Moulage 2 [PDF]

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FONDERIE 1°/-PRINCIPE. La fonderie permet de réaliser des pièces mécaniques en remplissant d'alliage liquide, une empreinte (moule) qui donne après solidification et refroidissement de l'alliage la forme et les dimensions souhaitées.

2°/- MOULE. Le moule est soit en sable (il est détruit après l'obtention de la pièce -> décochage), soit métallique (coquille - il permet le moulage d'un grand nombre de pièces mais sa longévité est inversement proportionnelle à la température de fusion de l'alliage coulé).

3°/- MOULAGE EN SABLE. Le moule est constitué d'un mélange de grains de silice, d'argile (3 à 20 %), de poudre de charbon (4 à 5 %) et d'eau. Lors de la coulée, les gaz dus à la combustion du charbon et la réaction endothermique qui s'ensuit améliorent la qualité de la surface de la pièce. Le sable, maintenu dans un châssis, est « serré» sur un modèle ou sur une plaque modèle (forme de la pièce + retrait). On donne de la dépouille au modèle afin de l'extraire sans effriter le sable.

Un jet de coulée permet le remplissage du moule

Un noyau est une partie moulante en sable aggloméré pour faire venir des formes intérieures ou extérieures en contre-dépouille. Prévoir sur le modèle les portées du noyau.

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4°/- MOULAGE EN MOULE MÉTALLIQUE Moule en acier ou en fonte. La dépouille est nécessaire pour l'éjection de la pièce solidifiée Coulée en coquille par gravité. Noyaux métalliques et parfois en sable. (voir video) Coulée sous pression. On injecte des alliages à température de fusion aussi basse que possible [alliages de Zinc (420 °C) et d'aluminium (650 °C)]. Les noyaux sont toujours métalliques. Les moules sont montés sur des machines spéciales. Par centrifugation. tubes, chemises.

5°/- MOULAGE A MODÈLE PERDU. L'enrobage réfractaire du modèle constitue le moule qui est en une seule partie. Le modèle est ensuite éliminé : - Par fusion et combustion avant moulage (modèle en cire) ex. : fraises 3 tailles, roue de turbine,-- Par combustion lors de la coulée (modèle en polystyrène expansé) ex. : fabrication unitaire d’un outil d'emboutissage carrosserie).

6°/-ALLIAGES COULÉS. Fontes, aciers, alliages de Cu, d'Al, de Mg, de Zn

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7°/-TRACÉ DES PIECES PLAN DE JOINT. Choisir le ou les plans de joints de moule de formes aussi simples que possible DÉPOUILLE (selon NF A 73-528). Nécessaire pour extraire le modèle d'un moule en sable ou pour extraire la pièce finie d'une coquille (moule métallique). C'est l'angle de la paroi du moule avec la direction de l'extraction du modèle (ou de la pièce). En général la dépouille est « en plus » par rapport à la cote nominale.

Cependant les fondeurs désignent cette dépouille par la tangente de cet angle (voir tableau).

Dépouille en % Angle correspondant

Application

Observations exemple : denture d'engrenage Pièces de grande surface ou de grande hauteur.

0,5 1

0° 17' 11" 0° 34' 23"

« sans dépouille » dépouille minimale

2 5 10

1° 8' 45" 2° 51' 44" 5° 42' 38"

dépouille normale dépouille accentuée Forte dépouille

Pour compenser la fragilité de certaines parties du moule

ÉVITER LES ANGLES VIFS. - Ce sont des zones fragiles du moule. - Les calories dégagées par la pièce coulée se concentrent (en A – voir figure) et provoquent retassure et crique. (Point chaud retardant la solidification de la pièce en cet endroit.)

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ÉVITER LES VARIATIONS D'ÉPAISSEUR. - Les parties minces se solidifient en premier (tension -> crique), les parties épaisses se solidifient en dernier (retassure). La pièce doit se solidifier progressivement, suivant une direction déterminée : II faut donc faire varier les épaisseurs dans des limites bien précises. - En cas de légère variation d'épaisseur raccorder progressivement.

ÉVITER LES « NOEUDS » DE NERVURES. Dans les figures ci-dessous les cercles tracés caractérisent l'effet de masse. Une pièce sera d'autant plus saine (ni crique, ni retassure) que les cercles seront de diamètres peu différents.

ÉVITER LES PAROIS VERTICALES. Une paroi oblique donne naturellement une grande dépouille.

ÉVI TER LES TOILES HORIZONTALES. Les toiles légèrement inclinées permettent une meilleure évacuation des gaz lors de la coulée.

PRÉVOIR DES OUVERTURES DANS LES PIÈCES CREUSES. Ces ouvertures permettent - de stabiliser le noyau; - et d'assurer sa mise en position.

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ÉVITER LES CONTRAINTES DUES AU RETRAIT. Les parties solidifiées en premier prennent leur retrait, d'où contraintes internes au niveau des jonctions toiles et parois. Prévoir, par sa forme, une certaine élasticité de la pièce (voir exemples). Remarque En service, les pièces moulées (en particulier en fonte), résistent mieux en compression qu'en traction. Étudier la forme des pièces en fonction de la résistance du matériau moulé.

ÉPAISSEUR MINIMALE (voir tableau). - Elle est fonction de l'alliage coulé, de la technique de moulage et des dimensions de la pièce. - Remarque : En fonderie sous pression, il est plus facile de couler saines des pièces minces que des pièces épaisses.

Épaisseur minimale en mm (1) Alliage

Moulage en sable

Moulage en coquille par gravité

Moulage en coquille sous pression

Fonte

5 à 10

-

-

Acier

6 à 18

-

-

Alliage de Cu

5 à 10

2,5 à 3

(laitons) 2 à 3

Alliage d’Al

4à7

3à4

1,5 à 3

Alliage de Zn

-

2à3

0,4 à 1

(1) En fonction de l’encombrement de la pièce.

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SURÉPAISSEUR D'USINAGE. Pour alliages de Zn : 0,2 à 0,5 mm. Pour alliages d'Al : 0,8 à 1,5 mm. Pour alliages de Cu : 1,2 à 2 mm. Pour fonte et acier : (voir tableaux). La dépouille s'ajoute à la surépaisseur d'usinage.

TOLÉRANCES DIMENSIONNELLES (ALLIAGES AUTRES QUE FONTE GRISE ET ACIER)

GÉNÉRALITÉS. Les valeurs indiquées ici ne sont pas normalisées. Elles ne sont données qu'à titre indicatif. Les tolérances dimensionnelles et les surépaisseurs d'usinage non normalisées doivent faire l'objet d'un accord particulier entre l'utilisateur de la pièce et le fondeur. TOLÉRANCES. - Pour moulage en sable, en coquille et sous-pression. (voir ouvrage spécialisé). - Pour moulages spéciaux en sable (dits moulages de précision). Pour D 300 mm Procédé Tolérances en mm En carapace ±0,15 à ±0,7 Shaw ±0,1 à ±1 ±0,05 à ±0,4 En cire perdue ADRESSES UTILES. Centre d'information des fontes moulées (CIFOM), 2, rue de Bassano, 75783 Paris Cedex 16. Centre technique de l'aluminium, 87, boulevard de Grenelle, 75015 Paris. Centre technique des industries de la fonderie, 12, avenue Raphaël, 75016 Paris. Centre technique du zinc, 34, rue Collange, 92307 Levallois. Utilisation et développement des alliages cuivreux (UDAC), 2, rue de Bassano, 75783 Paris Cedex 16.

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SPECIFICITES DU MOULAGE DES MATERIAUX DE SYNTHESE PRINCIPE. Moulage des thermodurcissables. La matière à mouler, en poudre, est comprimée dans un moule chaud (130 à 200°C suivant la matière). Le produit ainsi mis en forme reste dans le moule le temps que la matière durcisse (polycondensation ou polymérisation'). Temps de cuisson : de l'ordre de 1 min par mm d'épaisseur. Moulage des thermoplastiques. La matière à mouler, en poudre ou en granulés, est chauffée pour la rendre plastique (130 à 350°C suivant la matière). Elle est ensuite injectée sous pression dans un moule froid. Ce dernier, par refroidissement, assure le durcissement du produit moulé. MATIÈRES PLASTIQUES MOULABLES. (Voir ouvrage spécialisé). TRACÉS DES PIÈCES. Appliquer les mêmes règles qu'en fonderie des métaux. Dépouille : Le retrait des matières plastiques étant très important (≈ 10 fois le retrait des alliages métalliques) prévoir une forte dépouille intérieure pour assurer une bonne éjection des pièces.

Pas d'angle vif. Effet d'entaille dans les pièces. Épaisseur normale : Thermodurcissables : 2 à 6 mm. Thermoplastiques : 1 à 4 mm Prisonniers (Inserts) : Généralement métalliques, ils ont pour but - d'assurer la jonction avec d'autres pièces (pattes, écrous, vis, charnières, etc.) ; - d'augmenter la rigidité de la pièce (armatures). Leur forme doit permettre leur immobilisation (ni rotation, ni arrachement par traction).

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Pour les écrous borgnes éviter l'infiltration néfaste de matière dans le filetage.

TOLÉRANCES DIMENSIONNELLES (mm). Thermodurcissables : ±0,1 à 0,5 Thermoplastiques : ±0,05 à 0,3

Pour D 100

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MOULAGE EN MOULE NON PERMANENT 1°/- GÉNÉRALITÉS Moule non permanent : structure principalement réalisée en matériaux de moulage, composée d'une ou de plusieurs parties et offrant après assemblage un évidement appelé empreinte finale . Cette empreinte correspond à la pièce brute (en tenant compte du retrait) et aux systèmes de remplissage et d'alimentation. Après coulée de l'alliage, cette structure est désagrégée (décochage) pour extraire la pièce brute. Chaque partie du moule correspondant à une forme de la pièce constitue une empreinte partielle - Une empreinte donne généralement les formes extérieures de la pièce. - Un noyau donne généralement les formes intérieures de la pièce.

PROCÉDÉS D'OBTENTION DE L'EMPREINTE Moulage sans modèle. Les empreintes et les noyaux sont obtenus par taillage du sable de moulage. Emploi de chapes s'il y a plus d'une surface de joint.

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Moulage au trousseau. - Circulaire pour les pièces de révolution - sur gabarit : pièces de section constante.

Moulage sur carcasse ou sur squelette. Des sections droites d'un modèle partiel permettent de trousser des surfaces enveloppes complexes. Moulage avec modèle. Le matériau de moulage est serré contre le modèle. Les systèmes de remplissage et d'alimentation sont réalisés à la main. Emploi de chapes s'il y a plus d'une surface de joint. Nota : Afin de simplifier des opérations de moulage le modèle peut comporter des parties gazéifiables à la coulée de l'alliage (masselotes...).

Moulage avec plaque-modèle. L'empreinte finale est comprise de part et d'autre d'une seule surface de joint. Les chapes sont remplacées par des noyaux extérieurs. Moulage en châssis. Le sable à prise à froid, ou silico-argileux, est serré sous basse ou haute pression.

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Moulage en motte. Le moule prêt à être coulé ne comporte pas de châssis, éventuellement une frette (cadre en tôle). Évite l'investissement et l'entretien des châssis, convient pour pièces moyennes et petites.

Moulage en grappe. Plusieurs moules sont assemblés horizontalement ou verticalement (en presse) afin d'être coulés par le même système de remplissage. Réduction de la mise au mille pour les petites pièces.

Moulage avec noyaux Un noyau est une structure en matériau de moulage comportant une ou plusieurs parties donnant après remoulage (mise en place dans le moule) des reliefs correspondant à des formes intérieures, ou parfois extérieures, de la pièce brute. Moulage partiel avec noyaux - Noyaux intérieurs pour obtenir les évidements de la pièce.

- noyaux extérieurs pour remplacer les chapes en moulage mécanique, ou les parties d'empreinte n'étant pas dans le sens du démoulage.

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Moulage intégral avec noyaux. Toutes les formes de la pièce sont données par des noyaux - noyaux intérieurs;

- noyaux extérieurs réalisant de plus des berceaux pour le positionnement des noyaux intérieurs. Le même outillage permet de composer des empreintes modulaires correspondant à des pièces d'éléments modulaires : bâtis, culasses, carter cylindre... Moulage en carapace. Connu sous le nom de procédé Croning, réalise des empreintes et des noyaux présentant la forme d'une carapace de 4 à 8 mm d'épaisseur. Du sable siliceux préalablement enrobé de résines thermodurcissables est mis en contact d'un outillage chauffé à 300° environ. L'agglomération du sable, par polymérisation, se propage dans l'épaisseur du sable. Formation d'une croûte dont l'épaisseur dépend du temps de contact avec l'outillage (plaques modèles ou boîtes à noyaux). Le choix d'un sable de faible granulométrie d'un outillage très élaboré permet de réaliser des moulages de précision, de faible rugosité et de bonne précision dimensionnelle. Méthode par renversement.

La machine comporte un réservoir à sable qui par rotation autour d'un axe horizontal fait tomber par gravité le sable pré-enrobé sur l'outillage chauffé

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- formation d'une carapace, puis nouvelle rotation de l'ensemble afin de faire retomber dans le réservoir le sable non aggloméré qui servira au cycle suivant; - cuisson; - éjection de la carapace. Méthode par soufflage Le sable pré-enrobé est soufflé dans une boîte chauffée. Réalisation du moule. Collage des 2 parties de la carapace après remoulage des noyaux.

Moulage céramique Comprend les procédés Shaw, Unicast... Moulage de précision pour obtenir des empreintes et des noyaux (pièces moyennes et grosses). - Sur le modèle on verse un coulis de produits réfractaires liés au silicate d'éthyle. - Par hydrolyse : formation d'un gel de silice agglomérant les produits réfractaires et formation d'alcool éliminé ultérieurement par flambage du moule. - Le moule acquiert une consistance élastique qu'il conserve quelques minutes après sa confection. Ceci permet le démoulage du modèle qui peut présenter une dépouille faible, ou localement nulle. - Flambage du moule créant des micro-criques dans celui-ci (bonne perméabilité, dilatation du moule réduite lors de la coulée). - Frittage de la céramique vers 900 °C. L'emploi d'une forme et de chamotte permet l'économie des produits céramiques en limitant la couche à une dizaine de millimètres d'épaisseur. Le moule présente peu de réaction avec les alliages coulés. La finesse des produits réfractaires donne un excellent état de surface ainsi qu'une excellente précision dimensionnelle.

Moulage au plâtre. Un coulis de plâtre est versé sur le modèle.

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Moulage de précision donnant un excellent état de surface et une grande finesse de reproduction des détails. Selon les procédés 40 à 80 % de plâtre est gâché avec de la silice (50 à 10 %) et du talc (10 à 30 %). Des adjuvants agissent sur le temps de prise (ciment, chaux, silicate). Les moules séchés dans une étuve sont préchauffés pour limiter le choc thermique. Moulage par centrifugation. Selon le type de pièce le moule est monté sur une machine à centrifuger d'axe horizontal, oblique ou vertical. On applique à l'alliage une accélération centrifuge de plusieurs dizaines de g. - Évite l'emploi de noyaux axiaux (bagues); - compacité de la pièce augmentée; - diminution de la mise au mille : diminution ou suppression des systèmes de remplissage et d'alimentation; - emploi de moules rigides.

Nota. Le moule en sable peut être directement réalisé sur la machine à centrifuger des pièces de révolution (chemises, tuyaux) sont obtenues par centrifugation en moule permanent, le moule étant poteyé préalablement à la coulée. Moulage avec modèle non permanent. Le moule généralement en une partie est réalisé autour d'un modèle sans possibilité de démoulage. Le modèle comporte la forme de la pièce ainsi que les systèmes de remplissage et d'alimentation. Le moule et le modèle sont détruits dans le cycle de fabrication de la pièce moulée. Conditions générales d'emploi - le coût d'un modèle permanent n'est pas justifié prototypes, pièces unitaires, - simplification du moule lorsque d'autres procédés de moulage nécessitent un grand nombre de parties.

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Procédé à modèle perdu (cire perdue). Conditions particulières d'emploi - pièces complexes de quelques grammes à 30 kg, - alliages à mauvaise coulabilité (coulée en moule chaud), - réduction du parachèvement (pas de joint), - excellents état de surface et précision dimensionnelle.

Fabrication du modèle - en moulage unitaire : réalisation d'un modèle en cire, - en série : fabrication d'un modèle-maître pour fabriquer un moule, - injection de cire, de polystyrène ou d'urée dans le moule pour réaliser les différentes parties d'un modèle, - assemblage des différentes parties du modèle entre elles et avec les systèmes de remplissage et d'alimentation.

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Fabrication du moule - enrobage du modèle avec des produits réfractaires liés au silicate d'éthyle : par trempés, saupoudrages et séchages successifs, réalisation d'une carapace de plusieurs millimètres d'épaisseur (jusqu'à 15 mm). Si la carapace est mince (> 5 mm), elle est placée dans un châssis rempli de chamotte liée au silicate de soude, - élimination du modèle par fusion ou dissolution, - frittage du moule à 900 °C, - coulée de l'alliage dans le moule chaud (augmentation de la coulabilité de l'alliage et réduction des chocs thermiques) par renversement du four, à la poche, ou par centrifugation. La venue des parties minces de la pièce moulée est améliorée par un vide partiel créé dans le moule à la coulée. Procédé à modèle gazéifiable. Le modèle en polystyrène expansé est gazéifié lors de la coulée (coulée en moule plein). Moulage unitaire : le modèle est enrobé dans un sable à prise à froid . La pesée du modèle complet permet de calculer la masse d'alliage à couler. Moulage série: le modèle ou la grappe est plongé dans un lit fluidisé de sable sec; la rigidité du moule est obtenue par vibration. Le sable n'a pas à subir de préparation (procédé mousse perdue ou lost foam).

Procédé à modèle éliminé avant la coulée. Afin d'éviter l'apparition de défauts imputables au modèle gazéifiable lors de la coulée de certains alliages (particulièrement des aciers de composition chimique rigoureuse), le modèle est éliminé avant la coulée. Le moule doit être en plusieurs parties, afin de détruire le modèle par fragmentation ou par combustion.

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DIVERS

Organisation d’un chantier de moulage

1 serrage châssis inférieur

8 remplissage du moule

2 retournement

9 tunnel de refroidissement

3 transfert sur convoyeur

10 déchargement

4 remoulage noyaux

11 transfert des charges

5 serrage châssis supérieur

12 décochage

6 fermeture du moule et crampage

13 retour des châssis vides

7 chargement

Retraits à l'état liquide + contraction de solidification dans les conditions habituelles de coulée des principaux alliages - 17 -

Retraits volumétriques moyens des alliages de fonderie Alliages

Retrait en %

Fontes

Fontes à graphite lamellaire Fontes à graphite sphéroïdal Fontes blanches

1à3 3à4 4à6 5à7

Aciers

à 0.1 % Aciers non alliés à 0,3 % Aciers alliés

Bronzes Alliages Cupro-aluminium cuivreux Laitons Aluminium - cuivre Alliages Aluminium - magnésium d'aluminium Aluminium - silicium

4à6 6 à 10 4à5 4 6à7 4à7 6à7 3,5 à 5

Schéma d’élaboration d’une pièce brute

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