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CA 02363313 2001-11-13
PROCÉDÉ ET DISPOSITIF DE GRENAILLAGE PAR ULTRASONS DES
ALVÉOLES " AXIALES "D'ATTACHE DES AUBES SUR UN ROTOR
L'invention concerne un procédé de traitement de surface et de mise
en précontrainte de compression par grenaillage de la paroi d'au moins une
cavité oblongue formée dans une pièce, ladite cavité débouchant à
l'extérieur par une embouchure latérale et ayant deux extrémités
S susceptibles de présenter des ouvertures frontales.
En particulier, il est nécessaire de mettre en précontrainte de
compression la paroi d'une alvéole axiale de rotor de turbomachine pouvant
contenir un pied d'aube dont les lignes de contact entre l'alvéole axiale et
le
pied d'aube sont fortement sollicités. En effet, en fonctionnement, les aubes
de turbine ou de soufflantes, bloquées dans les alvéoles axiales par
différents moyens, sont soumises à des forces centrifuges considérables
entraînant une usure par frottement importante au niveau de ces lignes de
contact. Cette usure par frottement réduit la durée de vie des pièces en
exploitation et entraîne régulièrement leur changement.
Pour augmenter la résistance en fatigue du rotor de turbine et durcir
la surface des alvéoles axiales au voisinage des lignes de contact, il est
connu de grenailler les alvéoles axiales au moyen de billes éjectées par une
buse à air comprimé introduite dans chaque alvéole. Les billes provoquent
une mise en compression permanente de la surface traitée sur une faible
épaisseur s'opposant à l'apparition et à la progression des fissures à la
surface de la pièce.
Ces buses ne peuvent projeter que des microbilles dont le diamètre
est inférieur à lmm, et typiquement compris entre 0,3mm et O,Smm.
Ce procédé est nécessairement long, car la surface totale de la cavité
n'est traitée que par une succession de traitements locaux qui peuvent, en
outre, introduire momentanément des déformations locales intempestives et
l'incrustation de résidus de billes. En outre, dans ce procédé, la répartition
des billes, tant en position qu'en vitesse, se fait selon la loi de Gauss.
De plus, le grenaillage effectué est faible pour ne pas générer une
rugosité trop élevée au voisinage de la zone traitée, ce qui entraîne un
durcissement de la surface limité. En effet, Ie diamètre des billes projetées
étant petit, plus le grenaillage est fort, plus la dégradation de l'état de
surface sera importante.
Enfin, le procédé, mettant en oeuvre de nombreux paramètres, est
peu contrôlable et difficilement reproductible.
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Le but de l'invention est de proposer un procédé de grenaillage de
cavités oblongues, en particulier des alvéoles axiales de rotor de turbine,
qui
permette de créer des précontraintes reproductibles sur toutes les cavités,
dans un temps plus court, tout en permettant un grenaillage plus fort, c'est-à-
dire une épaisseur de mise en compression de la surface plus importante
sans toutefois introduire de blessures et en limitant la dégradation ou les
incrustations de la surface traitée.
L'invention atteint son but par le fait que le procédé de grenaillage
est réalisé par ultrasons et comporte les étapes suivantes
a) on place une dose de billes d'un diamètre déterminé sur une
surface vibrante d'une sonotrode préalablement disposée dans une position
intermédiaire dans un fourreau entourant ladite surface vibrante et
comportant des moyens d'obturation susceptibles d'obturer les ouvertures
frontales,
b) on place l'embouchure latérale de la cavité en regard de ladite
sonotrode,
c) on déplace sensiblement verticalement et ensemble, ladite
sonotrode supportant la dose de billes et ledit fourreau vers une position
haute de grenaillage dans laquelle les moyens d'obturation obturent les
ouvertures frontales de la cavité et dans laquelle la sonotrode, disposée en
regard de l'embouchure latérale, délimite, avec le fourreau, les moyens
d'obturation et la cavité, une enceinte étanche aux billes, et
d) on procède au grenaillage par ultrasons de la paroi de la cavité, en
générant un brouillard de billes dans ladite enceinte, au moyen de la
sonotrode excitée par des moyens de production d'oscillations ultrasonores.
Le procédé permet d'obtenir une répartition homogène des
positions des billes constituant un brouillard de billes. Les billes du
brouillard de billes se déplaçant dans des directions aléatoires, elles
viennent frapper les parois des cavités sous des angles variés, ce qui
améliore l'état de surface par rapport aux billes projetées par une buse dans
une direction privilégiée.
En outre, l'intégralité de la surface est soumise en même temps aux
impacts de billes, ce qui diminue considérablement les risques de
déformation de la cavité, en particulier, de l'alvéole contenant le pied
d'aube.
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Pour générer le brouillard de billes, il suffit qu'une bille au moins se
mette en contact avec la surface vibrante lorsque la sonotrode est excitée.
Aussi la sonotrode peut être disposée obliquement par rapport à la verticale.
Avantageusement, après avoir déplacé ensemble la sonotrode et le
S fourreau, on déplace sensiblement verticalement la sonotrode par rapport au
fourreau, afin que la surface vibrante obture l'embouchure.
Le volume dans lequel le brouillard de billes est réparti étant
inférieur au volume obtenu lorsque la surface vibrante reste en dehors de
l'embouchure, le procédé nécessite un temps de traitement de grenaillage
plus court.
Dans ce cas, après avoir grenaillé la paroi d'une cavité, on déplace la
sonotrode vers sa position intermédiaire dans le fourreau, on remplace la
cavité traitée par une autre cavité à traiter, on déplace la sonotrode vers sa
position de grenaillage et on procède au grenaillage par ultrasons de la paroi
de l'autre cavité à traiter.
Si la surface vibrante n'est pas introduite dans l'embouchure, après
avoir grenaillé la paroi d'une cavité, on remplace la cavité traitée par une
autre cavité à traiter, et on procède au grenaillage par ultrasons de la paroi
de l'autre cavité à traiter.
Lorsque la pièce comportant au moins une cavité à traiter n'est pas
circulaire, ou bien lorsqu'il s'agit de traiter en continu une succession de
pièces ayant une seule cavité, Ia géométrie de la pièce n'est pas toujours
adaptée au dispositif et il est nécessaire de déplacer à la fois la surface
vibrante et les moyens d'obturation pour dégager l'espace disponible entre
les étapes d'amenée respectives de chaque pièce et/ou cavité.
Dans Ie cas ou le fourreau doit s'effacer pour passer d'une cavité à
une autre en raison de la géométrie de la pièce, après avoir grenaillé la
paroi
d'une cavité, on déplace ensemble la sonotrode et le fourreau vers une
position basse, on remplace la cavité traitée par une autre cavité à traiter,
on
déplace ensemble la sonotrode et le fourreau vers la position haute de
grenaillage, et on procède au grenaillage par ultrasons de la paroi de l'autre
cavité à traiter.
Selon une variante de réalisation, après avoir grenaillé la paroi d'une
cavité, on déplace la sonotrode vers sa position intermédiaire dans le
fourreau, on déplace ensemble la sonotrode et le fourreau vers une position
basse, on remplace la cavité traitée par une autre cavité à traiter, on
déplace
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ensemble la sonotrode et le fourreau vers la position haute de grenaillage,
on déplace sensiblement verticalement la sonotrode par rapport au fourreau
afin que la surface vibrante obture l'embouchure et on procède au
grenaillage par ultrasons de la paroi de l'autre cavité à traiter.
Lorsqu'on utilise le procédé pour traiter une pièce circulaire, une
jante de rotor par exemple comportant une pluralité de cavités axiales
formées à la périphérie de ladite jante de rotor et présentant des portions de
parois qui divergent à partir de chaque embouchure, l'on fait tourner pas à
pas la jante de rotor autour de son axe de rotation disposée à l'horizontale
de
manière à amener successivement chaque cavité axiale en regard de la
sonotrode après le traitement d'une cavité.
De préférence, on place un déflecteur dans la cavité afin de favoriser
le grenaillage des flancs internes de l'embouchure latérale.
Le déflecteur peut être de géométrie sensiblement triangulaire avec
des côtés parallèles aux portions de parois divergentes de manière à
diminuer l'effet du grenaillage de la zone située entre ledit déflecteur et le
fond de la cavité.
A la fin du traitement, on déplace avantageusement, sensiblement
verticalement la sonotrode vers une position basse dans le fourreau, position
dans laquelle la dose de billes est apte à être chassée de la surface vibrante
vers un réservoir au travers de lumières formées dans le fourreau après le
grenaillage des cavités de la pièce.
Ainsi, la dose de billes est facilement récupérée en we d'être, soit
réutilisée pour un traitement suivant, soit être remplacée.
Avantageusement, on utilise une dose de billes dont le diamètre est
supérieur à 0,8mm.
Les billes utilisées dans le procédé selon l'invention ont un diamètre
plus grand que le diamètre des billes susceptibles d'être projetées par une
buse, de sorte que le grenaillage peut être plus fort tout en ayant une
dégradation de la surface moins importante.
L'invention concerne également une installation pour la mise en
oeuvre de procédé.
Selon l'invention, cette installation comporte
une sonotrode disposée dans un fourreau équipé de moyens
d'obturation susceptibles d'obturer les couvertures frontales d'une cavité,
ladite sonotrode étant susceptible de projeter des billes d'un diamètre
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S
déterminé dans un enceinte délimitée par la paroi de la cavité, la surface
vibrante de ladite sonotrode, le fourreau et les moyens d'obturation ( 14)
des moyens de production d'oscillations ultrasonores susceptibles
d'exciter ladite sonotrode,
des premiers moyens pour déplacer sensiblement verticalement ladite
sonotrode, et des deuxièmes moyens pour déplacer sensiblement
verticalement ledit fourreau,
un premier jeu inférieur au diamètre des billes étant ménagé entre
ladite sonotrode et ledit fourreau.
De préférence, un deuxième jeu inférieur au diamètre des billes est
ménagé entre ladite surface vibrante disposée dans l'embouchure de la
cavité et ladite embouchure.
L'installation comporte avantageusement un troisième jeu inférieur
au diamètre des billes ménagé entre une extrémité du fourreau et
l'embouchure, qui lorsque la surface vibrante n'obture pas l'embouchure
permet de garantir l'étanchéité de l'enceinte.
L'installation peut comporter une pluralité d'ensembles acoustiques
comprenant chacun une sonotrode et un fourreau, disposés autour de la jante
de rotor, lesdits ensembles acoustiques étant aptes à se déplacer selon une
direction axiale de la jante de rotor.
Les différents éléments de l'installation sont agencés de sorte
qu'aucune bille ne peut bloquer lesdits éléments susceptibles de se déplacer.
En outre, la sonotrode et le four-eau comprenant les moyens d'obturation,
ont une géométrie adaptée à la forme de la cavité à traiter. En particulier,
la
surface vibrante est de forme complémentaire à l'espace laissé par
l'embouchure et les moyens d'obturation sont formés de manière à bien
obturer les ouvertures de ladite cavité.
Avantageusement, les deuxièmes moyens de déplacement sont
susceptibles de déplacer ensemble les moyens d'obturation et la sonotrode.
Les premiers moyens de déplacement et les deuxièmes moyens de
déplacement sont avantageusement aptes à être commandés simultanément.
Au départ du traitement, le fourreau et la sonotrode sont placés dans
une position intermédiaire dans laquelle l'espace engendré par les moyens
d'obturation dudit fourreau et la surface vibrante de ladite sonotrode
constitue un réservoir pour la dose de billes. Puis, ledit fourreau et ladite
sonotrode supportant la dose de billes sont déplacés conjointement à l'aide
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d'un même déplacement. Enfin, la sonotrode et/ou les moyens d'obturation
sont susceptibles d'être déplacés individuellement, selon la géométrie de la
cavité à traiter jusqu'à ce que respectivement la surface vibrante obture
l'embouchure de la cavité et que les moyens d'obturation obturent les
ouvertures de la cavité.
Avantageusement, l'installation comporte des moyens de support
pour supporter au moins une pièce à traiter et des moyens d'entraînement
desdits moyens de support pour amener pas à pas une cavité au-dessus de la
sonotrode.
L'installation comprend avantageusement des moyens pour chasser la
dose de billes de la surface vibrante vers un réservoir.
Ces moyens simples, permettent de chasser la dose de bille au cours
d'un traitement si nécessaire, ou à la fin de celui-ci, soit pour rafraîchir
les
billes, soit pour les remplacer.
D'autres caractéristiques et avantages de (invention ressortiront à la
lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en
référence aux dessins annexés dans lesquels
- la figure 1 est une vue en perspective d'une jante de rotor,
- la figure 2 est une vue frontale d'une aube de soufflante disposée
dans une cavité axiale formée à la périphérie de la jante de rotor,
- la figure 3 est une coupe axiale de l'installation, le fourreau et la
sonotrode étant placés en position haute de grenaillage,
- la figure 4 est une vue en perspective du fourreau contenant la
sonotrode placée en position haute de grenaillage dans ledit fourreau,
- la figure S est une coupe de la figure 3 selon la ligne V-V,
- la figure 6 est une coupe du fourreau contenant la sonotrode, dans
sa position intermédiaire, et
- la figure 7 est une coupe du fourreau contenant la sonotrode, dans
sa position basse.
La figure 1 montre une jante de rotor 1 comportant une pluralité
d'alvéoles 2 sensiblement axiales, formées à la périphérie de la jante de
rotor 1 et régulièrement espacées autour de l'axe de rotation lA de la jante
de rotor. Ces alvéoles 2 présentent une ouverture frontale 3 à chaque
extrémité. Ces alvéoles 2 sont en forne de queue d'aronde et présentent une
embouchure 2A ouverte radialement vers l'extérieur et de forme
sensiblement rectiligne afin de pernettre le montage des pieds d'aube 4
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sensiblement en forme de queue d'aronde des aubes de soufflante 6. Les
alvéoles 2 peuvent être rectilignes ou curvilignes.
Chaque pied d'aube 4 est monté axialement par coulissement dans
une alvéole 2. Entre le pied d'aube 4 et le fond de la l'alvéole 2 peut être
S engagée une cale (non représentée) qui maintient le pied d'aube 4 en appui
contre les parois de la l'alvéole 2 correspondante.
La figure 2 montre que l'appui entre les parois de la l'alvéole 2 et le
pied d'aube 4 se traduit par deux lignes de contact 2B.
Le but de l'invention est de proposer un procédé et une installation
pour mettre en précontrainte de compression la paroi 2C de chaque alvéole
2 et en particulier les zones des deux lignes de contact 2B, de manière à
augmenter la résistance à l'usure de ces lignes de contact 2B provoquée par
le frottement entre le pied d'aube 4 et la paroi de l'alvéole 2 et ainsi
augmenter la résistance en fatigue de la jante de rotor 1.
Les figures 3 et 5 montrent un exemple d'installation utilisée pour la
mise en oeuvre du procédé dans laquelle un seul ensemble acoustique est
utilisé, ledit ensemble acoustique étant susceptible de se déplacer
verticalement. L'ensemble acoustique comporte essentiellement une
sonotrode 8 disposée dans un fourreau 16 équipé de joues d'obturation 14.
L'installation est positionnée en dessous de la jante de rotor I. La sonotrode
8, ainsi que le fourreau 16 sont placés dans une position haute de
grenaillage, comme représentés sur la figure 3. Dans cette position haute de
grenaillage, la sonotrode 8 obture de préférence l'embouchure 2A et les
joues d'obturation 14 formées sur le fourreau 16 obturent les deux
ouvertures 3.
Des billes 10 d'un diamètre compris entre 0,8mm et Smm,
préférentiellement égal à I mm, sont projetées par la surface vibrante 8A
orientée vers le haut de la sonotrode 8 dans l'enceinte 12 délimitée par la
paroi 2C, la surface vibrante 8A et les joues d'obturation 14. La surface
vibrante 8A est excitée par un générateur de vibrations 18, par exemple à
quartz, afin de créer un brouillard de billes 10 dans l'enceinte 12.
Le jeu e 1 ménagé entre la sonotrode 8 et le fourreau 16 est inférieur
au diamètre des billes 10, de sorte qu'aucune bille 10 ne peut passer entre la
surface vibrante 8A et le fourreau 16.
En référence aux figures 3 à S, la surface vibrante 8A, est
sensiblement rectangulaire et a une longueur L 1 sensiblement égale à la
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longueur L2 de l'alvéole 2 mesurée axialement. La sonotrode 8 est en
position haute de grenaillage dans le fourreau 16 qui borde la surface
vibrante 8A. Les joues d'obturation 14 sont de forme simple, par exemple
rectangulaire, afin de masquer intégralement les ouvertures 3. La largeur de
la surface vibrante 8A est sensiblement égale à la largeur de l'embouchure
2A.
La figure 5 montre que l'alvéole 2 est de forme concave avec des
portions de paroi 2'C qui divergent à partir de l'embouchure 2A. Dans
l'alvéole 2 on a introduit un déflecteur 15 porté par les joues d'obturation
14.
Ledit déflecteur 1 S est triangulaire avec des côtés sensiblement parallèles
aux portions de paroi 2'C et au fond de l'alvéole. Il permet notamment
d'atténuer l'effet du grenaillage du fond de l'alvéole et d'augmenter le
grenaillage des parois 2'C.
Le jeu e2 ménagé entre la surface vibrante 8A de la sonotrode 8 et
I S l'embouchure 2A est inférieur au diamètre des billes 10 de sorte qu'aucune
bille 10 ne peut sortir hors de l'enceinte 12.
Si la surface vibrante 8A n'obture pas l'embouchure au cours du
grenaillage, un troisième jeu e3 compris entre une extrémité 16A du
fourreau 16 et l'embouchure 2A permet d'assurer l'étanchéité de l'enceinte
12.
Une première glissière 20 permet d'effectuer les déplacements
verticaux de la sonotrode 8 en faisant coulisser ladite sonotrode 8 dans le
fourreau 16. Une deuxième glissière 22, portée par un bâti 24, permet quant
à elle de déplacer sensiblement verticalement à la fois la sonotrode 8 et le
fourreau 16. Des moyens de commande (non représentés) permettent de
commander ladite première glissière 20 et ladite seconde glissière 22.
La première glissière 20 peut être portée soit par la deuxième
glissière 22, comme indiqué sur la figure 5, soit par le bâti 24, auquel cas
la
commande des deux glissières 20 et 22 doit être synchronisée pour monter
ensemble la sonotrode 8 et le fourreau 16 vers la position haute de
grenaillage.
Avant de débuter l'opération de traitement d'une alvéole axiale 2, la
sonotrode 8 est placée dans une position intermédiaire dans le fourreau 16,
position dans laquelle l'espace délimité par le fourreau 16 et la surface
vibrante 8A, constitue un récipient 26 qui permet de contenir la dose de
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billes 10 qui est déposée sur la surface vibrante 8A, comme représenté sur la
figure 6.
Après avoir fixé la jante de rotor 1 par des moyens de maintien (non
représentés), on amène une première alvéole 2 en regard de la sonotrode 8,
en faisant tourner la jante de rotor 1 autour de son axe de rotation IA à
l'aide de moyens d'entraînement (non représentés). Les moyens
d'entraînement comportent par exemple un moteur pas à pas.
On déplace la sonotrode 8 et le fourreau 16 vers leur position haute
de grenaillage, puis, on procède au grenaillage de la première alvéole 2 en
actionnant le générateur de vibrations 18. Dès que le grenaillage de la
première alvéole 2 est terminé, la sonotrode 8 est dégagée de l'embouchure
2A vers sa position intermédiaire, puis on amène une deuxième alvéole 2 en
regard de la sonotrode 8, en faisant tourner la jante de rotor 1 d'un angle
égal à celui séparant deux alvéoles axiales consécutives 2 autour de son axe
de rotation 1 A, et ainsi de suite jusqu'à ce que le traitement de l'ensemble
des alvéoles axiales 2 formées sur la jante de rotor 1 soit terminé.
A la fin du traitement, ou à la demande, la sonotrode 8 est retirée vers
sa position basse, représentée figure 7, dans laquelle on procède au
dégagement de la dose de billes 10. Les billes 10 sont par exemple soufflées
de la surface 8A à l'aide d'une soufflette 28 au travers de lumières 30
formées dans le fourreau 16 et récupérées dans un réservoir 32. Lesdites
billes 10 peuvent ensuite être rafraîchies ou bien remplacées en vue d'un
traitement ultérieur.
I1 est à noter que la sonotrode 8 peut être déplacée selon une
direction oblique sans sortir du cadre de l'invention. Ce qui compte c'est
qu'il y ait au moins une bille 10 dans le récipient 26 au contact de la
surface
8A lors de la mise en route de la sonotrode 8 afin d'amorcer la formation du
brouillard de billes.
