Moulage

Ch 3 : Construction moulée.

© Jean-Paul Molina sur 9

1 - Principe.

L'obtention de pièces de toutes formes (plus ou moins complexes) en n’importe quel alliage est réalisable par le procédé de moulage en vertu du principe suivant : La recherche d'un procédé très économique donnant des caractéristiques mécaniques peu élevées, conduit à retenir le moulage comme procédé d’obtention. Bien sûr, ceci n'est possible qu'en définissant au préalable certains paramêtres et moyennant le respect de certaines règles.

2 - Choix de l’alliage.

Plusieurs paramètres déterminent la facilité de mise en oeuvre de l’alliage.

2.1.L'aptitude au moulage :

Coulabilité : propriété que possède un alliage liquide de parcourir un chemin plus ou moins long avant de se figer.

Elle s'exprime en nombre de divisions d'égale longueur d'une spirale parcourue par l’alliage avant de se figer. Ex : fonte grise 16 acier 6

Elle dépend essentiellement de l’intervalle de températures (intervalle de solidification). La coulabilité est d'autant moins bonne que cet intervalle est grand et situé dans un domaine de températures élevées.

début sol. fin sol. intervalle. Ex : fonte grise 1200°C 1160°C 40°C acier 1470°C 1325°C 145'C

2.2.Le retrait :

Au cours de son passage de l'état liquide à l'état solide complètement refroidi, l’alliage se contracte et, si les formes de la pièce sont mal conçues, des défauts apparaissent, causes d'une diminution des caractéristiques mécaniques. Ex : fonte grise 6 à 10 acier 15 à 20

2.3.L'usinabilité : Le choix d'un alliage dépend de la rapidité d'exécution des opérations d'usinage, ce qui permet des économies appréciables à condition de posséder l'outillage approprié.

2.4.Les caractéristiques techniques :

Outre les caractéristiques propres à l'alliage (mécaniques et physicochimiques) on définit la sensibilité à l'épaisseur d’un alliage comme la variation d'une propriété (dureté, R traction, E) en fonction du log. du diamètre de barreaux moulés de différentes dimensions (NF A 32-102). De façon pratique, de faibles différences d'épaisseur dans les diverses parties d'une pièce moulée, entrainent des différences notables. dans les propriétés mécaniqes et physiques.

3 - Le Procédé.

Différents modes existent, ils définissent le procédé ( moulage en sable, en coquille, sous pression).

Alliage en fusion Empreinte Refroidissement Pièce brute



Le choix du mode de moulage détermine la conception du moule. Quels sont les critères ?

3.1.Prix de revient :

Les modes de moulage que l'on peut adopter sont : le moulage en sable pour les pièces à l'unité ou les petites séries. le moulage en coquille par gravité (l'alliage fondu est versé dans un moule métallique) convient pour les grandes séries (à partir de 3500 pièces). le moulage sous pression (l'alliage fondu pénètre sous pression dans un moule métallique) est réservé aux très grandes séries, à partir de quelques dizaines de milliers.

3.2.Spécificité des pièces. Les dimensions et les formes des pièces conditionnent le choix du procédé : moulage sous pression ⇐ masses en dessous de 10 Kg moulage en coquille ⇐ masses en dessous de 20 Kg moulage en sable ⇐ au delà Il existe une épaisseur critique en dessous de laquelle le remplissage du moule et par conséquent l'obtention de la pièce ne sont pas garantis. Elle dépend de la surface de la paroi, du mode de remplissage et de l'alliage. moulage en sable et en coquille 3 mm moulage sous pression 1,8 mm Une évaluation plus précise peut être effectue pour les alliages légers en utilisant l'abaque de Roinet à condition de calculer la cote d'encombrement.

3.3.Autres différences : Le moulage en coquille par gravité ou sous pression assure une meilleure précision, un meilleur état de surface et un plus faible coût d'usinage que le moulage en sable. Cependant, ce dernier assure une mise en fabrication plus courte car les retouches sont plus faciles et moins coûteuses sur les modèles que sur les coquilles.

3.4 .Procédés particuliers : - moulage en carapace (procédé CRONING) Le moule est constitué de sable aggloméré par une résine synthétique. La précision des cotes et de l'état de surface est meilleure qu'en sable. L'outillage est plus coûteux. Les dimensions maximales des pièces sont 600 x 400mm. - moulage en plâtre Le moule est en plâtre. Ce procédé est réserve à l’obtention de pièces de formes très compliquées dont la précision des cotes et de l'état de surface est extrème (guide d'ondes hertziennes par exemple). - moulage à la cire perdue Il permet d’obtenir n'importe quelle forme avec une très grande précision. Il est surtout réservé à l'obtention de petites pièces de formes compliquées. (bijouterie,...)

- moulage par centrifugation

Il utilise l’effet d'inertie centrifuge et permet d'obtenir de petite pièces de faibles épaisseurs.



3.5.Premières conséquences :

Le choix du procédé apparaît dans la nomenclature des pièces à la suite de la désignation normalisée de l'alliage en respectant la codification suivante : 1 lettre majuscule suivie de 2 chiffres. La lettre Y signifie alliage moulé. Le premier chiffre indique le mode de moulage : 2 moulage en sable 3 moulage en coquille par gravité 4 moulage en coquille sous pression Le second chiffre indique le traitement thermique 0 pas de traitement 1 recuit 2 trempé 3 trempé et revenu 4 trempé et mûri 5 stabilisé 9 suivant prescription Ex : Y 33 alliage moulé en coquille, trempé et revenu Y 20 alliage moulé en sable, brut.

4 -Influence du refroidissement.

Le refroidissement (ou la vitesse de refroidissement, ou le temps de refroidissement) bien contrôlés permettent d’obtenir des pièces saines , exemptes de défauts telles que les retassures, les criques, les fissures. L’équation mathématique, qui représente le transfert de chaleur, appelée équation de Fourier, n’est pas simple. Elle est résolue par approximations numériques. Elle est rappelée ici pour information :

[ ] tH = ),,,( t

c = + 2 ∂

∂∂∂ρ∂

λ∂λ tzyxLdgra −ΘΘΘ∆Θr

Elle met en évidence les paramètres suivants : Θ(x,y,z,t) température au point M à l’instant ρ masse volumique c chaleur massique du matériau L dégagement de chaleur produit au point M à l’instant t par unité de temps et de masse. Le second membre représente la variation d’enthalpie de l’unité de masse entre l’instant t et l’instant t + dt Exemple : les courbes expérimentales suivantes montrent que la durée de refroidissement varie en sens inverse de l’épaisseur de la coquille.



5 - Conséquences sur la conception : règles de tracé

Les règles dont le dessinateur doit s’inspirer pour tracer correctement une pièce moulée se classent en 3 groupes selon qu’elles sont : déterminées par la destination de la pièce. liées aux propriètés caractéristiques de la matière utilisée. destinées à simplifier la fabrication. La liaison entre le fondeur, le modeleur avec le dessinateur doit être suivie. En effet, une correction de tracé destinée à simplifier un noyau peut donner naissance à un accroissement de masse. La destination de la pièce est connue lorsque le dessinateur a déterminé toutes les fonctions de celle-ci dans le système. Le tracé correct d’une pièce est conditionné par : la répartition des efforts mécaniques. L’épaisseur minimum

les dimensions et les tolérances. L’usinage ( points de départ, position des parties usinées, continuité des

opérations, surépaisseurs) l’alimentation du moule (réduction des masses, noyaux, ...)

l’évacuation des gaz. Le retrait dû à la solidification.

La construction du modèle.

La procédé de moulage.

Pièces sûres

Pièces saines

Pièces économiques



6 - Evolution technique.

Depuis quelques années, de nouveaux procédés de fonderie ont permis aux industriels d’améliorer leur productivité et d’assurer une meilleure compétitivité. Ces nouveaux procédés ont permis de s’affranchir des contraintes imposées dans les tracés de pièces : limitations de formes et de tolérances par exemple. Il est maintenant possible de concevoir des parois ultra-minces, des évidements de forme complexe, des zones massives limitées obtenues sans transition, des tolérances serrées et régulières. En outre, le contrôle de la porosité permet d’augmenter les performances mécaniques et de faciliter les traitements thermiques. Etudions maintenant les avantages inhérents à cette nouvelle fonderie.

6.1. La coulée contre-pression :

Une surpression du gaz dans le bain contenu dans le creuset provoque la montée du métal dans l'empreinte. Son interruption laisse refluer l'excédent dans la partie inférieure et seule la pièce se solidifie dans la partie supérieure.

exemple : société CETEF Colmar : roues en alliage léger Les phases de solidification, la cristallisation se trouvent influencées par la pression de gaz qui règne dans le four et dans la coquille. Le dégazage en cours de solidification est contrecarré. Maintenus dissous, les gaz ne peuvent provoquer de microporosités dans l’alliage. L’absence de canaux d’alimentation et de masselottes réduit le volume de métal à mettre en œuvre et simplifie l’ébarbage. Ainsi, par cette technique il est possible d’obtenir des pièces de forme complexe en moyenne série jusqu'à 100 kg. Elle concurrence directement le moulage par gravité. L’amélioration des performances mécaniques, la grande liberté dans le tracé, le contrôle de la porosité, la facilité du traitement thermique concurrencent le moulage sous pression.



Les pièces réputées délicates sont possibles : 50mm d’épaisseur, passage brusque de parois fines à des zones massives, bossages,... L’ordre de grandeur des pressions mises en œuvre est de 20 à 40 Mpa.

6.2. La coulée basse pression :

3 types ont été développés : - la coulée sous pression différentielle (type FM) - la coulée par pompage (type Cosworth) - la coulée sous vide La coulée par gravité donne lieu à des transferts turbulents du four de fusion à la poche de coulée, puis au moule. La coulée sous pression différentielle contrôlée intéresse les aciers à faible teneur en carbone, les fontes alliées à graphite sphéroïdal L’aspiration au niveau de l’empreinte dans le moule en sable, conjuguée avec la mise sous pression du bain de métal fondu, provoque le remplissage de l’empreinte. L’avantage essentiel de cette technique réside dans le gain de poids. En effet, le moulage en sable nécessite 85kg de métal pour obtenir une pièce de 42kg alors que, maintenant, la même pièce (avec un tracé différent) ne pèse plus que 33kg et nécessite 50kg de métal pour une fabrication en petite série.



Gràce à ce procédé, les épaisseurs de parois s’abaissent de 5 à 2mm, d’où une perte de poids de 25%. Applications : blocs moteurs, carters de turbocompresseurs, collecteurs d’échappement. La coulée par pompage a été développée par Cosworth Castings sur de grandes séries de pièces en aluminium. Le métal est canalisé dans des tubes, et le puisage dans le four de maintien s’opère avec l’aide d’une pompe électromagnétique. Applications : pièces de formule 1, d’hélicoptères, culasse de Mercédés Le moule sable a été préféré à la coquille métallique, jugée onéreuse, sauf pour les grosses séries ( 25000 - 40000 pièces ). Les avantages essentiels résident dans le resserrement des cotes, la régularité de production, l’absence de porosité, l’usinage minimum, le prix de revient abaissé ainsi que l’amélioration des conditions de travail.

La coulée à la louche en moule métallique pertube le métal. La basse pression opère en douceur par insufflation d'air dans le four de maintien qui fait progresser le métal jusqu'à l'empreinte. La coulée sous vide en moule métallique a surtout été développée en France, puis exportée. Elle s’adresse aux alliages de Cuivre et aux alliages d’aluminium.



Avantage essentiel : absence de porosité. Applications : papillon de vanne ( Cu-Al ) turbines ( Cu-Ni ) Des séries de 10000 pièces sont possibles. La pression de vide dans le moule est de l’ordre de 50mbars. Les performances mécaniques sont notablement accrues. Les rebuts sont inférieurs à 0,5%. Avec des presses d’injection ( 600 à 30000kN ) il est possible d’obtenir des pièces de 150g à 15kg pour l’Aluminium et de 400g à 20kg pour les alliages de zinc. En conclusion, il ressort que que ces nouveaux procédés conduisent à abaisser notablement la porosité, donc d’améliorer l’étanchéïté, l’usinage et l’aptitude aux traitements thermiques. En outre, les règles de tracé « classiques » sont modifiées et le gain de poids est appréciable puisque les parois minces sont possibles ainsi que les zones massives. Le vide compense les perturbations engendrées par l'injection. Le dégazage est favorisé. L'étanchéïté et l'usinage des pièces sont améliorés et leur traitement thermique ne pose plus de problême.

6.3. Le moulage semi-solide : thixomoulage ou rhéomoulage Cette technique (réservée aux aliages d'aluminium et de magnésium) permet elle-aussi de s'affranchir des inconvénients du moulage traditionnel : la porosité et le retrait. Le moulage s'effectue sous pression à une température entre solidus et liquidus, c'est-à-dire dans l'intervalle de solidification. Pour une proportion 50-50, l'alliage apparaît solide mais si on lui applique un effort, il s'écoule et plus la vitesse de déformation est grande, plus la viscosité diminue : l'alliage est dans un état thixotrope. Comme le mélange est en partie solide, il y a moins de porosité et de retrait et les propriétés mécaniques sont améliorées par rapport au moulage classique. La température de moulage étant inférieure à celle du moulage classique par coulée, il en résulte des économies d'énergie, une moindre usure des moules et des cycles de production plus courts. En outre, les déformations sont moindres donc les cotes sont mieux respectées ce qui réduit d'autant l'usinage. Il est possible d'obtenir des parois de 2mm d'épaisseur.



ex: Mercedes classe S, spider Alfa-Romeo, Fiat…. Bibliographie : Revue de Fonderie (E.S.F.) L’Usine Nouvelle Revue de Mécanique Industries et Techniques oct 2000

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