MÉTHODE DU CALCUL DU SYSTÈME D’ALIMENTATION DES PIÈCES

MÉTHODE DU CALCUL DU SYSTÈME D’ALIMENTATION DES PIÈCES

ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE DE LA FONDERIE DE L’ALUMINIUM

INTRODUCTION

L’aluminium et ses alliages sont utilisés dans la plupart des secteurs d’activités de l’Homme depuis l’agriculture jusqu’à l’industrie de pointe en passant par l’automobile, le bâtiment et l’industrie lourde.Ils ont contribué au développement des secteurs entiers tel l’automobile. Cet emploi généralisé de l’aluminium et de ses alliages résultent de leurs propriétés mécaniques, physiques et électriques.

OBTENTION DE L’ALUMINIUM

LA BAUXITE

L’aluminium est un métal très répandu sur la terre, le troisième élément après l’oxygène et le silicium. Les bauxites qui sont des roches riches en aluminium (45 à60%) constituent actuellement la source quasi exclusive de ce métal.

L’ALUMINE

L’alumine est extraite de la bauxite par le procédé Bayer: la bauxite est broyée puis attaquée à chaud par la soude. On obtient une liqueur qui après séparation des oxydes de fer et de silicium est envoyée dans des décomposeurs pour précipitation de l’alumine.

L’ALUMINIUM

L’aluminium est obtenu à partir de l’alumine par électrolyse dans une cuve comportant un garnissage en carbone (cathode).

INFLUENCE DES ELEMENTS D’ADDITION

L’aluminium non alliée ayant des propriétés mécaniques faibles souvent insuffisantes pour l’utilisation, on est conduit pour améliorer ses propriétés en ajoutant des éléments qui modifient plus ou moins profondément la micro structure du métal. Les additions principales sont déterminées par les différentes propriétés métallurgiques et technologiques. Dans la SMFN, on utilise le silicium comme un additif dans l’alliage d’Aluminium.
Le tableau suivant présente les caractéristiques de l’alliage Al-Si :
Tableau 2 : Simplification des aptitudes technologiques et d’usage
L’alliage de l’AS18-UNG et AS12-UNG sont essentiellement destinés aux pistons de moteurs à essence ou diesel qui se travaillent à chaud et aux frottements.

LES LOTS DANS LA SMFN

Sur chaque pile de lingots de l’alliage Al-Si doit être inscrit un numéro de coulée et le poids de la pile. L’alliage doit être identifié par une bande de peinture pour la première fusion, et rajouter une autre bande noire s’il s’agit de la deuxième fusion. La longueur de lingots doit être inferieure 0.6m et le poids inferieur à 15kg.

EXEMPLE D’UN ALLIAGE TRAITÉ A LA SMFN

L’alliage traité (Tableau 3) au Floquet Monopole se compose principalement de :
Tableau 3 : Composition chimique de l’AS-18UNG

L’USAGE DE LA COMPOSITION CHIMIQUE DE L’AS-18UNG

Les compositions de l’alliage Al-Si :
• Silicium : confère à l’alliage d’excellentes propriétés de fonderie, telles qu’une augmentation de la coulabilité, une diminution de l’aptitude à la retassure (il se dilate à la solidification). On note aussi une augmentation de la résistance à l’usure (le silicium est très dur) ;
• Cuivre : augmente les propriétés mécaniques par durcissement structural, principalement la dureté (donc l’usinabilité) et la tenue à chaud sans perte au niveau de la coulabilité mais diminue la résistance à la corrosion ;
• Magnésium : augmente la résistance à la corrosion ;
• Zinc : très peu utilisé à cause de ses médiocres capacités en fonderie et ses faibles propriétés mécaniques, mais il améliore la coulabilité (faiblement), diminue l’allongement, augmente la tendance à la micro retassure ;
• Fer : le fer pur est particulièrement intéressant pour son aimantation à saturation à cause du moment magnétique important attaché à chaque atome de fer ;
• Plomb : Grace à sa grande malléabilité et son bas point de fusion, il a été transformé et employé dans la métallurgie (fonderie), à l’état pur ou sous forme d’alliages ;
• Manganèse: augmente la résistance des alliages d’aluminium et la propriété de l’alliage ;
• Titane : il se caractérise par leur excellente résistance à la corrosion dans de nombreux milieux.

PROPRIÉTÉS DOMINANTES D’ALLIAGE AL-SI

• Excellentes caractéristiques mécaniques à températures élevée ; 21
• Excellentes propriétés de fonderie ;
• Très bonne résistance à l’usure par frottement ;
• Très bonnes caractéristiques mécaniques à température élevée.

PROBLEMES DE LA FONDERIE

INTRODUCTION

Après une analyse au service de fonderie, nous avons présenté les différents problèmes de fonderie sous forme d’un diagramme d’Ishikawa ou encore diagramme en arrêtes de poisson (Figure 12) qui est bien adapté pour visualiser toutes les causes d’un problème donné et qui nous servira de base de planification des actions à mener pour résoudre chacune des causes.
Au cours du stage, nous avons remarqué que l’alliage Al-Si utilisé pour la fabrication des pistons présente plusieurs défauts, ce qui mène a avoir des pistons non conformes ou de mauvaises qualités. Nous n’envisagerons ici que les défauts « courants » constatés sur les pièces de série. Ces défauts peuvent se classer en deux groupes :
• Les défauts externes que l’on constate sur la pièce après la coulée ;
• Les défauts internes ;
Ils peuvent avoir deux origines :
• Les facteurs métallurgiques ;
• Les facteurs de moulage.
On distingue dans la SMFN les types des défauts suivants :

LES DÉFAUTS DUS À LA MAUVAISE VENUE DE LA PIÈCE

Ils apparaissent souvent sous forme d’un manque de métal, de forme diverse, plus ou moins grande, appelé non-venue. Ils peuvent aussi se manifester sous forme de fissures appelées reprises. On en distingue généralement deux types: la reprise froide, à bords arrondis et la reprise chaude, à bords nets. La faible densité des alliages d’Aluminium et aussi la forte tension superficielle de la pellicule d’alumine qui recouvre toujours le métal à l’état liquide, facilite ces défauts. Les principales causes sont :
• Température de coulée trop basse ;
• Température de coulée trop élevée ;
• Mauvaise alimentation du moule ;
• Coulée interrompu ;
• Mauvais choix de l’alliage.

GOUTTES FROIDES

Elles se présentent comme des gouttes métalliques oxydées qui se solidifient prématurément et se soudent mal à l’ensemble de la pièce, constituant des points durs qui gênent l’usinage (Figure 13).
Gouttes
Figure 13 : Gouttes froides

FLOU

C’est un défaut de surface apparenté aux reprises. Il nuit à la bonne présentation de la pièce. Un excès d’humidité en est la principale cause.

PIÈCES DÉFORMÉES ET VOILÉES

Ces défauts proviennent d’un refroidissement irrégulier des différentes parties de la pièce, de la résistance des noyaux ou du moule s’opposant au retrait, enfin du traitement thermique.

LES RETASSURES

Les retassures (Figure 14) sont dues aux changements de volume de la pièce coulée jusqu’à sa solidification complète. Elles peuvent être externes ou internes. La présence de retassure réduit fortement les caractéristiques mécaniques de la pièce considérée.
Figure 14 : Retassure interne

LES PIQÛRES

Elles sont dues aux dégagements partiels pendant la solidification, des gaz qui se trouvent en dissolution dans le métal liquide. Ces gaz peuvent avoir diverses origines (métal, fusion, moule).

LES SOUFFLURES

Les soufflures se présentent sous forme de cavités ouvertes ou fermées, résultant d’air emprisonné à la coulée, ou de vapeur dégagées à travers le métal liquide par le moule ou les noyaux. On remarque en général deux sortes de soufflures : celles qui se produisent lorsque le métal est encore fluide et celles qui se forment lorsque le métal est devenu pâteux.

REMEDES AUX PROBLEMES DE FONDERIE DES ALLIAGESD’ALUMINIUM

L’étude des diverses causes des défauts de fonderie dans la SMFN a révélé que ceux-ci sont dus principalement à un certain nombre de facteurs contrôlables par le fondeur. En effet, les défauts de fonderie sont des résultats des petites erreurs d’appréciation, commises par le fondeur, sur certains paramètres du moulage. Il importe donc de maîtriser ces paramètres pour lutter efficacement contre les défauts de fonderie.
Les écarts de composition par rapport aux compositions chimiques peuvent avoir différentes causes :

COMPOSITION DES CHARGES

La fonderie de la SMFN utilise principalement des lingots avec un pourcentage de 50% d’aluminium, des jets ou alliages de deuxième fusion (rebuts) avec 30% ainsi que les masselottes avec 20%.

LES DÉFAUTS PROVENANT DE L’OUTILLAGE

Augmenter la température, compte tenu des prescriptions données pour la fusion de l’alliage Al-
Si :
• Surveiller la température de fusion et éviter qu’elle ne prenne des valeurs élevées ;
• Surveiller l’étuvage des noyaux (dégagement dé gaz) ;
• Placer des évents dans les régions où se produit le défaut ;
• Adjoindre des tirées d’air ou goupilles d’air ;
• Multiplier les attaques pour amener le métal sur place ;
• Augmenter le nombre de jets de coulée ;
• Tenir le jet de coulée toujours plein pour éviter les entraînements d’air.

TRAITEMENT DES ALLIAGES À L’ÉTAT LIQUIDE

Nous, n’aborderons ici que les traitements qui rentrent dans les remèdes que nous avons préconisés contre les défauts de fonderie. Il s’agit des traitements relatifs à la protection, à la désoxydation, à l’affinage et au dégazage du métal liquide.

LES IRRÉGULARITÉS DE SURFACE

LES GOUTTES

• Éviter les chutes exagérées du métal ;
• Prévoir un entonnoir de coulée de dimensions appropriées pour éviter le tourbillon.

PIÈCES DÉFORMÉES ET VOILÉES

• Attendre que le métal soit solidifié avant d’ouvrir le moule.

LES PIQÛRES

• Désoxyder le métal liquide.

LES SOUFFLURES

• Aérer les noyaux d’air ;
• Diminuer la vitesse de coulée.

LES GRAINS ET POINTS DURS

• Éviter une surchauffe excessive du bain ;
• Dégazer le bain ;
• Désoxyder le bain.

PROTECTION DES BAINS

• La protection s’obtient en recouvrant la surface du bain avec un flux de couverture dont une des propriétés est de dissoudre l’alumine qui se forme.

DÉSOXYDATION

• Faire pénétrer au sein du métal liquide l’azote qui contient des solvants de l’alumine (fluorures) et dégagent des gaz inertes vis-à-vis de l’aluminium et de ses alliages. Ces flux plus légers remontent en surface, chargés d’alumine.

 AFFINAGE

• Pour affiner une structure, c’est-à-dire avoir un grain fin, facteur de très bonnes caractéristiques, on doit ajouter aux bains certains éléments ayant des propriétés affinantes, tels que le titane, le bore et le phosphore.

CONCLUSION

Malgré le recours aux différents remèdes qu’on a traités ci-dessus, les défauts de fonderie continuent d’apparaitre. L’adoption d’un procédé complémentaire pour la résolution des anomalies relevées est indispensable : c’est pourquoi, notre démarche consistera dans un premier temps de faire un calcul des masselottes et dégager des solutions simples qui permettent de pallier aux défauts de fonderie. Enfin, faire une conception du moule permanent sur CATIA et PROCAST.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : PRESENTATION DEL’ORGANISME D’ACCUEIL
1 INTRODUCTION
2 ORGANIGRAMME DE LA SMFN
3 ORGANISATION TECHNIQUE DE LA SMFN
4 FABRICATION DU PISTON EN FLOQUET MONOPOLE
5 LA GAMME DE FABRICATION DES PISTONS
6 ELABORATION DU CAHIER DES CHARGES
CHAPITRE 2 : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE DE LA FONDERIE DE L’ALUMINIUM
1 INTRODUCTION
2 OBTENTION DE L’ALUMINIUM
3 INFLUENCE DES ELEMENTS D’ADDITION
4 PROBLEMES DE LA FONDERIE
5 REMEDES AUX PROBLEMES DE FONDERIE DES ALLIAGES D’ALUMINIUM
6 CONCLUSION
CHAPITRE 3 : ETUDE, CONCEPTION ET CARACTERISATION DU MOULE EN COQUILLE DU PISTON TREFLE
1 INTRODUCTION
2 LES MASSELOTTES
3 MÉTHODE DU CALCUL DU SYSTÈME D’ALIMENTATION DES PIÈCES
4 CONCEPTION DE MASSELOTAGE DU PISTON
5 CONCEPTION DU MOULE
6 ANALYSE SUR PROCAST
CONCLUSION GENERALE

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