Upload
gana
View
78
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
Chapitre I Moulage
1
LA FONDERIE
La fonderie permet la réalisation de pièces mécaniques par remplissage d’une empreinte avec
un alliage métallique en fusion.
L’empreinte est conçue pour donner après solidification et refroidissement de l’alliage, une
pièce dont la forme, les dimensions, l’état de surface, la compacité et les caractéristiques sont
définies par un cahier des charges.
Chapitre I Moulage en moule permanent
2
Moulage en moule permanent
I. INTRODUCTION
A partir du moment où la pièce, moulée et solidifiée, est dégagée de son empreinte sans
destruction de celle-ci, on peut parler de moulage en moule permanent. Le nombre de
réutilisation possibles de ce même moule, donnant des pièces identiques dans un intervalle de
tolérance imposé déterminera le seuil de rentabilité de cette technique.
Il existe un nombre minimum de réutilisations, variable suivant les procédés et en deçà duquel
les avantages apportés ne compensent pas le coût de fabrication et d'entretien du moule.
D'autre part, la répétitivité des opérations fondamentales de remplissage, d'alimentation et
d'éjection impose des contraintes techniques particulières pour la conception et la mise en
œuvre des moules.
On distingue :
le moulage en coquille
le moulage sous pression
le moulage sous basse pression
le moulage par centrifugation
le moulage en coulée continue
II. MOULAGE EN COQUILLE
II.1. Moulage en coquille par gravité
II.1.1. Description du procédé
On appelle coquille (fig.1) un moule métallique divisé en deux parties suivant le plan de joint
et contenant une ou plusieurs empreintes qui lui donnent des formes extérieures. Pour
l’obtention des formes intérieures, les trous, les orifices, on emploie les noyaux qui sont
métalliques où destructibles.
On coule directement le métal liquide à l’aide d’une louche ou d’une petite poche de coulée
par gravité dans l’empreinte du moule métallique qui peut comporter ou non des noyaux
métalliques ou destructibles suivant les pièces à fabriquer et leur complexité.
Chapitre I Moulage en moule permanent
3
Figure 1 : Exemple de coquille
II.1.2. Caractéristiques du procédé
Pour mieux définir ce procédé, on peut donner les avantages techniques qu'il apporte par
rapport au moulage en moules non permanents. Pour cela, il faut considérer que la
permanence du moule, imposant les métaux comme matériaux constitutifs, entraîne les
caractéristiques suivantes d'une coquille :
rigidité de l'empreinte ;
grande précision dimensionnelle et d'état de surface des éléments moulants ;
conductibilité thermique élevée des mêmes éléments (l'utilisation de noyaux en sable
aggloméré est possible puisque la charge métallo-statique est la même qu'en moules non
permanents, par contre ces noyaux ont une conductibilité thermique différente que le
reste du moule).
Il en découle donc pour les pièces moulées en coquille :
un bon état de surface : il faut noter cependant que celui-ci n'est pas la réplique exacte
de l'empreinte métallique puisque cette empreinte est recouverte d'un enduit protecteur
(le poteyage) qui affecte l'état de surface de la pièce ;
des bonnes caractéristiques mécaniques : conséquence de la vitesse de refroidissement et
de solidification plus élevée de l'alliage ;
génération des contraintes résiduelles à l'état brut de coulée qui demandent un traitement
thermique de stabilisation de la pièce ;
une grande précision dimensionnelle résultant de la rigidité de la coquille et les moyens
d'usinage utilisés pour la fabrication de celle-ci.
Certaines formes habituellement usinées sont obtenues brutes de moulage comme les trous de
fixation et les surfaces d'appui des têtes de vis en particulier. On peut noter aussi une
réduction générale des surépaisseurs d'usinage.
Chapitre I Moulage en moule permanent
4
Un avantage de ce procédé apparaît aussi au niveau de la mise en œuvre puisque le lieu de
moulage en coquille est moins encombrant que celui de moulage en sable, pour une même
fabrication.
II.2. Moulage en coquille basse pression
II.2.1. Description du procédé
Le moule est placé directement sur le four de coulé. L’alliage liquide contenu dans un creuset
étanche en graphite est refoulé dans le moule par une pression d'air comprimé ou d'azote
appliquée sur la surface du métal. Le métal monte dans le tube d'injection réfractaire et
pénètre dans le moule par un trou de coulée situé à la partie inférieure du moule.
La pression est maintenue pendant tout le temps de la solidification de la pièce puis, au
moment où l'on relâche la pression, tout le métal resté liquide dans le tube d'injection
redescend dans le four.
Les moules sont généralement métalliques, mais les faibles pressions qui ne dépassent pas 0,1
MPa, et qui sont de l’ordre de 40 à 60 KPa pour des pièces en aluminium par exemple,
autorisent l'emploi de moules et de noyaux en sable aggloméré.
II.2.2. Caractéristiques du procédé
Ce procédé permet :
de supprimer pratiquement la nécessité des masselottes. C'est un gain appréciable de
mise au mille (limitée à 1,1 ou 1,2) ;
des cadences peuvent être plus élevées (de l'ordre du double des cadences de moulage
en coquille par gravité), d'où une plus grande productivité ;
des caractéristiques des alliages sont améliorées de 10% environ et on peut traiter
thermiquement les pièces ;
une précision dimensionnelle des pièces est très bonne; pour les culasses par exemple,
on peut obtenir les chambres brutes de fonderie avec des précisions de mm25.0 pour
les cotes inférieures à 10 mm et mm5.0 pour les cotes inférieures à 100 mm ;
une automatisation facile, en mécanisant tous les déplacements et toutes les opérations,
et qui résout de façon élégante la mécanisation de la coulée, toujours difficile à réaliser
en coquille par gravité.
Chapitre I Moulage en moule permanent
5
III. MOULAGE SOUS PRESSION
III.1. Description du procède
Dans ce procédé, l'alliage liquide est injecté sous forte pression dans l'empreinte d'un moule
métallique (fig.2). Cet alliage, poussé par un piston dans un conteneur en acier spécial au
chrome-molybdène, est introduit dans le moule par une buse d'injection. En phase finale, la
pression peut atteinte 70 à 80 MPa, voire 100 MPa ou plus. L'injection se fait en un temps très
court de 0,1s en moyenne.
Figure 2 : Moule à injection
Les moules sont montés sur les plateaux d'une presse hydraulique horizontale, de grande
puissance allant jusqu'à 3000 t. et assurant une grande force de fermeture pour éviter au
moment de l'injection toute ouverture intempestive de l'outillage et toute fuite au plan de joint.
Les pressions et les systèmes d’injection (fig.3), les forces de fermeture des machines,
dépendent de nombreux facteurs, notamment du genre d'alliage coulé, de la forme et du
volume de la pièce.
Les pièces produites sont précises, légères, et les cadences de production très rapides. Par
contre, les outillages et les machines nécessitent des investissements très coûteux qui font
réserver ce procédé à des fabrications de moyennes ou de grandes séries
Chapitre I Moulage en moule permanent
6
1 : matière première
2 : vérin d’injection
3 : moteur de plastification
4 : vis sans fin
5 : éléments chauffants
6 : buse d’injection
7 : clapet
8 : trémie
Figure 3 : Machine à injection
III.2. Les étapes du procédé
Le cycle d’injection se fait en 5 étapes (fig.4)
4-a : injection 4-b : ouverture
4-c : éjection 4-d : mise à zéro
Chapitre I Moulage en moule permanent
7
4-e : fermeture
Figure 4 : cycle d’injection
III.3. Caractéristiques du procédé
Les pièces moulées par ce procédé permettent des bonnes caractéristiques:
grande précision dimensionnelle. Le moule très rigide, très précis et les conditions de
remplissage expliquent cet avantage. La tolérance d'une cote de 100 mm obtenue en coulée
sous pression est de l'ordre de 0,5 mm. D'autre part, l'empreinte est nue, donc non enduite
d'un poteyage comme en coulée en coquille et la pièce est la réplique exacte de l'empreinte
métallique au retrait linéaire près ;
un très bon état de surface est également obtenu du fait que l'empreinte est nue et que le
degré de finition d'un moule est excellent ;
suppression de certains usinages par obtention directe de la forme dans les tolérances
fonctionnelles requises: en particulier, les trous de passage d'éléments de fixation et les
surfaces d'appui de ces mêmes éléments sont brutes de fonderie ;
obtention de pièces légères c'est-à-dire dont le tirage d'épaisseur est optimum et la pièce
est conçue sans masses inutiles de métal. C'est la caractéristique la plus évidente des pièces
coulées sous pression ;
une mise au mille (rapport entre la masse de métal injecté et la masse de la pièce brute)
très faible (en moyenne 1,3). Cet avantage est dû à l'absence de masselottes comme en
coulée par gravité ;
des caractéristiques mécaniques excellentes des alliages sans traitement thermique. (Les
alliages coulés sous pression ne sont pas traités thermiquement).
Chapitre I Moulage en moule permanent
8
IV. MOULAGE SOUS BASSE PRESSION
IV.1. Description du procédé
La méthode de la coulée consiste à l’injection sous basse pression d’un alliage liquide dans
un moule métallique ou semi-métallique monté sur une machine spéciale qui permet la mise
en mouvement des éléments mobiles. Un four étanche de maintien alimente le moule en
alliage liquide. Pour cela on soumet la surface du bain à une pression d'air de 0,1 à 0,2 bar qui
pousse l'alliage de bas en haut. Une fois le remplissage est terminé on applique une
surpression de masselottage de 0,4 à 0,5 bar.
Lorsqu'on supprime la pression, l'alliage liquide restant retombe dans le four et l'éjection de la
pièce peut se faire.
IV.2. Caractéristiques du procédé
Il faut signaler que par rapport à la coulée en coquilles et sous pression le procédé de coulée
sous basse pression présente les caractéristiques essentielles suivantes:
cadence de coulée plus élevée qu'en coquille ;
temps de remplissage du moule compris entre 3 et 8 secondes ;
précision dimensionnelle des pièces se rapproche de celle de la coulée sous pression vu
que les conditions de remplissage et d'alimentation sont semblables à la coulée sous
pression ;
caractéristiques mécaniques des pièces coulées améliorées de 10 % environ.
On peut considérer ce procédé comme une amélioration de la coulée par gravité.
V. MOULAGE PAR CENTRIFUGATION
V.1. Description du procédé
Utilisé presque dans la totalité des cas pour fabriquer des corps creux cylindriques sans noyau,
le moulage par centrifugation consiste à couler le métal liquide dans un moule animé d'un
mouvement de rotation autour de son axe principal. Les masses liquides sont soumises à une
force centrifuge F = m w2R tendant à les éloigner de l’axe de rotation et à les plaquer contre
les parois du moule (w : vitesse de rotation angulaire, R : rayon, m : masse).
D'une façon générale, le moule tourne à une vitesse telle qu'il crée une accélération moyenne
de l'ordre de plusieurs centaines et jusqu'à 1000 m/s2 ou plus, dans certains cas.
Les moules peuvent être en sable ou en coquille métallique, montés sur des machines à axe
horizontal (fig.5), vertical (fig.6), oblique ou à galet (fig.7).
Chapitre I Moulage en moule permanent
9
Figure 5 : machine à axe verticale
Figure 6 : machine à axe horizontal
Figure 7 : centrifugeuse à galet
Chapitre I Moulage en moule permanent
10
V.2. Caractéristiques du procédé
Les pièces obtenues par centrifugation possèdent de très bonnes qualités physiques et
mécaniques :
la force centrifuge exercée pendant toute la solidification de l'alliage permet de limiter
les retassures ;
technique de coulée évite l’emploi des noyaux axiaux pour les pièces creuses de
révolution ;
augmentation de la compacité de l’alliage ;
la ségrégation centrale des éléments de faible masse volumique (oxydes, impuretés) ;
diminution de la mise au mille par la suppression presque systématique des systèmes de
remplissage et d’alimentation ;
la réalisation, dans un même moule, de pièces en alliages composites centrifugés en
couches successives. La couche précédente solidifiée sert alors de moule pour la suivante
(bimétal, multimétaux) et chaque alliage est employé spécifiquement en fonction de ses
caractéristiques ;
les caractéristiques mécaniques des pièces sont améliorées vue la structure fine de
l'alliage obtenue par la vitesse de refroidissement plus élevée (gradient de la température
entre le moule métallique et l'alliage est grand). La compacité des pièces coulées par
centrifugation est plus élevée que pour le cas de la coulée par gravité.
Il est à noter que le procédé offre peu d’intérêt pour les alliages à faible masse volumique, les
vitesses de rotation du moule seraient nécessairement trop élevées.
VI. MOULAGE EN COULEE CONTINUE
VI.1. Description du procédé
Après fusion et traitement éventuel dans un four de maintien, le métal liquide est coulé dans
une filière ou une coquille, refroidie par circulation d'eau, ayant la forme du profil à fabriquer.
A la sortie de cette filière, une couche solidifiée assure la tenue de l'ensemble jusqu'à la fin de
la solidification. La pellicule d'alliage solidifiée, d'épaisseur contrôlée, présente un certain
retrait lors de sa solidification, ce qui facilite son décollement de la coquille, alors que le
métal au centre du profilé est encore liquide, formant une sorte de V plus ou moins effilé. La
barre profilée, totalement solidifiée à une distance également réglée à partir de la coquille
(longueur de V), est tirée au moyen de galets commandés qui servent également de guides
pour soutenir la barre encore chaude en la maintenant rectiligne, l'extraction des barres peut se
faire à vitesse constante ou par à-coups. Après solidification, et toujours en continu, les barres
sont tronçonnées à la longueur voulue.
Chapitre I Moulage en moule permanent
11
La vitesse de production est fonction de la nature des alliages, des dimensions et des formes
de la section. Elle varie de 100 à 700 mm/min selon les diamètres.
VI.2. Caractéristiques du procédé
Le moulage en coulée continue est un procédé très performant, fiable, très productif qui
permet des productions de qualité mais qui demande beaucoup de soin dans la mise au point
et, dans la fabrication, une gestion et de contrôles rigoureux de tous les paramètres de
production pour obtention d'une qualité totale des produits. Ce type de moulage présente des
nombreuses caractéristiques, on peut citer :
la longueur des barres n'est pas limitée ;
la coulée continue donne des profils de bel aspect avec des cotes précises, ce qui
diminue l'usinage ;
sur le plan métallurgique, le refroidissement rapide, joint à l'influence de la pression
ferrostatique dans le creuset, confère à la fonte coulée en continu une structure
particulièrement fine et plus homogène.
VII. COMPARAISON DES DIFFERENTS PROCEDES DE MOULAGE
EN MOULES METALLIQUES
Les procédés d’obtention des pièces par moulage permanent ont des domaines d'emploi assez
spécifiques, fonction des types de pièces à produire, des performances et des précisions
recherchées, des alliages mis en oeuvre, des quantités à produire, etc.
A titre d’exemple pour les pièces en alliage d’aluminium et en comparant les différents
procédés de moulage en moule métallique (tableau1) nous remarquons que le moulage en
coquille par gravité et le moulage basse pression présentent de nombreux points communs,
relatifs notamment à la possibilité d'emploi des noyaux en sable et à la conception des pièces.
Par contre le moulage sous pression engendre des caractéristiques mécaniques et des qualités
des pièces différentes par le fait de ne pouvoir utiliser des noyaux en sable, incompatibles
avec les fortes pressions d'injection utilisées.
Le tableau 2 permet de bien distinguer les points communs et les différences entre ces
procédés. La comparaison entre les différents procédés de moulage en moule permanant
permet de conclure que les trois premiers procédés (coulée en coquille, coulée sous pression
et coulée basse pression) présentent des point communs quant à la conception générale des
moules, à l'existence d'un cycle de moulage et à la notion de cadence de production. Les deux
autres procédés (centrifugation et coulée continue) sont très spécifiques et leur étude détaillée
montrera que le point commun avec les trois autres procédés est dans le fait que le moule est
permanent.
Chapitre I Moulage en moule permanent
12
Tableau 1 : comparaison des procèdes de moulage en moules métalliques
dans le cas des alliages d’aluminium
Tableau 2 : comparaison entre les différents types de moulage en moule permanant
PROCEDES
AGENT DE
REMPLISSAGE ET
D'ALIMENTATION
TYPE DE
MOULE
SERIE
MINIMUM
CADENCE DE
PRODUCTION
MOYENNE
DUREE DE
VIE
MOYENNE
DU MOULE
coulée en
coquille
Action de la pesanteur
(coulée par gravité)
Métallique.
Noyaux en
sable
aggloméré
possibles
2000 pièces 15 pièces/heure 40000 pièces
Coulée sous
pression
Mise en pression du
métal par piston
Entièrement
métallique 20000 pièces
50 injections à
l'heure
70000
injections
(alliages
d'alu)
Coulée basse
pression
Mise en pression du
métal par air comprimé
Métallique
Noyaux en
sable
aggloméré
possibles
5000 pièces 20 injections à
l'heure
40000
injections
Centrifugation Action de la force
centrifuge
Métallique
ou graphite
pièce
unitaire
possible
5 à 10 pièces à
l'heure NC
Coulée
continue
Action de la pesanteur
+
Aide à l'avancé du
profilé
Filière
métallique
ou en
graphite
Grande série
nécessaire
350 mm de
produit à la
minute
NC
paramètres
Procèdes de moulage
observations Coquille par
gravité
Coquille basse
pression
Coquille sous
pression
Cadences
instantanées 15 20 20 à 50
Cadences instantanées
moyennes exprimées
en nombre de coulées
ou d’injection/h
Mise au mille 1.8 1.1 à 1.2 1.3
Séries
minimales 1000 5000 20000
Types de
moules et
noyaux
Moules
métalliques
noyaux
métalliques ou
en sable
Moules
métalliques
noyaux
métalliques ou
en sable
Moules
métalliques
noyaux
uniquement
métalliques
Moules et noyaux
métalliques
essentiellement en
fonte et aciers
spéciaux
Durée des
moules
40000 à
150000
40000 à
150000 70000 à 150000
Exprimée en nombre
de coulées