LE CONTRÔLE DU MOULAGE CONCEPTION DU MOULE

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1 LE CONTRÔLE DU MOULAGE CONCEPTION DU MOULE OBJECTIF DU FONDEUR Une pièce saine - Moins de défauts - Structure de solidification correcte LES MOYENS - Tracé correct de la pièce - Choix du procédé de fonderie adapté à la pièce - Conception et Contrôle des systèmes de coulée e et d alimentationd Solidification - procédés et simulation du moulage 1 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

2 LE CONTRÔLE DU MOULAGE LE TRACÉ DES PIÈCES - Doit Faciliter le remplissage et l alimentation de l empreinte - Doit limiter les criques par des raccordements de sections convenables Surépaisseur Évidemment - Doit réduire les tensions internes : Rendre épaisseurs constantes Supprimer les causes de la gêne au retrait Massivité Contraintes résiduelles Réduction de la massivité Nervures permettant la déformation - Doit déplacer le point chaud du moulage vers la masselotte Solidification - procédés et simulation du moulage 2 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

3 LE CONTRÔLE DU MOULAGE LE SYSTÈME DE COULÉE DESCRIPTION -L ENTONNOIR OU LE BASSIN DE COULÉE reçoit directement le métal fondu -LA DESCENTE est un conduit vertical qui dirige le métal vers le bassin de décantation ou directement vers les canaux -LE BASSIN DE DÉCANTATION joue un rôle important pour éviter les turbulences et retenir les crasses - LE CANAL principal distribue le métal vers les attaques de coulée -LES ATTAQUES DE COULÉE sont les canaux qui débouchent sur l empreinte -LES ÉVENTS sont des conduits de faible section qui évacuent l air de l empreinte Moulage avec noyaux - LES FILTRES Solidification - procédés et simulation du moulage 3 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

4 LE CONTRÔLE DU MOULAGE LE SYSTÈME DE COULÉE Les qualités s d un d système de coulée - la rapidité du remplissage - l absence de turbulence du métal liquide pour éviter : l érosion du moule et le piégeage des gaz dans le métal. Le fonctionnement correct d un système de coulée impose de contrôler - la vitesse de coulée - la taille, le nombre et l emplacement des différents canaux - la taille et la forme de l entonnoir et du bassin de coulée - la température et la fluidité du métal. Moulage avec noyaux Importance du choix du type de coulée : en chute ou en source Solidification - procédés et simulation du moulage 4 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

5 LE CONTRÔLE DU MOULAGE LES DEUX TYPES DE COULÉE LA COULÉE E EN CHUTE Avantages : Profil de température idéal donc solidification orientée de bas en haut (pas de retassure) Température Inconvénient: Chute verticale d où Érosion du moule et piégeage des gaz Remèdes : Réduction de la vitesse d écoulement (sections, filtres) 1 Remèdes, Améliorations : Réduction de la vitesse d écoulement (sections, filtres) Refroidissement dans l ordre 1. Base 2. Parois latérales 3. Le métal liquide Solidification - procédés et simulation du moulage 5 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

6 LE CONTRÔLE DU MOULAGE LES DEUX TYPES DE COULÉE LA COULÉE E EN SOURCE solidification Température Avantages : Réduction des turbulences et de l érosion du moule Inconvénients : Profil de température défavorable Points chauds dans le bas du moulage Retassure Remèdes : Bras de réchauffage Masselotte Refroidissement par la partie supérieure Base réchauffée par le métal masselotte Système avec bras de réchauffage Coulée en source avec masselotte adéquate Solidification - procédés et simulation du moulage 6 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

7 LE REMPLISSAGE LES FACTEURS DE LA QUALITÉ Facteurs liés à l alliage lui-même - La coulabilité - La température de début de solidification Facteurs liés au moule - Conductibilité thermique - Perméabilité - Température initiale du moule - Chaleur spécifique - Réactivité avec l alliage - État de surface Facteurs liés au système de coulée - Hauteur du jet de coulée - Scories et crasses -Débit - Longueur des canaux - Tracé de la descente de coulée - Turbulences - Tracé des canaux - Sections des canaux -Malvenue Solidification - procédés et simulation du moulage 7 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

8 LE REMPLISSAGE LES FACTEURS DE LA QUALITÉ QUALITÉ Facteurs liés à l alliage lui-même Facteurs liés au moule Facteurs liés au système de coulée : Facteurs liés à l alliage lui-même: 1 - La coulabilité : Aptitude d un alliage à remplir complètement une empreinte. Caractéristique complexe qui dépend de : la température, de l intervalle de solidification, taux d inclusions, capacité calorifique, viscosité. 2 - La température de début de solidification (TS): détermine la température de coulée (TC). TC = TS + T P avec T P perte de température dans le système de coulée TC doit être la plus faible possible car une surchauffe favorise le développement des défauts tels que la porosité, la retassure, l oxydation, et le grossissement du grain de solidification. Température T P TC TS Solidification - procédés et simulation du moulage 8 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

9 LE REMPLISSAGE LES FACTEURS DE LA QUALITÉ QUALITÉ Facteurs liés à l alliage lui-même Facteurs liés au moule Facteurs liés au système de coulée : Facteurs liés au moule 1 - La conductibilité thermique : Transmission de la chaleur, pertes de chaleur - Choix du matériau (sable étuvé, sable vert, moule métallique), - Mise en place de systèmes de réchauffage, (poteyage des moules métalliques) 2 - Perméabilité : aptitude à laisser les gaz quitter l empreinte ( gaz piégés dans le moule= gêne du remplissage) 3 - Température initiale, - Chaleur spécifique, - État de surface (rugosité de la pièce) - Réactivité avec l alliage (formation de gaz) Solidification - procédés et simulation du moulage 9 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

10 LE REMPLISSAGE LES FACTEURS DE LA QUALITÉ Facteurs liés au système de coulée h Crasses Hauteur du jet de coulée : elle permet d augmenter la hauteur métallo statique qui s exerce sur le métal Scories et crasses : affectent la coulabilité. Rétention possible (bassins de coulée et de décantation) Bassin de coulée Entonnoir Débit : favorise l écoulement. Pour augmenter le débit, on peut agir sur la section des canaux et le nombre d attaques. Longueur des canaux : la plus courte possible pour réduire la durée d écoulement du liquide. Solidification - procédés et simulation du moulage 10 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

11 LE REMPLISSAGE LES FACTEURS DE LA QUALITÉ Descente droite et angles vifs Turbulences et aspiration des gaz Facteurs liés au système de coulée Tracé de la descente de coulée Éviter la descente droite, les angles vifs ou les changements brutaux de section sources de turbulences Aspiration des gaz Turbulences Mise en place de bassin de coulée pour absorber l énergie cinétique du fluide et évasement pour permettre son écoulement sans turbulence Dépression Aspiration et entraînement de l air Tracé des canaux Éviter les angles vifs ou les changements brutaux de section sources de turbulences Tracé amélioré Solidification - procédés et simulation du moulage 11 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

12 LE REMPLISSAGE LES FACTEURS DE LA QUALITÉ Sections des conduits Facteurs liés au système de coulée Descente (section Sd) Attaques (section Sa) Sections des canaux : L échelonnement des sections se fait par rapport à la section de descente Sd Sc Canaux (section Sc) Un canal dégressif (Sd>Sc>Sa) permet d atteindre les attaques les plus éloignées mais provoque turbulences, érosion du moule et entraînement de gaz. Sa Malvenue : Défaut de remplissage Causes : manque de perméabilité du moule, pertes thermiques, pression et ou débit insuffisants Solidification - procédés et simulation du moulage 12 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

13 ÉQUATIONS DE L ÉCOULEMENT du MÉTAL LIQUIDE ÉCOULEMENT ET TURBULENCE Hypothèses : - Métal liquide incompressible - Vitesse partout parallèle à l axe de la conduite. Le régime d écoulement est caractérisé par un nombre appelé nombre de Reynolds Valeurs limites de Re Re < 1400 : écoulement dit laminaire, exempt de turbulence. Cas des vitesses très faibles (incompatible avec les objectifs de la coulée) R e = v ρ D μ V est la vitesse du fluide ρ la masse volumique D le diamètre de la canalisation μ la viscosité du fluide Re > 1400 : écoulement dit turbulent Systèmes de coulée courants : < Re < L écoulement est souvent turbulent Solidification - procédés et simulation du moulage 13 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

14 ÉQUATIONS DE L ÉCOULEMENT du MÉTAL LIQUIDE ÉCOULEMENT ET TURBULENCE COULÉE FAIBLE VITESSE (GRAVITÉ, BASSE PRESSION,..) R e = v ρ D μ Un régime non turbulent est visé : - Section fines - Limiter les vitesses d écoulement - Freins à l écoulement (filtres, accidents géométriques) COULÉE FORTE VITESSE (FONDERIE SOUS PRESSION,..) Le régime est turbulent Dans ce cas on vise plutôt à pulvériser le métal en fines gouttelettes - Augmenter la pression - Modifier la géométrie des canaux - Diminuer la viscosité Solidification - procédés et simulation du moulage 14 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

15 ÉQUATIONS DE L ÉCOULEMENT DES FLUIDES THÉOR ORÈMES GÉNÉRAUX G DE L ÉL ÉCOULEMENT But : Connaissance de vecteur vitesse (V x,v y,v z ) pression P(x,y,z) Pour déterminer le mouvement du fluide Les équations de l écoulement basées sur les principes de conservation : Conservation de la masse Conservation de la quantité de mouvement v S 2 1. CONSERVATION DE LA MASSE S 1 m = ρv = constante dm = dt 0 Volume V dv = dx dy dz 2. CONSERVATION DE LA QUANTITÉ DE MOUVEMENT La différence entre les quantités de mouvement du fluide entrant et sortant par les faces de l élément de volume dv est égale à la résultante R des forces appliquées à cet élément p = mv = ρv v dp = d ρ v d ρ v = R dt v : vitesse ρ : masse volumique, dv : élément de volume ds : le vecteur surface. Solidification - procédés et simulation du moulage 15 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

16 ÉQUATIONS DE L ÉCOULEMENT DES FLUIDES THÉOR ORÈMES GÉNÉRAUX G DE L ÉL ÉCOULEMENT 1. CONSERVATION DE LA MASSE v S 2 On peut montrer que m = constante dm dt v = ρ dv + v ds t ρ v ρ dv t dm = dt S + ρ v ds = 0 S 0 S 1 Volume V dv = dx dy dz v : vitesse ρ : masse volumique, dv : élément de volume ds : le vecteur surface. Hypothèses : - Écoulement stationnaire (indépendant du temps) - Vecteur vitesse perpendiculaire aux surfaces S 1 et S 2. ρ = 0 ρ v ds = 0 t S - Fluides incompressibles (cas des métaux liquides) : ρ = constante S v ds = 0 Solidification - procédés et simulation du moulage 16 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

17 ÉQUATIONS DE L ÉCOULEMENT DES FLUIDES THÉOR ORÈMES GÉNÉRAUX G DE L ÉL ÉCOULEMENT CONSERVATION DE LA MASSE Application à un canal de section variable S 1 v1.ds1 + v2.ds2 S 2 = 0 v = 1S1 v 2S2 v 1 v S = débit = constante S 1 S 2 v 2 Exemple : Un écoulement avec débit de dv/dt = 0,002 m 3 /s arrive dans un canal de section S 1 = 0,02 m 2 puis S 2 = 0,01 m 2 On peut en déduire la vitesse V 1 = 0,1m/s et la vitesse V 2 = 0,2 m/s Solidification - procédés et simulation du moulage 17 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

18 ÉQUATIONS DE L ÉCOULEMENT DES FLUIDES 2. BILAN DE LA QUANTITÉ DE MOUVEMENT La différence entre les quantités de mouvement du fluide entrant et sortant par les faces de l élément de volume dv est égale à la résultante R des forces appliquées à cet élément dρ v ρ v avec = dv + ρ v.vds d ρv dt t = R V S dt F : résultante des forces volumiques P : pression et R = FdV + PdS V S, Cas d un fluide incompressible et pesant (les forces de volume se réduisent aux forces de pesanteur) ρ = constante grad( mgz ) = = ρ g gradz v F v En tenant compte des forces de viscosité f v, l équation de bilan s écrit : Équation de Navier Stokes d v ρ dt + grad P + g grad z + ρ f v = 0 Solidification - procédés et simulation du moulage 18 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

19 ÉQUATIONS DE L ÉCOULEMENT DES FLUIDES 2. BILAN DE LA QUANTITÉ DE MOUVEMENT Équation de Navier Stokes simplifiée Quelques hypothèses permettent de simplifier cette équation dans des des cas assez proches de la réalité : a) Dans un système d axes (x,z), l écoulement est unidimensionnel, par exemple dans la direction x. Donc V = V(x), b) Le fluide est parfait : les forces de viscosité sont négligeables (f v = 0) c) Le régime de l écoulement est permanent : la vitesse est indépendante du temps. dv grad P g grad z fv 0 dt ρ ρ = dv dp dz ρ v + + ρ g = 0 dx dx dx Solidification - procédés et simulation du moulage 19 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

20 ÉQUATIONS DE L ÉCOULEMENT DES FLUIDES Équation de Bernoulli dv dp dz ρ v + + ρ g = 0 dx dx dx En remarquant que On aboutit à l équation finale dite de Bernoulli : ρ v dv dx = 1 2 d ( v 2 ) dx v 2 2 g + P ρ g + z = cons tan te v 2 P + + z = cons tan te 2g ρ g La quantité d énergie par unité de volume contenue dans un fluide parfait est invariable mais elle peut se présenter sous différentes formes : Application Cinétique 1/2 mv 2 Pression PV Potentielle mgz Calculer la vitesse d écoulement atteinte au point d entrée d une empreinte qui se trouve à 20 cm sous la surface supérieure de l entonnoir de coulée. z A Au point A : V A = 0 et P A = 1 atm Au point B : P B = 1 atm (avant le remplissage) z A z B = 0,2 m On trouve : V B 2 = 2 g (z A z B ) Soit : V B = 3,9 m/s B x Solidification - procédés et simulation du moulage 20 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

21 LE SYSTÈME D ALIMENTATION ORIENTER LA SOLIDIFICATION RÔLE Alimenter l empreinte en métal liquide afin de compenser la perte de volume due au retrait de solidification. Système de remplissage Empreinte EXIGENCES SUR LA MASSELOTTE : 1 Elle contient suffisamment d alliage liquide et se solidifie après la pièce. Retassure Coulée a) sans masselotte 2 Elle est ouverte sur l atmosphère pour évacuer l air piégé dans la retassure (risque de décollement) Masselotte Retassure 3 Elle doit être économique ( taille) Empreinte MOYENS : orienter la solidification vers la masselotte Coulée b) avec masselotte Solidification - procédés et simulation du moulage 21 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

22 LE SYSTÈME D ALIMENTATION ORIENTER LA SOLIDIFICATION Système de remplissage Masselotte Retassure SOLIDIFICATION ORIENTÉE VERS LA MASSELOTTE MASSELOTTE OUVERTE Empreinte Empreinte le point chaud sera localisé à la base inférieure de la masselotte. Retassure Coulée a) sans masselotte Point chaud Masselotte b) avec masselotte le rendement de ce type de masselotte est très faible, de l ordre de 30 à 40 %. Pièce Re ndement = M Pièce M + M Pièce masselotte Ou V Pièce V + V Pièce masselotte Solidification - procédés et simulation du moulage 22 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

23 LE SYSTÈME D ALIMENTATION ORIENTER LA SOLIDIFICATION MASSELOTTE OUVERTE Améliorations : -Insérer des refroidisseurs au voisinage des points chauds de telle façon à orienter la solidification vers la masselotte -Insérer des manchons exothermiques ou couvrir la surface libre pour retarder le refroidissement de la masselotte -Employer plusieurs masselottes -Utiliser des manchons isolants autour des parties minces - Modifier le dessin de la pièce pour déplacer le point chaud vers la masselotte (en introduisant par exemple une dépouille) Masselotte ouverte de rendement faible Masselotte ouverte et refroidisseur à la base du moulage Masselotte ouverte de faible taille et refroidisseur Masselotte avec couverte et bras de réchauffage Masselotte avec bras de réchauffage et couverte plus refroidisseur Solidification - procédés et simulation du moulage 23 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

24 LE SYSTÈME D ALIMENTATION ORIENTER LA SOLIDIFICATION MASSELOTTE FERMÉE -Risque de solidification prématurée de la masselotte - Absence de communication avec l atmosphère : Pression insuffisante donc risque de retassure Masselotte ouverte Masselotte fermée Event Empreinte Empreinte Solidification - procédés et simulation du moulage 24 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef

25 LE SYSTÈME D ALIMENTATION TAILLE DE LA MASSELOTTE Dans un moulage bien conçu : solidification orientée vers la masselotte la masselotte est la dernière région de liquide à se solidifier solidification Masselotte Δt Δt solidification pièce DURÉE DE LA SOLIDIFICATION t Relation de Chvorinov 2 V A est le module de refroidissement solidification V Δ t pièce = B A c ( TC TS ) + L B = ρ cte T T B / constante qui dépend des caractéristiques de l alliage [ ] ( ) i 0 - Masse volumique - Température de coulée - Température de solidification - Chaleur latente de solidification Compte tenu du rendement (r) de la masselotte et du retrait (α) de l alliage le volume de la masselotte doit vérifier la relation rv masselotte α V pièce Pratiquement, la taille de la masselotte est évaluée par rapport à la dernière portion de la pièce solidifiée V A masselotte V 1,2 A DPS Solidification - procédés et simulation du moulage 25 Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef