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WO 2015/128286 PCT/EP2015/053722
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REALISATION DE FENTES EN SURFACE DE NOYAU
Domaine de l'invention
La présente invention concerne le domaine de la fonderie et la coulée de
pièces de fonderie en alliage d'aluminium.
L'invention concerne plus particulièrement un noyau de fonderie pour la
coulée de pièces en alliage d'aluminium dans un moule. Les noyaux concernés
sont
notamment constitués d'un mélange de sable et de liant.
Arrière-plan technologique
Le noyau de fonderie constitue une partie du moule servant à réaliser une
pièce en métal et en particulier en alliage d'aluminium.
Le noyau est généralement composé d'un mélange de grains de sable et de
liant. Le noyau de fonderie permet la création d'évidements intérieurs d'une
pièce.
Il est donc tout ou en partie immergé dans le métal fondu.
Lorsqu'un noyau est entouré d'un alliage d'aluminium fondu, les
phénomènes de dilatation de l'air, d'évaporation des solvants des liants et de
leur
combustion liés à l'augmentation de la température font augmenter la pression
dans le noyau. Cette augmentation de pression s'accompagne d'une génération de
gaz à l'intérieur du noyau. Les gaz ainsi générés sont le plus souvent évacués
vers
l'extérieur du noyau grâce à la porosité du noyau qui permet la circulation
des gaz.
Les gaz s'échappant du noyau sont ainsi injectés dans le métal fondu qui
entoure ce dernier, lorsque la pression dans le noyau dépasse la pression
métallo-
statique (liée à la hauteur de métal au-dessus du noyau). Ce phénomène de
dégagement gazeux engendre dans le métal fondu la présence de bulles qui
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laissent des trous dans le métal après solidification. Ce défaut fragilise la
pièce et
compromet ses qualités.
Même si les bulles parviennent à sortir de la pièce coulée, les dégagements
gazeux peuvent laisser dans le métal solidifié des traces de leur passage et
sont
potentiellement responsables d'une toile d'aluminium poreuse ou encore d'une
zone d'amorce de propagation de fissure.
Par ailleurs, des traces de dégagements gazeux peuvent apparaître bien que
la limite de pression métallo-statique ne soit pas tout à fait atteinte par la
pression
à l'intérieur du noyau.
On a proposé des solutions pour tenter d'éviter ces inconvénients.
On a ainsi essayé d'augmenter la taille moyenne des grains du sable dans le
noyau, afin d'augmenter la perméabilité du sable et de favoriser l'évacuation
des
gaz vers l'extérieur du noyau par les parties du noyau qui ne sont pas
recouvertes
d'aluminium (en pratique, les portées du noyau).
Mais cette technique fragilise les noyaux du fait de la diminution du nombre
de ponts de résine entre les grains.
Par ailleurs, l'utilisation de gros grains pour les noyaux change également
l'état de surface de la pièce réalisée à tel point que la rugosité mesurée sur
les
surfaces de la pièce peut compromettre leur qualité. Enfin, cette solution
implique
de gérer plusieurs tailles de grains de sable dans une usine, ce qui constitue
un
inconvénient supplémentaire.
Une autre tentative connue consiste à ajouter des formes de contact entre le
noyau immergé dans le métal liquide et l'extérieur du moule. L'évacuation des
gaz
générés dans le noyau peut alors se faire par ces formes qui servent de
cheminées
d'évacuation.
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Cette technique est très répandue mais requiert différentes opérations
supplémentaires contraignantes sur les pièces coulées pour reboucher les vides
laissés par ces formes : usinage de la pièce, ajout d'un ou de plusieurs
bouchons
( plug ) pour reboucher la forme ayant permis l'évacuation et mise en place
d'un
système de contrôle de l'étanchéité.
Il est également connu de pratiquer dans le noyau des conduits fermés
d'aspiration des gaz destinés à être mis en dépression, pour aspirer les gaz
générés
dans le noyau et les évacuer vers l'extérieur du moule. La dépression dans le
conduit est généralement générée par une aspiration de type Venturi.
Cette configuration est délicate à mettre en oeuvre et sa configuration
nécessite un contrôle permanent, ce qui constitue un inconvénient en soi. En
particulier, ce type de système doit aspirer suffisamment pour éviter le
problème
de dégagements gazeux mais ne pas aspirer trop fort pour éviter l'aspiration
de
métal dans le noyau.
Par ailleurs, la forme des noyaux est souvent inadaptée à leur utilisation.
Leur gestion et leur maintenance représentent des complications d'ordre
technique et économique.
Il apparait ainsi que les différentes tentatives visant à résoudre le problème
de dégagement gazeux de noyaux sont toutes exposées à des limitations.
Le but de l'invention est de s'affranchir de ces limitations.
Résumé de l'invention
L'invention propose ainsi un noyau de fonderie pour la coulée de pièces en
alliage
d'aluminium dans un moule, le noyau comportant une partie moulante, destinée à
être en contact avec le métal fondu, et au moins une partie non-moulante,
destinée à être située hors du métal fondu, le noyau comportant au moins une
fente en surface du noyau et la fente s'étendant de la partie moulante à au
moins
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une partie non-moulante pour permettre l'évacuation des gaz générés dans la
partie moulante du noyau lors de la coulée hors de la partie moulante.
L'invention propose ainsi une alternative simplifiée aux techniques de l'art
antérieur en réalisant des fentes en surface de noyaux. Ces fentes créent un
espace qui permet d'évacuer les gaz générés dans le noyau, et dans le même
temps les fentes sont assez fines pour empêcher l'alliage d'aluminium de
pénétrer
en leur sein. En dessinant un chemin préférentiel d'évacuation des gaz vers
les
parties non moulantes du noyau, hors du métal fondu (typiquement les portées),
ces fentes permettent d'évacuer les gaz qui peuvent être générés dans le
noyau,
sans impliquer les inconvénients mentionnés ci-dessus.
D'une façon avantageuse, l'invention propose aussi les caractéristiques
suivantes prises seules ou en combinaison :
- la ou les parties non-moulantes sont des portées, adaptées pour maintenir
le noyau en position à l'intérieur du moule ;
- les fentes ont une largeur adaptée pour empêcher l'alliage d'aluminium
fondu de pénétrer à l'intérieur de ladite fente ;
- les fentes en surface ont une largeur inférieure à lmm et de préférence à
0,2mm ;
- les fentes ont un profil géométrique rectangulaire, en U ou en V;
- les fentes ont une profondeur moyenne comprise entre 0,2 et 2mm, pour
permettre au gaz générés dans la partie moulante du noyau de circuler
dans les fentes ;
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- les fentes sont réalisées au laser ;
- les fentes sont réalisées par un outillage avec des reliefs en forme de
lames.
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L'invention propose aussi un moule adapté pour la coulée de pièces de
fonderie, comprenant un noyau tel que décrit précédemment.
Le moule peut comprendre en outre un système d'aspiration adapté pour
aspirer dans les fentes les gaz générés, l'aspiration se faisant au niveau des
zones
non moulantes.
L'invention propose aussi un procédé de fabrication d'un noyau tel que
décrit précédemment, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de gravure
desdites fentes sur la surface du noyau à l'aide d'un laser.
L'invention propose aussi un procédé de fabrication d'une pièce en alliage
d'aluminium par coulée de métal fondu au moyen d'un moule précédemment
décrit.
Enfin l'invention propose une culasse pour automobile obtenue par un
procédé de fabrication d'une pièce précédemment décrit, ainsi qu'un bloc
moteur
pour automobile.
Présentation des figures
La figure la représente un noyau conforme à l'invention immergé dans un
alliage d'aluminium fondu.
La figure lb représente un grossissement du noyau de la figure la.
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La figure 2a représente un schéma en élévation latérale en coupe d'un
moule et d'un noyau tel que défini dans l'invention, dont la partie moulante
est
immergée dans le métal fondu.
La figure 2b représente le noyau de la figure 2a vu du dessus, sans le moule.
La figure 3a représente une représentation plus précise d'un noyau
conforme à l'invention.
La figure 3b représente une vue en coupe, selon le plan [AA'] de la figure 3a
du noyau tel que défini dans l'invention.
La figure 4a illustre différents profils de fentes (échelles non forcément
respectées).
La figure 4b représente différents types de fentes avec les bavures de métal
fondu pénétrant à l'intérieur de ces fentes (échelles non forcément
respectées).
La figure 5 représente un schéma simplifié d'une vue du dessus de la surface
du noyau immergé dans le métal fondu, au sein d'un moule, avec une circulation
possibles (flèches) dans les fentes des gaz générés dans le noyau.
La figure 6 représente l'évolution du dégagement gazeux en fonction du
nombre de fentes.
Description détaillée d'un mode de réalisation au moins
En relation avec les figures la, lb, 2a, 2b, 3a, 3b un noyau 10 conforme à
l'invention est décrit.
Le noyau 10 est adapté pour la coulée de pièces de fonderie dans un moule 20.
Ces
pièces de fonderie coulées sont faites en alliage d'aluminium et sont
typiquement
destinées à l'industrie automobile. Typiquement, ces pièces coulées sont
destinées
à être des blocs moteurs ou des culasses.
Le noyau 10 comprend une partie moulante 11 qui est destinée à être en contact
avec l'alliage d'aluminium fondu 30.
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Le noyau 10 comprend aussi une partie non moulante 12a, destinée à être située
hors de l'alliage d'aluminium fondu 30. De façon générale, un noyau 10
comporte
plusieurs parties non-moulantes 12a séparées notamment par la partie moulante
11.
Le noyau 10 est placé à l'intérieur du moule 20 et y est maintenu immobile
grâce
aux portées 12b, qui sont généralement des parties non moulantes 12a (voir
figure
2a). Généralement, le moule 20 comprend une semelle 21, qui constitue le fond
du
moule 20, et au moins un tiroir 22 mobile, qui constitue une paroi latérale du
moule 20 lorsque ledit tiroir 22 est fermé. La semelle 21 et les tiroirs 22
permettent de réaliser les formes extérieures des pièces coulées.
Les tiroirs 22 sont par ailleurs adaptés pour immobiliser le noyau 10. Les
portées
12b sont à cet effet en contact avec lesdits tiroirs 22.
Le noyau 10 comprend au moins une fente 13 située en surface du noyau 10. La
fente 13 s'étend de la partie moulante 11 à au moins une partie non-moulante
12a
et permet ainsi de créer un chemin préférentiel d'évacuation des gaz générés
pour
évacuer les gaz générés dans la partie moulante 11 hors de ladite partie
moulante
11 et, préférablement, hors des parties non moulantes 12a ensuite (voir
figures
2a, 2b, 3a, 3b).
La fonction principale de la fente 13 située en surface du noyau 10, et qui
s'étend
de la partie moulante 11 à au moins une partie non-moulante 12a, est ainsi de
créer un chemin préférentiel d'évacuation des gaz générés pour évacuer les gaz
générés dans la partie moulante 11 hors de ladite partie moulante 11. Ces gaz
pourront ainsi être évacués à distance de la partie du noyau 10 qui moulera
effectivement la pièce à fabriquer. Ils pourront s'accumuler au niveau des
parties
non moulantes 12, ou être évacués hors de ces parties 12 si la fente 13 est
mise en
contact avec l'air libre.
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Chaque fente 13 est constituée d'un sillon qui relie la partie moulante 11 à
une
partie non moulante 12a. D'une façon préférentielle, étant donnée la structure
des
noyaux 10 dont la partie moulante 11 est reliée à deux parties non moulantes
12a
distinctes, la fente 13 relie les deux parties non moulantes 12a en traversant
la
partie moulante 11.
Propriétés géométriques de fentes
En rapport avec la figure 4a (donnée à titre illustratif, sans échelle), le
profil des
fentes 13 est préférablement rectangulaire, en U ou en V. Ces formes offrent
un
bon compromis entre la simplicité de fabrication et l'efficacité, c'est-à-dire
la
capacité des gaz générés à circuler et être drainés. Un profil s'élargissant à
mesure
que l'on s'éloigne de la surface du noyau 10, de type trapézoïdal par exemple,
permet de faciliter la circulation et le drainage des gaz générés tout en
empêchant
l'alliage d'aluminium fondu 30 de pénétrer à l'intérieur de la fente 13.
D'autres
profils sont également envisageables.
D'une façon générale, les dimensions des fentes obéissent à des contraintes
liées
au métal fondu et aux gaz générés. Il s'agit d'optimiser le volume de la fente
13.
Les fentes 13 ont ainsi une largeur 13a telle que l'alliage d'aluminium fondu
30 ne
crée pas à la surface de la pièce des bavures 31 apparentes après
refroidissement
(voir figure 4b). Pour cela, il faut soit que l'alliage d'aluminium fondu 3 ne
pénètre
pas à l'intérieur des fentes 13 soit qu'il pénètre d'une distance donnée
inférieure à
un critère de qualité défini par un cahier des charges. Typiquement, il faut
que
l'impact sur l'état de surface de l'alliage d'aluminium soit nul ou que la
valeur de la
rugosité de la pièce coulée soit inchangée avec et sans fentes 13. Il s'agit
d'optimiser la largeur 13a pour maximiser le drainage des gaz générés et
minimiser
les bavures 31. L'optimisation de cette largeur 13a permet de faciliter
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l'optimisation du volume de la fente 13, particulièrement dans le cas de
profils
géométriques assez simples. La largeur 13a est une largeur utile, c'est-à-dire
qu'elle se mesure au niveau de la surface (voir les largeurs 13a sur la figure
4b).
La largeur 13a est notamment fonction des types d'alliage d'aluminium
utilisés.
Typiquement, la largeur des fentes 13a est inférieure à 1 mm et, d'une façon
préférentielle, inférieure ou égale à 0,2 mm.
Néanmoins, l'homme du métier pourra adapter la largeur 13a des fentes 13 pour
obtenir les résultats mentionnés précédemment.
La figure 4b (donnée à titre illustratif, sans échelle) illustre différents
profils de
bavures 31 obtenues pour des largeurs 13a différentes de la fente 13.
Les fentes 13 ont une profondeur moyenne 13b telle que les gaz générés peuvent
circuler à l'intérieur des fentes 13. La profondeur 13b des fentes 13 n'a
théoriquement pas d'influence pour les bavures 31 mais la complexité, le coût
et la
fragilité du noyau, entre autres, augmentent avec la profondeur 13b.
Sur le principe, il s'agit d'optimiser le volume de la fente 13, à largeur de
fente 13a
constante, pour maximiser le drainage des gaz générés, minimiser les
complications de fabrication des fentes 13 et limiter la fragilité du noyau
10. Dans
le cas de profils géométriques assez simples, cette optimisation de volume
revient
à optimiser la profondeur moyenne 13b.
Une valeur de profondeur 13b supérieure à 0,2 mm permet en pratique que les
gaz générés dans la partie moulante 12a puissent circuler à l'intérieur
desdites
fentes 13. D'une façon préférentielle et pour les raisons citées ci-dessus, la
profondeur 13b est supérieure à 0,2 mm et inférieure à 2 mm.
Le trajet des fentes 13 est tracé de manière à drainer le plus de gaz générés
possible en offrant un chemin préférentiel de circulation des gaz générés.
Pour
cela, le plan de traçage est optimisé de manière à favoriser la circulation et
le
drainage des gaz générés pour limiter au maximum la pression due auxdits gaz.
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Un plan de traçage avantageux peut ainsi par exemple consister à laisser le
moins
de zones de la partie moulante 11 sans fentes 13, c'est-à-dire à garantir
qu'aucun
point de la surface de la partie moulante 11 du noyau 13 ne se trouve à une
distance supérieure à une valeur limite donnée, par rapport à la fente 13 la
plus
5 proche. Dans le cas de plusieurs fentes 13, l'espacement minimal et/ou
maximal
entre les fentes 13 peut être déterminé.
Les fentes 13 sont tracées préférablement en maximisant les rayons de
courbures
et en limitant les angles, à plus fortes raisons les angles aigüs, pour
faciliter la
circulation et le drainage des gaz générés (figure 3a).
10 Selon un mode de réalisation comprenant au moins deux fentes 13,
lesdites fentes
13 ne se croisent pas, afin de maximiser la surface couverte pour une longueur
totale de fentes 13 donnée.
Selon un autre mode de réalisation comprenant au moins deux fentes 13,
lesdites
fentes 13 se croisent pour offrir une alternative de circulation et un
meilleur
drainage des gaz générés (figure 2b).
Les parties non-moulantes 12a sont avantageusement des portées 12b puisque les
portées 12b font déjà office de parties non-moulantes 12a.
Néanmoins, il est envisageable de créer un noyau 10 particulier dans lequel
les
parties non moulantes 12a ne sont pas des portées 12b et présentent une
structure favorisant la circulation des gaz générés, par exemple une structure
ramifiée.
Evacuation des gaz générés
Les parties non moulantes 12a qui reçoivent les fentes 13 comprennent des
moyens 40 adaptés pour permettre l'évacuation des gaz générés dans la partie
moulante 11 (figure 2a). Ces moyens 40 peuvent être réalisés de différentes
façons.
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En particulier, les moyens 40 peuvent consister simplement en une connexion
fluidique 41 entre des fentes 13 des parties non moulantes 12a et un certain
volume d'air sous pression inférieure à la pression des gaz générés à évacuer
(typiquement cette pression est la pression atmosphérique), ledit volume étant
typiquement largement supérieur au volume de gaz générés. Dans le cas du moule
20 à semelle 21 et tiroirs 22, un percement ou une ouverture 42 dans le tiroir
22
permet ladite connexion 41 entre des fentes 13 des parties non moulantes 12a
(ici
typiquement des portées 12b) avec le volume d'air.
Alternativement, les dispositifs 40 comprennent en outre un système
d'aspiration
43 pour favoriser la circulation et le drainage des gaz générés dans les
fentes 13
(figure 5)
Réalisation des fentes
Les fentes 13 sont préférablement obtenues par un laser 50. Cette technique
est
peu invasive et permet une bonne précision dans la réalisation malgré des
formes
de noyaux 10 complexes.
Il est aussi possible de réaliser ces fentes 13 à l'aide d'un outillage
spécialisé. Cet
outillage spécialisé peut consister en un appareil avec des reliefs en forme
de
lames (les fentes 13 dont le profil est en V sont typiquement obtenues ainsi).
Exemple d'utilisation
Dans un exemple, le noyau 10 est installé dans le moule 20 et fixé aux tiroirs
22 du
moule 20 par les portées 12b. L'alliage d'aluminium fondu 30 est versé à
l'intérieur
du moule 20 et entoure la partie moulante 11 du noyau 10. La chaleur provoque
une génération de gaz à l'intérieur du noyau 10. Ces gaz circulent alors
préférentiellement par les fentes 13 et sont drainés vers les parties non
moulantes
12a (figure 4), pour être ensuite évacués par les moyens d'évacuation 40. Il
n'y a
ainsi pas de traces de dégagements gazeux dans la pièce. En choisissant la
largeur
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13a des fentes de manière adaptée, on évite en outre les bavures 31 sur la
pièce
refroidie.
Résultat et comparaison
L'utilisation des fentes 13 en surface de noyau 10 permet de faire diminuer la
pression due aux gaz générés à l'intérieur du noyau 10 en permettant aux gaz
générés de circuler et d'être drainés hors de la partie moulante 11 via un
chemin
de circulation préférentiel.
La figure 6 illustre ainsi des résultats obtenus.
Un comparatif est effectué entre un noyau dit éprouvette de référence
(éprouvette sans fente 13 en surface) et une série de noyaux éprouvettes
dite
test, chaque éprouvette de cette série comportant sur sa surface un nombre
différent de fentes 13 de largeur 13a de 0,2 mm.
Toutes les éprouvettes (y compris l'éprouvette référence) ont, en dehors des
possibles fentes 13, la même géométrie générale, et elles sont constituées du
même matériau.
A l'aide d'un manomètre, on observe :
- pour l'éprouvette de la série test qui comprend une fente 13 une
diminution des dégagements gazeux de 22% par rapport à l'éprouvette
référence,
- pour l'éprouvette de la série test qui comprend deux fentes 13 : une
diminution de 40%,
- et pour l'éprouvette de la série test qui comprend seize fentes 13 : une
diminution de 46%.
