Brevet FR2523004A1 — publié le 19830916

PRDCEDE DE DULACE, EN COQUILLE, DE PINCES A BASE D'ALUtINIUM La présente invention a trait dans le domaine de la mEtallurgie au secteur de la fonderie et, plus particulièrement, à- un procédé de moulage en coquille de pièces à base d'aluminium dans lequel on optimise la durée de séjour du métal dans la coquille. Parmi les différentes techniques demis en forme de l'aluminiuz et de ses alliages, l'homme de l'art connaît celle qui consiste à couler dans une coquille métallique fermée, de forme déterminée, le métal en fusion puis à le laisser se Solidifier pendant un certain temps par évacuation d'une partie de sa chaleur vers le milieu ambiant, à ouvrir ensuite ladite coquille pour extraire la pièce ainsi formée et, enfin, à la refermer après mise en état pour une nouvelle opération de moulage. Au cours de chacune de ces opérations se pose au fondeur le problème de savoir combien de temps il doit laisser séjourner le métal dans la coquille. En effet, ayant le souci d'une efficacité maximum, il sait que, s'il ouvre la coquille avec un certain délai après que la pièce ait atteint un état de solidification convenable, il y perdra en capacité de production de son installation, par contre, s'il ouvre la coquille trop tôt, il se peut que la pièce soit incomplètement solidifiée, ou, du moins, n'a pas encore acquis une stabilité thermique et mécanique suffit sante, auquel cas elle présentera des défauts pouvant nécessiter son rebut. Aussi donc, la dardée pendant laquelle le métal doit séjourner dans la coquille apparaît-élle corrme une donnée importante dans l'exploitation correcte d'une fonderie. Certes, cette durée est fonction du type de coquille utilisée, de son poteyage, de son mode de refroidissement : naturel ou forcé-, de la composition et de la température de l'alliage coulé, mais ces différents paramètres étant fixés, il apparaît important de trouver un moyen de détermination de la durée optimun de séjour du métal dans la coquille applicable à la coulée en série de pièces, ce moyen étant, par la suite, extrapolable à des installations dans lesquelles certains nnrnnètres ont chanté par le biais de quclqscs corrections. Dans la plupart des procédés de l'art antérieur, on a essayé de résoudre le probleme en adoptant une durée de séjour constante et évidement calculée de façon très large pour être à l'abri de tout incident dû à un démoulage précoce. Pratiquement, il suffit de disposer d'une minutes rie réglée sur la durée choisie et qu'on met en route au début de la coulée. Ces procédés présentent l'inconvénient majeur de ne pas tenir compte de l'évolution de la température de la coquille.En effet, lors du démarrage du moulage d'une série de pièces, la coquille présente, au moment de la coulée, une température relativement basse ; au cours de chaque opération de moulage, elle garde une partie de la chaleur ap- portée par le métal et, de ce fait, au moment de chaque nouvelle coulée, la température de la coquille s'élève progressivement jusqu'à ce qu'elle atteigne une valeur d'équilibre ; on dit alors que la coquille est en régime. De même, en cas d'arrêt momentané volontaire ou accidentel, la température de la coquille a tendance à diminuer avant d'atteindre à nouveau la valeur d'équilibre. Dens un procédé à durée de séjour constante, on ne tient pas compote de ces variations et il en résulte des conditions différentes de refroidissement et de solidification des pièces d'où une hétérogfnéité irportan- te dans la qualité des pièces obtenues. D'autres procédés font appel à la température de déroulage pour fixer la durée de séjour optimum. On attend que la température de la coquille après remplissage ait chuté en-deca d'une certaine valeur pour extraire la pièce. D'autres procédés encore combinent les deux notions : celle de la durée de séjour constante tant que la température de la coquille au moment du remplissage n'est pas stabilisée, puis, celle de la température de démoulage lorsque la coquille est en régime. Ces derniers procédés permettent de réduire la durée du moulage et d'accélérer, dans une certaine mesure, la mise en régime, mais ils ne tien nent pas vraiment compte de l'évolution de la terperature initiale de la coquille à l'instant oh débute la coulée du métal et, par suite dc la durée de solidification réelle. C'est pourquoi, la demanderesse constatant que les solutions proposées n'intégraient pas de façon correcte cette évolution et, de ce fait ne permettaient pas de réaliser les conditions optima de qualité et de production, a cherché et mis au point un procédé de moulage en coquille de pièces à base d'aluniniun dans lequel on coule dans la coquille le métal en fusion, laisse l'ensemble se refroidir de manière qu'il y ait solidification du métal, puis ouvre ladite coquille pour sortir la pièce ainsi moulée et la referme en vue d'une nouvelle opération, ce procédé étant caractérisé en ce que la durée de séjour du métal dans la coquille est liée à la température de cette dernière au moment oii on va cornnencer la coulée. Ainsi, le procédé selon l'invention, corne certains de l'art antérieur, s'écarte de la notion de durée de séjour constante mais s'en rapproche par la notion de température. Toutefois, il s'ait ici de température initiale de la coquille, c'est-d-dire au moment où commence la coulée et non de température de démoulage bien que cette notion soit retenue dans certaines conditions d'aPplication de notre procédé. Le fait de prendre en compte la température initiale de la coquille permet de mieux saisir la durée réelle de solidification car, en effet, il est bien certain que, si l'on coule dans une coquille à température basse, la durée de solidification sera moins grande que si l'on coule dans une coquille à température élevée. Ainsi, en se référant à la température initiale, peut-on mieux apprécier le temps qu'il faudra pour assurer la solidification et, donc, déterminer de façon optimum la durée de séjour du métal dans la coquille. Encore faut-il établir la relation existant entre température initiale et durée de solidification. Cette relation a été établie de façon expérimentale de la manière suivante Plusieurs séries d'éprouvettes ont été coulées en plaçant au centre de la partie calibrée un thermocouple relié à un enregistreur de tempéra- ture. Deux autres thernocouples étaient disposés dans les chapes de la coquille au niveau du centre de l'éprouvette et à 2 pri de la paroi interne. il était ainsi possible de relever à la fois la tenpc.nture initiale de la coquille et la durée de solidification, celle-ci se terni- nant au moment où on constatait un changement de pente dans la courbe température-temps. iYiis, comme on ne peut démouler des la fin de solidification de la pièce, étant donné qu'il faut attendre que les masselottes soient suffisamment résistantes pour pouvoir supporter les pièces, on a appliqué un coefficient de correction à la durée de solidi- fication, c'est-a-dire e!1e la durée de séjour retenue est égale S k fois la durée de solidification et où k est compris entre 1 et 1,5 suivant la composition de l'alliage et le type de pièce réalisé. Ces mesures ont été faites pour différentes températures de la coquille au slarent du remplissage. Puis, on a pu également élargir ces mesures à des coquilles équipées par exemple de dispositifs de refroidissement forcé par circulation d'air ou d'eau, à des alliages de compositions diverses coulées à des températures variables, à des poteyages ayant une nature ou une épaisseur différente. On a ainsi des tableaux de corrélation entre température et durée de séjour. Par suite, il suffit, connaissant tous les facteurs du noulage, de noter la température initiale de la coquille puis de se reporter aux tableaux pour connaître la durée de séjour optimum. Ainsi, le procédé selon l'invention est-il caractérisé en ce que la durée de séjour du métal dans la coquille est établie par mesure de la température de cette dernière au mordent où on va commencer la coulée puis comparaison de cette valeur avec le tableau de corrélation température-durée préétabli. Ce procédé est appliqué pratiquement à l'ensenble des opérations de moulage successives nécessaires à l'obtention d'une série de pièces. Toutefois, en ce qui concerne la période de démarrage ou celle qui suit un arrêt prolongé où la température de la coquille est relativement basse, on s'est aperçu que les pièces présentaient une compacité insuffisante. Pour en limiter le nombre, il faut chercher à augmenter la tem dérayure de la coquille le plus rapidement nossible. Certes, le procédé optimisé décrit ci-dessus pernet de raccourcir cette période de montée ei tem?érature, mais elle peut encore être accélérée en se basant sur le fait que, lorsqu'on applique la durée de séjour op timum avec une coquille relativement froide, le monent du démoulage intervient alors que la tempér?ture de la coquille est encore en train de croître à la différence d'une coquille en régime où elle est en train de décroître. Si donc on veut accélérer la montée en température, il faut essayer de récupérer la totalité de la chaleur apportée par le métal et, donc, ne démouler qu'au moment où la température de la coquille a atteint son maximum. Ainsi, le procédé est également caractérisé en ce que, pendant les pério' des de démarrage ou de redémarrage où la température de la coquille est relativement basse au moment où va commencer la coulée, la durée de sé- jour optimum est prolongée jusqu'à ce que la température de la coquille ait atteint son oximun. De plus, au bout d'un certain nombre d'opérations de moulalyes successifs, la coquille a tendance à s'échauffer de plus en plus, ce qui augmente le temps de solidification et abaisse par conséquent les caractéristiques mécaniques des pièces. La température de la coquille peut être limitée de deux façons : soit en prolongeant la durée de fermeture de la coquille après coulée, soit en interdisant sa fermeture après démoulage tant que la température n'est pas redescendue au-dessous d'une valeur limite qui est fonction du type d'alliage utilisé. Un tel procédé, s'il est applicable avec des moyens simples, peut aussi faire l'objet d'une mécanisation et d'une automatisation poussée. En effet, les fonctions mises en oeuvre sont classiques, à savoir - détecter une variation de température pour déterminer l'instant to où commence la coulée, l'instant t où elle passe par un maximum (dérivée nulle), - enregistrer la température initiale T de la coquille, la comparer à o un ensemble de températures, d'un tableau de corrélation température tenus mémorisé de la concordance, déterminer la durée de séjour - saisir une minuterie à l'instant t ct la régler sur - contrôler en continu la température de manière à saisir la temPcrat1lw re T?1 au-delà de laquelle le démoulage ou la fermeture du moule ne peut avoir lieu, - commander les électrovannes des vérins d'ouverture et de fermeture de la coquille aux instants tm, tl = to + #t et empêcher l'ouverture quand T > TM Un tel ensemble de fonctions peut être assuré par un dispositif de comnande conprenant essentiellenent - une carte comportant un microprocesseur et des organes périphériques, - un convertisseur analogique digital, - un support magnétique pour enregistrenent des tableaux de corrélation, - un programme placé dans la mémoire associée ou microprocesseur, - un boîtier de cornande. Cet ensemble est en relation par son convertisseur avec les thermocou- ples placés sur la coquille, et par son boîtier de commande aec les électrovannes des vérins. Dans le cas de coquilles refroidies par air ou par circulation de tout autre fluide, la régulation des débits de ces derniers en fonction des températures souhaitées peut être incorporé à cet ensemble. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de l'exemple d'application suivant Dens une coquille en acier refroidi par air, on a réalisé le roulage successif de 50 pièces du type éprouvettes, à partir d'un alliage d'aluminium A-S7G. Pour les quinze premières pièces, la température initiale de la coquille est restée inférieure à 3500C et on applique le procédé suivant lequel on attend que la température de la coquille passe par un saxirlm avant de l'ouvrir, ce qui a nécessité 10 minutes. Puis, on a coulé treize autres pièces en adoptant comme temps de séjour le temps de solidification multiplié par un facteur k = 1,5, et dont les valeurs en Ponction de la température initiale de la coquille étaient les suivantes T C Durée séjour en secondes 350 54 390 60 430 67 La coulée des treize pièces a duré 13,5 minutes. Pour les pièces suivantes, la température de démoulage a été limitée à 4300C, ce qui donne une cadence de production de 13 minutes par dix pièces. L'invention trouve son application, notamment dans l'industrie de l'aluminium, chaque fois qu'on désire fabriquer par moulage en coquille, soit par gravité, soit sous basse pression, soit sous pression, une série de pièces arec un minimun de rebut et une capacité de production accrue. - - Procédé de moulage en coquille de flltct'. à base d'aluminium dans lequel on coule dans la coquille le métal en fusion, laisse l'ensemble se refroidir de manière qu'il y ait solidification du netal, puis ouvre ladite coquille pour sortir la pièce ainsi moulée et la referme en vue d'une nouvelle opération, caracterisé en ce que la durée de séjour du métal dans la coquille est liée à la température de cette dernière au moment où va commencer la coulée. 20/ - Procédé de moulage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la durée de séjour du métal dans la coquille est établie par mesure de la température de cette dernière au moment où va commencer la coulée puis comparaison avec un tableau de corrélation température-temps préétabli. 30/ - Procédé de moulage selon la revendication 2, caractérise en ce que, pendant les périodes de démarrage ou de redémarrage où la température de la coquille est relativement basse au rouent où va commencer la coulée, le temps de séjour est prolongé jusqu'à ce que la température de la coquille ait atteint son maximum.