Stabilité dimensionnelle et précision des pièces moulées à la cire perdue

L'un des principaux objectifs des ouvriers de la fonderie à cire perdue est d'améliorer continuellement la précision dimensionnelle de moulages de précision et réduire les déchets causés par les aberrations dimensionnelles.

1. Stabilité dimensionnelle du moule en cire et facteurs influents

La figure 1 présente les résultats obtenus par le professeur Robert C. Voigt de l'Université de Pennsylvanie après le suivi et la mesure de 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 variations dimensionnelles de la pièce moulée le sont également, les exceptions étant rares. Globalement, la fluctuation dimensionnelle du moule en cire représente entre 10 % et 70 % de la fluctuation dimensionnelle totale de la pièce moulée.

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

Remarque : σ - écart type

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 le type de moule (voir figure 2). Comme le montre la figure 2, l'influence de la température de pressage sur la stabilité dimensionnelle d'un moule en cire est très marquée, tandis qu'elle est faible pour un moule en résine.

2) Pression d'injection

Comme le montre la figure 3, le taux de retrait du moule en cire diminue sensiblement lorsque la pression est faible et augmente avec celle-ci. Cependant, au-delà d'un certain seuil (> 1,6 MPa), la pression n'a quasiment plus d'effet sur les dimensions 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

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

3) Vitesse d'écoulement

La vitesse d'écoulement de la cire peut être modifiée de deux manières, mais l'impact sur les dimensions du moule diffère : modifier la vitesse d'écoulement de la presse à cire a un impact limité sur le retrait du moule. En revanche, cela influence fortement le remplissage et la qualité de surface des moules comportant des pièces à parois fines complexes ou un noyau. Modifier la section de l'orifice d'injection de cire a un impact plus important, car l'augmentation de cette section permet non seulement de réduire la température de pressage de la cire, mais aussi d'allonger le temps de solidification du matériau au niveau de l'orifice d'injection. Il en résulte une meilleure compaction du moule, une réduction du retrait et du retrait de surface.

4) Temps d'injection

Le temps d'injection sous pression comprend ici trois phases : le remplissage, le compactage et le maintien. Le temps de remplissage correspond à la durée pendant laquelle le moule est rempli par le matériau injecté.

Le terme « compactage » désigne le temps écoulé entre la pression maximale et la fermeture de la buse à cire ; le terme « maintien » désigne le temps écoulé entre la fermeture de la buse et le démoulage.

Le temps d'injection influe considérablement sur le taux de retrait du moule en cire (figure 4). En effet, un temps d'injection plus long permet d'injecter davantage de matériau dans la cavité, ce qui compacte davantage le moule et réduit ainsi le retrait. Ceci est illustré par l'augmentation du poids du moule en cire avec l'allongement du temps de compactage (voir figure 5). Le temps de compactage doit être adapté : s'il est trop long, le matériau du moule à l'orifice d'injection de la cire se solidifie complètement, et le compactage devient inefficace. On observe également sur la figure 4 que pour des temps d'injection relativement courts (15-25 s), la température de pressage de la cire augmente, de même que le taux de retrait. En revanche, lorsque le temps d'injection est prolongé à 25-35 s (en réalité, le temps de compactage est prolongé tout en maintenant le temps de remplissage constant), l'influence de la température de pressage de la cire diminue. Lorsque le temps d'injection dépasse 35 s, le phénomène inverse se produit : à mesure que la température de pressage de la cire augmente, le taux de retrait du moule en cire diminue (voir figure 5). Ce phénomène s'explique par le fait qu'augmenter la température du moule et prolonger le temps de compactage revient à augmenter le degré de compactage du moule en cire.

5) Équipement de température de moulage et de pressage de cire

Le moule en cire refroidit lentement et le taux de retrait augmente avec la température de moulage. Ceci s'explique par le fait que, avant l'emboutissage, le moule en cire est encore sous presse, limitant ainsi le retrait. Après l'emboutissage, le retrait est libre. Par conséquent, plus la température du moule est élevée, plus le taux de retrait final est important, et inversement.

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, lorsqu'on utilise un matériau de moulage à base de cire, la pâte de cire forme un système triphasé composé de trois phases : solide, liquide et gazeuse. Le rapport volumique entre ces trois phases influe fortement sur les dimensions du moule en cire. Ce rapport, difficilement contrôlable en production, explique en grande partie la faible stabilité dimensionnelle des moules obtenus par pressage à partir de ce matériau.

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

Temps d'injection /s

Figure 5. Influence du temps de pressage sur le degré de compactage du moule en cire.

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

L'influence de la coquille 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 (obstruction) de la coquille sur le retrait de refroidissement des pièces moulées.

1) Dilatation thermique de la coquille

Cela dépend principalement du matériau de la coquille. 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. La silice, quant à elle, présente le taux de dilatation le plus élevé et le plus irrégulier. Des essais de chauffage d'une coquille en silicate d'aluminium, de la température ambiante à 1000 °C, ont montré que la coquille ne subit qu'une dilatation d'environ 0,25 %. Le retrait global de la pièce moulée reste donc faible. Par conséquent, l'utilisation de tels réfractaires garantit une bonne stabilité dimensionnelle de la coquille. Le quartz fondu est sans aucun doute le matériau le plus approprié. En revanche, la silice entraîne d'importantes fluctuations dimensionnelles de la coquille.

2) Déformation thermique

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

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

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

3. Influence des contraintes sur la stabilité dimensionnelle dues au refroidissement irrégulier des pièces moulées
La vitesse de refroidissement de chaque partie de la pièce moulée (y compris le système de coulée) est différente, et les contraintes thermiques qui en résultent provoquent une déformation de la pièce, ce qui affecte sa stabilité dimensionnelle. Ce problème est fréquent en production. Réduire la vitesse de refroidissement des pièces moulées et améliorer la conception des canaux de coulée sont des mesures préventives efficaces.