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WO 02/24411 PCT/FRO1/02917
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GRENAILLAGE. TRANSVERSAL PAR ULTRASONS DES AUBES SUR UN ROTOR
L'invention se rapporte à un procédé de grenaillage par ultrasons de
pièces qui s'étendent radialement à la périphérie d'une roue, telles que des
pales
d'aubes de turbomachines sur un rotor. L'invention se rapporte également à une
machine de grenaillage pour la mise en oeuvre du procédé.
Par le terme roue on entend un objet ayant une forme générale de
révolution selon un axe géométrique, susceptible d'être mis en rotation autour
de
son axe.
Afin d'améliorer la résistance à la fatigue de pièces mécaniques, il est
connu d'en grenailler la surface par projection de microbilles. Cette
technique est
très utilisée en aéronautique, pour mettre en compression, permanente la
surface de
pièces sur une faible épaisseur. Cette mise en compression s'oppose à
(apparition
ou à la progression des fissures à la surface de la pièces ce qui permet
d'améliorer
la résistance à la fatigue. La technique consiste à projeter contre la surface
de la
pièce, avec un angle d'incidence faible par rapport à la perpendiculaire à
cette
surface et avec une énergie cinétique suffisante, des inicrobilles.
De préférence, (angle d'incidence est inférieur à 45° par rapport
à la:
perpendiculaire à la surface pour que les impacts puissent transmettre une
énergie
suff sante de la bille à la surface impactée. L'exposition de Ia pièce au
grenaillage
passe par un optimum. Un grenaillage insuffisant ne donne pas la résistance
prévue mais on peut encore effectuer un grenaillage complémentaire. Par côntre
un grenaillâge excessif provoque une dégradation irréversible de la pièce.
La technique du grenaillage s'applique notamment pour comprimer les'
surfaces des pales des aubes d'un rotonde turbomachine. Dans le cas des aubes
qui
comportent des parois fines, il est nécessaire de grenailler en même temps les
deux faces des pales, afm d'éviter des déformations par modification des
courbures dans les zones minces.
Traditionnellement le grenaillage des surfaces de parois épaisses, se
fait en projetant des microbilles au moyen d'une buse alimentée simultanément
en
gaz comprimé et en microbilles. Le grenaillage des pales des aubes de
turbomachines se fait au moyen de deux buses grenaillant chacune une face de
lâ
pale. Ce procédé de grenaillage présente en soi deux inconvénients
- les paramètres de grenaillage ne sont pas stables, et la machine de
grenaillage doit être fréquemment contrôlée et réglée lorsqu'on recherche un
grenaillage proche de (optimum,
- (état de surface est dégradé, ce qui nuit à la durée de vie des pièces,
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- la mise en oeuvre du procédé doit se faire dans une cabine
suffisamment grande pour permettre la manipulation des pièces, et des buses de
grenaillage.
Lorsque les surfaces à grenailler sont des pales de roue aubagées
monoblocs, écartées d'une distance relativement faible Tune par rapport à
(autre,
le pràcédé de grenaillage par des buses est encore plus délicat à mettre en
oeuvre.
La demanderesse a proposé dans la demande de brevet français
déposée le 18 novembre 1999 et enregistrée sous le numéro FR 99 14 482, un
procédé de grenaillage par ultrasons, au moyen d'un brouillard de microbilles
entretenu dans une enceinte active par une surface vibrante. Selon le procédé
décrit dans cette demande, la roué est entraînée en rotation autour de son axe
disposé à (horizontale. Les aubes situées dans la partie inférieure de la roue
traversent l'enceinte active à faible vitesse et sont impactées par les
microbilles du
brouillard entretenu par la surfacé vibrante disposée sous les extrémités des
aubes
inférieures.
Les microbilles activées par la surface vibrante viennent frapper les
surfaces des aubes situées dans fenceinté active, sur lesquelles elles
rebondissent,
ainsi que les parois périphériques de la roue situées entre les aubes. Les
microbilles qui ont perdu leur énergie cinétique, retombent sur la surface
vibrante
qui les reprojette dans (enceinte active. Certaines microbilles sortent de
fencéinte
active et sont récupérées dans des enceintes inactives adjacentes d'où elles
retournent vers le fond de (enceinte active par gravité.
Les extrémités minces des pales sont soumises à des impacts très
violents et elles doivent être rognées à la fm de (opération de grenaillage.
Au cours de (opération de grenaillage, la roue tourne sur plusieurs
tours. II est ainsi plus aisé d'atteindre foptimûm, et d'éviter les asymétries
de
grenaillage, génératrices de déformation lorsque~les pièces sont minces.
Le procédé décrit dans FR 99 14 482 est particulièrement adapté pour ,
des pales d'aubes ayant une longueur relativement faible.
Mais lorsque les pales sont longues en comparaison de la distance
entre deux pales consécutives, notamment si lé rapport entre la longueur et la
distance interpale est supérieur à trois, ou bien lorsque la hauteur de pale
est
supérieure à 100mm et que la forme de la pale est très recourbée, les flancs
des
pales situés vers le fond de (espace interpale sont moins grenaillés car les
microbilles ont déjà effectuées plusieurs rebonds pour les atteindre et ont
perdu
une partie de leur énergie cinétique. Ainsi, le grenaillage n'est plus
homogène et il
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faut augmenter la durée du grenaillage pour assurer un grenaillage minimal en
tous points.
Le but de (invention est de proposer un procédé de grenaillage par
ultrasons de pièces qui s'étendent radialement à la périphérie d'une roue qui
permette un grenaillage efficace des surfaces de ces pièces, quelle que soit
leur
longueur.
L'invention concerne donc un procédé de grenaillage par ultrasons de
pièces qui s'étendent radialement à la périphérie d'une roue, procédé selon
lequel
on met la roue en rotation autour de son àxe géométrique et on crée un
brouillard
de rriicrobilles dans une enceinte active fixe disposée latéralement à ladite
roue, au
moyen d'une première surface vibrante disposée dans la partie inférieure de
ladite enceinte active comportant des ouvertures conformées pour permettre
(entrée et la sortie des pièces au cours de la rotation de la roue et étant
dimensionnée pour loger au moins trois pièces adjacentes.
Le procédé selon (invention est caractérisé par le fait que fon fait
tourner la roue autour de son axe disposée sensiblement à la verticale et par
le fait
que la première surface vibrante est disposée sous le chemin des pièces dans
(enceinte active.
Cette disposition permet d'impacter toutes les zones surfaciqùes des
pièces transitant dans (enceinte active quelle que soit leur distance par
rapport à
(axe de rotation de la roue.
Selon une caractéristique avantageuse dù procédé selon l'invention,
(enceinte comporte une deuxième surface vibrante au-dessùs du chemin des
pièces dans (enceinte active. ' '
Grâce à cette caractéristique les microbilles qui atteignent la partie
supérieure de (enceinte avec une faible énergie cinétique et sont prêtes à
retomber
par gravité, sont réactivées par cette deuxième surface vibrânte, et
participent de
nouveau au grenaillage effectif par rebondissement sur les surfaces des pièces
et
les parois de l'encèinte active.
Lorsque le procédé selon l'invention est appliqué à des pièces ayant
des bords minces en regard d'une surface vibrante, tels les bords d'attaque et
les
bords de fuite, des pales d'aubes de turbomachines, et selon une autre
caractéristique avantageuse de l'invention, on protège lesdits bords minces au
cours du grenaillage.
Cette protection peut être assurée de préférence par des tringles
solidaires en rotation de la roue et masquant chacune un bord mince. Ces
tringles
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sont disposées entre les bords minces et les sonotrodes. Elles ont pour effet
de
diminuer (énergie des billes susceptibles d'impacter les bords minces. Elles
peuvent être au contact des bords minces ou un peu écartées de ceux-ci.
Elle peut également être assurée par des tringles fixes solidaires de
l'enceinte. Dans ce cas on fait tourner la roue pas à pas au cours du
grenaillage de
telle manière que les bords des pièces situées dans (enceinte active soient
situés en
regard des tringles fixes. Le grenaillage peut être arrêté au cours du
pivotement
d'un pas de la roue.
Ainsi, pendant le grenaillage, les tringles sont situées entre les bords
minces des aubes et les sonotrodes afin de protéger les bords minces des
impacts à
haute énergie des billes venant directement d'une sonotrode.
L'invention concerne également une machine de grenaillage pour
mettre en oéuvre le procédé décrit ci-dessus.
Cette machine est caractérisée par le fait qu'elle comporte
un plateau tournant d'axe sensiblement vertical équipé de moyens de
retenue d'une roue comportant radialement des pièces à grenailler,
coaxialement
audit plateau,
des moyens pour entraîner le plateau tournant en rotation autour de
son axe, et au moins un dispositif pour grenailler lesdites pièces, ledit
dispositif de
grenaillage comprenant
une enceinte active disposée latéralement à ladite roue et
dimensionnée. 'pour loger au moins trois pièces adjacentes et présentant une
ouverture conforméé pour permettre l'entrée et la sortie des pièces au cours
de la
rotation de la zone,
une première surface vibrante disposée dans le fond de (enceinte
active en dessous du chemin des piéces dans Ladite enceinte active et
susceptible
d'entretenir un brouillard de microbilles dans ladite enceinte active, et
des moyens pour récupérèr les microbilles qui s'ëchappent de
l'enceinte active et les retourner vers ladite enceinte.
Avantageusement, le dispositif de grenaillage comporte en outre une
deuxième surface vibrante disposée dans (enceinte active au-dessus du chemin
des pièces.
La machine peut également comporter des moyens pour protéger les
bords des pièces situés en regard d'une surface vibrante.
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D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la
lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux
dessins
annexés dans lesquels
la figure 1 est une vue schématique de dessus d'une machine de
5 grenaillage selon l'invention sur laquelle est montée une roue aubagée de
turbomachine dont les pales des aubes doivent être grenaillées,
la figure 2 est une coupe verticale selon la figure II-II de la figure 1 ;
la figure 3 montre la fixation de la roue aubagée sur le plateau tournant
de la machine et la disposition des faisceaux de grilles de protection des
bords
d'attaque et des bords de fuite des pales ;
la figure 4 est une coupe de la machine à grenailler par un plan vertical
coupant le plan de la figure 1 selon la ligne IV-IV ;
la figure 5 est semblable à la figure 4 et montre à plus grande échelle
(enceinte active et les enceintes de récupération des microbilles sortant de
(enceinte active ;
la figure 6 est une coupe selon la ligne VI-VI de la figure 4, par un
plan horizontal traversant les enceintes et situé en dessous du chemin des
aubes
dans le dispositif de grenaillage ; et
la figure 7 est semblable à la figure 2 et montre à plus grande échelle
le dispositif de grenaillage et des tringles de protection des bords d'attaque
et
bords de fuite des pales, ces tringles étant montées fixes sur les enceintes.
Sur les dessïns on a représenté par la référence 1 une machine de
grenaillage des pales 2 qui s'étendent radialement à la périphérie d'une roue
3
d'axe x de turbomachine. La roue 3 peut être par exemple un disque aubagé
monobloc ou une roue de turbomachine équipée d'aubes mobiles. Les pales 2
peuvent également être des pièces dont les surfaces doivent être grenaillées
et qui
comportent des moyens pour les retenir radialement et régulièrement espacés
angulairement à la périphérie d'une roue 3 qui sert alors de support aux
pièces à
grenailler.
La machine de grenaillage 1 comporte essentiellement un plateau
tournant 4 porté par un arbre 5 d'axe 6 sensiblement vertical. L'arbre 5 peut
être
entraîné en rotation autour de son axe 6 par des moyens d'entraînement en
rotation, un moteur ëlectrique par exemple, non montré sur les dessins. La
roue 3
est fixée sur le plateau tournant 4 aù moyen d'une pièce de bridage 7
coopérant
avec un alésage taraudé 7a d'axe 6 ménagé dans le plateau tournant 4, de telle
manière que son axe x soit confondu avec Taxe 6 du plateau tournant 4.
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De préférence, ainsi que cela est visible sur les figures 2 et 3, un
premier flasque annulaire 8 est interposé entre le plateau tournant 4 et la
roue 3 et
un deuxième flasque annulaire 9 est interposé entre la roue et la pièce de
bridage
7.
Ces flasques annulaires 8 et 9 comportent à leur périphérie des tringles
radiales respectivement 8a et 9a, en nombre égal au nombres de pales 2 de la
roue
3, régulièrement espacées autour de Taxe x. Chaque tringle 8a et 9a reprend la
forme des bords de fuite et bords d'attaque des pales 2. Le flasque annulaire
inférieur 8 est positionné sous la roue 3 de telle manière que le faisceau des
'
tringles radiales 8a recouvre les bords inférieurs des pales 2. Le flasque
annulaire
supérieur 9 est également positionné angulairemént par rapport à la roue 3 de
telle
manière que le faisceau de tringles 9a recouvre les bords supérieurs des pales
2.
Lors de la rotation du plateau tournant 4 autour de faxe'6, la roue 3 et les
flasques
annulaires 8 et 9 tournent autour de Taxe 6.
Le diamètre du plateau tournant 4 est choisi en fonction de la roue 3
et de telle manière que les pales 2 se projettént radialement à (extérieur de
la
périphérie dudit plateau tournant.
Sur les figures 1 à 3 on voit que la machine 1 comporte en outre une
glissière sensiblement Horizontale fixe 10, solidaire du bâti de support de
(arbre 5,
et dont Taxe est perpendiculaire à l'axe 6 de (arbre 5.
Sur cette glissière 10 est monté coulissant le dispositif de grenaillage
11 proprement dit. Lors du montage de la roue 3 sur lé plateau tournant 4 ou
lors
de son démontage, le dispositif de grenaillage 11 est écarté du plateau
tournant 4.
Ce dispositif de grenaillage 11 comporte essentiellement une enceinte
centrale 12 dite açtive disposée entre deux enceintes latérales 13 ét 14 dites
inactives et destinées à réçupérer des microbilles 15 qui s'échappent
éventuellement de f enceinte centrale et à les retourner vers (enceinte
centrale 12
ainsi qué cela est expliqué plus loin dans le présent mëmoire.
Ces enceintes 12 et 13 et 14 sont délimitées ensemblé par une paroi
périphérique externe 16 rigide en forme de secteur circulaire et dont le
diamètre
intérieur est sensiblement égal ou légèrement supérieur au diamètre du chemin
parcouru par les extrémités des pales 2 au cours de la rotation de la roue 3
autour
de l'axe 6, une paroi inférieure 17 en forme de cuvette qui s'étend entre la
paroi
périphérique 16 et la périphérie dû plateau tournant 4 et une paroi supérieuré
18 en
forme de cuvette renversée ou d'un dôme qui s'étend entre la paroi
périphérique 16
et la périphérie du flasque supérieur 9.
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La paroi inférieure 17 est disposée sous le chemin parcouru par les
pales 2 au cours de la rotation de la roue 3 ét la paroi supérieure 18 est
située
au-dessus de ce chemin. Une surface vibrante inférieure 20 est disposée dans
le
fond de la cuvette formée par la paroi inférieure 17 est une deuxième surface
vibrante 21 est disposée dans la partie supérieure du dôme formée par la paroi
supérieure 18.
Des cloisons verticales et radiales présentant des ouvertures dont le
contour est conformé selon les surfaces annulaires engendrées par les tringles
8a et
9a au cours de la rotation de la roue 3, relient les parois 17 et 18 à la
paroi
périphérique 16. Ces èloisons au nombre de quatre au dessus et au-dessous du
chemin des pales 2 comportent notamment des cloisons latérales d'extrémité
21a,
21b qui délimitent circonférentiellement les enceintes inactives 13 et 14, et
des
cloisons intermédiaires 22a, 22b qui séparent l'enceinte active 12 des
enceintes
latérales inactives 13 et 14. Les çloisons intermédiaires 22a, 22b inférieures
présentent au voisinage de la paroi inférieure 17, des ouvertures ou fentes 23
qui
permettent aux microbilles 15 qui pénètrent dans les enceintes latérales
inactives
13 et 14 de retourner vers la surface vibrante inférieure 20 par gravité.
L'enceinte active 12 est ainsi délimitée circonférentiellement par les
cloisons 22a et 22b et est disposée entre les surfaces vibrantes 20 et 21,
ainsi que
cela est visible sur la figure 5.
L'étendue circonférentielle de cette enceinte active 12 est telle qu'au
moins trois palés 2 puissent loger dans cette enceinte active 12.
Une certaine quantité de microbilles 15 est placëe dans l'enceinte
active 12. Lorsque les surfaces vibrantes 20 et 21 des sonotrodes sont
activéés, les
microbilles 15 placées au dessus de'la surface vibrante inférieure 20 sont
projetées
vers le haut, viennent frapper les surfaces des pales 2, rebondissent sur ces
surfaces et poursuivent leûr chemin de façon aléatoire. Certaines de ces
microbilles 15 atteignent la surface vibrante supérieure 21 qui leur fournit
une
nouvelle énergie cinétique. Ces billes 15 frappent de nouveau les parois des
aubes
2 au cours de leur descente. Il va de soi que certaines microbilles 15
viennent
frapper les cloisons intermédiaires 22a et 22b sur lesquelles elles
rebondissent.
Ces microbilles 15 restent dans l'enceinte active 12, et retombent sur la
surface
vibrante 20 lorsqu'elles ont perdu leur énergie cinétique.
Du fait du déplacement des pales 2 à travers les ouvertures ménagées
entre les cloisons intermédiaires supérieures et inférieures 22a et 22b,
cértaines
microbilles 15 pénètrent dans les ~ enceintes latérales 13 et 14 par l'espace
séparant
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les contours des cloisons 22a et 22b des tringles 8a et 9b les plus proches.
Ces
microbilles 15 perdent rapidement leur énergie cinétique dans les enceintes
latérales 13 et 14, tombent sur la paroi inférieure 17 qui est inclinée, et
retournent
sur la surface vibrante inférieure 20 par les fentes 23 ménagées au pied des
cloisons intermédiaires inférieures 22a et 22b.
Au cours d'un tour de rotation de la roue 3, les pales 2 sont impactées
par les microbilles 15 pendant la durée de leur passage dans la chambre active
12.
De manière avantageuse cette durée. de passage est nettement
inférieure à la durée totale de grenaillage nécessaire poûr obtenir le
résultat
optimum, et le nombre de tours à effectuer pour obtenir le résultat optimum
est
calculé en conséquence. Ce nombre de tours est au moins égal à 3. Ceci pérmet
de
réduire la déformation des pales résultant des écarts temporaires de
grenaillage
entre les deux faces des pales pendant le traitement. En effet, lorsqu'une
pale entre
dans (enceinte, sa face tournée dans le sens de rotation subit un grenaillage
plus
intense que sa face opposée du fait qu'elle est mieux exposéé aux impacts à
haute
énergie des billes vénant directement de la sonotrode. La mise en
précontrainte de
compression de la face tournée vers lavant est donc plus importante que celle
de
la face opposée, ce qui provoque la déformation partiellement plastique vers
l'arrière de la pale. Lorsque la pale va ressortir. de (enceinte de
grenaillage, c'est le
phënomène inverse qui se produit, mais il réste cependant une déformation
résiduelle de la pale.
En effectuant le grenaillage en N tours au lieu d'un seul, (écart
temporaire de grenaillage éntre les deux faces des pales est divisé par N, ce
qui
divise sensiblement par N la déformation résûltante des pales. Le nombre de
tours
N n'est pas critique. Trois à cinq tours est considéré par la déposante comme
étant
acceptable pour obtenir un résultat significatif.
Il est à noter que pour diminuer le temps total , de grenaillage il est
possible d'équiper la machine l de plusieurs dispositifs de , grénaillage 11
identiques à celui décrit ci-dessus et répartis angulairement autour de l'axe
6.
La figure 7 montre une variante de réalisation du système de
protection des bords d'attaque et bords de fuite des pales 2, Dans cette
variante, les
flasques annulaires 8 et 9 ne comportent pas de faisceaux de tringles radiales
8a,
9a. Les tringles de protection 30 et 31 fixes par rapport au dispositif de
grenaillagel l, sont montées dans l'enceinte active 12. Le nombre de tringles
30 et
31 est égal au nombre de pales 2 susceptible de loger dans l'enceinte active
12.
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Au cours de (opération de grenaillage, les pales 2 sont immobilisées
pendant une certaine durée dans une position telle que leurs bords d'attaque
et
leurs bords de fuite soient protégés par les tringles 30 et 31. Ensuite elles
sont
déplacées d'un pas égal à l'écart angulaire entre deux pales 2 consécutives .
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, les tringles 30, 31
sont fixées, par une extrémité 32, 33, à la paroi extérieure 16 et, par (autre
extrémité, à un support commun 34, 35 qui fait office de joint d'étanchéité
entre le
rotor 3 et respectivement les parois intérieures 17, 18, cette étanchéité
étant
assurée lorsque les jeux laissés sont inférieurs au diamètre des billes.
Afin de simplifier (introduction du rotor 3 dans les enceintes de
grenaillage 12, 13 et 14, il peut être avantageux de diviser la paroi
extérieure 16 en
deux parties 16a et 16b séparées par un plan de joint 36 sensiblement dans le
plan
du rotor 3. L'introduction du rotor 3 se fait alôrs selon le processus suivant
- écarter, suivant la trajectoire 37, les constituants supérïeurs des
enceintes, soit la
partie supérieure I6a de la paroi externe 16, la sonotrode 21 et la paroi
interne 18,
- mettre en place le rotor 3 suivant la trajectoire 38,
- rapprocher ces mêmes, constituants supérieurs des enceintes suivant une
trajectoire 39 inverse de la trajectoire 37 afin de refermer les enceintes sur
le rotor
et de permettre le grenaillage.
Ce déplacement pas à pas est réalisé à grande vitesse si le grenaillage
continue pendant ce déplâcement, afin que les bords d'attaque et les bords de
fuite
soient impactés peu souvent lors du déplacement. On peut également arrêter les
sonotrodes pendant la durée du déplacement pas à pas des pales 2.
