Brevet FR2647380A1 — publié le 19901130

L invention concerne un procédé et un dispositif de moulage de métaux uti I isant des mode le- gazéifiobles et un ma- tériau de moulage sans I iant, perméable @ux gaz résultant de la fusion des modèles Depuis une trentaine d'années se sont développées des techniques de fonderie foisont oppel ou moulage auec modèles en polystyrène et sable sans liant Le principe en est très simple : un modèle en polystyrène est mis en place dans un ensemble réfractaire, et, au moment de la coulée, le métal fondu vient remplaner le modèle ; les produits de gazéification étant dispersés dans le réfroctaire. Toutefois, sous l'effet de la chaleur dégagée par le métal en fusion et sous la pression exercée par celui-ci, le polystyrène, utillsé pour réaliser les modèles, se gazéifie très rapidement, ce qui prouoque la a fluidisation du sable et l'érosin des parois des s empreintes laissees par la grappe en polystyréne Différentes solutions ont été od@ptées pour éliminer ces inconvénients, parmi lesquelles on peut citer, le serrage du sable par vibration et l enduction (ou passage â la couche) des modè I e en po 1 y tyrène a a f i n de cons t i tuer une interface entre le sable et les gaz qui se forment lors de la destruction des modèles par le métal en fusion : 1'équilibre entre la pression de ces gaz et la poussée du sable serre dépendant étroitement de sa perméabilité Les pro priétés requises pour cet enduit @ t sont donc différentes de ce 1 les des endu i ts ut i I i sés auec les procédés de mou loge ou de noyautage traditionnels Il résuite de cette situation que la qualité du moulage dépend, de facon très étroite, de la qualité du modèle et de celle du matériou de mou'oge de l'enduction, de la réali sation du moule et du mode de rempl vissage de 1. empreint- ce qui se traduit par des pertes de temps très importantes dues, en particulier, à la complication du cycle de trauail et au temps exigé par l'enduction du modèle et par le séchage.Par ailleurs, le sable de moulage est très souvent pollué par les résidus de la couche d'enduction qui adhèrent à la surface des pièces et provoquent des rebuts qui s'ajoutent à ceux provenant dun manque d'homogénéité de la couche d'enduction du modèle en polystyrène. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvé- nients. L'invention, telle qu'elle se caractérise, résout le problème consistant à creer un procédé et un dispositif avec lesquels la coulée puisse ëtre suffisamment contrö- lée pour permettre l'élimination de l'enduction du moule, sans que cela influe défavorablement sur la qualité des pièces moulees et sur la productivité. Le procédé de moulage avec modèles gazéifiables, utilisant un matériau de moulage sans I i n t, permeab I e au gaz, entourant la grappe constituée d'un ou plusieurs modèles gazéifiables, afin de constituer une empreinte qui est remplie par le métal en fusion, au fur et a mesure de la fusion de la matière constituant le moule et de la dispersion des gaz qui en résultent dans le matériau de moulage, selon l'in- vention,se caractérise principalement en ce qu il comporte les étapes suivantes - remplissage progressif du mou le ques le matériau de moulage et compactage par vibration de celui-ci en deux phases successives, la première à la pression atmosphé- rique et la suivante à une pression inférieure à la pres si on atmosphérique, - maintien d'une dépression à l'intérieur du moule, - remplissage progressif de I empreinte par coulée, à dé- bit contrôlé, son~ turbulence, du métal en fusion, jus- qu'à remplacement complet de la grappe de modèles ga=éi- fiables, - maintien d'une dépression à l'intérieur du moule jusqu'à solidification complète du métal - démoulage. Selon une première définition du peocédé, le débit de métal en fusion est maintenu constant pendant toute la durée du remplissage. Selon une seconde définition du procédé le débit du métal en fusion augmente régulièrement du début jusqu'à la fir du remplissage. Ledispositif permettant la miise en @euvre du procédé selon l'invention est constitué essentiellement d'un moule destiné à contenir un matériau de moulageréfractaire, pa able au gaz, d'au moins un modèle gazéifiable disposé c le moule entouré du matériouréfractaire, d'un four de coulée, d'un dispositif tifpermettant d'établir une pression inférieure à la pression atmosphérique à l'intérieur du moule, d'un dispositif de coulée permettant de faire monter progressivement le métal en fusion dans I 'empreinte du modèle et d'un régulateur de débit permettant de contrôler le remplissage des dites empreintes-. Le dispositif de coulée est constitué d'une partie, dite d'attaque, en matériau poreux, permettant l'aspiration du métal en fusion, d'une partie cons t i tuée d'un matériau gazéifiable, assurant la pénétration du métal en fusion dans les empreintes, et d'une buse de remplissage reliée à la partie d'attaque et Plongeant, par son autre extrémité dans le four de coulée Le régulateur de débit est inconporé ou dispositif de cou lée. La partie dite d'attaque est constituée d'ure pièce d'usure parai lé I épi péd i que compartant deu:' i dements, le premier étant destiné à recevoir la buse de rempllssage et le second étant destiné a receuoir une pi ece, en matériau gazéifiable, assurant la montée de la coulée, dont la section permet au métal de rester liquide et de redescendre dans le four lors du démoulage. La partie assurant la pérétrgtion du métal en fusion dans les empreintes du modèle est c'-'nsti tuée de la pièce en mcl matériau gazéifiable assurant ia montée de la coulée et do trois canaux de coulée dont l'un est disposé vertlcolement et est relié au au modèle et dont les deu:-' autres, disposés horizantalement à desniveaux différents, permettent, en fin de coul éP au métal en fus i on de redescendre dans le four de coulée. Selon un mode de réalisation partiaulier, le régulateur de débit est disposé dans la pièce d'usure, entre la pièce assurant la montée de coulée et la buse de remplissage. Ce régulateur de débit peut être constitué d'un diaphragme constitué d'une rondel lemétallique percée en son milieu. La buse de remplissage peut être obturée par une plaquette amovible et fusible permettant g la dite buse de remplis- sage de rester obturée jusqu'au contact de I a plaquette avec le métal en fusion Les avantages obtenus gracie auprocédé et au dispositif se Ion l'invention consistent essentiellement en ce que le contrôle du débit du métal en fusion permet de fiver le débit à une valeur idéale pour le cas considé@é : la grappe de moules en polysturène n'est pas enduite mais introduite directement dans un sable siliceux dépourvu de liant coulée s'effectue dans un moule sous dépression ; le cyele de travail est simplifié ; absence de pollution du sable par les résidus de la couche d'enduction ; ; pas d'adhérence de la couche à la surface des p i pièces, donc décapage plus faci le et plus rapide ; él imination des rebuts dus à un manque d homogénéité té de la couche sur le modèle en polystyrène Il résulte de ce qui précède que cette technique permet la production en série de pièces de forme quelconque en partant d'un modèle en polysturène injecté, et, en conséquence, d'obtenir un gain de produsti@ité important D autres caractéri 5 tiques et auantages apparaîtront dans la description qui va suivre d'un made particulier d'application du procédé et deréalisation du dispositif selon l'invention, donnés à titre d'exemples n@n limitatife au regard des dessine annexés sur lesquels : La figure 1 représente, schématiquement, dans une vue en coupe, le dispositif de coulée de l'invention, dans la phase précédant la phase de coulée. La figure 2 représente, dans une vue également en coupe, un mode particulier de réalisation de la partie dite d'atta- que de coulée du dispositif La figure 3 est une illustration schématique du procédé de invention. Les figures représentent le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de coulée de l'invention, comprenant essentiellement un bac de moulage monobloc 18, dans lequel ont été disposes deu- modèles 14 en matériau gazeifiable entourés d'un matériou de moulage réfrastaire 21, à l'intérieur duquel on peut établir une pression inférieure à la pression atmosphérique Une buse de remplissage 2, disposée sous le bac de moulage 18, assure l'ascension d'un al liage 26 d 'un four de fusion 27 vers le bac de moulage 18. Conformément à l'invention, et selon la figure 1 le bac de moulage 18 repose, par sa partie inférieure, sur une embase 16, présentant, dune part, deux ouvertures 17 permettant le passage de goujons pour la fixation du bac 18 a une table vibrante (non representée d d'autre part, une ouverture 5 en son mi I ieu, permettant le passage de la buse de coulée 2 ; la dite ouverture 5 présente, sur a partie inférieure, deux parties coniques 4 recevant chacune une garniture d'étanchéité 3 Le dit bac de moulage 18 est fermé, à sa partie supérieure, par un couvercle amavible 22 (souple ou rigide) assurant un contact étanche avec la paroi supérieure du bac 18 ; i I est muni, sur ses parois late- raies, d'éléments destinés à maintenir la pression désirée à l'intérieur de sa cavité, à squoir : un dispositif de mise sous dépression 19, deux tourillons de manutention 20, évidés, du bac t8, permettant le passage de la dép ression, un élément de mesure de la pression 24, servant à contrôle la dépression, et un robinet 23 pour la mise g i 'air du vo- lume intérieur du bac, é@entuellement pour en réduire i a dépression ; le dispositif de mise sous dépression 19 peut comporter deux cloisons pour augrenter l'efficacité et l'homogénéité de la dépression. Le matériau de moulage utilise 21, dont on remplit le bac de moulage 18, est un matériou réfractaire sans liant dont la granulométrie dépend de la qual j té des pièces bruts (état de surface) que l'on veut obtenir et du débit de coulée, le dit matériau 21 possédant une bonne perméabilité aux gaz et poutsant être, par exemple, un sable silicieux, etc Les modèles en matériau gazéifiable 14, pour la réalisa- tion de l'empreinte, sont obtenue soit par injection, soit par expansion dans un moule métall inique représentant la forme en creux de la pièce à obtenir ; les dits modeles 14 pouvant être composes de plusieurs parties assemblées par collage par exemple (Ces grappes de matériau gazéifiable ne sont pas obl igatoirement passées à la couche et le maté- riou sera avantageusement du polystyrène). On peut remarquer que les modèles 14 comportent, a leur partie supérieure, un appendice 15, en matériau gazéifiable, permettant de recuei I I ir les oxydes et les inclusions formées par le remplissage de l'empreinte. Le dispositif de coulée proprement dit 29, se compose de trois parties, la première est formée d'un élement de forme parallélépipédique, dit pièce d'usure 6, rapportée, poreuse et pos i t i onnée dans un logement, formée par des cales 25, fixées sur l'embase 16 du bac de moulage 18, qui ser vent également à rendre la apièce d' d'usure B sur la semelle 16 permettant son posi tionnement dans l'axe de la buse 2 d'usure 5, définit l'attaque de coulée permettant au métal liquide d'être aspire vers les modèles 14 ; elle comporte deux évidements 7, 9 formant logements pour, respective- ment, la seconde partie correspondant à la buse de remplis- sage 2 et la troisième constituée partiellement par une pièce dite de montée de coulée 10 ; la buse 2 est encastrée dans le logement 7 en dépauil le dans la pièce d'usure 6, sans porter sur le fond de ce logement 7. La partie évidée, située entre les deux susdits logements 7, 9, comporte un élément, dit d'attaque de coulée 8, dont la section détermine le débit (et qui a donc fonction de régulateur de débit 28) et ainsi la vitesse de remplissage de l'empreinte dans cette forme de réal isation, le débit tes est constant pendant tout le remplissage. La seconde partie, ou buse de remplissage 2, énoncée précédemment, permet l'ascension du métal liquide 26 à partir de la poche de coulée 27 vers la partie d'attaque et se constitue d'un tube métallique étanche. Ce tube peut comporter, à son extrémité inférieure, une plaquette mobile et fusible 1, permettant l'obturation de Ici buse 2 lors de la descente du bac 18 jusqu su contact avec le liquide 26, ce qui permet un remplissage plus calme et moins turbulent de la dite buse 2. La troisieme partie permet l'acheminement du métal de la partie d'attaque vers les modèles 14 et se constitue, d'une part, de la partie dite montée de coulée 10, déjà mentionnée, et de trois canau-' de coulée 11, 12, 13 pour chaque modèle 14, tous ces éléments étant formés du m"me matériau gazéifiable La montée de coulée 10 présente une section permettant au métal 26 de rester I liquide et ainsi de redescendre dans le four 27 lors du démoulage.Deux canaux de coulée 11, 12 sont disposés horizontalement, à une hauteur différente, le premier canal, dit inférieur 12, étant collé à l'extrémité inférieure du canal supérieur 11, lui-même collé à la partie supérieure de la montée de coulée 10 ; et la d i fférence de hauteur existant entre 1 les deux canaux permettra, également, en fin de couche, au metal liquide du canal 11 et de la montée 10 de redesscendre dans le four 27 lors du démaulage ; ce qui permet une considérable économie d'énergie et de métal ; et un canal de coulée 13, disposé verticalement, est encastré ou collé à l'extrémité du canal inférieur 12 et sur le modèle 14, et forme l'attaque de coulée de ce modele 14. 11 est à noter que ce dernier élémert peut être obtenu monobloc avec le modèle 14, comme les canaux 11, 12 peuvent être obtenus d'une pièce avec la monte 10. Sur la figure 2, on a représenté l'élément dit sttaque de coulée 8 placé entre le deux logement: 7, 9 dans la pièce d'usure 5 ; cet élément 8 est, dans cette forme particulière de réalisation, un régulateur de débit qui permettra de fixer la vitesse de coulée idéale pour le remplissage de I 'empreinte de métal ; et, dans cette forme de réatisation, le dit régulateur est constitué d'une plaquette de tôle 8b, comportant un trou central 8a ; ce régulateur permet au débit d'aller en augmentant du début jusqu'à la fin. La dite attaque 8b peut être rapportée n matériou fusible 8b lors de la réalisation de la pièce d'usure 5. Elle cree une zone surchauffée qui permettra au métal 1iquide de redescendre dans le four de fusion 27 en fin d'aspiration et lors de la remontée du bac 18 Dans cette forme particulière de réalisation, le chenal de coulée est en polystyrène, mais l'utilisation d'un tube métallique est plus avantageuse pour l'homogéréité de la coulée. I va être procédé, dans ce qui suit. à une brève deserip- tion du procédé de moulage de 1 invention à travers la description des figures 1 et 3 Dans un premier temps, le bac 18 est déposé sur une table vibrante (non représentée) sur laquelle il est fixé: la grappe de modèles gazélfiobles 14 étant constituée et collée aux canaux de coulée 11, 12, 13, eux-mêmes reliés a la montée de coulée 10 ; on encastre cette dernière 10 dans son logement correspondant 9, dans la pièce d'usure 6 et on descend l ensemble des modeles 14, canaux 11, 12, 13 et montée 10, dans le logement fermé par les cales 25.On procède ensuite au remplissage progressif du moule 18 de matériau de moulage 2 1 au tour des modèles 14, tout d'abord en utilisant seulement la table vibrante 16, puis en utili sant simultanément la table vibrante 16 et le dispositif 19 permettant d'établir une dépression dans le matériau réfractaire 21 ce qui permet à ce dernier de remplir tous les évidements des modèles 14 et d'améliorer ainsi le compactage ; cette dépression est obtenue en reliant les tou r i I lons 20 à la pompe a vide et en plaçant provisoirement un couvercle souple 22 sur le bac 18. Il est a noter que l'on pout, à nette étape du procédé, soit conserver le couvercle souple soit araser l'excédent de matériau de moulage et déposer un couvercle rigide 22 en assurant un contact étanche avec la partie supérieure du bac 18. Puis, on procède au retrait du moule 18 de la table vi- brante 16 et à l'encastrement de I a buse de remplissage 2 dans la pièce d'usure 6 ; puis, on place les garnitures d'étanchéité 3 dans les logement coniques 4 prévus a cet t effet, et la plaquette 1 à l'extrémité de la buse 2. On règle alors la valeur de la dépression à l'intérieur du moule 18 en agissant sur le robinet 23 qui permet, aussi, de couler à dépression @@riable, et de contrôler la valeur sur l'élément de mesure 24 la moule 18 est al alors prêt pour être amené jusqu'à la poche de coulée 27. Le bac 18 se trouvant au dessus du four 27, on descend le dit bac î8et labuse 2 qui plange dans le métal liquide26; la plaquette 1 fond, le métal 26 monte dans la buse 2 et se dirige vers les modèles 14 le matériau guzéifiable 21 se s-ublime et le métal 26 remplace le modèle 14. @près quelques secondes d'immersion, on peut procéder au démoulage, le métal liquide du canal 11 et de la montée 10 redescendant par la buse 2 dans le four de fusion 27 ; la récupération des pièces s'effectue par rotation du bac 18 autour des tourillens 20. 11 est à noter qu'il est recommandé d'utillser le procédé avec des modèles PSE, passes à la couche dans le but d'améliorer la fiabilité du procédé, et de rendre encore plus significatives la récupération du métal, les simplifications des postes de coulée et les économies d'énergie Un autre avantage de l invention réside dans le fait que, comme le métal passe directement du four de fusion 27 dans le moule 18, la température du bain sera relativement plus basse, ce qui limitera l'oxydation de l'alliage et engen- drera une économie d'énergie Le procédé est applicable au alliages légers, alliages cuivreux et ferreux Bien que l on ait décrit et représenté une forme particulière de réalisation de l'invention, il doit être compris que celle-ci n'est pas 1 limitée a cette forme et a ces moyens mais s'étend à tous les procédés de moulage et dispositif pour leur mise en oeuvre.' compo'--tant les caractéristiques générales, énoncées ci-dessus. Revendications 1. Procédé de moulage avec modèles gazéifiables, utilisant un matériau de moulage ne contenant pas de liant et perméable au gaz, consistant essentiellement à entourer la grappe, constituée d'un ou plusieurs modèles gazéi- fiables, du matériau de moulage réfractaire, afin de constituer une empreinte, et à procéder à la coulée d'un métal I iquide destiné à remplacer la grappes les produits de ga zéi fication étant dispersés dans le réfractaire, caractérisé en ce qu il comporte les étapes suivantes - remp I i ssage progres i f du mou le avec le matériau du mou lage etcompactage par vibrations de celui-ci en deux phases successives, la première à la pression atmosphé riqueet la suivante à une pression inférieure à la pres sion atmosphérique, - maintien d'une dépression à l intérieur du moule, - remp I i ssage progress i f de I 'empre i n te par coulée. à dé- bit contrôlé, sons turbulence, du métal en fusion, jus qu'àremplacement complet de la grappe de modèles gazéi fiables, - maintien d'une dépression à l'intérieur du moule jus- qu'à solidification complète du métal - démoulage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit de métal en fusion est maintenu cons-tantpendant toute la durée du remplissage. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit de métal en fusion augmente régulièrement du dé- but jusqu'à la fin du remplissage. 4. Dispositif pour la mise en oeu"re du procédé selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est constitué essentiellement d'un moule (18) destiné à contenir un matériau de moulage réfractaire (21), perméable au gaz, d'au moins un modèle gazéifiable (14) disposé dans le moule (18) d'un four de coulée (27), d'un dispositif (19) permettant d'établir une pression inférieure à la pression atmosphérique à l'intérieur du moule (18), d'un dispositif dit de coulée (29) permettant de faire monter progres- sivement le métal en fusion (26) dans les empreintes du modèle (14) et d'un régulateur de débit (28) permettant de contrôler la vitesse de remplissage des dites empreintes. 5. Dispositif selon la revendication 4, caracterise en ce que le dispositif de coulée (29) est constitué d'une par tie dite d'attaque en matériau poreux (6, 8), permettant l'aspiration du métal en fusion (26), une partie (10, 11, 12, 13) constituée d'un matériau gazéfiable assurant la pénétration du métal en fusion (26) dans les empreintes du modèle (14) et d'une buse de remplissage (2) reliée à la partie d'attaque (6, 8 > et plongeant à son autre e.tremité dans le four de coulée (27) 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le régulateur de débit (28) est incorporé au dispositif de coulée (29). 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la partie dite d'attaque (6, 8) est constituée d'une pièce d'usure parallélépédique (5) comportant deux évidements, le premier (7) étant destiné à recevoir la 1 a buse de remplissage (2), le second (9) étant destiné à recevoir une pièce en matériau gazéifiable (10 > assurant la montée de coulée dont la section permet au métal de rester liquide et de redescendre dans le four (27) lors du démoulage 8.Dispositif selon la revendication 5, caractérise en ce que la partie, assurant la pénétration du métal en fusion (26 > dans les empreintes du modèle (14), est constituée de la pièce en matériau gazéifiable (10), assurant la montée de coulée, et de trois canaux de coulée (11, 12, 13), dont l'un (13) est disposé verticalement et est relié à un modèle . 9 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le régulateur de débit '28) est disposé dans la pièce d'usure (6) entre la pièce assurant la montée de coulée (10) et la buse de remplissage (2) 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le régulateur de débit (28) est constitué d'une plaquette de tôle (8b) percée d'un orifice central (8a). 11. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la buse de remplissage (25 est obturée par une plaquette amovible et fusible (1) permettant à la dite buse de remplissage S2) d'être obturée jusqu'ou contact de la dite plaquette (1) avec le métal en fusion (26).