WO1997035679A1 - Procede et dispositif de simulation de remplissage de moules de fonderie - Google Patents

Procede et dispositif de simulation de remplissage de moules de fonderie Download PDF

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WO1997035679A1
WO1997035679A1 PCT/FR1997/000515 FR9700515W WO9735679A1 WO 1997035679 A1 WO1997035679 A1 WO 1997035679A1 FR 9700515 W FR9700515 W FR 9700515W WO 9735679 A1 WO9735679 A1 WO 9735679A1
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casting
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computer
flow
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PCT/FR1997/000515
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Pierre Laurent Merrien
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Pierre Laurent Merrien
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D18/00—Pressure casting; Vacuum casting
    • B22D18/08—Controlling, supervising, e.g. for safety reasons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D46/00—Controlling, supervising, not restricted to casting covered by a single main group, e.g. for safety reasons

Definitions

  • the present invention relates to a new method for simulating the flow of metal in foundry molds intended to concretely visualize the phenomena which occur during filling in the different casting modes - in gravity,
  • the prior art has endeavored to resolve these two problems in particular since the 1950s and in two parts
  • thermodynamics and mechanics including mainly those of conductivity, convection, radiation, changes of state to study heat exchanges in molds by reducing complex forms to combinations of simple elementary forms ( plates, cylinders, spheres) for which we knew how to calculate heat exchanges with the outside.
  • the Simulation methods determine from a defined casting system the speed vector at each point of the mold (size and orientation), thus making it possible to predict the zones of turbulence, air entrainment, non-arrivals, etc. By iteration it is possible to modify the design of the casting system until there is a probability of a real satisfactory result in the subsequent casting with the metal,
  • the simulation processes determine, for a defined mold structure (geometry, nature of the materials) the temperature evolution at each point, therefore the probability of metallurgical defects (shrinkage, large grains, etc.) .). They therefore allow, by iteration, to modify the indicated characteristics of the mold until obtaining, as previously, a probability of satisfactory result with the metal.
  • the current simulation methods attach simultaneously to the two flows and are computer calculation methods which derive their justification from the agreement with the facts of the consequences which result therefrom, that is to say of the presence or not of metallurgical defects at the calculated endts
  • the object of the present invention is to carry out a concrete visualization of the flow which would occur with the metal, in the entire mold and at room temperature.
  • the metal is replaced by a liquid which has the same flow characteristics as the alloy concerned (viscosity, density) for the usual cases that are aluminum or magnesium alloys.
  • These special process liquids are called SIMALLOYS®.
  • the mold is produced in transparent walls, with the real shapes of the part to be studied, that is to say from the real foundry model if it exists,
  • the essential object of the simulation apparatus is therefore to determine the casting parameters for the actual operation without modifying the shapes of the mold, which is a very significant economic advantage.
  • FIG. 1 is the diagram of an installation allowing the process to be implemented for all of the flows controlled in "counter gravity”,
  • FIG. 2 is a diagram of an installation allowing the implementation of the process for gravity casting
  • a sealed tank 1 closed by a tray 2 contains a liquid 3 having the same viscosity and density as l alloy to be subsequently cast as part of the liquids previously named SIMALLOYS® For aluminum alloys
  • the various liquids are introduced into or removed from the tank by a pump 4 associated with its inlet 5 or outlet 6 valves and its reservoirs 7.
  • the liquids further include:
  • This consists of walls of about 6 to 8 mm of transparent, flowable polymer, which polymerizes at room temperature, for example polyesters or epoxies.
  • the shape is obtained by molding on the foundry model created for real operations with the metal. Blocks and cores are assembled and remoulded as on the real sand mold.
  • tubes 13 provided with solenoid valves 14 are arranged on the mold. They remain open during filling and are closed by computer 0 when a presence sensor 15 at the top of the mold indicates that filling is finished.
  • An identical outlet 16 with its solenoid valve 17 carries a pressure sensor 18 which measures the pressure in the mold during its evacuation or its filling. The information is transmitted to the computer which uses it for its piloting calculations.
  • Presence sensors 19 with electrical detection already indicated on page 4 line 20 and constituted by metallic wires brought to potential about 24 volts, are placed in the mold to indicate to the computer the presence of the liquid which puts them at potential 0. These sensors are placed in places where the study of the part design predicts that changes in the speed of the liquid are necessary.
  • the mold is under a sealed, transparent vacuum bell 20 which carries:
  • Line 21 also carries an all-or-nothing shut-off valve 24 controlled by the computer and a fast vacuum line with piloted valve 23 j and flow regulator 23-. as on the pressurization line, - a vent valve 25 allowing the bell to be brought back to atmospheric pressure in a particular phase of the cycle,
  • a pressure sensor 26 similar to 18 and which enters into operation after the stop of 18 after filling the mold.
  • the sealed tank 1 is provided with a pressurization line 27 which comprises - nitrogen bottles 28 to 200 bars with pressure regulators 29 delivering a pressure of 3 bars in the circuit,
  • this line 31 carries a set 32 of 15 branches grouped according to FIG. 7: the nitrogen for pressurization arrives at A and leaves at B -; on the entry ramp each branch from N ° 2 to N ° 15 carries a flow limiter 2 [ . 3 ⁇ 15 1 and a pilot valve 2 ⁇ 3 ⁇ .... 15 ⁇ - These two valves are at low flow (opening diameter 2 mm) flow also adjusted beforehand using the flow limiter when adjusting the device. They can operate from very low pressures, close to 0.
  • the bypass N c l carries the same flow limiter l t and a valve identical to the preceding 1 7 and in addition a needle restrictor I3. This member is a flow regulator by the advancement by rotation of its conical needle moving in an opening of the same conicity. The rotation is done by a stepper motor 1 4 capable of turning in both directions and controlled by the computer.
  • This set of bypass 1 operates in conjunction with an identical part of the line 33 in Figure 1 which ensures the decompression of the tank.
  • This line 33 is divided into 2:
  • piloted line 361 carrying the assembly 36 which has the same structure as the assembly 32 of the pressurization page 6 line 33 (15 piloted low flow valves with their flow limiters plus 1 needle restrictor and 1 motor pilot).
  • the piloting principle is a new principle forming part of the invention. It is implemented in 2 distinct phases
  • the pressurizing device During filling: at a given time t after the start of the cycle, the pressurizing device must ensure in the tank a rise speed of dP pressure - which will be variable along the cycle and is stored in the computer .
  • the computer calculates the number of valves that it must open among the 15 constituting the assembly 32.
  • the valve U is open and the needle restrictor 1 3 is in the position it had at the end of previous cycle.
  • the flow rate of this set of branch No. 1 corresponds to leaks from the device and during filling this branch No. 1 remains in this position.
  • the computer therefore opens n valves in the group from N c 2 to No. 15.
  • the pressure sensor 37 fixed on the tank informs it of the pressure increase in a given time interval; if it is too weak the computer opens other valves, if it is too strong it closes.
  • Valves 1 2 for assemblies 32 and 36 are open as shown on page 7 line 26.
  • the computer O rotates the restrictor needle 1 3 by the motor 1 4 associated to the assembly 32 and the restrictor 3 by the needle 1 motor 1 4 associated with the assembly 36 in order to smoothly stabilize the pressure in the tank.
  • the pressure sensor 37 (precision 1 millibar) informs the computer which plays with the motors 1 4 of the 2 lines to maintain the pressure level in this interval. This new valve piloting process could justify the term piloting in organ play R.
  • the computer knows that it has to lower the 2 enclosures (with mold) to dP a given residual vacuum V c at a determined speed - but at all times keeping a pressure difference of between 30 and 40 millibars between the tank and the mold, the mold being at lower pressure to avoid it. - on the one hand that the air from the mold is not sucked into the tank through the tube and does not project the liquid (this would be the case if the mold was at a pressure higher than that of the tank),
  • the tank alone descends to reach this level.
  • the computer opens or closes in each set 23 and 36 the number of valves necessary to achieve this result.
  • the computer implements the N ° 1 leads with restrictor - motor of assemblies 23 and 36 as for maintaining pressure described above.
  • the 2 chambers are kept under vacuum until the operator and the computer have verified that all the conditions are satisfied for casting.
  • the computer isolates the tank from the vacuum pump by closing the valve 38, it opens the valve to the tank 39 open air and it introduces nitrogen into the oven through the setting line. in pressure 27 It opens or closes the valves of the assembly 32 as indicated previously in the pouring in the absence of vacuum in order to respect the speeds of pressurization of the tank.
  • the computer applies the overpressure (phase SP in figure 8) At the end of the overpressure the valve 25 for venting the bell opens and the bell 20 containing the mold is brought back to atmospheric pressure quickly (2-3 seconds) At the end of the overpressure there was between the tank and the bell a pressure difference ⁇ P figure 8. While the bell starts to pressure atmospheric the computer raises the pressure in the tank by the rapid inflation line 30 in Figure 1 to keep the same pressure difference ⁇ P between tank and bell. When the bell is at atmospheric pressure, the tank is at a final pressure P f which is maintained as for the maintenance described above (the valve 25 for venting to the open air is open and the branches No. 1 of the assemblies 32 and 36 operate by their engine)
  • the 2 flanges of the pouring tube are provided with seals 41. 42. 43
  • a leak along 41 would give movement of gas in the atmosphere-tank direction in the vacuum phases or in the cuv e-atmosphere direction in the pressure phases In no case would gas be introduced into the liquid contained in the pouring tube On the other hand at the upper seals 42. 43 a leak in the vacuum phases would introduce air into the liquid contained in the tube, liquid placed under approximately 30 millibars of residual vacuum
  • the volume of the air bubble would be instantly multiplied by 300 and it would explode in the liquid in the form of a cloud of fine bubbles which would interfere with all observations.
  • the volume would be multiplied by 1000 due to the simultaneous effect of vacuum and temperature (750 ° C) and the part would be unusable.
  • the seals 42 and 43 must therefore ensure a perfect seal with a vacuum face.
  • the simulation machine is provided with a watertight and elastic bellows 44 which connects the 2 plates 2 and 1 1.
  • the bellows is metallic to represent the operation of the same bellows which will be placed on the real machine.
  • the chamber 45 thus formed between the 2 plates and the pouring tube is placed in communication with the vacuum chamber containing the mold through the orifice 46.
  • the chamber 45 and the chamber 10 are therefore at the same pressure throughout the cycle .
  • the seal 41 has between its 2 faces a pressure difference of about 30 millibars which is that existing during the vacuuming between the bell and the oven. It is therefore very little used and its operation is, as indicated, without influence on the liquid.
  • This plate 47 carries a seal 49 in its cold part and therefore the seals 42 and 43 are at the same pressure on their internal face (liquid side) and external (seal side 49) and no gas bubble can pass through liquid or metal O 97/35679 PC17FR97 / 00515
  • This set of arrangements built around the bellows 44 is essential for the quality of the observations in the simulation machine and for the quality of the part cast in the real machine.
  • This sensor is necessary to obtain correct control, that is to say to obtain at a given instant after the start of the injection,
  • the liquid has a predetermined position, - with a predetermined vertical speed on the front of the liquid.
  • ⁇ P difference at time t between the tank and the mold
  • H L height of the liquid in the tank above the same reference as H M at the start of the cycle (time 0).
  • pg specific mass of the liquid (2.4 g / cm 3 for Al, 1.6 g / cm 3 for Mg).
  • ⁇ H C decrease in height of the liquid in the tank from time 0 to time t fi * geu v re 12.
  • K t coefficient of friction at time t (instant coefficient)
  • ⁇ 1 vertical speed of the liquid in the mold on the front which flows at dt time t. dH
  • the computer will calculate the speed. It is the sensor 40 Fig. l and N ° l Fig. 12. A float moves with the liquid, it drives 2 toothed wheels 40 j and 40 2 (Fig. 1) and the axis of 40 2 is connected to a commercial type angle measurement sensor which gives the computer the angular position on the float with an accuracy of 1/10 of a degree. dP
  • the computer calculates the values of ⁇ P and - - to be applied in the tank to have dH M H M and - - - taking into account these elements related to the position of the liquid. They can become predominant in the case of large mussels and represent more than 50% of the ⁇ P.
  • the 2 conditions of the movement of the liquid indicated on page 10 lines 22-23 are related to the density of the liquid by the factor pg. We can therefore calculate the pressure and pressure velocity conditions to be applied in the tank at an instant t to obtain the position and speed of the liquid of density pg at this instant.
  • the coefficient of friction by K 0 , and its instantaneous value K t will introduce a difference. They will be measured from the 1st filling test with metal or may be known from previous tests.
  • the film recordings for the simulated aluminum flow will give the aluminum Reynolds numbers in the critical turbulence zones and it will be possible to predict what will be the movement of the denser liquid and of different viscosity in these zones.
  • the visualization techniques are the same.

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Abstract

Procédé de simulation d'écoulement de métal dans un moule destiné à permettre de visualiser et d'optimiser cet écoulement par modification du système de coulée dans les coulées en gravité ou des paramètres à appliquer dans les coulées en 'contre-gravité' particulièrement en coulée sous basse pression pilotée avec moule maintenu sous vide, le procédé étant caractérisé en ce qu'on remplace le matériau à simuler par un liquide ayant à la température ambiante la même densité et la même viscosité que ledit matériau à sa température habituelle de coulée (720 à 780 °C). Appareil mettant en oeuvre le procédé précédent comprenant une cuve étanche (1), contenant le liquide de simulation (2), un moule transparent (3) sous une cloche à vide (4), un tube (5) reliant le liquide au moule, un capteur de mesure à hauteur du liquide dans la cuve (6), un ensemble de cuves et pompe (7) permettant d'introduire les différents liquides de simulation dans la cuve, un ensemble de vannes spéciales (8, 9, 10) permettant de mettre sous pression, de décomprimer et de mettre sous vide cuve ou cloche, un ordinateur (11) recevant les informations des différents capteurs et donnant des ordres aux actionneurs pour faire respecter les paramètres de coulée inscrits dans l'ordinateur. L'appareil permet de visualiser l'écoulement, de filmer et analyser les turbulences, de modifier les paramètres de coulée (vide, pression, temps) pour obtenir l'écoulement optimal. Ces paramètres sont ensuite appliqués dans la machine réelle de coulée de métal. Les 2 appareils - appareil de simulation et machine de coulée réelle - ont en commun les lignes de mise en pression, de compression, de mise sous vide et de contrôle.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE SIMULATION DE REMPLISSAGE DE MOULES DE FONDERIE
La présente invention concerne un nouveau procédé de simulation d'écoulement de métal dans des moules de fonderie destiné à visualiser concrètement les phénomènes qui se produisent pendant le remplissage dans les différents modes de coulée - en gravité,
- et en "contre gravité", ce terme désigant les procédés de coulée où le métal est mis en mouvement par des forces autres que la gravité et tout spécialement dans ce dernier groupe, la coulée pilotée sous basse pression d'un moule maintenu sous vide. Cette simulation concrète est faite :
- dans des moules de structure et de dimensions réelles, obtenus à partir de modèles réels de fonderie,
- les moules étant transparents,
- et les liquides utilisés pour les cas habituels (aluminium, magnésium), ayant les mêmes caractéristiques d'écoulement (densité, viscosité) que les alliages réels concernés.
On sait en effet que les deux grands problèmes de base de la fonderie sont :
- la maîtrise de l'écoulement de métal,
- et la maîtrise de l'écoulement de chaleur. Le premier concerne le remplissage du moule pendant lequel les turbulences peuvent créer des bulles et des oxydes qui restent mclus dans le métal.
Le second concerne les échanges de chaleur entre le métal et l'extérieur, moule et atmosphère. Ces échanges commencent dès le début du remplissage variant en fonction de ses caractéristiques (vitesses, temps,...) et les deux écoulements sont donc liés. L'art antérieur s'est attaché à résoudre ces deux problèmes en particulier depuis les années 1950 et sous tonne de deux phases
1) dans la période 1950 - 1980 les études ont été faites en appliquant d'une façon macroscopique les lois de la physique classique, - lois de la mécanique des fluides pour déterminer les meilleures formes des systèmes de coulée (descentes, chenaux, attaques),
- lois de la thermodynamique et de la mécanique dont essentiellement celles de la conductibilité, de la convection, du rayonnement, des changements d'état pour étudier les échanges de chaleur dans les moules en ramenant les formes complexes à des combinaisons de formes simples élémentaires (plaques, cylindres, sphères) dont on savait calculer les échanges de chaleur avec l'extérieur.
2) dans la 2ème période, depuis 1980 environ, l'utilisation d'ordinateurs de plus en plus performants a permis le développement de procédés qui permettent de calculer de façon fine les caractéristiques des deux écoulements : - pour l'écoulement de métal, les procédés de simulation déterminent à partir d'un système de coulée défini le vecteur vitesse en chaque point du moule (grandeur et orientation) permettant donc de prévoir les zones de turbulences, d'entraînement d'air, de non venues etc.... Par itération on peut modifier le dessin du système de coulée jusqu'à avoir une probabilité de résultat réel satisfaisant dans la coulée ultérieure avec le métal,
- pour l'écoulement de chaleur, les procédés de simulation déterminent, pour une structure de moule définie (géométrie, nature des matériaux) l'évolution de la température en chaque point, donc la probabilité de défauts métallurgiques (retassures, gros grains...). Ils permettent donc, par itération, de modifier les caractéristiques indiquées du moule jusqu'à obtenir, comme précédemment, une probabilité de résultat satisfaisant avec le métal.
Les procédés de simulation actuels s'attachent simultanément aux deux écoulements et sont des procédés de calculs informatiques qui tirent leur justification de l'accord avec les faits des conséquences qui en résultent, c'est à dire de la présence ou non de défauts métallurgiques aux endtoits calculés
Des visualisations concrètes d'écoulement en gravité ont été faites pour vérifier la validité des calculs, ce sont des coupes de moule par un plan en \erre réfractaire pour examiner l'écoulement de métal (aluminium) ou l'écoulement d'eau Ce sont donc des visualisations en 2 dimensions dans un plan L'objet de la présente invention est d'effectuer une visualisation concrète de l'écoulement qui se produirait avec le métal, dans la totalité du moule et à température ambiante.
Dans ce but 1) le métal est remplacé par un liquide qui a les mêmes caractéristiques d'écoulement que l'alliage concerné (viscosité, densité) pour les cas habituels que sont les alliages d'aluminium ou de magnésium. Ces liquides spéciaux du procédé sont appelés SIMALLOYS®.
2) le moule est réalisé en parois transparentes, avec les formes réelles de la pièce à étudier, c'est-à-dire à partir du modèle réel de fonderie s'il existe,
3) des dispositifs de visualisation de turbulences sont mis en oeuvre pour permettre de filmer les différentes phases,
4) les écoulements sont réalisés dans les conditions réelles de leur mise en oeuvre, c'est-à-dire à partir : - d'un creuset pour la coulée gravité,
- ou d'un appareil réalisant les différentes formes de .coulées en "contre gravité" en particulier la coulée pilotée sous basse pression avec moule maintenu sous vide. Font également partie du procédé des dispositfs spéciaux, entrant dans la structure de cet appareil, et créés spécifiquement pour le procédé afin que les écoulements visualisés ne soient pas perturbés par les imperfections de tels dispositifs. Il s'agit en particulier de vannes pilotées et d'un procédé nouveau de pilotage de ces vannes par l'ordinateur dirigeant l'appareil.
5) Les visualisations permettent
- de modifier les formes des systèmes de coulée, essentiellement dans le cas des coulées en gravité,
- mais en outre, pour les coulées en "contre gravité" pilotée , elles permettent de modifier les paramètres de coulée inscrits dans l'ordinateur (vitesse de liquide, pression, temps, vide...) pour obtenir le résultat d'écoulement optimum avec le liquide de simulation. Ces paramètres seront ensuite appliqués dans la machine réelle de coulée de métal. L'appareil de simulation a donc pour objet essentiel de déterminer les paramètres de coulée pour l'opération réelle sans modification des formes du moule, ce qui est un avantage économique très important.
L'appareil de simulation, sous ses deux formes pour gravité ou contre gravité est dénommé SIMFLOW®. D'autres caractéristiques ressortiront de la description qui \ a suivre d'un mode de mise en oeuvre du procédé selon l' invention , description donnée uniquement à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est le schéma d' une installation permettant la mise en oeuv re du procédé pour l'ensemble des coulées pilotées en "contre gravite" ,
- la figure 2 est le schéma d'une installation permettant la mise en oeuvre du procédé pour les coulées en gravité Dans l'installation représentée figure 1 une cuve étanche 1 fermée par un plateau 2 contient un liquide 3 ayant même viscosité et densité que l'alliage à couler ultérieurement faisant partie des liquides dénommés précédemment SIMALLOYS® Pour les alliages d'aluminium
- de densité à l'état liquide à 750°C de 2,4, - et de viscosité à l'état liquide à 750°C de 1 , 1 à 1 ,2 centipotses il a été constitué pour ces essais une solution de chlorure de zinc ZnCl2 dans de l'eau ayant à 20°C une densité de 2,4 et une viscosité de 1 , 15 centipoise. Pour les alliages de magnésium
- de densité à l'état liquide à 750°C de 1 ,6 - de viscosité à l'état liquide à 750°C de 1,05 à 1 , 15 centipoises il a été constitué une solution de chlorure de zinc ayant à 20°C une densité de 1,6 et une viscosité de 1, 1 centipoise.
Ces liquides sont conducteurs pour permettre la détection de leur passage sur des capteurs électriques par mise à la masse de fils portés préalablement à un potentiel différent. Par ailleurs ils n'entraînent pas de corrosion des matériaux métalliques de la cuve ou des matériaux organiques du moule et du tube d'injection.
D'autres compositions pourraient être envisagées.
Les différents liquides sont introduits dans la cuve ou en sont sortis par une pompe 4 associée à ses vannes d'entrée 5 ou de sortie 6 et à ses réservoirs 7. Les liquides comprennant en outre :
- une ligne d'eau de rinçage,
- et une solution d'acide acétique dans l'eau à 30 g/litre de solution qui est utilisée pour visualiser les écoulements dans des points particuliers car cette solution donne immédiatement par électrolyse, sous 24 volts par exemple, de fines bulles qui prennent naissance sur la tête d'un fil métallique placé à l'endroit de l'examen.
Par contre les solutions de chlorure de zinc donnent par électrolyse des images de particules brunes qui ne se redissolvent pas et obscurcissent les liquides La visualisation est alors îaite par des billes d'aluminium pur oxydées anodiquement, de même densité que le liquide ou pour le magnésium par des billes en polymère de densité 1 ,6. Les billes sont mises en mouvement par un agitateur 8 muni de son moteur 9 La plaque 2 porte un tube 10 transparent en plexiglass qui relie le moule au liquide. La plaque 1 1 de hauteur réglable porte le tube 10 avec ses joints d'étanchéité et le moule 12.
Celui-ci est constitué par des parois de 6 à 8 mm environ de polymère transparent, coulable, se polyméπsant à température ambiante par exemple des polyesters ou des epoxys La forme est obtenue par moulage sur le modèle de fonderie créé pour les opérations réelles avec le métal. Blocs et noyaux sont assemblés et remmoulés comme sur le moule réel en sable.
Pour permettre la sortie d'air de l'empreinte de ce moule non perméable, des tubes 13 munis d'électrovannes 14 sont disposés sur le moule. Elles restent ouvertes pendant le remplissage et sont fermées par l'ordinateur 0 lorsqu'un capteur de présence 15 à la partie supérieure du moule indique que le remplissage est terminé.
Une sortie identique 16 avec son électrovanne 17 porte un capteur de pression 18 qui mesure la pression dans le moule pendant sa mise sous vide ou son remplissage. L'information est transmise à l 'ordinateur qui s'en sert pour ses calculs de pilotage.
Des capteurs de présence 19 à détection électrique déjà signalés page 4 ligne 20 et constitués par des fils métalliques portés à potentiel 24 volts environ, sont disposés dans le moule pour indiquer à l'ordinateur la présence du liquide qui les met à potentiel 0. Ces capteurs sont placés à des endroits où l'étude du dessin de la pièce prévoit que des changements de vitesse du liquide sont nécessaires .
Le moule est sous une cloche à vide 20 étanche, transparente qui porte :
- une tubulure 21 liée à une pompe à vide 22 et portant un ensemble 23 constitué de vannes pilotées de mises sous vide analogues à celles qui seront décrites dans la ligne de mise sous pression de la cuve en page 6 ligne 33. Cet ensemble de vannes est piloté par l'ordinateur. La ligne 21 porte également une vanne de fermeture tout ou rien 24 commandée par l'ordinateur et une ligne de mise sous vide rapide avec vanne pilotée 23 j et régulateur de débit 23-. comme sur la ligne de mise en pression, - une vanne de mise à l'air libre 25 permettant de ramener la cloche à la pression atmosphérique dans une phase partιculιère,du cycle,
- un capteur de pression 26 analogue à 18 et qui entre en fonctionnement après l'arrêt de 18 après remplissage du moule.
- la sortie des capteurs de présence 19. Pour faire monter le liquide dans le moule, la cuve étanche 1 est munie d 'une ligne de mise en pression 27 qui comprend - des bouteilles d 'azote 28 à 200 bars avec mano détendeurs 29 délivrant dans le circuit une pression de 3 bars,
- un groupe de vannes pilotées constituant 2 lignes,
- l'une pour mise en pression rapide par une vanne pilotée tout ou rien 30 munie de son limiteur de débit 30j . Cette ligne servira après le remplisage du moule,
- l'autre 31 pour une mise en pression avec une précision de l'ordre de 1 millibar, capable de donner au liquide dans le moule une vitesse précise allant de 0 cm/seconde (l'immobilité a un niveau pouvant être prédéterminé) à 15 cm/sec de vitesse verticale avec un écoulement continu sans palier. On sait en effet que les vannes pilotées en tout ou rien (ouverture ou fermeture même à vitesse très rapide) ou les vannes proportionnelles connues ne peuvent réaliser actuellement ces deux objectifs, l'immobilité et l'absence de paliers. Le phénomène se traduit pour le liquide
- d'une part par des impulsions lors du remplissage avec des alternances de vitesses faibles ou nulles et de vitesses rapides autour d'une vitesse moyenne prédéterminée.
- d'autre part par des pulsations de la surface du liquide si on veut le maintenir à un niveau déterminé comme par exemple dans une coulée avec remplissage sous basse pression dans un moule ouvert (pour assurer dans le cas du métal une solidification sous gravité). Ces pulsations de la surface seront autant de mouvements du métal en cours de solidification dans le moule avec leurs conséquences négatives. Les figures 3 et 4 montrent les 2 cas :
- une courbe de remplissage et de maintien avec impulsions (Fig. 3),
- et une courbe de remplissage et de maintien sans impulsions (Fig. 4). La visualisation de ce phénomène peut se faire par des bulles d'hydrogène qui sont crées dans une solution d'acide acétique comme indiqué page 4 ligne 28. Dans un maintien avec impulsions les bulles dessinent des turbulences dans la masse du liquide à chaque impulsion (Fig. 5); dans le maintien sans impulsions les bulles se dégagent verticalement en lignes parallèles comme représente figure 6. La précision de fonctionnement de cette ligne 31 est obtenue
- par la structure de l'équipement qu'elle peme.
- et par le principe de pilotage de cet équipement.
La structure de l'équipement : cette ligne 31 porte un ensemble 32 de 15 dérivations groupées selon figure 7 : l'azote pour mise en pression arrive en A et sort en B - ; sur la rampe d'entrée chaque dérivation du N°2 à N° 15 porte un limiteur de débit 2 [. 3 ι 151 et une vanne pilotée 2τ 3τ .... 15^- Ces deux vannes sont à petit débit (diamètre d'ouverture 2 mm) débit également réglé préalablement à l'aide du limiteur du débit lors du réglage de l'appareil. Elles peuvent fonctionner à partir de pressions très faibles, voisines de 0. La dérivation Nc l porte le même limiteur de débit l t et une vanne identique aux précédentes 17 et en outre un restricteur à aiguilles I3. Cet organe est un régulateur de débit par l 'avancement par rotation de son aiguille conique se déplaçant dans une ouverture de même conicité. La rotation est faite par un moteur pas à pas 14 capable de tourner dans les 2 sens et commandé par l'ordinateur.
Cet ensemble de la dérivation 1 fonctionne en liaison avec une partie identique de la ligne 33 figure 1 qui assure la décompression de la cuve. Cette ligne 33 se divise en 2 :
- une ligne 34 portant une vanne de décompression rapide 35 et son limiteur de débit 351 ,
- et une ligne 361 pilotée portant l'ensemble 36 qui a la même structure que l'ensemble 32 de la mise en pression page 6 ligne 33 ( 15 vannes pilotées de petit débit avec leurs limiteurs de débit plus 1 restricteur à aiguille et 1 moteur piloté).
Le principe de pilotage est un principe nouveau faisant partie de l'invention. Il est mis en oeuvre dans 2 phases distinctes
- d'une part le remplissage du moule et la surpression,
- d'autre part le maintien sous pression qui représente la phase de solidification quand on opère avec le métal.
Pendant le remplissage : à un instant t donné après le départ du cycle, le dispositif de mise en pression doit assurer dans la cuve une vitesse d'élévation de dP pression — qui sera variable le long du cycle et est en mémoire dans l'ordinateur.
Elle a été déterminée par des abaques au départ puis par les essais qui ont précédé. Pour assurer cette augmentation de pression l'ordinateur calcule le nombre de vannes qu'il doit ouvrir parmi les 15 constituant l'ensemble 32. La vanne U est ouverte et le restricteur à aiguille 13 est dans la position qu'il avait à la fin du cycle précédent. Le débit de cet ensemble de ia dérivation N° l correspond aux fuites de l'appareil et pendant le remplissage cette dérivation N° l reste dans cette position. L'ordinateur ouvre donc n vannes dans le groupe de Nc2 à N° 15. Le capteur de pression 37 fixé sur la cuve l ' informe de l 'augmentation de pression dans un intervalle de temps donné ; si elle est trop faible l 'ordinateur ouvre d 'autres vannes, si elle est trop forte il en ferme.
Pour affiner les courbes de pression donc le mouvement du métal on pourrait multiplier le nombre de vannes et réduire leur débit unitaire. Les 15 retenues sont suffisantes pour les applications effectuées. La mise en surpression qui suit le remplissage correspond à une augmentation de pression et répond donc au même principe de pilotage.
Pendant le maintien en pression le liquide de simulation est soumis aux mêmes conditions que le métal qu' il remplace : - si le moule a des masselottes ouvertes le niveau doit être stable comme il a été indiqué page 6 ligne 20
- si le moule est fermé les variations de pression autour d'un niveau moyen ne se traduiront pas par des mouvements de métal mais constitueront un élément nouveau dont les conséquences ne sont apparemment pas connues. Pour obtenir cette stabilité de la pression dans la cuve le principe nouveau de pilotage du procédé met en oeuvre les 2 dérivations N° l des ensembles 32 et 36 des lignes de pression et de décompression (limiteur de débit + vanne + restricteur à aiguille + moteur).
Les vannes 12 des ensembles 32 et 36 sont ouvertes comme indiqué page 7 ligne 26. L'ordinateur O fait tourner le restricteur à aiguille 13 par le moteur 14 associé à l'ensemble 32 et le restricteur à aiguille 13 par le moteur 14 associé à l'ensemble 36 afin de stabiliser sans à coups la pression dans la cuve.
Le capteur de pression 37 (précision 1 millibar) informe l'ordinateur qui joue avec les moteurs 14 des 2 lignes pour maintenir le niveau de pression dans cet intervalle. Ce nouveau procédé de pilotage de vannes a pu justifier le terme de pilotage en jeu d'orguesR.
Pour les cycles sous vide le même principe est appliqué. Le schéma de principe du cycle de coulée sous basse pression avec moule maintenu sous vide a été décrit dans le brevet français N° 9305580 du même auteur. Il est représenté figure 8. Au départ du cycle la cuve 1 contenant le liquide et le moule 12 sont à la pression atmosphérique. La vanne de mise à l'air libre 25 est fermée, les vannes d'échappement du moule 14 sont ouvertes. La vanne 24 de liaison avec la pompe à vide 22 s'ouvre, de même la vanne 38 qui permet l'établissement du vide dans la cuve. La vanne 39 de mise à l'air libre de la cuve se ferme, de même que 35 (décompression rapide). Les ensembles de vannes pilotées 23 vers la cloche et 36 vers la cuv e sont prêtes à fonctionner.
L'ordinateur sait qu'il doit faire descendre les 2 enceintes (avec moule) jusqu'à dP un vide résiduel donné Vc à une vitesse déterminée — mais en conservant à tout dt instant une différence de pression comprise entre 30 et 40 millibars entre la cuve et le moule, le moule étant à pression plus basse pour év iter . - d'une part que l'air du moule ne soit aspiré dans la cuve à travers le tube et ne projette le liquide (ce serait le cas si le moule était a pression supérieure a celle de la cuve),
- et d'autre part pour éviter que le liquide ne pénètre dans le moule pendant cette phase Ce serait le cas si la cuve était à pression trop élevée (40 millibars =
16 cm d'aluminium)
Quand le vide résiduel a été atteint dans le moule, la cuve seule descend pour arriver à ce niveau. Comme pour le remplissage décrit précédemment, l'ordinateur ouvre ou ferme dans chaque ensemble 23 et 36 le nombre de vannes nécessaires pour atteindre ce résultat.
Lorsque le vide résiduel a été atteint sur les 2 enceintes l'ordinateur met en oeuvre les dérivations N° 1 à restricteur - moteur des ensembles 23 et 36 comme pour le maintien sous pression décrit précédemment. Les 2 enceintes sont maintenues sous vide jusqu'à ce que l'opérateur et l'ordinateur aient vérifié que toutes les conditions sont satisfaites pour la coulée.
Pendant la phase de coulée figure 8 l'ordinateur isole la cuve de la pompe à vide en fermant la vanne 38, il ouvre ia vanne à l 'air libre cuve 39 et il introduit de l'azote dans le four par la ligne de mise en pression 27 II ouvre ou ferme des vannes de l'ensemble 32 comme indiqué précédemment dans les coulées en absence de vide pour faire respecter les vitesses de mise en pression de la cuve.
Quand le remplissage est atteint les vannes 14 du moule se ferment, l'ordinateur fait appliquer la surpression (phase SP figure 8) A la fin de la surpression la vanne 25 de mise à l'air libre de la cloche s'ouvre et la cloche 20 contenant le moule est ramenée à la pression atmosphérique rapidement (2-3 secondes) A la fin de la surpression il existait entre la cuv e et la cloche une différence de pression ΔP figure 8. Pendant que la cloche se met à la pression atmosphérique l'ordinateur élève la pression dans la cuve par la ligne de gonflage rapide 30 figure 1 pour conserver entre cuve et cloche la même différence de pression ΔP. Quand la cloche est à la pression atmosphérique, la cuve est à une pression finale Pf qui est maintenue comme pour le maintien décrit précédemment (la vanne 25 de mise à l'air libre est ouverte et les dérivations N° l des ensembles 32 et 36 opèrent par leur moteur)
Les 2 brides du tube de coulée sont munies de joints d 'étanchéité 41. 42. 43
Une fuite le long de 41 donnerait
Figure imgf000011_0001
mouvement de gaz dans le sens atmosphère-cuve dans les phases sous vide ou dans le sens cuv e-atmosphère dans les phases sous pression En aucun cas il n ' y aurait introduction de gaz dans le liquide contenu dans le tube de coulée Par contre aux joints supérieurs 42. 43 un défaut d'étanchéité dans les phases sous vide introduirait de l'air dans le liquide contenu dans le tube, liquide placé sous environ 30 millibars de vide résiduel
Le volume de la bulle d'air serait instantanément multiplié par 300 et elle exploserait dans le liquide sous forme d'un nuage de fines bulles qui gênerait toutes les observations. Dans la machine réelle opérant avec du métal, le volume serait multiplié par 1000 en raison de l'effet simultané du vide et de la température (750°C) et la pièce serait inutilisable. Les joints 42 et 43 doivent donc assurer une étanchéité parfaite avec une face sous vide. Pour l'assurer, la machine de simulation est munie d'un soufflet 44 étanche et élastique qui relie les 2 plateaux 2 et 1 1. Le soufflet est métallique pour représenter le fonctionnement du même soufflet qui sera placé sur la machine réelle.
La chambre 45 ainsi ménagée entre les 2 plateaux et le tube de coulée est mise en communication avec la cloche sous vide contenant le moule par l'orifice 46. La chambre 45 et la cloche 10 sont donc à la même pression tout au long du cycle.
Lors de la mise sous vide les joints 42 et 43 sont à la même pression sur leurs
2 faces interne et externe et ne sont donc pas sollicités. Le joint 41 a entre ses 2 faces une différence de pression d'environ 30 millibars qui est celle existant lors de la mise sous vide entre la cloche et le four. Il est donc très peu sollicité et son fonctionnement est, comme indiqué, sans influence sur le liquide.
Par contre lors de l'injection de gaz dans la cuve, le liquide monte dans le tube de coulée 10. La cloche et donc la chambre 45 sont maintenues sous vide. Le joint inférieur 41 a donc entre ses 2 faces une différence de pression qui augmente et un défaut d'étanchéité introduira du gaz dans la chambre 45, gaz qui sera enlevé par les pompes à vide opérant sur la cloche. Un défaut d'étanchéité sera donc sans conséquence pour le liquide de simulation ou pour le métal de la machine réelle. Ce joint, porté à une température élevée dans la machine réelle, sera de préférence en graphite. La même disposition est prise sur la machine de simulation pour ne pas introduire de différence. Les joints 42 et 43 sont à température plus basse car ils sont en contact avec la plaque 47 qui porte le moule Une chambre de, refroidissement avec circulation d'air 48 dans la bride qui les porte, leur assure une température compatible av ec leur fonctionnement satisfaisant sur la machine réelle
Cette plaque 47 porte un joint d'étanchéité 49 clans sa partie froide et de ce fait les joints 42 et 43 sont à la même pression sur leur face interne (côté liquide) et externe (côte joint 49) et aucune bulle de gaz ne peut passer dans le liquide ou le métal O 97/35679 PC17FR97/00515
Cet ensemble de dispositions bâties autour du soufflet 44 est essentielle pour la qualité des observations dans la machine de simulation et pour la qualité de la pièce coulée dans la machine réelle
Ces dispositifs permettent de réaliser sur l 'appareil de simulation les différents types de coulée décrits dans le brevet Français cité N° 9305580 du même auteur, à savoir : avec le liquide simulant les alliages d'aluminium
- coulée sous basse pression pilotée avec moule fermé à la pression atmosphérique Fig.9 - coulée sous basse pression pilotée avec moule ouvert à la pression atmosphérique Fig. 10,
- coulée sous basse pression pilotée avec moule maintenu sous vide Fig.8 avec le liquide simulant les alliages de magnésium
- coulée sous basse pression pilotée avec moule fermé à la pression atmosphérique Fig.9,
- coulée sous basse pression pilotée avec moule ouvert à la pression atmosphérique Fig. 10.
- coulée sous basse pression pilotée avec moule maintenu sous vide partiel Fi *s©.• 1 1.
Capteur de détection de limiteur du liquide dans la cuve
Ce capteur est nécessaire pour obtenir un pilotage correct c'est-à-dire pour obtenir à un instant donné après le départ de l'injection,
- le liquide a une position prédéterminée, - avec une vitesse verticale prédéterminée sur le front du liquide.
Ces 2 conditions - position et vitesse - s'expriment par les 2 équations de mouvement du liquide dans le procédé établi par les auteurs • position : ΔP = K(M <HM - Hc) pg + ΔHL pg dP ,, dHM c!HL vitesse — = K. — ; — pg + — — pu dt ' dt H≈ dt * où
ΔP = différence à l' instant t entre la cuv e et le moule
K0 , = v aleur moyenne du coefficient île nettement (liquide - liquide et liquide - moule) sur l ' interv alle o i . o étant le temps de départ de l 'iniection H\, = hauteur du liquide dans le moule au dessous d'un niveau de référence
Figure 1 2 HL = hauteur du liquide dans la cuve au dessus de la même référence que HM au départ du cycle (temps 0). pg = masse spécifique du liquide (2,4 g/cm3 pour Al, 1 ,6 g/cm3 pour Mg). ΔHC = diminution de hauteur du liquide dans la cuve depuis l'instant 0 jusqu'à l'instant t fi *geuv re 12.
dP
— = "vitesse de pression" dans la cuve à l'instant t.
Kt = coefficient de frottement à l'instant t (coefficient instantané)
^1 = vitesse verticale du liquide dans le moule sur le front qui s'écoule à dt l'instant t. dH
= vitesse de descente du liquide dans la cuve à l'instant t. dt dHM Dans ces 2 équations, la position du liquide HM et sa vitesse — - — sont liées à la dP pression dans la cuve ΔP et à sa vitesse — (qui sont les variables d'action du dHc système) par l'intermédiaire de 2 termes ΔHC et — — qui mesurent la position et la vitesse de descente du liquide dans la cuve.
Il est donc nécessaire pour assurer le pilotage de disposer dans la cuve un capteur qui informe à tout moment l'ordinateur de la position du liquide dans la cuve
(l'ordinateur calculera la vitesse). C'est le capteur 40 Fig. l et N° l Fig.12. Un flotteur se déplace avec le liquide, il entraîne 2 roues dentées 40 j et 402 (Fig. 1) et l'axe de 402 est relié à un capteur de mesure d'angle de type commercial qui donne à l'ordinateur la position angulaire au flotteur avec une précision de 1/10 de degré. dP
L'ordinateur calcule alors les valeurs de ΔP et — - à appliquer dans la cuve pour avoir dHM HM et — - — en tenant compte de ces éléments liés à la position du liquide. Ils peuvent devenir prédominants dans le cas de grands moules et représenter plus de 50 % du ΔP.
Liaison appareil de simulation et machine réelle de coulée
La description précédente a indiqué les méthodes de visualisation de l'écoulement
- par bulles d' hydrogène page 4 ligne 28 - ou par billes de même densité que les liquides page 4 ligne 34 Les paramètres de coulée sont modifiés par l'opérateur dans l'ordinateur jusqu'à obtenir un écoulement de liquide satisfaisant et ils sont appliqués pour la coulée réelle avec métal. La machine réelle ayant le même principe de fonctionnement que l'appareil de simulation, il est possible de les associer et de disposer des mêmes organes pour les mêmes appareils à savoir :
- ligne de mise en pression,
- ligne de décompression,
- ligne de mise sous vide,
- ligne de mesure de pression comme il est représenté Figure 1 1. Cas des alliages de densité supérieure à celle des alliages d'aluminium
Les 2 conditions du mouvement du liquide indiquées page 10 lignes 22-23 sont liées à la densité du liquide par le facteur pg. On peut donc calculer les conditions de pression et de vitesse de pression à appliquer dans la cuve à un instant t pour obtenir la position et la vitesse du liquide de densité pg à cet instant. Le coefficient de frottement par K0 , et sa valeur instantanée Kt introduiront une différence. Ils seront mesurés dès le 1er essai de remplissage avec métal ou pourront être connus par des essais précédents.
Par ailleurs les enregistrements sur films pour l'écoulement simulé aluminium donneront les nombres de Reynolds aluminium dans les zones critiques à turbulences et il sera possible de prévoir ce que sera le mouvement du liquide plus dense et de viscosité différente dans ces zones.
Cas des coulées en gravité
Pour ces applications l'appareil de simulation décrit précédemment est sans objet mais il reste les dispositions représentées selon figure 2 :
- le liquide de simulation versé à partir d'un creuset comme pour le métal dans la coulée de pièces réelles,
- le moule transparent constitué comme précédemment mais avec un système de coulée démontable pour pouvoir être modifié. En effet dans les coulées en "contre gravité" ce sont les paramètres de coulée que l 'on peut changer qui dirigent l'écoulement alors que dans la gravité c'est la .forme du système de coulée qui l'impose.
Les techniques de visualisation sont les mêmes.

Claims

REVENDICATIONS
1) Procédé pour déterminer la valeur de la vitesse d'écoulement optimale, en tout point d'un moule, du métal sur sa surface libre dans une coulée sous basse-pression avec moule pouvant être maintenu sous vide pendant le remplissage, ce procédé étant caractérisé en ce que on remplace le moule réel par un moule transparent de mêmes dimensions et qu'on y injecte, à partir d'une cuve étanche, sous basse pression, un liquide ayant à la fois une densité et une viscosité voisines de celles du métal à simuler qui sera utilisé pour la coulée des pièces réelles.
2) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que on obtient ces valeurs optimales de vitesse d'écoulement en modifiant, dans l'ordinateur qui contrôle le procédé, les valeurs de vitesse d'écoulement affichées jusqu'à obtenir l'écoulement optimal.
3) Procédé selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la réalisation de la vitesse affichée sur l'ordinateur est obtenue en tenant compte de la valeur de la vitesse de descente du liquide dans la cuve, vitesse mesurée par un capteur qui est commun à l'appareil de simulation et à la machine de coulée réelle.
4) Procédé selon les revendications à 3 caractérisé en ce que les mouvements du liquide sont visualisés par le mouvement de petites billes de densité voisines de celles du liquide ou par des petites bulles d'hydrogène produites en ces points spéciaux à étudier, mouvements qui sont enregistrés.
5) Procédé selon revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le mouvement continu du liquide, sans à coups, et le maintien stable à un niveau prédéterminé sont obtenus par l'utilisation de petites vannes multiples, à très faibles débits, dirigées par l'ordinateur sur les 3 circuits de mise en pression, de décompression, de mise sous vide, les 3 circuits étant sollicités simultanément par l'ordinateur selon un pilotage en « jeu d'orgues ».
6) Procédé selon revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les dispositifs nécessaires au déroulement du procédé dans l'appareil de simulation (vannes, capteurs, informatique) sont communs à l'appareil de simulation et à la machine réelle de coulée qui lui est associée. 7) Procédé selon revendications 1 à 6 caractérisé en ce que, après avoir affiché sur l'ordinateur les vitesses d'écoulement optimales obtenues avec l'appareil de simulation, on connecte les dispositifs de cet appareil sur la machine de coulée réelle pour réaliser la coulée des pièces.
8) Dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon les revendications 1 à 7 comprenant selon figure 1 une cuve étanche 1 contenant un liquide de simulation, un tube 10 reliant le liquide à un moule transparent 12 placé sous une cloche à vide 20 caractérisé en ce que le moule est muni de sorties de, mises à l'atmosphère de la cloche. Ces sorties sont équipées d' électrovannes 14 qui sont fermées par l'ordinateur à la fin du remplissage. 9) Dispositif selon les revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il est muni d'un dispositif étanche et élastique constituant une chambre entre les plateaux supportant les deux brides du tube de coulée, cette chambre étant en communication avec la cloche de mise sous vide du moule. 10) Dispositif selon les revendications 1 à 8 caractérisé en ce que ses lignes de mise en pression, de mise en décompression, de mise sous vide sont constituées par des ensembles analogues de vannes multiples, pilotées par l'ordinateur et liées entr'elles dans leur fonctionnement selon un programme spécifique. 11) Dispositif selon revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il porte un capteur mesurant la variation de hauteur du liquide dans la cuve tout au long du cycle de coulée.
12) Dispositif selon les revendications 1 à 9 caractérisé en ce qu'il est relié à une machine de coulée de métal fonctionnant sur le même principe et disposant de lignes communes de mise en pression, de mise en décompression, de mise sous vide et de contrôle.
13) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que on remplit en gravité un moule transparent avec un liquide ayant à la fois une densité et une viscosité voisines de celles du métal à simuler qui sera utilisé pour la coulée des pièces réelles et on modifie la forme du système de coulée jusqu'à obtenir l'écoulement optimal.
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