BRPI0814323B1 - Processo de fabricação de uma peça mecânica - Google Patents
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Abstract
processo de fabricação de uma peça mecânica, peça mecânica, trem de pouso, turbomáquina, aeronave e dispositivo de bobinamento a invenção se refere a um processo de fabricação de uma peça mecânica (10, 110) que compreende pelo menos um inserto (3) feito de material compósito de matriz metálica dentro da qual se estendem fibras cerâmicas, o inserto (3) feito de material compósito sendo obtido a partir de uma pluralidade de fios revestidos (32) que compreendem cada um deles uma fibra cerâmica envolvida por uma bainha metálica, o processo compreendendo a fabricação de um esboço (33) de inserto (3) com uma etapa de bobinamento de um feixe ou de uma manta ligada de fios revestidos (32) em tomo de uma peça cilíndrica (2, 202). de acordo com a invenção, pelo menos uma parte da bobinamento é efetuada de acordo com pelo menos uma direção retilínea. por outro lado, o processo compreende: uma etapa de inserção do esboço (33) de inserto (3) em um primeiro contentor (4); uma etapa de compactação isostática a quente do primeiro contentor (4); e uma etapa de usinagem do primeiro contentor ( 4) para formar um inserto (3) retilíneo. a invenção também se refere a uma peça mecânica (10) assim obtida e a um dispositivo de bobinamento (20) projetado para a execução do processo de fabricação de acordo com a invenção.
Description
“PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE UMA PEÇA MECÂNICA” [0001] A presente invenção refere-se a uma peça mecânica que compreende um inserto feito de material compósito do tipo constituído de fibras cerâmicas em uma matriz metálica, assim como a um processo de fabricação dessa peça mecânica e a um dispositivo de bobinamento projetado para a execução do processo de fabricação. A invenção se aplica a qualquer tipo de peça mecânica cuja função é transmitir um esforço de tração e/ou de compressão principalmente unidirecional.
[0002] No domínio aeronáutico, notadamente, um objetivo constante é a otimização da resistência das peças mecânicas para uma massa e um volume mínimos. Assim, certas peças mecânicas podem compreender um inserto feito de material compósito de matriz metálica, tais peças podendo ser monoblocos. Um tal material compósito compreende uma matriz de liga metálica, por exemplo de liga de titânio Ti, dentro da qual se estendem fibras, por exemplo fibras cerâmicas de carboneto de silício SiC. Tais fibras apresentam uma resistência em tração e em compressão bem superior àquela do titânio. São, portanto, principalmente as fibras que compensam os esforços, a matriz de liga metálica assegurando uma função de ligante com o resto da peça, assim como de proteção e de isolamento das fibras, que não devem entrar em contato umas com as outras. Por outro lado, as fibras cerâmicas são resistentes à erosão, mas devem necessariamente ser reforçadas por metal.
[0003] Os materiais compósitos tais como descritos acima são conhecidos por serem utilizados, no domínio aeronáutico, para a fabricação de discos, de árvores, de corpos de macacos, de cárteres, de tirantes ou como reforços de peças monoblocos tais como pás.
[0004] Uma técnica de fabricação dessas peças é descrita no documento FR 2886290, representativo do plano de fundo tecnológico da invenção, no qual uma das etapas essenciais de fabricação consiste em efetuar um bobinamento de um feixe ou de uma manta de fios revestidos em torno de uma peça cilíndrica circular perpendicularmente ao eixo de rotação dessa última. As peças descritas assim obtidas são de tipo circular e convêm especialmente para a realização de peças
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2/10 circulares tais como árvores, corpos de macacos, cárteres ou discos.
[0005] No entanto, certas peças mecânicas exigem propriedades diferentes daquelas apresentadas pelas peças circulares. Esse é o caso notadamente das bielas, de forma essencialmente oblonga, cuja função é transmitir um esforço de tração e/ou de compressão unidirecional.
[0006] A invenção tem notadamente como objeto um processo de fabricação de uma peça mecânica que compreende pelo menos um inserto feito de material compósito do tipo constituído por fibras cerâmicas em uma matriz metálica capaz de transmitir esforços de tração e/ou de compressão unidirecionais entre suas extremidades.
[0007] Para isso, a invenção se refere a um processo de fabricação de uma peça mecânica que compreende pelo menos um inserto feito de material compósito de matriz metálica dentro da qual se estendem fibras cerâmicas, o inserto feito de material compósito sendo obtido a partir de uma pluralidade de fios revestidos que compreendem cada um deles uma fibra cerâmica envolvida por um revestimento metálico, o processo compreendendo a fabricação de uma preforma de inserto com uma etapa de bobinamento de um feixe ou de uma manta ligada de fios revestidos em torno de uma peça cilíndrica. De acordo com a invenção, pelo menos uma parte do bobinamento é efetuada de acordo com pelo menos uma direção retilínea. Por outro lado, o processo compreende:
- uma etapa de inserção da preforma de inserto em um primeiro contentor;
- uma etapa de compactação isostática a quente do primeiro contentor; e
- uma etapa de usinagem do primeiro contentor para formar um inserto retilíneo.
[0008] Depois da fabricação do inserto, o processo de fabricação de uma peça mecânica é seguido pelas etapas seguintes:
- uma etapa de inserção do inserto em um segundo contentor;
- uma etapa de compactação isostática a quente do segundo contentor; e
- uma etapa de usinagem do segundo contentor para formar uma peça
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3/10 mecânica.
[0009] A peça mecânica assim obtida, por exemplo, uma biela, permite vantajosamente transmitir esforços de tração e/ou de compressão unidirecionais.
[0010] A invenção se refere também a um dispositivo de bobinamento especialmente projetado para a execução do processo de fabricação de acordo com a invenção.
[0011] Outras vantagens e características da invenção se destacarão com a leitura da descrição detalhada que se segue em referência às figuras anexas nas quais:
[0012] - a figura 1 representa uma vista em perspectiva de um exemplo de peça mecânica de acordo com estado da técnica;
[0013] - a figura 2 representa uma vista em perspectiva de um exemplo de dispositivo de bobinamento de acordo com um primeiro modo de realização da invenção;
[0014] - a figura 3 representa uma vista em perspectiva de um exemplo de preforma de inserto obtida de acordo com o processo de fabricação da invenção;
[0015] - a figura 4 representa um exemplo de preforma de inserto, de um primeiro contentor destinado a acolher a preforma de inserto e de tampa metálica destinada a recobrir de maneira estanque o dito contentor e a preforma de inserto;
[0016] - a figura 5 representa uma vista em perspectiva de um exemplo de uma peça intermediária obtida no decorrer de uma etapa do processo de fabricação de acordo com um primeiro modo de realização da invenção;
[0017] - a figura 6 representa um exemplo de inserto, de um segundo contentor destinado a acolher a preforma de inserto e de tampa metálica destinada a recobrir de maneira estanque o dito contentor e o inserto;
[0018] - a figura 7 representa uma vista em perspectiva de um exemplo de peça mecânica obtida de acordo com o processo de fabricação da invenção;
[0019] - a figura 8 representa uma variante do processo de fabricação da invenção;
[0020] - a figura 9 representa uma vista em corte de um exemplo de peça
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4/10 mecânica obtida de acordo com a variante do processo de fabricação da invenção; e [0021] - a figura 10 representa uma vista em perspectiva do exemplo de peça mecânica obtida de acordo com a variante do processo de fabricação da invenção. [0022] - a figura 11 representa uma vista esquemática de uma preforma de inserto de acordo com um primeiro modo de realização da invenção;
[0023] - a figura 12 representa uma vista esquemática de uma preforma de inserto de acordo com um segundo modo de realização da invenção;
[0024] - a figura 13 representa uma vista esquemática de uma preforma de inserto de acordo com um terceiro modo de realização da invenção;
[0025] - a figura 14 representa uma vista em perspectiva de um exemplo de dispositivo de bobinamento de acordo com um terceiro modo de realização da invenção; e [0026] - a figura 15 representa uma vista em perspectiva de um trem de pouso que compreende uma peça mecânica de acordo com a invenção.
[0027] As técnicas de fabricação de uma peça mecânica, que compreende um inserto feito de material compósito, descritas no documento FR 2886290 são utilizáveis no âmbito da presente invenção. Assim, o ensinamento desse documento deve ser considerado como sendo incorporado no presente pedido, por exemplo, e de maneira não limitativa, a estrutura dos fios revestidos, sua fabricação, a fabricação de uma manta ligada de fios revestidos, a solidarização dessa manta ou sobre o suporte metálico sobre o qual ela é enrolada ou à manta de camada inferior, a soldagem dos fios por laser ou por contato entre dois eletrodos, a compactação isostática a quente e a usinagem.
[0028] A figura 1 representa um exemplo de peça mecânica tal como uma biela 1 da qual a forma é geralmente oblonga, quer dizer de forma alongada. Ela compreende duas extremidades 13 e 14. A função de uma biela 1 é de transmitir um movimento, e/ou esforços de tração T e/ou de compressão C, entre duas peças articuladas em suas extremidades de acordo com eixos paralelos Z1 e Z2. A biela 1 compreende em cada uma de suas extremidades 13 e 14 um entalhe cilíndrico 11 ou 12 do qual os eixos correspondem aos eixos paralelos Z1 e Z2. Esse tipo de biela
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5/10 pode ser utilizado, por exemplo, na concepção dos trens de pouso ou na concepção das turbomáquinas que compreendem bielas de compensação de esforço de impulso.
[0029] A figura 2 representa um exemplo de dispositivo de bobinamento 20 de acordo com um primeiro modo de realização da invenção. Nesse exemplo, o dispositivo de bobinamento 20 é especialmente adaptado para a realização de um inserto 3 para uma peça mecânica 10 ou 110 tal como uma biela. Esse dispositivo de bobinamento 20 compreende uma peça cilíndrica 2 vazada de forma oblonga que desempenha o papel de mandril e dois flanges 21 e 22 de forma oblonga e substancialmente idênticos. A peça cilíndrica 2 tem uma geometria de revolução, quer dizer uma geometria que descreve uma estrutura fechada na maior parte das vezes curva. As dimensões dos flanges 21 e 22 são superiores às dimensões da peça cilíndrica 2 de modo que a periferia 27 de cada flange 21 e 22 se estende para além da periferia da peça cilíndrica 2. A peça cilíndrica 2 é tomada em sanduíche entre os flanges 21 e 22. Os fios 32 se enrolam sobre a peça cilíndrica 2 quando o dispositivo de bobinamento 20 é colocado em rotação de acordo com o eixo de bobinamento Z. Os flanges 21 e 22 retêm axialmente os fios revestidos 32 e os guiam.
[0030] O dispositivo de bobinamento 20 pertence a um conjunto que forma um sistema de bobinamento. O sistema de bobinamento compreende por outro lado meios para colocar em rotação o dispositivo de bobinamento 20 e meios de fornecimento de um feixe ou de uma manta ligada de fios revestidos 32.
[0031] A peça cilíndrica 2 compreende duas porções de bobinamento retilíneas 24. Essas porções de bobinamento retilíneas 24 são orientadas perpendicularmente ao eixo de bobinamento Z. Assim, pelo menos uma parte do bobinamento dos fios 32 em torno da peça cilíndrica 2 é efetuada de acordo com uma direção retilínea. O bobinamento dos fios revestidos 32 é efetuado de maneira perpendicular ao eixo de bobinamento Z, dito de outro modo os fios revestidos 32 são substancialmente orientados perpendicularmente ao eixo de bobinamento Z.
[0032] No exemplo representado na figura 2, essas porções de bobinamento
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6/10 retilíneas 24 são paralelas e Intercaladas entre duas porções circulares 25. É possível fazer variar as dimensões da peça cilíndrica 2, notadamente sua espessura de acordo com a direção axial Z, o comprimento das porções de bobinamento retilíneas 24 e o raio de curvatura das peças circulares 25, em função das dimensões do inserto 3 desejado. As peças circulares 25 podem também compreender raios diferentes. Assim, as porções de bobinagens retilíneas 24 podem não ser paralelas.
[0033] O bobinamento em torno da peça cilíndrica 2 que compreende porções de bobinamento retilíneas 24 permite gerar em pouco tempo uma preforma 33 de inserto 3 que compreende pelo menos uma geratriz retilínea constituída por um grande número de fios revestidos 32 paralelos e unidirecionais.
[0034] A preforma 33 de inserto 3, uma vez bobinada, pode ser retirada do dispositivo de bobinamento 20 dessolidarizando-se para isso os flanges 21 e 22 um do outro. A forma da preforma 33 de inserto 3 assim formada deve ser fixada para evitar que os fios 32 percam sua orientação. Várias técnicas podem ser empregadas com esse objetivo.
[0035] Uma primeira técnica de manutenção em forma da preforma 33 de inserto 3 consiste em prever, no início de bobinamento, uma etapa de bobinamento de uma folha fina metálica de enganchamento da parte interna da preforma 33 de inserto 3 e, no final de bobinamento, uma etapa de bobinamento de uma segunda folha fina 28 metálica de enganchamento da parte externa da preforma 33 de inserto 3. Nesse exemplo, a primeira folha fina metálica constitui a peça cilíndrica 2. Os fios revestidos 32 se encontram portanto assim entre as folhas finas 2 e 28, como representado na figura 3.
[0036] Por outro lado, como ilustrado na figura 2, cada flange 21 e 22 compreende cortes em sua periferia 27. Cada corte do flange 21 é disposto em frente a um corte do flange 22, formando assim um par de cortes. A fixação das correias metálicas 31 é facilitada pelas dimensões dos cortes que se estendem para o interior dos flanges 21 e 22 em uma profundidade d. A profundidade d dos cortes deve ser tal para que seja possível ter acesso ao interior vazado 29 da peça
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7/10 cilíndrica 2 que é disposta em torno de um cubo do dispositivo de bobinamento 20, não visível na figura 2, que compreende uma alternância de cortes e de dentes, os cortes do cubo estando em fase com os cortes dos flanges 21 e 22. A profundidade d se estende para além da superfície de bobinamento da peça cilíndrica 2.
[0037] Cada par de cortes é destinado a permitir a fixação de uma correia metálica 31. As correias metálicas 31 são constituídas por um material metálico idêntico àquele dos contentores 4 e 104, descrito em ligação com as figuras 4 e 6, e da peça cilíndrica 2. As correias metálicas 31 são fixadas em torno da preforma 33 de inserto 3 por um processo de soldagem por contato. As correias metálicas 31 são dispostas em intervalos regulares sobre a preforma 33 de inserto 3 bobinada.
[0038] Uma vez que a preforma 33 de inserto 3 foi bobinada e que as correias metálicas 31 estão colocadas no lugar, esse último pode ser retirado do dispositivo de bobinamento 20 dessolidarizando-se para isso os flanges 21 e 22 um do outro. Um exemplo de preforma 33 de inserto 3 assim obtida está representado na figura 3. Ela consiste em uma peça cilíndrica de forma oblonga que compreende duas porções retilíneas 34 e paralelas intercaladas entre duas porções circulares 35.
[0039] Uma segunda técnica de manutenção em forma da preforma 33 de inserto 3, que não necessita da utilização de correias 31, consiste em prever uma peça cilíndrica 2 que forma um mandril oblongo que compreende pelo menos um rebordo radial, por exemplo de seção transversal em L ou em U, no qual são enrolados os fios 32. Quando uma manta ligada de fios revestidos 32 é utilizada, é possível solidarizar a mesma à peça cilíndrica 2 na qual ela é enrolada e à manta da camada inferior com o auxílio de um processo por soldagem por contato entre dois eletrodos e passagem de uma corrente de média freqüência. Os fios 32 são assim soldados à medida do bobinamento de modo que, quando a preforma 33 de inserto 3 é extraída do dispositivo de bobinamento 20, ela forma uma peça solidária com a peça cilíndrica 2.
[0040] A preforma 33 de inserto 3 é em seguida inserida em um primeiro contentor 4, como representado na figura 4. O contentor 4 compreende para isso uma ranhura 41 de forma complementar à preforma 33 de inserto 3 e na qual vem se
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8/10 alojar a preforma 33 de inserto 3. Uma tampa 5 é adaptada sobre o contentor 4 por soldagem por feixe de elétrons, colocada sob vácuo, e depois compactada por um processo de compactação isostática a quente. A peça assim obtida, representada na figura 5, contém a preforma 33 de inserto 3. Na preforma 33 de inserto que descreve uma revolução, as partes que contribuem mais eficazmente para transmitir esforços de tração e/ou de compressão unidirecionais são as porções retilíneas 34 de fios revestidos 32, O processo de compactação isostática a quente é seguido por uma etapa de usinagem que visa extrair pelo menos uma porção retilínea 34 que forma um inserto 3.
[0041] Como representado na figura 6, os insertos 3 obtidos depois de usinagem são em seguida inseridos em um segundo contentor 104. O segundo contentor 104 compreende para isso ranhuras 141 de forma complementar aos insertos 3 e nas quais vêm se alojar os insertos 3. Uma tampa 105 é adaptada sobre o contentor 104 por soldagem por feixe de elétrons, colocada sob vácuo, e depois compactada por um processo de compactação isostática a quente. Na figura 6, os insertos 3 são dispostos dentro do segundo contentor 104 de maneira paralela. Também é possível só inserir um único inserto 3 dentro de um contentor 104 em função das dimensões da peça mecânica 10 final desejada.
[0042] O conjunto é em seguida usinado para obter a peça mecânica 10 final: uma biela 10, representada na figura 7. A biela 10, de forma idêntica à biela 1 da figura 1, compreende por outro lado uma pluralidade de insertos feitos de material compósito 3, dos quais os fios 32 são orientados de acordo com uma direção retilínea. Essa direção retilínea é perpendicular aos eixos Z1 e Z2. Essa biela 10 permite vantajosamente transmitir os esforços de tração e/ou de compressão unidirecionais. Todos os fios de um inserto 3 são orientados de acordo com uma mesma direção retilínea.
[0043] A invenção se aplica a qualquer tipo de peça mecânica cuja função é de transmitir um esforço de tração e/ou de compressão principalmente unidirecional e não se limita, portanto, unicamente às bielas que só constituem um exemplo de aplicação.
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9/10 [0044] De acordo com uma variante da invenção, a peça mecânica pode ter uma forma mais complexa e compreender uma pluralidade de insertos 3, cada inserto 3 compreendendo fios 32 orientados de acordo com uma direção retilínea. No exemplo representado na figura 8, o processo de fabricação é modificado utilizando-se para isso um segundo contentor 104 que compreende de um lado e de outro de duas de suas faces opostas 42 ranhuras 41 destinadas a acolher insertos 3. Depois de compactação isostática a quente e usinagem, a peça mecânica 110 obtida é aquela representada na figura 9 e compreende assim insertos 3. Os insertos 3 são posicionados de um lado e de outro de um plano mediano PI da peça mecânica 110. Eles são posicionados em planos P2 e P3 que formam um ângulo α não nulo entre si. A figura 10 mostra, em perspectiva, uma peça mecânica 110 assim obtida. Essa peça mecânica 110 pode também compreender entalhes 15 destinados a diminuir a massa da mesma.
[0045] De acordo com um segundo modo de realização da invenção, representado na figura 12, uma peça cilíndrica 2, que compreende porções de bobinamento retilíneas 24 mais longas do que aquelas do primeiro modo de realização, é utilizada. Dessa maneira, é possível extrair e fabricar um maior número de insertos 3. Para fazer isso, a preforma 133 é recortada extraindo-se vários insertos 3 em uma mesma porção retilínea 34 da preforma 133.
[0046] A figura 11 corresponde ao primeiro modo de realização da invenção.
[0047] De acordo com o terceiro modo de realização da invenção, um grande número de insertos 3 pode ser obtido pela utilização de uma peça cilíndrica 233 em forma de polígono, quer dizer uma peça cilíndrica 220 que compreende uma pluralidade de porções de bobinamento retilíneas 224. A figura 13 representa um exemplo de preforma 233 de insertos 3 obtida de acordo com esse terceiro modo de realização. A preforma 233 em forma de polígono, representada a título de exemplo, é um hexágono que compreende seis porções retilíneas 34 e doze planos de recorte 36. É possível obter um número de insertos diferentes de seis utilizando-se para isso um polígono que compreende um número de lados inferior ou superior a seis.
[0048] Para obter uma tal preforma, é necessário utilizar um dispositivo de
Petição 870160076730, de 19/12/2016, pág. 17/20
10/10 bobinamento 220 que compreende uma peça cilíndrica 202 em forma de polígono, essa peça cilíndrica 202 podendo, de preferência, ser tomada em sanduíche em dois flanges 221 e 222 em forma de polígono. O dispositivo de bobinamento 220 do terceiro modo de realização de acordo com a invenção, representado na figura 14, apresenta características comuns com o dispositivo de bobinamento 20 do primeiro modo de realização da invenção pela presença dos cortes 223 em sua periferia 227 e pelo interior vazado 229 da peça cilíndrica 202 em forma de polígono, seu funcionamento sendo idêntico.
[0049] Tais peças mecânicas 10 ou 110 convêm perfeitamente para as aplicações aeronáuticas, por exemplo, para os trens de pouso ou para as turbomáquinas destinados à aeronave.
[0050] Um exemplo de trem de pouso 6 é representado na figura 15. Um trem de pouso 6 compreende um caixão 61, que constitui a peça estrutural maior, e braços 62. Os braços 62 são destinados a transmitir um esforço de tração e/ou de compressão principalmente unidirecional. Os braços 62 podem, portanto, constituir peças mecânicas de acordo com a invenção sem por isso formar bielas 110. Nesse caso, os insertos 3 são contidos dentro dos braços 62.
Claims (3)
- REIVINDICAÇÕES1. Processo de fabricação de uma peça mecânica (10, 110) que compreende pelo menos um inserto (3) feito de material compósito de matriz metálica dentro da qual se estendem fibras cerâmicas, o inserto (3) feito de material compósito sendo obtido a partir de uma pluralidade de fios revestidos (32) que compreendem cada um deles uma fibra cerâmica envolvida por uma bainha metálica, o processo compreendendo- a fabricação de uma preforma (33) de inserto (3) com uma etapa de bobinamento de um feixe ou uma manta ligada de fios revestidos (32) em torno de uma peça cilíndrica que forma um mandril (2, 202), em que pelo menos uma parte do bobinamento é efetuado de acordo com pelo menos uma direção retilínea;- uma etapa de inserção da preforma (33) de inserto (3) em um primeiro contentor (4);- uma tampa (5) é adaptada sobre o contentor (4) por soldagem por feixe de elétrons, colocada sob vácuo; e- uma etapa de compactação isostática a quente do primeiro contentor (4);- uma etapa de usinagem do primeiro contentor (4) para formar um inserto (3) retilíneo; o processo caracterizado por adicionalmente ter:- uma etapa de inserção do inserto (3) usinado em um segundo contentor (104);- uma tampa (105) é adaptada sobre o contentor (104) por soldagem por feixe de elétrons, colocada sob vácuo; e- uma etapa de compactação isostática a quente do segundo contentor (104); e- uma etapa de usinagem do segundo contentor (104) para formar uma peça mecânica final (10, 110).
- 2. Processo de fabricação de uma peça mecânica (10, 110) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a peça cilíndrica que forma um mandril (2) compreende duas porções de bobinamento retilíneas (24), intercaladasPetição 870190011720, de 04/02/2019, pág. 8/92/2 entre duas porções circulares (25).
- 3. Processo de fabricação de uma peça mecânica (10, 110) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o bobinamento é efetuado em torno de uma peça cilíndrica que forma um mandril (202) em forma de polígono.
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