EP1301298B1

EP1301298B1 - Equipement de moulage de pieces de fonderies avec des moyens perfectionnes de positionnement de noyaux de sable, et procede de positionnement associe

Info

Publication number: EP1301298B1
Application number: EP01956609A
Authority: EP
Inventors: Philippe Meyer
Original assignee: Montupet SA
Current assignee: Montupet SA
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2021-07-19
Also published as: FR2812572B1; WO2002007914A1; DE60122340D1; DE60122340T2; FR2812572A1; EP1301298A1; ATE336313T1; US6942007B2; MXPA03000559A; HUP0302946A2; US20040099398A1; HU226303B1

Description

La présente invention concerne d'une façon générale un système de positionnement de noyaux en moulage d'aluminium en moules métalliques

Arrière plan de l'invention

Lors de la coulée avec noyaux de sable de pièces de fonderie notamment en alliage d'aluminium ou autre alliage léger, la précision de positionnement des noyaux en sable participe à la précision dimensionnelle des pièces moulées en moule métallique de façon déterminante, puisqu'elle affecte l'essentiel des formes intérieures de la pièce moulée et une partie des formes extérieures.
Plus précisément et à titre d'exemple, dans le cas du moulage de culasses de moteurs thermiques pour véhicules automobiles, des fonctions moteur importantes sont directement liées au positionnement des noyaux : il en est ainsi des conduits ou pipes d'admission et d'échappement, totalement réalisés par noyautage, et dont la précision de positionnement a une influence directe sur les performances du moteur (puissance, consommation, émissions polluantes, etc.)
Or l'interaction entre les noyaux et les éléments de moule métalliques pose des problèmes qui vont à l'encontre de la maîtrise du positionnement dimensionnel. En effet les noyaux sont en général réalisés à partir d'un mélange de sable (le plus souvent la silice) de granulométrie bien définie et de liants chimiques organiques qui assurent la cohésion et la résistance du noyau.
Ces liants sont durcis conventionnellement selon deux grandes familles de procédés de noyautage, à savoir la technique dite de la « boite froide » (c'est-à-dire grâce à l'intervention d'un catalyseur chimique gazeux) et la technique dite de la « boite chaude » (c'est-à-dire grâce à l'apport de calories par la boite à noyaux elle-même portée en température). Mais que l'on retienne l'un ou l'autre de ces deux procédés de noyautage, les noyaux évoluent de façon similaire lors de la coulée. Ainsi, dès qu'ils sont placés dans le moule qui est lui-même à une certaine température, typiquement entre 80°C et 300°C pour les parties les plus froides et entre 400 et 500°C pour les parties les plus chaudes, les liants des noyaux commencent à se décomposer et à émettre des résidus gazeux.
Ce processus est en outre accéléré à la coulée de l'aluminium liquide qui pénètre dans le moule à des températures généralement comprises entre 600 et 750°C.
Ces résidus gazeux se condensent sur les parties métalliques du moule et créent localement des couches successives de calamine qui sont les résidus solides plus ou moins carbonisés de cette décomposition.
Ces résidus sont extrêmement durs et empêchent le bon positionnement des noyaux sur les parties métalliques.
Pour reprendre l'exemple des conduits d'admission ou d'échappement d'une culasse, le profil de chambre est réalisé en général par un élément de moule métallique refroidi qui permet d'accélérer localement le refroidissement de l'aluminium lors de sa solidification, et ce faisant d'affiner localement sa microstructure et d'accroître ses propriétés (résistance mécanique, tenue en fatigue à chaud et à froid, allongement à rupture, etc.)
C'est sur cet élément métallique refroidi que viennent s'appuyer les noyaux destinés à former ces conduits. Ainsi l'accumulation de calamine à la surface de contact de l'élément de moule métallique décale les noyaux de conduits, et perturbe la précision de positionnement, avec les inconvénients précités.
Ce problème ne peut être réglé pratiquement en fabrication qu'en laissant un jeu substantiel aux guidages et appuis situés à la surface des éléments métalliques qui interagissent avec les surfaces en vis-à-vis sur le noyau, et en maintenant la propreté de ces surfaces par des interventions régulières de nettoyage en fabrication, par exemple par brossage.
Ces dernières opérations perturbent la fabrication car elles rallongent les temps de cycle, détériorent le poteyage qui protège les éléments de moule vis-à-vis de l'aluminium liquide, et nécessitent de localement réparer ce poteyage en tant que de besoin.
Le' fondeur souhaite donc espacer ces nettoyages autant que possible, mais ceci est contradictoire avec l'élimination de l'accumulation de calamine.
Ainsi la pratique effective, en production, est un compromis entre ces différentes contraintes, ce qui limite la précision dimensionnelle de positionnement des noyaux sur les éléments métalliques.

Résumé de l'invention

La présente invention vise à pallier ces limitations de l'état de la technique.
Elle propose à cet effet, selon un premier aspect, un équipement de moulage de pièces de fonderie, en particulier de culasses de moteurs à combustion pour véhicules, tel que défini dans la revendication 1.
Certain aspects préférés, mais non limitatifs, de l'équipement de moulage selon l'invention sont définis dans les revendications dépendantes 2 à 9.
Selon un deuxième aspect, la présente invention propose un procédé pour positionner un noyau dans un moule pour la réalisation d'une pièce de fonderie tel que défini dans la revendication 10.
Des aspects préférés, mais non limitatifs, du procédé selon l'invention sont définis dans les revendications 11 à 15.

Brève description des dessins

D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante d'une forme de réalisation préférée de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :

la figure 1 est une vue en section longitudinale d'un équipement de moulage d'une culasse,
la figure 2 est une vue en section transversale, schématisée, du même équipement,
la figure 3 est une vue en section transversale, à échelle agrandie, d'un détail de l'équipement selon l'invention, et
la figure 4 est une vue en section longitudinale du détail de la figure 3.

Description détaillée d'un exemple de réalisation

En référence tout d'abord aux figures 1 et 2, on a illustré la réalisation classique d'une culasse CL par coulée en gravité dans un moule essentiellement composé d'une semelle métallique refroidie S, de chapes C et de tiroirs T en extrémités, ces tiroirs venant fermer le moule perpendiculairement aux chapes C.
Les formes intérieures comprennent des cavités formées par les noyaux de pipes d'admission Na, de pipes d'échappement Nech, de circulation d'eau Ne, de circulation d'huile et de toit Nht (voir en particulier figure 2), ce dernier noyau réalisant également les masselottes qui permettent d'alimenter la pièce en métal liquide lors de la solidification. Le moule est alimenté en métal liquide par le bas selon la technique usuelle de la coulée en gravité pour ce type de pièce, par un système d'attaque SA (figure 1).
La culasse est ici une culasse de moteur à quatre cylindres, 16 soupapes, diesel à injection directe. Pour ce type de culasse, la précision du positionnement des pipes d'admission, déterminée par la précision du positionnement des noyaux correspondants, est essentielle pour la maîtrise des performances du moteur.
L'ensemble moule-pièce-appendices de coulée est représenté schématiquement dans son ensemble sur la figure 1.
Selon l'invention chaque paire de pipes d'admission est munie d'inserts métalliques d'extrémités I, comme illustré schématiquement sur la figure 2 et plus en détail sur les vues agrandies des figures 3 et 4. La figure 4 illustre quant à elle, par une section longitudinale, le fait que l'insert I de la figure 3 relie en fait deux pipes d'admission, et illustre conjointement avec la figure 3 le guidage et les appuis réalisés par cet insert.
La présence de l'insert I a pour objet essentiel de mettre en contact l'élément métallique de moule non plus avec le noyau directement, mais avec le noyau par l'intermédiaire ce cet insert, solidarisé au noyau, et le cas échéant par un ou plusieurs autres inserts, notamment un autre insert à l'extrémité opposée du noyau. On notera à cet égard que le nombre et l'agencement des inserts dépendra pour l'essentiel de la configuration du noyau et de la précision requise pour son positionnement.
Chaque insert I présente avantageusement les caractéristiques suivantes :

il est solidarisé au(x) noyau(x) concerné(s) (ici deux noyaux Na1 et Na2 de pipes d'admission) en étant positionné dans la boite à noyau lors de la réalisation du ou des noyaux ;
il présente un corps principal 10 à partir duquel font saillie, côté noyau, un ou plusieurs appendices de scellement, ici deux appendices 111, 112 respectivement pour chacun des deux noyaux de pipes d'admission Na1 et Na2, ces appendices étant emprisonnés dans la masse de sable et de liants organiques au moment de la formation (tir) des noyaux, de telle sorte qu'après durcissement des liants, chaque noyau entoure ces appendices et qu'une liaison intime soit réalisée entre le noyau et l'insert ;
le corps 10 de l'insert intègre des formes aptes à réaliser son guidage et son positionnement, et donc celui du noyau, dans des formes généralement complémentaires prévues sur ou dans l'élément métallique de moule situé en vis-à-vis (ici la semelle S), comme on le verra en détail plus loin ;
l'insert est dessiné de telle sorte qu'il assure la surface de contact entre le noyau dont il est solidaire et l'élément métallique de moule en vis-à-vis de telle sorte que la calamine due à la dégradation à chaud du noyau ne perturbe pas le positionnement du noyau muni de son ou de ses inserts sur l'élément métallique ;
la forme de l'insert I est choisie pour qu'il puisse être facilement réalisé, par exemple par un procédé de moulage métallique, notamment d'aluminium sous pression, en choisissant un matériau compatible avec l'alliage de la pièce à mouler, et qui en particulier ne pose pas de problème de compatibilité à la refusion ;
en outre, quel que soit le procédé de réalisation choisi pour le ou les inserts, il est préférable de définir toutes les formes et surfaces de guidage et d'appui sur un même élément de l'outillage (typiquement un même élément de moule) de réalisation des inserts. Ceci permet d'éviter des décalages mutuels indésirables dans ces formes et surfaces, ce qui pourrait être le cas notamment si certaines d'entre elles étaient obtenues par des tiroirs dont le positionnement lors du moulage n'est pas toujours garanti avec une bonne précision.

On va maintenant décrire en détail, à titre d'exemple, des guidages et appuis possibles pour des inserts dans les trois directions de l'espace telles qu'indiquées sur la figure 4, x désignant la direction longitudinale de la culasse, y sa direction transversale et z la verticale.
Dans une forme de réalisation de base, chaque insert est apte à définir un positionnement précis du noyau associé en coopérant avec l'élément métallique de moule selon des surfaces définissant des appuis selon chacun des axes x, y et z.
Ainsi, dans le présent exemple, le corps 10 de l'insert est reçu dans une cavité généralement complémentaire 20 formée dans la semelle S, et présente sur sa face inférieure une cavité 12 de forme générale parallélépipédique dans laquelle s'encastre une protubérance généralement complémentaire 211 (aux jeux - minimes - près) en saillie à partir du fond de la cavité 20. Ceci assure le positionnement de l'insert et donc du noyau selon les axes x et y. En outre, l'insert possède au voisinage de sa cavité 12 une surface d'appui 123 apte à venir au contact de la surface de fond de la cavité 20 de la semelle, de façon à réaliser le positionnement de l'insert et du noyau selon l'axe z.
La figure 4 en particulier illustre d'autres aménagements, à savoir 121, 122, 124 côté insert et 212 côté semelle, qui peuvent également intervenir pour le bon positionnement de l'insert.
On observe par ailleurs que, pour faciliter l'engagement du corps 10 de l'insert I dans sa cavité 20, on prévoit avantageusement au niveau des faces latérales d'insert et de la cavité un angle de dépouille relativement important.
Avantageusement, ce sont ces mêmes aménagements de l'insert (ici la cavité 12 et la surface 123) que l'on utilise pour positionner l'insert dans la boite à noyaux au moment du tir du noyau. De ce fait on optimise la précision dimensionnelle obtenue quant au positionnement du noyau dans le moule en ne se référant qu'à un seul jeu de surfaces de positionnement.
Dans certains cas, et notamment dans l'exemple d'une culasse à plusieurs cylindres, il n'est pas nécessaire de guider les noyaux d'admission dans chaque chambre selon les trois axes, car ces noyaux sont par ailleurs solidarisés entre eux par une partie de noyau commune Npa, comme illustré sur la figure 1.
Dans ce type de configuration, et dans l'exemple particulier d'un moteur à cinq cylindres, on peut prévoir que les inserts, ordonnés de 1 à 5 (un par cylindre), puissent coopérer avec des cavités formées dans la semelle S selon les guidages et les appuis suivants :

insert 1 :: selon y et z
insert 2 :: selon z
insert 3 :: selon x, y et z
insert 4 :: selon z
insert 5 :: selon y et z

Par ailleurs, Le noyau de toit appuie ici directement selon l'axe z sur la moitié des pipes d'admissions (voir figure 2), ce qui garantit l'appui en z des inserts et ce faisant de l'ensemble des noyaux de pipes d'admission Na. On notera ici que l'on pourrait également, si nécessaire, prévoir des inserts aux extrémités supérieures des noyaux Na.
Chaque insert I est réalisé par fonderie sous pression. Pour la réalisation de chaque ensemble de noyaux Na de pipes d'admission, cinq inserts sont placés dans la boite à noyaux avant le tir. Le procédé de noyautage est ici le procédé dit de « boite froide », et
caractérisé en l'espèce par une proportion de résine de 1% et par un sable siliceux de granulométrie 55 AFS.
Les culasses sont ici moulées en gravité avec un alliage standard de type AS7U3G, de composition :

Si : 6,0-8,5

Fe : ≤ 0,50

Cu : 2,8-3,8

Mg : 0,05-0,50

Zn : ≤ 0,30

Mn : ≤ 0,30

Ti : ≤ 0,25

Autres

seul : 0,05%

ensemble : ≤0,15%

(valeurs en % pondéraux)
La température de coulée (mesurée dans le four de maintien) est de 740°C. La semelle S est refroidie à l'eau. La cadence de coulée est de 7 à 8 pièces/heure.
Par rapport aux départs d'usinage, situés au niveau de la semelle, de la culasse brute de moulage, le guidage par insert(s) réalisé selon l'invention permet d'obtenir sur une coulée de 30 culasses consécutives issues d'une journée de fabrication un positionnement des extrémités de conduits d'admission (mesuré sur pièces après refroidissement, dessablage, élimination des systèmes de masselottage et d'alimentation en métal et des inserts) caractérisé par un écart type inférieur ou égal à 0,1 mm dans les trois directions de l'espace x, y et z.
Par ailleurs on observe visuellement que les formes de guidage de l'insert restent très propres, et notamment exemptes de calamine, ce qui assure la reproductibilité du guidage dans le temps.

Exemple comparatif

La même culasse montée selon les mêmes principes et avec le même alliage, mais avec un guidage direct des noyaux de pipes d'admission dans la semelle métallique, permet d'obtenir des précisions en positionnement en x, y et z qui sont au mieux comprises entre 0,20 et 0,25 mm. La cadence de moulage en raison de l'entretien régulier du moule en cours de fabrication chute de l'ordre de 5% à 10% par rapport à l'exemple selon l'invention.
Bien entendu, la présente invention ne se limite nullement à la forme de réalisation décrite en particulier ci-dessus, mais l'homme du métier saura y apporter de nombreuses variantes et modifications.

Claims

Equipement de moulage de pièces de fonderie, en particulier de culasses de moteurs à combustion pour véhicules, dans un moule (S, T, C) à au moins un noyau de sable (Na1, Na2), dans lequel le positionnement du ou de chaque noyau est réalisé par coopération du noyau avec un élément (S) de moule, notamment un élément métallique de moule, caractérisé en ce qu'au moins un noyau possède un insert métallique (I) solidarisé au noyau lors de la réalisation dudit noyau et par l'intermédiaire duquel ledit noyau est apte à venir coopérer avec l'élément de moule considéré.
Equipement de moulage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou chaque insert (I) possède un ou plusieurs appendices de scellement (111, 112) aptes à être emprisonnés dans la masse du ou des noyaux (Na1, Na2) lors de la réalisation de celui-ci ou de ceux-ci.
Equipement selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'au moins deux noyaux (Na1, Na2) possèdent un insert commun (I) pourvu d'autant d'appendices de scellement (111, 112).
Equipement selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que la coopération entre le ou chaque insert (I) et l'élément (S) de moule associé est une coopération de formes définissant un appui dans au moins une direction de l'espace.
Equipement selon la revendication 4, caractérisé en ce que la coopération de formes entre le ou chaque insert (I) et l'élément (S) de moule associé définit un appui dans deux directions de l'espace.
Equipement selon la revendication 4, caractérisé en ce que la coopération de formes entre le ou chaque insert (I) et l'élément (S) de moule associé définit un appui dans trois directions de l'espace.
Equipement selon la revendication 4, caractérisé en ce que la coopération de formes entre le ou chaque insert (I) et l'élément (S) de moule associé définit un calage dans au moins une direction (x, y) de l'espace transversale à une direction principale (z) d'appui de l'insert.
Equipement selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de noyaux réalisés d'un seul tenant et auxquels sont solidarisés une pluralité d'inserts (I) aptes à coopérer avec un même élément (S) de moule, et en ce que les différents inserts (I) réalisent des appuis et/ou des calages différents dans les trois directions de l'espace.
Equipement selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les noyaux (Na1, Na2) sont des noyaux de pipes d'admission d'une culasse (CL) d'un moteur à plusieurs cylindres.
Procédé pour positionner un noyau (Na1, Na2) dans un moule pour la réalisation d'une pièce de fonderie (CL) comportant au moins une cavité définie par l'emplacement du noyau, telle qu'une culasse de moteur à combustion réalisée en alliage d'aluminium, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
on réalise un insert métallique (I) comportant au moins une surface d'appui (12, 123) apte à coopérer avec un élément (S) de moule, et au moins un élément (111, 112) d'ancrage avec le noyau,

on réalise le noyau dans une boîte à noyaux dans laquelle l'insert (I) a été préalablement placé dans une position prédéterminée, de telle sorte qu'une région d'extrémité du noyau ancre ledit insert au niveau du ou des éléments d'ancrage de celui-ci, et

on place le noyau muni de son insert dans le moule, dans une position prédéterminée par la coopération de la ou des surfaces d'appui de l'insert avec ledit élément de moule.
Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la position prédéterminée de l'insert dans la boîte à noyaux est déterminé par la coopération de la ou des surfaces d'appui (12, 123) dudit insert avec une partie d'appui (211, 20) de la boîte à noyaux.
Procédé selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que l'étape de réalisation du noyau comprend la réalisation d'au moins deux noyaux (Na1, Na2) auxquels est ancré un insert commun (I).
Procédé selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que l'insert (I) est réalisé par moulage métallique sous pression.
Procédé selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que le noyau (Na1, Na2) est un noyau de pipe d'admission.
Procédé selon l'une des revendications 10 à 14, caractérisé en ce que le noyau est réalisé par la technique de la boîte froide.