Une conception adéquate des canaux d'alimentation et des masselottes est fondamentale pour produire des pièces moulées exemptes de porosité due au retrait, avec un rendement effectif plus élevé et des taux de rebut réduits. Lorsque les canaux d'alimentation, les masselottes, gating et les refroidissements sont conçus ensemble selon les principes de solidification, le contrôle du transfert thermique et les contraintes pratiques de la fonderie, la plupart des défauts de retrait et de canalisation peuvent être évités tout en maintenant des coûts de matériaux et d'usinage faibles.
1. Introduction et objectif principal
Les composants de la carotte et des masselottes forment le système d'alimentation qui fournit le métal liquide à une pièce en cours de solidification. Alors que la porte contrôle le flux de métal dans la cavité du moule, les masselottes fournissent un réservoir de métal suffisamment grand pour alimenter les zones de rétrécissement en métal fondu pendant la solidification. La carotte relie généralement le godet de coulée au canal et à la cavité, créant ainsi un chemin contrôlé tout en absorbant les turbulences et en minimisant l'entraînement d'air.
2. Définitions et rôle de chaque composante
Sprue — le canal d'alimentation vertical
Une carotte est un passage vertical qui conduit le métal en fusion du bassin de coulée vers le système d'alimentation. Fonctions principales :
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Fournir une tête métallique stable pour maintenir le débit à travers les vannes.
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Réduisez les turbulences grâce à une géométrie effilée et des transitions de surface soigneusement dimensionnées.
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Agit comme un élément sacrificiel capable de piéger les scories et les impuretés près du sommet s'il est conçu avec des pièges appropriés.
Riser — le réservoir d'alimentation
Une colonne montante, également appelée alimentation, est un réservoir localisé relié à la coulée par des alimentations ou des vannes. Son objectif principal :
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Fournir du métal liquide pour compenser la contraction volumétrique pendant la solidification.
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Geler après la zone critique de la coulée, en maintenant la continuité du liquide.
Autres éléments du système d'alimentation
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Bassin de coulée : emplacement initial de coulée pour réduire les éclaboussures.
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Canal : canal horizontal distribuant le métal entre les cavités.
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Portail : rétrécissement final dans la cavité du moule.
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Refroidissement : dissipateurs thermiques locaux pour accélérer la solidification dans certaines zones.
3. Principes fondamentaux de la solidification qui déterminent les performances d'alimentation
Principe de solidification directionnelle
Une alimentation efficace dépend de la mise en place d'un front de solidification contrôlé qui se déplace des sections minces vers les masselottes. La masselotte doit rester en fusion jusqu'à ce que la zone de coulée qu'elle alimente soit complètement solidifiée. Ce phénomène s'explique souvent par une logique thermique simple : le métal se solidifie d'abord là où la vitesse de refroidissement locale est la plus élevée ; la masselotte doit donc avoir une vitesse de refroidissement plus faible ou une masse thermique plus importante.
Concept de module de congélation
Module de congélation M = Volume / Surface. Les zones présentant un module plus faible gèlent plus rapidement. Un canal de coulée doit avoir un module supérieur à celui de la zone de coulée qu'il dessert. Objectif de conception type : M_canal ≥ 1,2 à 1,5 × M_section.
Flux thermique et voies de conduction
La solidification dépend de la conduction thermique dans la paroi du moule, dans les noyaux, à travers les cols des masselottes et à travers les refroidisseurs. Minimiser les chemins thermiques indésirables et contrôler ceux qui sont intentionnels est une tâche essentielle de la conception.
Nucléation et distribution du retrait
La macroporosité apparaît lorsque le retrait ne peut être alimenté. La microporosité est liée à l'alimentation interdendritique et à la redistribution des solutés. L'emplacement des masselottes et les points d'injection doivent réduire les distances d'alimentation à grande échelle et favoriser les mécanismes d'alimentation secondaires qui réduisent la microporosité.
4. Types de canaux de coulée et considérations pratiques
Canal d'injection droit effilé
Le plus courant dans le moulage au sable. Le cône réduit la succion, aide à maintenir la pression hydrostatique tout en piégeant le gaz au sommet. Les angles du cône varient selon le type de métal et la pratique de coulée.
Cloche ou canal de coulée ramifié
Utilisé pour alimenter plusieurs canaux. Comprend souvent des pièges à scories et des séparateurs de métaux.
Canal de coulée par le fond
Pour les poches de coulée revêtues de réfractaire ou les coques en céramique ; réduit les projections et la pénétration d'oxydes dans le réseau de coulée.
Meilleures pratiques en matière de conception des carottes
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Utilisez des transitions progressives entre les zones pour éviter les sauts brusques de vitesse.
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Ajouter un puits de coulée ou un piège pour recueillir les scories.
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Installez des manchons de refroidissement ou d'isolation lorsque le temps de coulée est long et risque d'entraîner un gel prématuré.
5. Types de risers et stratégies de placement
Contremarches ouvertes
Visible de l'extérieur, simple à construire, facile à retirer. Idéal pour les pièces moulées d'un seul tenant ou les prototypes, qui ne nécessitent qu'un usinage minimal.
Contre-appuis aveugles
Situé à l'intérieur du moule, rempli pendant la coulée et coupé après solidification. Utile lorsque la finition de surface de la pièce moulée finale doit être préservée.
Colonnes montantes immergées
Raccordé sous la surface du moule ou partiellement recouvert afin de réduire la contamination atmosphérique et diminuer les pertes thermiques.
Cheminées chaudes et cheminées exothermiques
Prolonger la durée de vie du métal en fusion en isolant ou en utilisant des manchons exothermiques qui génèrent de la chaleur grâce à une réaction chimique contrôlée.
Directives relatives à l'emplacement des rehausses
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Placez le rehausseur sur la section la plus lourde ou la zone épaisse la plus proche nécessitant une alimentation.
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Préférez les montants verticaux lorsque cela est possible ; les montants cylindriques offrent un module prévisible.
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Plusieurs petites montées peuvent alimenter un retrait réparti, mais la surface totale des montées peut réduire le rendement.
6. Dimensionnement des colonnes montantes : règles empiriques et méthodes de calcul
Règles empiriques courantes
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Le diamètre du tube ascendant doit être supérieur à celui de la section qu'il alimente. Règle générale : volume du tube ascendant ≈ 1,5 à 2,0 × volume de la section d'alimentation.
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La hauteur du riser doit être suffisante pour fournir une charge hydrostatique et permettre le retrait après solidification.
Méthode du module de Riser (recommandée)
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Calculer le module de la section moulée : M_cast = V_cast / A_cast.
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Sélectionnez le multiplicateur souhaité (généralement entre 1,2 et 1,5).
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Déterminez la taille de la colonne montante qui donne M_riser = multiplicateur × M_cast.
Règle de Chvorinov pour le temps de solidification
Chvorinov : t = C × (V/A)^n, généralement n = 2 et C dépend des propriétés thermiques du matériau et du moule. La montée se solidifie plus lentement que la coulée si son rapport (V/A) au carré multiplié par une constante donne un temps plus long.
Exemple pratique (alliage d'aluminium)
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Section de coulée : bloc rectangulaire de 100 mm × 50 mm × 20 mm.
V_cast = 100 × 50 × 20 = 100 000 mm^3.
Surface approximative A_cast = 2(lw + lh + wh) = calculer en conséquence ; utiliser la surface thermique approximative, y compris les surfaces exposées.
Calculez M_cast, puis choisissez M_riser = 1,3 M_cast, puis calculez le diamètre de la colonne montante pour un cylindre V_riser = surface × hauteur et déterminez les dimensions requises.
(Un exemple numérique complet est fourni dans le tableau 2 ci-dessous.)
7. Interaction entre les points d'injection : conception intégrée de la carotte, du point d'injection, du canal d'alimentation et de la masselotte
Contrôle des flux et gestion des turbulences
Les portes doivent réduire la vitesse dans la cavité afin d'éviter l'entraînement. Les puits de coulée et les répartiteurs aident à séparer les scories.
Logique d'alimentation séquentielle
Le canal de montée doit être relié à la zone de coulée par une zone d'alimentation suffisamment grande pour permettre l'alimentation en liquide pendant toute la durée de la solidification de la coulée, mais suffisamment petite pour favoriser la solidification directionnelle.
Cavités multiples et équilibrage
Dans les moules à cavités multiples, les canaux d'alimentation et les points d'injection doivent être équilibrés afin de garantir des temps de remplissage similaires et d'éviter une solidification prématurée dans une cavité alors que les autres sont encore en cours de remplissage.
Utilisation des filtres
Les filtres en mousse céramique et les plaques filtrantes dans les canaux d'alimentation réduisent les inclusions et les turbulences en aval, protégeant indirectement l'efficacité des colonnes montantes en réduisant les films d'oxyde qui entravent l'alimentation.
8. Dispositifs de contrôle thermique
Frissons
Les dissipateurs thermiques permanents ou temporaires augmentent la vitesse de refroidissement locale, éloignant ainsi le front de solidification des masselottes. Ils sont efficaces pour garantir que les sections minces se solidifient en premier, entraînant ainsi l'alimentation vers les masselottes.
Manchons isolants et alimentateurs exothermiques
L'isolation autour des colonnes montantes ou les manchons exothermiques spéciaux maintiennent la température des colonnes montantes et retardent le gel. Les mélanges exothermiques produisent de la chaleur pendant le coulage et prolongent la durée de vie des colonnes montantes.
Hauts tendance
Une cavité isolante temporaire placée au-dessus de la pièce moulée afin de concentrer le retrait dans une zone facilement accessible. Utile lorsque la tolérance d'usinage est importante et que le retrait du masselotte est acceptable.
9. Influence de l'alliage et de l'épaisseur de la section
Alliages d'aluminium
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Une conductivité thermique élevée et une plage de congélation faible simplifient généralement l'alimentation, mais les géométries complexes avec des sections épaisses nécessitent un dimensionnement minutieux des colonnes montantes.
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Les alliages présentant des plages de solidification plus larges sont plus sensibles au retrait interdendritique.
Acier et fer
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Une conductivité thermique plus faible et un point de fusion plus élevé augmentent le temps de solidification. Les masselottes doivent être plus grandes et peuvent nécessiter des manchons isolants.
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La conception du moulage doit permettre une solidification directionnelle importante afin d'éviter tout retrait dans les sections épaisses.
Pièces moulées à parois minces
Les parois minces se solidifient rapidement ; utilisez de petits montants locaux et des canaux d'alimentation pour éviter les défauts de solidification et gérer la congélation rapide.
Zones à parois épaisses
Prévoyez des montées épaisses, plusieurs chemins d'alimentation ou utilisez des refroidisseurs pour favoriser la solidification directionnelle.
10. Outils de simulation et de prévision
Avantages de la simulation de solidification
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Prédire l'emplacement des régions qui gèleront en dernier.
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Estimer le temps de solidification et l'efficacité des masselottes.
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Visualisez la porosité due au retrait, les gradients de température et les points chauds potentiels.
Logiciels types et cas d'utilisation
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Les progiciels de simulation de moulage s'intègrent à la CAO et permettent d'effectuer des analyses de sensibilité : modifiez la taille des masselottes, ajoutez des refroidisseurs, ajustez les points d'injection et obtenez instantanément les résultats.
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Utilisez la simulation dès le début de la conception afin de réduire les essais et erreurs coûteux.
11. Rendement, économie et durabilité
Compromis
Chaque colonne montante représente un gaspillage de métal. Réduisez au minimum le volume des colonnes montantes tout en garantissant la qualité. Optimisez en plaçant les colonnes montantes uniquement là où elles sont nécessaires, en utilisant des colonnes montantes exothermiques ou isolantes et en recourant à la simulation pour réduire au minimum le surdimensionnement.
Récupération et recyclage des matériaux
Dans la mesure du possible, les déchets de montée doivent être renvoyés vers la fonderie. Concevez le système de manière à faciliter le retrait des montées afin de réduire les coûts de main-d'œuvre.
Impact sur l'environnement
La réduction des déchets permet de diminuer la consommation d'énergie et les émissions de gaz à effet de serre liées à la refonte et au retraitement.
12. Défauts courants liés aux erreurs de moulage et de masselottes, avec mesures correctives
Rétrécissement porosité
Cause : volume insuffisant ou mauvais placement de la rampe.
Solution : augmenter le module de rigidité de la colonne montante, la rapprocher du point chaud, ajouter un col d'alimentation avec une conductivité thermique plus faible.
Larmes chaudes et fissures
Cause : contrainte pendant la contraction et alimentation incorrecte provoquant des contraintes de traction.
Solution : modifier la conception du moule pour permettre la contraction, réduire les gradients d'épaisseur des sections, ajouter des refroidisseurs pour contrôler le modèle de solidification.
Porosité gazeuse et bulles d'air
Cause : turbulence dans la carotte ou gaz emprisonné dans le puits de montée.
Solution : ajouter un puits de coulée, réduire les vitesses, améliorer la ventilation.
Mauvaises impressions et arrêts à froid
Cause : pression insuffisante ou congélation prématurée dans le canal d'alimentation ou la carotte.
Solution : agrandir la section transversale de la carotte ou du canal d'injection, ajuster la température de coulée ou utiliser des manchons isolants.
13. Inspection, essais et contrôle qualité
Contrôle non destructif
La radiographie aux rayons X et la tomodensitométrie révèlent un rétrécissement interne. Les tests par ultrasons détectent la porosité dispersée. Les tests par ressuage permettent de détecter les fissures superficielles.
Contrôles destructifs
La découpe de pièces moulées critiques afin d'inspecter les zones d'alimentation et la structure de solidification est courante lors de la validation des processus.
Surveillance des processus
Mesurez la température de coulée, le débit de coulée et la durée de coulée. Conservez les enregistrements à des fins de traçabilité et d'amélioration continue.
14. Liste de contrôle pratique pour la conception des systèmes de canaux d'alimentation et de masselottes
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Identifiez les régions qui gèlent en dernier à l'aide du module ou d'une simulation.
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Choisissez le type de riser : ouvert, aveugle, immergé, exothermique.
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Module de élévation de taille ≥ 1,2 × module de coulée pour l'estimation initiale.
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Assurez-vous que la colonne montante dispose d'un chemin d'alimentation dégagé et d'un minimum de ponts thermiques afin d'éviter un gel prématuré.
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Ajoutez des refroidissements si nécessaire pour diriger le front de solidification.
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Prévoir des vannes appropriées pour limiter les turbulences et protéger les canaux d'alimentation.
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Équilibrer les configurations à plusieurs cavités afin d'égaliser les temps de remplissage.
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Utilisez des filtres lorsque la propreté du métal est essentielle.
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Vérifier la conception à l'aide d'une simulation.
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Prototype avec moulages instrumentés si la fonction de la pièce présente un risque élevé.
15. Tableaux de référence rapide
Tableau 1 : Types courants de colonnes montantes et utilisations suggérées
| Type de rehausseur | Cas d'utilisation typique | Avantages | Limites |
|---|---|---|---|
| Colonne montante cylindrique ouverte | Prototypes en alliage, petites séries | Simple, facile à retirer | Haute teneur en ferraille, exposée à l'atmosphère |
| Contre-fort aveugle | Pièces moulées de production nécessitant une finition de surface | Réduction des déchets si intégré | Plus difficile à usiner, peut nécessiter une finition supplémentaire |
| Colonne montante immergée | Réduire au minimum les inclusions d'oxyde | Réduction de la contamination atmosphérique | Assemblage de moule légèrement plus complexe |
| Colonne montante exothermique | Pièces moulées lourdes à solidification lente | Volume de riser plus petit possible | Coût et manipulation des manchons exothermiques |
| Colonne montante isolée | Contrôler le refroidissement externe pour maintenir le métal liquide | Retard prévisible dans la congélation | Coût des matériaux, peut piéger les gaz s'il n'est pas ventilé |
Tableau 2. Exemple de dimensionnement d'une colonne montante travaillée (alliage d'aluminium) (chiffres arrondis)
| Étape | Paramètres | Valeur |
|---|---|---|
| 1 | Dimensions de la section de coulée (rectangulaire) | 100 × 50 × 20 mm |
| 2 | Volume V_cast | 100 000 mm^3 |
| 3 | Surface A_cast (environ) | 2((100×50)+(100×20)+(50×20)) = 2(5000+2000+1000) = 16 000 mm^2 |
| 4 | Module M_cast = V/A | 100 000 / 16 000 = 6,25 mm |
| 5 | Multiplicateur du module de Riser cible | 1.3 |
| 6 | M_riser requis | 1,3 × 6,25 = 8,125 mm |
| 7 | Choisissez la forme du riser : hauteur du cylindre = diamètre (h = d) pour un retrait facile | Résoudre pour d : M = V/A = (π d^2 h/4) / (π d^2/2 + d h) approximation ; l'itération numérique donne d ≈ 30 mm |
| 8 | Résultat | Diamètre du riser ~30 mm, hauteur ~30 mm |
Remarques : Cet exemple simplifie les contributions de surface et ignore les effets thermiques des canaux d'injection/portes. Utilisez la simulation pour le dimensionnement final.
Tableau 3. Multiplicateurs de volume typiques des colonnes montantes par alliage et géométrie de coulée
| Famille d'alliages | Coupes minces | Sections modérées | Coupes épaisses |
|---|---|---|---|
| Aluminium | 1,1 – 1,3 | 1,2 – 1,5 | 1,5 – 2,0 |
| Fonte grise | 1,3 – 1,6 | 1,5 – 2,0 | 2,0 – 2,8 |
| Acier | 1,4 – 1,8 | 1,8 – 2,5 | 2,5 – 3,5 |
16. Erreurs courantes et comment les éviter
Élévateurs surdimensionnés
Problème : déchets inutiles, temps de refroidissement plus longs, coûts plus élevés.
Prévention : utiliser la méthode du module et la simulation pour affiner la taille ; privilégier les manchons exothermiques pour réduire le volume.
Les risers sont trop éloignés des points chauds.
Problème : impossible d'alimenter les zones critiques.
Prévention : placez les rehausses directement au-dessus ou à côté des zones chaudes ; utilisez des cols d'alimentation à conductance thermique contrôlée.
Mauvaise régulation entraînant des turbulences
Problème : les films d'oxyde et les poches de gaz entravent l'alimentation.
Prévention : utilisez des transitions graduelles entre les zones, des éléments filtrants et des puits de coulée.
17. Techniques avancées et nouvelles pratiques
Utilisation de noyaux de moules imprimés en 3D et de canaux d'alimentation conformes
La fabrication additive permet d'obtenir des géométries d'alimentation complexes qui peuvent être optimisées pour le flux et l'évacuation de la chaleur, ce qui permet une meilleure alimentation et réduit les déchets.
Surveillance en temps réel
Les capteurs de température placés dans les colonnes montantes et les points chauds pendant le prototypage permettent de valider les courbes de refroidissement et l'efficacité de l'alimentation.
Stratégies d'alimentation hybrides
Combinez des refroidisseurs, des montants isolés et des manchons exothermiques pour adapter la solidification à des pièces moulées complexes à épaisseurs multiples.
18. Résumés des études de cas
Culasse en aluminium pour automobile
Problème : porosité due au retrait formée dans les bossages épais des guides de soupapes.
Solution : déplacement des montants aveugles vers les îlots de sièges de soupapes, ajout de manchons exothermiques et refroidissement localisé sur la bride mince pour forcer la solidification directionnelle. Résultat : élimination de la porosité et réduction des déchets d'usinage de 70%.
Corps de pompe en fonte
Problème : rétrécissement important à la jonction entre les nervures et le corps.
Solution : ajout de plusieurs petits gradins aux jonctions des nervures, équilibrage des canaux pour uniformiser les temps de remplissage et application de refroidisseurs dans les zones minces pour contrôler la solidification. Résultat : le moulage final a passé l'inspection radiographique.
19. Questions fréquentes
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Comment décider s'il faut utiliser une contremarche ouverte ou aveugle ?
Les masselottes ouvertes sont simples et peu coûteuses pour les prototypes. Les masselottes aveugles conviennent mieux aux pièces moulées de série qui nécessitent une finition de surface près de l'emplacement de la masselotte. Choisissez des masselottes aveugles lorsque les besoins d'usinage ou de finition postérieurs rendent impossible le retrait des masselottes ouvertes. -
Plusieurs petites colonnes peuvent-elles rivaliser avec une seule grande colonne ?
Plusieurs petites masselottes peuvent alimenter des points chauds répartis et réduire les déchets métalliques dans certaines formes. Cependant, le volume total des masselottes et la complexité des canaux d'injection rendent souvent préférable l'utilisation d'une seule masselotte de taille appropriée. Utilisez la simulation pour comparer les différentes options. -
Comment le gating affecte-t-il l'efficacité alimentaire ?
Le portail doit limiter la turbulence et préserver la pression hydrostatique. Un portail de mauvaise qualité crée de l'oxyde qui bloque les voies d'alimentation. Une conception adéquate du portail et des filtres protègent la fonction d'alimentation de la colonne montante. -
Qu'est-ce qu'un multiplicateur pratique pour le module de Riser ?
Une plage typique correspond à 1,2 à 1,5 fois le module de coulée. Pour les alliages difficiles ou les sections lourdes, utilisez des multiplicateurs plus élevés ; pour les sections minces en aluminium, des multiplicateurs plus faibles peuvent suffire. -
Quand dois-je utiliser un manchon de riser exothermique ?
Utilisez des manchons exothermiques pour les pièces moulées lourdes avec des temps de solidification longs, lorsque les manchons isolants seraient trop volumineux ou lorsque l'espace limité empêche l'utilisation de grandes colonnes de coulée. -
Comment les frissons facilitent-ils l'alimentation ?
Les refroidissements accélèrent la solidification dans les zones ciblées, poussant les zones qui gèlent en dernier vers la colonne montante. Ils sont particulièrement efficaces lorsque la géométrie rend difficile le placement de la colonne montante. -
La simulation est-elle nécessaire ?
La simulation est fortement recommandée pour les géométries complexes, les modèles à cavités multiples et les composants critiques. Elle réduit les essais et erreurs et peut considérablement diminuer les rebuts et les cycles de conception. -
Quelle doit être la surface de raccordement entre une tige et une pièce moulée ?
Les portes doivent être dimensionnées de manière à permettre l'écoulement du métal liquide pendant toute la période de solidification tout en limitant les pertes de chaleur par la porte. Utilisez des calculs de module et d'écoulement, ou une simulation, pour ajuster avec précision les sections transversales des portes. -
Quelles méthodes d'inspection permettent de détecter les défauts liés aux colonnes montantes ?
La radiographie et la tomodensitométrie révèlent un rétrécissement interne. Les essais par ultrasons détectent une porosité répartie. Le sectionnement pendant la validation du processus aide à localiser les zones qui gèlent en dernier. -
Puis-je récupérer le métal des risers pour le réutiliser ?
Oui. Les déchets de montée doivent être triés et renvoyés vers la fonte. Un moulage et un retrait appropriés réduisent la contamination et améliorent la qualité de la fonte pour sa réutilisation.
Notes de clôture
Un système d'alimentation solide commence par les principes fondamentaux : comprendre le flux thermique, calculer les modules pour les sections critiques, choisir soigneusement le type de masselotte et vérifier la conception à l'aide de simulations ou d'essais instrumentés. De petits changements dans la géométrie de la masselotte, la conception du col de la masselotte, la taille de la porte ou l'ajout d'un refroidisseur peuvent transformer un processus présentant de nombreux défauts en une ligne de production fiable. Pour les pièces critiques, combinez la simulation avec les données mesurées afin d'affiner rapidement les conceptions.