Contrôle. Qualité par Pierre CUÉNIN Ingénieur Arts et Métiers Ancien directeur Méthodes centrales fonderie-modelage Renault Ancien président-directeur général de la Société bretonne de fonderie et de mécanique (SBFM) Ancien administrateur délégué Fonderie du Poitou (FdP)
1. 1.1 1.1 1.2 1.3 1.3
Contrôle ..................................... ........................................................ ....................................... ....................................... .......................... ....... Cont Contrô rôle less de réc récep epti tion on ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. Contrô Contrôles les en cour courss de proc process essus us ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... Cont Contrô rôle le des des piè pièce cess ......... .............. .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... ........ ... 1.3.1 Contrôle des caractéristiques caractéristiques mécaniques mécaniques .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 1.3.2 Contrôle des caractéristiques caractéristiques physiques des pièces ....................... 1.3.3 Contrôles non destructifs destructifs ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... 1.4 Contrôle Contrôle des outillage outillagess et des matériel matérielss .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 1.5 1.5 Labo Labora rato toir iree ......... .............. .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... .. 1.5.1 Fonderies de grande série série ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. 1.5.2 Fonderies de petite série série ou de pièces unitaires .... .......... ...... ....... ...... ....... ...... ....... .....
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2. Qualité ........... ............... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... ....... .. 2.1 Obtent Obtention ion de de la quali qualité té en fond fonderi eriee ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. 2.2 Propriétés Propriétés de fonde fonderie rie des allia alliages ges moulés moulés .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 2.2.1 Coulabili Coulabilité té ......... .............. .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... ......... .... 2.2.2 Retrait Retrait .......... ............... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ...... 2.2.3 Formation de la structure... structure ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... 2.2.4 Ségrégatio Ségrégation n .......... ............... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... ....... 2.2.5 Retassure Retassuress .......... ............... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... .. 2.2.6 Criques. Criques..... ......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... ......... .... 2.2.7 Soufflures Soufflures..... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... ......... .... 2.3 2.3 Défa Défaut utss de de fon fonde deri riee ......... .............. .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... ........ ... 2.3.1 Classificat Classification ion .......... ............... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... ......... .... 2.3.2 Analyse des défauts défauts ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... 2.3.3 Niveaux de rebuts.... rebuts. ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ... 2.4 Organi Organisat sation ion et et gestio gestion n de la qual qualité ité ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...
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4 4 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6 7
......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... Références bibliographiques ......
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our la fonderie, la qualité est une source d’améliorations de gestion et d’éco- nomies d’exploitation. Le coût de la non-qualité à tous les stades de la fabri- cation (par exemple, rebuts, moules défectueux, noyaux cassés, etc.) peut s’élever jusqu’à 15 % de la valeur ajoutée. La qualité des pièces produites en fonderie dépend d’une multitude de para- mètres dont il faut contrôler le plus grand nombre pour obtenir le niveau de qualité nécessaire en fabrication. Ces contrôles, éléments essentiels de la politique « qualité », devront s’exercer dans plusieurs domaines : — les contrôles de réception (matières (matières et produits achetés à l’extérieur) l’extérieur) ; — les contrôles en cours de processus ; — les contrôles des différentes différentes caractéristiques caractéristiques des pièces ; — les contrôles des outillages et des matériels matériels ; — le laboratoi laboratoire. re.
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CONTRÔLE. QUALITÉ ____________________________________________________________________________________________________________________
1. Contrôle Dans la production en série on utilisera le contrôle statistique qui permet la réduction de la fréquence des opérations de contrôle, la mesure de la dispersion du système, le suivi en continu de paramètres critiques et des réglages à bon escient en diminuant les tris et retouches.
1.1 Contrôles de réception Une fonderie approvisionne environ 30 % de son chiffre d’affaires en produits extérieurs (hors énergie), ratio qui sera un peu plus important pour une fonderie de non-ferreux, lié au coût plus élevé des matières métalliques. Ce ratio souligne l’importance de ce poste en coût et son influence sur la qualité des produits fabriqués. C’est pourquoi il importe de mettre en place l’organisation nécessaire pour que toutes les commandes de matières premières, ferrailles, aluminium, sable, résines, produits spéciaux, etc., soient assorties d’un cahier des charges précisant exactement les spécifications du produit à approvisionner. À la réception, des contrôles doivent être pratiqués : par exemple granulométrie des sables, conformité des analyses des métaux neufs, caractéristiques des argiles, des résines, des liants, etc. ; la livraison de produits défectueux pouvant entraîner de graves désordres en fabrication. D’où l’importance de ces contrôles et l’instauration, avec les fournisseurs d’une politique d’assurance qualité s’inspirant de celle mise en œuvre entre le fondeur et ses donneurs d’ordres.
Coulée
Suivi des paramètres de coulée, température, temps de coulée, produits inoculants, propreté du métal liquide.
Parachèvement, finition
Contrôle des gammes, qualité des outillages de finition (matrice de découpe par exemple), etc. L’énumération que nous venons de faire ne donne qu’une idée de tous les contrôles envisageables. Grâce aux progrès dans tous les domaines : électronique, informatique, appareils de mesure, de régulation, etc., on a pu améliorer et multiplier les prises d’informations plus fiables, permettant ainsi de mieux régler et réguler des paramètres de plus en plus nombreux. C’est une évolution importante dans la démarche de la fonderie vers la qualité.
1.3 Contrôle des pièces Au stade final de la production, les pièces devront subir un certain nombre de contrôles pour vérifier leur conformité aux spécifications des cahiers des charges, contrôles que l’on peut classer en trois catégories : — contrôles des caractéristiques mécaniques (allongement, modules d’élasticité, résistance à la rupture...) ; — contrôles des caractéristiques physiques (dureté, dimensions, rugosité...) ; — contrôles non destructifs pour la recherche d’éventuels défauts qui pourraient être détectés sur la pièce, sur sa surface ou dans sa masse.
1.3.1 Contrôle des caractéristiques mécaniques
1.2 Contrôles en cours de processus Ils permettent de vérifier, à chaque stade du processus de fabrication, la conformité des variables de la production avec les réglages prévus par les fiches d’instruction. Nous en citerons quelques exemples.
Fusion
— Température de coulée. — Analyse rapide de l’alliage fondu (analyse thermique, éprouvette de trempe, etc., pour la fonte). — Analyse chimique rapide par spectrographie. — Poids des charges métalliques, des additions, etc.
Moulage
Analyses et contrôles périodiques : — des sables de moulage, par exemple toutes les demi-heures dans les installations de grande production, analyses faites généralement au laboratoire des sables ; — de la dureté des moules ; — de la température de coulée dans les moules ; — des dimensions des pièces ; — du bon fonctionnement des machines et des outillages ; — en fonderie en coquille : suivi du poteyage, de la température des outillages, etc.
Noyautage
Contrôle des résines, des liants, caractéristiques des éprouvettes, vérification des formules de sables, des temps de gazage, des températures des outillages (boîtes chaudes) des températures de réglage des étuves de séchage des enduits, etc.
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Il s’agit de contrôles très classiques qui comprennent tous les essais mécaniques que l’on effectue sur des éprouvettes normalisées obtenues en même temps que les pièces, attenantes ou non, ou sur des éprouvettes obtenues par dissection des pièces. On mesure la dureté, l’allongement, la résistance à la traction, la résilience, la résistance à la fatigue (flexion alternée)... sur des machines spéciales généralement installées au laboratoire d’essais mécaniques, parfois même à l’atelier.
1.3.2 Contrôle des caractéristiques physiques des pièces
Contrôle dimensionnel
Pour vérifier si toutes les cotes, la position des noyaux ainsi que la position des points de départ d’usinage sont bien dans les tolérances prévues sur le dessin des pièces brutes, il est effectué sur des pièces prélevées : — soit en cours de fabrication : au décochage par exemple ; — soit au stade du produit final. Précédemment, pour les fabrications de grande série, cette vérification se faisait sur des pièces échantillons, découpées en tranches et tracés au trusquin sur marbre de traçage. L’apparition de machines à mesurer 2D, puis 3D a permis de simplifier ce travail toujours long et fastidieux surtout pour les pièces compliquées. Ces machines effectuent maintenant ces contrôles très rapidement en donnant, pour chaque cote contrôlée, sa valeur et son écart par rapport à la cote nominale, ce qui permet d’avoir une vue très précise de l’usure des outillages et de la qualité de la fabrication. En outre, la rapidité d’un tel contrôle permet de le faire journellement et d’améliorer ainsi le suivi de la production.
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Contrôle de dureté
Il correspond, entre autres, à la mesure de l’empreinte laissée par une bille sous une charge donnée (dureté Brinell) ou au procédé Vickers (pointe de diamant). Ce contrôle peut se faire sur une machine spéciale ou être intégré dans des machines de finition à postes multiples pour des productions de grande série.
Contrôle micrographique
Il permet de vérifier par exemple pour les aciers la propreté inclusionnaire et pour les fontes les formes du graphite, la quantité de nodules, la structure de la matrice. Ce contrôle peut se faire sur pièce, mais plus généralement sur des échantillons qui subissent un polissage très fin pour pouvoir être ensuite examinés au microscope, le plus souvent, après attaques appropriées.
1.3.3 Contrôles non destructifs Ce sont des contrôles qui permettent de détecter d’éventuels défauts dans les pièces sans porter atteinte à celles-ci. Grâce à l’apparition de nouveaux moyens d’investigation plus performants, ils se sont considérablement développés pour le plus grand bien de l’amélioration de la qualité des pièces de fonderie, en permettant à celle-ci d’aborder, avec toutes les garanties nécessaires, le domaine de la production des pièces de sécurité (porte-fusée, bras de suspension de véhicules, pièces d’aviation). Nous les avons classés et répertoriés en trois grandes familles que nous analysons ci-après : — les contrôles d’ensemble de la pièce : aspect, étanchéité ; — les contrôles de surface : par ressuage ou magnétoscopie ; — les contrôles internes ou de structure : par ultrasons, courants de Foucault, radiographie X et gammagraphie et essais sonores.
1.3.3.1 Contrôles d’ensemble de la pièce
Contrôle d’aspect
C’est un contrôle visuel simple qui peut se pratiquer à l’œil, à la loupe, ou à l’endoscope, pour vérifier rapidement la forme, les dimensions, l’aspect d’une pièce et ses états de surface extérieur et intérieur. C’est un contrôle rapide mais qui demande beaucoup d’attention de la part des contrôleurs pour être efficace à 100 %.
Contrôle d’étanchéité
Il est nécessaire pour détecter certaines fuites qui pourraient se manifester dans des pièces dont l’étanchéité doit être garantie en service ; par exemple : collecteurs d’admission ou d’échappement de moteurs automobiles. Pour cet essai la pièce est bloquée dans un montage étanche, mise sous pression d’air et plongée dans un bac rempli d’eau, où l’on détecte les bulles d’air s’échappant de la pièce. Citons également : — la vérification des tuyaux centrifugés qui se fait, à l’inverse, en remplissant d’eau le tuyau après obturation des deux extrémités ; la mise en pression de l’eau permettra de vérifier la résistance et l’étanchéité du tuyau ; — l’essai avec l’hélium pour détecter de très petites fuites avec une bonne fiabilité et une automatisation possible.
1.3.3.2 Contrôles non destructifs de surface Les deux contrôles principalement utilisés sont le ressuage et la magnétoscopie.
Ressuage
Il permet de détecter et de localiser des défauts débouchant en surface, comme des criques. On applique sur la pièce un liquide pénétrant, puis après l’élimination de l’excès du pénétrant, on applique un révélateur qui fait apparaître le défaut sous forme de traits par exemple pour des criques, indications qui peuvent devenir fluorescentes sous rayonnement ultraviolet.
Magnétoscopie
Elle permet de déceler des discontinuités superficielles. La pièce à contrôler est soumise à un champ magnétique convenablement orienté. Au niveau des discontinuités, on obtient une modification locale du champ que l’on met en évidence à l’aide d’un révélateur à base de particules ferromagnétiques déposées à la surface de la pièce. L’observation peut se faire en lumière du jour ou en éclairage ultraviolet en employant des poudres fluorescentes. La pièce doit être ensuite démagnétisée.
1.3.3.3 Contrôles non destructifs de santé interne ou de structure On utilise essentiellement les contrôles par ultrasons et courants de Foucault.
Contrôle par ultrasons
Le passage des ultrasons dans la fonte peut être gêné, par exemple, par la présence d’une cavité (retassure...) qui donne naissance à des échos anormaux sur l’écran de lecture. Pour améliorer le passage des ultrasons entre l’émetteur et la pièce, et entre la pièce et le récepteur, cet essai se fait dans l’eau ou par interposition d’un produit gras afin de réduire les pertes aux interfaces. Le contrôle par ultrasons est également utilisé pour vérifier le taux de nodularité. La vitesse du son dans la fonte étant influencée par la forme du graphite, et donc par sa nodularité, on peut en déduire grâce à une courbe de correspondance le taux de nodularité.
Courants de Foucault ou contrôle par induction
Les pièces passent dans une bobine d’induction électromagnétique induisant des courants dans la pièce dont la réaction sur un enroulement secondaire permet de mesurer le flux. Après étalonnage et pour une même série, on décèlera les pièces produisant un flux différent de celui de la pièce étalon. Cette méthode permettra de déceler des défauts fins en surface ou de contrôler la structure de la pièce.
Radiographie X et gammagraphie
Le passage des rayons X ou γ dans un matériau est modifié par les défauts de celui-ci, et tout particulièrement par les défauts volumiques. Les rayonnements X impressionnent les émulsions photographiques ce qui permet d’obtenir des images des défauts. On peut aussi les observer en radioscopie, directement sur un écran fluorescent (principe ancien) supplanté maintenant par la radioscopie télévisée, beaucoup plus commode, et facilement mécanisable pour le contrôle des pièces de série. La gammagraphie utilise le même principe mais la source de production des rayonnements γ est une source radioactive, devant laquelle on place les pièces à contrôler. L’exposition est plus longue, plusieurs heures, et l’observation ne peut se faire que sur des clichés photograhiques. Elle est surtout utilisée pour de grosses pièces en alliages ferreux. Compte tenu des dangers de ces rayonnements X et γ , leur mise en œuvre oblige à mettre en place des protections très sûres, des procédures d’emploi rigoureuses et à respecter une législation très contraignante sur le plan de la sécurité.
Essai sonore
Sous un certain choc (par exemple un léger coup de marteau) une pièce vibre, émet un son qui peut être faussé par la présence de défauts (une pièce fêlée sonne « faux »). Ce principe très simple et très ancien a été beaucoup perfectionné et automatisé grâce à l’apparition d’analyseurs de fréquences très performants, l’acquisition des fréquences se faisant par excitation électromagnétique de la pièce et mesure du son résultant, ceci étant réalisé par une sonde comportant un électroaimant et un microphone. Trois sondes peuvent être utilisées pour permettre de mesurer les modes de vibration les plus divers.
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Cette méthode sonore peut être utilisée par exemple pour un contrôle automatique et non destructif d’éprouvettes en fonte GS pour en mesurer le taux de nodularité.
1.4 Contrôle des outillages et des matériels
Les outillages et les matériels sont soumis, en fonderie, à des conditions d’emploi très sévères (chaleur, abrasion par le sable, par le métal liquide, contraintes mécaniques : secousses, chocs, pressions, etc.) qui imposent de les contrôler régulièrement pour vérifier leurs caractéristiques, leurs performances et la sécurité de leur emploi.
Pour les outillages
— Contrôle des châssis (bagues, goujons, planéité). — Contrôle des modèles, plaques modèles, qui s’usent par le frottement du sable et dont il faudra surveiller le degré d’usure pour que les cotes des pièces restent dans les tolérances prévues. — Contrôle des boîtes à noyaux. — Contrôle de l’épaisseur des poteyages (en coquille, gravité, basse pression). — Contrôle des moules à couler sous pression, et notamment des empreintes (usure, érosion par le métal liquide, etc.) qu’il faudra remplacer périodiquement en fonction des quantités de pièces produites. — Contrôle des outillages de finition. — Contrôle des montages et des appareillages de contrôle eux-mêmes pour en vérifier périodiquement la fiabilité (pyromètres, couples thermoélectriques...).
Pour les matériels
Il conviendra également de contrôler systématiquement le bon fonctionnement et les performances des différents matériels et installations employés en production (appareils de fusion, chantiers de moulage, sableries, etc.) pour en suivre l’évolution et programmer en temps utile les opérations préventives de maintenance. Tous ces contrôles, nombreux, onéreux, sont indispensables pour obtenir un excellent niveau de qualité de l’outil de production, la moindre défaillance de l’un quelconque de ces éléments pouvant entraîner des rebuts très coûteux en fabrication.
La section des essais physiques
On trouve ici les appareils d’essais mécaniques classiques : machine de traction, mouton de Charpy... complétés par un atelier de préparation des éprouvettes. La section des essais des sables
Elle rassemble tous les appareils d’essai et de mesure des sables neufs à la livraison, des sables de moulage et des sables à noyaux. Pour les sables de moulage, les mesures généralement faites sont, pour les plus importantes, la granulométrie, l’humidité, la teneur en argile ou en liant, la cohésion, la résistance au cisaillement, l’indice de moulabilité, l’aptitude au serrage, etc. Les essais des sables à prise chimique sur barreaux-éprouvettes normalisés y sont également effectués ainsi que tous les contrôles des liants et des résines employés dans les formules de sable à noyaux.
Les contrôles non destructifs
Ils sont installés dans l’atelier pour le contrôle continu des fabrications. Ils doivent être suivis par des spécialistes du laboratoire pour contrôler en permanence leur fiabilité.
1.5.2 Fonderies de petite série ou de pièces unitaires Le laboratoire est en général plus modeste, mais il est important qu’il existe pour que soient contrôlés par un spécialiste tous les paramètres de fusion et de moulage nécessaires à l’obtention et au suivi de la qualité et à la vérification de la conformité aux spécifications des produits fabriqués. Les moyens mis en œuvre sont dans leur principe les mêmes que pour les pièces de grande série. Parfois pour les très grosses pièces unitaires devant respecter un cahier des charges sévère ils doivent être plus performants.
2. Qualité
Le laboratoire de fonderie rassemble tous les appareils de contrôle et de suivi des caractéristiques chimiques et physiques des pièces fabriquées et des matériaux mis en œuvre.
La qualité en fonderie est avant tout le résultat d’un travail de prévention appuyé par des actions permanentes et rigoureuses de respect des modes opératoires, des procédures et des fiches d’instruction à tous les stades de la production, qui permettront l’obtention de produits conformes aux cahiers des charges, aux conditions d’emploi et aux exigences du client. La qualité est, pour le fondeur, une exigence prioritaire pour pouvoir : — assurer la fiabilité de ses produits ; — mériter la confiance des concepteurs et des utilisateurs ; — donner une bonne image de sa technicité.
1.5.1 Fonderies de grande série
2.1 Obtention de la qualité en fonderie
1.5 Laboratoire
Le laboratoire comprend plusieurs sections.
La section de métallurgie
Elle est équipée avec les appareils de contrôle de l’élaboration des alliages : dosage du carbone, spectrographe d’analyse rapide de tous les composants des alliages (C, Si, Mn, S, P,...), micrographie, etc. et une section chimie pour contrôler, en permanence, le bon réglage du spectrographe par des analyses vérifiant les résultats spectrographiques. Ceux-ci peuvent aussi être contrôlés à partir d’échantillons-étalons.
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Le problème de la qualité en fonderie se pose de façon plus complexe que dans d’autres techniques. Le processus industriel (que nous avons schématisé sur la figure 1) fait intervenir, à tous les stades de la fabrication, de très nombreux paramètres, dont certains difficiles à maîtriser, et qui influenceront la réussite de la pièce. Au départ, la pièce doit être bien dessinée, suivant certaines règles [2], le système de coulée et d’alimentation en métal liquide bien au point, et les outillages en parfait état.
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Phase 3
Elle a lieu après refroidissement, c’est la phase de parachèvementfinition, avec traitements thermiques éventuels. Au cours de cette phase la qualité proviendra du soin apporté à chaque opération, au respect des gammes et au bon entretien des outillages de parachèvement.
Phase 4
C’est le contrôle final des pièces où l’on pourra déceler d’éventuels défauts ou anomalies. Le lancement d’actions correctives pour la suppression des anomalies constatées devra s’appuyer : — sur une bonne connaissance des propriétés de fonderie des alliages coulés ; — et sur une bonne identification des défauts qui permettra de choisir les remèdes à appliquer ; ces deux points étant développés dans les paragraphes 2.2 et 2.3 suivants.
2.2 Propriétés de fonderie des alliages moulés
Figure 1 – Schéma simplifié du processus industriel de fonderie
Le processus industriel peut se diviser en quatre phases au cours desquelles il convient d’exercer des contrôles très rigoureux pour assurer la qualité finale.
Phase 1
C’est la phase de préparation des différents composants : les moules, les noyaux, l’alliage liquide, chacun d’entre eux devant être conforme aux caractéristiques demandées, par exemple : — pour les moules : dimensions des empreintes, dureté du serrage, qualité du sable de moulage (humidité, cohésion, etc.) ; — pour les noyaux : précision dimensionnelle, qualité des liants, des résines, respect des formules, etc. ; — pour le métal élaboré : composition, traitements correctement effectués au four, à la poche, propreté du métal, bonne température etc. Toutes ces contraintes visent à préparer des composants de qualité qui seuls pourront garantir la qualité finale de la pièce.
En dehors de leurs propriétés physiques (densité, retrait, résistance, dureté...) les alliages moulés présentent des propriétés de fonderie qu’il est important de connaître et de prendre en compte pour améliorer la qualité des produits fabriqués. Ces propriétés sont résumées ci-après [4] : — la coulabilité ; — le retrait ; — la formation de la structure ; — les ségrégations ; — les retassures ; — les criques ; — les soufflures.
Phase 2
Coulée du métal dans le moule, solidification et refroidissement : c’est la création et la naissance de la pièce. Au moment de la coulée, beaucoup de phénomènes vont apparaître liés aux qualités de fonderie de l’alliage coulé, au comportement des moules et noyaux pendant toute cette phase d’échauffement extrêmement rapide, aux réactions moule-métal, aux caractéristiques de la coulée et aux conditions mêmes de refroidissement de la pièce. C’est la phase la plus délicate du processus de fabrication, celle qui peut générer divers défauts si toutes les conditions de qualité analysées précédemment ne sont pas correctement remplies.
2.2.1 Coulabilité C’est l’aptitude d’un alliage à remplir complètement l’empreinte du moule. C’est une propriété complexe qui fait intervenir : — les caractéristiques de l’alliage : composition chimique, intervalle de solidification, etc. ; — et les conditions de sa mise en œuvre : température de coulée, nature et température du moule, principe de coulée (gravité, basse pression ou sous pression). C’est une propriété complexe, difficile à caractériser, qui oblige à des contrôles divers (analyse du métal, température de coulée, température du moule, etc.) pour garantir la qualité des moulages produits.
2.2.2 Retrait Le retrait est la différence de dimensions linéaires entre l’empreinte du moule et la pièce solidifiée. Il s’exprime en ‰ ou en mm/m. C’est également un phénomène complexe, dépendant de la loi de refroidissement, de la température de coulée de l’alliage, des dimensions et de la forme de la pièce, de la dilatation et de la rigidité du moule, du contact pièce-moule, et qui découle de différents facteurs intervenant pendant le refroidissement de l’alliage dans le moule : — contraction à l’état liquide ; — contraction ou expansion pendant la solidification ; — contraction ou expansion à l’état solide pendant le refroidissement final.
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2.2.3 Formation de la structure La structure de solidification peut être influencée par : — les conditions thermiques d’élaboration de l’alliage ; — l’intervalle de solidification ; — les conditions d’extraction de la chaleur ; — les phénomènes de germination ; — les traitements du métal liquide ; — la nature du moule.
2.2.4 Ségrégation C’est un phénomène prenant naissance à la solidification et qui se traduit par une hétérogénéité chimique entre différents points de la pièce. Il est lié à la composition de l’alliage, ainsi qu’à la présence d’inclusions qui peuvent jouer un rôle dans cette hétérogénéité.
2.2.5 Retassures Ce sont des défauts qui se manifestent par des creux à la surface de la pièce ou par des cavités à l’intérieur de celle-ci. On les trouve dans les régions de la pièce restées liquides les dernières. Il faut donc les alimenter par du métal liquide provenant de masselottes moulées et coulées en même temps que la pièce et raccordées à celle-ci par des attaques à large section pour que le métal ne s’y fige pas. Il faudra ensuite les éliminer à l’ébarbage. Les facteurs favorisant la formation de retassures sont principalement : — la forme de la pièce ; — la vitesse de coulée et de remplissage de la pièce ; — les changements de volume de l’alliage lors de sa solidification, d’où l’intérêt de compositions présentant les changements de volume les plus réduits ; — la dureté et la résistance des parois du moule qui s’opposent à la pression ferrostatique de l’alliage et pour les fontes au gonflement pendant la période d’expansion graphitique, tout particulièrement avec la fonte GS.
2.3 Défauts de fonderie D’origines très diverses, ils proviennent le plus souvent de mauvais réglages des paramètres de fabrication ou d’approvisionnements non conformes aux spécifications. Il ne s’agit jamais de défauts inguérissables mais plutôt d’anomalies ou de nonconformités. Les origines et les remèdes possibles ont fait l’objet d’une abondante bibliographie. Nous avons extrait quelques généralités d’un ouvrage de MM. G. Hénon, C. Mascré, G. Blanc Recherche de la qualité des pièces de fonderie [1], dont nous résumons ci-après les indications principales concernant la classification des défauts et leur analyse.
2.3.1 Classification Les défauts ou anomalies ont été classés en sept groupes, caractérisés par l’aspect physique du défaut : — excroissances métalliques (bavures, gales, surépaisseurs...) ; — cavités (piqûres, soufflures, retassures, bouillonnements...) ; — solution de continuité (cassures, tapures, criques, reprises...) ; — surfaces défectueuses (plissements, rides, queues de rat, gales...) ; — pièces incomplètes (malvenues, coulées à court, moules vidés, cassures...) ; — dimensions ou formes incorrectes (cotes inexactes, déformations...); — inclusions ou anomalies de structure (gouttes froides, inclusions de laitier ou de sable, trempe, durcissement superficiel...).
2.3.2 Analyse des défauts Pour chaque défaut caractérisé, l’ouvrage Recherche de la qualité des pièces de fonderie [1] donne les indications suivantes. Une description complétée par le nom traditionnel du défaut avec l’indication des alliages et des procédés de moulage.
2.2.6 Criques Ce sont des ruptures ou déchirures du métal qui se produisent pendant le refroidissement de la pièce dans le moule. Les facteurs à l’origine de ces défauts sont souvent : — la forme et la dimension des pièces ; — la résistance et la dilatabilité du moule et des noyaux ; — la capacité de déformation du métal fonction de sa composition et de sa température. Lorsque la rupture se produit brutalement, c’est une tapure.
Une liste des remèdes qui pourront être préconisés pour la suppression de tel ou tel défaut et qui compléteront, en cette matière, l’expérience du fondeur, qui reste un atout incomparable pour résoudre ce genre de problèmes.
Nota : voir également les références [5] [6] [7].
2.2.7 Soufflures Ce sont des cavités ou des trous résultants de la présence de bulles de gaz dans l’alliage pendant sa solidification dont l’origine peut être : — interne à l’alliage : gaz dissous, en général ; — externe à l’alliage : dépendant de la conception du moule, des matériaux mis en œuvre pour sa confection, de leurs qualités et des réactions moules-métal qu’ils engendrent ou des entraînements de gaz à la coulée.
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Une liste des causes possibles, avec l’indication des plus probables, en expliquant, lorsque cela a été possible, le mécanisme selon lequel ces causes peuvent agir sur l’apparition du défaut. À part quelques défauts, issus d’une malfaçon évidente, les imperfections résultent plutôt d’un concours de circonstances que d’une cause unique bien déterminée. Ce qui peut en rendre l’analyse parfois assez complexe.
2.3.3 Niveaux de rebuts Le problème de la qualité des pièces de fonderie peut donc sembler difficile à résoudre, compte tenu de toutes les causes possibles de défauts, dont les remèdes ne sont pas toujours faciles à trouver, et de l’évolution des pièces, vers des produits plus performants, plus précis, et plus fiables pour répondre aux exigences toujours élevées des concepteurs et des clients. Beaucoup des pièces actuellement fabriquées en grande série, pour l’automobile par exemple, étaient difficilement envisageable dans le passé, il y a seulement quelques décennies. Citons notamment : les vilebrequins de moteurs, les porte-fusées, les bras de suspension, les bielles... qui sont maintenant d’application courante mais qui ne tolèrent aucune défaillance.
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___________________________________________________________________________________________________________________ CONTRÔLE. QUALITÉ
Ces exigences accrues ont également augmenté les difficultés de fabrication, mais grâce à l’évolution des procédés et des techniques de production et de contrôle, la fonderie a su accompagner et même, dans certains cas, promouvoir cette évolution vers des produits plus « haut de gamme », tout en maintenant des taux de rebuts de l’ordre de quelques pour-cent en fonderie et de 0,5 à 1 % maximum en pièces retour d’usinage (ces chiffres étant évidemment fonction de la difficulté des pièces à fabriquer). Ce qui démontre toutes les possibilités de la fonderie lorsque sa fabrication est parfaitement maîtrisée et contrôlée.
2.4 Organisation et gestion de la qualité Pour être efficaces, toutes les actions menées sur le plan technique tant au niveau de la prévention qu’au niveau des actions correctives devront s’appuyer sur une organisation de la qualité qui concernera toute l’entreprise et qui visera à obtenir la « Qualité totale », le zéro défaut étant pris dans le sens : zéro écart par rapport au référentiel.
Ce qui nécessitera : — une organisation de l’entreprise, simple, claire, efficace, d’autant plus indispensable que très souvent 80 % des problèmes sont du type organisationnel ; — une recherche de la qualité dans tous les secteurs de l’entreprise, entretien, méthodes, outillages, achat, services administratifs, etc., dont l’action viendra épauler celle de la fabrication ; — la mise en place d’un certain nombre d’outils de gestion pour contrôler et améliorer le niveau de la qualité, comme par exemple : • le manuel qualité de la fonderie, • l’emploi des méthodes statistiques (contrôle statistique (SPC) plan d’expérience, analyse des données), • mise en place de l’assurance qualité interne (plan de surveillance, audits) et externe avec les fournisseurs ; — suivi des dépenses de non-qualité : • développement de la formation et de la motivation du personnel à la qualité, • recherche de l’homologation et de la certification de l’entreprise dans le cadre des normes internationales (par ex. ISO 9001 – 9002 – 9003). Le lecteur souhaitant approfondir tous ces aspects de la qualité en fonderie, pourra consulter, entre autres, l’ouvrage édité par la SGFF et intitulé Guide à l’usage des fonderies pour l’organisation de la gestion de la qualité [2].
Références bibliographiques [1]
[2]
HÉNON (G.), MASCRÉ (C.) et BLANC (G.). – Recherche de la qualité des pièces de fonderie. Éd. Techn. de la Fonderie, 353 p. (1986, revu 1991). Guide à l’usage des fonderies pour l’organi- sation de la gestion de la qualité. SGFF, 93 p. (1981).
Dans les Techniques de l’Ingénieur [3] [4]
CUÉNIN (P.). – Outillages de fonderie. M 3 535, traité Matériaux métalliques, déc. 1997. LESOULT (G.). – Solidification. Macrostruc- tures et qualité des produits. M 59, traité Matériaux métalliques, oct. 1989.
[5]
[6]
[7]
PORTALIER (R.). – Fonderie et moulage des alliages d’aluminium. M 810, traité Matériaux métalliques, juil. 1990. CHÉRIÈRE (J.). – Élaboration des fontes malléables. M 770, traité Matériaux métalliques, janv. 1994. DÉTREZ (P.). – Solidification. M 786, traité Matériaux métalliques, juil. 1991.
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