EP0470021A1 - Procédé de réalisation d'une pièce moulée en aluminium ou ses alliages munie de canaux intégrés - Google Patents

Procédé de réalisation d'une pièce moulée en aluminium ou ses alliages munie de canaux intégrés Download PDF

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EP0470021A1
EP0470021A1 EP91420284A EP91420284A EP0470021A1 EP 0470021 A1 EP0470021 A1 EP 0470021A1 EP 91420284 A EP91420284 A EP 91420284A EP 91420284 A EP91420284 A EP 91420284A EP 0470021 A1 EP0470021 A1 EP 0470021A1
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alloys
tubes
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Eric Darsy
Philippe Meyer
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Montupet SA
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/0072—Casting in, on, or around objects which form part of the product for making objects with integrated channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads

Definitions

  • the invention relates to a method for producing parts molded from A1 or its alloys comprising integrated channels for the distribution of a lubricant or the circulation of a heat transfer fluid.
  • One (or more) main tube (s) made of aluminum or one of its alloys previously shaped (s) and possibly fitted with one or more several nozzles are (are) placed in the mold, in a determined position, the open ends of the tubes being able to correspond with the outside of the mold, either through the latter or through cores; closed ends can be embedded in the room.
  • the alloy of the part is then poured into the mold cavity after closing it, to drown the tube or tube system.
  • the alloy constituting the tubes and their thicknesses are determined so as to avoid any local fusions during filling of the mold with the liquid alloy.
  • the use of an A5 tube (AFNOR-NF-57702 standard) with a thickness greater than or equal to 1 mm is recommended.
  • the bending radii of the tubes must not cause excessively thinning in the stretched fiber of the elbows, incompatible with the strength of the tube at the time of filling; preferably the bending radius is greater than or equal to 3 times the external diameter of the tubes.
  • the penetration depth of a tapping into the main tube is of the order of 1 mm relative to its internal surface. This positioning is fixed by the position of the collar in case a) or by external longitudinal grooving by pushing back the end of the adjustment in case b). In the latter case, the extra thicknesses obtained on the diameter then ensure lateral tightening and the end beads of the grooves ensure the axial positioning of the fitting on the tube.
  • the positioning of the tube (or of the tube system) in the mold ensures its centering with respect to its reference position, offers the possibility of axial expansion of the tubes and their rotation blocking.
  • the positioning of the tube (or of the tube system) in the mold is for example carried out by a 90 ° elbow, external to the useful part of the molded part and inserted in a core adjacent to the mold with a clearance of the order of 1 to 2 mm, for an overall length of approximately 50 cm.
  • the other end of the tube is inserted into a cylindrical housing core allowing free axial expansion of the tube but also ensuring perfect centering of the tube system in the mold.
  • the mold itself is made either of sand, or of metal, or mixed, under the usual conditions for the casting of aluminum alloys.
  • the alloys usually used are AS7G or AS5U3G in states Y20,23 or Y30.33 according to the AFNOR standard NF-A-57702.
  • the center-to-center dimensions of the taps will be corrected, with respect to the desired dimensions, by a coefficient taking into account the deformations of the main tube during casting and the solidification of the part: namely elongation under the effect of the heat of the liquid metal and shrinkage when the part solidifies.
  • the casting temperature of the part is the lowest temperature allowing the good coming of the part and the non-melting of the tube.
  • the casting temperature is less than or equal to 760 ° C and preferably between 720 ° C and 740 ° C.
  • the usual internal diameters of the tubes used are generally between 3 and 15 mm.
  • the alloys of the tube or tube system and of the casting so that the melting temperature of the alloy of the molded part is less than or equal to that of the metal (or alloy) constituting the tubes ( or tube system).
  • the contact time between the tube system and the molten metal must be less than 10 seconds, and preferably 5 seconds.
  • the tube (or tube system) can also be cooled during the casting operation by the circulation of a cooling fluid, such as compressed air or liquid nitrogen vapor. .
  • a cooling fluid such as compressed air or liquid nitrogen vapor.
  • FIGS. 1 to 3 reproducing the conditions for casting a part of the cylinder head.
  • Figure 1 shows a sectional view of a tube and its tappings in place in a casting mold, in elevation (1A) along line II-II of fig.1B and in plan (1B) along line II of fig. 1A.
  • Figure 2 shows in section the detail of the junction of a tapping on the main tube using a shaped and glued collar (fig.2A to 2D) at different stages of shaping.
  • FIG. 3 represents the detail of the junction of a nozzle on the main tube by force fitting, FIG. 3A being an elevation view of a nozzle, FIG. 3B an end view and FIG. 3C, a axial section of the force fitting obtained.
  • the nozzles are provided with a collar 7, shaped and bonded to the main tube 1 using a cyanoacrylic adhesive 10 (Black Max from the company "LOCTITE").
  • the main tube 1 has an end bend 8 placed in the part 9 of the mold 3, with a clearance 12 of between 1 and 2 mm, which makes it possible to precisely position the tube (1) provided with its tappings in the mold 3
  • the other flattened end 13 of the tube 1, 50 cm long, is straight and can slide in part 10 of the mold 3 (free thermal expansion towards the outside of the mold).
  • the flanges are obtained by axial crushing of the tube 2 constituting the nozzles (fig.2A, B and C) and after shaping, these are glued to the tube 1 (fig.2D).
  • the penetration of the nozzle into the tube takes place over a length 1 of the order of mm.
  • an AS5U3G alloy is poured into the cavity 11 at a temperature of 730 ° C. and at a speed of 120 l / minute.
  • the part fitted with its system of integrated channels is removed from the mold, which is then rid of unnecessary excess lengths, 8 and 13, for example.
  • the tube is then chamfered over a length b of the order of mm, then force-fitted into the opening 23 of the tube 1 until the beads 22 serving as a stop provide the desired depth of penetration 1.
  • the method according to the invention makes it possible to obtain parts having a system of internal channels which can have a complex design, without resorting to precise and long machining on specialized machines, and without having to plug the outputs of the machined channels which are unnecessary in service and simply required by the drilling steps.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de réalisation de pièces moulées en aluminium ou ses alliages comportant des canaux intégrés destinés à la distribution d'un lubrifiant ou à la circulation d'un fluide caloporteur. Le procédé est caractérisé en ce que : un ou plusieurs tubes en aluminium ou alliages d'aluminium préalablement conformés sont placés dans un moule, les extrémités du ou des tubes étant à l'extérieur du moule ou des noyaux qui y sont insérés; l'on coule l'alliage dans la cavité du moule; après démoulage on élimine les parties excédentaires du ou des tubes. Ce procédé s'applique à la production en série de pièces moulées ayant un système de canaux internes telles des culasses, des cylindres de compresseurs, des systèmes de lubrification, de convecteurs, etc... <IMAGE>

Description

  • L'invention concerne un procédé de réalisation de pièces moulées en A1 ou ses alliages comportant des canaux intégrés en vue de la distribution d'un lubrifiant ou de la circulation d'un fluide caloporteur.
  • Elle s'applique en particulier à la fabrication de culasses
  • On connaît un procédé de ce type décrit dans les demandes japonaises JA-55-73455 et JA-55-68168 dans lesquelles un tube métallique rempli de sable ou de matériau analogue est noyé dans une pièce moulée. Après solidification le sable est éliminé. Cependant, cette méthode présente les désavantages suivants :
    • avant coulée, il faut remplir les tubes avec du sable ce qui constitue une opération supplémentaire et délicate, surtout si les tubes sont étroits et tortueux;
    • après coulée, il faut éliminer le sable contenu à l'intérieur des canaux, ce qui peut être difficile si les canaux sont étroits et tortueux;
    • des grains de sable peuvent ne pas être éliminés en restant accrochés aux parois internes du tube, ce qui peut induire des inconvénients si ceux-ci sont entraînés par la suite dans les circuits d'utilisation (de lubrifiant ou de refroidissement);
    • difficultés à réfrigérer les tubes en cours de coulée.
  • La demanderesse, voulant éliminer ces inconvénients, a donc mis au point la méthode suivante selon l'invention.
  • Un (ou plusieurs) tube(s) principal(aux) en aluminium ou un de ses alliages préalablement conformé(s) et éventuellement muni(s) d'un ou plusieurs piquages est (sont) placé(s) dans le moule, dans une position déterminée, les extrémités ouvertes des tubes pouvant correspondre avec l'extérieur du moule, soit au travers de celui-ci, soit au travers de noyaux; les extrémités fermées peuvent être noyées dans la pièce.
  • L'alliage de la pièce est alors coulé dans la cavité du moule après fermeture de celui-ci, pour noyer le tube ou système de tubes.
  • L'alliage constituant les tubes ainsi que leurs épaisseurs sont déterminés de façon à éviter toutes fusions locales lors du remplissage du moule par l'alliage liquide. D'une façon générale il est préconisé l'utilisation d'un tube en A5 (Norme AFNOR-NF-57702) d'épaisseur supérieur ou égale à 1 mm. Les rayons de cintrage des tubes ne doivent pas engendrer dans la fibre tendue des coudes des amincissements trop importants, incompatibles avec la tenue du tube au moment du remplissage; de préférence le rayon de cintrage est supérieur ou égal à 3 fois le diamètre externe des tubes.
  • - Les piquages sont fixés sur le tube principal :
    • a) soit par des collerettes, obtenues par écrasement axial du tube et conformées au diamètre externe du tube principal. La fixation a lieu alors par collage ou soudage. Le positionnement est donné par la collerette et l'ajustement du piquage dans le tube principal (fig.2);
    • b) soit par emmanchement à force de l'extrémité chanfreinée du piquage dans un orifice du tube principal avec un serrage positif allant jusqu'à 0,5 mm. Le positionnement est donné par l'extrémité des rainures longitudinales des piquages assurant le serrage latéral (fig.3);
    • c) soit par soudage direct.
  • La profondeur de pénétration d'un piquage dans le tube principal est de l'ordre de 1 mm par rapport à sa surface interne. Ce positionnement est fixé par la position de la collerette dans le cas a) soit par rainurage longitudinal externe par repoussage de l'extrémité de l'ajustage dans le cas b). Dans ce dernier cas, les surépaisseurs obtenues sur le diamètre assurent alors le serrage latéral et les bourrelets d'extrémité des rainures assurent le positionnement axial de l'ajustage sur le tube. Le positionnement du tube (ou du système de tubes) dans le moule assure son centrage par rapport à sa position de référence, offre la possibilité de dilatation axiale des tubes et le blocage en rotation de ceux-ci.
  • Le postionnement du tube (ou du système de tube) dans le moule est par exemple réalisé par un coude à 90°, externe à la partie utile de la pièce moulée et inséré dans un noyau adjacent au moule avec un jeu de l'ordre de 1 à 2 mm, pour une longueur hors tout de 50 cm environ. L'autre extrémité du tube est insérée dans un noyau à logement cylindrique permettant la libre dilatation axiale du tube mais assurant par ailleurs, un parfait centrage du système de tubes dans le moule. Le moule lui-même est réalisé soit en sable, soit en métal, soit mixte, dans les conditions habituelles pour la coulée des alliages d'aluminium. Les alliages habituellement utilisés sont les AS7G ou AS5U3G aux états Y20,23 ou Y30,33 suivant la norme AFNOR NF-A-57702.
  • Les cotes d'entraxe des piquages seront corrigées, par rapport aux cotes souhaitées, d'un coefficient tenant compte des déformations du tube principal lors de la coulée et de la solidification de la pièce : à savoir allongement sous l'effet de la chaleur du métal liquide et retrait au moment de la solidification de la pièce.
  • La température de coulée de la pièce est la température la plus faible permettant d'obtenir la bonne venue de la pièce et la non fusion du tube. La température de coulée est inférieure ou égale à 760°C et de préférence comprise entre 720°C et 740°C.
  • A titre indicatif, les diamètres internes usuels des tubes utilisés sont généralement compris entre 3 et 15 mm.
  • Il est préférable de choisir les alliages du tube ou système de tubes et de la pièce coulée de telle sorte que la température de fusion de l'alliage de la pièce moulée soit inférieure ou égale à celle du métal (ou alliage) constituant les tubes (ou système de tubes).
  • Pendant la phase de remplissage, le temps de contact entre le système de tubes et le métal fondu doit être inférieur à 10 secondes, et de préférence 5 secondes.
  • Le tube (ou système des tubes) peu(ven)t aussi être refroidi(s) au cours de l'opération de coulée par une circulation d'un fluide de refroidissement, tel que l'air comprimé ou la vapeur d'azote liquide.
  • L'invention sera mieux comprise à l'aide de l'exemple suivant, illustré par les figures 1 à 3 et, reproduisant les conditions de coulée d'une partie de culasse.
  • La figure 1 représente une vue en coupe d'un tube et de ses piquages en place dans un moule de coulée, en élévation (1A) selon la ligne II-II de la fig.1B et en plan (1B) selon la ligne I-I de la fig.1A.
  • Par souci de clarté des dessins le système d'alimentation de la pièce coulée en gravité n'est pas représenté.
  • La figure 2 montre en coupe le détail de la jonction d'un piquage sur le tube principal à l'aide d'une collerette conformée et collée (fig.2A à 2D) à différentes étapes de conformation.
  • La figure 3 représente le détail de la jonction d'un piquage sur le tube principal par emmanchement à force, la figure 3A étant une vue en élévation d'un piquage, la fig.3B une vue en bout et la fig.3C, une coupe axiale de l'emmanchement à force obtenu.
  • Un tube 1 muni de 3 piquages fermés 2 est placé dans un moule 3 constitué d'une partie inférieure 4 et d'une partie supérieure 5, s'appuyant entre elles par le plan de joint 6; le tube 1 a les dimensions suivantes : diamètre 12 X 8 mm et les piquages diamètre 6 X 4 mm. Le moule est constitué d'un mélange PET-SET de la societé "ASHLAND AVEBENE" dont la composition est :
    • silice 55AFA
    • isocyanate : 0,6% (en poids)
    • résine phénolique : 0,6% (en poids)
    • catalyseur PP 3/4 = 20% de la quantité de résine (en poids).
  • Les piquages sont munis d'une collerette 7, conformée et collée sur le tube principal 1 à l'aide d'une colle 10 cyanoacrylique (Black Max de la societé "LOCTITE").
  • Le tube principal 1 possède un coude d'extrémité 8 placé dans la partie 9 du moule 3, avec un jeu 12 compris entre 1 et 2 mm, qui permet de positionner avec précision le tube (1) muni de ses piquages dans le moule 3. L'autre extrémité aplatie 13 du tube 1 de 50 cm de longueur, est droite et peut coulisser dans la partie 10 du moule 3 (libre dilatation thermique vers l'extérieur du moule).
  • Les collerettes sont obtenues par écrasement axial du tube 2 constituant les piquages (fig.2A, B et C) et après conformation, celles-ci sont collées sur le tube 1 (fig.2D).
  • La pénétration du piquage dans le tube a lieu sur une longueur 1 de l'ordre du mm.
  • Le tube 1 et ses piquages étant positionnés dans le moule 3, comme cela vient d'être décrit, on coule dans la cavité 11 un alliage AS5U3G à une température de 730°C et à une vitesse de 120 l/minute.
  • Après solidification, on démoule la pièce munie de son système de canaux intégrés, laquelle est ensuite débarrassée des surlongueurs inutiles, 8 et 13, par exemple.
  • Un autre mode de jonction du piquage 2 sur le tube 1 est représenté à la fig.3.
  • Il consiste à former par repoussage à l'extrémité du piquage des rainures longitudinales 20 sur sa face externe, ce qui forme de légers bourrelets longitudinaux 21 de hauteur a (environ 0,3 mm) et un bourrelet d'extrémité 22.
  • Le tube est ensuite chanfreiné sur une longueur b de l'ordre du mm, puis emmanché à force dans l'ouverture 23 du tube 1 jusqu'à ce que les bourrelets 22 servant de butée assurent la profondeur de pénétration 1 recherchée.
  • Le procédé selon l'invention permet d'obtenir des pièces ayant un système de canaux internes pouvant présenter un dessin complexe, sans recourir à un usinage précis et long sur machines spécialisées, et sans avoir à reboucher les sorties des canaux usinés inutiles en service et simplement exigées par les étapes de perçages.
  • Ce procédé simple et peu coûteux est adaptable à la production en série de toutes sortes de pièces moulées telles que des culasses, des cylindres et valves de compresseurs, des systèmes de lubrification, des convecteurs, etc...

Claims (17)

  1. Procédé d'obtention d'une pièce moulée en A1 ou ses alliages contenant des canaux intégrés caractérisé en ce que
    - un tube (1) (ou système de tubes) en aluminium ou un de ses alliages d'épaisseur supérieure ou égale à 1 mm, préalablement conformé est placé dans un moule (3) dans une position déterminée, les extrémités du tube (ou du système de tubes) étant à l'extérieur du moule ou des noyaux qui y sont insérés
    - on coule l'alliage de la pièce dans la cavité du moule
    - après démoulage on élimine les parties excédentaires du tube (ou du système de tubes)
  2. Procédé de coulée selon la revendication 1 caractérisé en ce que la pièce moulée en aluminium ou ses alliages est une culasse.
  3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le système de tubes est constitué par un tube (1) pouvant être muni d'un ou plusieurs piquages (2).
  4. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que les piquages (2) sont fixés sur le tube (1) par des collerettes conformées (7) et collées (10).
  5. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que les piquages (2) sont fixés sur le tube (1) par emmanchement à force.
  6. Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que l'extrémité du piquage (2) est muni de rainures longitudinales (20) obtenues par repoussage, avant emmanchement à force.
  7. Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6 caractérisé en ce que le serrage au diamètre est positif pouvant aller jusqu'à 5/10 de mm.
  8. Procédé selon l'une des revendications 4 à 7 caractérisé en ce que le (ou les) piquage(s)(2) pénétre(nt) dans le tube (1)
  9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que la pénétration 1 est de l'ordre du mm.
  10. Procédé selon une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le tube (ou le système de tubes) (1) est positionné avant coulée dans le moule (1) de façon parfaitement centrée, avec la possibilité de dilatation axiale des tubes et un blocage en rotation.
  11. Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que le positionnement du tube (ou système de tubes) est réalisé par un coude à 90° (2) externe à la partie utile de la pièce moulée (1), inséré dans un noyau (9) externe au moule avec un jeu (12) et par l'extrémité aplatie (13) du tube.
  12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que pendant la coulée de la pièce on fait circuler un fluide de refroidissement dans le tube (ou système de tube) (1).
  13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12 caractérisé en ce que la température de fusion du tube (ou système de tubes) est supérieure ou égale à celle de l'alliage coulé constituant la pièce moulée.
  14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13 caractérisé en ce que l'alliage constituant la pièce moulée est de l'aluminium commercialement pur (type A5)
  15. Procédé selon l'une des revendications 1 à 14 caractérisé en ce que la température de coulée est inférieure à 760°C.
  16. Procédé selon la revendication 15 caractérisé en ce que la température de coulée est comprise entre 720°C et 740°C.
  17. Procédé selon l'une des revendications 15 ou 16 caractérisé en ce que le temps de contact entre le tube (ou système de tubes) et le métal fondu est inférieur à 10 secondes, et de préférence 5 secondes.
EP91420284A 1990-08-02 1991-07-31 Procédé de réalisation d'une pièce moulée en aluminium ou ses alliages munie de canaux intégrés Expired - Lifetime EP0470021B1 (fr)

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