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Masselottage des pièces en moulage sable.

Le calcul de masselottage est une étape importante en fonderie car il conditionne la santé interne des pièces et la mise au mille (ratio masse grappe sur masse pièces). Les systèmes de masselottage se rencontrent dans les principaux procédés de fonderie (moulage sable, moulage coquille et basse pression, moulage cire perdue). Dans cet article, nous traiterons plus spécifiquement du moulage en sable.

La contraction volumique

Tous les alliages se contractent au cours de leur refroidissement impliquant un volume plus faible à l’état solide qu’à l’état liquide. Cette contraction, d’un retrait volumique variant de 1 à 10 % selon les alliages, se caractérise par des affaissements surfaciques appelés poquettes et par des cavités internes appelées retassures ou microretassures selon leur taille. De manière générale, les retassures se situent dans les zones de dernière solidification ne pouvant pas être compensées par du métal liquide résiduel.

Des retassures aux contours déchiquetées

Défauts de type micro retassures pendant la solidification

Comme les alliages se solidifient généralement dendritiquement, les zones de dernière solidification se localisent aux confins des bras de dendrites où la chaleur a beaucoup plus de difficulté à s’évacuer ce qui implique que les retassures présentent des contours généralement déchiquetées contrairement aux soufflures – d’origine gazeuse – de contours plutôt lisses.

Orienter la solidification vers les masselottes

Masselotte pour orienter la solidification de la pièce

Pour éviter la présence de retassures au sein d’une pièce, on positionne à proximité des zones de dernière solidification de la pièce des réserves de métal, appelées masselottes qui se solidifient après la solidification de la pièce elle-même. Le but est d’orienter la solidification pour obtenir une solidification dirigée de la pièce vers la ou les masselottes.

Les deux types de masselottes utilisés

Manchons exothermiques pour le masselottage

On distingue deux types de masselotte ; les masselottes sable et les masselottes de type manchons. Les masselottes sable  sont constituées d’une empreinte entourée du matériau de moulage sable. Les masselottes manchon sont constituées d’un matériau plus isolant que le matériau de moulage (épaisseur proche du 1/10 du diamètre du manchon) et le tout entouré du matériau de moulage sable. Généralement, le volume d’une telle masselotte manchon est de moitié (voire du tiers) d’une masselotte sable tout en ayant le même temps de solidification. Les manchons sont des consommables et leur utilisation est généralement conditionnée par une analyse technico-économique qui met en balance le coût du manchon versus les gains estimés par une mise au mille réduite (gains en énergie de fusion, en parachèvement, en manutention, …).

Définir l’emplacement d’une masselotte grâce au calcul des modules

Calcul du temps de solidification local – module géométrique

Pour définir l’emplacement des masselottes, il est nécessaire d’établir au préalable le diagramme thermique de la  pièce, c’est à dire les temps de solidification des différentes zones de la pièce. On positionnera ainsi les masselottes à proximité des zones se solidifiant en dernier. En moulage sable, le temps de solidification d’une zone de pièce est proportionnel au carré de son module thermique (rapport entre le volume de la zone et de la surface d’échange thermique). La formule générale est ainsi Ts = K. (V/S)². En conséquence, l’ordre de solidification d’une pièce est similaire à celui des modules. Ainsi, pour deux zones de pièces distinctes (notées 1 et 2), si  M1=V1/S1 > M2=V2/S2 , alors  Ts1>Ts2. On est ainsi amené à décomposer la pièce à masselotter en différentes zones élémentaires et à calculer le module thermique de chaque zone pour déterminer les zones de masselottage.

Respecter les 3 règles

Pour qu’un système de masselotte soit efficace, il doit vérifier 3 règles : la règle des modules, la règle des retraits et la règle des rayons d’action.

La règle des modules

Règle des modules – solidification

Il est nécessaire que le temps de solidification d’une masselotte soit supérieur à celui à la pièce à couler ou encore que son module soit supérieur à celui de la pièce ; majoré d’un coefficient de masselottage ou de sécurité noté J dépendant du mode de liaison de la masselotte sur la pièce (M_masselotte=J∙M_pièce). On distingue en effet 3 types de liaison : la masselotte en bout, la masselotte sur chant et enfin la masselotte à plat.  Il faut noter que pour les fontes à graphite lamellaire et sphéroïdal coulées dans des moules rigides, ces coefficients peuvent être minorés en raison de l’expansion graphitique.

Par exemple, les dimensions d’une masselotte cylindrique se définissent ainsi : Dmasselotte=4,7∙J∙Ω∙Mpièce pour Hmasselotte=1,5∙Dmasselotte
Dmasselotte=4,5∙J∙Ω∙Mpièce pour Hmasselotte=2,0∙Dmasselotte

où Ω est le coefficient d’iso-exothermie compris entre 0,3 et 0,7 pour les masselottes manchon et égal à 1 pour les masselottes sable. Ce coefficient permet de tenir compte des performances thermiques des manchons et de réduire ainsi leurs dimensions de 30 à 70 % par rapport aux masselottes sable.

La règle des retraits

Il est nécessaire que le retrait de la pièce soit intégralement compensé par les masselottes. En particulier, le volume des masselottes doit être au moins 6 fois supérieur au retrait volumique de la pièce. Lorsque des manchons sont utilisés, le volume des masselottes nécessaires n’est plus que de 2 fois le retrait volumique de la pièce. A noter que les retraits volumiques sont compris entre 1 et 10 % selon les alliages et les conditions de coulée.

La règle des rayons d’actions

Enfin, il est nécessaire que les masselottes compensant le retrait « rayonnent » sur toute l’étendue de la pièce. Pour y parvenir, il est parfois nécessaire de multiplier les masselottes pour couvrir l’ensemble de la pièce. En effet, chaque masselotte a un rayon d’action déterminé au-delà duquel elle devient inopérante.

La simulation numérique

Simulation numérique permettant d’optimiser le masselottage d’une pièce

On pourrait penser qu’avec les outils de simulation numérique (remplissage et solidification), le calcul des masselottes est devenu inutile. Il n’en est rien car la détermination du nombre de masselottes, leur dimensionnement et leur position n’est pas systématiquement réalisé par les logiciels de simulation numérique. En fonction du logiciel, l’utilisateur doit fournir une géométrie de la grappe incluant les masselottes qui sera maillée et qui servira de donnée d’entrée géométrique au calcul. En revanche, la simulation va permettre d’optimiser (par itérations successives) le masselottage.