Brevet FR2921282A1 — publié le 20090327

Procédé et dispositif de remplissage d'un moule de fonderie en coulée basculée. L'invention s'inscrit dans le domaine de la réalisation de pièces de fonderie selon la technique de la coulée par gravité par basculement du moule. Plus précisément, elle porte sur un moyen visant à assurer une coulée optimale d'un produit en fusion, et plus particulièrement un métal en fusion, dans un moule de fonderie. La technique de la coulée par gravité est couramment employée pour la réalisation de pièces mécaniques de fonderie, et peut par exemple l'être dans le domaine automobile pour la réalisation de culasses de moteurs. Par rapport à d'autres techniques comme la coulée sous pression, la coulée par gravité permet la réalisation de pièces aux caractéristiques mécaniques supérieures. En fonderie par gravité, seul le poids du métal en fusion permet de remplir en totalité le moule. Traditionnellement, le moule est donc rempli par le haut, la gravité se chargeant de faire progresser le métal en fusion dans tous les recoins du moule à remplir. Cette technique peut être employée pour un grand nombre de métaux et 20 d'alliages, et est particulièrement avantageuse pour le moulage de métaux sensibles aux phénomènes d'oxydation. Nous désignerons par la suite par � métal � tout métal ou alliage métallique susceptible d'être moulé par gravité. 25 Toute opération de transvasement du métal liquide peut s'avérer néfaste à la qualité de la pièce finale, car le transvasement favorise l'inclusion de bulles d'air, l'oxydation ou la pollution du métal fondu. Le remplissage du moule doit donc être le plus régulier et le moins turbulent possible pour 30 limiter ces phénomènes. Afin d'assurer un remplissage progressif du moule et de limiter les inclusions de bulles d'air lors de la coulée, il est connu d'utiliser un moule basculant. Cette technique consiste à verser d'abord le métal en fusion dans un godet intermédiaire fixe par rapport au moule, et même généralement solidaire du moule. Le moule est presque horizontal au début de la coulée, et est redressé fur et a mesure du remplissage pour assurer la coulée du métal du godet intermédiaire vers le moule. Cette technique est notamment décrite dans le brevet JP2175065. On peut également effectuer le remplissage en prélevant le métal fondu par le fonds du godet intermédiaire, comme le propose le brevet D E 102004015649. Ces deux techniques ne peuvent cependant pas garantir une parfaite régularité à la coulée de métal. En effet, la rotation du moule et du godet intermédiaire étant identique (ces deux éléments sont d'ailleurs généralement solidaires), elle peut libérer par moments dans le moule un volume disponible pour la coulée supérieur à ce que peut fournir le godet intermédiaire à cet instant, vu son inclinaison. En effet, selon le principe du moulage en coulée basculée, le moule de fonderie est basculé progressivement lors de la coulée. A un instant donné, le moule peut accueillir une certaine quantité de métal, dans le volume compris entre le point le plus bas du moule à cet instant et le niveau du point de versage. Après un certain incrément de temps, le moule est légèrement plus basculé vers sa position horizontale finale. Du fait de ce basculement, le volume à l'intérieur du moule compris entre le point le plus bas du moule et le niveau du point de versage a changé, et a été légèrement augmenté par rapport à l'instant précédent. Le basculement du moule a donc libéré un nouveau volume disponible pour la coulée, défini comme la différence entre le volume à l'intérieur du moule compris entre son point le plus bas et le niveau du point de versage à un instant donné et le volume à l'intérieur du moule compris entre sont point le plus bas et le niveau du point de versage à un instant suivant. Ce volume libéré est donc fonction de l'incrément unitaire de temps, de l'angle de basculement, et de la forme du moule. Selon les deux techniques citées précédemment, le métal versé peut donc être soumis à une certaine hauteur de chute dans moule, chute qui favorise l'inclusion d'air ou l'oxydation du métal. Plus généralement, avec un godet fixe par rapport au moule basculant, le flux de métal entre le godet et le moule peut être irrégulier et potentiellement 10 turbulent, ce qui favorise l'oxydation du métal coulé. La présente invention permet de résoudre ce problème en proposant un système de remplissage d'un moule de fonderie comportant un moyen verseur, assurant le remplissage du moule, dont le mouvement est asservi 15 à celui du moule afin de garantir une coulée du métal par gravité non turbulente et ne subissant aucune chute incontrôlée dans le moule. Pour cela et de manière préférentielle, on pivote le moyen verseur pour assurer la coulée de métal dans le moule en fonction des volumes libérés 20 dans le moule à chaque instant. En effet, tel que précédemment explicité, au fur et à mesure du basculement du moule, des volumes successifs pouvant être remplis par le métal coulé sont libérés. Pour assurer la coulée la plus régulière possible, l'asservissement du mouvement du moyen verseur au basculement du 25 moule tend à rendre égaux le volume rendu disponible pour la coulée dans le moule entre deux instants et le volume de métal versé dans le moule entre ces deux instants. Il faut par ailleurs noter que le remplissage du moule n'est pas un procédé 30 discret mais continu, en toute rigueur on peut également dire que l'asservissement tend à rendre égaux à tout instant la dérivée du volume rendu disponible dans le moule et le débit de métal transféré du moyen verseur vers le moule. Les pièces réalisées en coulée basculée peuvent être complexes. Dans le domaine automobile, cette technique peut notamment permettre la réalisation de culasses. Malgré cette complexité, on peut connaître à tout moment du basculement les volumes libérés dans le moule grâce à une modélisation préalable de sa géométrie. Cette modélisation peut être réalisée par des moyens informatiques. De même, la quantité de métal liquide déversée par le moyen verseur du fait de sa rotation peut être connue par une modélisation préalable de ce moyen. Le moyen verseur peut être un godet intermédiaire lié au moule, dans lequel on introduit le métal en fusion préalablement au remplissage du moule, mais contrairement à ce qui est connu dans l'art antérieur, ce godet est mobile par rapport au moule et est en outre muni d'un moyen d'asservissement au mouvement de basculement du moule. Dans un mode de réalisation préférentiel, on peut supprimer le godet intermédiaire et effectuer le remplissage du moule directement avec le contenant mobile amenant le métal en fusion au moule, dit louche de coulée. Le basculement du moule et la rotation du moyen verseur pour le remplissage du moule sont préférentiellement opérés par des moyens indépendants mais dont les actions sont indexées l'une par rapport à l'autre. Préférentiellement, le contrôle de la rotation du moyen verseur est assuré par un automate programmable pilotant un robot. Cependant, dans le cas de pièces de grandes séries pour lesquels le mouvement imposé au moyen verseur pour assurer la coulée est toujours identique, il est aussi possible de choisir un moyen mécanique pour réaliser l'indexation adéquate, par exemple un système à cames. Selon le mode de réalisation préférentiel supprimant le godet intermédiaire, on approche d'abord la louche de coulée du moule et on assure l'accostage, c'est-à-dire le positionnement dans une zone prédéfinie, entre le moule en position initiale presque horizontale et la louche de coulée remplie de métal liquide. La louche est ensuite mise en rotation, éventuellement avant même le début du basculement du moule, afin de débuter son remplissage. Lorsque le niveau de métal liquide dans le moule est sensiblement égal au niveau de métal liquide dans la louche, ou au moins inférieur à une hauteur de chute prédéterminée, le moule commence son basculement. Parallèlement, on assure la rotation de la louche de coulée par rapport au moule afin de mettre en adéquation le débit de métal aux volumes libérés dans le moule du fait de son basculement. Notons que le point d'accostage de la louche sur le moule restant sensiblement le même lors du remplissage, la louche subit dans l'absolu un mouvement combiné de translation pour maintenir ce point d'accostage et de rotation pour assurer la coulée. Dans un autre mode de réalisation, le point d'accostage pourrait être mobile lors de la coulée, le mouvement décrit par la louche étant alors un mouvement de translation et de rotation combinées par rapport au moule de fonderie. A tout moment de la coulée ainsi réalisée, le flux de métal de la louche vers le moule reste non turbulent, et ne subit à aucune chute susceptible de favoriser l'oxydation du métal ou l'inclusion de bulles d'air dans la pièce moulée. Puisque c'est avant tout le mouvement relatif de la louche par rapport au moule qui permet d'assurer le débit de métal en adéquation avec l'espace libéré dans le moule, on comprend aisément qu'un autre mode de réalisation de l'invention consisterait à paramétrer le basculement du moule en fonction d'une rotation prédéfinie de la louche. Normalement, ce mode de réalisation n'est pas préféré, car le mouvement de basculement du moule est prédéfini pour atteindre la meilleure qualité possible pour les pièces moulées. L'invention est décrite plus en détail ci-après dans son mode de réalisation préférentiel et en référence aux figures représentant schématiquement le procédé de remplissage mis en oeuvre dans la présente invention. La figure 1 représente schématiquement le système de moulage par gravité et moule basculant tel que traditionnellement réalisé. La figure 2 représente schématiquement le procédé correspondant à la présente invention dans son mode de réalisation préférentiel. La figure 3 représente schématiquement la notion de volume libéré pour la coulée dans le moule. La figure 4 représente un exemple de paramétrage de l'asservissement de la rotation de la louche par rapport au basculement du moule, selon le mode de réalisation préférentiel, et dans le cadre la coulée d'une culasse automobile. La technique de moulage par gravité et moule basculant permet la réalisation de pièces complexes. On comprendra aisément que les figures 1 à 3 sont des représentations très schématiques, en particulier en ce qui concerne le moule qui peut présenter une géométrie intérieure comportant de multiples recoins constituant autant de volumes élémentaires complexes. Les systèmes de moulage par gravité et moule basculant traditionnellement utilisés, sont constitués d'un moule 101 et d'un godet intermédiaire 102. Le métal ou l'alliage en fusion est introduit préalablement au remplissage du moule dans le godet intermédiaire 102 par une louche de coulée 103. Le remplissage du moule 101 s'effectue en le basculant d'une position sensiblement horizontale telle que représentée sur la figure 1 à une position sensiblement verticale. C'est ce basculement qui assure la chute du métal en fusion dans le moule. Dans le mode de réalisation de l'invention présenté schématiquement en figure 2, le moule 201 est rempli directement par une louche de coulée 203. On approche d'abord la louche de coulée du moule et on assure l'accostage, c'est-à-dire le positionnement dans une zone prédéfinie, entre le moule en position initiale presque horizontale et la louche de coulée remplie de métal liquide. La louche 203 est ensuite mise en rotation, éventuellement avant même le début du basculement du moule 201, afin de débuter son remplissage. Le moule 201 effectue son mouvement de basculement d'une position sensiblement horizontale à une position sensiblement verticale en passant par un ensemble de positions intermédiaires. La figure 2 représente schématiquement le moule 201 en position intermédiaire, pendant son remplissage par la louche de coulée 203. Au cours de ce remplissage, la louche de coulée 203 est mise en rotation par rapport au moule 201 afin d'ajuster en permanence le débit du métal liquide 204 vers le moule 201 au volume disponible pour la coulée et contrôler la hauteur de chute de ce métal entre le niveau de la surface libre 205 du métal dans la louche et celui de la surface libre du métal 206 dans le moule. La notion de volume disponible dans le moule est explicitée dans la figure 3. La figure 3 représente très schématiquement un moule de fonderie basculant. A un instant donné, le moule peut accueillir une certaine quantité de métal 307, dans le volume compris entre le point le plus bas du moule à cet instant et le niveau du point de versage. Après un certain incrément de temps, le moule est légèrement plus basculé vers sa position horizontale finale. Du fait de ce basculement, le volume à l'intérieur du moule compris entre le point le plus bas du moule et le niveau du point de versage a changé, et a été légèrement augmenté par rapport à l'instant précédent. Le basculement du moule a donc libéré un nouveau volume 307' disponible pour la coulée, défini comme la différence entre le volume à l'intérieur du moule compris entre son point le plus bas et le niveau du point de versage à un instant donné et le volume à l'intérieur du moule compris entre sont point le plus bas et le niveau du point de versage à un instant suivant. Ce volume libéré 307' est donc fonction de l'incrément unitaire de temps, de l'angle de basculement, et de la forme du moule. Ainsi, le volume disponible au début de la coulée correspond au volume 307, puis après un certain incrément temporel au volume 307', puis au volume 307", et ainsi de suite. Pour connaître ces volumes à tout instant du basculement, on effectue préalablement une modélisation, par exemple informatique, de la géométrie ou d'une géométrie simplifiée du moule et des volumes élémentaires issus de cette géométrie. En effet, la géométrie du moule peut comporter de nombreux recoins et volumes complexes. Le mouvement donné à la louche de coulée 203 à tout instant du remplissage du moule vise donc à rendre aussi égaux que possible le volume de métal versé dans le moule et le volume effectivement disponible dans le moule. Le mouvement de la louche 203 est donc asservi selon un certain paramétrage au basculement du moule. Un exemple de paramétrage est présenté sur la figure 4. Il s'agit plus précisément du paramétrage réalisé pour le moulage d'une culasse automobile, selon le mode préférentiel de l'invention tel que décrit précédemment. Le temps s'écoulant lors du remplissage est représenté en abscisse. Le remplissage est ainsi découpé en 18 phases successives sur la figure. La courbe A présentant des triangles représente l'évolution angulaire de la louche de coulée 203 au cours du remplissage par rapport à sa position initiale, c'est-à-dire sa position lors de l'accostage du moule 201. La courbe B présentant des carrés représente l'évolution angulaire du moule 201 au cours de son remplissage et par rapport à sa position initiale, c'est-à-dire la position sensiblement horizontale qu'il présente avant le début de son basculement. La courbe C présentant des losanges représente la masse cumulée de métal transférée de la louche 203 vers le moule 201 au fur et à mesure le l'avancement du remplissage. En ordonnée sont donc représentés d'une part les angles en degrés effectués par la louche 203 et le moule 201 et d'autre part la masse en kilogrammes de métal versé dans le moule 201 par la louche 203. A la phase 1, la louche 203 a accosté le moule 201, ces deux éléments sont à leur position initiale, prêt à débuter le remplissage. Pour l'initier, on pivote la louche 203 avant même de commencer à basculer le moule 201. Ainsi, dans l'exemple de la figure 4, pivote-t-on la louche 203 entre les phases 1 et 2 d'un angle de 20 degrés avant même de commencer à basculer le moule. Le basculement du moule 201 est initié entre les phases 2 et 3, puis entre les phases 3 et 18 on bascule le moule 201 de façon prédéfinie afin de garantir la meilleure qualité de pièce possible. Au cours de ces phases, la rotation de la louche 203 qui assure la coulée est asservie au basculement du moule 201 afin de rendre sensiblement égaux à tout instant le volume disponible 307 dans le moule 201 et le volume de métal versé par la louche 203. Ceci se fait par des variations de la vitesse de rotation de la louche 203 lors du remplissage, on voit par exemple une certaine accélération de la rotation de la louche 203 entre les phases 7 et 8 puis un ralentissement à partir de la phase 14. Ces variations sont évidemment dépendantes de la géométrie du moule 201 et ne sont présentés en figure 4 qu'à titre d'exemple. La solution ainsi développée, en plus de la résolution du problème exposé, apporte un certain nombre d'avantages supplémentaires vis-à-vis des systèmes communément utilisés. La suppression du godet intermédiaire permet d'éviter tout phénomène d'oxydation ou de pollution du métal lors du remplissage de celui-ci. Elle évite également les surcoûts liés aux moyens traditionnellement mis en oeuvre pour maintenir la température du métal dans le godet intermédiaire (isolation ou chauffage pouvant représenter jusqu'à 10 pourcents des coûts énergétiques du procédé). Enfin, elle simplifie le procédé en supprimant la récupération et le recyclage des peaux d'oxydes qui se forment en surface dans le godet intermédiaire.25 Revendications : 1. Procédé de remplissage d'un moule de fonderie (201) dans lequel on bascule progressivement le moule (201) lors de son remplissage par un moyen verseur (203) assurant la coulée d'un produit en fusion dans le moule, caractérisé en ce qu'on donne au moyen verseur (203) un mouvement asservi à tout instant à l'état de basculement du moule (201), mouvement qui tend à égaliser le volume disponible dans le moule (201) entre deux instants du remplissage et le volume de produit versé par le moyen verseur (203) dans le moule entre ces deux instants. 2. Procédé de remplissage d'un moule de fonderie (201) selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on remplit le moule de métal ou d'alliage métallique en fusion. 3. Procédé de remplissage d'un moule de fonderie (201) selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il est employé pour l'obtention de culasse de moteur à combustion interne. 20 4. Procédé de remplissage d'un moule de fonderie (201) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on modélise préalablement une géométrie simplifiée du moule et des volumes internes du moule résultants de cette géométrie afin de connaître à tout instant le volume (307) disponible pour la coulée dans le moule du fait de 25 son basculement. 5. Procédé de remplissage d'un moule de fonderie (201) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on pivote le moyen verseur (203) par rapport au moule (201). 11 30 6. Procédé de remplissage d'un moule basculant de fonderie (201) selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on translate le moyen verseur (203) par rapport au moule (201). 7. Procédé de remplissage d'un moule basculant de fonderie (201) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'on modélise une géométrie simplifiée du moyen verseur et des volumes internes du moyen verseur résultants de cette géométrie afin de connaître le volume déversé par le moyen verseur (203) en fonction de son mouvement. 8. Dispositif constitué d'un moule de fonderie basculant (201) et d'un moyen verseur (203) assurant le remplissage du moule (201) caractérisé en ce qu'il comporte un moyen d'asservissement entre le basculement du moule (201) et le mouvement du moyen verseur (203). 9. Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que le moyen verseur (203) est un godet lié au moule. 10. Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que le moyen verseur (203) est une louche de coulée amenant le produit en fusion et s'accostant directement dans la zone prédéfinie du moule par laquelle le remplissage est effectué. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le moyen d'asservissement du mouvement du moyen verseur (203) au mouvement de basculement du moule (201) est mécanique 13 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le moyen d'asservissement mécanique du mouvement du moyen verseur (203) au mouvement de basculement du moule (201) est un système à cames. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 10 caractérisé en ce que le moyen verseur (203) est mis en mouvement par un automate programmable pilotant un robot.