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CA 02582391 2013-09-26
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PROCÉDÉ DE CALIBRAGE MONOBLOC POUR TREMPE DE CARTER,
DISPOSITIF DE MISE EN OEUVRE DU PROCÉDÉ
La présente invention se rapporte au domaine de la métallurgie et vise le
calibrage de pièces cylindriques formées par laminage.
On fabrique dans le domaine des turbomachines des pièces cylindriques
d'un seul tenant pour constituer notamment des carters de compresseur ou
des carters de rétention d'aubes. Ce type de pièce qui peut être de
dimension et de poids imposants est réalisé par laminage d'un lopin
d'alliage adapté à sa destination. Le laminage est suivi d'un traitement
thermique à chaud afin d'en améliorer les propriétés mécaniques en
relaxant les contraintes internes produites par les efforts de déformation
plastique du matériau. Outre ce traitement, une opération de calibrage est
requise en raison des faibles tolérances sur les cotes notamment internes
pour ce type de pièce.
Actuellement, on procède, avant l'étape de traitement thermique, par
expansion en agissant sur la surface intérieure au moyen d'un appareil, dit
expanseur, pourvu de moyens poussoirs appropriés actionnés généralement
hydrauliquement. On constate toutefois que la géométrie de la pièce est
susceptible d'évoluer encore au cours du traitement thermique, et un
nouveau calibrage à froid est souvent nécessaire. On a proposé de former la
pièce avec une surépaisseur capable d'absorber l'écart de cote mais une
telle solution n'est pas satisfaisante, surtout pour une turbomachine
aéronautique en raison de l'augmentation du poids matière engagé.
Le déposant s'est fixé comme objectif de mettre au point une nouvelle
méthode de calibrage d'une pièce cylindrique obtenue par déformation
plastique de matière, plus économique, en réduisant le nombre d'opérations
et en mettant au point un outillage de structure moins complexe et moins
onéreux à réaliser.
L'invention résulte de l'observation qui a été faite concernant certains
alliages, dont l'acier Z5CNU17, qui ont la propriété de présenter un retrait
structural maximum à une température située entre la température de
traitement thermique à chaud et la température ambiante. Le matériau,
pendant la phase de refroidissement, se contracte jusqu'à cette température
puis se dilate quand la température de la pièce est ramenée à la température
ambiante.
Le procédé de l'invention pour calibrer une pièce cylindrique après mise
en forme par laminage d'un matériau métallique présentant un retrait
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structural maximum à une température de retrait maximum comprise entre
une première température, telle que une température de traitement
thermique à chaud et une deuxième température telle que la température
ambiante, est caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes successives
suivantes :
- mise en place de la pièce dans un four vertical,
- positionnement d'un outillage de calibrage interne de diamètre
supérieur à celui de la pièce lors de son retrait structural
maximum, au droit de la pièce en dehors du four,
- chauffage de la pièce jusqu'à une première température,
- descent et mise en place, à l'intérieur de la pièce, d'un outil de
calibrage interne de diamètre supérieur à celui du retrait structural
maximum de la pièce,
- transport de l'ensemble formé par la pièce et l'outil de calibrage
jusqu'à une cuve de trempe
- refroidissement de la pièce jusqu'à une température inférieure à
ladite deuxième température,
- extraction de l'outil de calibrage interne.
Ainsi, par le procédé de l'invention, on met à profit cette propriété du
matériau pour effectuer le calibrage de la pièce au cours de la phase de
trempe après le traitement thermique à chaud ce qui simplifie les opérations
de traitement de la pièce. En outre l'outil de calibrage peut être une simple
couronne de diamètre extérieur approprié sans élément articulé ou
mécanisé.
Pratiquement, on dispose la pièce dans un four et on le chauffe jusqu'à sa
première température qui avantageusement est sa température de traitement
thermique; ensuite on met en place ledit outil de calibrage sur la pièce et on
dispose l'ensemble dans un bac de trempe où l'on fait refroidir la pièce
jusqu'à ladite température inférieure qui tend vers la température ambiante.
Cependant, bien que le procédé s'applique avantageusement en étant
associé au traitement thermique et à la trempe de la pièce après sa
fabrication par laminage, il peut être mis en oeuvre chaque fois que le
matériau présente une température de retrait maximum située entre une
première température et une deuxième température, la première étant plus
élevée que la deuxième.
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L'invention porte également sur un dispositif particulier permettant une
mise en uvre avantageuse du procédé. Celui-ci comprend un mannequin
avec un cadre pourvu de bras radiaux articulés formant supports de la
pièce, un moyen d'accrochage du mannequin, l'outil de calibrage étant
suspendu par des cables ou autres moyens équivalents audit moyen
d'accrochage.
Conformément à une autre caractéristique le moyen d'accrochage du
mannequin est amovible, entre une position où il est solidaire par une tige
au mannequin et une position où le mannequin suspendu au moyen
d'accrochage par des câbles ou autres moyens équivalents.
On décrit maintenant un mode de réalisation non limitatif du procédé de
l'invention en faisant référence aux dessins sur lesquels,
les figures 1 à 5 montrent les différentes étapes du procédé de
l'invention selon une première mise en oeuvre ;
les figures 6 à 18 montrent les différentes étapes du procédé selon
une autre mise en oeuvre particulièrement avantageuse.
On décrit le procédé en en détaillant les différentes phases. La pièce à
calibrer peut être un carter de turbomachine tel qu'un carter intermédiaire,
un carter de compresseur ou un carter de rétention qui comprend une partie
cylindrique formée par déformation plastique d'un matériau métallique tel
que l'acier Z5CNU17. Ce dernier présente la propriété d'avoir un retrait
structural maximum entre 200 et 300 C.
Sur les figures 1 à 5 on a représenté le déroulé d'un premier mode de mise
en oeuvre du procédé de l'invention. On voit la pièce cylindrique 1, un
carter par exemple, en appui vertical par un bord sur un support 3 suspendu
à un câble permettant son déplacement par un engin de levage approprié.
La figure 2 montre la pièce 1 transportée avec son support 3 dans un four
puits 5 équipé d'une table 7 sur laquelle on a posé l'ensemble pièce et
support. Pendant son séjour dans le four, la pièce est soumise à un
traitement thermique à température choisie, par exemple dans le cas d'un
carter de turbomachine en acier précité, à 1000 C pendant une durée
prédéterminée ; la pièce est alors à l'état dilaté. Sur la figure 3 on voit
que
l'on a placé à l'intérieur de la pièce un outil de calibrage 8 de forme
cylindrique également. Cet outil est froid, son profil extérieur est identique
au profil intérieur de la pièce 1, et ses cotes extérieures sont légèrement
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supérieures à celles de la surface intérieure de la pièce 1, lorsque celle-ci
est à sa température de retrait structural maximum.
On accroche ensuite le support à un câble d'un engin de levage et de
transport pour déplacer l'ensemble jusque dans une cuve de trempe 9
comme on le voit sur la figure 4. On remplit la cuve d'un fluide trempe
pour amener la température, à vitesse contrôlée, jusqu'à la température
ambiante. Pendant ce processus, la pièce subit un rétreint et sa compression
sur le calibre 8 est maximale quand elle atteint sa température de retrait
structural maximum. Pour l'alliage mentionné ci-dessus, cette température
est comprise entre 200 et 300 C. Comme les cotes du calibre 8 sont
supérieures, la pièce vient se fréter sur celle-ci et épouser sa forme. Quand
la température continue de baisser la pièce se dilate et se décolle ainsi de
la
couronne formée par le calibre 8. Un jeu e se forme, il est représenté
sur la figure 5. Quand les températures sont stabilisées, on retire l'ensemble
de la cuve de trempe et la pièce est ôtée du support.
On décrit maintenant une mise en oeuvre du procédé plus élaborée
permettant un ajustement précis du calibre par rapport à la pièce.
Dans ce cas, on utilise un support ou mannequin 30 composé d'un cadre
inférieur 31 équipé de premiers bras radiaux articulés 32 et de seconds bras
radiaux articulés 33 autour d'axes horizontaux. Ces bras radiaux vont
servir, à tour de rôle, d'appui à la pièce pendant les manipulations. Les bras
32 sont représentés relevés vers le haut sur la figure 6. Les bras 33 sont
pourvus d'une masse de telle sorte qu'en l'absence de sollicitation ils soient
verticaux comme on le voit sur la figure 6. Le mannequin 30 comprend des
moyens 34 de suspension du cadre 31. Les moyens 34 comprennent eux-
mêmes une tige verticale centrale 35 qui vient, comme on le verra par la
suite, en prise avec un moyen d'accrochage 36 en forme de pince. Dans la
configuration de la figure 6, le cadre 31 est maintenu en suspension par des
câbles 37, dont un seul a été représenté, depuis la partie supérieure de la
pince d'accrochage 36. La couronne du calibre 8 est également suspendue
dans cette phase préparatoire à la partie supérieure de la pince par des
câbles 38 ou autre moyen équivalent dont un seul a été représenté. La pièce
1 repose sur une table 40 annulaire et l'ensemble formé par la tige 35, le
calibre 8 et la pince est coaxial à la pièce. On descend l'ensemble
verticalement. Comme les bras radiaux 32 et 33 sont relevés, on peut
descendre le cadre 31 plus bas que la table 40. Le calibre 8 vient alors en
appui contre le bord supérieur de la pièce. Les dimensions ont été ajustées
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de telle façon que le calibre soit retenu à la température ambiante par le
bord de la pièce 1. Lorsqu'on se trouve dans la position de la figure 8, on
bascule les bras radiaux 33 ; le cadre 31 est en appui sur un reposoir 50. On
fait descendre la pince 36 jusqu'à ce qu'elle vienne en prise avec la tige 35
5 comme on le voit sur la figure 9. On soulève alors l'ensemble
verticalement. On entraîne dans ce mouvement la pièce avec la table 40 par
les bras radiaux 33, figure 10. On dépose l'ensemble dans le four de
traitement thermique 5 sur un reposoir 70, figure 11. Le reposoir 70 permet
de faire descendre le cadre 31 sous le niveau de la pièce 1. On peut alors
mettre les bras 33 en position verticale et remonter l'ensemble support 30
avec le calibre 8 suspendu par les câbles 38, en laissant la pièce 1 seule en
appui sur le reposoir 70, figure 13. On ferme le four avec sa cloche 51 et on
procède au traitement thermique. On observe que l'on a relevé le
mannequin 30 verticalement sans autre manipulation que l'abaissement des
bras radiaux 32, et dégagement de la pince 36 de la tige 35, figure 13.
Une fois le traitement thermique achevé, on ouvre le four et on descend le
mannequin 30, figure 14. les bras radiaux glissent le long de la pièce 1,
figure 14. En raison de l'état dilaté de la pièce 1, le calibre 8 s'introduit
dans son alésage quand on descend le mannequin en dessous de la table
supportant la pièce. Les bras 32 sont alors déployés et viennent en prise
sous la pièce quand on soulève de nouveau le mannequin 30, figure 15. On
entraîne ainsi l'ensemble de la pièce 1 équipée de son calibre 8 jusque vers
la cuve de trempe non représentée ici. Après la trempe on dépose
l'ensemble sur une table reposoir 50 pour retirer le calibre, figure 16. On
descend le mannequin 30 sous la table reposoir 50 afin de permettre le
relevage des bras radiaux 32, figure 17. On détache la pince d'accrochage
36 de la tige 35 et on soulève le mannequin 30. La pince 36 entraîne alors
le calibre 8 par les câbles 38 et le cadre 31 par les câbles 37. On emporte
enfin la pièce 1 calibrée vers d'autres traitements éventuels.
L'agencement du mannequin selon cette dernière mise en uvre offre
l'avantage d'assurer un positionnement et un centrage corrects de l'outil de
calibrage 8 par rapport à la pièce 1 pendant toutes les phases du processus
sans avoir à intervenir spécifiquement sur l'outil 8. Cette solution est
avantageuse par rapport à la première où l'on doit venir mettre en place
l'outil de calibrage alors que la pièce est encore dans le four et à la
température de traitement.
