moulage

1. Chapitre V : Fonderie
V.1. Généralités
Sous le terme "Fonderie", on englobe généralement l'ensemble des techniques de mise en
œuvre pour obtention d’un objet par coulée d'un métal en fusion dans une empreinte
appelée "moule" qui peut être en sable ou métallique [44].
La réalisation d'une pièce de fonderie nécessite diverses opérations qui doivent se suivre :
- Le modelage : confection des modèles,
- Le moulage : confection des empreintes,
- La fusion : obtention du métal liquide à partir de minerais et de lingots dans des
fours,
- La coulée : remplissage des moules à l'aide du métal liquide recueilli dans des poches
de coulée,
- Le décochage : extraction de la pièce par destruction du moule par vibrations,
- Le dessablage : nettoyage des pièces par brosse métallique, par jets de sable ou de
grenailles, etc…,
- L'ébarbage : enlèvement des parties supplémentaires de métal : bavures, jets de
coulée, etc… à l'aide de burin manuel, pneumatique, de meule à découper, etc…
V.2. Matières de moulage
Les métaux et alliages les plus utilisés sont :
- L'acier coulé,
- La fonte grise (fonte à graphite lamellaire),
- La fonte malléable (à cœur noir, malléable blanche)
- Les fontes spéciales :
- Fontes au nickel
- Fontes au chrome
- Fontes au molybdène
- Fontes au silicium
- Fontes au manganèse
- Fontes sphéroïdales ou ductiles
- Fontes de coquille.
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2. Chapitre V : Fonderie
- Les alliages à base de cuivre : Bronze et Laitons
- Les alliages légers : aluminium et ses alliages,
- Les alliages ultra légers : magnésium et ses alliages,
- Les alliages blancs base de zinc, plomb, étain, etc…
La production des pièces en fonderie est généralement classée en :
- 80 % En fonte,
- 14 % En acier 14 % ;
- 6 % En alliages non ferreux.
V.3. Propriétés des métaux en de fonderie
Les métaux utilisés en fonderie doivent être fluides à la température de fusion afin de
pouvoir remplir convenablement les moules. Pour cela, pendant le processus d'élaboration
d'une pièce, il faut prendre en considération deux propriétés essentielles à savoir [45] :
- Coulabilité
- Retrait
V.3.1 Coulabilité
C'est l'aptitude du métal liquide (fondu) de bien remplir le moule et de reproduire
fidèlement son empreinte. Si le métal a une bonne coulabilité, le métal forme sans
difficulté tous les éléments de la pièce, et le remplissage du moule sera assuré. Dans le cas
contraire (mauvaise coulabilité), le remplissage du moule sera défectueux et la pièce est
généralement rebutée.
Une bonne coulabilité des métaux peut être assurée avec l'élévation de la température.
V.3.2. Retrait
On sait que tous les matériaux métalliques s'allongent sous l'effet de l'élévation de la
température, et rétrécissent sous la diminution de cette dernière. A cet effet, et après
une série d’essais effectués par des technologues spécialistes en fonderie, ils ont
remarqués que les dimensions des pièces moulées sont inférieures à celle du modèle ; et
que cette différence dans les dimensions provient principalement du phénomène physique
de retrait du métal au refroidissement [46].
Ajouté à cela, ils ont aussi constatés que le retrait se manifeste dans toutes les directions
et varie avec la nature du métal et le volume de la pièce.
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3. Chapitre V : Fonderie
Dans cette optique, les valeurs moyennes de retrait observées lors de l’expérimentation
sont les suivantes :
- 10 millimètres par mètre (soit 1,0 %) pour les fontes,
- 12 millimètres par mètre (soit 1,2 %) pour l'aluminium et ses alliages,
- 15 millimètres par mètre (soit 1,5 %) pour le cuivre et ses alliages,
- 20 millimètres par mètre (soit 2,0 %) pour les aciers.
Pour palier à ce problème et afin de ne pas commettre d'erreurs, les spécialistes de
fonderie ont mis à la disposition des modeleurs des instruments de mesure tel que le mètre
à retrait, au lieu d'un mètre ordinaire :
- Pour la fonte, le mètre à retrait a une longueur de 1000 + 10 = 1010 mm divisés en
1000 parties égales, c'est à dire que chaque division vaut réellement 1,01 mm.
- Pour le bronze, un réglet à retrait de 500 mm a une longueur de 500 + 7.5 = 507,5 mm
divisés en 500 paries égales, c'est à dire que chaque division vaut 1,015 mm.
V.4. Surépaisseur d'usinage
Les surfaces fonctionnelles qui doivent satisfaire à de rigoureuses conditions de position
et de précision sont usinées. Pour satisfaire cette condition, il est nécessaire de prévoir de
la matière en surplus par rapport à la cote finie. Ce surplus de matière est appelé
"surépaisseur d'usinage".
La valeur de ces surépaisseurs d'usinage ne peut être fixée d'une manière absolue. Elle est
fonction de l'état de surface que l'on peut obtenir par moulage, de la grandeur de la pièce,
et de l'état de surface à obtenir à la finition. On adopte généralement l'ordre de
grandeur suivant :
- 3 à 12 mm pour les moulages en fonte et en acier
- 1 à 6 mm pour les moulages en aluminium, en cuivre et de leurs alliages.
V.5. Modelage
La confection du modèle qui servira à réaliser le moule, d'où sortira la pièce coulée
(fondue) est appelée "modelage". Le modèle est fabriqué à partir du dessin de définition de
pièce à exécuter avec des dimensions légèrement accrues afin de compenser le phénomène
de retrait du métal au refroidissement ; et doit être solide, précis et conservé cette
précision d'origine malgré les manipulations répétées.
Les modèles peuvent être monoblocs ou être en deux ou plusieurs parties, dans ce cas
chaque partie doit être pourvue d'une cheville et d'un trou, qui se correspondent pour
assurer un alignement précis lors de l'assemblage.
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4. Chapitre V : Fonderie
On attribue aussi généralement une légère pente appelée "dépouille" aux modèles afin de
pouvoir lès extraire sans abîmer le moule. Cette dépouille a souvent une valeur de 2 % sur
la cote considérée.
Lorsque les pièces présentent des évidements, le moulage avec noyau s'impose. Les noyaux
sont façonnés dans des boîtes à noyaux cloisonnées. Après façonnage, ils sont cuits dans un
four jusqu'à ce qu'ils soient assez résistants pour être manipulés [47].
V.6. Sable de fonderie
Le sable utilisé en fonderie contient suffisamment d'argile pour qu'une légère
humidification avant usage lui donne de la cohésion. Pour cela, les qualités exigées d'un
sable de fonderie sont les suivantes :
V.6.1. Infusibilité
Le sable de fonderie doit avoir une résistance aux températures élevées. Cette qualité est
obtenue grâce à l'utilisation d'une forte proportion de silice de 75 à 90 %.
V.6.2. Plasticité
C'est l'aptitude à épouser les formes du modèle. L'utilisation d'une faible proportion de
résine avec le sable lui donne cette condition.
V.6.3. Cohésion
C'est l'aptitude à la conservation des formes, elle s'obtient. Elle s'obtient en incorporant
au sable de 5 à 15 % d'argile et environ 8 % d'eau.
V.6.4. Perméabilité
Afin de permettre aux gaz formés durant la coulée d'être évacués sans difficulté, le sable
formant le moule doit être perméable pour qu'ils puissent sortir. Cette perméabilité
dépend de la grosseur des grains, et de l'intensité avec laquelle le sable a été comprimé
(pressé). Pour améliorer la perméabilité, on ajoute de la houille (charbon) en poudre
pulvérisée dans le sable. Les petites particules brûleront lors de la coulée du métal liquide,
ce qui laissera des vides (infiniment petits) qui permettront aux gaz de s'évacuer [47].
V.7 Techniques de moulage
V.7.1. Moulage en sable
Le sable est serré à l'intérieur d'un châssis, cadres rigides généralement métalliques
pourvus de poignées de manœuvres, de dispositifs de repérage (figure V.1).
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5. Chapitre V : Fonderie
Oreilles de
repérage
Poignées de
manœuvres
Châssis
métallique
Figure V.1 : Schéma d’un châssis
Un moule comporte au moins deux parties ; avec des surfaces de séparation appelées joint.
Ce joint doit passer par une section maximum du modèle pour que celui-ci puisse être
enlevé après serrage, sans détérioration du moule ; les arrachements de sable sont à éviter
par la pente ou la dépouille (figure 2).
Dépouille
Joint
Modèle
Figure V.2 : Présentation des moules [47]
V.7.1.1. Moulage naturel sur modèle
Le moulage à l'aide de modèles de forme simples, et ne présentant pas d'évidements
importants, est appelé moulage naturel sur modèle.
Le modèle exécuté auparavant par le modeleur et ayant une forme semblable à la pièce
définie par le dessin va être utilisé afin de fabriquer le moule.
Les principales phases d'exécution d'un moule sont (figure V.3) :
- Mise en place du modèle sur le marbre à l’intérieur du châssis supérieur et remplissage de
ce dernier par le sable (le modèle est posé sur un fond) ;
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6. Chapitre V : Fonderie
Trous events Modèle
Châssis supérieur
Marbre
Figure V.3.a : Premier étape [48]
- Tourner le châssis supérieur de 180° et faire un lissage du joint, en passage de l’enduit
(pour éviter le collage des deux parties) et serrage du dessus ;
- Mise en place du noyau, pour la réalisation des évidements au sein de la pièce (les noyaux
fabriqués dans une boite à noyaux) ;
- Remplissage de ce dernier par le sable (le modèle est posé sur un fond) ;
Châssis
inférieur
Châssis
supérieur
Noyau
Plan de
joint
Trous évents
Figure V.3.b : Deuxième étape [48]
- Séchage du sable (par chalumeaux ou sous des étuves) à une température de 200 à 250
°C,
- Enlèvement du modèle;
- Nettoyage à l'aide l'air comprimé ;
- Réparation des dégradations éventuelles des parois ;
- Exécution des tranchées de coulées (chenal de coulée, trou de coulé, trous évents. etc…) ;
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7. Chapitre V : Fonderie
Marbre
Châssis
inférieur
Châssis
supérieur
Trous évents Trous évents
Coulé métal
Plan de
joint
Noyau
Figure V.3.c : Troisième étape [48]
Notons, que pour éviter la séparation des deux parties du moule sous la poussée du métal
liquide au moment de la coulée, les deux châssis doivent être solidement réunies (par
agrafes ou charges pesantes).
V.7.1.2. Moulage mécanique
Afin de pouvoir effectuer le moulage mécaniquement, de nombreux types de machines ont
été crées pour réaliser le serrage et le démoulage. Le modèle est collé à une plaque
matérialisant la surface de joint du moule, l'ensemble constitue une plaque modèle, qui peut
être en bois, en plâtre ou métallique. Deux plaques modèles sont généralement nécessaires
pour exécuter un moule (figure V.5).
Plâtre
Figure V.5. : Plaque modèle double [49]
Dans certains cas, pour le moulage de petites pièces sans noyaux, une seule suffit, on dit
que la plaque est réversible (figure V.6).
02 Plaques identiques
Figure V.6. : Plaque – modèle réversible [49]
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8. Chapitre V : Fonderie
Où bien, double face pour les pièces plates (figure V.7).
Serrage
Serrage
Figure V.7. : Plaque double face [49]
La plaque modèle étant fixée sur la table de la machine, le châssis pourvu d'une rehausse
est rempli de sable dont le serrage est assuré par l'un des moyens suivants :
- Par pression : descente d'un piston ou montée de la table (figure V.8) ;
Figure V.8. : Moulage par pression [49]
- Par secousses : la table soulevée retombe brusquement, le sable est tassé par inertie
(figure 9),
Air
Figure V.9. : Serrage par secousses [49]
- Par projection : le sable est projeté violemment dans le châssis par une palette
tournant à grande vitesse (figure 10),
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9. Chapitre V : Fonderie
Alimentation
par sable
Système de
projection
Figure V.10. : Système de projection [49]
- Par secousses et par pression : ce mode de serrage très régulier est le plus employé
en fonderie moderne.
Les différentes machines utilisent comme agent moteur la force humaine, l'eau sous
pression et surtout l'air comprimé. Le démoulage est obtenu par soulèvement du châssis à
l'aide d'un piston de démoulage (figure V.11).
Figure V.11. : Système d’aide au démontage [49]
Où par descente du piston de serrage après retournement (figure V.12).
Piston de serrage
Figure V.12. : Démoulage par retournement [49]
V.7.2.Méthodes modernes de fonderie
V.7.2.1. Moulage en coquille
Une coquille est un moule métallique usiné, en fonte ou en acier, les pièces obtenues par ce
procédé ont donc des dimensions précises et un bel aspect de surface ; les propriétés
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10. Chapitre V : Fonderie
mécaniques sont bonnes par suite de la structure fine due au refroidissement rapide du
métal [50]. Le moulage en coquille se fait pour les grandes séries mais pour des pièces de
petites et moyennes dimensions ; où l’on distingue deux techniques :
V.7.2.2. Moulage par gravité
Le métal liquide est versé dans le moule et rempli ce dernier sous l'action de la pesanteur
ou gravitation (figure V.13).
1 : louche
2 : Coquille
Figure V.13. : Moulage en coquille par gravitation [51]
V.7.2.3. Moulage sous pression
La fonderie sous pression est destinée à réaliser des pièces en grandes séries. Cette
technologie consiste à injecter à grande vitesse le métal liquide dans un moule métallique.
On obtient ainsi un bon état de surface et on évite le maximum de reprise d'usinage. Il
exige l'emploi de machines spéciales à couler, le métal est injecté dans la coquille sous
l'action d'un piston (figure V.14).
1 : Verseur
2 : Brûleur
3 : Piston
4 : Moule
Figure V.14. : Moulage en coquille sous pression [51]
V.7.2.4. Moulage par centrifugation
Le moulage par centrifugation est une méthode adaptée pour couler des objets de forme
circulaire, tels que des tuyaux métalliques. Pendant la coulée, on imprime une rotation
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11. Chapitre V : Fonderie
rapide au moule circulaire, il n'y a pas besoin de noyau car la rotation du moule plaque le
métal par l'effet de la force centrifuge.
V.7.2.5. Moulage par enrobage ou à la cire perdue
Le modèle est fabriqué en cire, souvent dans une installation de moulage en coquille, et
revêtu d'une pâte aqueuse de matériau réfractaire qu'on laisse sécher. La coque
réfractaire, avec le modèle en cire toujours à l'intérieur, est enfouie dans du sable et le
moule passe au four. La cire fond et s'écoule, laissant le moule prêt à recevoir le métal. Les
moulages obtenus par le procédé à la cire perdue donnent une bonne tolérance et
reproduisent avec précision les petits détails.
V.8. Références bibliographiques du chapitre V
[44 même que 29] I. Amara, « Support de Cours : fabrication mécanique et métrologie »,
Département de Génie Mécanique, Université Mentouri Constantine, 2000-2001.
[45] Gilles DOUR, « Fonderie alliages, procédés, propriétés d'usage, défauts », Editeur
Dunod 2004, France.
[46] Manuel technique Deutz, «Principe et technique de fonderie », Service des Méthodes
fonderie, Complexe Moteurs et Tracteurs oued hamimime 2000, Constantine, Algérie.
[47] C. Marty, J.M Linares, « Procédés de mise en forme T 3» Hermès Science, Paris 1999,
France.
[48] S. Boukebbab, « Solution du contrôle continu N°02 », Département de Génie
Mécanique, Université Mentouri Constantine, 2004-2005.
[49 même que 7] D. Gelin, M. Vincent, « Eléments de fabrication », Les Editions Foucher,
1995.
[50] Fonderie et moulage des alliages d'aluminium Techniques de l'Ingénieur, Article M813
1991.
[51] Aluminium Laufen S.A., «Documentation technique : moulage en coquille », 2007, site :
http//www.alu-laufen.ch/.
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12. Chapitre V : Fonderie
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