EP0171304A1 - Dispositif de fabrication de moules ou de noyaux de moulage congelés - Google Patents

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EP0171304A1 EP85401273A EP85401273A EP0171304A1 EP 0171304 A1 EP0171304 A1 EP 0171304A1 EP 85401273 A EP85401273 A EP 85401273A EP 85401273 A EP85401273 A EP 85401273A EP 0171304 A1 EP0171304 A1 EP 0171304A1
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orifices
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Daniel Goumy
Charles Defrancq
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/12—Treating moulds or cores, e.g. drying, hardening
    • B22C9/126—Hardening by freezing

Definitions

  • the present invention relates to a device for manufacturing molds or molding cores of humidified and frozen particles, of the type comprising a particle receiving cavity provided with at least one forming wall, means for blowing a refrigerant in said cavity through this wall, and gas discharge means located opposite this wall.
  • the forming wall is a thin porous wall, which is not entirely satisfactory from the point of view of production rates, the surface condition of the molds or cores produced and the mechanical properties of these objects. .
  • the invention aims to provide a device capable of producing in a very short time molds or cores having an excellent surface condition, good forma stability and high and homogeneous mechanical properties, so that it can be used in automatic systems producing mass-produced molded parts.
  • the invention relates to a device of the aforementioned type, characterized in that the forming wall consists of a surface of a solid block made of a thermally conductive material.
  • the block is pierced with a multitude of orifices which extend between said wall and an opposite surface of the block which delimits, in service, a coolant supply chamber.
  • the device shown in the drawing is intended for the production of frozen sand half-molds. It essentially consists of three rigid parts: a gassing box 1, a chassis 2 and a head 3 for recovering gases.
  • the gassing box 1 is fixed, of parallelepiped shape, open upwards.
  • This box is provided in a side wall with a thermally insulated pipe 3 equipped with a valve 4 for supplying a coolant, and, in the opposite side wall, with a vent pipe 5 equipped with a valve 6.
  • the refrigerant fluid is a cryogenic fluid such as nitrogen gas being in the vicinity of the desired freezing temperature (for example of the order of -100 ° C), or compressed air or a another suitable gas cooled to a temperature of the same order by heat exchange, for example with liquid nitrogen.
  • the chassis 2 open at its upper and lower ends, has the same rectangular horizontal section as the gassing box 1. Like the latter, it is thermally insulated. In its lower part is fixed a solid block 7 of aluminum forming a model plate and pierced with a multitude of vertical orifices 8. The lower face of the block 7 is flat and horizontal and is flush with the lower end edge of the chassis 2, while its upper face 9 constitutes the wall for forming the half-molds to be produced. Thus, the block 7 has a variable thickness depending on the shape that it is desired to give to these half-molds.
  • Each orifice 8 crosses the block 7 from the lower face to the upper face thereof. At its upper outlet, it is provided with a filter 10 for retaining the sand.
  • the density of orifices 8 per unit area of this wall is substantially proportional to the thickness of sand which overcomes this location during the freezing operation, which will be described later. This proportionality can however be corrected locally to take into account other factors such as the proximity of the chassis 2, the aim being to obtain, at the latest at the end of freezing, a substantially horizontal isothermal surface at the top of the clod of frozen sand despite the non-planar shape of the wall 9.
  • the gas reception head 3 is a thermally insulated parallelepiped box whose horizontal section is the same as that of the chassis 2. Its underside is pierced with a series of openings 11 each equipped with a filter 12 for retaining the sand , and its side walls have openings 13 for discharging gas.
  • the device thus described operates in the following manner.
  • the frame 2 carrying the block 7 is put in place on the gassing box 1, delimiting therewith a chamber 14 for supplying the refrigerant.
  • the block 7 is cold, that is to say that it is at a temperature much below 0 ° C.
  • the head 3 is kept at a certain distance from the chassis 2.
  • the mass of sand to be frozen, previously moistened, is then "pulled” into the chassis 2 by applying thereto a firing head (not shown) in a conventional manner.
  • the vent pipe 5 allows the blowing gas and the air contained in the chassis 2 to escape during this firing operation.
  • the valve 4 is opened, so that the coolant fills the chamber 14, passes through the orifices 8 of the block 7, passes through the mass of sand 16, yielding its frigories to it and is evacuated through the openings 11 and 13 of the head 3.
  • the freezing of the sand takes place and, when its desired temperature (for example -100 ° C.) is reached, the valve 4 is closed and the frozen clod of sand is removed from the mold.
  • the head 3 is raised, the chassis is pulled out horizontally from the device, and the frozen clod is pushed upwards out of this chassis by ejection rods (not shown) which pass through corresponding passages provided in the plate- block 7 model.
  • the forming wall 9 is provided on a solid block 7 made of a metal which is a good conductor of heat, this block has a high thermal inertia, so that it remains cold between the end of a freezing operation and the start of the next sandblasting.
  • the wall 9 is able to supply the sand with a sufficient amount of frigories so that the latter immediately begins to freeze as soon as it comes into contact.
  • a frozen crust of sand is formed almost instantaneously which allows the mass of sand to easily withstand the mechanical force due at gas pressure. From experience, this frozen crust has proven to be very favorable for obtaining a good surface condition and good shape stability of the objects produced.
  • the fixed gassing box 1 can be supplied with cold gas by a rigid pipe 3 located at the rear of the machine, while no moving part of the device requires connection with a thermally insulated pipe. This is very favorable both from the point of view of the construction of the device and that of its location in a molding installation, in particular for foundries.
  • a solid block 7 of aluminum has been used, having a thickness varying between 1.5 and 3.5 cm and comprising 100 to 110 orifices 8 per square meter, with a section for the total passage of the orifices of 8 at 10 cm 2 / m 2 , and 0.75 to 1 Nm 3 of cold air per kilogram of sand to be cooled. It was thus possible to freeze in clumps of sand 5 cm thick in less than 30 seconds and obtain the advantages indicated above (mechanical properties, shape stability, surface condition).
  • the device according to the invention can be easily adapted to the simultaneous production of two half-molds or to the manufacture of molding cores, and that the sand can be replaced by any other type of particulate material suitable for such applications.

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Abstract

Ce dispositif est constitué d'une boîte de gazage fixe (1), d'un châssis (2) et d'une tête (3) de réception et d'évacuation de gaz. Le châssis (2) est pourvu d'un bloc massif (7) en aluminium formant plaque-modèle et traversé par une multitude d'orifices (8). Ce bloc possède une inertie thermique suffisante pour former une croûte congelée dès le remplissage du châssis (2) par du sable ou analogue préhumidifié. Ceci permet d'obtenir à grande cadence des moules ou des noyaux congelés ayant un très bon état de surface, une bonne stabilité de forme et des propriétés mécaniques élevées et homogènes.

Description

  • La présente invention est relative à un dispositif de fabrication de moules ou de noyaux de moulage en particules humidifiées et congelées, du type comprenant une cavité de réception des particules pourvue d'au moins une paroi de formage, des moyens d'insufflation d'un fluide réfrigérant dans ladite cavité à travers cette paroi, et des moyens d'évacuation de gaz situés à l'opposé de cette paroi.
  • La demanderesse a proposé le principe de base d'un dispositif de ce type dans la demande de brevet français n° 81.19.038. Dans ce dispositif connu, la paroi de formage est une paroi mince poreuse, ce qui ne donne pas entièrement satisfaction du point de vue des cadences de production, de l'état de surface des moules ou des noyaux réalisés et des propriétés mécaniques de ces objets.
  • L'invention a pour but de fournir un dispositif capable de réaliser en un temps très court des moules ou des noyaux ayant un excellent état de surface, une bonne stabilité de forma et des propriétés mécaniques élevées et homogènes, afin de pouvoir être utilisé dans des installations automatiques produisant des pièces moulées en grande série.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif du type précité, caractérisé en ce que la paroi de formage est constituée par une surface d'un bloc massif réalisé en une matière thermiquement conductrice.
  • Dans un mode de réalisation préféré, le bloc est percé d'une multitude d'orifices qui s'étendent entre ladite paroi et une surface opposée du bloc qui délimite, en service, une chambre d'amenée du fluide réfrigérant. Ceci permet d'adapter le gazage en chaque point à la configuration du moule ou du noyau en faisant en sorte que la densité d'orifices en un emplacement quelconque de ladite paroi soit à peu près proportionnelle à l'épaisseur de particules à congeler au droit de cet emplacement.
  • Un exemple de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, dont la figure unique représente en coupe longitudinale un dispositif de fabrication de demi-moules en sable conforme à l'invention.
  • Le dispositif représenté au dessin est destiné à la fabrication de demi-moules en sable congelés. Il est constitué essentiellement de trois parties rigides : une boite de gazage 1, un châssis 2 et une tête 3 de récupération des gaz.
  • La boîte de gazage 1 est fixe, de forme parallélépipédique, ouverte vers le haut. Cette boîte est pourvue dans une paroi latérale d'une conduite 3 thermiquement isolée équipée d'une vanne 4 pour l'amenée d'un fluide réfrigérant, et, dans la paroi latérale opposée, d'une conduite d'évent 5 équipée d'une vanne 6. Le fluide réfrigérant est un fluide cryogénique tel que de l'azote gazeux se trouvant aux environs de la température de congélation désirée (par exemple de l'ordre de -100°C), ou de l'air comprimé ou un autre gaz approprié refroidi à une température du même ordre par échange de chaleur, par exemple avec de l'azote liquide.
  • Le châssis 2, ouvert à ses deux extrémités supérieure et inférieure, a la même section horizontale rectangulaire que la boîte de gazage 1. Comme cette dernière, il est thermiquement isolé. Dans sa partie inférieure est fixé un bloc massif 7 en aluminium formant plaque-modèle et percé d'une multitude d'orifices verticaux 8. La face inférieure du bloc 7 est plane et horizontale et affleure la tranche d'extrémité inférieure du châssis 2, tandis que sa face supérieure 9 constitue la paroi de formage des demi-moules à réaliser. Ainsi, le bloc 7 a une épaisseur variable en fonction de la forme que l'on désire donner à ces demi-moules.
  • Chaque orifice 8 traverse le bloc 7 de la face inférieure à la face supérieure de celui-ci. A son débouché supérieur, il est pourvu d'un fitre 10 de retenue du sable. En chaque emplacement de la paroi 9, la densité d'orifices 8 par unité de surface de cette paroi est sensiblement proportionnelle à l'épaisseur de sable qui surmonte cet emplacement pendant l'opération de congélation, qui sera décrite plus loin. Cette proportionnalité peut toutefois être corrigée localement pour tenir compte d'autres facteurs tels que la proximité du châssis 2, le but visé étant d'obtenir au plus tard en fin de congélation une surface isotherme sensiblement horizontale au sommet de la motte de sable congelée malgré la forme non plane de la paroi 9.
  • La tête 3 de réception des gaz est un caisson parallélépipédique thermiquement isolé dont la section horizontale est la même que celle du châssis 2. Sa face inférieure est percée d'une série d'ouvertures 11 équipées chacune d'un filtre 12 de retenue du sable, et ses parois latérales comportent des ouvertures 13 d'évacuation de gaz.
  • Le dispositif ainsi décrit fonctionne de la façon suivante.
  • La vanne 4 étant fermée et la vanne 6 ouverte, le châssis 2 portant le bloc 7 est mis en place sur la boîte de gazage 1, en délimitant avec celle-ci une chambre 14 d'amenée du fluide réfrigérant. Pour des raisons qui apparaîtront plus loin, le bloc 7 est froid, c'est-à-dire qu'il se trouve à une température très inférieure à 0°C. La tête 3 est maintenue à une certaine distance du châssis 2.
  • On "tire" alors la masse de sable à congeler, préalablement humidifiée, dans le châssis 2 en appliquant sur celui-ci une tête de tir (non représentée) de façon classique. La conduite d'évent 5 permet au gaz de soufflage et à l'air contenu dans le châssis 2 de s'échapper pendant cette opération de tir.
  • Lorsque la cavité délimitée par le châssis 2 et la paroi 9 est enpli, on retire la tête de tir, on ferme la vanne 6 et on met en place la tête 3 sur le châssis, comme représenté au dessin. L'ensemble est pressé verticalement par des vérins non représentés, et l'étanchéité entre les trois parties 1, 2 et 3 du dispositif est assurée par deux joints périphériques 15.
  • Ensuite, on ouvre la vanne 4, de sorte que le fluide réfrigérant emplit la chambre 14, traverse les orifices 8 du bloc 7, traverse la masse de sable 16 en lui cédant ses frigories et s'évacue par les ouvertures 11 et 13 de la tête 3. La congélation du sable s'effectue et, lorsque sa température désirée (par exemple -100°C) est atteinte, on ferme la vanne 4 et on procède au démoulage de la motte de sable congelée. Pour cela, la tête 3 est soulevée, le châssis est sorti horizontalement du dispositif, et la motte congelée est poussée vers le haut hors de ce châssis par des tiges d'éjection (non représentées) qui traversent des passages correspondants prévus dans la plaque-modèle que constitue le bloc 7.
  • Comme la paroi de formage 9 est prévue sur un bloc massif 7 constitué d'un métal bon conducteur de la chaleur, ce bloc possède une importante inertie thermique, de sorte qu'il reste froid entre la fin d'une opération de congélation et le début du tir de sable suivant. Ainsi, la paroi 9 est à même de fournir au sable une quantité de frigories suffisantes pour que celui-ci commence immédiatement à se congeler dès qu'il arrive à son contact. De cette manière, au cours du tir, il se forme presque instantanément une croûte de sable congelée qui permet à la masse de sable de supporter facilement l'effort mécanique dû à la pression de gaz. A l'expérience, cette croûte congelée s'est révélée très favorable à l'obtention d'un bon état de surface et d'une bonne stabilité de forme des objets réalisés.
  • De plus, on a constaté qu'il était possible de choisir la disposition, la densité et la section de passage des orifices 8 du bloc 7, en fonction de la géométrie de la face 9, de l'épaisseur de la motte à congeler et de la durée du refroidissement désirée, de façon à obtenir un refroidissement rapide et homogène du sable conduisant à son tour à de bonnes propriétés mécaniques des objets réalisés.
  • Pour éviter tout marquage du sable à l'emplacement des orifices 8, ainsi que tout déplacement d'ensemble de la croûte initialement congelée, il s'est révélé avantageux de faire croître progressivement la pression d'insufflation du gaz réfrigérant au début de la phase de congélation, ce grâce à des moyens de commande appropriés non représentés.
  • Il est également à noter que la boite de gazage fixe 1 peut être alimentée en gaz froid par une canalisation 3 rigide située à l'arrière de la machine, tandis qu'aucune pièce mobile du dispositif ne nécessite de liaison avec une conduite thermiquement isolée. Ceci est très favorable tant du point de vue de la construction du dispositif que de celui de son implantation dans une installation de moulage, notamment de fonderie.
  • A titre d'exemple numérique, on a utilisé un bloc massif 7 en aluminium ayant une épaisseur variant entre 1,5 et 3,5 cm et comportant 100 à 110 orifices 8 par mètre carré, avec une section de passage total des orifices de 8 à 10 cm2/m2, et 0,75 à 1 Nm3 d'air froid par kilogramme de sable à refroidir. On a pu ainsi congeler en moins de 30 secondes des mottes de sable de 5 cm d'épaisseur et obtenir les avantages indiqués plus haut (propriétés mécaniques, stabilité de forme, état de surface).
  • On comprend que le dispositif suivant l'invention peut être facilement adapté à la réalisation simultanée de deux demi-moules ou à la fabrication de noyaux de moulage, et que le sable peut être remplacé par tout autre type de matière en particules convenant à de telles applications.

Claims (8)

1. - Dispositif de fabrication de moules ou de noyaux de moulage en particules humidifiées et congelées, du type comprenant une cavité de réception des particules pourvue d'au moins une paroi de formage (9), des moyens (3, 14) d'insufflation d'un fluide réfrigérant dans ladite cavité à travers cette paroi, et des moyens (3) d'évacuation de gaz situés à l'opposé de cette paroi, caractérisé en ce que la paroi de formage (9) est constituée par une surface d'un bloc massif (7) réalisé en une matière thermiquement conductrice.
2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc (7) est percé d'une multitude d'orifices (8) qui s'étendent entre ladite paroi (9) et une surface opposée du bloc qui délimite, en service, une chambre (14) d'amenée du fluide réfrigérant.
3. - Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que chaque orifice (8) est équipé d'un filtre (10) à son débouché sur ladite paroi (9).
4. - Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la densité d'orifices (8) en un emplacement quelconque de ladite paroi (9) est à peu près proportionnelle à l'épaisseur de particules (16) à congeler au droit de cet emplacement.
5. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le bloc (7) est en aluminium.
6. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le bloc (7) est entouré d'un châssis (2) thermiquement isolé qui délimite la périphérie de ladite cavité, ce châssis pouvant s'appliquer à joint étanche (15) d'une part sur l'ouverture d'une boite de gazage (1) thermiquement isolée pourvue d'une entrée (3) de fluide réfrigérant et d'un évent (5), et d'autre part sur une tête (3) de réception des gaz adaptée pour fermer ladite cavité.
7. - Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la paroi de la tête (3) de réception des gaz adjacente au châssis (2) comporte une série d'ouvertures (11) équipées chacune d'un filtre (12).
8. - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour faire croître progressivement la pression d'insufflation du fluide réfrigérant.
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