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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'une ébauche d'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
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partie du bobinage s'effectue selon au moins une direction rectiligne. En
outre, le procédé comprend :
- une étape d'insertion de l'ébauche d'insert dans un premier
conteneur ;
- une étape de compaction isostatique à chaud du premier
conteneur ; et
- une étape d'usinage du premier conteneur pour former un insert
rectiligne.
Après la fabrication de l'insert, le procédé de fabrication d'une pièce
mécanique est suivi des étapes suivantes :
- une étape d'insertion de l'insert dans un second conteneur ;
- une étape de compaction isostatique à chaud du second
conteneur ; et
- une étape d'usinage du second conteneur pour former une pièce
mécanique.
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.
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 ;
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- la figure 2 représente une vue en perspective d'un exemple de
dispositif de bobinage selon un premier mode de réalisation de
l'invention ;
- la figure 3 représente une vue en perspective d'un exemple
d'ébauche d'insert obtenu selon le procédé de fabrication de
l'invention ;
- la figure 4 représente un exemple d'ébauche d'insert, d'un premier
conteneur destiné à accueillir l'ébauche d'insert et de couvercle
métallique destiné à recouvrir de manière étanche ledit conteneur
et l'ébauche d'insert ;
- la figure 5 représente une vue en perspective d'un exemple d'une
pièce intermédiaire obtenue au cours d'une étape du procédé de
fabrication selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 6 représente un exemple d'insert, d'un second conteneur
destiné à accueillir l'ébauche d'insert et de couvercle métallique
destiné à recouvrir de manière étanche ledit conteneur et l'insert ;
- la figure 7 représente une vue en perspective d'un exemple de
pièce mécanique obtenue selon le procédé de fabrication de
l'invention ;
- la figure 8 représente une variante du procédé de fabrication de
l'invention ;
- la figure 9 représente une vue en coupe d'un exemple de pièce
mécanique obtenue selon la variante du procédé de fabrication de
l'invention ; et
- la figure 10 représente une vue en perspective de l'exemple de
pièce mécanique obtenue selon la variante du procédé de
fabrication de l'invention.
- la figure 11 représente une vue schématique d'une ébauche
d'insert selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
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- la figure 12 représente une vue schématique d'une ébauche
d'insert selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 13 représente une vue schématique d'une ébauche
d'insert selon un troisième mode de réalisation de l'invention ;
5 - la figure 14 représente une vue en perspective d'un exemple de
dispositif de bobinage selon un troisième mode de réalisation de
l'invention ; et
- la figure 15 représente une vue en perspective d'un atterrisseur
comportant une pièce mécanique selon 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. Ainsi, l'enseignement de
ce document doit être considéré comme étant incorporé dans la présente
demande, par exemple, et de manière non limitative, 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
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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 un
premier mode de réalisation de l'invention. Dans cet exemple, le dispositif
de bobinage 20 est particulièrement adapté pour la réalisation d'un insert
3 pour une pièce mécanique 10 ou 110 telle qu'une bielle. Ce dispositif de
bobinage 20 comporte une 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 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 flasques 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
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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
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 une
ébauche 33 d'insert 3 comportant au moins une génératrice rectiligne
constituée d'un grand nombre de fils enduits 32 parallèles et
unidirectionnels.
L'ébauche 33 d'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'ébauche 33 d'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'ébauche 33 d'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'ébauche 33 d'insert 3 et, en fin de bobinage, une étape de bobinage d'un
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second clinquant 28 métallique d'accrochage de la partie externe de
l'ébauche 33 d'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
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 des conteneurs 4 et 104, décrit en
liaison avec les figures 4 et 6, et de la pièce cylindrique 2. Les sangles
métalliques 31 sont fixées autour de l'ébauche 33 d'insert 3 par un
procédé de soudage par contact. Les sangles métalliques 31 sont
disposées à intervalles réguliers sur l'ébauche 33 d'insert 3 bobiné.
Une fois l'ébauche 33 d'insert 3 bobiné et les sangles métalliques 31
mises en place, celle-ci peut être retirée du dispositif de bobinage 20 en
désolidarisant les flasques 21 et 22 l'un de l'autre. Un exemple d'ébauche
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33 d'insert 3 ainsi obtenue est représentée en figure 3. Elle 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'ébauche 33 d'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
bobinage de sorte que, lorsque l'ébauche 33 d'insert 3 est extraite du
dispositif de bobinage 20, elle forme une pièce solidaire avec la pièce
cylindrique 2.
L'ébauche 33 d'insert 3 est ensuite insérée dans un premier conteneur 4,
comme représenté sur la figure 4. Le conteneur 4 comporte à cet effet une
rainure 41 de forme complémentaire à l'ébauche 33 d'insert 3 et dans
laquelle vient se loger l'ébauche 33 d'insert 3. 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. La
pièce ainsi obtenue, représentée sur la figure 5, contient l'ébauche 33
d'insert 3. Dans l'ébauche 33 d'insert 3 décrivant une révolution, les
parties contribuant le plus efficacement à transmettre des efforts de
traction et/ou de compression unidirectionnels sont les portions rectilignes
34 de fils enduits 32. Le procédé de compaction isostatique à chaud est
suivi par une étape d'usinage visant à extraire au moins une portion
rectiligne 34 formant un insert 3.
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Comme représenté sur la figure 6, les inserts 3 obtenus après usinage
sont ensuite insérés dans un second conteneur 104. Le second conteneur
104 comporte à cet effet des rainures 141 de forme complémentaire aux
inserts 3 et dans lesquelles viennent se loger les inserts 3. Un couvercle
5 105 est rapporté sur le conteneur 104 par soudage par faisceau
d'électrons, mis sous vide, puis compacté par un procédé de compaction
isostatique à chaud. Sur la figure 6, les inserts 3 sont disposés dans le
second conteneur 104 de manière parallèle. Il est également possible de
les disposer de manière non parallèle selon la forme de la pièce
10 mécanique finale souhaitée. Il est également possible de n'insérer qu'un
seul insert 3 dans un conteneur 104 en fonction des dimensions de la
pièce mécanique 10 finale souhaitée.
L'ensemble est ensuite usiné pour obtenir la pièce mécanique 10 finale :
une bielle 10, représentée sur la figure 7. La bielle 10, de forme identique
à la bielle 1 de la figure 1, comporte en outre une pluralité d'insert en
matériau composite 3, dont les fils 32 sont 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. Tous les fils d'un insert 3
sont 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, chaque insert 3
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comportant des fils 32 orientés selon une direction rectiligne. Dans
l'exemple représenté en figure 8, le procédé de fabrication est modifié en
utilisant un second conteneur 104 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 9 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 10 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.
Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, représenté à la
figure 12, une pièce cylindrique 2, comportant des portions de bobinage
rectilignes 24 plus longues que celles du premier mode de réalisation, est
utilisée. De cette manière, il est possible d'extraire et de fabriquer un plus
grand nombre d'inserts 3. Pour ce faire, l'ébauche 133 est découpée en
extrayant plusieurs inserts 3 sur une même portion rectiligne 34 de
l'ébauche 133.
La figure 11 correspond au premier mode de réalisation de l'invention.
Selon le troisième mode de réalisation de l'invention, un grand nombre
d'inserts 3 peut être obtenu par l'utilisation d'une pièce cylindrique 233 en
forme de polygone, c'est-à-dire une pièce cylindrique 220 comportant une
pluralité de portions de bobinage rectilignes 224. La figure 13 représente
un exemple d'ébauche 233 d'inserts 3 obtenue selon ce troisième mode
de réalisation. L'ébauche 233 en forme de polygone, représenté à titre
d'exemple, est un hexagone comportant six portions
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rectilignes 34 et douze plans de découpe 36. Il est possible d'obtenir un
nombre d'inserts différents de six en utilisant un polygone comportant un
nombre de côtés inférieur ou supérieur à six.
Pour obtenir une telle ébauche, il est nécessaire d'utiliser un dispositif de
bobinage 220 comportant une pièce cylindrique 202 en forme de
polygone, cette pièce cylindrique 202 pouvant, de préférence, être prise
en sandwich en deux flasques 221 et 222 en forme de polygone. Le
dispositif de bobinage 220 du troisième mode de réalisation selon
l'invention, représenté sur la figure 14, présente des caractéristiques
communes avec le dispositif de bobinage 20 du premier mode de
réalisation de l'invention par la présence des encoches 223 sur sa
périphérie 227 et l'intérieur creux 229 de la pièce cylindrique 202 en forme
de polygone, son fonctionnement étant identique.
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.
Un exemple d'atterrisseur 6 est représenté en figure 15. Un atterrisseur 6
comporte un caisson 61, constituant la pièce structurale majeure, et des
bras 62. Les bras 62 sont destinés à transmettre un effort de traction et/ou
de compression principalement unidirectionnel. Les bras 62 peuvent donc
constituer des pièces mécaniques conformes à l'invention sans pour
autant former des bielles 110. Dans ce cas, les inserts 3 sont contenus
dans les bras 62.
