Brevet FR3036048A1 — publié le 20161118

PROCEDE DE FONDERIE AVEC MOULE PERMANENT pool L'invention se rapporte à une technique de fonderie appelée fonderie avec moule permanent. On comprend sous ce terme la technique de fonderie ayant recours à un moule réutilisable plusieurs fois, le moule étant métallique et le démoulage, une fois le métal coulé dans le moule pour faire une pièce métallique, étant rendu possible par la différence de nature en les deux métaux/entre les deux alliages métalliques. [0002] On peut distinguer plusieurs variantes de cette technique en fonction de la pression à laquelle on coule le métal dans le moule. Ainsi, notamment pour les pièces de fonderie en alliage d'aluminium, on connaît le moulage dit en coquille gravité (les moules étant souvent également désignés sous le terme de « coquilles »), le moulage basse pression en coquille et le moulage sous pression. [0003] Pour constituer des pièces métalliques de formes complexes, et présentant notamment des évidements/cavités ou des zones de contre-dépouille, on a généralement recours à des noyaux. Les noyaux, de façon connue, sont fabriqués par des dispositifs dits boîtes à noyaux, et sont réalisés à base de sable compacté à l'aide de liants de nature organique et/ou minérale. On les dispose dans les moules avant la coulée du métal, de façon à réaliser les évidements intérieurs ou des zones en contre-dépouille de la pièce à mouler correspondant à la forme des noyaux. Les noyaux sont ensuite évacués des moules et retraités/recyclés. [0004] Pour prendre un exemple non limitatif, pour produire une culasse de moteur thermique par la technique de fonderie par moule permanent, on prévoit un ou plusieurs noyaux qui vont contribuer à définir, notamment, les conduits d'écoulement des fluides de refroidissement de la culasse (eau, huile). [0005] II est connu du document US- 6 286 581 un procédé de fabrication de noyaux, consistant à partir d'un bloc de sable compacté sensiblement 3036048 2 parallélépipédique, puis à l'usiner pour lui donner sa forme définitive, notamment en venant le creuser depuis sa face supérieure pour y créer une cavité aux dimensions voulues. Ce creusage est donc utilisé pour définir la forme même du noyau, et est une alternative à la fabrication plus industrielle de noyaux par une 5 boîte à noyaux, venant mouler directement les noyaux à la forme voulue. [0006] II s'est avéré, que, pour certaines formes de pièce à mouler ayant recours à au moins un noyau, des zones de faiblesse mécanique pouvaient se développer, notamment au voisinage des cavités correspondant aux noyaux. [0007] Le but de la présente invention est d'améliorer la tenue mécanique des 10 pièces de fonderie obtenues avec un moule permanent et un ou des noyau(x). mos] L'objet de l'invention est tout d'abord un procédé de fonderie avec moule permanent pour obtenir une pièce métallique, le procédé utilisant un moule dans lequel est placé un noyau à base de matériau solide présentant une température de fusion supérieure à celle du métal de la pièce métallique afin de créer une 15 cavité dans la pièce métallique correspondant à la forme dudit noyau, tel que ledit procédé comporte, après constitution du noyau à la forme appropriée pour créer la cavité voulue dans la pièce métallique et avant introduction du noyau dans le moule, une étape de perçage dudit noyau produisant une ouverture traversante dans le noyau afin de créer dans la cavité de la pièce mécanique un pont de 20 renfort mécanique. [0009] Le matériau solide constitutif du noyau peut, notamment, comprendre un matériau pulvérulent compacté à l'aide d'un ou plusieurs liants. Il peut s'agir de sable compacté, il peut aussi être à base de sel(s) minéral(aux). Il doit résister thermiquement à la coulée du métal (incluant un métal pur ou tout alliage 25 métallique) dont va être constituée la pièce à produire, d'où la condition énoncée sur sa température de fusion. Si, par exemple, on coule de l'aluminium ou un alliage d'aluminium, qui a une température de fusion vers 500 ou 550°C, le noyau est à choisir avec une température de fusion supérieure à 550°C. Le sable compacté est la solution la plus usuelle. 3036048 3 [001 0] Avec l'invention, on vient donc, dans la pièce moulée, créer localement des piliers de renfort mécanique dans les cavités correspondant à la forme du ou des noyaux, aux endroits les plus sollicités mécaniquement une fois la pièce moulée mise en service/utilisée. En effectuant un perçage dans le noyau, le 5 métal, quand il est coulé, vient remplir l'ouverture, et créer le pont en question dans la cavité, qui va rejoindre deux « rives » de ladite cavité. Il s'agit donc bien de renforcer mécaniquement la pièce dans ses zones les plus fragiles mécaniquement, au voisinage des cavités, en perturbant le moins possible la fonctionnalité de ces cavités. L'invention ne vient pas modeler ou remodeler la 10 forme des cavités, qui reste essentiellement définie par celles des noyaux (obtenus de façon industrielle, préférentiellement, par un dispositif dite « boîte à noyaux »), elle vient juste la/les modifier localement pour renforcer la pièce, à leur voisinage. [0011] Le perçage peut être réalisé par tout outillage approprié, piloté et 15 manipulé manuellement ou monté sur un robot piloté automatiquement. [0012] De préférence, le perçage produit une ouverture de section cylindrique. C'est en effet le mode de réalisation le plus simple, et qui constitue des « ponts » également cylindriques qui sont les formes les plus appropriés dans la pièce moulée, à la fois pour son renforcement mécanique et pour leur minimisation de 20 leur impact sur la fonctionnalité de ces cavités. [0013] Avantageusement, le diamètre de perçage est compris entre 1 et 10 mm. [0014] Le perçage peut être réalisé à partir d'une face du noyau. De préférence, dans ce cas, l'angle de perçage est substantiellement perpendiculaire à ladite face, ou est incliné d'un angle différent de 90° per rapport à ladite face. 25 [0015] De préférence, on perce l'ouverture traversante dans une zone correspondant à une zone de contraintes mécaniques dans la pièce métallique. [0016] On peut prévoir, selon l'invention, de produire une pièce moulée avec un ou plusieurs noyaux. Si on a recours à plusieurs noyaux, on peut prévoir de n'en percer qu'un seul ou tous. 3036048 4 [0017] Pour un noyau considéré, on peut percer qu'une seule ouverture ou une pluralité d'ouvertures. Et quand on prévoit une pluralité d'ouverture, on peut envisager de percer deux ouvertures traversantes qui se croisent. On obtient ainsi dans la pièce moulée, une cavité où deux ponts de renfort se croisent pour 5 améliorer encore la tenue mécanique de la zone de bordure de la cavité. [ools] Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la pièce métallique est une culasse de moteur thermique, et le noyau participe à la définition d'un conduit de fluide (notamment de refroidissement) de ladite culasse. On peut avoir recours au même noyau ou à un autre noyau pour définir deux conduits de circulation de 10 fluide distincts (refroidissement), celui qui fait circuler de l'eau et celui qui fait circuler de l'huile. [0019] Pour cet exemple, on peut percer une ouverture traversante dans le noyau pour créer un pont de renforcement mécanique dans le (ou un des au moins) conduit(s) de fluide de refroidissement. 15 [0020] De préférence, le perçage définit une ouverture traversante rectiligne. [0021] L'invention s'applique notamment au procédé de moulage en coquille gravité, au moulage basse pression en coquille, ou encore au moulage sous pression. [0022] L'invention a également pour objet toute pièce métallique obtenue par le 20 procédé décrit précédemment, et qui peut notamment être une culasse d'un moteur thermique avec un conduit de fluide de refroidissement de la culasse comprenant un pont de renforcement mécanique issu du perçage du noyau utilisé. [0023] L'invention a également pour objet tout moteur thermique comprenant la 25 culasse selon la revendication précédente. [0024] L'invention a également pour objet tout véhicule automobile comprenant un tel moteur thermique. 3036048 5 [0025] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit de différents modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples uniquement et en références aux figures qui montrent : 5 - figures la,lb : respectivement une coupe d'une culasse et une vue cavalière d'une partie du noyau ayant été utilisé pour la fabriquer selon un art antérieur; - figures 2a,2b : respectivement une vue en coupe du noyau complet de la figure 1 b et de la culasse de la figure 1 a avec la localisation d'une zone de 10 contraintes mécaniques ; - figures 3a,3b : respectivement une portion du noyau modifié selon l'invention et la modification correspondante dans la culasse selon l'invention ; - figure 4 : une variante de la figure 3b. [0026] II est proposé un procédé de fonderie utilisant un moule permanent et un 15 noyau pour produire une culasse de moteur thermique. On ne rappellera pas en détails cette technique, bien connue en soi. [0027] La figure 1 a représente une culasse de moteur thermique 1 présentant des cavités 2 réalisées lors du procédé de fonderie dans le moule M à l'aide d'un noyau dont une vue partielle est représentée en figure 1 b. La ligne en pointillés L 20 reliant les deux figures permet d'indiquer, à titre illustratif, à quelle zone du noyau 3 correspond la cavité 2 créée dans la culasse 1 lors du moulage. [0028] La figure 2a représente le noyau 3 en sable compacté par un liant, avant son introduction dans le moule M, en vue en élévation. On voit qu'il présente une forme allongée, présentant une face supérieure 3a et une face inférieure (non 25 visible à la figure), aux contours approximativement inscrits dans un rectangle et délimitant un certain nombre de cavités 2, de formes, de tailles différentes. Chaque cavité présente une fonctionnalité spécifique dans la culasse une fois terminée. Ainsi la flèche F indique la zone du noyau qui va correspondre à une 3036048 6 zone dans la culasse à la figure 2b : le cercle en pointillés C à la figure 2b délimite une zone entourant une cavité en forme de portion de conduite (pour constituer un circuit de fluide de refroidissement), zone qui est très sollicitée mécaniquement. La sollicitation mécanique prend également en compte la 5 sollicitation thermique de la culasse. [0029] On utilise les termes de face « inférieure » et « supérieure », car généralement le traitement du noyau selon l'invention détaillé plus loin se fait avec le noyau dans la configuration représentée à la figure. Ces termes spatiaux sont indiqués par soucis de concision et de clarté, car c'est la configuration la plus 10 fréquente, mais l'invention doit se comprendre comme prévoyant le traitement d'un noyau quelle que soit sa position spatiale, lors du perçage décrit plus loin. Sa position spatiale, une fois dans sa configuration dans le moule lors de la coulée de la pièce, peut également varier. [0030] L'invention a alors proposé d'améliorer la tenue mécanique des culasses 15 2dans ce type de zone à fortes contraintes mécaniques, comme représenté aux figures 3a et 3b : La figure 3a est similaire à la figure 1 b, en représentant une vue partielle d'un noyau modifié 3' selon l'invention. La modification, toutes choses égales par ailleurs, a consisté à percer le noyau dans la zone 4. Le perçage est effectué par un outillage de façon à faire, depuis la face supérieure 3'a du noyau 20 3', une ouverture traversante de section cylindrique sensiblement perpendiculairement à ladite face supérieure 3'a. Cette ouverture va correspondre, dans la culasse, à un « pont » de section également cylindrique 5 qui relie ici deux bords opposés de la cavité en forme de portion de conduite 2. Ce pont 5 renforce mécaniquement les bords de la cavité, sans apporter de 25 modification/ de perturbation significative dans la fonctionnalité de cette cavité. Ici, elle est utilisée pour faire circuler un fluide de refroidissement (eau ou huile), et ce pont ne vient diminuer que de très peu et très localement la section du conduit, le fluide continuant à pouvoir circuler sans problème. [0031] Selon la taille de la cavité dans la culasse, selon la zone de la culasse au voisinage d'une cavité qui a pu être identifiée comme sous fortes contraintes 3036048 7 mécaniques, l'invention prévoit d'ajouter, quand cela est nécessaire, ce type de pont venant « enjamber » la cavité pour en renforcer les bords : chaque pont correspond, dans le noyau, à un perçage correspondant. [0032] La figure 4 est un autre mode de réalisation par rapport à la figure 3. Ici, la 5 culasse 1' est munie, dans chacune des trois cavités représentées, de plusieurs ponts. [0033] Dans la cavité 2a, sont prévus deux ponts 5a et 5b. Si on considère que la cavité 2a définit un conduit de section sensiblement cylindrique ou ovale, on voit que les ponts sont disposés à une certaine distance l'un de l'autre dans le sens 10 d'écoulement du fluide dans le conduit représenté par la flèche f. Ils correspondent à deux perçages distincts dans le noyau, l'un ayant été effectué selon un axe de perçage sensiblement perpendiculaire à la face supérieure du noyau, comme dans le cas de la figure 3b, et l'autre correspondant à un deuxième perçage selon un axe incliné par rapport au premier. 15 [0034] La cavité 2b est munie également de deux ponts 5c et 5d, qui, ici, se croisent approximativement en leur milieu. Ils correspondent donc à deux autres perçages dans le noyau, faits cette fois ci selon des axes de perçage sensiblement perpendiculaires l'un à l'autre. On a donc ici deux ponts pour étayer mécaniquement la cavité 2b, qui définit un volume nettement plus grand que la 20 cavité 2a, et dont les bordures sont très sollicitées mécaniquement [0035] La configuration est analogue pour la troisième cavité 2c, avec deux ponts également 2 e et 2f, qui se croisent également, mais pas à 90°. [0036] A noter que, dans la configuration des cavités 2b et 2c , il est également possible, selon une variante, que les deux ponts ne se croisent pas, en étant dans 25 des plans différents. [0037] Les perçages peuvent se faire par un opérateur, une fois le noyau positionné de façon stable, à l'aide d'un outil de perçage. Ils peuvent aussi être réalisés par des robots pilotés par des moyens électroniques/informatiques ou humains. 3036048 8 [0038] Les perçages peuvent, sur un même noyau, créer une pluralité d'ouvertures différentes, en dimension (longueur de l'ouverture, section), en configuration (des perçages voisins, croisés, selon un même axe de perçage ou non), selon les besoins. 5 [0039] A noter que l'invention peut aussi prévoir des ponts dans une cavité non entièrement située dans la pièce, mais plutôt en périphérie de celle-ci et, correspondant à, par exemple, une échancrure 6 à la figure 3b. [0040] Si ces perçages nécessitent une étape intermédiaire de plus entre la fabrication des noyaux par une boîte à noyaux et leur introduction dans le moule, 10 en revanche, ils ne nécessitent aucune modification dans le moule, ni dans la fabrication du noyau elle-même, et sont aisés à réaliser et à adapter au mieux à chaque type de pièce métallique à produire, et selon ses sollicitations mécaniques, en fonction de son utilisation. [0041] II est aussi important de noter que l'invention apporte une solution 15 intéressante pour les moteurs thermiques que l'on cherche à rendre de plus en plus compacts, avec des problématiques nouvelles de tenue mécanique liées à cette réduction de taille des moteurs en maintenant leurs performances. [0042] L'invention s'applique de façon analogue à toute pièce de fonderie utilisée dans les groupes moto-propulseurs, notamment pour équiper les véhicules 20 automobiles. Elle s'applique ainsi également, outre les culasses, à des supports de moteur, ou à des collecteurs d'échappement. REVENDICATIONS1. Procédé de fonderie avec moule permanent (M) pour obtenir une pièce métallique (1'), le procédé utilisant un moule (M) dans lequel est placé un noyau (3') à base de matériau solide présentant une température de fusion supérieure à celle du métal de la pièce métallique, afin de créer une cavité (2, 2a,2b,2c) dans la pièce métallique (1') correspondant à la forme dudit noyau, caractérisé en ce que ledit procédé comporte, après constitution du noyau (3') à la forme appropriée pour créer la cavité voulue dans la pièce métallique (1') et avant introduction du noyau dans le moule, une étape de perçage dudit noyau produisant une ouverture traversante (4) dans le noyau afin de créer dans la cavité de la pièce mécanique un pont (5,5a,5b,5c,5d, 5 e,5f) de renfort mécanique. 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le perçage produit une ouverture (4) de section cylindriqùe. 3. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le diamètre de perçage est compris entre 1 et 10 mm. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le perçage est réalisé à partir d'une face (3'a) du noyau (3') et en ce que l'angle de perçage est substantiellement perpendiculaire à ladite face, ou est incliné d'un angle différent de 90° par rapport à ladite face. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on perce l'ouverture (4) traversante dans une zone correspondant à une zone de contraintes mécaniques dans la pièce métallique (1'). 6. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'on perce deux ouvertures traversantes (2c,2d ; 2 e, 2f) qui se croisent. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce métallique (1') est une culasse de moteur thermique, et en ce que le noyau (3') participe à la définition d'un conduit de fluide de refroidissement de ladite culasse. 3036048 10 8. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'on perce une ouverture traversante (4) dans le noyau (3') pour créer un pont de renforcement mécanique (5,5a,5b,5c,5d, 5 e,5f) dans le conduit de fluide de refroidissement. 5 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le perçage définit une ouverture traversante (4) rectiligne. 10. Application du procédé selon l'une des revendications précédentes à la fabrication de pièces de fonderie de groupe moto-propulseur, notamment culasse de moteur, support moteur et collecteur d'échappement.