelée « tenue en compression orthogonale ». Elle correspond à la composante
Selon un mode de réalisation, la couche sacrificielle peut présenter une résistance mécanique, en l’occurrence une valeur limite de contrainte hors plan, supérieure ou égale à 34 MPa, en particulier supérieure ou égale à 84 MPa.According to one embodiment, the sacrificial layer may have a mechanical resistance, in this case an out-of-plane stress limit value, greater than or equal to 34 MPa, in particular greater than or equal to 84 MPa.
Selon un premier mode de réalisation, la couche sacrificielle peut comprendre un substrat tissé. Le substrat tissé peut, par exemple, être formé à partir de fibres de verre. Le substrat tissé peut être réalisé par un tissage sergé ou taffetas. Le substrat tissu peut présenter une densité surfacique comprise entre 100 et 250 g/m2.According to a first embodiment, the sacrificial layer may comprise a woven substrate. The woven substrate may, for example, be formed from glass fibers. The woven substrate can be made by a twill or taffeta weave. The fabric substrate may have a surface density of between 100 and 250 g/m2.
Selon un deuxième mode de réalisation, la couche sacrificielle peut comprendre un film polymère.According to a second embodiment, the sacrificial layer may comprise a polymer film.
L’étape de dépôt d’une couche sacrificielle peut comprendre l’application d’une couche de colle sur ladite au moins une partie de la première face et l’application de la couche sacrificielle sur ladite couche de colle. La colle peut être soluble dans l’eau.The step of depositing a sacrificial layer may include the application of a layer of glue on said at least part of the first face and the application of the sacrificial layer on said layer of glue. The glue may be soluble in water.
La couche sacrificielle peut être agencée de sorte à couvrir la totalité de la première face. De préférence, elle est agencée pour couvrir au moins la zone prévue pour l’usinage de la paroi.The sacrificial layer can be arranged so as to cover the entire first face. Preferably, it is arranged to cover at least the area planned for machining the wall.
Selon un mode de réalisation, la couche sacrificielle peut être retirée en submergeant la paroi dans de l’eau.According to one embodiment, the sacrificial layer can be removed by submerging the wall in water.
Selon un mode de réalisation, la couche sacrificielle peut être retirée en exposant la couche sacrificielle à de la vapeur d’eau.According to one embodiment, the sacrificial layer can be removed by exposing the sacrificial layer to water vapor.
La couche sacrificielle peut présenter par exemple une épaisseur comprise entre 25 µm et 1 mm.The sacrificial layer may, for example, have a thickness of between 25 μm and 1 mm.
Le procédé peut comprendre, en outre, une étape de dépôt d’une couche sacrificielle supplémentaire, par exemple un substrat tissé, sur la seconde face. Ainsi, le délaminage est limité au niveau des deux faces de la paroi.The method may further comprise a step of depositing an additional sacrificial layer, for example a woven substrate, on the second face. Thus, delamination is limited on both faces of the wall.
Selon un mode de réalisation, l’étape d’usinage peut consister à réaliser au moins un trou, en particulier par perçage, dans la paroi. L’outil d’usinage peut alors comprendre au moins un outil de forage. L’étape d’usinage peut être une étape de multi-perforation de la paroi. Plusieurs dizaines voire plusieurs centaines de trous peuvent être percés dans la paroi simultanément ou successivement. L’étape d’usinage peut aussi consister à réaliser au moins un trou par fraisage ou meulage.According to one embodiment, the machining step may consist of making at least one hole, in particular by drilling, in the wall. The machining tool can then include at least one drilling tool. The machining step can be a step of multi-perforation of the wall. Several dozen or even several hundred holes can be drilled in the wall simultaneously or successively. The machining step can also consist of making at least one hole by milling or grinding.
Selon un mode de réalisation, l’étape d’usinage peut consister en un détourage ou un découpage de la paroi en CMC.According to one embodiment, the machining step may consist of trimming or cutting the CMC wall.
Le procédé peut comprendre, de plus, une étape consistant à placer la première face de la paroi contre une contre-forme, en particulier pour supporter la paroi autour des zones usinées pendant l’étape d’usinage. La contre-forme peut être réalisée en bois recyclé ou en résine polyuréthane. Elle peut également comporter une ou plusieurs couches support en matériau métallique, par exemple de l’aluminium ou de l’acier, recouverte(s) d’une couche de matériau polymère, par exemple un silicone ou un polyuréthane. La contre-forme ou sa couche de matériau polymère peut présenter une dureté Shore A comprise entre 50 et 100, par exemple égale à 75, et une épaisseur comprise entre 5 et 10 mm.The method may further comprise a step consisting of placing the first face of the wall against a counter-form, in particular to support the wall around the machined areas during the machining step. The counterform can be made from recycled wood or polyurethane resin. It may also include one or more support layers of metallic material, for example aluminum or steel, covered with a layer of polymer material, for example silicone or polyurethane. The counter-form or its layer of polymer material may have a Shore A hardness of between 50 and 100, for example equal to 75, and a thickness of between 5 and 10 mm.
Selon un premier mode de réalisation, la paroi peut être destinée à former une paroi d’un cône d’éjection d’une turbomachine d’un aéronef et les perforations peuvent être des trous destinés au traitement acoustique de la paroi. La paroi peut présenter une densité de perçage comprise entre 5 et 25%. Les trous présentent par exemple un diamètre compris entre 0,5 et 2 mm.According to a first embodiment, the wall can be intended to form a wall of an ejection cone of a turbomachine of an aircraft and the perforations can be holes intended for acoustic treatment of the wall. The wall can have a drilling density of between 5 and 25%. The holes have, for example, a diameter of between 0.5 and 2 mm.
Selon un deuxième mode de réalisation, la paroi peut être destinée à équiper une chambre de combustion de la turbomachine.According to a second embodiment, the wall can be intended to equip a combustion chamber of the turbomachine.
Selon un troisième mode de réalisation, la paroi peut être destinée à former un radôme d’un aéronef.According to a third embodiment, the wall can be intended to form a radome of an aircraft.
Le présent document concerne encore une paroi en matériau composite à matrice céramique obtenue par un procédé tel que précité.This document also relates to a wall made of composite material with a ceramic matrix obtained by a process as mentioned above.
Pour alléger la masse totale de la turbomachine 1, certaines de ses pièces sont réalisées en composite à matrice céramique. Un tel matériau est en outre adapté à des zones soumises à de fortes températures dans la turbomachine. Par exemple, la paroi du cône d’éjection peut être réalisée en CMC. Cependant, les parois en CMC restent difficiles à usiner en raison du risque de délaminage engendré par l’outil d’usinage.To reduce the total mass of the turbomachine 1, some of its parts are made of ceramic matrix composite. Such a material is also suitable for areas subject to high temperatures in the turbomachine. For example, the wall of the ejection cone can be made of CMC. However, CMC walls remain difficult to machine due to the risk of delamination caused by the machining tool.
En référence aux figures 2 et 3, le procédé 100 permet de limiter l’endommagement de la paroi, par exemple de la paroi 302 du cône d’éjection d’une turbomachine.With reference to Figures 2 and 3, the method 100 makes it possible to limit damage to the wall, for example to the wall 302 of the ejection cone of a turbomachine.
La paroi 302 est réalisée en CMC oxyde-oxyde et peut être annulaire ou former un secteur d’anneau. La paroi 302 peut être une tôle pour former une paroi annulaire ou un secteur d’anneau prévu pour l’assemblage de la paroi annulaire.The wall 302 is made of oxide-oxide CMC and can be annular or form a ring sector. The wall 302 can be a sheet metal to form an annular wall or a ring sector provided for assembling the annular wall.
La paroi 302 est par exemple usinée afin de former des trous destinés à réaliser un traitement acoustique des gaz de combustion.The wall 302 is for example machined in order to form holes intended to carry out acoustic treatment of the combustion gases.
À cet effet, le procédé 100 comprend une première étape 102 de dépôt d’une couche sacrificielle 304 sur une première face 305 de la paroi 302. Dans cette étape 102, une couche de colle 301, par exemple une colle soluble à l’eau, est tout d’abord appliquée sur la première face 305. Ensuite, un substrat tissé formant la couche sacrificielle 304 est déposé sur la couche de colle 301 afin d’être collé à ladite première face 305.For this purpose, the method 100 comprises a first step 102 of depositing a sacrificial layer 304 on a first face 305 of the wall 302. In this step 102, a layer of glue 301, for example a water-soluble glue , is first applied to the first face 305. Then, a woven substrate forming the sacrificial layer 304 is deposited on the glue layer 301 in order to be stuck to said first face 305.
La couche de colle 301 et la couche sacrificielle 304 sont déposées au moins au niveau de la zone d’usinage de la paroi 302. Alternativement, elles peuvent s’étendre sur toute la première face 305.The glue layer 301 and the sacrificial layer 304 are deposited at least at the level of the machining zone of the wall 302. Alternatively, they can extend over the entire first face 305.
Le substrat tissé peut être un tissu en fibre de verre. À titre d’exemple, il s’agit d’un tissage sergé ou taffetas. Le tissu peut présenter une densité surfacique comprise entre 100 et 250 g/m2.The woven substrate may be a fiberglass fabric. For example, it is a twill or taffeta weave. The fabric can have a surface density of between 100 and 250 g/m 2 .
Dans un autre exemple de réalisation, la couche sacrificielle 304 peut comprendre un film polymère, tel que le film commercialisé par la société Airtech sous la dénomination A4000.In another embodiment, the sacrificial layer 304 may comprise a polymer film, such as the film sold by the company Airtech under the name A4000.
La couche sacrificielle 304 présente une épaisseur comprise entre 25 µm et 1 mm.The sacrificial layer 304 has a thickness of between 25 μm and 1 mm.
Le procédé 100 comprend ensuite une étape 104 pour usiner la paroi 302. Par exemple, la paroi 302 est usinée par un foret 312 qui est introduit depuis une seconde face 303 de la paroi 302 et traverse la paroi 302 et la couche sacrificielle 304, pour réaliser un trou 310.The method 100 then comprises a step 104 for machining the wall 302. For example, the wall 302 is machined by a drill 312 which is introduced from a second face 303 of the wall 302 and passes through the wall 302 and the sacrificial layer 304, to make a 310 hole.
L’étape d’usinage 104 peut également consister à réaliser plusieurs trous 310 dans la paroi 302, en particulier pour réaliser un traitement acoustique de la paroi 302. La paroi 302 est par exemple usinée simultanément par plusieurs forets.The machining step 104 may also consist of making several holes 310 in the wall 302, in particular to carry out acoustic treatment of the wall 302. The wall 302 is for example machined simultaneously by several drills.
L’étape d’usinage 104 peut par ailleurs consister en un détourage ou un découpage de la paroi 302.The machining step 104 may also consist of trimming or cutting the wall 302.
La couche sacrificielle 304 permet de maintenir les fibres de la paroi 302 en CMC lorsque le foret 312 débouche de la première face 305.The sacrificial layer 304 makes it possible to maintain the fibers of the wall 302 in CMC when the drill 312 emerges from the first face 305.
Lors de la perforation de la paroi 302, cette dernière peut être agencée en butée contre une contre-forme qui comprend un évidement en regard de chaque position du foret 312. Ainsi, la paroi 302 est maintenue par une surface dont l’aire est maximale, tout en permettant une évacuation aisée des copeaux formés lors de la perforation de la paroi.When perforating the wall 302, the latter can be arranged to abut against a counter-form which includes a recess facing each position of the drill 312. Thus, the wall 302 is held by a surface whose area is maximum , while allowing easy evacuation of chips formed during perforation of the wall.
Dans un exemple de réalisation, l’usinage de la paroi est réalisé par 22 forets de 1,7 mm venant simultanément en appui sur la paroi en exerçant un effort global de 1700 N, soit environ 77 N par foret. Au niveau de chaque foret, la paroi subit alors une contrainte d’environ 34 MPa. Afin d’éviter une désagrégation ou un délaminage de la paroi au cours de l’usinage, la couche sacrificielle présente une résistance mécanique, en l’occurrence une valeur limite de contrainte hors plan, supérieure à 34 MPa.In an exemplary embodiment, the machining of the wall is carried out by 22 1.7 mm drills pressing simultaneously on the wall, exerting an overall force of 1700 N, or approximately 77 N per drill. At the level of each drill, the wall then undergoes a stress of approximately 34 MPa. In order to avoid disintegration or delamination of the wall during machining, the sacrificial layer has a mechanical resistance, in this case an out-of-plane stress limit value, greater than 34 MPa.
Le procédé peut comporter, de plus, une étape de dépôt d’une couche sacrificielle supplémentaire sur la seconde face 303 de la paroi 302, opposée à la première face 305. Cette étape peut être réalisée à tout moment avant l’étape d’usinage 104, simultanément à l’étape 102 de dépôt de la couche sacrificielle 304 sur la première face 305, ou indépendamment. La couche sacrificielle 303 supplémentaire comprend par exemple un substrat tissé ou un film polymère.The method may also include a step of depositing an additional sacrificial layer on the second face 303 of the wall 302, opposite the first face 305. This step can be carried out at any time before the machining step. 104, simultaneously with step 102 of depositing the sacrificial layer 304 on the first face 305, or independently. The additional sacrificial layer 303 comprises for example a woven substrate or a polymer film.
A l’issue de l’étape d’usinage 104, le procédé 100 comprend une étape 106 pour retirer la couche sacrificielle 304 et la colle 301.At the end of the machining step 104, the method 100 includes a step 106 to remove the sacrificial layer 304 and the glue 301.
Pour cela, la paroi 302 peut être submergée dans de l’eau, ce qui permet de dissoudre la colle et séparer la couche sacrificielle 304 de la paroi 302.For this, the wall 302 can be submerged in water, which makes it possible to dissolve the glue and separate the sacrificial layer 304 from the wall 302.
Alternativement, la couche sacrificielle 304 peut être retirée en l’exposant à de la vapeur d’eau.Alternatively, the sacrificial layer 304 can be removed by exposing it to water vapor.
Claims (10)
déposer (102) une couche sacrificielle (304) sur au moins une partie de la première face (305),
usiner (104) ladite paroi (302) avec un outil d’usinage (312) depuis la seconde face (305) de sorte que l’outil d’usinage (312) traverse la paroi (302) et la couche sacrificielle (304),
retirer (106) la couche sacrificielle (304), et
dans lequel la couche sacrificielle (304) est agencée pour empêcher une désagrégation de la paroi (302) au cours de l’usinage de ladite paroi (302).Method (100) for machining a wall (302) of composite material with a ceramic matrix comprising a first face (305) and a second face (303) opposite each other, the method comprising at least the steps:
deposit (102) a sacrificial layer (304) on at least part of the first face (305),
machining (104) said wall (302) with a machining tool (312) from the second face (305) so that the machining tool (312) passes through the wall (302) and the sacrificial layer (304) ,
removing (106) the sacrificial layer (304), and
in which the sacrificial layer (304) is arranged to prevent disintegration of the wall (302) during the machining of said wall (302).
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2021
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