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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.

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Chapitre I Moulage

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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.

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Chapitre I Moulage en moule permanent

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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.

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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.

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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.

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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

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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

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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).

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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).

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Figure 5 : machine à axe verticale

Figure 6 : machine à axe horizontal

Figure 7 : centrifugeuse à galet

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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.

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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.

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Chapitre I Moulage en moule permanent

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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