Brevet FR2558398A1 — publié le 19850726

La présente invention se rapporte au moulage de grandes pièces coulées en métaux et alliages, plus parti- culièrement en alliages d'aluminium; elle vise, en parti- culier, le moulage de corps complexes et de grande dimen- sion qui nécessiteraient, dans le cas du moulage usuel au sable, des modèles et des noyaux compliqués ainsi que de grands chassis de coulée. On utilise actuellement deux types de moules pour la coulée de métaux non ferreux, à savoir les moules en sable et les moules en métal. Le moulage au sable nécessite un modèle en bois ou métal qui engendre la forme requise, lorsqu'on remplit de sable un ou plusieurs châssis de fon- derie, tandis que les contours intérieurs et les cavités sont définis par des noyaux insérés dans le moule, ces no- yaux étant également en sable. Les moules métalliques sont généralement utilisés pour des articles plus petits, fabri- qués en série, et ils sont constitués de métal, habituel- lement des blocs de fonte, fraisé ou usiné d'une autre fa- çon à la configuration négative requise pour la pièce cou- lée, en tenant compte du retrait pendant la solidification et le refroidissement, qui varie selon les différents métaux. Les noyaux sont de même fabriqués en fonte ou sable et ils sont tenus dans le moule d'une manière appropriée pour en- gendrer les cavités dans la pièce coulée. Les deux méthodes conviennent dans le cas de piè- ces coulées de petite ou moyenne dimension. Toutefois, les moules deviennent très lourds et coûteux pour des pièces lourdes et de grande dimension, ce qui est particulièrement gênant dans tous les cas o l'on coule une pièce unique ou lorsqu'il faut seulement un petit nombre de pièces coulées. La présente invention a donc pour objet un moule pour la coulée de pièces de grande dimension, qui est rela- tivement léger et peut donc être obtenu plus économiquement que le moule des types précités. Ces moules devraient être en un seul élément pour des travaux à l'unité et devraient être des moules du type à joint séparable lorsqu'ils sont utilisés pour cou- ler une petite série du même produit. La présente invention a également pour objet un moule,pour former les contours extérieurs,et des noyaux pour former les cavités intérieures par la même méthode de fabrication, les noyaux pouvant être laissés dans la piè- ce coulée, en raison de leur faible poids, si on le désire. Conformément à la présente invention, un moule comprend une enveloppe en tôle d'acier relativement mince, le moule comportant à son extrémité supérieure des amorces de coulée et des évents tandis que sa surface intérieure est revêtue d'une couche de matière thermiquement isolante, par exemple une feuille d'amiante ou un mélange d'amiante, de graphite et de liants projeté sur la surface de l'acier. La configuration du moule est obtenue par préparation d'une pluralité d'éléments de forme différente,en tôle d'acier, et assemblage de ces éléments par soudage, rivetage ou moyen analogue. De même, un noyau est fabriqué à partir de plusieurs éléments en tôle d'acier et il est revêtu sur sa surface extérieure avec une matière thermiquement isolante. Le moule peut être composite, comprenant plusieurs parties assemblées par des brides et des boulons,pour des commandes répétitives, ou bien, dans le cas d'une pièce coulée unique, il peut être une enveloppe complètement fermée qui est dé- coupée et enlevée de la pièce coulée après remplissage du moule et solidification du métal. Le moule peut avoir une paroi mince, même dans le cas de moules très grands, du fait du faible poids du métal, notamment dans le cas d'al- liages d'aluminium, d'une part,et du fait que les coulées importantes sont versées en plusieurs étapes à cause de la capacité limitée du four et/ou de la poche de coulée, d'au- tre part. Entre les étapes de remplissage, la première cou- che de métal versée se solidifie, sauf à sa surface supé- rieure qui reste à l'état liquide ou semi-liquide et qui se e558398 combine ensuite avec le métal en fusion de la partie sui- vante. La partie déjà solidifiée de la coulée ne contribue pas à la pression hydraulique agissant sur les parois du moule et le moule est donc exposé seulement à la pression hydraulique due à la hauteur de la matière fondue encore liquide au-dessus de la ligne de séparation entre la couche précédente et la nouvelle couche de métal versée dans le moule. Par suite, seule une petite zone du moule est sou- mise aux efforts engendrés par la pression hydraulique, à chaque étape individuelle de remplissage, et ce fait per- met de fabriquer un moule en tôle d'acier d'une épaisseur inférieure à 1 mm. La couche intérieure thermiquement isolante sert, d'une part, à éviter le refroidissement rapide du métal à travers les parois en acier, et par suite son effet nuisi- ble sur la qualité finale de la pièce coulée, et elle per- met d'autre part de séparer facilement le moule de la pièce coulée, puisque l'amiante ou les mélanges de projection con- nus n'adhèrent pas aux alliages d'aluminium. Il est évident que, pour des pièces relativement petites et des grandes séries, le procédé usuel de coulée en sable au moyen de modèles en bois ou métal, en particu- lier dans des machines de fonderie, est préférable. Toute- fois, le présent procédé est meilleur et plus économique pour la coulée de pièces de grande dimension, telles que des éléments de pont, des piliers supports pour des bâtiments, des fondations immergées pour digues marines, des moules pour le pressage de tôles dans l'industrie de l'aviation et de l'automobile, etc. Le présent procédé convient particuliè- rement pour des moules de coulée utilisés dans la fabrica- tion de prototypes de pressage, pendant l'étude de nouveaux avions ou véhicules à moteur. Le moule en tôle d'acier se prête à l'obtention de configurations compliquées, puisque les difficultés ren- contrées avec les modèles en bois n'existent pas lorsqu'on utilise le présent procédé. Le moulage au sable nécessite, tout d'abord,une dépouille le long des surfaces opposées, afin de permettre une extraction facile du modèle hors du moule en sable, tandis que le présent procédé permet de couler des pièces à côtés parallèles. Le moulage au modèle oblige à former les parties entrantes et en saillie au mo- yen de modèles à joint dont les parties détachées sont extraites séparément du moule, tandis qu'avec le présent procédé le moule entier peut être détruit dans le cas de pièces coulées uniques, ou bien on ouvre le moule compo- site le long de brides et on enlève de la pièce coulée les différentes parties du moule. Ce mode d'enlèvement d'un moule est analogue à celui qui est utilisé avec des moules permanents constitués d'un bloc de métal, sauf que des moules de ce dernier type seraient très lourds et de fabrication extrêmement cotreuse. Une matière préférée pour la fabrication des moules est la tôle d'acier d'une épaisseur de 0,5 mm ou davantage, qui peut être facilement rivetée ou soudée. Com- matière préférée de revêtement, on peut utiliser une feuil- le d'amiante de 2 mm, ou un tissu d'amiante qui peut être plus mince mais qu'on peut obtenir jusqu'à une épaisseur de 2 mm; ces deux matières peuvent être courbées à la forme du moule, en particulier lorsqu'elles sont mouillées, et elles adhèrent bien à la surface métallique du moule a- près y avoir été fixées par rivetage ou collage. Une autre méthode d'isolation consiste à pulvériser sur la surface intérieure du moule une matière isolante,du type utilisé pour le revêtement des moules permanents en acier en vue de pouvoir séparer facilement la pièce coulée du moule. De même, les noyaux sont fabriqués à partir d'é- léments préformés en tôle d'acier qui devrait être revêtue du côté extérieur afin d'être facilement séparée de la piè- ce coulée. D'autre part, puisqu'ils sont de faible poids, ils peuvent être laissés dans la pièce coulée, si on le dé- sire ou s'ils sont destines à des espaces creux sans com- munication avec l'extérieur. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description de ses formes de réalisation, non limitati- ves, représentées sur les dessins annexes dans lesquels: Fig. 1 est une coupe verticale à travers un moule utilisé pour la coulée d'une colonne creuse, Fig. 2 est une vue à plus grande échelle du dé- tail "A" de la figure 1, et Fig. 3 est une coupe à travers un moule pour une pièce de type différent. On voit, sur la figure 1, qu'un moule en tôle d'a- cier comprend une enveloppe extérieure 1 et une enveloppe intérieure 2 définissant le noyau, leurs formes respectives correspondant aux contours extérieurs et intérieurs de la pièce à couler dans le moule. La partie supérieure du moule comporte des amorces de coulée 3 servant à verser le métal dans le moule, tandis que plusieurs évents 4 sont prévus dans la partie supérieure et les parois latérales pour per- mettre l'échappement des gaz. La figure 2 représente une partie des parois des enveloppes extérieure et intérieure qui sont constituées de tôles d'acier 10 et 20 revêtues,sur leur face destinée au contact avec la matière en fusion, d'une couche thermi- quement isolante en feuille d'amiante 11 et 21, respective- ment. La coulée de métal est désignée par le repère 5. Le procédé de fabrication d'un moule de ce type consiste à préparer d'abord l'enveloppe extérieure à partir d'éléments découpés et préformés, en tôle d'acier, qui sont assemblés dans la configuration finale par soudage ou ri- vetage, et à revêtir les surfaces intérieures avec une ma- tière thermiquement isolante. On suppose que l'enveloppe extérieure a une dimension suffisante pour qu'un ouvrier puisse y entrer et fixer la couche isolante par collage ou rivetage. Toutefois, si l'espace intérieur est trop étroit pour qu'un ouvrier exécute ce travail, le revêtement est appliqué aux éléments individuels, avant leur assemblage fi- nal qui peut être effectué par soudage puisque l'amiante résiste à la chaleur. Dans le cas d'un moule composite, cha- que élément séparé est revêtu intérieurement, avant assem- blage au moyen de brides et de boulons. L'enveloppe intérieure ou noyau 2 est fabriqué de façon analogue et il est clair qu'on ne rencontre pas de difficulté de revêtement avec la matière thermiquement isolante puisque cette opération est effectuée sur les sur- faces extérieures après assemblage complet de l'enveloppe. Dans le moule représenté sur la figure 1, il sera impossi- ble d'insérer le noyau par l'ouverture inférieure de l'en- veloppe extérieure, puisque les parties de grand diamètre du noyau ne peuvent pas passer dans les parties de petit diamètre intérieur de l'enveloppe extérieure. Dans ce cas, l'insertion du noyau est rendue possible par fabrication de l'enveloppe extérieure en au moins deux parties qui sont assemblées après leur mise en place autour du noyau, avec un intervalle correct entre les parois, au moyen d'une liaison permanente ou démontable. La distance entre les deux enveloppes est déterminée et maintenue par des en- tretoises ou des rivets 6, de préférence en même matière que la pièce coulée. Les entretoises perdues sont insérées pendant ou après l'assemblage complet du moule. La forme du noyau représenté sur la figure 1 ne permet pas de le séparer de la pièce coulée terminée. Il peut donc être laissé dans la pièce, puisqu'il n'augmentera pas beaucoup le poids total, ou bien il peut être découpé en plusieurs parties qui peuvent elles-mêmes être retirées de la pièce. La figure 1 illustre également la coulée en plu- sieurs étapes. On voit sur la figure que le métal a été ver- sé en trois fois, de manière à atteindre les niveaux I, II et III, respectivement. Pour bien comprendre le processus de coulée, on suppose que la pièce est d'une dimension tel- le que le métal apporté par une seule poche est juste suf- fisant pour remplir le moule successivement aux différents niveaux. Après avoir versé la première poche, on atteint le niveau "I" et la masse du métal situé au-dessous du ni- veau I se solidifie avant que la poche suivante soit ver- sée, à l'exception de la couche supérieure qui est encore à l'état fondu. Lorsqu'on verse le métal jusqu'au niveau "II", la partie solide située audessous du niveau "I" n'exerce aucune pression hydraulique sur les parois du mou- le qui l'entourent, du fait de la contraction de la coulée. Pour cette raison, la pression hydraulique maximale agit sur la paroi du moule à la hauteur du niveau "I", cette pression étant p = y.H, o y est la densité du métal fondu (kg/cm3) et H est la distance entre les niveaux "I" et "IV" (cm). Le métal nouvellement versé se combine facilement à la surface fondue ou semi-liquide de la couche inférieu- re. La même situation de pression se retrouve lors des éta- pes de remplissage suivantes, jusqu'au niveau supérieur, et il est clair que la pression maximale sur toute région du moule est exercée à l'extrémité inférieure de chaque partie de métal liquide. Le moule représenté sur la figure 4 comprend une enveloppe extérieure 1' en forme de tronc de cône et une en- veloppe intérieure 2' en forme de tronc de cône de même lon- gueur et de diamètre plus petit que celui de l'enveloppe ex- térieure.Des amorces de coulée 3' et des évents 4' sont pré- vus dans la partie supérieure et les parois latérales de l'enveloppe extérieure, de la même façon que dans le moule représenté sur la figure 1. Les enveloppes intérieure et extérieure du moule sont reliées à leurs extrémités supé- rieures et inférieures respectives par des plaques annulai- res 7' et 8' qui ferment le moule. Tout l'espace intérieur du moule est revêtu d'une matière isolante. Les liaisons entre les deux enveloppes sont de préférence d'un type dé- montable, de façon à permettre la séparation du moule sans avoir à le détruire. On comprend facilement qu'il est simple d'assem- bler les parties du moule et de les retirer de la pièce coulée solidifiée et que ce type de moule convient bien pour la coulée de mats longs et creux, de colonnes creuses et de pièces semblables. Il est entendu que des modifications de détail peuvent être apportées dans la forme et la construction du dispositif suivant l'invention, sans sortir du cadre de celle-ci. 558398 Revendications 1. Moule pour la coulée d'une pièce de grande dimen- sion en métal, qui convient particulièrement à la coulée d'une grande pièce en alliage d'aluminium, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe extérieure fermée (1) correspondant aux contours extérieurs de la dite pièce (5) et dont les parois sont en tôle d'acier relativement mince, cette enveloppe comportant au moins une amorce de coulée (3) et au moins un évent (4) et étant revêtue sur son côté intérieur avec une matière thermiquement iso- lante qui résiste à la chaleur du métal en fusion à ver- ser dans le moule. 2. Moule suivant la revendication 1, pour la coulée d'une pièce de grande dimension présentant au moins une cavité intérieure, caractérisé en ce qu'il comprend un no- yau sous la forme d'une enveloppe intérieure (2) corres- pondant à la configuration de la dite cavité et dont les parois sont en tôle d'acier relativement mince, ce noyau étant relié à l'enveloppe extérieure et fixé à la distance requise des parois de l'enveloppe extérieure, le côté ex- térieur des parois du noyau étant revêtu avec une matière thermiquement isolante qui résiste à la chaleur de la ma- tière en fusion à verser dans le moule. 3. Moule suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe extérieure unitaire, uti- lisée pour une coulée unique d'une pièce. 4. Moule suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe extérieure composite, constituée de plusieurs éléments de paroi reliés les uns aux autres de façon démontable, par des moyens d'assemblage tels que brides, boulons et écrous. 5. Moule suivant l'une des revendications 1 à 4, ca- ractérisé en ce qu'il comporte un revêtement résistant à la chaleur, fixé à la surface de l'enveloppe par rivetage. 6. Moule suivant l'une des revendications 1 à 4, carac- térisé en ce qu'il comporte un revêtement résistant à la chaleur, fixé à la surface de l'enveloppe par collage. 7. Moule suivant l'une des revendications 1 à 4, ca- ractérisé en ce qu'il comporte une couche résistant à la chaleur, pulvérisée sur la surface de l'enveloppe. 8. Moule suivant la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le revêtement est constitué par une feuille d'a- miante. 9. Moule suivant la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le revêtement est constitué d'un tissu d'amiante. 10.Moule suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la couche résistant à la chaleur est constituée d'un mélange d'amiante, de graphite et de liant,pulvérisé sur la surface des parois d'enveloppe.