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1 Fonderie : éléments d’initiation Bruce ANGLADE – Hélène HORSIN MOLINARO Edité

1 Fonderie : éléments d’initiation Bruce ANGLADE – Hélène HORSIN MOLINARO Edité le 08/01/2018 Procédé de formage des métaux, la fonderie consiste à couler un métal ou un alliage liquide dans un moule afin de reproduire une pièce dans ses formes intérieures et extérieures, en limitant autant que faire se peut les travaux de finition après refroidissement. Utilisées dans des secteurs variés (aéronautique, automobile, robinetterie, appareils ménagers, …) les techniques dépendent du matériau, des dimensions et des caractéristiques géométriques de la pièce à obtenir, mais également, des quantités à produire. Figure 1 : Bloc moteur Scania V8, 16 litres Cette ressource offre une présentation générale de la fonderie, les éléments communs et fondamentaux des différents procédés de moulage sont décrits, les principaux procédés sont expliqués. Les ressources « Le moulage en coquille : procédés de réalisation de pièces métalliques », « Le moulage en coquille par gravité : règles de tracé » et « Réalisation de pièces métalliques par prototypage en moulage à cire perdue » permettent d’approfondir ces deux procédés. 1 – Introduction 1.1 – La fonderie en France en 2016 La Fédération Forge Fonderie [1] donne quelques chiffres représentant le poids de la fonderie en France pour l’année 2016 : 385 établissements de production employant 30 200 salariés, produisant 1,6 million de tonnes de produits pour 5,4 Mds € de chiffre d’affaires. (a) (b) Figure 2 : (a) Répartition de la fonderie par type d'alliage, (b) répartition de la fonderie par marché, année 2016, données Fédération Forge Fonderie [1] 2 1.2 – Quelques notions de base Le principe de la fonderie est de couler un alliage dans un moule. La température de coulée dépend du type d’alliage utilisé ; à titre d’exemple les alliages de zinc sont chauffés à 400°C, les alliages d’aluminium à 700°C, les alliages cuivreux à 1250°C et les alliages ferreux à 1550°C. Le refroidissement génère la solidification et l’obtention de la pièce brute ou finie. Dans un procédé de fonderie, trois classes de problèmes se posent :  Fabriquer le moule  Couler la pièce  Extraire la pièce. Un procédé de fonderie correspond à la résolution des ces trois problèmes. Figure 3 : De la conception à la réalisation d’une pièce de fonderie 1.3 – Champs d’application La fonderie permet d’obtenir des pièces creuses, des pièces complexes avec des cavités (figure 1). La précision des cotes permet de supprimer les reprises de finition, réduisant ainsi les coûts d’usinage comme de matières. Ce procédé permet également de réaliser des pièces dans des matériaux difficiles à usiner, qui ne se prêtent pas au laminage, forgeage ou matriçage comme des pièces à haute teneur en silicium ou en fonte. Les pièces obtenues font quelques grammes à plusieurs centaines de tonnes (figure 4) de l’unitaire à la grande série et à destination de bien des domaines :  Automobile, cycles, moto  Machines agricoles  Chemin de fer  Construction navale  Construction aérospatiale  Construction électrique  Appareils ménagers  Machines de travaux publics  Machines outils,  Serrurerie, quincaillerie  Robinetterie, raccords, pompes  Constructions mécaniques divers Contrôles Pièce finie Pièce brute de fonderie Moule Fusion élaboration Matériaux de moulage Machine de fonderie Outillage Alliage de fonderie Tracé fonctionnel, cahier des charges Procédés de moulage Projet de pièce Fonctions, précision, état de surface, conditions d’utilisation, quantité, contrôles, délais, coût de revient … Techniques de fonderie Autres techniques Techniques d’usinage 3 Figure 4 : Bagues, image J-C Sulka [2] et roue dentée diamètre  13 m, image Ferry Capitain [3] 2 – Eléments fondamentaux 2.1 – La dépouille La dépouille correspond à l’inclinaison des parois permettant d’assurer le démoulage de la pièce dans le cas d’un moule permanent (voir ressource « Le moulage en coquille : procédés de réalisation de pièces métalliques ») ou le démoulage du modèle dans le cas d’un moule non permanent (sable). Figure 5 : Illustration de l’intérêt de la dépouille lors du démoulage L’ordre de grandeur des angles de dépouille dépend du type de moulage : 3% pour le moulage en coquille, 5% pour le moulage au sable et même 0 % ou négative (contre-dépouille) pour le moulage en cire perdue (voir ressource « Réalisation de pièces métalliques par prototypage en moulage à cire perdue ») 2.2 – Le refroidissement dans le moule Il est nécessaire, afin de concevoir le moule pour obtenir la pièce refroidie souhaitée, de prévoir l’évolution spatiale et temporelle du refroidissement de la pièce. Selon les dimensions, le refroidissement n’est pas uniforme les parties minces refroidissant plus rapidement que les parties épaisses. Le retrait L’alliage chauffé se dilate, il est coulé dans le moule où lors de son refroidissement il se contracte : le retrait apparait. Les cotes du moule doivent donc tenir compte du retrait, même si en pratique sur des pièces de formes compliquées le retrait n’est pas uniforme. Selon les matériaux le retrait varie, il est estimé à :  3 à 6 % pour les fontes, Démoulage impossible Démoulage possible Angle de dépouille sur le moule 4  5 à 7 % pour les aciers,  4 à 7 % pour les alliages légers,  5 à 6 % pour les bronzes. La simulation par la thermodynamique des milieux continus permet de prévoir l’évolution du retrait au cours du refroidissement. Criques Les tensions internes à la pièce dues aux différentes phases du matériau ainsi qu’au glissement de l’alliage dans le moule conduisent à l’apparition de criques. Ce sont des ruptures partielles qui ont lieu à de hautes températures en présence de petite quantité d’alliage encore liquide, sous l’effet d’efforts internes résultants de l’inégalité de retrait (voir ressources-vidéo « Tomographie d’une pièce de fonderie avec crique » et « Tomographie d’une pièce de fonderie avec défauts »). Figure 6 : Formation d’une crique liée à la formation d’un point chaud dans la partie massive. Retassure Au cours du refroidissement, la contraction non uniforme du métal peut créer des cavités au centre de la matière : ce sont les retassures. Elles peuvent être externes donc visibles au démoulage (figures 7 et 8), elles peuvent être internes à la matière et plus difficilement détectables (figures 7 et 9). (Voir ressource « Conception des pièces en plastique pour éviter les défauts géométriques ») Figure 7 : Retassures externes et internes, et ajouts de masselottes limitant le phénomène (a) (b) Figure 8 : Haut de la coulée (a) immédiatement après la coulée, aluminium encore liquide (b) après quelques minutes de refroidissement, formation de la retassure externe, images HHM Crique Retassure externe Masselotte borgne Masselotte débouchante Retassure interne 5 Figure 9 : Retassure interne visible après coupe de la pièce moulée Afin de palier ou limiter les risques de retassures et de retrait, une réserve d’alliage liquide est prévue en dehors du volume de la pièce finale. Cette réserve appelée masselotte, permet l’orientation du refroidissement de la pièce dans le moule : les parties minces sont alimentées en alliage liquide par les partie plus épaisses qui sont elles-mêmes alimentées par les masselottes (voir ressource « Fonderie en coquille : positionnement de la coulée »). 2.3 – Le masselottage La masselotte est une réserve d’alliage liquide qui ne fait pas partie de la pièce finale. Elle alimente la pièce pour compenser la contraction lors du refroidissement. Afin d'être efficace, les masselottes doivent respecter deux critères :  Se solidifier après la partie à alimenter. Cela se vérifie en imposant que le module de la masselotte est supérieur à celui de la partie à alimenter.  Comporter une réserve de métal suffisante pour compenser les retraits. On impose en général que le volume de la masselotte doit être supérieur à 0,3 fois le volume masselotté. Le paragraphe 7 de la ressource « Le moulage en coquille par gravité : règles de tracé » aborde le positionnement et le dimensionnement des masselottes. Figure 10 : Pièce en sortie de moule avec masselottes, coulée et chenal d’alimentation, image HHM Chenal d’alimentation Masselotte Coulée Masselottes Retassure interne 6 2.4 – Le moule Le moule contient l’empreinte de la pièce à obtenir en tenant compte de dépouilles satisfaisantes et de cotes compensant le retrait. Il contient également l’empreinte des masselottes, des chenaux d’alimentation ainsi que les surfaces d’appuis du ou des noyaux (paragraphe 2.6). Dans le cas d’un moule permanent, cette empreinte est usinée dans un moule métallique (figure 11 et voir ressource « Le moulage en coquille : procédé de réalisation de pièces métalliques ») ou, dans le cas d’un moule non permanent, elle est l’empreinte complémentaire d’un modèle (voir paragraphe 2.5 et ressource « Réalisation de pièces métalliques par prototypage en moulage à cire perdue »). Figure 11 : Moule en coquille et boite à noyau ouverts, et la pièce obtenue brute de moulage. Figure 12 : Moule en coquille avec noyau positionné 2.5 – Le modèle Le modèle a la forme de l’empreinte à laisser dans le moule, c’est donc le presque modèle de la pièce souhaitée. Il est réalisé dans une plaque modèle en bois en raison de la facilité de uploads/Ingenierie_Lourd/ cours-02-procedes-de-moulage-des-metaux-fonderie 1 .pdf