Stabilité dimensionnelle et précision des pièces moulées à la cire perdue

L’un des principaux objectifs des travailleurs du moulage à la cire perdue est toujours d’améliorer en permanence la précision dimensionnelle des moulages à la cire perdue et de réduire les déchets causés par l’aberration dimensionnelle.

1. Stabilité dimensionnelle du moule en cire et ses facteurs d'influence

La figure 1 présente les résultats obtenus par le professeur Robert C. Voigt de l'Université de Pennsylvanie après avoir suivi et mesuré 29 types de pièces moulées à la cire perdue. On constate que, dans la plupart des cas, lorsque la taille du moule en cire fluctue fortement, les fluctuations de la pièce sont également importantes, et les exceptions sont rares. Globalement, la fluctuation de la taille du moule en cire représente 10 à 70 % de la fluctuation de la taille de la pièce moulée.

Figure 1 Comparaison des fluctuations de taille entre le moulage de précision et le moule en cire

Remarque : écart type σ

Les paramètres du procédé ont une influence déterminante sur la stabilité dimensionnelle du moule en cire. Les principaux facteurs sont les suivants :

1) Température de pressage de la cire

L'influence de la température de pressage de la cire varie selon les moules (voir figure 2). Comme le montre la figure 2, l'influence de la température de pressage de la cire sur la stabilité dimensionnelle d'un moule à base de cire est très sensible, tandis que celle d'un moule à base de résine est faible.

2) Pression d'injection

Comme le montre la figure 3, le taux de retrait du moule en cire diminue significativement lorsque la pression est faible et qu'elle augmente. En revanche, lorsque la pression augmente jusqu'à un certain point (> 1,6 MPa), elle n'a pratiquement aucun effet sur la taille du moule.

Température de pressage de la cire /℃

FIG. 2 Relation entre la température de pressage de la cire et le retrait du moule en cire

Pression d'injection / MPa

FIG. 3 Relation entre la pression d'injection et le retrait du moule en cire

3)Vitesse d'écoulement

La vitesse d'écoulement du moule peut être modifiée de deux manières, mais l'impact sur la taille du moule en cire n'est pas le même. En modifiant la vitesse d'écoulement du réglage de la presse à cire, cette méthode a moins d'effet sur le taux de retrait du moule. En revanche, elle a une influence importante sur le remplissage et la qualité de surface des moules en cire à parois fines complexes ou à noyau. En modifiant la section de l'embouchure d'injection de cire, cette méthode a un impact plus important, car son augmentation permet non seulement de réduire la température de pressage de la cire, mais aussi de prolonger le temps de solidification du matériau du moule à l'embouchure, augmentant ainsi le degré de compaction du moule et réduisant le taux de retrait et le retrait de surface.

4) Temps d'injection

Le temps d'injection sous pression comprend ici trois phases : remplissage, compactage et rétention. Le temps de remplissage désigne le temps pendant lequel le moule est rempli par les compressions.

Le compactage fait référence au temps écoulé entre la pression maximale et la fermeture de la buse de cire ; le maintien fait référence au temps écoulé entre la fermeture de la buse et l'étirage du moule.

Le temps d'injection a un effet significatif sur le taux de retrait du moule en cire (figure 4). En effet, une augmentation du temps d'injection peut entraîner une compression accrue de la matière dans la cavité, ce qui entraîne un compactage plus important du moule, réduisant ainsi le taux de retrait. Ceci est illustré par l'augmentation du poids du moule en cire associée à l'allongement du temps de compactage (voir figure 5). Le temps de compactage doit être approprié : s'il est trop long, le matériau du moule au niveau de l'embouchure d'injection est complètement solidifié et le compactage est impossible. La figure 4 montre également qu'avec un temps d'injection relativement court (15-25 s), la température de pressage de la cire augmente et le taux de retrait augmente. En revanche, avec un temps d'injection prolongé à 25-35 s (le temps de compactage est prolongé à temps de remplissage constant), l'influence de la température de pressage de la cire diminue. Lorsque le temps d'injection dépasse 35 s, la situation inverse se produit : plus la température de pressage de la cire augmente, plus le taux de retrait du moule en cire diminue (voir figure 5). Ce phénomène s'explique par le fait que l'augmentation de la température du moule et l'allongement du temps de compactage ont le même effet que l'augmentation du degré de compactage du moule en cire.

5) Température de moulage et équipement de pressage de la cire

Le moule en cire refroidit lentement et le taux de retrait augmente avec la température de moulage. En effet, le moule en cire est encore dans la presse avant l'emboutissage, ce qui limite le retrait. Une fois le moule transformé, le retrait est libre. Par conséquent, si la température du moule est élevée, le taux de retrait final est important, et inversement, il est faible.

De même, le système de refroidissement de la presse à cire peut avoir un impact d’environ 0,3 % sur la taille du moule à cire.

Enfin, il convient de souligner que la pâte de cire utilisée pour le moulage à base de cire est un système triphasé solide, liquide et gazeux. Le rapport volumique entre les trois phases influence fortement la taille du moule. Ce rapport proportionnel est difficile à contrôler en production, ce qui explique en grande partie la faible stabilité dimensionnelle du moule en cire pressé.

FIG. 4 Effets globaux du temps d'injection et de la température de la cire sur le retrait du moule en cire

Temps d'injection / s

FIG. 5 Influence du temps de pressage sur le degré de compaction du moule en cire

2. Influence du matériau de la coque et du procédé de fabrication de la coque sur la stabilité dimensionnelle des pièces moulées

L'influence de la coque sur la taille des pièces moulées est principalement due à la dilatation thermique, à la déformation thermique (fluage à haute température) et à la contrainte (entrave) de la coque sur le retrait de refroidissement des pièces moulées.

1) Dilatation thermique de la coque

Cela dépend principalement du matériau de la coque. Le taux de dilatation varie selon les matériaux réfractaires. Parmi les matériaux réfractaires couramment utilisés, le quartz fondu présente le taux de dilatation le plus faible, suivi du silicate d'aluminium, et la silice, le plus important et le plus irrégulier. Après des essais de chauffage à température ambiante jusqu'à 1 000 °C, la coque en silicate d'aluminium peut se dilater d'environ 0,25 %, et le retrait global de la pièce moulée est faible. Ainsi, l'utilisation de tels réfractaires confère à la coque une bonne stabilité dimensionnelle, ce qui est sans aucun doute plus avantageux avec le quartz fondu. Cependant, la silice présente des variations dimensionnelles importantes.

2) Déformation thermique

Par exemple, le degré de fluage de la coque avec du verre soluble comme liant est significativement supérieur à celui du sol de silice et de la coque de silicate d'éthyle à haute température supérieure à 1000℃.

Bien que le corindon fondu lui-même ait une réfractarité élevée, en raison de la présence d'impuretés telles que l'oxyde de sodium, la température de cuisson de la coque supérieure à 1000℃ peut également produire un fluage, entraînant une mauvaise stabilité dimensionnelle.

3) Les contraintes de la coque sur le retrait de la pièce moulée - la conciliation et la pliabilité de la coque dépendent principalement du matériau de la coque.
En résumé, l'influence de la coque sur les variations de taille de la pièce moulée est principalement due au matériau réfractaire, mais le rôle du liant ne peut être ignoré. En revanche, l'impact du processus de fabrication de la coque est moindre.

3. L'influence des contraintes sur la stabilité dimensionnelle causée par un refroidissement inégal des pièces moulées
La vitesse de refroidissement de chaque pièce de la pièce moulée (y compris le système de coulée) est différente et les contraintes thermiques provoquent une déformation de la pièce, ce qui affecte sa stabilité dimensionnelle. Ce phénomène est fréquent en production. Réduire la vitesse de refroidissement des pièces moulées et améliorer la composition des carottes constituent des mesures préventives efficaces.