Procédé de moulage au sable
Introduction au moulage au sable
Le moulage au sable est l'un des procédés de moulage les plus répandus ; il représente plus de 70% de la production mondiale de pièces moulées. Son principe de base consiste à créer un moule à l'aide de sable de moulage (un mélange de sable de quartz, de bentonite, etc.), à couler le métal en fusion dans la cavité du moule, puis à briser le moule pour retirer la pièce moulée une fois que le métal a refroidi et s'est solidifié.
Ce procédé est flexible et économique ; il permet de fabriquer diverses pièces métalliques dont le poids varie de quelques grammes à plusieurs centaines de tonnes. Il trouve de nombreuses applications dans les secteurs de la construction mécanique, de l'automobile, des engins de chantier, des machines agricoles et de la quincaillerie.
Procédé de moulage au sable
Le procédé de moulage au sable peut se résumer en sept étapes principales : “ Préparation du moule → Préparation du sable de moulage → Réalisation du moule et des noyaux → Assemblage du moule → Coulée → Refroidissement et démoulage → Nettoyage et finition ”. Chaque étape est étroitement liée aux autres et influe directement sur la qualité de la pièce moulée.
Étape 1 : Préparation du moule
Pour créer le moule servant à former la cavité du moule en sable et le noyau en sable, qui serviront de “ base de reproduction ” pour la forme extérieure et la cavité intérieure de la pièce moulée.
“ Modèle ” : correspond à la forme extérieure de la pièce moulée ; il sert à presser la cavité du moule en sable (par exemple, pour couler un bloc-moteur, le modèle est une “ version agrandie ” du bloc) ;
“ Boîte à noyau ” : Correspond à la cavité interne et aux canaux de la pièce moulée (tels que les passages d’huile et d’air du bloc), utilisés pour créer le “ noyau en sable ” (une fois le noyau en sable placé dans la cavité du moule, le métal en fusion comble l’espace entre le noyau en sable et la cavité du moule, formant ainsi la cavité interne après refroidissement).
Les dimensions du modèle et du châssis de moulage doivent tenir compte du retrait (le métal se rétracte lors du refroidissement ; prévoir une marge de 1%-2% pour la fonte, de 2% à 3% pour l’acier moulé et de 3% à 5% pour les alliages d’aluminium) afin d’éviter que les pièces moulées ne soient trop petites.
Étape 2 : Préparation du sable de moulage
Pour produire du sable de moulage dotant des fonctions “ mise en forme + soutien + évacuation des gaz ”, formant ainsi le “ squelette ” du moule en sable.
Granulat (85%-95%) : sable de quartz (facilement disponible, résistant aux hautes températures, matière première principale) ;
Liant (3%-10%) : bentonite + eau (sable humide traditionnel), résine (sable résiné), silicate de sodium (sable au silicate de sodium), utilisé pour lier le sable de quartz et lui donner sa forme ;
Additifs (1%-3%) : poudre de charbon (pour empêcher le sable de coller), sciure de bois (pour améliorer la perméabilité), agent désintégrant (se désagrège facilement après refroidissement, ce qui facilite le nettoyage).
Étape 3 : Moulage + fabrication des noyaux
La création de la “ cavité ” (la forme extérieure de la pièce moulée) et du “ noyau en sable ” (la cavité intérieure de la pièce moulée) à l'aide de sable de moulage et de moules constitue l'étape essentielle du moulage au sable.
Fixez le modèle dans le châssis de moulage, remplissez-le de sable de moulage et tassez-le, puis retirez délicatement le modèle. Une “ cavité ” correspondant à la forme extérieure de la pièce moulée se forme alors à l'intérieur du châssis de moulage.
Remplissez le châssis de noyau de sable de moulage (auquel on ajoute souvent de la résine pour renforcer sa résistance), tassez-le, puis retirez-le pour obtenir un “ noyau en sable ” (comme le noyau du circuit d'huile d'un cylindre).
Le noyau en sable doit être renforcé à l'aide de “ tiges de renfort ” (fil de fer ou barres d'acier) afin d'augmenter sa résistance. Un “ revêtement ” doit être appliqué sur la surface (pour empêcher l'adhérence du sable et améliorer la régularité de la cavité interne). Il convient également de prévoir une “ tête de noyau ” (pour fixer le noyau en sable dans la cavité du moule et empêcher tout déplacement lors de la coulée).
Étape 4 : Assemblage du moule
Assembler les châssis de sable supérieur et inférieur ainsi que le noyau de sable afin de garantir l'étanchéité de la cavité du moule et d'empêcher toute fuite ou tout déplacement du métal en fusion pendant la coulée.
1. Placer le noyau en sable dans la fente de positionnement de la cavité inférieure du moule (tête de noyau fixe), en veillant à ce que le noyau soit correctement positionné (ce qui détermine les dimensions internes de la cavité) ;
2. Alignez les moules supérieur et inférieur (à l'aide des goupilles de positionnement) et serrez-les fermement (pour éviter que le métal en fusion ne fasse sauter le châssis de moulage lors de la coulée) ;
3. Mettre en place le “ système de canaux et de masselottes ” :
4. Système de coulée : comprend la coupelle de coulée (qui reçoit le métal en fusion), la tige de coulée, le canal de coulée et l'orifice d'entrée (qui guide le métal en fusion en douceur vers la cavité du moule) ;
5. Colonne de coulée : placée au-dessus des parties les plus épaisses de la pièce moulée (pour recueillir l'excès de métal en fusion) afin de compenser le retrait lors de la solidification (ce qui permet d'éviter les cavités de retrait et la porosité) ;
6. Vérifiez l'étanchéité : colmatez les éventuelles fentes dans le bac à sable afin d'éviter toute fuite ou toute infiltration de sable lors du remplissage.
Étape 5 : Couler la pâte
Injecter du métal en fusion dans la cavité du moule afin de la remplir et de lui donner sa forme.
Fusion des métaux :Les matières premières telles que la fonte, l'acier moulé et les alliages d'aluminium sont introduites dans le four (four à cuve, four à arc électrique ou four à induction) et chauffées jusqu'à l'état fondu (fonte : 1 300-1 400 ℃, acier moulé : 1 500-1 600 ℃, alliage d’aluminium : 650-700 ℃).
Température : doit être stable (une température trop élevée peut provoquer des cavités de retrait, tandis qu'une température trop basse peut entraîner une coulée incomplète).
Vitesse : Maintenez une vitesse constante (une vitesse trop élevée peut entraîner une érosion du sable et une porosité, tandis qu'une vitesse trop faible peut provoquer des défauts de soudure dus au refroidissement).
Méthode : Versez lentement le métal en fusion à travers la coupelle de coulée, en veillant à ce qu'il remplisse chaque recoin de la cavité du moule.
Étape 6 : Refroidissement + élimination du sable
Laisser le métal en fusion refroidir et se solidifier dans la cavité du moule, puis casser le moule en sable pour retirer la pièce moulée.
Refroidissement : Une fois le métal en fusion coulé, il doit refroidir naturellement dans le moule en sable (pour les petites pièces : de quelques minutes à quelques heures ; pour les grandes pièces telles que les bancs de machines-outils : plusieurs jours de maintien à température et de refroidissement) afin d'éviter un refroidissement rapide susceptible de provoquer des fissures.
Démoulage : Une fois refroidi à température ambiante, le moule est brisé et le sable de moulage est retiré par tapotement manuel ou à l'aide d'une machine à démouler vibrante. La pièce moulée est ensuite extraite (à ce stade, sa surface est recouverte de sable adhérent et présente également des canaux d'alimentation, des masselottes et des bavures).
Étape 7 : Nettoyage + post-traitement
Éliminer les impuretés et contrôler la qualité afin de s'assurer que la pièce moulée répond aux exigences d'utilisation.
Élimination des impuretés :
- Élimination du sable adhérent : sablage, grenaillage (projection à haute pression de sable ou de grenaille d'acier sur la surface) ;
- Élimination des parties superflues : meulage (élimination des masselottes, des bavures et des aspérités) ;
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Élimination des dépôts d'oxyde : décapage à l'acide, lavage alcalin (pour l'acier moulé et les alliages d'aluminium) ;
Contrôle qualité :
- Contrôle visuel : vérifier l'absence de trous de sable, de porosité et de fissures ;
- Contrôle dimensionnel : vérifier la précision dimensionnelle à l'aide de pieds à coulisse et d'une machine à mesurer tridimensionnelle (la précision du moulage au sable se situe généralement entre CT10 et CT13) ;
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Contrôle interne : détection des défauts par rayons X, détection des défauts par ultrasons (pour vérifier la présence de cavités de retrait internes et d'inclusions de sable) ;
Traitement ultérieur (si nécessaire) :
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Usinage : tournage, fraisage et rectification de surfaces nécessitant une grande précision (telles que les alésages de roulements) ;
- Traitement thermique : recuit (pour éliminer les contraintes internes), trempe (pour augmenter la dureté), etc., afin d'améliorer les propriétés mécaniques.
Principe de la méthode de moulage Suijin
Résumé du processus de moulage au sable :
Préparation du moule → Préparation du sable de moulage → Moulage (réalisation de la cavité) + Fabrication du noyau (réalisation de la cavité interne) → Assemblage du moule (Mise en place du noyau en sable + fermeture du châssis) → Coulée (versement du métal en fusion) → Refroidissement → Démoulage (retrait de la pièce moulée) → Nettoyage (élimination des impuretés) → Contrôle + finition → Pièce moulée finie
Les principes fondamentaux de chaque étape sont les suivants : “ un formage précis de la cavité, un remplissage stable par le métal en fusion, un refroidissement et un retrait uniformes, ainsi qu’un nettoyage et une inspection rigoureux ”, afin de produire des pièces moulées conformes aux spécifications.