Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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La presente invention est relative à une machine et un procédé
de moulage sous pression de pièces métalliques, notamment, en
alliages d'aluminium et de lithium ou en alliages de magné-
sium, lesdits alliages contenant éventuellement des fibres en
céramiques.
L'homme de l'art du moulage en moule permanent connait bien les procédés
de moulage 80U8 pression de pièce6 métalliques mettant en oeuvre
notamment des machines à chambre froide dans lesquelles un alliage
~ l'état liquide, placé dans un conteneur solidaire d'un moule, est
poussé par un piston dans une empreinte en un temps relativement court.
L'exercice d'une pression pouvant tépasser 102 MPa assure ensuite
l'alimentation de la pièce en alliage liquide pendant sa solidification.
De tels procédés permettent d'obtenir des pièces de grande précision
dimensionnelle avec un très bon état de surface, ce qui évite de
recourir ultérieurement à un usinage coûteux. De plus, l'absence de
masselottes conduit à une mise au mille bien meilleure que dans la
coulée par gravité. ~nfin, il n'est pas nécessaire de procéder a des
traitements thermiques en raison des bonnes caractéristiques mécaniques
présentées par les pièces brutes de moulage.
Tous ces avantages font du moulage sous pression un procédé de plus
en plus utilisé notamment dans les fonderies de métaux légers tels
que l'aluminium et le magnésium.
Cependant, certaines difficultés sont apparues lors de l'extension
de ce procédé de moulage à de nouveaux produits tels que, par exemple,
les alliages d'aluminium-lithium, certains alliages de magnésium et
les produits composites contenant, outre ces métaux, des fibres en
céramiques.
On sait, en effet, que les alliages d'aluminium-lithium et de magnésium
sont particulièrement sensibles à l'oxydation et que la liai~on fibre-
métal dans les composites peut être fortement affaiblie par la présence
~.
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dans le métal d'oxydes ou autres composés résultant d'une action del'environnement.
Or, la plupart des machines de moulage sous pression à chambre froide
n'ont pas, jusqu'à présent, pris en compte cette intéraction entre
les produits moulés et l'air.
C'est ainsi, par exemple, que dans la machine de moulage sous pression
décrite~ dans le brevet US 4088178, l'alimentation en métal du conteneur
s'effectue par désolidarisation du système d'injection du moule pUi8,
inclinaison par rapport à la verticale et rempli~sage du conteneur
à l'aite d'une louche. Il est évitent, qu'en opérant de cette façon,
on ne peut pas obtenir de pièces convenables à partir d'alliages très
facilement oxydables.
Antérieurement au brevet précédent, l'USP 3058179 avait déjà, dans
un but tout à fait différent, réalisé une machine qui répond en partie
au problème d'intéraction. En effet, le conteneur est ici alimenté
à l'abri de l'air par l'intermédiaire d'une tuyauterie plongeant dans
un récipient étanche contenant le métal à mouler a l'état liquide
et muni ~ sa partie supérieure d'une arrivée de gaz inerte sous pression
au moyen de laquelle on crée une surpression à la surface du liquide
pour envoyer ce dernier dans le conteneur. Suivant cette disposition,
on évite le contact du métal liquide avec l'atmosphère au moment du
remplissage du conteneur, mais, on ne résout pas pour autant le problème
d'intéraction. En effet, lors du mouvement vers le haut du piston
dans le conteneur, afin de comprimer le métal dans l'empreinte, l'air
contenu dans le cylindre où coulisse le piston et qui entoure la tige
du piston, se trouve être mis en relation avec la tuyauterie d'amenée
de liquide au conteneur. Comme à cet instant le métal contenu dans
la tuyauterie commence à refluer vers le récipient, il aspire cet
air et se trouve ainsi oxydé.
Une autre difficulté plus préoccupante encore est la suivante : étant
donnée la grande vitesse de déplacement du piston (plus de O,S m/sec),
la mise en liaison de la tuyauterie avec l'atmosphère du cylindre
du piston est très rapide de sorte qu'initialement le métal n'a pas
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encore commencé son reflux vers le récîpient lorsque
cette liaison s'effectue. Il en résulte alors un
écoulement de métal à l'intérieur du cylindre qui
compromet rapidement la bonne marche du piston et aboutit
le plus souvent à un arrêt de la machine. c~est pour
parer à ces difficultés que la demanderesse a cherché et
trouvé une nouvelle machine. Celle-ci s'inscrit dans le
cadre du brevet US 3,058,179, c'est-à-dire qu'elle
combine au dispositif de moulage sous pression une
alimentation en m~tal par l'intermédiaire d'une
tuyauterie plongeant dans un récipient duquel le métal
est refoulé vers le conteneur par l'action d'une pression
P2 de gaz-
Selon la présente invention, il est prévu
une machine de moulage sous pression à chambre froide
pour la fabrication de pièces métalliques formée d'un
plateau inférieur fixe et d'un plateau supérieur mobile
entre lesquels est placé un moule présentant une
empreinte de la pièce à mouler, ledit plateau inférieur
étant équipé d'un dispositif d'injection constitué par un
conteneur dans lequel coulisse un piston supporté par une
tige, ledit conteneur étant relié par un orifice à une
tuyauterie qui plonge dans un bain liquide du métal à
mouler contenu dans un récipient étanche, ledit récipient
pouvant être mis sous une pression P2 par
l'intermédiaire d'une arrivée de gaz afin d'envoyer le
métal vers le conteneur, machine dans laquelle dans le
but d'éviter tout épanchement de métal liquide sur la
tige du piston et toute entrée d'air dans la tuyauterie,
ladite tuyauterie est équipée en un point de sa paroi
voisin du conteneur d'une alimentation en gaz inerte et
d'une poche sous pression Pl dépendant de la position du
piston et de P2.
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Selon la ~ présente invention, il est
également prévu un procédé de moulage de pièces
métalliques mettant en oeuvre une machine de moulage sous
pression à chambre froide, la machine étant formée d'un
plateau inférieur fixe et d~un plateau supérieur mobile
entre lesquels est placé un moule présentant une
empreinte de la pièce à mouler, ledit plateau inférieur
étant équipé d'un dispositif d'injection constitué par un
conteneur dans lequel coulisse un piston supporté par
une tige, ledit conteneur étant relié par un orifice à
une tuyauterie qui plonge dans un bain liquide du métal
à mouler contenu dans un récipient étanche, ledit
récipient pouvant être mis sous une pression P2 par
l'intermédiaire d'une arrivée de gaz afin d'envoyer le
métal vers le conteneur, procédé dans lequel:
- on insuffle du gaz inerte sous pression
Pl dans ladite tuyauterie, ledit piston étant alors en
position basse, de sorte que la liaison entre le
conteneur et la tuyauterie existe et le gaz inerte se
répand jusque dans l'empreinte du moule le purgeant ainsi
de l'air qu'il contient, puis
- on établit une surpression à la surface du
bain de métal contenu dans le récipient,
- on fait en sorte que P2 > P1 pour que le
métal monte dans la tuyauterie, et lorsque le métal a
rempli la tuyauterie et le conteneur, le piston s'élève
rapidement dans le conteneur pour assurer la compression
du métal,
- dès que ledit piston masque l'orifice de
liaison entre la tuyauterie et le conteneur, ce qui est
détecté par un moyen détecteur, on insuffle immédiatement
le gaz inerte de manière que Pl devienne supérieur à P2,
- le métal est alors refoulé vers le
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.
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récipient et on empêche~tout écoulement de métal vers le
cylindre au moment où la tige du piston apparaît au
niveau dudit orifice, le gaz remplit alors tout le volume
laissé entre le métal et sa pression refoule l'air qui
provient du cylindre du piston.
Donc, selon la procédé de l'invention, en
supposant le moule prêt à être alimenté, le moulage se
déroule de la façon suivante: du gaz inerte est insufflé
sous une pression P1 dans la tuyauterie. Comme le piston
est alors en position basse, la liaison entre le
conteneur et la tuyauterie existe et ce gaz peut se
répandre jusque dans l'empreinte du moule le purgeant
ainsi de l'air qu'il contient.
Puis, une surpression est établie à la
surface du bain de métal contenu dans le récipient. Pour
que le métal monte dans la tuyauterie, il faut alors que
cette surpression P2 soit supérieure à P1. Lorsque le
m~tal a rempli la tuyauterie, et le conteneur, le piston
s'élève rapidement pour assurer la compression du métal.
Dès que le piston masque l'orifice de liaison entre la
tuyauterie et le conteneur, ce qui est détecté au moyen
d'un palpeur ou d'un détecteur quelconque, on insuffle
immédiatement le gaz de manière que P1 devienne supérieur
à P2. A ce moment, le métal est refoulé vers le
récipient et on empêche tout écoulement de métal vers le
cylindre au moment où la tige du piston apparaît au
niveau de l'orifice. Ce gaz remplit alors tout le
volume laissé entre le métal et sa pression refoule
l'air qui provient du cylindre du piston.
Il est à noter que la longueur du piston
doit être supérieure à la hauteur de l'orifice mettant en
relation la tuyauterie avec le conteneur afin que le
métal soit refoulé
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avant que le cylindre soit mi~ en relation avec la tuyauterie. Par
la sulte, quand le piston va redescendre et démasquer l'orifice, le
gaz soufflé alors sou6 faible pression va s'introduire dans le conteneur
et empêcher tout entrée d'alr provenant du moule qui est alors ouvert
et ce jusqu'à ce que la valeur de P2 qui a été réduite à 0 pour
faciliter le retour du métal au récipient réaugmente pour démarrer
un nouveau cycle de moulage.
Par ailleurs, il a été préw au point d'insufflation du gaz une espèce
de poche placée sur le dessus de la tuyauterie et à l'intérieur de
laquelle un matelas de gaz est maintenu pour empêcher l'entrée de
métal dans le sy~tème d'insufflation. Cette poche e~t équipée d'une
sonde qui détecte une réduction anormale de la hauteur du matelas
de gaz et commande alors l'ouverture d'une vanne particulière chargée
15 d'assurer le complément de pression nécessaire au maintien de la hauteur
souhaitée.
L'établissement des différences de pression Pl et P2 convenable est
obtenue à l'aide d'un manomètre différentiel commandé par un palpeur
20 ou un détecteur de position quelconqueet qui agit sur l'ouverture
ou la fermeture de vannes convenables.
La valeur de P2 doit être au moins égale à la valeur de la pression
métallostatique exercée par le métal lorsqu'il remplit l'empreinte.
25 Quant à la différence Pl - P2 elle est de l'ordre de 0,01 MPa.
L'invention peut être illustrée à l'aide des dessins ci-joints qui
représentent :
30 . Figure 1 : une w e en coupe verticale axiale d'une installation
de moulage.
. Figure 2 : un schéma de l'installation de l'alimentation en gaz du
récipient et de la tuyauterie.
35 Sur la figure 1 on distingue le plateau inférieur 1 fixe et le plateau
supérieur 2 mobile d'une machine verticale de moulage sous pression.
Entre ces plateaux se trouve placé le moule 3 présentant une empreinte
4. Le plateau inférieur est équipé d'un dispositif d'injection constitué
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par le conteneur 5 dAns lequel coulisse le piston 6 supporté par la
tige 7 animée d'un mouvement de va et vient sous l'effet du vérin
18. Ledi~ conteneur es~ rellé par l'intermédiaire de l'orifice 8 à
la tuyauterie 9 qui plonge dans le bain 10 de métal à mouler contenu
dans le creuset 11 placé dans le récipient 12 étanche qui peu~ être
mis sous pression par l'intermédiaire de l'arrlvée du gaz 13 afin
d'envoyer le métal par la tuyauterie 9 vers le conteneur 5. Selon
l'invention, on insuffle un gaz inerte dans la canalisation 14 en
un poin~ 15 de la tuyauterie 9 suivant une pression liée à la pression
10 régnant dans le récipient en fonction de la position du piston détectée
par le palpeur 17, pression qui pe~lt être controlée par le ~tanomètre
différentiel régulateur 16.
Sur la figure 2 on retrouve les éléments de la figure 1 à sa~oir le
conteneur 5, le piston 6, la tige 7, l'orifice 8, la tuyauterie 9,
le bain de métal 10, le creuset 11, le récipient 12, l'arrivée de
gaz 13, la canalisation 14, le point d'insufflation 15, le manomètre
16 et le palpeur 17.
20 A côté cde ces éléments, sont représentés tous ceux qui permettent
de faire fonctionner l'installation. Ce sont, dans le sens de
circulation des gaz :
- sur l'arrivée de gaz 13 :
. le détendeur haute pression 20
. le détendeur basse pression 21
. l'électrovanne 22 qui assure soit le passage du gaz vers le
récipient, soit la mise à l'air du récipient
. le régleur de débit 23
. le clapet antiretour 24
- sur la canalisation 14 :
O le détendeur haute pression 25
. le détendeur basse pression 26
. l'électrovanne 27 à 2 voies
. l'électrovanne 28 à 3 voies dont l'une communique avec
l'atmosphère. Ce couple de vannes permet de régler la pression Pl
dans la tuyauterie par rapport à la pression P2 dans le récipient
par l'intermédiaire du mar.omètre differentiel 16.
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En effet, si Pl est correct, ces deux vannes sont fermées, si Pl est
trop faible, la vanne 27 e~t ouverte et la mise à l'air de la vanne
28 est fermée; 8i Pl est trop forte, la vanne 27 est fermée et la
mise à l'air de la vanne 28 est ouverte.
.l'électrovanne 29 dont l'ouverture permet un fort débit de gaz
insufflé
. le régleur de débit 30
. le clapet antiretour 31
. le débitmètre 32
. l'électrovanne 33 qui assure l'arrêt ou le passage de gaz insufflé
vers 15
. l'électrovanne 34 avec son régleur de débit 35 qui par suite
d'une téfaillance du circuit de gaz insufflé s'ouvre uniquement si
la sonde 36 indique une montée de métal au niveau du point 15 et
le risque d'un bouchage de la canalisation.
Au cours d'un cycle de moulage, l'installation fonctionne de la facon
suivante :
1. Le moule étant ouvert pour extraire la pièce, le récipient est
à la pression atmosphèrique par l'intermédiaire de la vanne 22, le
piston en position basse, la vanne 29 fermée, le manomètre différentiel
16 sur la position Pl > P2 de sorte qu'un faible débit de gaz arrive
en 15 par l'intermédiaire tu régleur de débit 30 et de la vanne 33.
2. Le moule est refermé, prêt pour une nouvelle injection. La situation
des éléments précédents reste identique de sorte que le gaz balaye
l'empreinte et en chasse l'air.
3. L'ordre d'injection étant donné, la vanne 33 se ferme isolant la
chambre 15, ce qui annule la condition Pl > P2 tandis que la vanne
29 s'ouvre. La vanne 22 assure le passage du gaz vers le récipient
et provoque la montée de métal liquide vers le conteneur. Lorsque
le piston commence son ascension la vanne 29 étane ouverte est prête
à assurer la pression de gaz Pl > P2 suffisante pour empêcher
l'introtuction de métal danæ le circuit d'insufflation de gaz par
formation d'un matelas protecteur au point 15.
4. Dès que le piston obture l'orifice 8, la vanne 33 est ouverte de
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sorte que Pl devienne supérieure à P2 et accélère le retour de métal
vers le récipient pour éviter tout épanchement de métal dans le cylindre
au moment où la tige de piston apparalt au niveau de l'orifice 8 et
toute entrée d'air provenant dùdit cylindre.
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5. Le piston continue sa progression vers le haut pendant la
solidification de la pièce tandis que la vanne 22 est mise à l'air
pour faire chuter P2. Pl est modulée sur P2 de manière à avoir
con~tamment Pl > P2-
6. Les vannes restant dans la même position, le moule est ouvert etle piston dans son mouvement ascendant chasse la pastille d'injection.
7. Le piston revient à la position basse. Au moment où il démasque
l'orifice ô, la vanne 29 se ferme de sorte qu'une légère pression
de gaz est assurée par le régleur 30 afin de purger le conteneur.
Le cycle de moulage est alors redémarré.
11 est clair que toutes ces opérations ~ont rendues automatiques en
utilisant des appareils de régulation et de contrôle bien connus de
l'ho,,e de l'art.
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