WO2016156692A1 - Procede de moulage en carapace sable pour la realisation d'une piece dans le domaine de l'automobile et de l'aeronautique - Google Patents

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Guillaume MALHERBE
Lionel DUPERRAY
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Saint Jean Industries
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    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B21J5/002—Hybrid process, e.g. forging following casting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould

Definitions

  • the invention relates to the technical sector of the foundry, including aluminum alloy, magnesium, copper or other similar materials.
  • the invention relates to a sand shell molding process, for the production of a part in the field of automotive and aeronautics.
  • thermosetting resin which, in contact with a model plate heated to a temperature of about 200 ° C, hardens on a layer of a few millimeters, constituting the shell.
  • Each carapace corresponds to a half-mold, which is then polymerized, then glued.
  • Croning processes hot box, cold box, warm box, inorganic, .
  • This molding process has several advantages, among which can be mentioned the possibility of making very complex geometries, as well as the ability to integrate different functions on the part in question, for example an exhaust manifold on a motor vehicle cylinder head automobiles. Other advantages are to be noted, for example, in terms of the reduction in the weight of the parts obtained. Such a process requires, in addition, low investment, and reduces the machining operations.
  • a metal or an alloy is cast into the shell to make a part
  • sand shell is manufactured, in a known manner, according to a process adapted to the nature of the part to be obtained (hot box, cold box, warm box, 3D printing, .).
  • the thicknesses of the shell are also adapted, depending on the characteristics of the part to be obtained, to achieve the best possible compromise between metalostatic pressure resistance and interface thermal resistance.
  • the sand shell, containing said metal or said alloy still in the liquid state, or in the solidification phase is then cooled, for example, by quenching.
  • this quenching can be with water, with oil, with air, or any other means allowing such a cooling. Rapid and forced cooling means that the shell is hardened while the alloy is still liquid.
  • the temperature of the quenching is less than 100 ° C.
  • the preform is subjected to a combined operation of pressing and forging, as is apparent from the process known under the trade name COBAP ESS.
  • COBAPRESS process emerges, for example, from the teaching of patent EP 0 1 19 365.
  • This sand-shell molding process makes it possible to obtain mechanical characteristics that are much greater than those obtained in the case of a sand-shell molding process, according to the prior state of the art. as is apparent from the test results below, made with the same type of metal or alloy.
  • o A% 6-8% formulas according to which SDAS corresponds to interdendritic space, Rp to elastic limit, Rm, to mechanical strength and A% to elongation.
  • the process makes it possible to combine the advantages of a sand-shell casting that makes it possible to obtain complex geometry pieces, with a reduction in weight, a reduction in machining operations, while requiring low investment, with high characteristics, as shown by the comparative tests above. It is also noted that the COBAPRESS process application allows a sharp decrease in porosity and skin phenomenon.

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Abstract

Procédé de moulage en carapace sable pour la réalisation d'une pièce dans le domaine de l'automobile et de l'aéronautique Le procédé de moulage en carapace sable pour la réalisation d'une pièce dans le domaine de l'automobile et de l'aéronautique, se décrit comme suit: -on coule un métal ou un alliage dans la carapace pour réaliser une pièce, -on refroidit la carapace de manière forcée et rapide, -on réalise une opération de débourrage de la pièce.

Description

PROCEDE DE MOULAGE EN CARAPACE SABLE POUR LA REALISATION D'UNE PIECE DANS LE DOMAINE DE
L'AUTOMOBILE ET DE L'AERONAUTIQUE.
L'invention se rattache au secteur technique de la fonderie, notamment d'alliage en aluminium, de magnésium, de cuivre ou autres matériaux similaires.
Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé de moulage en carapace sable, pour la réalisation d'une pièce dans le domaine de l'automobile et de l'aéronautique.
Le procédé de moulage en carapace sable est parfaitement connu pour un homme du métier.
Il consiste à utiliser un sable pré-enrobé d'une résine thermodurcissable qui, au contact d'une plaque modèle chauffée à une température d'environ 200°C, durcit sur une couche de quelques millimètres, constituant la carapace. Chaque carapace correspond à un demi-moule, qui est ensuite polymérisé, puis collé.
Parmi les différents procédés de moulage en carapace sable, on peut citer les procédés Croning, boite chaude, boite froide, boite tiède, inorganique, ....).
Ce procédé de moulage présente plusieurs avantages, parmi lesquels on peut citer la possibilité de réaliser des géométries très complexes, ainsi que la possibilité d'intégrer différentes fonctions sur la pièce considérée, par exemple un collecteur d'échappement sur une culasse de moteur de véhicules automobiles. D'autres avantages sont à noter, par exemple, au niveau de la diminution du poids des pièces obtenues. Un tel procédé nécessite, par ailleurs, de faibles investissements, et permet de diminuer les opérations d'usinage.
Par contre, les pièces obtenues par ce procédé de moulage en carapace, présentent des caractéristiques mécaniques, qui ne sont pas toujours suffisantes dans certains domaines d'application, en considérant des vitesses de solidification très faibles.
Il apparaît, donc, qu'un procédé de moulage en carapace est particulièrement bien adapté pour la réalisation de pièces de géométries complexes, lorsque ces pièces ne nécessitent pas des caractéristiques mécaniques élevées.
Or, il est apparu que, non seulement, la géométrie des pièces se complexifie, mais que les caractéristiques mécaniques de telles pièces, doivent atteindre des niveaux élevés, et afin de répondre aux cahiers des charges.
A partir de cet état de la technique et de cette situation, il est donc apparu important de pouvoir améliorer le procédé de moulage en carapace sable, afin de pouvoir obtenir des pièces de géométrie très complexes, présentant des caractéristiques mécaniques élevées.
Pour résoudre un tel problème, il a été conçu, selon l'invention, un procédé de moulage en carapace sable, selon lequel, dans une première forme de réalisation :
- on coule un métal ou un alliage dans la carapace pour réaliser une pièce,
- on refroidit de manière forcée et rapide la carapace,
- on réalise une opération de débourrage de la pièce. Un tel procédé trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de l'automobile et de l'aéronautique, pour la réalisation de pièces très complexes, devant présenter des caractéristiques mécaniques élevées. La carapace sable est fabriquée, d'une manière connue, selon un procédé adapté à la nature de la pièce à obtenir (boite chaude, boite froide, boite tiède, impression 3D, ....). Les épaisseurs de la carapace sont également adaptées, en fonction des caractéristiques de la pièce à obtenir, pour atteindre le meilleur compromis possible entre tenue de pression métalo-statique et résistance thermique d'interface.
Comme indiqué, après avoir coulé le métal ou l'alliage, la carapace sable, contenant ledit métal ou ledit alliage encore à l'état liquide, ou en phase de solidification, est ensuite refroidie, par exemple, via une trempe. De manière connue, cette trempe peut être à l'eau, à l'huile, à l'air, ou tout autre moyen permettant un tel refroidissement. Refroidissement rapide et forcé signifie que la carapace est trempée alors que l'alliage est encore liquide. A titre indicatif nullement limitatif, la température de la trempe est inférieure à 100°C.
Ces deux opérations de coulage et de refroidissement ont un double intérêt, qui est, d'une part, de permettre l'orientation du front de solidification en établissant lors de la trempe, un gradient thermique, et d'autre part, d'augmenter les vitesses de solidification, et par conséquent, les caractéristiques mécaniques de la pièce en résultant.
Il suffit, ensuite, de soumettre la pièce à une opération de débourrage classique, lequel débourrage peut être chimique, thermique ou mécanique. Dans une autre forme de réalisation du procédé selon l'invention, on coule un métal ou un alliage dans la carapace pour réaliser, non plus une pièce finale, mais une préforme. Le profil de la carapace est, bien évidemment, adapté en conséquence. Puis, comme indiqué précédemment, on refroidit, de manière forcée et rapide, la carapace et on réalise une opération de débourrage de la pré forme.
Dans cette forme de réalisation du procédé de moulage selon l'invention, la préforme est soumise à une opération combinée de pressage et de forgeage, comme il ressort du procédé connu sous la marque COBAP ESS. Ce procédé COBAPRESS ressort, par exemple, de l'enseignement du brevet EP 0 1 19 365.
Ce procédé de moulage en carapace sable, selon les caractéristiques de l'invention, permet d'obtenir des caractéristiques mécaniques très supérieures à celles obtenues dans le cas d'un procédé de moulage en carapace sable, selon l'état antérieur de la technique, comme il ressort des résultats d'essais ci-après, effectués avec le même type de métal ou d'alliage.
Procédé de moulage en carapace selon l'état de la technique :
o SDAS : 60-7(^m
o Rp0.2=200-220 MPa
o Rm=240-260 MPa
o A%=l-2%
Procédé de moulage en carapace selon l'invention :
o SDAS : 30-35μιη
o Rp0.2= 220 -260 MPa o Rm=290-310 MPa
o A%=6-8% formules selon lesquelles SDAS correspond à l'espace inter dendritique, Rp à la limite élastique, Rm, à la résistance mécanique et A% à l'allongement.
Il ressort des caractéristiques du procédé selon l'invention que le procédé permet de cumuler les avantages d'une coulée en carapace sable permettant d'obtenir des pièces de géométrie complexes, avec diminution du poids, diminution des opérations d'usinage, tout en nécessitant de faibles investissements, en présentant des caractéristiques élevées, comme il ressort des essais comparatifs ci-dessus. On note également que l'application de procédé COBAPRESS permet une forte diminution des porosités, et du phénomène de peau.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
-1- Procédé de moulage en carapace sable pour la réalisation d'une pièce dans le domaine de l'automobile et de l'aéronautique, selon lequel :
- on coule un métal ou un alliage dans la carapace pour réaliser une pièce,
- on refroidit la carapace de manière forcée et rapide,
- on réalise une opération de débourrage de la pièce.
-2- Procédé de moulage en carapace sable pour la réalisation d'une pièce dans le domaine de l'automobile et de l'aéronautique, selon lequel :
- on coule un métal ou un alliage dans la carapace pour réaliser une préforme,
- on refroidit la carapace de manière forcée et rapide,
- on réalise une opération de débourrage de la préforme
- on soumet la préforme à une opération combinée de pressage et de forgeage.
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