LE CONTRÔLE DU MOULAGE CONCEPTION DU MOULE

Transcription

Procédés de moulage
LE
CONTRÔLE DU MOULAGE
CONCEPTION DU MOULE
OBJECTIF DU FONDEUR
- Moins de défauts
Une pièce saine
- Structure de solidification correcte
LES MOYENS
- Tracé correct de la pièce
- Choix du procédé de fonderie adapté à la pièce
- Conception et Contrôle des systèmes de coulée et d’alimentation
Solidification - procédés et simulation du moulage
1
Mise en forme des métaux - Master MAM - A. Ikhlef
LE
CONTRÔLE
DU
MOULAGE
LE TRACÉ DES PIÈCES
- Doit Faciliter le remplissage et l’alimentation de l’empreinte
- Doit limiter les criques par des raccordements de sections convenables
Surépaisseur
Évidemment
- Doit réduire les tensions internes :
Rendre épaisseurs constantes
Supprimer les causes de la gêne au retrait
● Réduction de la massivité
● Nervures permettant la
déformation
Massivité
Contraintes
résiduelles
- Doit déplacer le point chaud du moulage vers la masselotte
2
LE
CONTRÔLE
DU
MOULAGE
LE SYSTÈME DE COULÉE
DESCRIPTION
-L’ENTONNOIR OU LE BASSIN DE COULÉE
reçoit directement le métal fondu
-LA DESCENTE
est un conduit vertical qui dirige le métal vers le bassin de
décantation ou directement vers les canaux
-LE BASSIN DE DÉCANTATION
joue un rôle important pour éviter les turbulences et retenir
les crasses
- LE CANAL principal
distribue le métal vers les attaques de coulée
-LES ATTAQUES DE COULÉE
sont les canaux qui débouchent sur l’empreinte
-LES ÉVENTS
sont des conduits de faible section qui évacuent l’air de
l’empreinte
Moulage avec noyaux
- LES FILTRES
3
LE
CONTRÔLE
DU
MOULAGE
LE SYSTÈME DE COULÉE
Les qualité
qualités d’
d’un systè
système de coulé
coulée
- la rapidité du remplissage
- l’absence de turbulence du métal liquide pour éviter :
l’érosion du moule et
le piégeage des gaz dans le métal.
Le fonctionnement correct d’un système de coulée impose de contrôler
- la vitesse de coulée
- la taille, le nombre et l’emplacement des différents canaux
- la taille et la forme de l’entonnoir et du bassin de coulée
- la température et la fluidité du métal.
Moulage avec noyaux
Importance du choix du type de coulée : en chute ou en source
4
LE
CONTRÔLE
DU
MOULAGE
LES DEUX TYPES DE COULÉE
LA COULÉE EN CHUTE
Avantages : Profil de température idéal
donc solidification orientée de bas en haut
(pas de retassure)
Température
3
2
Inconvénient: Chute verticale d’où
Érosion du moule et piégeage des gaz
Remèdes : Réduction de la vitesse
d ’écoulement (sections, filtres)
2
Remèdes, Améliorations :
Réduction de la vitesse d ’écoulement
(sections, filtres)
1
Refroidissement dans l ’ordre
1. Base
2. Parois latérales
3. Le métal liquide
5
LE
CONTRÔLE
DU
MOULAGE
LES DEUX TYPES DE COULÉE
LA COULÉE EN SOURCE
solidification
Température
Avantages :
Réduction des turbulences et de
l ’érosion du moule
Inconvénients :
Profil de température défavorable
Points chauds dans le bas du moulage
Retassure
Remèdes :
Bras de réchauffage
Masselotte
Refroidissement par la partie supérieure
Base réchauffée par le métal
masselotte
Système avec bras de
réchauffage
6
Coulée en source avec masselotte adéquate
LE
REMPLISSAGE
LES FACTEURS DE LA QUALITÉ
Facteurs liés à
l’alliage lui-même
Facteurs liés
au moule
Facteurs liés au
système de coulée
- La coulabilité
- La température de début de solidification
- Conductibilité thermique
- Perméabilité
- Température initiale du moule
- Chaleur spécifique
- Réactivité avec l’alliage
- État de surface
- Hauteur du jet de coulée
- Scories et crasses
- Débit
- Longueur des canaux
- Tracé de la descente de coulée
- Turbulences
- Tracé des canaux
- Sections des canaux
- Malvenue
7
LE
REMPLISSAGE
QUALITÉ
Facteurs liés à l’alliage lui-même
Facteurs liés au moule
Facteurs liés au système de coulée :
Facteurs liés à l’alliage lui-même:
1°- La coulabilité :
Aptitude d’un alliage à remplir complètement une empreinte.
Caractéristique complexe qui dépend de : la température, de
l’intervalle de solidification, taux d’inclusions, capacité calorifique,
viscosité.
2°- La température de début de solidification (TS):
détermine la température de coulée (TC).
TC = TS + ∆TP
avec ∆TP perte de température dans le système de coulée
8
∆TP
Température
TC doit être la plus faible possible car une surchauffe favorise le
développement des défauts tels que la porosité, la retassure,
l’oxydation, et le grossissement du grain de solidification.
TC
TS
LE
REMPLISSAGE
QUALITÉ
Facteurs liés à l’alliage lui-même
Facteurs liés au système de coulée :
1°- La conductibilité thermique : Transmission de la chaleur, pertes de chaleur
- Choix du matériau (sable étuvé, sable vert, moule métallique),
- Mise en place de systèmes de réchauffage, (poteyage des moules métalliques)
2° - Perméabilité : aptitude à laisser les gaz quitter l’empreinte ( gaz piégés dans le moule=
gêne du remplissage)
3° - Température initiale,
- Chaleur spécifique,
- État de surface (rugosité de la pièce)
- Réactivité avec l’alliage (formation de gaz)
9
LE
REMPLISSAGE
Facteurs liés au système de coulée
h
Hauteur du jet de coulée : elle permet d’augmenter la
hauteur métallo statique qui s’exerce sur le métal
Crasses
Bassin
de coulée
Entonnoir
Scories et crasses : affectent la coulabilité.
Rétention possible (bassins de coulée et de décantation)
Débit : favorise l’écoulement. Pour augmenter le débit,
on peut agir sur la section des canaux et le nombre
d’attaques.
Longueur des canaux : la plus courte possible pour
réduire la durée d’écoulement du liquide.
10
LE
REMPLISSAGE
Descente droite et angles vifs
Turbulences et aspiration des gaz
Tracé de la descente de coulée
Éviter la descente droite, les angles vifs ou les
changements brutaux de section sources de
turbulences
Aspiration
des gaz
Turbulences
Mise en place de bassin de coulée pour absorber
l ’énergie cinétique du fluide et évasement pour
permettre son écoulement sans turbulence
Dépression
Aspiration et
entraînement de
l’air
Tracé
amélioré
Tracé des canaux
Éviter les angles vifs
ou les changements brutaux de section
sources de turbulences
11
LE
REMPLISSAGE
Sections des conduits
Descente (section Sd)
Attaques (section Sa)
Sections des canaux :
Canaux (section Sc)
Sd
L’échelonnement des sections se fait par rapport à la
section de descente
Un canal dégressif (Sd>Sc>Sa) permet d ’atteindre les
attaques les plus éloignées mais provoque turbulences,
érosion du moule et entraînement de gaz.
Sc
Sa
Malvenue :
Défaut de remplissage
Causes : manque de perméabilité du moule, pertes thermiques, pression
et ou débit insuffisants
12
ÉQUATIONS DE L’ÉCOULEMENT du MÉTAL LIQUIDE
ÉCOULEMENT ET TURBULENCE
Hypothèses : - Métal liquide incompressible
- Vitesse partout parallèle à l’axe de la conduite.
Le régime d’écoulement est caractérisé par un nombre appelé
“ nombre de Reynolds ”
Re =
vρD
μ
V est la vitesse du fluide
ρ la masse volumique
D le diamètre de la canalisation
μ la viscosité du fluide
Valeurs limites de Re
Re < 1400 : écoulement dit laminaire, exempt de turbulence.
Cas des vitesses très faibles
(incompatible avec les objectifs de la coulée)
Re > 1400 : écoulement dit turbulent
Systèmes de coulée courants : 2 000 < Re < 20 000
L’écoulement est souvent turbulent
13
ÉQUATIONS DE L’ÉCOULEMENT du MÉTAL LIQUIDE
ÉCOULEMENT ET TURBULENCE
Re =
COULÉE FAIBLE VITESSE (GRAVITÉ, BASSE PRESSION, ..)
vρD
μ
Un régime non turbulent est visé :
- Section fines
- Limiter les vitesses d’écoulement
- Freins à l’écoulement (filtres, accidents géométriques)
COULÉE FORTE VITESSE (FONDERIE SOUS PRESSION, ..)
Le régime est turbulent
Dans ce cas on vise plutôt à pulvériser le métal en fines gouttelettes
- Augmenter la pression
- Modifier la géométrie des canaux
- Diminuer la viscosité
14
ÉQUATIONS DE L’ÉCOULEMENT DES FLUIDES
THÉORÈMES GÉNÉRAUX DE L’ÉCOULEMENT
But : Connaissance de
vecteur vitesse (Vx,Vy,Vz)
pression P(x,y,z)
Pour déterminer le mouvement du fluide
Les équations de l’écoulement basées sur les principes de conservation :
Conservation de la masse
Conservation de la quantité de mouvement
dm
=0
dt
2. CONSERVATION DE LA QUANTITÉ DE MOUVEMENT
La différence entre les quantités de mouvement du fluide entrant et sortant par les faces
de l’élément de volume dV est égale à la résultante R des forces appliquées à cet élément
JG
JG
JG
p = mv = ρV v
JJG
JG
dp = d ρ v
S2
S1
1. CONSERVATION DE LA MASSE
m = ρV = constante
v
Volume V
dV = dx dy dz
v : vitesse
ρ : masse volumique,
dV : élément de volume
dS : le vecteur surface.
G
d ρ v JG
=R
dt
15
1. CONSERVATION DE LA MASSE
v
On peut montrer que
dm
=
dt
∫
v
∫
v
∂ρ
dV +
∂t
∂ρ
dV +
∂t
S1
dm
=0
dt
m = constante
∫
∫
S2
Volume V
dV = dx dy dz
G
ρ v dS
v : vitesse
ρ : masse volumique,
dV : élément de volume
dS : le vecteur surface.
S
G
ρ v dS = 0
S
Hypothèses :
- Écoulement stationnaire (indépendant du temps)
- Vecteur vitesse perpendiculaire aux surfaces S1 et S2.
∂ρ
=0
∂t
- Fluides incompressibles (cas des métaux liquides) :
ρ = constante
∫ ρ v dS
=0
S
∫ v dS = 0
S
16
CONSERVATION DE LA MASSE
Application à un canal de section variable
∫ v .dS + ∫ v .dS
1
S1
1
2
2
=0
v 1S1 = v 2 S2
S2
v1
v2
v S = débit = constante
S1
S2
Exemple :
Un écoulement avec débit de dV/dt = 0,002 m3/s
arrive dans un canal de section S1 = 0,02 m2 puis S2 = 0,01 m2
On peut en déduire la vitesse V1= 0,1m/s et la vitesse V2 = 0,2 m/s
17
2. BILAN DE LA QUANTITÉ DE MOUVEMENT
La différence entre les quantités de mouvement du fluide entrant et sortant par les faces de l’élément de volume dV est égale à
la résultante R des forces appliquées à cet élément
G
d ρv
=R
dt
avec
et
G
dρ v
=
dt
R=
∫
∫
V
∂ρ v
dv +
∂t
G
F dV +
V
∫
∫ ρ v .V dS
G
S
G
PdS
F : résultante des forces volumiques
P : pression
S
,
Cas d’un fluide incompressible
et
“ pesant ” (les forces de volume se réduisent aux forces de pesanteur)
ρ = cons tan te
G
grad ( mgz )
Fv = −
= − ρ g grad z
v
En tenant compte des forces de viscosité fv,
l’équation de bilan s’écrit :
Équation de Navier Stokes
G
dv
ρ
+ grad P + ρ g grad z + f v = 0
dt
18
2. BILAN DE LA QUANTITÉ DE MOUVEMENT
Équation de Navier Stokes simplifiée
Quelques hypothèses permettent de simplifier cette équation dans des des cas assez proches de la réalité :
a) Dans un système d’axes (x,z), l’écoulement est unidimensionnel, par exemple dans la direction x . Donc V = V(x)
,
b) Le fluide est parfait : les forces de viscosité sont négligeables (fv = 0)
c) Le régime de l’écoulement est permanent : la vitesse est indépendante du temps.
G
G
dV
ρ
+ grad P + ρ g grad z + fv = 0
dt
ρv
19
dv
dP
dz
+
+ ρg
=0
dx
dx
dx
Équation de Bernoulli
ρv
En remarquant que
ρv
dv
1 d(v 2 )
=
dx
2 dx
v2
P
+
+ z = cons
2 g
ρg
dv
dP
dz
+
+ ρg
=0
dx
dx
dx
tan te
v2
P
+
+ z = cons tan te
2g ρ g
On aboutit à l équation finale dite de Bernoulli :
La quantité d’énergie par unité de volume contenue
dans un fluide parfait est invariable
mais elle peut se présenter sous différentes formes :
Potentielle
mgz
Cinétique
1/2 mv2
Pression
PV
Application
Calculer la vitesse d’écoulement
atteinte au point d’entrée d’une empreinte qui se trouve
à 20 cm sous la surface supérieure de l’entonnoir de coulée.
z
A
Au point A : VA = 0 et PA = 1 atm
Au point B : PB = 1 atm (avant le remplissage)
zA – z B = 0,2 m
B
On trouve : VB2 = 2 g (zA – z B)
Soit : VB = 3,9 m/s
x
20
LE SYSTÈME D’ALIMENTATION
ORIENTER LA SOLIDIFICATION
Système de
remplissage
RÔLE
Alimenter l’empreinte en métal liquide afin de compenser
la perte de volume due au retrait de solidification.
Empreinte
EXIGENCES SUR LA MASSELOTTE :
Retassure
1° Elle contient suffisamment d’alliage liquide et se
Coulée
a) sans masselotte
solidifie après la pièce .
2° Elle est ouverte sur l’atmosphère pour évacuer
l’air piégé dans la retassure (risque de décollement)
Masselotte
Retassure
3° Elle doit être économique ( taille)
Empreinte
MOYENS : orienter la solidification vers la masselotte
21
Coulée
b) avec masselotte
Masselotte
Système de
remplissage
Retassure
SOLIDIFICATION ORIENTÉE VERS LA MASSELOTTE
Empreinte
Empreinte
MASSELOTTE OUVERTE
Retassure
Coulée
a) sans masselotte
b) avec masselotte
le point chaud sera localisé
à la base inférieure de la masselotte.
Point chaud
Masselotte
le rendement de ce type de masselotte
est très faible,
de l’ordre de 30 à 40 %.
Re ndement =
Ou
Pièce
M Pièce
M Pièce + M masselotte
VPièce
VPièce + Vmasselotte
22
MASSELOTTE OUVERTE
Améliorations :
-Insérer des refroidisseurs au voisinage des points chauds de telle façon à orienter la
solidification vers la masselotte
-Insérer des manchons exothermiques ou couvrir la surface libre pour retarder le
refroidissement de la masselotte
-Employer plusieurs masselottes
-Utiliser des manchons isolants autour des parties minces
- Modifier le dessin de la pièce pour déplacer le point chaud vers la masselotte (en
introduisant par exemple une dépouille)
Masselotte ouverte
de rendement faible
Masselotte ouverte et
refroidisseur à la base
du moulage
Masselotte ouverte de
faible taille et
refroidisseur
23
Masselotte avec couverte
et
bras de réchauffage
Masselotte avec bras de
réchauffage et couverte plus
refroidisseur
MASSELOTTE FERMÉE
-Risque de solidification prématurée de la masselotte
- Absence de communication avec l ’atmosphère : Pression insuffisante
donc risque de retassure
Masselotte
ouverte
Empreinte
24
Masselotte
fermée
Event
Empreinte
TAILLE DE LA MASSELOTTE
Dans un moulage bien conçu :
solidification orientée vers
la masselotte
la masselotte est la dernière
région de liquide à se solidifier
tion
tion
Δt solidifica
Δt solidifica
Masselotte
pièce
DURÉE DE LA SOLIDIFICATION ∆t
Relation de Chvorinov
⎛V ⎞
tion
Δt solidifica
= B⎜ ⎟
pièce
⎝ A⎠
2
⎛V ⎞
⎜ ⎟
⎝ A⎠
est le module de refroidissement
B / constante qui dépend des caractéristiques de l ’alliage
B=
ρ [c (TC − TS ) + L]
cte (Ti − T0 )
- Masse volumique
- Température de coulée
- Température de solidification
- Chaleur latente de solidificatioN
Compte tenu du rendement (r) de la masselotte et du retrait (α) de l ’alliage
le volume de la masselotte doit vérifier la relation
Pratiquement, la taille de la masselotte est évaluée par
rapport à la dernière portion de la pièce solidifiée
25
r Vmasselotte ≥ α V pièce
⎛V ⎞
⎛V ⎞
〉1,2⎜ ⎟
⎜ ⎟
⎝ A ⎠masselotte
⎝ A ⎠ DPS

LE CONTRÔLE DU MOULAGE CONCEPTION DU MOULE

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