TITRE : DISPOSITIF POUR L’EXPANSION A FROID D’UN PERÇAGE DEBOUCHANT

Domaine technique de l'invention

L’invention concerne un dispositif pour l’expansion à froid d’un perçage débouchant, et plus particulièrement un dispositif de type brunissoir pour l’expansion à froid d’un perçage formé dans une roue d’injection d’un moteur d’hélicoptère.

Arrière-plan technique

Les moteurs d’hélicoptère sont généralement réalisés sous la forme de turbomachines appelées turbomoteurs qui comportent d’amont en aval, suivant le flux d’écoulement des gaz, au moins un compresseur haute pression, une chambre de combustion annulaire, et au moins une turbine haute pression. Le compresseur haute pression et la turbine haute pression sont liés en rotation l’un à l’autre par un arbre.

Pour des raisons de compacité, de tels turbomoteurs emploient généralement, en amont de la chambre de combustion, un compresseur haute pression qui est un compresseur axialo-centrifuge et qui à ce titre est alimenté avec des gaz d’orientation axiale, soit directement, soit par un compresseur axial basse pression, et qui les comprime radialement en direction d’un diffuseur chargé de redresser axialement le flux d’air comprimé pour alimenter radialement par sa périphérie extérieure une chambre de combustion. L’air alimentant la chambre de combustion est alors mélangé à du carburant et enflammé afin d’alimenter la turbine haute pression et éventuellement une turbine basse pression en aval de la turbine haute pression. De par cette configuration, la chambre de combustion nécessite d’être alimentée en carburant en un point différent de l’entrée d’air périphérique extérieure et à cet effet elle peut être alimentée radialement par sa périphérie intérieure. Pour cette raison, la chambre de combustion comporte généralement une partie annulaire intérieure qui est alimentée intérieurement par une roue d’injection, solidaire de l’arbre qui lie le compresseur à la turbine. Cet arbre est creux, afin de permettre l’alimentation en carburant de la roue d’injection avec laquelle il communique. La roue d’injection comporte une pluralité de perçages d’orientation radiale qui distribuent le carburant à l’intérieur de la chambre de combustion.

Une telle roue d’injection est généralement réalisée en un alliage à base de nickel. Lors de l’utilisation du turbomoteur, les perçages sont fortement sollicités par les importantes contraintes thermomécaniques auxquelles la roue d’injection est soumise. Ces contraintes sollicitent la roue d’injection en fatigue et peuvent à terme conduire à une fissuration puis à une rupture de la roue d’injection. Une solution connue pour retarder la fissuration de la roue d’injection consiste à appliquer un traitement aux perçages de celle-ci en les soumettant à une opération d’expansion à froid visant à écrouir le matériau de la roue autour de ses perçages et à produire également des contraintes résiduelles de compression autour des perçages qui permettent donc de réduire l’effet des sollicitations thermomécaniques et ainsi retarder la propagation de fissures de fatigue auxquelles les perçages sont soumis.

Pour réaliser une telle expansion à froid, on fait conventionnellement passer au travers de chaque perçage un brunissoir en acier dans le but de déformer plastiquement la roue d’injection autour de chaque perçage afin d’en écrouir le matériau et d’augmenter ainsi sa résistance à la fatigue. Une opération similaire, appliquée à un tube, est décrite dans le document US-2.726.704-A1 , et est décrite par roulage d’un galet dans le document US-6.622.570-B1 .

Le brunissoir est monté à l’extrémité d’un mandrin puis inséré dans chaque perçage de manière à parcourir toute la longueur du perçage.

Plusieurs configurations sont actuellement connues. Dans la majorité des cas, le brunissoir est tiré directement à travers chaque perçage ou à travers une douille qui est reçue préalablement dans chaque perçage, pour éviter une dégradation du matériau du perçage lors du passage du brunissoir. Cette configuration rend cette opération particulièrement malaisée car elle nécessite l’introduction d’une douille dans chaque perçage préalablement à l’opération d’expansion à froid puis son retrait sans endommager le perçage. Cette méthode présente également une limite d’utilisation dans le cas de pièces constituées d’un matériau à haute résistance dont les trous à expanser sont de petite section et de longueur significative; les propriétés mécaniques du matériau constituant le mandrin étant alors insuffisantes pour pouvoir tirer le brunissoir au travers du perçage sans se rompre.

Selon une autre configuration connue, le brunissoir est positionné à l’extrémité d’un mandrin et poussé au travers de chaque perçage. Toutefois, le positionnement du brunissoir à l’extrémité du mandrin nécessite une parfaite coaxialité du mandrin et du perçage si l’on désire éviter toute rupture de l’outil. En outre, le perçage nécessite une lubrification performante qui est généralement réalisée à l’aide de lubrifiants nécessitant un séchage préalable, et comportant par ailleurs des substances cancérogènes telles que de l’antimoine.

Résumé de l'invention

L’invention remédie à cet inconvénient en proposant un dispositif d’expansion à froid comportant un brunissoir perfectionné apte à se centrer spontanément dans le perçage devant faire l’objet d’une opération d’expansion à froid.

Dans ce but, l’invention propose, pour l’écrouissage d’un perçage débouchant de première longueur déterminée formé dans une pièce de turbomachine, notamment une roue d’injection de moteur d’hélicoptère, un dispositif d’expansion à froid comportant au moins un mandrin porteur d’un brunissoir et un moyen de poussée axiale dudit mandrin, caractérisé en ce qu’il comporte au moins :

- un guide tubulaire, configuré pour entourer le mandrin et le brunissoir, et configuré pour guider le brunissoir jusqu’au perçage selon une course d’abordage,

- un premier moyen de fixation magnétique agencé à une extrémité libre du mandrin,

- le brunissoir, de deuxième longueur déterminée, comportant une extrémité libre utilisée comme comportant une surface de travail et une extrémité opposée comportant un second moyen de fixation magnétique, complémentaire du premier moyen de fixation magnétique, et en ce que le moyen de poussée axiale est mobile selon une course au moins supérieure à une somme de la course d’abordage, de la première longueur du perçage, et de la deuxième longueur du brunissoir.

Selon d’autres caractéristiques du dispositif d’expansion à froid :

- la surface de travail s’étend suivant toute une longueur axiale du brunissoir entre l’extrémité libre du brunissoir et son extrémité comportant le second moyen de fixation magnétique,

- la surface de travail présente une section axiale semi-elliptique, tronconique, ou curviligne,

- le brunissoir comporte une âme en acier de dureté et résistance adaptées à un matériau de la pièce pour agrandir et écrouir le perçage,

- l’âme du brunissoir est recouverte d’un revêtement choisi en fonction des matériaux constitutifs de la pièce et du brunissoir pour limiter les frottements statique et dynamique entre ledit brunissoir et ladite pièce,

- le moyen de poussée axiale dudit mandrin est une presse,

- le brunissoir comporte une extrémité libre caractérisée par un diamètre maximal qui est configuré pour être inférieur ou égal au diamètre du perçage avant expansion, et une extrémité opposée comportant le second moyen de fixation et un diamètre minimal configuré pour être supérieur ou égal au diamètre du perçage après expansion, - le dispositif d’expansion à froid est adapté à une pièce de turbomachine en alliage de nickel et l’âme du brunissoir est une âme en acier très haute résistance du type E80DCV40 ou Z100CD17,

- le dispositif d’expansion à froid est adapté à une pièce de turbomachine en alliage de nickel et le revêtement du brunissoir est :

- un revêtement à base de lubrifiants solides choisis parmi MoS2, WS2, graphite, fluorure de graphite, talc, et leur mélange, déposés par un procédé de projection et/ou par un procédé de dépôt physique en phase vapeur et/ ou par un dépôt chimique en phase vapeur, selon une épaisseur de 0,5 à 5 pm, et/ou

- un revêtement d’augmentation de dureté déposé par un procédé d’implantation ionique de Bore ou d’Azote et/ou un procédé de dépôt physique en phase vapeur de nitrures TiN, et/ou CrN selon une épaisseur 0,5 à 5 pm, et/ou

- un revêtement mixte de forte dureté et de coefficient de friction réduit de type carbone amorphe ou Carbure de tungstène/Carbone WC/C déposé par un procédé de dépôt physique en phase vapeur d'épaisseur 0,5 à 4 pm.

L’invention concerne aussi un procédé d’expansion à froid pour l’écrouissage d’au moins un perçage débouchant formé dans une pièce de turbomachine, telle qu’une roue d’injection de moteur d’hélicoptère, à l’aide d’un dispositif du type décrit précédemment, caractérisé en ce qu’il comporte :

- une première étape au cours de laquelle on étend le mandrin hors du guide,

- une deuxième étape au cours de laquelle on fixe un brunissoir de taille adaptée au perçage à écrouir à l’extrémité du mandrin,

- une troisième étape au cours de laquelle on rétracte le mandrin et le brunissoir dans le guide,

- une quatrième étape au cours de laquelle on aligne le brunissoir avec le perçage,

- une cinquième étape au cours de laquelle on actionne la presse pour pousser le brunissoir à l’aide du mandrin au travers du perçage débouchant en écrouissant ledit perçage jusqu’à ce qu’il en ressorte du côté opposé à son introduction,

- une sixième étape au cours de laquelle on arrête la course du mandrin et on ôte le brunissoir du mandrin,

- une septième étape au cours de laquelle on rétracte le mandrin au travers du perçage.

- une huitième étape au cours de laquelle on récupère le brunissoir du côté de la face débouchante du perçage expansé afin de pouvoir le réutiliser.

Brève description des figures

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

[Fig. 1 ] La figure 1 est une vue schématique d’un turbomoteur destiné à la motorisation d’un hélicoptère ;

[Fig. 2] la figure 2 est une vue schématique d’une première étape d’un procédé d’expansion à froid selon l’invention ; [Fig. 3] la figure 3 est une vue schématique d’une deuxième étape d’un procédé d’expansion à froid selon l’invention ;

[Fig. 4] la figure 4 est une vue schématique d’une troisième étape d’un procédé d’expansion à froid selon l’invention ; [Fig. 5] la figure 5 est une vue schématique en coupe axiale d’un premier mode de réalisation d’un brunissoir selon l’invention ;

[Fig. 6] la figure 6 est une vue schématique en coupe axiale d’un deuxième mode de réalisation d’un brunissoir selon l’invention ; [Fig. 7] la figure 7 est une vue schématique en coupe axiale d’un troisième mode de réalisation d’un brunissoir selon l’invention ; [Fig. 8] la figure 8 est un diagramme bloc illustrant les étapes d’un procédé d’expansion à froid selon l’invention.

Description détaillée de l'invention

On a représenté à la figure 1 un turbomoteur 10 destiné à motoriser un hélicoptère.

De manière connue, le turbomoteur 10 est une turbomachine qui comporte, d’amont en aval selon le sens de l’écoulement des gaz, et à titre d’exemple non limitatif, un compresseur 12 basse pression, un compresseur 14 haute pression, au moins une chambre de combustion 16, une turbine 18 haute pression, une turbine libre 20 basse pression, et une tuyère d’échappement 22. Le compresseur 14 haute pression et la turbine 18 haute pression sont reliés par un arbre 24 et forment avec lui le module générateur de gaz du turbomoteur. La turbine basse pression 20 est libre, et indépendante du compresseur haute pression 12. Elle entraîne un arbre de sortie 26 par l’intermédiaire d’un réducteur 28.

Le compresseur basse pression 12 est un compresseur axial qui envoie de l’air compressé axialement au compresseur haute pression 14 qui est un compresseur axialo-centrifuge, c’est-à-dire qu’il reçoit un flux d’air sensiblement axial et le compresse de manière à produire un flux d’air compressé sensiblement radial. Ce flux d’air compressé est ensuite redressé par l’intermédiaire d’un diffuseur 30 de manière à pénétrer axialement dans la périphérie extérieure de la chambre de combustion 16, qui est sensiblement annulaire. L’air alimentant la chambre de combustion 16 est mélangé à du carburant provenant d’injecteurs de carburant et il est enflammé afin d’alimenter la turbine haute pression 18 en gaz à haute énergie et la turbine libre basse pression 20.

De par cette configuration, la chambre de combustion 16 nécessite d’être alimentée en carburant en un point différent de l’entrée d’air périphérique extérieure car le diffuseur 30 ne permet pas de disposer d’injecteurs à cet endroit. A cet effet, elle peut être alimentée radialement par sa périphérie intérieure.

A cet effet, la chambre de combustion comporte généralement une partie annulaire intérieure qui est alimentée intérieurement par une roue d’injection 32 rotative, qui est solidaire de l’arbre 24.

L’arbre 24 est creux et il alimente intérieurement la roue d’injection 32 qui débite le carburant par centrifugation au travers des perçages 34 agencés à sa périphérie. Cette configuration est particulièrement avantageuse car elle permet un excellent brassage du carburant qui est pulvérisé à l’intérieur de la chambre de combustion 16.

Une telle roue d’injection 32 est généralement réalisée en un alliage à base de nickel. Lors de l’utilisation du turbomoteur 10, les perçages 34 sont fortement sollicités par les importantes contraintes thermomécaniques auxquelles la roue d’injection 32 est soumise. En effet, la roue d’injection 32 est soumise à des efforts centrifuges et elle est placée dans une zone extrêmement chaude et peu ventilée du turbomoteur 10. Les contraintes thermomécaniques sollicitent la roue d’injection 32 en fatigue et peuvent à terme conduire à une fissuration de la route injection 32 à partir de ses perçages 34 puis à une rupture de la roue d’injection 32. Une solution connue pour retarder la propagation des fissures de fatigue de la roue 32 d’injection consiste à appliquer un traitement aux perçages 34 de celle-ci en les soumettant à une opération d’expansion à froid visant à écrouir le matériau de la roue 32 autour de ses perçages 34. Une telle opération a pour but d’écrouir le matériau de la roue 32 localement autour des perçages 34 et de produire autour de ses perçages 34 des gradients de dureté et de contraintes résiduelles de compression visant à atténuer les sollicitations thermomécaniques auxquelles les perçages 34 sont soumis.

Pour réaliser une telle expansion à froid, on fait conventionnellement passer au travers de chaque perçage, directement ou indirectement, un brunissoir en acier dans le but de déformer plastiquement la roue d’injection autour de chaque perçage afin d’en écrouir le matériau et d’augmenter ainsi sa résistance à la tenue en fatigue.

Un brunissoir consiste en un élément de forme globalement cylindrique ou tronconique en acier, d’un diamètre légèrement supérieur à celui du perçage 34 à écrouir qui est déplacé le long du perçage afin de l’agrandir en écrasant localement autour de la périphérie du perçage 34 le matériau de ce perçage 34 afin de l’écrouir.

Le brunissoir est monté à l’extrémité d’un mandrin puis inséré dans chaque perçage de manière à parcourir toute la longueur du perçage 34.

Selon une configuration connue, le brunissoir est fixé à l’extrémité d’un mandrin et poussé au travers de chaque perçage, avec ou sans douille. Toutefois, le montage fixe du brunissoir à l’extrémité du mandrin nécessite une parfaite coaxialité du mandrin et du perçage 34 ce qui nécessite des réglages longs et fastidieux si l’on désire éviter toute rupture de l’outil. En outre, dans le cas d’une utilisation sans douille, le perçage 34 nécessite une lubrification performante qui est généralement réalisée à l’aide de lubrifiants nécessitant un séchage préalable, ce qui rallonge l’opération d’écrouissage.

De plus, de tels lubrifiants peuvent contenir des substances cancérogènes telles que de l’antimoine. L’invention remédie à cet inconvénient en proposant une nouvelle conception d’un dispositif 36 d’expansion à froid pour l’écrouissage d’un perçage 34 d’une roue d’injection 32.

Comme l’illustrent les figures 2 à 4, le dispositif 36 d’expansion à froid selon l’invention est destiné à permettre l’expansion d’un perçage 34 de première longueur L1 déterminée formé dans la roue d’injection 32 du turbomoteur 10 précédemment décrit.

Il sera compris que cette disposition n’est pas limitative et que le dispositif 36 pourrait être utilisé pour réaliser l’expansion à froid de tout autre perçage ou alésage de la turbomachine, sans limitation de l’invention.

Le dispositif 36 comporte, de manière connue, au moins un mandrin porteur 38 d’un brunissoir 40 et un moyen de poussée axiale 41 du mandrin 38.

Toutefois, à la différence des dispositifs d’expansion à froid connu de l’état de la technique, le dispositif 36 comporte différents éléments permettant le guidage du brunissoir 40 puis son passage par poussée au travers du perçage 34, et enfin sa récupération du côté opposé du perçage 34 par lequel il a été introduit.

À cet effet, le dispositif 36 comporte au moins un guide tubulaire 42 qui est configuré pour entourer le mandrin 38 et le brunissoir 40, et qui est configuré pour guider le brunissoir 40 jusqu’au perçage 34 selon une course d’abordage C.

En effet, le brunissoir 40 est mobile à l’extrémité du mandrin 38 à partir d’une position de repos, qui a été représenté à la figure 2, dans laquelle il est agencé à une distance du perçage 34 à écrouir correspondant à la course d’abordage C, notamment de manière à permettre son déplacement en vue de l’aligner en regard du perçage 34. Le brunissoir 40 doit donc parcourir la course d’abordage C avant d’attaquer le perçage 34.

Le dispositif 36 comporte aussi avantageusement un premier moyen de fixation magnétique 47 agencé à une extrémité libre 44 du mandrin 38. Ce premier moyen de fixation magnétique 47 peut notamment consister en un aimant permanent ou en un électroaimant. Ce premier moyen de fixation magnétique 47 est destiné à permettre la fixation du brunissoir 40, le centrage du brunissoir 40 par rapport au perçage 34, et est, comme on le verra dans la suite de la présente description le retrait du brunissoir 40 à l’issue de l’opération d’expansion à froid.

Le dispositif 36 comporte également le brunissoir 40 qui est d’une deuxième longueur L2 déterminée. Le brunissoir 40 comporte une extrémité libre 50 comportant une surface de travail 46 et une extrémité opposée 48 comportant un second moyen de fixation magnétique 49, complémentaire du premier moyen de fixation magnétique 47. De ce fait, le brunissoir 40 est apte à être fixé à l’extrémité du mandrin 38 par l’intermédiaire de la coopération de son extrémité 48 comportant le second moyen de fixation magnétique 49 coopérant avec le premier moyen de fixation magnétique 47, et il est susceptible d’en être retiré aisément de la même façon.

Conformément à l’invention, le moyen de poussée axiale 41 est mobile selon une course au moins supérieure à une somme de la course d’abordage C, de la première longueur de l’alésage L1 , et de la deuxième longueur L2 du brunissoir 40.

Cette course permet, comme l’illustrent les figures 1 à 3, de faire aborder le perçage 34 par le brunissoir 40, puis de pousser le brunissoir 40 au travers du perçage 34 suivant toute sa longueur, et enfin de l’en ressortir du côté opposé à son introduction.

Dans le mode de réalisation préféré de l’invention, le moyen de poussée axiale 41 est une presse, mais il sera compris que cette configuration n’est pas limitée de l’invention et qu’il pourrait s’agir d’un actionneur d’un autre type.

S’agissant d’un brunissoir 40 qui est destiné à assurer l’expansion à froid du perçage 34 par contact direct, un soin tout particulier doit être accordé aux matériaux de ce brunissoir 40 à cet effet, le brunissoir 40 comporte une âme en acier de dureté et résistance adaptées à un matériau de la pièce dont il doit agrandir et écrouir le perçage 34, c’est-à-dire ici la roue d’injection 32.

Notamment, dans le cas d’une roue d’injection 32 réalisée, comme cela est souvent le cas, en alliage de nickel, l’âme du brunissoir 40 est une âme en acier à très haute résistance du type E80DCV40 ou Z100CD17.

Le choix du matériau de l’âme du brunissoir 40 est déterminant pour éviter toute détérioration du brunissoir 40 pouvant introduire un débris entre le brunissoir 40 et la surface du perçage 34, débris qui aurait pour effet d’endommager la surface du perçage 34, avec des risques de fissuration potentielle à partir de cet endommagement.

Par ailleurs, l’âme du brunissoir 40 est recouverte d’un revêtement qui est lui aussi choisi en fonction des matériaux constitutifs de la pièce et du brunissoir 40, c’est-à-dire de la roue d’injection 32, pour limiter les frottements statique et dynamique entre le brunissoir 40 et la roue d’injection 32.

S’agissant toujours d’une roue d’injection 32 en alliage de nickel, le revêtement du brunissoir peut-être de différents types.

Il peut s’agir d’un revêtement à base de lubrifiants solides choisis parmi MoS2, WS2, graphite, fluorure de graphite, talc, et leur mélange, qui sont déposés par un procédé de projection et/ou par un procédé de dépôt physique en phase vapeur et/ ou par un dépôt chimique en phase vapeur, le tout selon une épaisseur de 0,5 à 5 pm .

Il peut également s’agir d’un revêtement d’augmentation de dureté déposé par un procédé d’implantation ionique de Bore ou d’Azote et/ou par un procédé de dépôt physique en phase vapeur de nitrures TiN, et/ou CrN, le tout selon une épaisseur 0,5 à 5 pm. Enfin, il peut s’agir d’un revêtement mixte de forte dureté et de coefficient de friction réduit de type carbone amorphe ou Carbure de tungstène/Carbone WC/C déposé par un procédé de dépôt physique en phase vapeur, selon une épaisseur 0,5 à 4 pm.

Par ailleurs, la géométrie du brunissoir 40 est elle aussi déterminante.

Comme le brunissoir 40 est destiné à traverser l’intégralité du perçage 34, et à ressortir de celui-ci du côté opposé où il a été introduit, il est nécessaire que sa surface de travail 46 s’étende suivant toute la longueur axiale L2 du brunissoir entre une extrémité du brunissoir 40 et son extrémité 48 comportant le second moyen de fixation magnétique. Comme l’illustrent les figures 5 à 7, la surface de travail 46 peut présenter différentes sections axiales.

Par exemple, comme l’illustre la figure 5, la surface de travail 46 peut présenter une section axiale semi-elliptique. Comme l’illustre la figure 6, la surface de travail 46 peut présenter une section axiale tronconique. Enfin, comme l’illustre la figure 7, la surface de travail 46 peut présenter une section axiale mixte, c’est-à-dire curviligne.

Il sera compris que l’extrémité libre 50 du brunissoir a un diamètre maximal qui est configuré pour être inférieur ou égal au diamètre du perçage 34 avant expansion. Sur la figure 5, ce diamètre est nul du fait de la section semi-elliptique du brunissoir 40, mais dans les modes de réalisation des figures 6 et 7, ce diamètre D1 est non nul.

De même, l’extrémité 48 comportant le second moyen de fixation du brunissoir 40 a un diamètre minimal D2 qui est configuré pour être supérieur ou égal au diamètre du perçage 34 après expansion. Dans cette configuration, l’opération d’expansion à froid des perçages 34 d’une roue d’injection 32 peut être menée à l’aide du dispositif 36 précédemment décrit.

Selon une première étape ET1 (non représentée), on étend le mandrin 38 nu hors du guide 42, de manière à rendre accessible son extrémité libre 44.

Puis, au cours d’une deuxième étape ET2 (non représentée), on fixe un brunissoir 40 de taille adaptée au perçage 34 à écrouir à l’extrémité du mandrin 38. Puis, au cours d’une troisième étape ET3, on rétracte le mandrin 38 et le brunissoir 40 dans le guide 42, selon la configuration de la figure 2.

Puis on aligne le brunissoir 40 avec le perçage 34 au cours d’une quatrième étape ET4. S’ensuit une cinquième étape ET5 au cours de laquelle on actionne la presse 41 pour pousser le brunissoir 40 à l'aide du mandrin 38 au travers du perçage débouchant 34 en écrouissant ledit perçage, comme représenté à la figure 3, jusqu’à ce qu’il en ressorte du côté opposé à son introduction.

Puis, au cours d’une sixième étape ET6, on arrête la course du mandrin 38 et on ôte le brunissoir 40 du mandrin 38 comme représenté à la figure 4.

Le mandrin 38 est alors libre d’être rétracté au travers du perçage 34 au cours d’une dernière étape ET7 (non représentée), sans risque d’endommager le perçage 34.

L’invention permet donc de diminuer sensiblement les temps de travail consacrés à l’écrouissage des perçages 34 d’une pièce de turbomachine, et de limiter les risques d’endommagement des perçages de celle-ci ou de l’outillage utilisé.