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CA 02694370 2010-01-25
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Pièce mécanique comportant un insert en matériau composite
La présente invention concerne une pièce mécanique comportant un
insert en matériau composite du type constitué de fibres céramiques dans
une matrice métallique, ainsi qu'un procédé de fabrication de cette pièce
mécanique et un dispositif de bobinage conçu pour la mise en oeuvre du
procédé de fabrication. L'invention s'applique à tout type de pièce
mécanique dont la fonction est de transmettre un effort de traction et/ou
de compression principalement unidirectionnel.
Dans le domaine aéronautique, notamment, un objectif constant est
l'optimisation de la résistance des pièces mécaniques pour une masse et
un encombrement minimaux. Ainsi, certaines pièces mécaniques peuvent
comporter un insert en matériau composite à matrice métallique, de telles
pièces pouvant être monoblocs. Un tel matériau composite comporte une
matrice d'alliage métallique, par exemple d'alliage de titane Ti, au sein de
laquelle s'étendent des fibres, par exemple des fibres céramiques de
carbure de silicium SiC. De telles fibres présentent une résistance en
traction et en compression bien supérieure à celle du titane. Ce sont donc
principalement les fibres qui reprennent les efforts, la matrice d'alliage
métallique assurant une fonction de liant avec le reste de la pièce, ainsi
que de protection et d'isolation des fibres, qui ne doivent pas entrer en
contact les unes avec les autres. En outre, les fibres céramiques sont
résistantes à l'érosion, mais doivent nécessairement être renforcées par
du métal.
Les matériaux composites tels que décrits ci-dessus sont connus pour
être utilisés, dans le domaine aéronautique, pour la fabrication de disques,
d'arbres, de corps de vérins, de carters, d'entretoises ou comme renforts
de pièces monoblocs telles que des aubes.
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Une technique de fabrication de ces pièces est décrite dans le document
FR 2886290, représentatif de l'arrière plan technologique de l'invention,
dans lequel une des étapes essentielles de fabrication consiste à effectuer
un bobinage d'un faisceau ou d'une nappe de fils enduits autour d'une
pièce cylindrique circulaire perpendiculairement à l'axe de rotation de
celle-ci. Les pièces décrites ainsi obtenues sont de type circulaire et
conviennent particulièrement pour la réalisation de pièces circulaires telles
que des arbres, des corps de vérins, des carters ou des disques.
Toutefois, certaines pièces mécaniques requièrent des propriétés
différentes de celles présentées par les pièces circulaires. C'est le cas
notamment des bielles, de forme essentiellement oblongue, dont la
fonction est de transmettre un effort de traction et/ou de compression
unidirectionnel.
L'invention a notamment pour objet un procédé de fabrication d'une pièce
mécanique comportant au moins un insert en matériau composite du type
constitué de fibres céramiques dans une matrice métallique capable de
transmettre des efforts de traction et/ou de compression unidirectionnels
entre ses extrémités.
A cet effet, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce
mécanique comportant au moins un insert en matériau composite à
matrice métallique au sein de laquelle s'étendent des fibres céramiques,
l'insert en matériau composite étant obtenu à partir d'une pluralité de fils
enduits comportant chacun une fibre céramique enrobée d'une gaine
métallique, le procédé comprenant la fabrication d'au moins un insert avec
une étape de bobinage d'un faisceau ou d'une nappe liée de fils enduits
autour d'une pièce cylindrique. Selon l'invention, au moins une partie du
bobinage s'effectue selon une direction rectiligne.
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La pièce mécanique ainsi obtenue, par exemple une bielle, permet
avantageusement de transmettre des efforts de traction et/ou de
compression unidirectionnels.
L'invention se rapporte également à un dispositif de bobinage
spécialement conçu pour la mise en oeuvre du procédé de fabrication
selon l'invention.
Selon un aspect, l'invention concerne également un élément mécanique
comprenant au moins un insert en matériau composite à matrice
métallique,
dans lequel s'étendent des fibres céramiques, l'insert en matériau
composite étant obtenu à partir d'une pluralité de filaments
enrobés comprenant chacun une fibre céramique revêtue d'une
gaine métallique, et l'insert étant une partie de l'élément
mécanique;
dans lequel l'insert présente une géométrie de révolution
comprenant deux parties rectilignes, qui sont disposées entre
deux parties opposées en forme d'arc, les deux parties en forme
d'arc et les deux parties rectilignes s'étendant dans un même
plan;
et dans lequel les filaments des parties rectilignes sont tous
orientés dans une même direction rectiligne.
Selon un autre aspect, l'invention concerne une pièce mécanique de
forme allongée avec deux extrémités et un évidement cylindrique à
chaque extrémité, comportant au moins un insert en matériau
composite à matrice métallique, au sein de laquelle s'étendent des
fibres céramiques, l'insert en matériau composite étant obtenu à partir
d'une pluralité de fils enduits comportant chacun une fibre céramique
enrobée d'une gaine métallique, dans laquelle l'insert est à géométrie
décrivant une structure fermée et dont les fibres céramiques sont en
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partie orientées selon au moins une direction rectiligne entre les deux
évidements cylindriques.
Selon d'autres aspects, l'invention concerne un train d'atterrissage, une
turbomachine et un aéronef, chacun comprenant au moins un élément
mécanique selon l'invention et tel que décrit ci-dessus ou une pièce
mécanique selon l'invention et telle que décrite ci-dessus.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la
lecture de la description détaillée qui suit en référence aux figures
annexées sur lesquelles :
- la figure 1 représente une vue en perspective d'un exemple de pièce
mécanique selon l'art antérieur ;
- la figure 2 représente une vue en perspective d'un exemple de dispositif
de bobinage selon l'invention ;
- la figure 3 représente une vue en perspective d'un exemple d'insert
obtenu selon le procédé de fabrication de l'invention ;
- la figure 4 représente un exemple d'insert, de conteneur destiné à
accueillir l'insert et de couvercle métallique destiné à recouvrir de manière
étanche le conteneur et l'insert ;
- la figure 5 représente une vue en perspective d'un exemple de
pièce mécanique obtenue selon le procédé de fabrication de
l'invention ;
- la figure 6 représente une variante du procédé de fabrication de
l'invention ;
- la figure 7 représente une vue en coupe d'un autre exemple de
pièce mécanique obtenue selon la variante du procédé de
fabrication de l'invention ; et
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.=
- la figure 8 représente une vue en perspective de l'exemple de pièce
mécanique obtenue selon la variante du procédé de fabrication de
l'invention.
Les techniques de fabrication d'une pièce mécanique, comportant un
insert en matériau composite, décrites dans le document FR 2886290 sont
utilisables dans le cadre de la présente invention. Par exemple, et de
manière non limitative, les éléments suivants peuvent être utilisés : la
structure des fils enduits, leur fabrication, la fabrication d'une nappe liée
de fils enduits, la solidarisation de cette nappe soit sur le support
métallique sur lequel elle est enroulée soit à la nappe de couche
inférieure, le soudage des fils par laser ou par contact entre deux
électrodes, la compaction isostatique à chaud et l'usinage.
La figure 1 représente un exemple de pièce mécanique telle qu'une bielle
1 dont la forme est généralement oblongue, c'est-à-dire de forme
allongée. Elle comporte deux extrémités 13 et 14. La fonction d'une bielle
1 est de transmettre un mouvement, et/ou des efforts de traction T et/ou
de compression C, entre deux pièces articulées à ses extrémités suivant
des axes parallèles Z1 et Z2. La bielle 1 comporte à chacune de ses
extrémités 13 et 14 un évidement cylindrique 11 ou 12 dont les axes
correspondent aux axes parallèles Z1 et Z2. Ce type de bielle 1 peut être
utilisé, par exemple, dans la conception des atterrisseurs ou dans celle
des turbomachines comportant des bielles de reprise d'effort de poussée.
La figure 2 représente un exemple de dispositif de bobinage 20 selon
l'invention. Dans cet exemple, le dispositif de bobinage 20 est
particulièrement adapté pour la réalisation d'un insert pour une pièce
mécanique telle qu'une bielle. Ce dispositif de bobinage 20 comporte une
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pièce cylindrique 2 creuse de forme oblongue jouant le rôle de mandrin et
deux flasques 21 et 22 de forme oblongue et sensiblement identiques. La
pièce cylindrique 2 est à géométrie de révolution, c'est-à-dire une
géométrie décrivant une structure fermée le plus souvent courbe. Les
5 dimensions des flasques 21 et 22 sont supérieures aux dimensions de la
pièce cylindrique 2 de sorte que la périphérie 27 de chaque flasque 21 et
22 s'étende au-delà de la périphérie de la pièce cylindrique 2. La pièce
cylindrique 2 est prise en sandwich entre les flasques 21 et 22. Les fils 32
s'enroulent sur la pièce cylindrique 2 lorsque le dispositif de bobinage 20
est mis en rotation selon l'axe de bobinage Z. Les fiasques 21 et 22
retiennent axialement les fils enduits 32 et les guident.
Le dispositif de bobinage 20 appartient à un ensemble formant un
système de bobinage. Le système de bobinage comprend en outre des
moyens pour mettre en rotation le dispositif de bobinage 20 et des
moyens de fourniture d'un faisceau ou d'une nappe liée de fils enduits 32.
La pièce cylindrique 2 comporte deux portions de bobinage rectilignes
24. Ces portions de bobinage rectilignes 24 sont orientées
perpendiculairement à l'axe de bobinage Z. Ainsi, au moins une partie du
bobinage des fils 32 autour de la pièce cylindrique 2 s'effectue selon une
direction rectiligne. Le bobinage des fils enduits 32 s'effectue de manière
perpendiculaire à l'axe de bobinage Z, autrement dit, les fils enduits 32
sont sensiblement orientés perpendiculairement à l'axe de bobinage Z.
Dans l'exemple représenté sur la figure 2, ces portions de bobinage
rectilignes 24 sont parallèles et intercalées entre deux portions circulaires
25. Il est possible de faire varier les dimensions de la pièce cylindrique 2,
notamment son épaisseur selon la direction axiale Z, la longueur des
portions de bobinage rectilignes 24 et le rayon de courbure des pièces
circulaires 25, en fonction des dimensions de l'insert 3 souhaité. Les
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pièces circulaires 25 peuvent également comporter des rayons différents.
Ainsi, les portions de bobinages rectilignes 24 peuvent ne pas être
parallèles.
Le bobinage autour de la pièce cylindrique 2 comportant des portions de
bobinage rectilignes 24 permet de générer en peu de temps un insert 3
comportant au moins une génératrice rectiligne constituée d'un grand
nombre de fils enduits 32 parallèles et unidirectionnels.
L'insert 3, une fois bobiné, peut être retiré du dispositif de bobinage 20 en
désolidarisant les flasques 21 et 22 l'un de l'autre. La forme de l'insert 3
ainsi formé doit être figée pour éviter que les fils 32 perdent leur
orientation. Plusieurs techniques peuvent être mises en oeuvre dans ce
but.
Une première technique de maintien en forme de l'insert 3 consiste à
prévoir, en début de bobinage, une étape de bobinage d'un premier
clinquant métallique d'accrochage de la partie interne de l'insert 3 et, en
fin de bobinage, une étape de bobinage d'un second clinquant 28
métallique d'accrochage de la partie externe de l'insert 3. Dans cet
exemple, le premier clinquant métallique constitue la pièce cylindrique 2.
Les fils enduits 32 se trouvent donc ainsi entre les clinquants 2 et 28,
comme représenté sur la figure 3.
Par ailleurs, comme illustré sur la figure 2, chaque flasque 21 et 22
comporte des encoches 23 sur sa périphérie 27. Chaque encoche 23 du
flasque 21 est disposée en vis-à-vis d'une encoche 23 du flasque 22,
formant ainsi une paire d'encoches 23. La fixation des sangles métalliques
31 est facilitée par les dimensions des encoches 23 s'étendant vers
l'intérieur des flasques 21 et 22 sur une profondeur d. La profondeur d
des encoches 23 doit être telle qu'il soit possible d'accéder à l'intérieur
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creux 29 de la pièce cylindrique 2 laquelle est disposée autour d'un
moyeu du dispositif de bobinage 20, non visible sur la figure 2,
comprenant une alternance d'encoches et de dents, les encoches du
moyeu étant en phase avec les encoches 23 des flasques 21 et 22. La
-- profondeur d s'étend au-delà de la surface de bobinage de la pièce
cylindrique 2.
Chaque paire d'encoches 23 est destinée à permettre la fixation d'une
sangle métallique 31. Les sangles métalliques 31 sont constituées d'un
-- matériau métallique identique à celui du conteneur 4, décrit en liaison
avec la figure 4, et de la pièce cylindrique 2. Les sangles métalliques 31
sont fixées autour de l'insert 3 par un procédé de soudage par contact.
Les sangles métalliques 31 sont disposées à intervalles réguliers sur
l'insert 3 bobiné.
Une fois l'insert 3 bobiné et les sangles métalliques 31 mises en place,
celui-ci peut être retiré du dispositif de bobinage 20 en désolidarisant les
flasques 21 et 22 l'un de l'autre. Un exemple d'insert 3 ainsi obtenu est
représenté en figure 3. Il consiste en une pièce cylindrique de forme
-- oblongue comportant deux portions rectilignes 34 et parallèles intercalées
entre deux portions circulaires 35.
Une deuxième technique de maintien en forme de l'insert 3, ne
nécessitant pas l'utilisation de sangles 31, consiste à prévoir une pièce
cylindrique 2 formant un mandrin oblong comportant au moins un rebord
radial, par exemple à section transversale en L ou en U, sur lequel
s'enroulent les fils 32. Lorsqu'une nappe liée de fils enduits 32 est
utilisée,
il est possible de la solidariser à la pièce cylindrique 2 sur laquelle elle
est
-- enroulée et à la nappe de la couche inférieure au moyen d'un procédé par
soudage par contact entre deux électrodes et passage d'un courant
moyenne fréquence. Les fils 32 sont ainsi soudés au fur et à mesure du
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bobinage de sorte que, lorsque l'insert 3 est extrait du dispositif de
bobinage 20, il forme une pièce solidaire avec la pièce cylindrique 2.
L'insert 3 est ensuite inséré dans un conteneur 4, comme représenté sur
la figure 4. Le conteneur 4 comporte à cet effet une rainure 41 de forme
complémentaire à l'insert 3 et dans laquelle vient se loger l'insert 3. Le
conteneur 4 constitue la préforme de la matrice d'alliage métallique, de
préférence en titane Ti. Un couvercle 5 est rapporté sur le conteneur 4 par
soudage par faisceau d'électrons, mis sous vide, puis compacté par un
procédé de compaction isostatique à chaud.
L'ensemble est ensuite usiné pour obtenir la pièce mécanique 10 finale :
une bielle 10, représentée sur la figure 5. La bielle 10, de forme identique
à la bielle 1 de la figure 1, comporte en outre un insert en matériau
composite 3, à géométrie de révolution, dont les fils 32 sont en partie
orientés selon une direction rectiligne. Cette direction rectiligne est
perpendiculaire aux axes Z1 et Z2. Cette bielle 10 permet
avantageusement de transmettre les efforts de traction et/ou de
compression unidirectionnels. Les portions rectilignes 34 des inserts 3
comportent des fils tous orientés selon une même direction rectiligne.
L'invention s'applique à tout type de pièce mécanique dont la fonction est
de transmettre un effort de traction et/ou de compression principalement
unidirectionnel et ne se limite donc pas uniquement aux bielles qui ne
constituent qu'un exemple d'application.
Selon une variante de l'invention, la pièce mécanique peut être de forme
plus complexe et comporter une pluralité d'inserts 3 pouvant chacun être
à géométrie de révolution, c'est-à-dire une géométrie décrivant une
structure fermée le plus souvent courbe. Dans l'exemple représenté en
figure 6, le procédé de fabrication est modifié en utilisant un conteneur 4
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comportant de part et d'autre de deux de ses faces opposées 42 des
rainures 41 destinées à accueillir des inserts 3. Après compaction
isostatique à chaud et usinage, la pièce mécanique 110 obtenue est celle
représentée en figure 7 et comporte ainsi des inserts 3. Les inserts 3 sont
positionnés de part et d'autre d'un plan médian P1 de la pièce mécanique
110. Ils sont positionnés dans des plans P2 et P3 formant un angle a non
nul entre eux. La figure 8 montre, en perspective, une pièce mécanique
110 ainsi obtenue. Cette pièce mécanique 110 peut également comporter
des évidements 15 destinés à en diminuer la masse.
De telles pièces mécaniques 10 ou 110 conviennent parfaitement pour les
applications aéronautiques, par exemple pour les atterrisseurs ou pour les
turbomachines destinés à un aéronef.
