TITRE : PROCEDE DE CONTROLE DIMENSIONNEL D’UNE PIECE DE TURBOMACHINE

Domaine technique de l'invention

La présente invention concerne la fabrication de pièces de turbomachines et plus particulièrement un procédé de contrôle dimensionnel d’une pièce de turbomachine telle qu’une aube de turbine issue de la fonderie ou de forgeage.

Arrière-plan technique

L'amélioration des performances des turbomachines passe par la réalisation de pièces mécaniques telles que des aubes au profil aérodynamique optimisé. Les turbomachines double corps comprennent par exemple des aubages pour les étages de turbines basse pression dont les dimensions (épaisseurs ou largeurs) sont de quelques millimètres. Ces aubages sont généralement fabriqués par fonderie et coulée de métal dans un moule selon la technique dite à la cire perdue qui permet d'obtenir directement la forme souhaitée de l’aube sans passer par la mise en oeuvre d'étapes d'usinage pour parvenir à la pièce finie.

Toutefois, la technique de fonderie ne permet pas d’atteindre dans tous les cas la finesse recherchée pour certaines parties des aubages et il est nécessaire d’effectuer un usinage complémentaire de sorte à fournir des pièces aérodynamiques optimisées. L’usinage nécessite un paramétrage très spécifique qui est défini de manière empirique à partir d’une pièce théorique et des données de profil très précises de la pièce à obtenir.

Un contrôle dimensionnel de ces pièces est réalisé pour, d’une part vérifier si un usinage de ces pièces est nécessaire, pendant l’usinage, voire après usinage, et d’autre part valider leurs conformités après usinage. Du fait des tolérances acceptées pour les pièces de fonderie, des dimensions très faibles et d’éventuelles déformations de ces pièces, le contrôle est long et fastidieux. Ce contrôle est de manière générale opéré à l’aide d’une Mach ine à Mesurer Tridimension nelle (MMT) . Cette dernière réalise un palpage ou une mesure avec ou sans contact à l’aide d’un élément de palpation et à partir des données de la pièce théorique. Un exemple de contrôle est décrit dans les documents FR-A1 -298961 0, CN-B- 1 0431 601 6 et J P-A-S601 59601 .

Ce contrôle s’est révélé davantage compliqué pour les talons d’aubes de turbomach ine. En effet, le talon , qui se localise à une extrém ité radialement externe de la pale, présente une forme complexe avec une surface à mesurer relativement faible et des arêtes rayonnées. Or, pour des pièces particulières, un point de référence à partir duquel le contrôle de la pièce doit commencer est déterminé et est situé sur le talon . Lorsque la pièce présente par exemple des problèmes de tolérance comme expliqué ci-dessus, il existe un décalage tel entre le point de référence de la pièce théorique et celui de la pièce à contrôler que le palpeur commencera les mesures à une mauvaise position . Ceci peut engendrer un manque de précision lors du contrôle de la pièce. Pour y remédier, il arrive que l’opérateur doive alors modifier le paramétrage de la mach ine ou déplacer la pièce ou l’élément de palpation manuellement jusqu’à retrouver le point de référence correct su r la pièce à contrôler.

La demanderesse s’est donc notamment fixé comme objectif de fournir un procédé de contrôle dimensionnel d’une pièce de turbomachine qui soit plus rapide, automatique et peu coûteux.

Résumé de l'i nvention

Nous parvenons à cet objectif g râce à un procédé de contrôle dimensionnel d’u ne pièce de turbomachine à contrôler comprenant une première surface délimitée par u ne deuxième surface périphérique transversale à la prem ière surface et un profil déf ini par un modèle théorique numérique avec une surface théorique correspondant à la première surface, la première surface présentant des dimensions supérieures à celles de la deuxième surface périphérique, le procédé comprenant les étapes suivantes :

- détermination de points théoriques sur la surface théorique du modèle théorique numérique;

- étalonnage de points d’étalonnage sur la première surface de la pièce à contrôler ;

- calcul d’un axe de décalage pour chaque point théorique par rapport à un point d’étalonnage correspondant,

- acqu isition de points de contrôle sur la deuxième surface périphérique de la pièce à contrôler à partir de l’axe de décalage.

Ainsi, cette solution permet d’atteindre l’objectif susmentionné. En particu lier, ce procédé permet de vérifier le conformité de la pièce bien que, ici le talon de l’aube, ne se trouve pas à la position théorique de départ prévu dans le modèle théorique et de déterminer plus rapidement les points à contrôler. En d’autres termes, même si le talon n’est pas à la bonne position , ce procédé permet de commencer la palpation au bon endroit sur la surface à contrôler. Ce contrôle est facilité également grâce à la première surface avec des dimensions plus importantes à celles de la deuxième surface à contrôler qu i est généralement très étroite. La détermination , l’étalon nage et le calcu l de l’axe de décalage peuvent être réalisés en moins de dix secondes ce qui est très rapide.

Le procédé de contrôle dimensionnel comprend également l’une ou plusieurs des caractéristiques su ivantes, prises seules ou en combinaison :

- les points théoriques sont définis en fonction de la surface et/ou de la géométrie de la première surface.

- les points théoriques sont disposés à proximité de la périphérie de la surface théorique du modèle théorique.

- l’étape de calcul de l’axe de décalage comprend u ne étape de comparaison des données spatiales de chaque point théorique du modèle théorique et des don nées spatiales de chaque point d’étalonnage correspondant.

- l’étape de comparaison comprend les étapes su ivantes :

o traçage d’une droite entre au moins un point théorique et un point d’étalon nage correspondant; o mesure d’u n décalage spatial entre le point théorique et le point d’étalon nage ;

o calcul d’un axe de déplacement d’un outil d’usinage des surfaces usinées de la pièce à contrôler,

o déterm ination de cosinus directeurs de l’axe de décalage à partir de normales théoriques à la surface théorique du modèle théorique au niveau du point théorique, de la droite et de l’axe de déplacement de l’outil d’usinage.

- l’étape d’acquisition comprend u ne étape de calcul des coordonnées spatiales des points à contrôler sur la pièce en appliquant l’axe de décalage aux coordon nées théoriques des points à contrôler théoriques.

- le procédé comprend le positionnement d’un élément de palpation au regard de la prem ière surface de la pièce à contrôler pour réaliser l’étape d’étalon nage, l’axe de l’élément de palpation étant orthogonal à la première surface.

- l’étape d’étalonnage et l’étape d’acquisition sont réalisées par un dispositif de contrôle de type Mach ines à Mesurer T ridimensionnelles.

- entre deux et h uit points théoriques sont définis pendant l’étape déterm ination .

- la pièce de turbomachine est une aube mobile de turbomachine comprenant une pale et un talon agencé à une extrémité radialement extérieure de la pale, le talon comprenant une surface radialement interne délimitée par une surface périphérique radiale, la première surface étant la surface radialement interne du talon et la deuxième surface étant la surface périphérique radiale du talon .

- la Mach ines à Mesurer Tridimensionnelles comprend l’élément de palpation .

- lors de l’étape d’acquisition , l’axe de l’élément de palpation est orthogonal à la deuxième surface périphérique.

Brève descri ption des fig ures

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qu i va su ivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :

[Fig . 1 ] La figure 1 représente de manière schématique une aube de turbomachine à contrôler et sur laquelle il y a u ne différence de position entre un talon de la pièce théorique et un talon de l’aube à contrôler. [Fig . 2] La figure 2 est une vue schématique et de dessus de la surface d’un exemple de talon d’u ne aube de turbomach ine à contrôler.

[Fig . 3] La figure 3 est u ne vue schématique d’u n exemple de décalage spatial existant entre un plan théorique et u n plan réel , et

[Fig . 4] La fig ure 4 représente de manière schématique différentes positions d’un dispositif de contrôle tel qu’u ne une mach ine de mesure tridimension nelle selon l’invention .

Descri ption détai llée de l'invention

La fig ure 1 illustre une pièce de turbomachine en sortie des opérations de fonderie à la cire perdue et destinée à être contrôlée afin de vérifier si ses dimensions sont conformes avec une pièce ou modèle théorique obtenue par conception ou dessin assisté par ordinateur (CAO/DAO) au moyen de log iciel prévu à cet effet.

En particulier, il s’ag it d’une aube mobile 1 d’une turbine basse pression . Bien entendu , cette aube peut être u ne aube de distributeur ou encore une aube destinée à équiper un autre organe de la turbomach ine.

Une turbomach ine (non représentée) , en particulier à double flux, d’axe longitudinal, comprend de man ière générale u n générateur de gaz en amont duquel est montée une soufflante. Dans la présente invention , et de man ière générale, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à la circulation des fluides dans la turbomach ine, et ici su ivant l’axe longitudinal X. Le générateur de gaz comprend un ensemble de compresseur de gaz (pouvant comprendre u n compresseur basse pression et un compresseur haute pression) , une chambre de combustion et un ensemble de turbine (pouvant comprendre une turbine haute pression et u ne turbine basse pression) . Le générateur de gaz est traversé par un flux aérodynamique primaire circulant dans une veine secondaire et généré par la soufflante. Un flux aérodynam ique secondaire est également généré par la soufflante et, circu le autour du générateur de gaz dans une veine secondaire, cette dern ière étant coaxiale à la veine primaire.

Chaque turbine comprend u n ou plusieurs étages qu i sont disposés successivement selon l’axe longitudinal de la turbomachine. Chaque étage de turbine comprend u ne roue mobile à aubes formant u n rotor et une roue fixe à aubes formant un stator. Les aubes de ce stator sont désig nées par le terme d’aube de distributeur.

Chaque roue mobile comprend un disque an nulaire centré sur l’axe longitudinal et une pluralité d’aubes mobiles montées sur la périphérie du disque. Ces aubes sont réparties circonférentiel lement et régulièrement autour du disque de la roue mobile. Chaque roue mobile est agencée en aval d’une roue fixe d’aubes de distributeur.

En référence à la fig ure 1 , l’aube mobile 1 comprend u n pied (non représenté) et u ne pale 2 s’étendant depu is le pied suivant un axe radial Z (perpendicu laire à l’axe longitudinal lorsque l’aube est installée dans la turbomach ine) . Le pied est destiné à se loger dans u ne rainure de forme correspondante du disque qui comprend à cet effet u ne pluralité de rainures réparties régu lièrement sur sa périphérie.

La pale 2 comprend u n bord d’attaque 3 et u n bord de fuite 4 qu i sont opposées, ici su ivant l’axe long itudinal X. Chaque pale 2 est disposée dans le flux aérodynamique de sorte que le bord d’attaque 3 est placé en amont du bord de fuite 4. Le bord d’attaque 3 et le bord de fuite 4 sont reliées par une su rfaces intrados et une surface extrados 5 qu i sont opposées suivant un axe transversal. L’axe transversal T est perpendiculaire à l’axe long itudinal X, ainsi qu’à l’axe radial Z.

L’aube mobile 1 comprend également u n talon 6 qu i prolonge la pale 2. Ce talon 6 est situé à u ne extrém ité radialement extérieure de la pale 2 et transversalement à la pale. En particulier, le talon 6 est disposé radialement à l’opposé du pied de l’aube. Le talon 6 comprend typiquement u ne plateforme 7 destinée à former une portion de paroi radialement extérieure de la veine primaire. Le talon 6 est pourvu de léchettes 8 qui s’étendent radialement depuis une surface radialement externe 9 de la plateforme 7. Une surface radialement interne 1 0 est opposée à la surface radialement externe 9 et est orientée généralement vers le pied de l’aube. La surface radialement interne 1 0 est délimitée par une surface périphérique 1 1 radiale qui relie les surfaces radialement interne 1 0 et radialement externe 9.

La surface radialement interne est défin ie dans un prem ier plan XT (défin i par les axes longitudinal et transversal) qui est perpendicu laire à l’axe radial . La surface radialement interne est plane ou sensiblement plane. Celle-ci présente des dimensions supérieures à celles de la surface périphérique 1 1 . Comme nous pouvons le voir notamment sur la figure 1 , la surface périphérique 1 1 présente une hauteur h suivant l’axe radial très faible ou étroite en comparaison de la largeur I de la surface radialement interne 1 0.

Comme nous pouvons le voir sur la figu re 4, la plateforme 7 s’étend également su ivant l’axe long itudinal X. Le talon 6 comprend un premier bord 1 2 et un deuxième bord 1 3 opposés su ivant l’axe transversal T et qui sont destinés à prendre chacun contact circonférentielllement avec un talon d’une aube adjacente. Cela permet de bloquer axialement et circonférentiellement les déplacements des aubes. En outre, la plateforme comprend un côté amont 1 4 et un côté aval 1 5 qui sont opposés su ivant l’axe long itudinal . Les côtés amont et aval 1 4, 1 5 ainsi que les premier et deuxième bords 1 2, 1 3 définissent la surface périphérique 1 1 radiale.

Le contrôle dimensionnel est réalisé à partir d’u n dispositif de contrôle

30 (pouvant être du type d’une Machine de Mesure Tridimensionnelle (MMT)) . Le dispositif de contrôle 30 comprend un élément de palpation

31 qui est destiné à mesurer des points ici sans contact à la surface de l’aube et notamment du talon . Typiquement, le dispositif de contrôle 30 comprend en outre un système électron ique de contrôle ou microcontrôleur qui se compose de moyens de calculs et d'une mémoire.

La figure 1 montre également en traits pointillés la position d’un talon 6T correspondant à la défin ition théorique du talon de l’aube théorique telle que conçue dans u n modèle théorique du log iciel de conception . Nous apercevons un décalage de la position du talon 6T de l’aube théorique et le talon 6 de l’aube à contrôler suivant l’axe radial . Le talon théorique comprend u ne surface théorique 1 0T radialement interne et une surface périphérique 1 1 T théorique transversale à la surface théorique radialement interne. La surface théorique radialement interne correspond à la surface radialement interne 1 0 et la surface périphérique théorique correspond à la surface périphérique 1 1 radiale.

Nous souhaitons que l’aube de turbomachine soit contrôlée le plus rapidement possible malg ré un éventuel décalage de position du talon théorique par rapport au talon de la pièce réelle à contrôler ou mesurer afin de savoir si celle-ci est conforme ou doit être dirigée vers les pièces de rebu .

Pour cela nous appliquons un procédé de contrôle dimensionnel de la pièce à contrôler, ici l’aube mobile, décrite ci-après. Ce procédé comprend avantageusement une étape de positionnement de l’aube à contrôler sur un support 32 équ ipant le dispositif de contrôle 30. La pièce à contrôler est en particulier positionnée sur le support 32 pour que son référentiel coïncide avec le référentiel de support 32. Le référentiel de l’aube est composé des axes long itudinal , radial et transversal.

La surface radialement interne 1 0 de la plateforme est orientée dans l’espace. Ici , le premier plan XT de la surface radialement interne 1 0 est parallèle à la verticale en référence à la figure 4.

Une étape de détermination de points théoriques Pt est réalisée sur la surface théorique 1 0T du talon théorique 6T de la pièce théorique (cf . figure 2) . Ceux-ci sont conçus par calcu ls dans le modèle théorique par exemple en même temps que la conception dudit modèle théorique de l’aube à fabriquer (qui sera contrôlée) . Ces points théoriques sont également défin is en fonction de la surface à mesurer ou de la géométrie du talon . Ces points théoriques correspondent au point de référence pour commencer le contrôle des différents points à contrôler d’u ne pièce théorique. Dans le présent exemple, il est déterm iné au moins deux points théoriques. Dans le présent exemple, quatre points théoriques sont déterminés comme nous le voyons sur la figure 2.

Un étalonnage de points d’étalonnage Pe ou de référence est réalisé sur la surface du talon , ici de la surface radialement interne 1 0 de l’aube à contrôler (cf . fig ure 4) . Dans le présent exemple, au moins deux points d’étalonnage sont déterminés. Cette étape est réalisée grâce à l’élément de palpation 31 qu i est déplacé de sorte que celui-ci soit en regard de la surface radialement interne. En particulier, lors de l’étape d’étalonnage, l’axe de l’élément de palpation 31 est orthogonal à la surface radialement interne du talon . Cela permet de déterminer la position de la pièce. De même, le déplacement de l’élément de palpation est sensiblement normal à la surface à étalonner. A noter que la surface n’est pas complètement plane. Ces points d’étalonnage sur la pièce à contrôler doivent correspondre aux points théoriques de la pièce à contrôler. Dans le présent exemple, quatre points d’étalonnage sont étalonnés.

En référence à la figure 2, les points théoriques (ainsi que les points d’étalonnage) sont agencés là où l’épaisseur ou hauteur du talon est la plus faible. Dans le présent exemple, les points théoriques sont disposés à proximité ou encore au plus proche de la périphérie P de la surface théorique 1 0T de la pièce théorique. Ceci est dans le but d’être proche des points à contrôler ultérieurement su r le talon et permettant de vérifier la conform ité de la pièce à contrôler. Ces points à contrôler sont défin is dans le modèle théorique du log iciel CAO/DAO.

Suivant le procédé, il est ensuite réalisé un calcu l d’un axe de décalage d’au moins un point théorique par rapport au point d’étalonnage correspondant. Lors de cette étape est effectuée u ne comparaison des données spatiales ou tridimension nelles du point théorique du modèle théorique et celles du point d’étalon nage correspondant sur la pièce à contrôler. Cette comparaison est effectuée avantageusement dans le système électron ique de contrôle. Avantageusement tous les points théoriques sont comparés aux points d’étalon nage correspondant. Cela permet de vérifier si les points d’étalonnage se trouvent à la bon ne position et correspondent aux coordonnées spatiales des points théoriques.

A cet effet, comme nous pouvons le voir schématiquement sur la fig ure 3, une droite D est tracée entre le point théorique Pt 1 et le point d’étalonnage Pe1 (dans le système électron ique de contrôle) . Nous vérifions s’il existe un décalage spatial entre le point théorique et le point d’étalon nage correspondant. Selon cette figure 3, le point d’étalonnage ne correspond pas au point théorique en termes de positions et de coordonnées spatiales et il est nécessaire de déterm iner ce décalage spatial .

Le système déterm ine l’axe de déplacement de l’outil d’usinage (après le mou lage de la pièce) sur les surfaces usinées de la pièce à contrôler. Vu que les paramètres d’usinage sont défin is au préalable, l’axe de déplacement de l’outil peut être dédu it. I l est déduit les cosinus directeurs (csx, csy, csz dans le référentiel de la pièce théorique) du vecteur de l’axe de décalage. Les cosinus directeurs sont avantageusement constants.

Les cosinus directeurs sont déterminés à partir de normales théoriques à la surface théorique (correspondant à la surface radialement interne) de la pièce théorique au niveau du point théorique Pt, de la droite D et de l’axe de déplacement de l’outil d’usinage.

Une fois que l’axe de décalage est déterminé, le système calcule ou recalcu le les coordon nées tridimensionnelles des points Pc à contrôler en appliquant cet axe de décalage AD.

Sur la fig ure 4, nous voyons une étape d’acquisition de divers points Pc1 , Pc2 au n iveau de la su rface périphérique 1 1 radiale du talon 6 de la pièce à contrôler. Cette étape permet de vérifier que la pièce et notamment les dimensions du talon 6 sont conformes aux tolérances requises.

Ce procédé a été décrit pour contrôler la surface périphérique à partir de la surface radialement interne du talon comme surface de référence. Bien entendu , la surface de référence peut être la surface radialement externe et celle à contrôler est la surface périphérique transversale à la surface radialement interne et adjacente à celle-ci .