Maîtriser les modèles de coulée en sable : processus clé pour des coulées métalliques fiables

Dans l'industrie de la métallurgie, le modèle de coulée est une réplique qui a une forme et des dimensions similaires à la coulée. Les modèles de coulée sont utilisés pour presser dans le moule en sable pour créer la cavité creuse permettant au métal fondu d'être versé et formant la coulée.

Dans la fonderie de coulée en sable (que ce soit coulée de fonte, coulée d'aluminium ou coulée d'acier), un ensemble de modèles comprend modèle, système de gating, tête d'alimentation (feeder head), masselotte (riser) et plaque de modèle.

Le matériau, le design et la structure du modèle influencent grandement la qualité des produits. De même, les coûts de fonctionnement et de fabrication du modèle peuvent être bien connus dans les dépenses de coulée.

Matériaux de modèles de coulée en métallurgie

Conseils pour choisir les matériaux de modèles

• Solide et durable : choisir les matériaux de modèles qui durent longtemps, ne se déforment pas ou ne changent pas de forme pendant le processus de coulée.
• Anti-abrasion et résistance à l'eau : il est vital de choisir les matériaux qui sont résistants à l'eau et anti-corrosion pour protéger les modèles de coulée de la rouille et de la dégradation.
• Facile à former : non affecté par les changements de température et d'humidité.
• Faible coût et poids réduit : cela assure un équilibre entre coût et profit pour votre fonderie.

Choisir le matériau pour la fabrication de modèles

Pour assurer ces critères ci-dessus et selon l'industrie spécifique, les matériaux de modèles doivent être considérés avec leur flexibilité. Le métal, le bois et le plastique sont les matériaux prioritaires dans le processus de fabrication de modèles.

• Modèles en métal : Les modèles faits en métal assureront la dureté ainsi qu'être faciles à façonner. Néanmoins, la faiblesse des modèles en métal est qu'ils sont faciles à rouiller et ont une masse lourde. De plus, le matériau de modèle en métal nécessite aussi des dispositifs avancés et est difficile à réparer, causant un coût plus élevé en comparaison globale.

Il y a des métaux couramment utilisés dans le processus de fabrication de modèles tels que fonte grise, acier, aluminium, et magnésium. Chacun de ces matériaux de modèles a une propriété de retrait différente.

• Modèles en bois : est un matériau de modèle très populaire en raison de sa disponibilité et faible masse. Additionnellement, le bois peut être façonné facilement avec un coût bien moins cher que les modèles en métal. Cependant, l'inconvénient du modèle en bois est facile à absorber l'humidité et à se déformer.
• Modèles en plastique : Le plastique et la fibre de verre sont tendance ces jours-ci car leur plus grand avantage est la masse légère, imperméable et résistant aux produits chimiques. De plus, la finition de surface du plastique est excellente brillance. Pourtant, l'inconvénient de ce matériau est facile à fissurer face à un fort impact ou vibration pendant le processus de coulée.
• Autres matériaux : La cire et le plâtre de Paris sont aussi utilisés comme matériaux de modèles pour le processus de coulée mais c'est seulement préférable dans la technique de coulée à cire perdue.

Types de modèles de coulée en métallurgie

Il y a une gamme de types de modèles en coulée métallique et chaque type convient à des exigences de coulée spécifiques. Ici, VIC trie les 3 principaux types de modèles de coulée vus principalement dans les fonderies métalliques.

1. Modèles en une pièce (Single Piece Patterns)

Le modèle en une pièce est le type de modèle le moins cher. Ce type est souvent utilisé dans le cas où la coulée est simple, la surface est plate et le volume de production est petit ainsi que dans le développement de prototypes.

2. Modèles bipartites ou en deux pièces (Split or Two-Piece Patterns)

Le modèle en deux pièces est courant pour couler des objets complexes. Ce type de modèle est divisé en plans de joint et la position du plan est décidée par la forme de la coulée.

Le modèle est divisé en deux parties, l'une des parties est moulée en chassis inférieur (drag) et l'autre est moulée en chassis supérieur (cope). La partie cope a toujours des goupilles de centrage (dowel pins) qui correspondent aux trous précisément faits dans la partie drag du modèle.

3. Modèles segmentés ou multi-pièces (Segmented or Multi Piece Patterns)

Le modèle multi-pièces préfère couler des pièces de coulée super compliquées qui sont impossibles à faire par d'autres méthodes de fabrication de modèles. Ce modèle a trois parties : partie supérieure, partie médiane et partie inférieure.

La partie supérieure est la partie cope, la partie inférieure est la partie drag et la partie médiane est la partie checkbox. Il est utilisé dans divers types de joints tels que joint d'onglet, joint à goupille.

Processus de fabrication de modèles de coulée en fonderie

1. Conception du modèle

Le département technique travaillant sur la fabrication de modèles de coulée doit soigneusement considérer le dessin de coulée pour concevoir le modèle aussi serré et efficace que prévu.

Les points les plus importants à prendre en compte incluent le plan de joint, la forme et la dimension de la coulée et du noyau (core), plus le matériau du modèle.

Étape 1 : Décider le plan de joint

Généralement, le plan de joint coïncide avec la ligne de partage du moule.

Si le modèle est de type bipartite ou multi-pièces, les parties supérieure et inférieure doivent être clairement définies même lorsque la surface de division est symétrique.

Étape 2 : Déterminer la forme et la dimension de l'empreinte de noyau (core print) de support

L'empreinte de noyau de support est utilisée pour soutenir l'empreinte de noyau pour être fixée dans le moule.

La tolérance de l'empreinte de noyau de support affectera directement la tolérance dimensionnelle à l'intérieur du moule. Donc, il faut considérer la forme de l'empreinte de noyau, l'écart entre le noyau et le modèle ensemble avec le processus d'assemblage du modèle pour concevoir exactement l'empreinte de noyau de support.

Étape 3 : Déterminer les dimensions et allocations du modèle

Avec le modèle ayant des plans de joint, chaque partie a une dimension différente et une fois ces parties assemblées, elles doivent être respectives avec la dimension de la coulée.

Si le modèle est fait en métal, quand il se condense, il se rétractera. Par conséquent, si vous prenez la taille correcte du dessin de coulée comme modèle, la taille de la coulée sera significativement plus petite. Pour résoudre ce problème, la cavité du moule doit être agrandie et la taille du modèle doit être plus grande que la taille de la coulée d'une proportion de retrait du métal. Cela est déterminé basé sur les allocations de modèle.

Étape 4 : Déterminer les matériaux du modèle

• Modèle en bois : Si le modèle est petit, il peut être fait de bois massif. Si le modèle est plus grand et plus compliqué, il doit être fait de bois découpé. Pour représenter un dessin de modèle en bois, vous pouvez dessiner des vues complètes et sections, ou utiliser des symboles de pièces de puzzle pour gagner du temps et faciliter la lecture.
• Modèle en métal : Applicable à la production de masse ou commande à haut volume. Si le volume du modèle est grand, il est conseillé de faire le modèle avec du métal creux interne pour réduire le poids et économiser les coûts de matériaux. Si le modèle est petit, alors choisir du métal massif.

Étape 5 : Positionnement lors de l'assemblage du modèle

Pour les échantillons circulaires avec plan de joint perpendiculaire à l'arbre centrifuge, seulement 1 goupille de centrage est nécessaire.

Pour les autres types, utiliser 2 ou 3 goupilles de centrage.

En principe, plus la distance entre les goupilles de centrage est grande, plus le positionnement est précis. La structure goupille et trou doit être de taille raisonnable pour un retrait et démontage faciles. Pour les modèles avec plans de joint, les goupilles de centrage de la partie cope doivent correspondre aux trous précisément faits de la partie drag.

En plus, sur le dessin du modèle, il est nécessaire de spécifier la lissage de surface et la couleur de peinture des parties du modèle.

2. Allocations de modèle (Pattern allowances)

Les allocations de modèle reflètent les propriétés du métal de coulée. Quand le modèle est fait, certaines allocations doivent être données sur les tailles spécifiées dans le dessin du composant fini pour qu'une coulée avec la spécification particulière puisse être faite.

Il y a des allocations comme suit :

Retrait de solidification (ou allocation de contraction)

La plupart des métaux ont un retrait pendant le refroidissement, qui est la transition de liquide à solide (appelé retrait liquide) et refroidissement en forme solide (appelé contraction linéaire).

Le retrait d'un liquide est une diminution de volume pendant la solidification (de liquide à solide). Le retrait liquide est pris en compte par les masselottes (risers), qui alimentent le métal liquide vers la coulée, fournies dans le moule.

Le retrait solide est la réduction de taille pendant la réduction de chaleur quand la coulée métallique est en état solide. Pour tenir compte de cela, une allocation de retrait est fournie sur les modèles.

Le taux et le niveau de retrait dépendent de ce qu'est le matériau. Le tableau suivant montre les taux de retrait pour différents métaux.

Matériau	Retrait
Fonte grise	1 %
Acier	2 %
Cuivre/Aluminium	1,5 %
Fonte blanche	1,5 %
Magnésium	1,6 %

Note : Le retrait dépend aussi de la taille du matériau, plus la taille est longue, plus le retrait est élevé.

En essence, la formule de retrait du processus de fabrication de modèles est :

Taille du modèle = taille de la coulée + retrait du métal

Cependant, lors de l'enregistrement sur le dessin, il est encore requis de prendre les données selon le dessin de la coulée. Lors de la fabrication des modèles, utiliser les ratios de taille selon les différents alliages de coulée.

Allocation de dépouille (Draft or taper allowance)

Quand le modèle est retiré du moule en sable, les parois du moule peuvent être frottées avec le modèle résultant en le modèle étant déchiré et endommagé. Pour éviter cela, un conicité sur toutes les surfaces verticales du modèle doit être créée, cela s'appelle l'allocation de dépouille.

Ici, au moment où le retrait du modèle commence, toutes ses surfaces sont éloignées de la surface du sable. Par conséquent, le modèle peut être retiré sans endommager la cavité du moule.

L'angle de dépouille est créé pour toutes les faces du modèle, qui sont parallèles à la direction de démoulage pour faciliter le processus de retrait. Selon la taille des faces externes, la valeur de l'angle de dépouille est dans la plage 0,5 – 3 degrés.

Matériau	Hauteur de la surface donnée (pouce)	Angle dépouille (Surface externe)	Angle dépouille (Surface interne)
Bois	1 1-2 2-4 4-8 8-32	3,00 1,50 1,00 0,75 0,50	3,00 2,50 1,50 1,00 1,00
Métal, plastique	1 1-2 2-4 4-8 8-32	1,50 1,00 0,75 0,50 0,50	3,00 2,00 1,00 1,00 0,75

Allocation d'usinage ou de finition (Finishing or Machining allowance)

La surface de la coulée collectée n'est généralement pas correcte en taille, donc l'usinage, tel que tournage ou rectification, doit être fait pour améliorer la qualité de la finition de surface.

Puisque l'usinage enlève une quantité de métal de la coulée, une quantité de métal appelée allocation d'usinage doit être compensée. L'allocation d'usinage est influencée par la méthode de coulée, la taille de la coulée, le matériau de coulée, et la possibilité de finition de la coulée.

Métal	Dimension (pouce)	Allocation (pouce)
Fonte	Jusqu'à 12 12 à 20 20 à 40	0,12 0,20 0,25
Acier coulé	Jusqu'à 6 6 à 20 20 à 40	0,12 0,25 0,30
Non ferreux	Jusqu'à 8 8 à 12 12 à 40	0,09 0,12 0,16

Allocation de distortion ou de cambrure (Distortion or camber allowance)

Pendant la solidification, si la coulée a la forme L, U, V, T, … ou est plus mince que la longueur, elle aura tendance à être déformée dans les plans verticaux.

La raison cause ce problème est que les contraintes internes développées dans le métal solide. Ces contraintes internes sont causées par le refroidissement inégal de différentes parties de la coulée, ce qui cause des conflits dans la condensation, cela s'appelle allocation de distortion ou allocation de cambrure.

Le remède pour cette situation est de modifier le design de la coulée dans la direction de déformer initialement le modèle dans la direction opposée. Le degré de distortion à corriger est évalué basé sur l'expérience du modeleur.

Allocation de battage ou de secousse (Rapping or Shaking Allowance)

Dans le processus de retrait du modèle du moule en sable, avec de grands modèles ou coulée de haute précision, il est requis de battre autour de la surface verticale du modèle pour élargir la cavité du moule et puis ramasser le modèle plus facilement. Cela s'applique seulement à ces dimensions qui sont parallèles au plan de joint.

Pour compenser cela, nous avons besoin de réduire la taille originale du modèle. Il n'y a pas de formule standard pour calculer cette allocation car cela dépend beaucoup de l'ouvrier.

Noyau et empreinte de noyau (Core and core print)

Un noyau est utilisé pour créer des trous ou des alésages dans une coulée. Le noyau est généralement fait de sable vert ou sec.

L'empreinte de noyau est fournie dans le moule pour localiser, positionner et soutenir le noyau. Le noyau en sable restera à cette position quand le métal fondu est versé dans le moule.

Le noyau doit être placé horizontalement, verticalement ou suspendu à l'intérieur de la cavité du moule. Cependant, le noyau ne peut pas s'auto-suspendre à l'intérieur de la cavité du moule sans aucun support. L'empreinte de noyau est préparée avec l'aide de projections sur le modèle. Mais le problème est que lors du retrait du modèle, le moule est endommagé en raison de la présence de ces projections. Par conséquent, le modèle bipartite est utilisé pour le processus de coulée dans lequel le noyau est utilisé.

L'empreinte de noyau doit être de la taille et forme appropriées pour résister au poids du noyau et à la flottabilité du métal fondu autour pendant la coulée.

3. Fabrication du modèle (Patternmaking)

Conception du système de gating

Chaque modèle inclura un système de gating pour verser le métal liquide dans la cavité du moule. Le système de gating est très important car il régule la vitesse à laquelle le métal est versé dans le moule. Si la vitesse est trop rapide, cela peut causer de la corrosion du moule, si trop lente, cela peut causer le refroidissement du métal avant de remplir la cavité.

Ce système de gating consiste en les parties connectées suivantes :

• Bassin de coulée (Pouring cup) : est une entrée en forme de cône dans le moule. Il aide à contrôler la turbulence du flux de métal et stabilise le débit, ainsi que sépare les scories pendant la coulée.
• Canaux d'alimentation (Sprues) : un entonnoir qui mène le métal fondu d'un bassin de coulée dans le canal effilé (sprue), puis à travers le canal de distribution (runner), entrant dans les portes (gates) les unes après les autres.
• Porte (Gate) : est la fin du chemin, c'est là que la Cavité de Moule commence.

Il y a deux types de portes : grande porte et petite porte. Les grandes portes sont utilisées pour refroidir le métal rapidement et les petites portes sont utilisées pour un refroidissement lent. Selon l'exigence sur le taux de condensation de la coulée, une porte raisonnable est utilisée.

• Masselotte (Riser) : Est une cavité de métal fondu et fait partie du moule fournie pour compenser le retrait du métal alors qu'il réduit la température et aide à prévenir les trous. La masselotte est où le métal liquide refroidit lentement. Basé sur la masselotte, l'ouvrier saura si le moule est rempli ou non.

Si la coulée a des trous dans le design, le noyau doit être placé dans le moule pour déterminer la position où le métal ne coulera pas.

Parfois, il est possible de placer des réfrigérants (chills) sur la surface du modèle avant la coulée pour refroidir localement et déterminer l'ordre de refroidissement des métaux liquides. Les réfrigérants peuvent être facilement récupérés et réutilisés car ce sont juste des pièces de métal qui ont une température beaucoup plus fraîche et ne collent pas à la coulée.

Les systèmes de gating peuvent être conçus manuellement ou en utilisant des logiciels automatisés.

Détails sur la conception du système de gating : https://vietnamcastiron.com/gating-system/

Fabrication du modèle

Comme mentionné, les modèles viennent dans une variété de matériaux différents, incluant bois, métal, plastique et cire. Le bois et le métal sont couramment utilisés pour la coulée en sable, tandis que la cire est couramment utilisée pour la coulée à cire perdue.

Les modèles ont différentes complexités, selon la taille, la forme et la quantité requise.

En coulée à cire perdue, quand chaque modèle en cire est détruit pendant la coulée, un modèle en cire est nécessaire pour chaque coulée et ces modèles en cire sont créés dans le moule. La cire est remplie dans ces moules, et après refroidissement, le moule est séparé et le modèle en cire d'une pièce est extrait.

Pour la coulée en sable, normalement le modèle est fait en métal ou bois. Si une haute précision est requise, il sera traité par machine CNC.

Résumé

Ainsi, VIC a répondu à toutes les questions sur comment faire un modèle de coulée dans l'industrie de la métallurgie et notes dans le processus de fabrication de modèles.

La finition et la taille de la coulée dépendent beaucoup du modèle de coulée, et donc, déterminent le succès de la qualité du produit de coulée. Par conséquent, la fabrication de modèles est une profession qui nécessite de l'expérience ainsi qu'un haut niveau d'expertise de travail.

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