Brevet FR2911522A1 — publié le 20080725

CHAINE DE PRODUCTION AUTOMATISEE DE PIECES METALLIQUES ET PROCEDE DE MOULAGE L'invention concerne un nouveau concept de ligne de production automatisée de pièces métalliques, notamment par coulée gravitaire. Les lignes de production automatisées de pièces métalliques par coulée gravitaire de l'état de la technique 10 comprennent . - un ensemble de machines destinées à préparer les moules (coquilles, noyaux) ; - des fours de fusion et/ou de maintien du métal liquide ; 15 - un chantier de coulée dont la fonction est de verser le métal liquide dans les moules, et, lorsque la pièce est solidifiée, à l'extraire de son moule ; - diverses installations en aval (refroidissement, débourrage des noyaux, démasselotage etc.) en fonction du 20 type de pièce produite et du niveau de finition souhaité. Le brevet européen EP1626830 décrit une chaîne de coulée de l'art antérieur, organisée autour d'un carrousel, comprenant typiquement de 4 à 8 postes. La rotation du carrousel permet de transporter chaque moule entre les 25 différents postes successifs. Cette chaîne de production commande le déplacement continuel de la production réalisée de pièces moulées d'une masse fondue métallique, en particulier, d'une masse fondue en métal léger, entre plusieurs unités fonctionnelles, parmi lesquelles se 30 trouve . - une unité de production de noyaux et pour la finition de noyaux de coulage, - une unité pour le montage des moules de coulage développés comme paquets de noyaux, - une unité de coulage pour le coulage de la masse fondue de métal dans les moules de coulage, - une unité pour le refroidissement de la masse fondue en métal contenue, - une unité de démoulage pour la séparation destructive du moule de coulage (G) de la pièce moulée (M). Les unités fonctionnelles sont directement unies les unes aux autres par un appareil de transport. La chaîne de production des pièces moulées terminées est raccordée avec un temporisateur avec lequel l'unité de production de noyaux fournit les noyaux de coulage produits par celle-ci. Bien qu'étant adoptée dans la plupart des installations existantes, cette disposition ne répond plus de manière appropriée aux exigences des lignes de production modernes, notamment en termes de flexibilité et d'ergonomie : - la disposition des équipements en arc de cercle autour du carrousel en limite le nombre, ce qui limite la flexibilité de l'installation ; - les possibilités de modulation du temps de cycle en fonction de la pièce produite sont limitées par construction ; - la concentration des équipements autour du carrousel crée une zone extrêmement encombrée qui ne 25 facilite pas les opérations d'entretien. Enfin, la mise en oeuvre du carrousel, dont la partie mobile pèse généralement plus de 30 tonnes, est coûteuse. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant une ligne de production mettant 30 en oeuvre des postes de travail fixes (alors qu'ils étaient mobiles dans la solution carrousel) et à rendre mobiles les robots réalisant les opérations de remmoulage, de coulée et d'extraction (précédemment fixes). Mise en oeuvre de manière adéquate, cette disposition permet de supprimer les inconvénients du carrousel de coulée et d'offrir un outil industriel modulable et flexible. L'invention concerne selon son acception la plus générale une chaîne de production automatisée de pièces métalliques comportant au moins un four de fusion, des équipements de préparation de moules, et des équipements de finition, caractérisé en ce que lesdits équipements de préparation de moules et de finition sont fixes, et en ce que la chaîne de production comprend un premier robot poly- articulé de coulée, pour le transport du métal en fusion depuis le four jusqu'au moule, un second robot poly-articulé de remmoulage pour le transport des noyaux depuis un convoyeur d'amenée jusqu'aux coquilles et un troisième robot poly-articulé d'extraction pour l'extraction des pièces des coquilles après qu'elles sont solidifiées leur transport sur un poste aval. De préférence, la chaîne de production selon l'invention comporte, selon un chemin de déplacement desdits robots, successivement une première zone pour l'implantation d'un ou de plusieurs fours, une deuxième zone pour l'implantation d'une pluralité de postes de moulage, et une troisième zone pour l'implantation d'un ou de plusieurs postes de finition des pièces moulées. Avantageusement, ledit chemin de déplacement des robots est un chemin à voie unique, le premier robot étant mobile entre la zone des fours et le second robot, et le troisième robot étant mobile entre le second robot et la zone des postes de finition. Selon une première variante, ledit chemin de déplacement est linéaire. Selon une deuxième variante, ledit chemin de déplacement est arqué. De préférence, la chaîne de production selon l'invention comprend au moins deux fours chargés avec des métaux de natures différentes. Il permet également d'inclure des opérations manuelles (prélèvement d'échantillons pour contrôle, inspection, maintenance, petites séries) dans des conditions de sécurité et d'ergonomie optimales. La solution conforme à l'invention consiste à utiliser trois robots poly-articulés de type fonderie se déplaçant linéairement (alternativement selon une trajectoire circulaire) au sol. Chaque robot est affecté à une opération particulière : - le premier robot ( coulée ) transporte le métal en fusion depuis les fours de maintien jusqu'aux moules ; - le second robot ( remmoulage ) sert à transporter les noyaux depuis un convoyeur d'amenée jusqu'aux coquilles ; - le troisième robot ( extraction ) sert à extraire les pièces des coquilles après qu'elles sont solidifiées et à les transporter soit sur le tapis de refroidissement soit un poste de traitement intermédiaire (poste de finition, débourreuse) ; il permet également d'assurer le transfert de la pièce depuis lesdits postes de traitement intermédiaire et le tapis de refroidissement. Les robots circulent sur un même rail pour desservir alternativement les différentes machines disposées de part et d'autre de ce rail (alternativement à l'extérieur du cercle formé par le rail), qui sont typiquement au nombre de 6 compte tenu des temps nécessaires à la coulée et à la solidification des pièces. Un nombre différent de machines de coulée est envisageable, de même que l'on peut imaginer toute sorte de configuration géométrique de ces machines en fonction des contraintes d'implantation de la ligne. À l'extrémité du rail peuvent être disposés de un à cinq fours de maintien du métal liquide pour permettre d'utiliser alternativement différentes nuances de métal. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant aux dessins annexés relatifs à des exemples non limitatifs de réalisation où : - la figure 1 représente une vue schématique de la chaîne ; - la figure 2 représente une vue schématique de la chaîne, pendant la phase d'extraction de la pièce moulée ; - la figure 3 représente une vue schématique de la chaîne, pendant la phase de dépose d'une pièce moulée sur un équipement de finition ; - la figure 4 représente une vue schématique de la chaîne, pendant la phase de sortie de la pièce moulée ; - la figure 5 représente une vue schématique de la chaîne, pendant la phase de retour au début d'un nouveau cycle. La figure 1 représente une vue générale de la chaîne de production de pièces métalliques moulées selon l'invention. La chaîne est organisée en trois zones principales : - une première zone (1) d'implantation des fours (8) -une deuxième zone (2) d'implantation des moules - une troisième zone (3) des équipements de finition. Un chemin de déplacement (4) traverse ces trois zones (1 à 3), et permet le déplacement de trois robots (5 à 7) . -un premier robot (5) poly-articulé de coulée, pour le transport du métal en fusion depuis le four jusqu'au moule, - un second robot (6) poly-articulé de remmoulage pour le transport des noyaux depuis un convoyeur d'amenée jusqu'aux coquilles - un troisième robot (7) poly-articulé d'extraction 5 pour l'extraction des pièces des coquilles après qu'elles sont solidifiées leur transport sur un poste aval. Description détaillée de la première zone (1) 10 La première zone (1) est destinée à recevoir un ou plusieurs fours destinés à la mise en fusion du métal destiné au moulage. Il s'agit par exemple d'un four destiné à la préparation d'un bain d'aluminium. Différents moyens de chauffage des fours de fusion sont utilisables : le gaz, le 15 fuel, le coke et l'électricité notamment. De façon connue, le four est composé de matériaux réfractaires permettant de l'isoler du milieu ambiant, et contient un creuset généralement en graphite. Ce creuset est rempli de lingots et de jets, puis 20 porté à une température supérieure à la température de fusion de l'alliage qu'il contient. La régulation de température est effectuée à l'aide de thermocouples placés dans la chambre de chauffe, entre les résistances - dans le cas d'un four électrique - et le creuset. La température de 25 cette chambre est légèrement supérieure à celle du métal contenu dans le creuset. Pour le moulage sable de pièces en aluminium, le creuset n'est pas sorti du four lors de la coulée, mais le métal est prélevé à la louche dans ce dernier, la louche 30 étant commandée par le premier robot (5). Cette première zone (1) comprend également un poste de soufflage des peaux de louche (9), destiné à écrémer la peau d'alumine qui se forme, au contact de l'air, à la surface du métal en fusion contenu dans les louches. On procède, juste avant de couler la pièce, à une opération qui consiste à éloigner cette peau d'alumine du bec de la louche à l'aide d'une spatule en acier. Lorsque le métal est prêt, c'est-à-dire lorsque : - La température de coulée est atteinte et contrôlée (cette température dépend de l'alliage et des formes de la pièce à réaliser), - La composition, notamment la teneur en magnésium, est conforme - Le dégazage a été effectué et contrôlé, le premier robot (5) commande le prélèvement de métal en fusion à l'aide de la louche prévue à l'extrémité du bras articulé. Le premier robot (5) se déplace ensuite jusqu'au poste de moulage (10, 11) correspondant dans la deuxième zone (2). Le robot (5) commande alors le déplacement de la louche au-dessus du moule pour provoquer le remplissage de ce dernier, en une seule fois jusqu'à ce que le métal remonte par les masselottes et affleure la partie supérieure du moule (20 à 25). La taille de la louche est choisie en fonction du poids de la pièce et de ses différents appendices de coulée. L'introduction du métal liquide est principalement due à la pesanteur dans le moulage selon le principe de coulée par gravité. Le remplissage se réalisant sous la seule action du poids du métal, la coquille doit être conçue pour que l'empreinte dans sa totalité soit bien remplie. Description détaillée de la deuxième zone (6) La deuxième zone comprend des postes de moulage (10, 11) et des postes de remmoulage (12 à 15). Les postes de remmoulage (12 à 15) servent à préparer les moules utilisés par les postes de moulage (11, 12). Le moule (20 à 25) comprend un système de remplissage et un système d'alimentation. L'alimentation d'un moule par gravité comporte 3 phases commandées par le premier robot (5). 1 - Première phase : Dosage du métal Une louche de coulée plonge dans le bain d'aluminium et prélève le volume nécessaire au remplissage du moule. 2 - Deuxième phase : Le remplissage de l'empreinte s'effectue par la descente de coulée, le canal d'alimentation et l'attaque. En pénétrant dans le moule le métal chasse l'air par des tirages d'air. 3 - Troisième phase : Le masselottage, qui sert à compenser la contraction du métal de la pièce au moment de la solidification. Afin d'éviter, qu'au moment de cette contraction, des cavités ne se créent, on remplit, au moment de la coulée, des masses nourrissantes ou réserves de métal liquide, appelées masselottes. Le deuxième robot (6) se déplace dans la zone (2), entre les postes de moulage (10, 11) et les postes de remoulage (12 à 15). Sur ces derniers postes sont préparés les noyaux ; structure en matériau de moulage, réalisée indépendamment du moule et donnant après remmoulage (mise en place dans le moule) des reliefs permettant d'obtenir des formes intérieures et extérieures de la pièce brute. La stabilité est assurée par des portées de noyau. Les noyaux peuvent être assemblés entre eux avant 30 remmoulage. Description détaillée de la troisième zone La troisième zone (3) comprend les différents postes de finition . - Le décochage pour séparer la (les) pièce(s) que l'on vient de couler, de leur moule. Il s'agit donc de casser le moule, par exemple sur une table vibrante ou manuellement, avec des instruments tels que des marteaux ou des marteaux burineurs électriques ou pneumatiques. - suppression du sable et recyclage - ébarbage pour à séparer la pièce des différents appendices de coulée, supprimer les traces et bavures éventuelles qui peuvent survenir, notamment au niveau du plan de joint ou de la liaison entre le moule et le(s) noyau(x). - traitements thermiques et/ou chimiques pour améliorer les caractéristiques mécaniques des pièces obtenues en fonderie d'aluminium - sablage pour améliore l'aspect de la pièce, par projection de sable ou de grains de corindon à la surface de la pièce, à l'aide d'air comprimé - usinage (tournage, fraisage, usinages sur centres d'usinage à commande numérique) - peinture ou protection par oxydation anodique (ou anodisation). Fonctionnement dynamique de la chaîne de production Les opérations effectuées par les robots (5 à 7) comprennent trois étapes principales : -extraction de la pièce moulée - remmoulage des noyaux - coulée du métal. Les trois robots mobiles sur un axe linéaire pour les illustrations précédentes, ou sur un axe circulaire pour une illustration des périphériques en étoile poly articulés évoluent dans l'ordre suivant : 1 -Robot poly articulé (5) pour l'extraction de la pièce moulée ensuite 2 -Robot poly articulé (6) pour le remmoulage des noyaux 5 ensuite 3 - Robot poly articulé (7) pour la coulée du métal Robot d'extraction et robot de remmoulage (6) stationnés dans la zone du moule à traiter. 10 Dans un cycle de production, l'enchaînement des opérations est le suivant : - Lors de la phase d'extraction de la pièce moulée (figure 2), le robot de coulée (5) est en attente dans la zone des fours avec la louche de coulée en stationnement au-15 dessus du bain (8). Le robot d'extraction (7) manipule la pièce moulée pour l'extraire du moule (22). - L'étape suivante illustrée par la figure 3 a pour 20 objet la dépose de la pièce moulée au poste de finition et se traduit par l'évolution du robot d'extraction (7) dans la zone de finition (3) pour la dépose du moule à traiter et l'extraction de la pièce coulée. Le deuxième robot (6) de remmoulage se positionne devant le 25 moule à traiter et dépose les noyaux. Parallèlement le premier robot (5) de coulée puise dans le four pour remplir la louche. - L'étape suivante illustrée par la figure 4 a pour objet la dépose de la pièce sur le tapis convoyeur (30). 30 Le robot (6) de remmoulage se déplace vers le poste de changement de préhenseur, suivi par le robot de coulée (5) qui se positionne devant le moule (22) à traiter. Parallèlement le robot d'extraction charge une pièce finalisée (31) sur le tapis à écailles du tunnel de refroidissement. L'étape suivante illustrée par la figure 4 a pour objet le retour du robot (5) vers les fours. Parallèlement le robot d'extraction charge une pièce finie sur le tapis à écailles du tunnel de refroidissement, et le robot de remmoulage, après l'opération de changement de préhenseur, prend une panoplie de noyaux sur le convoyeur de stockage. Ensuite, le robot de coulée (1) revient dans la zone des fours pour procéder au soufflage de la louche, et ensuite au stationnement de la louche au-dessus du bain de fusion. Parallèlement le robot de remmoulage (6), suivi du robot d'extraction viennent se positionner dans la zone du prochain moule à traiter. REVENDICATIONS 1 - Chaîne de production automatisée de pièces métalliques comportant au moins un four de fusion, des équipements de préparation de moules, et des équipements de finition, caractérisée en ce que lesdits équipements de préparation de moules et de finition sont fixes, et en ce que la chaîne de production comprend un premier poly-articulé de coulée, pour four jusqu'au fusion depuis le robot (5) le transport du métal en moule, un second robot (6) poly-articulé de remmoulage pour le transport des noyaux troisième robot (7)poly-articulé l'extraction des pièces des coquilles 15 solidifiées leur transport sur un poste depuis un convoyeur d'amenée jusqu'aux coquilles et un d'extraction pour après qu'elles sont aval. 2 - Chaîne de production selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'il comporte, selon un chemin de déplacement desdits robots, successivement une première zone 20 (1) pour l'implantation d'un ou de plusieurs fours, une deuxième zone (2) pour l'implantation d'une pluralité de postes de moulage, et une troisième zone (3) pour l'implantation d'un ou de plusieurs postes de finition des pièces moulées. 25 3 - Chaîne de production selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit chemin de déplacement des robots est un chemin à voie unique, le premier robot étant mobile entre la zone des fours et le second robot, et le 30 troisième robot étant mobile entre le second robot et la zone des postes de finition. 4 - Chaîne de production selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que ledit chemin de déplacement est linéaire. 5 - Chaîne de production selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que ledit chemin de déplacement est arqué. 6 - Chaîne de production selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'il comprend au moins deux fours chargés avec des métaux de natures différentes. 7 - Procédé de préparation de pièces moulées caractérisé en ce qu'il comprend trois étapes principales d'extraction de la pièce moulée, de remmoulage des noyaux et de coulée du métal, lesdites étapes étant réalisées par trois robots mobiles (5 à 7) entre une zone de fours (1), une zone de moulage (2) et une zone de finition (3).