Brevet FR2024293A1 — publié le 19700828

L'invention est relative aux procédés et dispositifs pour la production de pièces de fonderie; et elle concerne, plus particulièrement, un procédé et un dispositif pour la production de pièces de fonderie dans un moule comportant un noyau mobile. Conformément à l'invention, un noyau mobile en matériau isolant thermique est inséré en majeure partie dans un moule en matériau isolant thermique avant l'introduction du métal en fusion. On agence une ou plusieurs galettes avec des descentes et orifices de coulée qui peuvent être conçus de façon à permettre un écoulement aussi bien direct qu'inverse du métal liquide.Du métal liquide surchauffé est introduit dans la cavité du moule, après quoi le noyau mobile est déplacé lentement et à une vitesse uniforme jusqu'en sa position de complète pénétration à l'intérieur du moule et est maintenu dans cette position jusqu'à ce que la pièce coulée soit solidifiée. L'industrie aéronautique utilise de nombreuses grosses pièces de fonderie à parois minces, à base d'aluminium ou de magnésium, sous la forme de volets, couvercles d'accès, éléments du système de conditionnement d'air, portes de trains d'atterrissage, etc. Ces pièces coulées sont manufacturées par mise en oeuvre de techniques de fonderie classiques faisant ltobjet de contrôles très stricts. Les techniques classiques de fonderie pour des pièces à parois minces coulées en alliages légers se heurtent à des difficultés considérables qui obligent les spécialistes à travailler à proximité des limites du possible, en raison du fait que le métal liquide ne peut pas iranchir les longs passages étroits du moule avant que se produise une solidification prématurée du métal dans ces cavités étroites. L'épaisseur minimum des parois, les exigences des contrôles de qualité et les grandes dimensions des pièces sont autant de causes de très importants pourcentages de mise au rebut. Nême avec des perfectionnements apportés aux procédés classiques de production de pièces de fonderie complexes, de grandes dimensions et à parois minces, on ne peut pas diminuer appréciablement les épaisseurs minimales de parois au-dessous de la limite actuellement admise, qui est de 2 à 3 millimètres environ. Ces limitations dues aux techniques de fonderie imposent aux épaisseurs de parois des dimensions déterminées pour de nombreux articles manufacturés alors que, si de simples considérations de résistance mécanique dictaient ces dimensions, des parois considérablement plus minces seraient suffisantes. Ceci est tout spécialement digne d'attention dans un domaine industriel où le poids est d'une importance vitale et ne doit pas être perdu de vue pour toutes les industries, ne serait-ce qu'en raison des économies réalisables. L'invention concerne une technique de fonderie originale qui est spécialement applicable, mais n1 est pas limitée, à l'élaboration de pièces de fonderie à parois minces (sections aussi minces que 2 mm) et de pièces de fonderie à parois ultra-minces (sections descendant jusqu'à 0,5 mm). Des pièces de fonderie de grandes dimensions, de haute qualité, à parois minces ou ultra-minces, coulées en moule de sable et/ou de platre peuvent être produites avec succès par mise en oeuvre de l'invention. Des noyaux mobiles sdnt incorporés à la moitié supérieure du moule. Après avoir coulé le métal en fusion, et perdant qu'il est encore partiellement liquide, on abaisse le noyau pour former la section à paroi mince ou ultra-mince, le métal en excès étant admis à s'échapper de la cavité du moule par un système de canaux de coulée à écoulement réversible. On peut avoir recours à des masselottes et/ou à des réservoirs pour qu'il soit plus facile de rester martre de l'écoulement du-métal liquide.Le procédé en question se prête bien à la réalisation de parois ultra-minces, avec une excellente qualité interne et un grain fin, ou de pièce8 de fonderie ayant un excellent état de surface, d'une grande égalité, dans l'état brut de coulée. La technique en question est spécia- lement applicable, mais n1 est pas limitée, aux alliages d'aluminium et de magnésium. Un noyau mobile, l'emplacement du noyau avant la coulée, la composition du noyau et du moule, le métal en fusion surchaufié, l'agencement des orifices et canaux de coulée, la vitesse et l'slln- re de fermeture du noyau mobile constituent les particularités et paramètres qu'implique l'invention. On prépare le noyau et le moule à partir d'un matériau isolant thermique afin d'empêcher un transfert trop rapide de chaleur à partir de la pièce de fonderie coulée; autrement, il se formerait, sur les surfaces du moule, une peau épaisse qui empecherait la fermeture du noyau mobile. On réalise le moule de façon qu'il comporte une chambre dans laquelle le noyau mobile qui s'y adapte est inséré en majeure partie de manière à constituer dans le moule une cavité de précoulée. Cette-position du noyau, juste avant que l'on verse le métal liquide, est telle que le noyau mobile soit inséré en ma j eure partie dans le moule de façon que la formation de la peau soit uniforme sur les deux faces du moule.Cette position de précoulée du noyau mobile inséré en majeure partie seulement est telle qu'un déplacement additionnel, pour fermer le moule et pour que soit obtenue l'épaisseur de la pièce de fonderie finie, dépende de la dimension de cette -pièce et, pour des pièces de fonderie à parois minces ou ultra-minces, il convient que ce déplacement additionnel soit de préférence compris entre environ 3 et 13 mm. La position fermée du noyau mobile crée une cavité de coulée. Une masse métallique en fusion surchauffée et un agencement d'orifices et de canaux de coulée en combinaison avec le matériau du type isolant thermique dans le moule déterminent ltépaisseur de la peau pendant la coulée et pendant le déplacement du noyau après la coulée. La température de la masse métallique en fusion à l'instant de la coulée est critique.Les températures spécifiées sont celles mesurées dans la poche de coulée. La surchauffe du métal liquide peut etre de 28 à 1400C au-dessus des températures normales de coulée pour des alliages à bas points dé fusion tels que ceux à base d'aluminium et de magnésium et, en pareil cas, la surchauffe sera de préférence comprise entre 97 et 1110C. Une surchauffe atteignant jusqu'à 2220C peut être nécessaire pour des alliages à haut point de fusion. Il importe que le métal liquide pénètre dans la cavité de cou lle rapidement et en s'écoulant sans application de pression. Le nombre de canaux de coulée nécessaires variera selon la nature de l'alliage et selon les dimensions de la pièce à réaliser. Le rapport des superficies en coupe transversale de la galette au jet de coulée et aux attaques détermine le nombre et les dimensions des canaux de coulée. Le meilleur rapport doit Btre recherché pour chaque alliage et chaque dimension de pièce, avec un rapport préféré de 1:5:6 com me point de départ. On adopte une allure de fermeture lente et uniforme pour empê- cher l'établissement de hautes pressions hydrostatiques, pour permettre l'échappement des gaz et pour empocher une inertie d'écoulement du fluide. La lente fermeture du moule se réfère à un laps de temps d'une durée comprise entre une seconde et soixante secondes. La durée préférée du temps de fermeture est comprise entre deux secondes et dix secondes. On peut recourir à l'un quelconque de différents moyens pour réaliser une fermeture commandée du moule, à condition qu'il permette un réglage assez précis. Ces moyens peuvent comporter l'utilisation de différents agencement mécaniques tels qu entratnement par vis sans fin, par pignon et crémaillère, par came, etc.; on peut aussi utiliser des dispositifs hydrauliques ou pneumatiques. Les moyens préférés sont basés sur l'utilisation d'une source d'air comprimé. Le système comprend un régulateur de pression, une commande de débit, une distribution et un vérin à double effet avec des orifices situés sur chaque extrémité du cylindre de vérin.On ne doit pas perdre de vue, lorsqu'on désire mettre en oeuvre l'invention, que du métal en fusion très chaud sera éjecté avec force si on laisse par inadvertance tomber le noyau mobile après le remplissage de la cavité du moule avec du métal liquide. L'invention assure un réglage excellent de la solidification de la pièce coulée. Il est possible d'obtenir une pièce de fonderie à parois ultra-fines et avec un grain extra-fin et une haute résistance mécanique; ou bien on peut obtenir une pièce dont la résistance mécanique est moins bonne tout en restant acceptable, mais dont l'égalité de surface dans 1' état brut de coulée est meilleure. Les fines dimensions du grain et la résistance mécanique améliore peuvent être rendues encore plus favorables en recouvrant pratiquement la surface de la cavité du moule avec une pellicule d'une sub- stance réalisant une absorption de chaleur et telle qu'une poudre métallique. L'épaisseur de cette pellicule peut varier de 0,05 a i 6,35 mm.Pour des pièces de fonderie à parois ultra-minces, il est préférable qu'elle soit comprise entre 0,1 et 0,25 inin. aeci peut provoquer un intense refroidissement quand la masse métallique fondue commence à atteindre la cavité du moule; toutefois, le reiroi- dissement brusque est de courte durée telle que la peau se constiiw sur chaque surface en quantité réglée de façon que chaque surface de peau représente au maximum 50 % de l'épaisseur de la pièce mou lée.à l'instant meme où le moule est complètement fermé.Une modification de la température du métal liquide et/ou des dimensions des orifices et canaux de coulée peut etre nécessaire pour ddtermi- ner les conditions optimales pour chaque type de métal ou dimension de la pièce de fonderie. Une modification de la température du métal liquide affecte l'allure de constitution de la peau, et une modification des ouvertures des orifices et canaux de coulée agit sur l'érosion hydraulique influant sur le degré de refusion de la peau. On obtient la meilleure égalité de surface de la pièce dans l'état brut de coulée soit en empêchant la constitution d'une peau, soit en éliminant complètement toute peau formée, avant la fermeture du noyau, par utilisation d'une surchauffe du métal liquide et d'une érosion hydraulique. On n'utilise pas de pellicule réalisant une absorption de chaleur sur les surfaces du moule quand on désire obtenir une pièce ayant une bonne égalité de surface dans l'état brut de coulée. - Une pièce à parois ultra-minces ayant la meilleure égalité de surface possible dans l'état brut de coulée doit souvent être maintenue dans le moule jusqu'à 55 à 1100C au-dessus de la température ambiante afin d'éviter une déformation de la pièce. Un but essentiel de l'invention est de produire des pièces de fonderie de grandes dimensions, dont la structure soit saine et dont les parois soient minces ou ultra-minces0 Un autre but de ltinvention est de réaliser des moyens efficaces en vue de la production de pièces de fonderie à parois minces et ultra-minces avec de faibles pourcentages de mise au rebute Encore un autre but de l'invention est de produire des pièces de fonderie à parois ultra-minces permettant de réaliser des économies de poids sur les pièces de fonderie élaborées par des techniques classiques. Un autre but de l'invention est de permettre l'utilisation d'autres matériaux en raison de la posaibilité d'obtenir des pièces de fonderie de haute qualité dont les parois soient plus minces. Encore un autre but de l'invention est de produire des pièces de fonderie améliorées. -Ces différents buts, particularités et avantages de l'invention et d'autres encore, apparaitront à la lecture du complément de description qui suit et à l'examen du dessin ci-annexé, lesquels complément et dessin concernent un mode de réalisation de l'invention choisi à titre d'exemple non limitatif et sont, bien entendu, donnés surtout à titre d'indication. La fig. 1, de,ee dessin, représente en élévation et partiellement en coupe selon 1-1 fig. 2 un dispositif établi selon un mode de réalisation préféré de l'invention. La fig. 2, enfin, est une coupe selon 2-2 fig. 1 montrant le même dispositif en plan vu de dessus. Dans le mode de réalisation représenté, un dispositif de coulée 10 comprend un moule 12 destiné à recevoir le métal fondu, lequel moule coopère avec un noyau mobile 14 lui-même déplacé par des moyens de commande 16. Ce dispositif de coulée constitue des moyens perfectionnés permettant la production de pièces de fonderie de grandes dimensions, à surface plane ou courbe. Un socle 18 constitue un élément de construction réalisable en tout matériau, comportant une surface horizontale plane et possédant une résistance mécanique suffisante pour permettre le montage et le fonctionnement du dispositif de coulée 10. Dans le présent mode de réalisation, le moule 12 comprend essentiellement une sole 20, un chapeau 22 et des éléments énumérés et décrits ci-après. La sole 20 est établie dans un chassies 24 de moulage de sole et est réalisable soit en sable, soit en plate; toutefois, dans le présent mode de réalisation, il s'agit à'un moule en sable constitué à partir d'un sable de silice à gros grain. La surface inférieure 26 de l'empreinte du moule est établie dans la sole 20 dont elle constitue une partie. Des attaques de coulée 28 desservent les deux côtés de la cavité de coulée pour des pièces de fonderie longues et étroites; on prévoit des attaques additionnelles, représentées en trait mixte fig. 2, pour des pièces plus larges. Les ouvertures des attaques sont établies avec un orifice de 1,52 mm et comportent, aux points de raccordement avec la cavité du moule, des rayons de courbure pour faciliter le reflux du métal liquide en excès.Des jets de coulée 30 établissent une cormunication entre les galettes ou descentes de coulée 32 et les attaques 28. Ces jets 30 s'étendent le long des deux côtés pour les pièces de fonderie étroites et longues et le long des quatre côtés pour des pièces plus larges. Le chapeau 22, constitué à partir d'un sable de silice à gros grains dans le présent mode de réalisation, est établi dans un ehâs- sis 34 de moulage de chapeau; il est placé directement sur la sole 20 et comporte deux galettes ou descentes de coulée 32. Pour assurer l'alignement entre la sole 20 et le chapeau 22, on utilise quatre broches 36 d'alignement et de levage à section circulaire. Le chassies 24 de moulage de sole comporte quatre manchons de montage 38 qui y sont soudés. Deux tels manchons 38 sont situés sur un c8té du chassies 24 et les deux autres sur le côté opposé. Les manchons sont percés d'un passage pour chacune des broches cylindriques 36, de msnière-que ces broches soient dressées verticalement. Des clavettes 40 sont montées dans les manchons 38 pour verrouiller les broches et les maintenir en place. Le chassies 34 du chapeau comporte quatre manchons de montage 42 analogues, situés directement au-dessus des manchons 38 équipant le chassies de sole, et comportent eux aussi des clavettes de verrouillage 44. Le noyau mobile 14, qui est réalisé en matériau isolant ther mique et qui peut être déplacé par rapport au moule 12 lui aussi en matériau isolant thermique, est constitué à partir d'un sable de silice à gros grains; il est établi de façon à remplir la majeure partie de la chambre existant à l'intérieur du moule 12 La surface inférieure du noyau mobile définit une surface supérieure 46 pour la cavité 48 du moule. On utilise beaucoup de jets verticaux de re- montée 50, dont deux seulement sont représentés, de sorte qu'une vue en plan du noyau mobile montrerait des ouvertures de jets de remontée de 3,2 mm espacés d'environ 50 mm entre axes dans toute l'étendue du noyau mobile.Des orifices de respiration 52 sont éta- blis au sommet de chaque jet de remontée. Un bâti de noyau 54 est fixé aux extrémités inférieures de guides de noyau 56. il existe quatre tels guides qui s'étendent de bas en haut au travers d'uie plaque de noyau 58 à laquelle ils sont fixés au moyen d'écrous 60. Les moyens de commande 16, qui servent à commander le déplace- ment du noyau mobile 14 dans le présent mode de réalisation, compor tent une source d'énergie pneumatique 62, un régulateur de pression 64 servant à maintenir une pression d'air constante, une valve de réglage de débit 66 permettant de régler l'allure de déplacement du noyau mobile 14, un distributeur 68 déterminant le sens de déplace ment du noyau mobile, et un vérin pneumatique 70 à double- effet comportant une tige de piston 72 et des orifices 740 Le vérin pneumatique à double effet provoque le déplacement du noyau mobile par l'intermédiaire de la tige de piston.Les orifices règlent le débit de l'air qui s'échappe du vérin à double effet et assurent un réglage fin conjointement avec la valve de réglage de débit pour commander l'allure de déplacement du noyau mobile. Le moule 12, le noyau mobile 14 et les moyens de commande 16 sont assemblés de la manière suivante. Les broches d'alignement et de levage 36 sont montées et assemblées sur le moule de la manière décrite ci-dessus. Ces broches s'étendent verticalement et passent au travers d'une plaque de levage 76 fixée aux broches par l'intermédiaire de manchons 78 et de colliers de verrouillage 80. Les guides-noyau 56 s'étendent au travers de la plaque de levage 76, et des écrous 82 servent à régler la longueur de déplacement du noyau mobile 14. Le vérin pneumatique à double effet 70 est fixé à la plaque de levage 76 au moyen d'un adaptateur 84, la tige de piston 72 communiquant son déplacement au noyau mobile en raison de sa fixation à la plaque de noyau 58 par un adaptateur 86. Des cales 88 servent à régler l'épaisseur de la cavité de coulée et, par conséquent, l'épaisseur de la pièce finalement obtenue. Une coulée typique lors d'un exemple de mise en oeuvre de ce mode de réalisation de l'invention s'effectue en utilisant un alliage d'aluminium type 356; on ajuste le noyau mobile 14 de façon que la longueur de déplacement du noyau telle qu'elle est déterminée par les écrous 82 soit de 4,75 mm. Le noyau étant dans sa position d'ouverture maximum, la cavité 48 du moule se trouve dans sa position de précoulée; quand on fait avancer le noyau jusque dans sa position de fermeture, l'ensemble occupe la position de moulage. Pour le présent mode de réalisation, la position de moulage aboutit a l'obtention d'une pièce de fonderie de 1 mm d'épaisseur environ, et cette épaisseur est réglée paR l'utilisation d'une cale 80 de 1 mm d'épaisseur. Le régulateur de pression d'air 64 est réglé à 2 6,3 kg/cm2, et la valve 66 de réglage de débit conjointement, avec le dimensicoementdes orifices 74, fait avancer le noyau mobile à une vitesse uniforme qui en détermine la fermeture complète en 5 secondes. Le rapport de la galette 32 au jet de coulée 30 et aux attaques 28 est de 1:5:6. il convient que le noyau mobile 14 soit placé dans la position de précoulée et que de l'aluminium en fusion à 802 ± 5, 5OC soit rapidement coulé par le jet de descente 32 jusqu'à ce que la cavité 48 du moule soit remplie de métal liquide. Lorsqu'on a fini de verser le métal liquide, on actionne le distributeur 68 pour amorcer la descente du noyau mobile. Le noyau mobile est maintenu dans sa position de fermeture jusqu'à ce que la pièce de fonderie soit re froide à environ 2040C, température à laquelle on la démoule. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux des modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. R DICATIONS 1 - Procédé pour la production de pièces de fonderie en utilisant un noyau mobile en matériau isolant thermique s'étendant en majeure partie à l'intérieur d'un moule en matériau isolant thermique de façon à former une cavité de moule en une position de précoulée, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement : à introduire du métal liquide surchauffé dans la cavité de moule en position de précoulée; à faire avancer le noyau mobile; à chasser le métal liquide hors de ladite cavité de moule; à maintenir ledit noyau mobile en position de fermeture jusqu'à solidification de la pièce. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que in prolonge le maintien du noyau en position de fermeture jusqu'à ce que la pièce se soit refroidie à une température supérieure d'envi -ron 1100C à la température ambiante, après quoi on démoule la pièce. 3 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on effectue une opération supplémentaire consistant essentiellement à recouvrir en substance les surfaces supérieure et inférieure de la cavité du moule, dans la position de précoulée, avec une pellicule d'une substance ayant la propriété d'absorber de la chaleur. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on effectue l'opération supplémentaire consistant à établir plusieurs jets de remontée dans le noyau mobile. 5 - Dispositif pour la production de pièces de fonderie, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement : un moule en matériau isolant thermique comportant une chambre qui présente une surface inférieure de coulée; un noyau mobile en matériau isolant thermique s'étendant de haut en bas jusqu'à proximité de ladite surface inférieure de coulée de façon à limiter dans le moule une cavité de précoulée établie entre les deux surfaces coopérantes du moule et du noyau mobile quand ce noyau mobile est inséré en majeure partie dans ladite chambre; des moyens pour introduire du métal liquide dans la cavité de précoulée du moule; et des moyens pour faire aven- cer le noyau mobile à une allure réglée et pour en maintenir la position après fermeture0 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les surfaces supérieure et inférieure de la cavité de précoulée du moule sont couvertes d'une substance ayant la propriété d'absorber de la chaleur. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que les moyens pour faire avancer le noyau mobile en matériau isolant thermique comprennent essentiellement : un mécanisme de commande agissant sous l'action d'un fluide pour faire avancer le noyau mobile jusqu sa position de fermeture; un'systè- me contenant un fluide pour actionner ledit mécanisme de commande; et des moyens pour commander aussi bien la pression que le débit du fluide dans ledit système. 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé ence que lesdits moyens pour introduire du métal liquide sont incorporés au moule en matériau isolant thermique et comprennent une ouverture pour recevoir et répartir le métal liquide. 9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 L 8, caractérisé en ce que les moyens pour introduire du métal liquide comportent un jet de descente avec un jet de coulée et une attaque de coulée, cette attaque de couie comportant un rayon de courbure à son raccordement avec la-cavité de moulage.